3生化与分子生物学前沿-动物模型与心脏发育

动物模型与心脏发育吴秀山湖南师范大学心脏发育研究中心主征：轻者无症状。重者有心悸、气促、乏力、咳嗽、喀血。晚期面部、双手出现紫绀、心力衰竭房间隔缺损法乐四联症主征：四联症（肺动脉狭窄、室间隔缺损、主动脉骑跨、右心室肥厚）。杵状指（趾），指端紫绀。呼吸困难，发作性缺氧性昏厥。主征：蜘蛛样指（趾）。近视、晶体（半）脱位,二尖瓣脱垂Marfan综合症(蜘蛛样指（趾）综合症)2005-11-11异位心脏不幸猝死的十位明星相声演员马季小品演员高秀敏相声演员侯耀文特型演员古月音乐创作人马兆骏亚洲第一飞人柯受良喜剧演员傅彪歌手陈汝佳陈逸飞影视剧作家人类心脏疾病1994年世界死亡人数5200万,其中因心血管疾病死亡的有1530万，占死亡人数29%。2000年全球死于心血管疾病的人为1700万，在每三个死亡的人中就有一人死于心血管疾病，这一数字到2020年预计增加到50％。心血管疾病超过恶性肿瘤而成为威胁人类生命和健康的“头号杀手”。主要疾病死亡率的排名及发展趋势A.D.LOPEZandC.D.MATHERS,100(5and6),481–499(2006)先心病是各国出生婴儿致死、致残的首位原因。房间隔缺损法乐四联症先天性心脏病我国先心病患者有1千多万，每年新增约20万，婴儿心脏出生缺陷位居第一先天性心脏病先心病患者每年直接医疗费用高达120亿，相关间接费用和对患儿家庭和社会造成的影响不可估量先天性心脏病降低心脏出生缺陷的根本途径在于胎儿先心病筛查及临床干预先天性心脏病先心病是由于心脏发育基因产生突变以及这些基因在时间（发育阶段）和空间（组织特异性）上的表达调控失误而引起的。目前对心脏发育基因了解有限，亟待查清心脏发育基因，以对心脏出生缺陷进行有效的干预先天性心脏病科技部制定的《可持续发展科技纲要》（2006－2020）强调要加强研究出生缺陷的产前筛选、诊断技术和提高儿童生活质量的优育技术等，并将发育与生殖研究作为国家中长期科学规划确定的四项重大科学研究计划之一。人类心脏疾病发病机制的研究由于研究手段的限制，心脏发育的基因控制机理在二十世纪九十年代前一直是有待解开的迷。心脏发育基因调控的研究方法•模式动物•分子生物学技术•疾病家族谱系分析模式动物国际上模式生物发育遗传学研究近十几年来取得一系列重大突破与进展目前国际主要杂志60%以上的生物医学研究成果来于模式生物的研究。参与人类重大疾病的主要信号转导途径大多数由在模式生物中进行的发育遗传学研究所阐明TGF-beta信号异常与大肠癌等肿瘤发生密切联系，而TGF-beta信号途径是通过研究果蝇胚胎发育阐明的；Wnt信号转导异常可以导致各种疾病，Wnt信号转导主要是通过果蝇和斑马鱼的发育遗传学研究了解清楚的；Ptc信号转导与皮肤癌等多种人类肿瘤相关，关于它的知识最早也是在果蝇中得到描述；Notch信号转导控制着果蝇神经发育中的旁侧抑制，它的异常在人中导致老年痴呆和白血病等疾病，对于他的认识则来自于对线虫进行的发育遗传学研究。动物模型果蝇模型斑马鱼模型鸡模型小鼠模型模式动物果蝇的优势繁殖快、空间小、成本低独特的遗传学分析方法-大规模的P因子插入单基因诱变-稳定遗传的隐性致死平衡系-快速的高等生物体内基因调控途径研究模式动物与基因学说美国科学家的果蝇研究成果于1936年获诺贝尔生理医学奖证明基因学说ThomasH.Morgan1833—1896阿尔弗雷德·诺贝尔1833年10月21日生于瑞典首都斯德哥尔摩北方街9号遗产（920万美元）1900年6月设置诺贝尔基金会文学、物理、化学、医学和生理学、经济学奖、和平遗嘱：“请将我的财产变做基金，每年用这个基金的利息作为奖金，奖励那些在前一年为人类做出卓越贡献的人。”基因同源同功原理美国与德国三位科学家的果蝇研究成果于1995年获诺贝尔生理医学奖证明物种间(如果蝇与人)基因的同源同功原理利用果蝇研究人类重大疾病发病机制的实例许田等,NatureGenetics,1999果蝇肿瘤小鼠肿瘤利用果蝇研究人类重大疾病发病机制的实例许田等,Science,302:12272003果蝇肿瘤肿瘤转移机制模式动物斑马鱼的优势•繁殖力强、生长期短、体积小•体外受精、胚胎在母体外发育，易于观察•可预期的遗传方式清华大学的80m2的自动控温控光的斑马鱼养殖房，已养殖有1万多尾斑马鱼，可同时养殖1500多种不同的品系。已养殖约3000个F0突变个体。模式动物鸡的优势鸡蛋,鸡胚可以随时获得且鸡蛋价格便宜、易于储存鸡胚容易进行体外培养。胚胎是半透明的，故可以在显微镜下观察它们的内部组织鸡胚的卵外培养小鼠是“袖珍版”的人体模式动物小鼠的优势国家遗传工程小鼠资源库“小鼠遗传资源库是功能基因组学的核心及基础，充分利用现代生物学技术，建立和完善遗传工程小鼠技术平台，为相关学科的发展提供资源、技术、人员培训等社会化服务，对我国生物医学科技的发展等具有十分重要的意义。”小鼠基因敲除技术冷冻切片机显微操纵仪小鼠基因剔除技术平台小鼠基因敲除E9.5wild-typeMekk3-/-embryos小鼠条件基因敲除E9.5embryos最快速有效的模式动物基因突变技术--转座子诱变技术模式生物与转座子学说美国科学家的玉米研究成果于1983年获诺贝尔生理医学奖证明转座子学说BarbaraMcClintock果蝇P转座子果蝇与人类的心脏早期发育是否具有相似的基因调控机理wttin-果蝇心脏基因tin在胚胎的表达Tinman世界上克隆鉴定的第一个心脏发育基因tin脊椎动物和人类tin基因（Nkx2.5）与果蝇tin基因的分子比较世界上克隆鉴定的第一个心脏发育基因tin世界上克隆鉴定的第一个心脏发育基因tin利用果蝇tin基因的同源性克隆的小鼠基因世界上克隆鉴定的第一个心脏发育基因tin1998年《SCIENCE》杂志论文证实人类tin基因Nkx2.5是控制人房间隔缺损的疾病基因房间隔缺损家系家系成员的临床症状世界上鉴定的第二个果蝇心脏发育基因wgst11st10st9野生型突变型胚胎表达Wu,etal.,DevelopmentalBiology,169:619-628(1995)国际心脏发育领域鉴定的第一条心脏发育信号途径“Wg信号途径直接控制着果蝇心脏发育的过程”Wu,etal.,DevelopmentalBiology,177:104-116(1996)Wnt-11激活Wnt信号途径控制非洲爪蟾的心脏发育Nature,418(8):636-640,2002Wnt信号途径控制斑马鱼心垫的发育Nature,425:633-637,2003Wnt信号途径控制小鼠流出道和大动脉的发育NatureGenetics,39(10):1225,2007果蝇与脊椎动物及人类的心脏早期发育具有惊人相似的基因调控机理心脏发育研究中心最快速有效的基因突变技术基因湖南师大果蝇心脏病模型Pygo突变杂合子成体心脏的各项指标均出现异常Pygo突变杂合子导致心肌肥大Pygo突变基因杂合子心肌正常心肌果蝇心脏病模型（一）利用果蝇模型大规模地鉴定心脏发育基因建立了3000个果蝇隐性基因平衡致死系；鉴定出72个果蝇心脏发育相关的基因；几乎查清果蝇心脏早期发育的全部基因。进行果蝇全基因组P转座子基因突变我国最早利用模式动物果蝇进行大规模心脏发育研究的项目，获2003年湖南省科技进步奖一等奖被国际心血管领域的权威评论杂志《TrendsCardiovascMed》（IF=5.1）邀请撰写了特邀综述“果蝇心脏功能与心衰的基因调控”被国际专著《ShapingtheHeartinDevelopmentandDisease》的主编特邀撰写了专著章节：“Wg/Wnt信号在心脏发育中的调控机制”。（二）大规模地鉴定人类心脏发育相关基因是我国最早利用模式动物进行大规模人类心脏发育研究的项目，获2009年湖南省自然科学奖一等奖鉴定出67个人类心脏发育候选基因；率先将1‰人类基因的克隆、表达与结构特征及功能的研究结果发表在国际杂志上；建立了11个心脏发育新基因的基因敲除与转基因动物模型；证明12个基因与心脏发育或心脏病有关。斑马鱼心脏祖细胞/前体细胞迁移示意图人类重大科学计划人类基因组计划曼哈顿原子弹计划阿波罗登月计划20世纪的人类自然科学史上三大科学计划2000年6月26日，人类基因组草图绘制完成，人类自身的生命天书被破译该计划于1990年启动由美国、中国、日本、德国、法国和英国共1000多名科学家通力合作投资30亿美元HGP计划绘制的4张图物理图遗传图表达图基因图人类基因组计划（HGP）是人类为了认识自己而进行的从1%到中国人的个体化基因组研究“基因之父”吉姆•沃森：每个人的基因都能刻成盘？1962年诺贝尔生理医学奖得主人类基因组计划的一个重要目标针对每位病人的不同特点制定更适合的治疗方案蛋白质组学计划继国际人类基因组计划之后的又一项大规模的国际性科技工程中国科学家牵头的“人类肝脏蛋白质组计划”美国科学家牵头的“人类血浆蛋白质组计划”蛋白质组1蛋白质组2蛋白质组3蛋白质组4蛋白质组学计划同一基因组国际人类蛋白质组计划前景全球每年新增肝炎肝炎病患者约5000万人我国有超过1亿人患肝病每年死于肝病的人有数十万之多，全国一年用于乙型肝炎防治费高达1千亿元重大技术突破美国科学家的RNAi研究成果于2006年获诺贝尔生理医学奖安德鲁·菲尔克雷格·梅洛癌症分子靶向治疗全球每年新发肿瘤患者1090万人因癌症死亡670万人RNA干扰应用癌细胞膜破裂RNA干扰与癌症RNA干扰应用利用RNA干扰抵御艾滋病毒瘦小的小鼠和它受治愈的后代利用RNA干扰治疗遗传病2010年诺贝尔生理医学奖得主罗伯特·爱德华兹人类试管授精（IVF）疗法使治疗不育症成为可能，全球超过10%的夫妇因此获益匪浅。通过IVF出生的人大约有四百万。2010年10月4日在瑞典卡洛琳斯卡研究院诺贝尔讲堂宣布英国科学家获得罗伯特·爱德华兹诺贝尔生理医学奖在诺贝尔讲堂作学术报告2010年10月5日被邀请出席瑞典卡洛琳斯卡研究院200年院庆系列学术研讨会2010年10月4日瑞典卡洛琳斯卡研究院在诺贝尔讲堂宣布英国科学家罗伯特·爱德华兹获得诺贝尔生理医学奖与诺贝尔奖评委等瑞中科学家在一起二十一世纪是生命科学的世纪生命科学是二十一世纪人类最受欢迎的行业之一;该学科正以惊人的速度向着宏观和微观纵身发展，其行业前景十分广阔。二十一世纪是生命科学的世纪人类重大疾病基因的专利与药物开发是目前国际各大制药集团与投资公司争相抢夺的焦点。人类心脏疾病基因的专利转让与药品开发潜力将具有巨大的市场开发前景。二十一世纪是生命科学的世纪美国Amgen公司于1994年出资2000万美元向Rockfeller大学购买了一个肥胖基因的独占型开发许可权，其后又购买与转让了其他几个重要基因的专利，在专利转让与制药行业获取了高额利润，成为美国生物工程医药领域的领头羊。二十一世纪是生命科学的世纪1998年，Amgen公司再度购买促红细胞生成素EPO的专利并开发应用，使EPO的年销售收入达到13.6亿美元，而EPO的全球市场现已达到34亿美元的销售额。曾打破过百米世界纪录加拿大名将本-约翰逊二十一世纪是生命科学的世纪2000年鉴定的心血管系统基因VEGF的专利转让费为1亿美元。二十一世纪是生命科学的世纪博士后广告中95%以上的是招收生物学领域博士后生命科学研究生命科学研究心脏发育研究中心部分成员与我院荣誉教授.诺贝尔奖获得者EdmondFischer,美国科学院院士EarlDavie和AlanGaren合影敬请提出批评指导意见!