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1、第8章 生物技术与人类健康,Outline,人类疾病特征 人类疾病的诊断与治疗 人类基因组计划(HGP)基因芯片生物工程制药,一.人类疾病特征,1.遗传病,1902 年英国医生加洛特(A.Garrod)从家族病史，发现并研究了第一例遗传病尿黑酸症，并发现该病由单个隐性基因控制。,尤其难得是，加洛特预测，尿黑酸病病人缺乏一种酶（苯丙氨酸羟化酶），而正常人有，加洛特把这种遗传病症状称为“先天性代谢差错”。后来的研究证明加洛特的预见是对的。,加洛特的工作推动了对一系列遗传病的发现。当时，对遗传病的认识是：由于某个基因的缺失、突变或异常，导致一定病症的出现。可以遗传给下一代子女。这类病的遗传遵循孟德尔
2、规律。,苯丙氨酸代谢途径关系到三种遗传病,例如：某些儿童由于缺少苯丙氨酸羟化酶而产生严重的苯基酮尿症。这是因为苯丙氨酸羟化酶的缺乏，使苯丙氨酸正常的降解途径受阻，而改变为另一条降解途径，即苯丙氨酸与-酮戊二酸发生转氨反应，产生苯丙酮酸。此物质积累在血液中，最后由尿排出体外。血液中过量的苯丙酮酸妨碍儿童大脑的正常发育造成严重的智力迟钝。,亦是苯丙氨酸代谢紊乱病症。但是疾病后果的严重程度远大于尿黑酸症。因为脑发育受阻，严重脑力呆滞，智商 050。,苯丙酮尿症(PKU),是苯丙氨酸代谢途径中又一种“遗传病”。也是常染色体隐性遗传。,白化病,白化病,2、遗传病的类型和特征,迄今已记录的遗传病有 300
3、0 多种，找到了 200 多个与遗传病有关的基因。根据基因的位置与病症，把遗传病分为三类：,类型,特征,病例,基因在常染色体(隐性),基因在常染色体(显性),基因在X染色体,只有在父母均携带缺陷基因情况下，子女才可能表现病症。,父母一方有病症，子女出现病症的概率为 50。,母/女 常常是缺陷基因携带者。病症更多出现在儿子身上。,苯丙酮尿症(PKU)纤维性囊泡化(CF)镰刀状贫血症,亨廷顿氏病 家族性高胆固醇血症,血友病红绿色盲肌营养不良症,由于红血球不正常带来严重后果。问题在于血红蛋白-链 一个谷氨酸残基变成了缬氨酸残基。,镰刀状贫血症,正常红血球 镰刀状红血球,有意思的是在非洲大陆某些地区镰
4、刀状贫血症发病率高，携带者也多。这些地区恰恰又是一种恶性疟疾流行地区。分析表明，镰刀状贫血症缺陷基因携带者比正常人对恶性疟疾有抗性。,恶性疟疾流行地区,镰刀状贫血病基因高频地区,一个基因缺陷会导致多种症状,亨廷顿氏病,-是一种神经症状疾病，患者出现不由自主动作，渐渐记忆丧失，行为失常，直至行动失控、致死。Nancy Wexler 领导的研究组在委内瑞拉西北一个小山村里进行调查并作出富有成效的研究。,最终找到缺陷基因位于4号染色体。此基因包含一段 CAG 重复序列，相当于谷氨酸重复序列。正常基因含1034 个 CAG 拷贝，病人含 40 以上甚至 100 个拷贝。,亨廷顿氏病是第一个被发现的显性
5、遗传病。,常染色体显性基因遗传病,的家族遗传特征,显性遗传病,裂手裂足(龙虾爪手)多指短指软骨发育不全,正常的手指 短指,这种病的患者身体内，编码低密度脂蛋白(LDL)受体的基因突变。LDL受体分布在细胞表面，功能是把血流中的 LDL 吸收到细胞中来。LDL 受体蛋白失去功能，便形成高胆固醇血症，进一步造成动脉粥样硬化。,家族性高胆固醇血症,LDL 受体基因在 19 号染色体上。但属不完全显性。CC 纯合子在初生婴儿中占 1/106，在很小年纪就得心脏病。Cc杂合子孩子在初生婴儿中占1/500，在 30 岁左右出现心脏病症状。这是人类遗传病中最常见最严重的一种。,正常人 轻度病症 严重病症,正
6、常血管,动脉粥样硬化血管,患者表现为血凝过程受阻，常常在有伤口时，出血不止。血凝机制包括一系列蛋白水解酶活化过程的级联反应。涉及十个左右凝血因子。其中凝血因子 和 位于染色体上。血友病正是因为这两个因子之一的基因发生突变，所以血友病是基因位于 X染色体的隐性基因遗传病。,血友病,血友病家族的一个著名的例子是英国维多利亚女王(18191901)家族。维多利亚女王身上的血友病缺陷基因使凝血因子失活通过皇族通婚，传递到普鲁士皇室，西班牙王室和俄罗斯王室。,维多利亚女王家族谱系,英国维多利亚女王及其家族,末代沙皇尼古拉二世家庭,(1)单基因遗传病的患者在人群中比例不高。以上所说的遗传病都属于单基因遗传
7、病。即病因明确地在于一对基因的突变或缺陷。单基因遗传病的发病率较低，几百分之一至几万分之一。,染色体病 由于染色体畸变，包括染色体数目或结构改变所致的遗传病，称为染色体病。这种疾病已记录有 500 多种，其中，性染色体异常占 75，常染色体异常占 25。如：先天愚型病是因为有三条 21 号染色体所致。,3、遗传病对人类健康的影响到 底有多大？,先天愚型病患者有独特的面部特征,先天愚型病患者有三条 21 号染色体,新生儿患病概率与母亲年龄有关,经过良好的训练,唐氏综合症患者也能有幸福和丰富的生活。,有的病受几对基因控制，这类遗传病发病与否，不但取决遗传，也在很大程度上受环境影响。相当一部分常见病
8、或多发病，如：糖尿病、高血压、神经分裂症、支气管哮喘等，都属多基因遗传病。,(2)多基因遗传病,（3）随着医学的进步，对人类威胁很大或引起婴儿死亡率甚高的许多传染病，如：鼠疫、天花等已得到控制。代谢疾病，器质性疾病和遗传病对人类健康的影响相对的增长。,加上，医学生物学研究的深入，使越来越多的代谢疾病和器质性疾病中遗传因素被揭示出来，归入多基因遗传病，所以遗传病对人类健康的威胁益凸现出来。,在一些发达国家，婴儿死亡率中的 50 归因于遗传病。我国每年出生 1500 万婴儿中，3 带有先天缺陷，其中 80 与遗传病有关。,因为有环境因素的影响，包括：饮食、妊娠、创伤、情绪等，于是，遗传的影响程度不
9、一，被称为“遗传易感性”。,疾病名称 环境因素 遗传率 所起作用支气管哮喘 较小 70%神经分裂症高血压 中等 50-60%冠心病消化性溃疡 较大 40%成年性糖尿病,一些常见病、多发病的遗传易感性,感染(传染)病,HIV 病 毒 模 式 图,SARS 病 毒,真菌(霉菌和酵母)霉 菌 皮肤、指甲真菌感染白假丝酵母 鹅口疮肺组织胞浆菌病,细菌附在牙齿表面，产生酸，侵蚀牙齿的釉质而形成空洞。,1997香港禽流感,1997香港：学龄儿童因患流感死亡；流感病毒血清型：H5N1，系禽流感；引起恐慌，全体鸡鸭遭灭顶之灾。,正在火化病牛以防止“疯牛病”的传播,二.人类疾病的诊断与治疗,1.现代分子诊断技术
10、,利用PCR技术或PCR与分子杂交标记相结合，可以快速准确地检测出病原性物质。,检测寄生虫感染诊断方法比较,核酸杂交是DNA诊断分析方法的一种，其工作原理是两条DNA链之间通过碱基配对形成氢键；理论上讲，核酸杂交用来诊断疾病可用于对所有致病微生物的检测。,核酸杂交,2、限制性内切酶图谱多态性技术（RFLP）基因突变后，使限制性内切酶切点改变，导致电泳条带的改变。在 RFLP 实际操作中，还是要使用放射性探针。,基因突变使得内切酶图谱改变,下图,酶切,电泳,放射性探针杂交,图谱多态性,返回,RFLP用于镰刀状贫血症基因检查,正常有1150 bp 和 200 bp，突变后 没有上述两条条带，多一条
11、 1350 bp,珠蛋白基因,DNA指纹,DNA指纹(DNA Fingerprinting)指对待测样品中的DNA进行分析所得到的具有特征性的分子杂交图谱。,DNA指纹的应用-司法鉴定,DNA指纹带型图,在法庭上可用 于谋杀案取证,被告血样,受害者血样,被告衣服上的血样,DNA指纹的应用司法鉴定,DNA指纹的应用亲子鉴定,My father?,返回,RFLP 用于亲子关系确认，电泳图谱中左侧：母亲 中间：儿子右侧：父亲（？）,2.人类疾病的基因治疗,遗传病的根治应该是基因治疗，但是基因治疗的难度很高。1990 年第一例基因治疗临床试验使腺苷酸脱氨酶(ADA)基因进入骨髓细胞，再送回病人体内，治
12、疗严重综合免疫缺失症(SCID)获得初步效果。,1990年，转基因T淋巴细胞注射到人体骨髓组织中治疗SCID。,这个名叫David的男孩已近10岁了,他生下来就在隔离室中长大。【SCID患儿】,找到致病基因；克隆得到大量与致病基因相应的正常基因；采取适当方法把正常基因放回到病人身体内去；进入体内的正常基因应正常表达。,基因治疗的必要步骤：,克隆得到正常基因,以病毒DNA为载体,正常基因转入人体细胞,再转入病人身体,目前，基因疗法的对象：基因病、肿瘤、心血管病、糖尿病、血友病、严重贫血、关节炎、爱滋病等15种以上疑难顽症；基因治疗人类遗传性疾病,仍在探索阶段。,基因治疗是将正常的外源基因导入靶细
13、胞中以弥补靶细胞所缺失或突变的基因、或抑制异常表达的基因。,1990年9月，美国FAD批准了用AIJA(腺昔脱氨酶)基因治疗严重联合型免疫缺陷病(一种单基因遗传病)，并取得了较满意的结果。-标志着人类疾病基因治疗的开始。,2.人类疾病的基因治疗,基因治疗的策略,原位修复(基因修复)对有缺陷的基因在原来位置上进行修复，使该基因恢复正常。基因替代疗法治疗策略是切除发生缺陷的基因，再转入有功能的正常。基因增强将目的基因导入靶细胞，目的基因的表达产物可以补偿缺陷细胞的功能。基因抑制导入外源基因以抑制原有的基因，目的在于阻断有害基因的表达。,1990年9月14日美国第一例临床基因治疗申请获得批准：国立卫
14、生研究院NIH，重组DNA顾问委员会RAC。,SCID患者(severe combined immunodeficiency)：缺乏腺苷酸脱氨酶，ada基因缺失。将正常基因转入患者(4岁的女孩)淋巴细胞，再将改造细胞送回患者体内。,基因治疗,重症联合免疫缺陷病：,Ashanti de Silva,Now 13,was the first patient to be treated with gene therapy.,重症联合免疫缺陷的基因治疗 腺苷脱氨酶基因治疗(1990),有时，补充必要的酶也很起作用。纤维性囊泡化病(CF)是美国白色人种中较为常见的遗传病。病儿从肺、胰腺等处分泌粘液，阻碍
15、呼吸、消化等功能。5岁前可能因呼吸阻碍致死。,(2)蛋白质水平治疗,CF病儿吸入基因工程法制备的 DNA 酶粉，症状大为改善。,三.人类基因组计划(HGP),February 2001,The HGP consortium publishes its working draft in Nature(15 February),and Celera publishes its draft in Science(16 February).,什么是“人类基因组”？,-指人体DNA分子所携带的全部遗传信息,人体细胞的核型(Spectral Karyotype),“基因组(genome)”一词是1920年
16、Winkles从GENes和chromosOMEs组成的。泛指一个细胞或一个生物体的全部遗传信息。在真核生物，基因组是指一套(单倍体)染色体DNA。,白宫的庆典,2000-6-26,Venter(left)&Collins(right),1998年，Venter成立了Celera公司，参与竞争HGP。Collins为美国HGP首席科学家。,什么是“人类基因组计划”？、“人类基因组计划”的意义是有哪些？-人类基因组计划：基因组就是一个物种中所有基因的整体组成。-人类基因组有两层意义：遗传信息和遗传物质。要揭开生命的奥秘，就需要从整体水平研究基因的存在、基因的结构与功能、基因之间的相互关系。人类是
17、在“进化”历程上最高级的生物，对它的研究有助于认识自身、掌握生老病死规律、疾病的诊断和治疗、了解生命的起源。对于奠定21世纪医学、生物学发展的基础具有重要而深远的意义,5、参与“人类基因组计划”的国家及我国参与的意义有哪些？,2000年6月26日宣布“人类基因组草图”绘制完成，现已绘制出“人类基因组精图”。,通过参与,分享了历时多年的类基因组计划积累的技术与资料。建立了我国自己的基因大规模测序的全套技术及科学技术队伍。大大促进了我国生命科学技术前沿领域的发展，为医药、农业等生物高技术的产业发展开辟了广阔的前景。,4、“人类基因组计划”的现状？,人类的染色体组,已完成测序工作的生物,疾病基因的发
18、现 1990年美国科学家率先启动人类基因组计划（HGP），计划历时15年，至2005年完成；2001年2月12日由Since和Nature杂志同时向世界宣布，人类基因组3X109bp的最新图谱，约含34万个基因；整个人类基因组的全部核苷酸序列不久即将完成。但要揭示人类4万个基因功能的任务将更为艰巨。,人类基因组图谱的初步完成，不仅为全部基因的定位建立了一个开放框架，而且为分离、鉴定人类疾病相关基因提供了参照模板。如已知人类遗传性疾病约有3000种，推测可能是由于某些基因结构异常或基因位移等突变所致。如果利用分子生物学技术，将患者疾病基因与正常基因图谱作对照分析，必将有助于阐明遗传病的分子机制，
19、这对遗传病的基因治疗将起到不可估量的推动作用。,HGP将给人类带来的好处,(1)将带动一场医学革命 用基因图谱看病 基因药物治病 基因检测预防隐患 基因治疗疾病,(2)获取了操纵生命的工具 控制生命的孕育优生优育 延长人的寿命 选择最佳生活环境,(3)得以进行精确的个体鉴定 基因身份证 生物考古,(4)将带来巨大的商机 生物制药 器官培植,社会平等与基因歧视 科技进步与基因技术滥用 社会公正与基因成果利益的均等分配 技术的不确定性和基因安全,HGP 可能给人类带来的隐患,基因诊断(Gene Diagnosis),通过从患者体内提取样本(DNA)用基因检测方法来判断患者是否有基因异常或携带病原微
20、生物的方法，就是基因诊断。,G到T一个碱基的改变，决定一个人的命运！小皓出生23个月就出现皮疹、便血等病状，患上了罕见的原发性免疫缺陷病。DNA序列分析，证实了小皓WAS蛋白基因的1388位核苷酸由G突变为T，使编码谷氨酸的密码GAG突变为终止密码TAG。WAS蛋白突变为无功能的WAS蛋白，导致患儿血小板减少，淋巴细胞形态和功能异常。希望：WAS目前已经可以用骨髓移植或干细胞移植根治。,传统与基因诊断的比较,传统的诊断望 问 听 触经验化验/检验微生物、免疫学、生物化学、病理学等对细胞、组织、酶、代谢物等检测影像学X线、B超、CT、核磁共振、内窥镜等特殊检查肌电/脑电/心电、骨密度等,基因诊断
21、应用分子生物学方法：如PCR技术或PCR与分子杂交标记主要应用于先天遗传性疾患(苯丙酮尿症、血红蛋白病)后天基因突变引起的疾病(肿瘤、糖尿病)病原生物的侵入(流感、肝炎、艾滋病)个体识别、法医物证,生物芯片技术,生物芯片技术的一般原理,生物芯片又称DNA芯片或基因芯片，它们是DNA杂交探针技术与半导体工业技术相结合的结晶。该技术系指将大量探针分子固定于支持物上后与带荧光标记的DNA样品分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息。1996年底，美国 Affymetrix 结合照相平板印刷、计算机、半导体、寡核苷酸合成、荧光标记、核酸探针分子杂交和激光共聚扫描
22、等高新技术，研制创造了世界第一块DNA芯片。,生物芯片之所以成为全世界科学家孜孜以求的目标的原因,一个指甲大的地方就能建个实验室，医生可以一次同时测出多种病原微生物，在极短的时间内知道病人被哪种微生物感染，迅速医治；想知道胎儿是否患有遗传病，只要取少量羊水或几滴父母血液，同时鉴别的遗传病达数十种甚至数千种！这个缩微实验室名叫“生物芯片”。,基因芯片实验程序,基因芯片实验程序,DNA点阵,生物芯片技术的主要应用,1998年底，美国科学促进会将基因芯片技术列为1998年度自然科学领域十大进展之一。一些科学家把基因芯片称为“可以随身携带的微型实验室”。,DNA芯片可用于大规模筛查基因突变所引起的疾病
23、；,分析基因组及发现新基因等具有很大的优势；DNA芯片技术用于基因组分析时，具有样品用量小、信息量大、分析方法简易快速、自动化程度高等多项优点，特别适合于寻找新基因、基因表达检测、突变检测、基因组多态性分析和基因文库作图以及杂交测序等方面。,医学、化学、新药开发、司法鉴定、农业技术和食品技术领域也具有广泛的应用；,生物技术制药,产业过程,生物技术制药,Drug R&D(新药开发),人类基因序列,生物信息学,重组蛋白质表达,高通量生物活性筛选,功能研究,药物靶标研究,先导化合物筛选,基因工程药物开发,化学新药,基因组药物开发流程,蛋白质序列,基因治疗,1976年第一家基因工程技术开发药物的公司建
24、立；1982年第一个基因工程药物重组人胰岛素正式生产，推向市场2002年全球生物技术公司总数已达4284家，美国占34。2004年基因重组生物技术药物的年销售额已经突破400亿美元；。2005年市场上的生物技术药物达到200种左右，而在研的药物为 600种。全世界已有2.5亿人使用生物技术药物和疫苗。,国外生物医药的发展,许多药品的生产是从生物组织中提取的。受材料来源限制产量有限，其价格往往十分昂贵。如胰岛素长期以来只能依靠从猪、牛等动物的胰腺中提取。将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素！相当于1000Kg猪胰脏中提取的量。,基因工程药品的生产,从转基因羊的
25、羊奶中提取出治疗心脏病的药物tPA,乳腺生物反应器:使外源基因在哺乳动物的乳腺组织(上皮细胞)中进行特异表达我们需要的蛋白产物；血液生物反应器细胞生物反应器已生产的药物：-抗胰蛋白酶、抗凝血因子、tPA、凝血因子、白细胞介素22等。,组织型纤溶酶原激活物,动物生物反应器,动物乳腺生物反应器,乳腺生物反应器的原理是将外源基因置于乳腺特异性调节序列之下，使之在乳腺中表达，然后通过回收乳汁获得重要价值的生物活性蛋白。,由于乳腺是一个外分泌器官，乳汁不进入体内循环，因此不会影响到转基因动物本身的生理代谢反应。从转基因乳汁中获得目的基因产物，不但产量高、易提纯，而且表达的蛋白经过充分的修饰加工,具有稳定
26、的生物活性。所以，用乳腺表达人类所需蛋白基因的羊、牛等就像一个制药工厂。,动物血液生物反应器,血液生物反应器比较适合生产人血红蛋白、抗体和生产非生物学活性(有生物学活性的蛋白或多肽会影响动物的健康)的融合蛋白。主要产品为人血清白蛋白。通过分子生物技术重组能在猪肝中表达的人血清白蛋白融合基因，并以显微注射的方法将融合基因注射到猪的受精卵中，培养出转基因猪，从而实现在猪体内合成人血清白蛋白的目的。,转基因猴,图为人类培育出的第一只转基因猴“安迪”,人类培育出的第一只转基因猴在美国安全降生，这是世界上第一只转基因灵长类动物，生物革命的脚步声已经越来越近。研究人员在科学杂志上报告说，他们在猴子的未受精
27、卵中加入附加基因，并利用它成功培育出健康活泼的小猴“安迪”。据介绍，安迪体内增加的基因仅是一个简单的标志基因，目的就是能够简单地确认出它的基因图谱。但是同样的转基因方法可以令其它的实验动物携带特定的医疗目的基因。,转基因猴的卵子示意图,为人类最终战胜糖尿病、乳腺癌、爱滋病、帕金森氏症和艾滋病等顽症提供帮助。,中国首批t-PA转基因羊,首只诞生的羔羊为公羔，体重为4.1千克，此羔羊平均日增重200克，其余27只转基因羊身体状况良好。,由中国军事医学科学院主持，山东农业大学、莱阳农学院等单位共同参与的国家“863”计划项目动物乳腺生物反应器项目取得重大突破，首批28只带有t-PA组织型纤溶酶原激活剂的转基因羊，2004年6月在山东省东营市天翼公司陆续降生。t-PA是目前治疗急性心肌梗塞最好的溶血栓药物，如果从国外进口，价格非常昂贵，由动物的乳腺生产出含有t-PA的药物蛋白，价格就会大大降低。作为当今生物工程中的尖端和前沿，“动物乳腺生物反应器”项目主要是通过制备转基因动物并且利用它们的乳腺，大规模生产供人类疾病治疗和保健用的药用蛋白或其他生物活性物质。,能溶解血栓,
