分子生物学与检验技术

分子生物学与检验技术•徐美兰234567891011•黄金大米（GoldenRice）是一种转基因大米，它通过转基因技术将β-胡萝卜素转化酶系统转入到大米中而获得，外表为金黄色，故称黄金大米。•苏黎世瑞士联邦理工学院的IngoPotrykus教授和德国弗赖堡大学的PeterBeyer（分别为育种专家和分子生物学家）是这一大米作用机制的创始人。•1999年，研发此大米，并于2004年在美国进行试验。1213争议核心问题转基因作物的安全性？！……14主要质疑•转基因食品对人体有害，甚至造成不孕不育等等。•转基因农业会导致基因扩散，对生态环境造成危害。•转基因会导致病菌产生抗性。•转抗虫基因会导致害虫产生抗性，因此不得不继续打农药。•转基因技术的专利大都掌握在外国人手中，对中国的粮食安全不利。•转基因技术只适用于大农场，不适合小农。•转基因技术只应用了十几年，将来很可能会发现有害，因此必须谨慎。15需要具备的基础知识•什么是基因？•什么是转基因？•如何进行转基因操作？16第一章绪论Introduction•第一节分子生物学的兴起与发展•第二节分子生物学检验技术的主要任务•第三节分子生物学检验技术的临床应用前景学习目的和要求1.掌握分子生物学检验技术的主要任务与分析对象2.熟悉分子生物学与检验技术的发展及主要里程碑3.了解分子生物学检验技术的临床应用前景第一章绪论Introduction第一节第二节第三节中英文退出绪论现代分子生物学兴起的标志：20世纪50年代Watson和CrickDNA双螺丝结构分子生物学以揭示生命现象本质为目的，以研究生物分子的结构与功能为对象，为破解生命奥秘、探究疾病现象、疾病的诊断治疗及预防控制等，实现个体化循征医护等奠定基础。第一章绪论Introduction第一节第二节第三节中英文退出一、分子生物学发展历程及其主要的里程碑二、临床分子生物学检验技术的发展与进步第一节分子生物学的兴起与发展第一章绪论Introduction退出首页一、分子生物学发展历程及其主要的里程碑19世纪中后期到20世纪50年代初期1.遗传学诞生的遗传规律1865孟德尔性状遗传2.确定了蛋白质是生命的主要组分3.揭示了生物遗传的物质基础是DNA（一）准备与酝酿阶段细胞亚显微结构第一章绪论Introduction退出首页肺炎双球菌遗传转化实验•OswaldAvery（1877-1955）•1944年证实DNA是遗传信息的载体。2223一、分子生物学发展历程及其主要的里程碑20世纪50年代到70年代Watson和CrickDNA双螺旋结构模型意义：确立了核酸作为信息分子的结构基础；提出了碱基配对是核酸复制、遗传信息传递的基本方式；最终阐明了遗传的物质基础是核酸。这三点为认识核酸与蛋白质的关系及其在生命中的作用打下了最为重要的基础。（二）建立与发展阶段细胞亚显微结构第一章绪论Introduction退出首页DNA双螺旋模型：里程碑•1953年，Watson和Crick在《Nature》上发表论文，提出DNA为双螺旋结构。碱基位于双螺旋内侧，磷酸与糖基在外侧，通过磷酸二脂键相连，形成核酸的骨架。碱基平面与中心轴垂直，糖环平面则与轴平行，两条链皆为右手螺旋。碱基按A-T，G-C配对互补，彼此以氢键相连。并指出，DNA的特定配对原则，立即使人联想到遗传物质可能有的复制机制。•标志着分子生物学这一崭新学科的正式诞生。25JamesDeweyWatson（1928-）FrancisHarryComptonCrick（1916-2004）2627•MauriceHughFrederickWilkins(1916-2004)通过X射线证实了Watson-Crick模型三人获noble生理医学奖28•RosalindElsieFranklin（1920-1958）•1952年她所拍摄的DNA晶体衍射图片“照片51号”，以及关于此物质的相关数据，是沃森与克里克解出DNA结构的关键线索。29•《Nature》于1953年4月25日同时发表三篇论文，顺序是以Watson和Crick为先，再是Wilkins等人，最后是Franklin等人。沃森与克里克在论文中提及他们是受到Wilkins与Franklin等人的启发，但并未详细说明，也没有致谢。而Wilkins与Franklin则是在论文中表示自己的数据与Watson和Crick的模型相符。30当时研究DNA分子模型的3个实验室•伦敦国王学院的Wilkins、Franklin实验室，用X射线衍射法研究DNA的晶体结构。•加州理工学院的大化学家Pauling实验室，他已发现了蛋白质的α-螺旋结构。•剑桥大学卡文迪许实验室的非正式研究小组，Watson和Crick。31Watson和Crick依据的3条数据1.广为人知的，DNA由6种小分子组成：脱氧核糖，磷酸和4种碱基（A、G、T、C），由这些小分子组成了4种核苷酸，这4种核苷酸组成了DNA.2.最新的，Franklin得到的衍射照片表明，DNA是由两条长链组成的双螺旋，宽度为20埃。3.最为关键的，1950年美国生物化学家Chargaff发现DNA中的4种碱基的含量并不是传统认为的等量的，虽然在不同物种中4种碱基的含量不同，但是A和T的含量总是相等，G和C的含量也相等。32DNA作为遗传物质需具备的特点1.能够携带遗传信息。2.能够自我复制传递遗传信息。3.能够让遗传信息得到表达以控制细胞活动。4.能够突变并保留突变。•DNA双螺旋模型完美地解释1、2和4。•1958年，Meselson和Stahl完成了DNA半保留复制的实验。33遗传信息传递规律：中心法则•1957年，Crick提出中心法则：DNA→RNA→蛋白质•遗传信息在不同的大分子之间的转移都是单向的，不可逆的，只能从DNA到RNA(转录)，从RNA到蛋白质（翻译）。•这两种形式的信息转移在所有生物的细胞中都得到了证实。34•1950年，科学家发现RNA可复制。•1970年Temin和Baltimore在RNA致癌病毒中发现了以RNA为模板合成DNA的逆转录酶。351970年Crick提出了完整的中心法则。•实线箭头的转移普遍地存在于所有生物细胞中。•虚线箭头是特殊情况下的遗传信息转移。•RNA复制只在RNA病毒中存在。•逆转录最初在RNA致癌病毒中发现，现在在人的白细胞和胎盘滋养层中也测出逆转录酶的活性。•遗传信息从DNA到蛋白质的直接转移仅在理论上具可能性，在活细胞中尚未发现。36•中心法则合理地说明了在细胞的生命活动中两类大分子的联系和分工：•核酸的功能是储存和转移遗传信息，指导和控制蛋白质的合成。•蛋白质的主要功能是进行新陈代谢活动和作为细胞结构的组成成分。37乳糖操纵子模型•1961年，Monod和Jacob提出乳糖操纵子模型。他们还提出了mRNA的概念。预言并参与证实存在38mRNA的发现•1961年，Monod和Jacob提出了mRNA的概念，认为在DNA与其表达产物蛋白质之间存在一种传递信息的中间物质，这种物质极可能是一种RNA。•Brenner、Monod和Jacob的实验和此后Spiegelman的实验证实了mRNA的存在。39遗传密码的破解•1954年，Gamov提出密码子是三联体。•1961年，Crick等证实密码子是非重叠、无标点的三联体。•1966年，在Nirenberg、Khorana等的努力下，完成了全部64个遗传密码子的解码。40一、分子生物学发展历程及其主要的里程碑20世纪70年代以后1.重组DNA技术的建立和发展2.后继研究和持续发展阶段（三）深入发展阶段细胞亚显微结构第一章绪论Introduction退出首页重组DNA技术PaulBerg（1926-）•1972年，PaulBerg创造出第一个重组DNA分子。•1973年，HerbertBoyer和StanleyCohen发展了重组DNA技术，发现改造后的DNA分子可在外来细胞中复制。42DNA测序技术•1977年，Sanger与Maxam和Gilbert等发明了DNA测序技术。43PCR技术•1985年，KaryMullis发明聚合酶链式反应（PCR）技术。•1988年，Saiki发现耐热的TaqDNA聚合酶，PCR技术迅速推广。44随着2003年人类基因组计划（humangenomeproject，HGP）的完成，逐渐发展起来的基因组学和蛋白质组学，以及新近于真核细胞内发现的控制基因信息流通的非编码RNA（noncodingRNA）和不依赖DNA序列的表观遗传（epigenetics)等新兴领域生命信息和新技术体系的引入，预示着分子生物学又将发生一场深刻的革命。Introduction退出首页第一章绪论4620世纪人类科技发展史上的三大创举90年代人类基因组计划40年代第一颗原子弹爆炸60年代人类首次登上月球二、临床分子生物学检验技术的发展与进步（二）聚合酶链反应PCR（三）生物芯片技术（四）DNA测序技术（一）DNA分子交杂技术细胞亚显微结构第一章绪论Introduction退出首页一、分子生物学检验技术的理论基础二、分子生物学检验技术的分析对象第二节分子生物学检验技术的主要任务第一章绪论Introduction退出首页一、分子生物学检验技术的理论基础（二）单基因病与基因变异（三）线粒体遗传病与线粒体基因变异（四）恶性肿瘤与肿瘤相关基因（一）人类感染性疾病与病原微生物细胞亚显微结构第一章绪论Introduction退出首页一、分子生物学检验技术的理论基础（二）单基因病与基因变异（三）线粒体遗传病与线粒体基因变异（四）恶性肿瘤与肿瘤相关基因（一）人类感染性疾病与病原微生物细胞亚显微结构第一章绪论Introduction退出首页转基因动物模型•在佛罗里达州杰克逊维尔的MAYO诊所研究员成功的繁殖出了大脑患有神经纤维缠结，具有人类老年性痴呆症病理特征的小鼠。这只小鼠模拟了人类神经纤维缠结的形成过程，为研究者希望攻克预防、治疗老年性痴呆和其他痴呆症提供了重要的基础。5152微生物基因工程与多肽类产品的生产•2008年，美国华盛顿大学的罗伊·卡斯蒂斯和他的研究小组成员共同研制成功避孕疫苗。对老鼠的实验已经取得了成功。•新型的避孕疫苗是由沙门氏菌进行基因改造而成的。经过基因改后，沙门氏菌就不会产生有害感染。这种经过基因改造过的沙门氏菌之所以能够阻止怀孕，就是因为它会产生一种重要的蛋白质。这种蛋白质一旦附在卵子的表面后，可以有效地阻止精子与卵子的结合，从而达到避孕的目的。53微生物基因工程与多肽类产品的生产•美国陆军研究发展和工程中心将合成蜘蛛丝的基因转入细菌，生产出一种可溶性丝蛋白，可纺成一种强度超过钢的特殊纤维。54转基因动物与蛋白药物的生产•将生物活性蛋白基因导入动物的受精卵，在发育成的转基因动物体液或血液、乳汁、尿、腹水中收获基因产物，通常将此动物称为“动物生物反应器”。•英国用转基因绵羊来试行生产人类抗胰蛋白酶因子，在每升羊奶中可取得35克这种蛋白质。•tPA（组织型纤溶蛋白元激活因子）已在转基因小鼠的乳汁中得到了表达，成为治疗血栓的理想药物。•转基因小鼠可表达羊奶的主要成分——β-乳糖球蛋白。•凝血因子Ⅳ也在转基因绵羊中得到了表达。55转基因植物与蛋白药物的生产•2007年5月16日美国农业部批准一种转基因水稻大规模种植。•这种转基因水稻产出的大米含有人类乳汁中常见的溶菌酶、乳铁蛋白以及人类血清白蛋白。其中，前两者具有抗菌作用，能治疗肠胃感染引起的腹泻等疾病，后者可用于贫血的治疗。56转基因植物与蛋白药物的生产•2011年10月31日，武汉大学杨代常的论文《利用转基因水稻规模化生产重组人血清白蛋白》在《美国科学院院报》发表，文章证明，植物来源的重组人血清白蛋白与临床使用的血浆来源血清白蛋白，无论是在生理生化性质，还是功能用途等方面，都具有高度的等同性。•目前大约每亩水稻可以产生1.5-2kg血清白蛋白。如果说一个人一次能献血200ml，一亩转基因水稻产出的血清白蛋白量约等于300人献血。57转基因植