1、1,生物技术概论 宋思扬 楼士林 主编 科学出版社,生物化学系 陈汉春,2,第1章 生物技术总论,学习目的了解生物技术的含义、特点以及生物技术的发展史。掌握生物技术的各项技术及其相互关系。认识生物技术的应用领域及其对人类社会发展的影响。,3,生物技术被世界各国视为一项高新技术，被广泛应用于医药卫生、农林牧渔、轻工、食品、化工和能源等领域，促进传统产业的技术改造和新兴产业的形成，对人类社会生活将产生深远的、革命性的影响。 生物技术不完全是一门新兴学科，它包括传统生物技术和现代生物技术两部分。,4,1.1 生物技术的含义 1.1.1 生物技术的定义生物技术(biotechnology)，也称生物工
2、程(bioengineering)， 是指人们以现代生命科学为基础，结合其他基础学科的科学原理，采用先进的工程技术手段，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。因此，生物技术是一门新兴的、综合性的学科。,5,微生物 工程菌 发酵工程 基因工程 蛋白质或酶 蛋白质工程或酶工程 产品动、植物个体或细胞 细胞工程 优良动、植物品系,1.1.2 生物技术的种类及其相互关系,6,1.1.2.1 基因工程(gene engineering) 应用人工方法把生物的遗传物质，通常是脱氧核糖核酸(DNA)分离出来，在体外进行切割、拼接和重组。然后将重组DNA导入某种宿主细胞或
3、个体，从而改变它们的遗传品性；有时还使新的遗传信息在新的宿主细胞或个体中大量表达，以获得基因产物(多肽或蛋白质)。也称DNA重组技术。,7,1.1.2.2 细胞工程(cell engineering) 指以细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖；或人为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而改良生物品种和创造新品种；或加速繁育动、植物个体；以获得某种有用的物质的过程。 细胞培养 细胞融合（细胞杂交技术） 细胞重构（如细胞器移植）,8,1.1.2.3 酶工程(enzyme engineering) 利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能, 或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺
4、过程来生产人类所需产品的一项技术。它包括酶的固定化技术、细胞的固定化技术、酶的修饰改造技术及酶反应器的设计等技术。,9,1.1.2.4 发酵工程(fermentation engineering) 利用微生物生长速度快、 生长条件简单以及代谢过程特殊等特点，在合适条件下，通过现代化工程技术手段，由微生物的某种特定功能生产出人类所需的产品称为发酵工程，也称微生物工程。,10,1.1.2.5 蛋白质工程（protein engineering） 是指在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学、计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识，通过对基因的人工定向改造等手段，对蛋白质进行修饰、改造、拼接以产生
5、能满足人类需要的新型蛋白质。,11,1.1.3 生物技术所涉及的学科 现代生物技术是所有自然科学领域中涵盖范围最广的学科之一。它以包括分子生物学、细胞生物学、微生物学、免疫生物学、人体生理学、动物生理学、植物生理学、微生物生理学、生物化学、生物物理学、遗传学等几乎所有生物科学的次级学科为支撑，又结合了诸如化学、化学工程学、数学、微电子技术、计算机科学、信息学等生物学领域之外的尖端基础学科，从而形成一门多学科互相渗透的综合性学科。其中又以生命科学领域的重大理论和技术的突破为基础。,12,13,生物技术所涉及的行业种类 行业种类 经营范围 疾病治疗 用于控制人类疾病的医药产品及技术，包括抗生素、生
6、物药品、基因治疗、干细胞利用等 诊断 临床检测与诊断，食品、环境与农业检测 农业、林业与园艺 新的农作物或动物，肥料，生物农药食品 扩大食品、饮料及营养素的来源 环境 废物处理、生物净化、环境治理能源 能源的开采、新能源的开发化学品 酶、DNA/RNA及特殊化学品 设备 由生物技术生产的金属、生物反应器、计 算机芯片及生物技术使用的设备等,14,传统生物技术现代生物技术,1.2 生物技术发展简史,15,1.2.1 传统生物技术的产生传统生物技术应该说从史前时代起就一直为人们所开发和利用，以造福人类。在石器时代后期，我国人民就会利用谷物造酒，这是最早的发酵技术。 古老的酿造技术 发酵技术,16,
7、理论背景：现代生物技术是以20世纪70年代DNA 重组技术的建立为标志的。 1944 年Avery 等阐明了DNA是遗传信息的携带者 1953年Watson &Crick发现DNA双螺旋结构 开 创分子生物学 1961年H.G.Khorana & M.W.Nirenberg破译了遗传密码，揭开了DNA 编码的遗传信息是如何传递给蛋白质这一秘密,17,现代生物技术的诞生1973年加州大学的Cohen等实现了细菌间遗传物质的人工重组，转入一个抗药基因，使大肠杆菌获得了抗药性，第一例DNA重组技术成功。,18,1978年Genetech公司和洛衫矶Hope市医学中心将具有明显医药实用价值的蛋白质胰岛
8、素基因导入到E.coli 中表达成功 1980转基因动物首获成功，美国人得到转人生长激素基因的超级鼠 1983年美国人和比利时人将外源基因引入植物中，并稳定遗传 1997年第一只克隆羊在英国Rosslyn研究所诞生,现代生物技术的诞生,19,生物技术的发展将越来越深刻地影响着世界经济、军事和社会发展的进程。,1.3生物技术对经济社会发展的影响,20,1.3.1 改善农业生产，解决食品短缺提高农作物的产量及品质 培育抗逆的作物优良品系，植物种苗的工厂化生产 提高粮食品质 生物固氮，减少化肥使用量发展畜牧业生产 动物的大量快速无性繁殖 培育动物的优良品系,21,开发制造贵重的新型药品疾病的预防和诊
9、断基因治疗人类基因组计划,1.3.2 提高生命质量，延长人类寿命,22,过去10年美国生物技术产品销售（百万美元） 领域 1998年 2003年 2008年 增长率% 人类疾病治疗 9120 16100 27000 11 人类疾病诊断 2100 3100 4300 7 农 业 420 1000 2300 19 特制品 390 900 2000 18 非医疗检验 270 400 600 8 合 计 12300 2150 36200 11,23,美国工业化生物技术研究与发展基金分布图,（69）,24,解决能源危机生物能源将是最有希望的新能源之一，乙醇、生物柴油等最有希望成为新的替代能源。 保护环境
10、人们可以利用微生物净化有毒的化合物，降解石油污染，清除有毒气体和恶臭物质，综合利用废水和废渣，处理有毒金属，达到净化环境、保护环境、废物利用并获得新的产品的目的。,1.3.3 解决能源危机、治理环境污染,25,制造工业原料利用微生物在生长过程中积累的代谢产物,生产食品工业原料，种类繁多。 生产贵重金属利用微生物的浸矿技术对废渣矿、贫矿、尾矿、废矿进行提炼。,1.3.4 制造工业原料、生产贵重金属,26,基因工程对微生物的改造是否会产生某种有致病性的微生物，这些微生物都带有特殊的致病基因，如果它们从实验室逸出并且扩散，有可能造成类似鼠疫那样的可怕疾病的流行。转基因作物及食品的生产和销售，是否对人
11、类和环境造成长期的影响，擅自改变植物基因是否可能引起一些难以预料的危险。,1.3.5 生物技术的安全及其对伦理、道德、 法律的影响,27,分子克隆技术在人类的应用可能造成巨大的社会问题，并对人类自身的进化产生影响；而应用在其他生物上同样具有危险性，因为所创造出的新物种有可能具有极强的破坏力而引发一场浩劫。生物技术的发展将不可避免地推动生物武器的研制与发展，使笼罩在人类头上的生存阴影越来越大。动物克隆技术的建立，如果被某些人用来制造克隆人、超人，将可能破坏整个人类社会的和平。,28,第9章 生物技术与人类健康,学习目的认识医学领域是现代生物技术应用最广泛、成绩最显著、发展最迅速的领域。了解生物技
12、术对疫苗生产、疾病诊断、生物制药等领域的影响；了解生物技术对人类健康、延长人类寿命、提高生活质量所具有的不可估量的作用。,29,医药卫生领域是现代生物技术应用最广泛、成绩最显著、发展最迅速、潜力也最大的一个领域。生产常规方法不能生产的药品或制剂。 生产灵敏度高、反应专一、实用性强的临床诊断新试剂。 提供安全性能好、免疫能力强的新一代疫苗。,30,广义的疫苗是指将病原微生物（如细菌、立克次氏体、病毒等）及其代谢产物，经过人工减毒、灭活或利用基因工程等方法制成的用于预防传染病的自动免疫制剂。其中，由细菌制成的称为菌苗；由病毒、立克次体、螺旋体等制成的称为疫苗。,9.1 生物技术与疫苗,9.1.1
13、疫苗概说,31,第一代疫苗19世纪中叶，法国科学家Parsteur首先发明了减毒疫苗的制备技术。用病原体减毒或弱化制成疫苗，称之为第一代疫苗。特点：以减毒、弱化或灭活的病原体做疫苗。,32,第二代疫苗 (基因工程疫苗 )将病原体的抗原（某种蛋白质）基因克隆在细菌或真核细胞内，利用其生产的病原体抗原作为疫苗。特点：利用病原体的某些抗原成分作为疫苗。,33,第三代疫苗 (核酸疫苗 )将含有编码病原体抗原基因序列的质粒载体直接作为疫苗，经肌肉注射等方法导入体内，通过宿主细胞表达抗原蛋白，诱导宿主产生对该抗原蛋白的免疫应答。 特点：用含有病原体抗原基因序列的质粒载体直接作为疫苗。,34,9.2.1 E
14、LISA：酶联免疫吸附检测技术(enzyme linked immunosorbent assay)基因工程抗原多克隆抗体与单克隆抗体,9.2 生物技术与疾病诊断,35,1978年Kan和Dozy首先应用羊水细胞DNA限制性片段长度多态性（RFLP）进行镰状细胞贫血症的产前诊断，开创了DNA诊断的新技术。30多年来，DNA诊断技术飞速发展，建立了多种多样的检测方法，这些检测方法可以用于遗传性疾病、肿瘤、传染性疾病等多种疾病的诊断。,9.2.2 DNA诊断技术,36,9.2.2.1 DNA探针杂交技术,37,PCR: polymerase chain reaction， 即聚合酶链式反应技术，是
15、一项体外扩增特异DNA片段的技术。特点：灵敏度极高，可以检测极微量的病原体。但如果操作不当很容易产生假阳性反应。,9.2.2.2 PCR技术,38,变性 95C,延伸 72C,退火 Tm-5C,72延伸10min,2535个循环后,95预变性5min,39,40,41,利用PCR诊断遗传病 遗传病的诊断包括： 临症诊断（symptomatic diagnosis）：是指遗传病出现临床症状后所进行的诊断。 症状前诊断（presymptomatic diagnosis）：是指 临床症状出现前所进行的诊断。 产前诊断：胎儿出生前所进行的诊断。由于目前大多数遗传病无有效的治疗方法，因此产前诊断对于降低
16、遗传病的发生率，提高人口素质具有重要的意义。,42,可利用PCR技术诊断的部分传染因子病毒 细菌 寄生虫单纯性疱疹病毒 大肠杆菌 衣原体肝炎病毒 沙门氏菌 锥虫巨细胞病毒 耶尔森氏菌 丝虫腺病毒 分支杆菌 疟原虫风疹病毒 弯曲菌 血吸虫Epstein-Barr病毒 军团菌 利什曼原虫轮状病毒 博代氏杆菌 旋毛虫乳头状瘤病毒 弧菌 小泰氏梨浆虫人免疫缺陷病毒 链球菌 弓形虫细小病毒 葡萄球菌鼻病毒 淋病奈瑟氏菌立克次氏体支原菌,利用PCR诊断传染病,43,限制性片段长度多态性（RFLP）是指由于碱基的改变导致DNA上的某一限制性内切核酸酶水解位点增加或减少。当这种DNA用内切酶水解时，产生的DN
17、A片段数将相应地增加或减少，并且其DNA片段的分子质量也发生相应的改变，这种DNA片段长度的变化就称为限制性片段长度多态性。,9.2.2.3 PCR-RFLP技术,44,45,许多遗传性疾病就是由于DNA上碱基的改变引起的。如果这种改变正好增加或减少了DNA限制性内切核酸酶的水解位点,那么就可以用PCR技术先扩增包括这一突变位置在内的DNA片段，获得大量的DNA片段后通过RFLP方法进行分析。,46,生物芯片主要指通过平面微细加工技术在固体芯片表面构建的微流体分析单元和系统，以实现对细胞、蛋白质、核酸以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。,9.2.2.10 生物芯片技术,47,生物芯片
18、的主要优点 采用了平面微细加工技术，可实现大批量生产。通过提高集成度，可降低成本。 可组装大量的 (104106种)生物分子探针，获取信息量大，效率高。 结合微机械技术，可把生物样品的预处理,基因物质的提取、扩增，以及杂交后的信息检测集成为芯片实验室，制备成微型、全自动化、可用于微量试样检测的高度集成的智能化生物芯片。,48,目 录,49,50,51,诊断肿瘤检查肿瘤组织基因表达谱、寻找肿瘤相关基因、肿瘤基因突变的研究 。 检测病原体将许多代表每种微生物的特殊基因制成一张芯片，判断患者感染病原体的种类。 遗传性疾病的诊断,生物芯片在诊断上的应用,52,1928年A.Fleming发现一种被称为
19、点青霉（Penicillium notatum）的真菌能产生青霉素。 迄今人们已经找到了6000多种不同来源、不同结构、不同作用机制的抗生素 ，广泛应用的约有100种。,9.3.1 抗生素及其他天然药物 9.3.1.1 抗生素,9.3 生物技术与生物制药,53,全世界每年抗生素的产量超过10万吨，产值超过50亿美元。 抗生素使许多疾病特别是细菌引起的传染性疾病得到了有效的控制。 抗生素的滥用，已使许多细菌产生了抗药性 。,54,人参组织培养生产人参皂甙 组织培养方法生产紫草的有效成分紫草宁。 红豆杉细胞培养法及真菌发酵法生产紫杉醇。（尚处于研究阶段）,9.3.1.2 其他天然药物,紫杉醇 红豆
20、杉,55,将有治疗意义的蛋白质基因克隆后，导入细菌、酵母等生长旺盛的表达系统中，使这个基因接受表达系统中强的表达元件的控制而大量表达，从而得到可供临床使用的大量药物。,9.3.2 基因工程药物,56,安全，不易被病原体污染。 成本低、产量高。用传统技术提取5mg的生长激素释放抑制因子需要50万头绵羊的脑，而用基因工程技术生产只需9L细菌发酵液。 生产的蛋白质药物的性质更加稳定、活性更高、副作用更低。可以通过基因工程的方法对蛋白质基因的结构加以改造以改变蛋白质结构，使其更稳定。,优点多,57,美国十分重视基础研究，立足于创新，因此美国的基因制药一直处于领先水平。美国现有各类生物技术公司2000多
21、家，其中1300多家从事医药产品的开发研究， 300多家为上市公司。1997年美国基因工程药物的销售额为60亿美元，到2001年的产值已达200多亿美元。 日本基因工程药物的年销售额也高达几千亿日元。 我国基因工程药物数量少、市场规模仍然十分有限。,效益高,58,用基因工程技术生产的部分人类蛋白质药物蛋白质名称 用途 促肾上腺皮质激素（adrenocorticotrophic hormone） 治疗风湿（rheumatic disease） B细胞生长因子（B-cell growth factor） 治疗免疫系统功能失调 降钙素(calcitonin) 治疗软骨病(osteomalacia)
22、集落刺激因子(colony stimulating factor) 治疗血液病、肿瘤辅助治疗 绒毛膜促性腺激素(chorionic gonadotropin) 治疗不排卵症 内啡肽和脑啡肽(endorphine and enkephalin) 镇痛剂(analgesic agent) 上皮生长因子(epidermal growth factor) 促进伤口愈合 促红细胞生成素(erythropoietin) 治疗贫血(anemia) 凝血因子(factor ) 治疗血友病(hemophilia) 凝血因子(factor ) 治疗血友病 生长激素(growth hormone) 促进生长 生长激
23、素释放因子(growth hormone releasing factor) 促进生长 胰岛素(insulin) 治疗糖尿病(diabetes) 干扰素(interferon) 抗病毒抗肿瘤 白细胞介素(interleukin) 治疗癌症,59,蛋白质名称 用途 淋巴细胞毒素(lymphotoxin) 抗肿瘤 巨噬细胞激活因子(macrophage activating factor) 抗肿瘤 神经生长因子(nerve growth factor) 促进神经系统损伤的修复 血小板衍生因子(platelet-derived growth factor) 治疗动脉粥样硬化 松弛素(relaxin)
24、 助产剂 血清白蛋白(serum albumin) 血浆补充物 生长调节素(somatomedin C) 促进生长 组织型纤溶酶原激活剂(tissue plasminogen activator) 溶栓剂 肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor) 抗肿瘤 尿抑胃素(urogastrone) 抗溃疡药物 尿激酶(urokinase) 溶栓剂,用基因工程技术生产的部分人类蛋白质药物（续表）,60,我国已经批准上市的基因工程药物,药品名 开发生产公司 批准时间 适应证 重组人干扰素1b（外用）长春生研所 1989年试生产 病毒性角膜炎重组人干扰素1b 上海生研所 1996年正式生产
25、 乙肝，丙肝等深圳科兴 1996年正式生产 乙肝，丙肝重组人干扰素2a 长春生研所 1996年正式生产 尖锐湿疣，疱疹长生药业 1997年正式生产 乙肝，丙肝三生药生 1997年正式生产 乙肝，丙肝大洲药业 1997年正式生产 乙肝，丙肝重组人干扰素2b 里亚哈尔 1996年正式生产 乙肝，丙肝华立达 1997年正式生产 乙肝，丙肝安科 1997年试生产 乙肝，丙肝华新 1997年试生产 乙肝，丙肝重组干扰素- 上海生研所 1994年试生产 类风湿克隆 1995年试生产 类风湿丽珠生物工程 1995年试生产 类风湿,61,药品名 开发生产公司 批准时间 适应证 重组人白细胞介素-2 长春生研所
26、 1997年正式生产 癌症辅助治疗长生药业 1997年正式生产 癌症辅助治疗四环制药 1997年正式生产 癌症辅助治疗华新 1997年正式生产 癌症辅助治疗三生药业 1997年正式生产 癌症辅助治疗深圳科兴 1997年正式生产 癌症辅助治疗中化合通 1995年试生产 癌症辅助治疗金丝利 1995年试生产 癌症辅助治疗 康利制药 1995年试生产 癌症辅助治疗 重组人粒细胞集落刺激因子 九源 1997年试生产 化疗生白细胞 重组人粒细胞、巨细胞集落 特宝 1997年试生产 化疗生白细胞 刺激因子,我国已经批准上市的基因工程药物（续表）,62,药品名 开发生产公司 批准时间 适应症 链激酶 医大实
27、业（上海） 1996年试生产 心梗溶栓重组人促红细胞生成素 华欣 1997年试生产 再障贫血永铭维沃 1997年试生产 再障贫血 碱性成纤维细胞生成因子 珠海东大 1996年试生产 创伤，烧伤 bFGF（外用）,我国已经批准上市的基因工程药物（续表）,63,截止2004年美国FDA批准上市的治疗性抗体名称 靶向抗原 适应证 抗体种类 公司 批准时间,OKT3 CD3 移植排斥 鼠mAb Johnson 1986 ReoPro 血小板受体 冠心病 人-鼠嵌合Fab Centor/Lilly 1994 IIb IIIa Panorex 1721A 大肠癌 鼠mAb Centocor 1995 (德
28、国) Rituxan CD20 淋巴瘤 人-鼠嵌合IgG1 IDEC / 1997Genentech /Roche Zanapax CD25 移植排斥 人源化抗体 Roche 1997 Remicade TNF2 炎症性肠病 人-鼠嵌合IgG1 Centocor 1998、1999类风湿,9.3.3 治疗性抗体,64,Synagis RSV RSV感染 人源化抗体 Medlmmune 1989 Simulect CD25 移植排斥 人-鼠嵌合IgG1 Novartis 1989 Herceptin HER2 /neu 乳腺癌 人源化抗体 Genentech 1989 Mylotarg CD33
29、 AML 人源化抗体- Wyeth Ayerst 2000 化疗药物交联物 Campath CD52 CLL 人源化抗体 Millenium DEC 2001 Zevalin CD20 淋巴瘤 鼠IgG1-放射 Pharmaceuticals 2002性核素共轭化合物 Xolair IgE2Fc 过敏症 人源化抗体 Tanox/Genentech 2002/Novartis Humira TNF2 类风湿 人IgG1 Abbot/CAT 2003 Bexxar CD20 淋巴瘤 鼠mAb Corixa 2003 Erbitux EGFR 晚期直肠癌 人-鼠嵌合IgG1 Imclone 2004
30、 Avastin VEGF 结直肠癌 人源化抗体 Genentech 2004,截止2004年美国FDA批准上市的治疗性抗体（续表） 名称 靶向抗原 适应证 抗体种类 公司 批准时间,65,品种 批准时间 抗人IL-8单克隆抗体乳膏 2001 注射用重组人II型TNF受体-抗体融合蛋白 2003 131I肿瘤细胞核人-鼠嵌合单克隆抗体注射液 2003 鼠源抗CD3单克隆抗体（进口） 2003 重组人-鼠嵌合抗CD20单克隆抗体注射液 2004 注射用重组抗HER2人源化单克隆抗体 2004 注射用鼠抗人CD3表面抗原单克隆抗体 临床公告 抗人T淋巴细胞单克隆抗体 临床公告,我国获批准注册的抗体
31、药物,66,所谓的基因治疗是指利用遗传学的原理治疗人类的疾病。传统意义上的基因治疗（gene therapy）是指目的基因导入靶细胞以后与宿主细胞内的基因发生重组，成为宿主细胞的一部分，从而可以稳定地遗传下去并达到治疗疾病的目的。,9.4.1 基因治疗,9.4 生物技术与生物疗法,67,由于技术的进步，近年来采用基因工程技术，即使目的基因和宿主细胞内的基因不发生重组，目的基因也能得到暂时的表达，为了与传统意义上的基因治疗相区别，有时又将其称为基因疗法（gene therapeutics）。,68,基因治疗根据对宿主病变基因采取的措施不同，可分为基因置换、基因修正、基因修饰和基因失活四大策略。,
32、正常红细胞 镰状红细胞,69,对于成功地进行单基因病的基因治疗来说，必须具备以下条件： 选择合适的疾病； 具备该病分子缺陷的知识，深入了解其发病机理； 用于治疗的基因（目的基因）已被克隆； 克隆基因的有效表达； 具有可用于临床前试验的动物模型。,9.4.1.1单基因病的基因治疗,70,只有10多种遗传性疾病的分子发病机理了解得比较清楚，也只有少数几种遗传性疾病具有基因治疗的方案。如腺苷脱氨酶（ADA）基因缺陷引起的严重型复合性免疫缺陷症（SCID）；凝血因子基因缺陷引起的血友病；低密度脂蛋白受体（LDLR）基因缺陷引起的家族性高血脂症（FH）以及跨膜转导调节因子（CFTR）基因缺陷引起的囊性纤
33、维化（CF）等。,71,病名 基因 靶细胞 机构 囊性纤维变性 CFTR 呼吸道上皮细胞 美国国立卫生研究院 SCID ADA 淋巴细胞、CD34+细胞 美国国立卫生研究院 Gaucher 病 葡萄糖脑苷脂酶 CD34+外周血干细胞 美国匹兹堡大学 1-抗胰蛋白 1抗胰蛋白酶 鼻、呼吸道上皮细胞 美国范德比尔特大学 酶缺陷症 Fanconi贫血 FACC CD34+外周血干细胞 美国国立卫生研究院 Hunter综合征 杜糖醛酸2-硫酸酯酶 外周血干细胞 美国密尼苏达大学 慢性肉芽肿病 p47/phox CD34+外周血干细胞 美国国立卫生研究院 血友病B 凝血因子 成纤维细胞 上海复旦大学和长
34、海医院 嘌呤核苷 嘌呤核苷磷酸化酶 外周血淋巴细胞 美国密尼苏达大学 磷酸化酶缺陷 转氨基甲酰 转氨基甲酰鸟氨酸酶 肝脏 美国宾州大学 鸟氨酸酶缺陷 X-连锁SCID 细胞因子共同链 CD34+细胞 美国洛杉矶儿童医院,部分单基因遗传病临床基因治疗概况,72,SCID患者只能生活在无菌的空间中。,73,SCID 治疗策略,74,我国在遗传病的基因治疗方面也开展得比较早。1991年7月，我国开始进行血友病B的基因治疗。从一批志愿接受基因治疗的血友病患者中选择了两兄弟（伴性遗传）进行治疗。效果明显，1994年通过卫生部的评审。,血友病患者右膝关节急性出血,75,瘤苗治疗策略通过免疫系统杀灭癌细胞，
35、即通过提高癌细胞的免疫原性和（或）调动机体的免疫功能达到杀灭癌细胞的作用。 基因修饰策略利用正常的抑癌基因替代失活的抑癌基因，达到抑制细胞恶性繁殖的目的。,9.4.1.2 瘤苗与肿瘤的基因治疗,76,目前的肿瘤疫苗根据其组成可分为四种： 肿瘤细胞疫苗：即原始的肿瘤疫苗； 肿瘤核酸疫苗：即肿瘤DNA疫苗； 肿瘤肽疫苗：包括用化学合成法合成肿瘤特异的短肽或基因工程方法制备的短肽 ； 肿瘤基因工程疫苗：通过基因工程技术，将目的基因导入受体细胞并表达而制成的瘤苗。,瘤苗与肿瘤治疗,77,根据肿瘤疫苗的作用机理，可将肿瘤疫苗分成3种类型： 增强肿瘤细胞的免疫原性 提高机体整体抗瘤能力，调动机体的免疫功能
36、 表达产物直接杀伤癌细胞,视网膜母细胞瘤,78,天然存在的或人工合成的一类RNA分子，它不能编码蛋白质，但它的核苷酸顺序与目标mRNA可互补配对，所以这种反义RNA可与mRNA结合配对从而干扰mRNA的翻译，使相应的基因不能表达。这种利用反义RNA封闭某个基因（靶基因）表达的技术称为反义技术。,反义技术与癌基因失活,79,siRNA (small interfering RNAs： 2123核苷酸长的 dsRNA小片段 ),RNA干扰（RNA interference） 双链RNA对基因表达的阻抑作用被称为RNA干预（RNA interference, RNAi），是发生在转录后水平的基因沉默
37、。,80,安德鲁法尔(Andrew Fire， 1959年)， 美国斯坦福医学院病理学和遗传学教授,克雷格梅洛(Craig C. Mello, 1960年)，美国马萨诸塞州大学医学院分子医学教授。,81,诺贝尔奖评审委员会在评价Fire和Mello的研究成果时说：“他们的发现能解释许多令人困惑、相互矛盾的实验观察结果，并揭示了控制遗传信息流动的自然机制。这开启了一个新的研究领域。” 诺贝尔生理学或医学奖评审委员会主席戈兰汉松说：“我们为一种基本机制的发现颁奖。这种机制已被全世界的科学家证明是正确的，是给它发个诺贝尔奖的时候了” 。,82,RNA干扰过程图,83,特异性降解同源mRNA，具有传递
38、性（细胞间传递及生物个体代间传递）。,RNAi的特征,84,siRNA的表达,siRNA表达载体以真核启动子操纵一段小的发夹RNA(short hairpin RNA， shRNA)在哺乳动物细胞中的表达。,85,siRNA的应用,研究信号转导通路和基因功能； 治疗人类疾病，如国内已将RNAi技术用于SARS治疗的攻关研究。,86,RNAi研究被Science杂志评为2001年的十大科学成就之一； RNAi研究被列为2002年Science杂志评的十大科学成就之首； RNAi研究被授予2006年诺贝尔生理学或医学奖； Dr. Fire and Mello分享了1000万瑞典克朗（约合140万美
39、元）的奖金。 “沉默” 是金。,87,抑癌基因在正常细胞中处于表达状态，它的基因产物起着抑制细胞生长的作用。一旦这种基因突变而丧失功能，将促使细胞生长繁殖。 这类基因突变后必须用正常有功能基因来替代突变了的基因，起抑制细胞生长的作用。,抑癌基因与基因修饰,88,自杀基因治疗是一种具有广泛应用前景的基因治疗方法。 “自杀”基因是指它的蛋白质产物能使无毒性的化疗药物前体转变为毒性形式，或者提高靶细胞对化疗药物的敏感性，充分发挥其细胞毒作用，使导入自杀基因的细胞“自杀”，达到杀灭靶细胞的目的。另外，“自杀”基因也可以发挥旁观者的效应，杀死未导入“自杀”基因的邻近细胞。因此自杀基因疗法可以在肿瘤、血管
40、增生性疾病、骨髓移植等疾病的治疗中发挥作用。,9.4.1.3 自杀基因治疗,89,干细胞是一种具有多分化潜能和自我复制功能的早期未分化细胞，医学上称其为“万用细胞”。在特定条件下，它可以分化成不同的功能细胞，形成多种组织和器官。因此人们期望能够用干细胞来修复那些不能再生的坏损组织或器官，从而治愈某些疾病。,9.4.2 干细胞的利用,90,用干细胞生物工程治疗疾病的最显著特点就是：从理论上讲，它可以治疗几乎所有疾病，比如癌症、心肌坏死性疾病、自身免疫疾病和神经退行性疾病等。如果和基因治疗相结合，还可以治疗众多遗传性疾病。,91,从总体上说，干细胞研究还处于起步阶段，其成为研究热点还只是近几年的事
41、，到目前为止人们已经能够分离、培养干细胞，但要诱导胚胎干细胞定向分化，还是一件很困难的事。不过这项研究所蕴藏着的巨大的应用前景不能不令人心动。,92,最早提出HGP这一设想的是美国生物学家、诺贝尔奖得主Dulbecco。他在1986年3月7日出版的Science杂志上发表了一篇题为“肿瘤研究的一个转折点：人类基因组的全序列分析”的短文，提出包括癌症在内的人类疾病的发生都与基因直接或间接有关，呼吁科学家们联合起来，从整体上研究人类的基因组，分析人类基因组的序列。他说，这一计划可以与征服宇宙的计划相媲美，我们也应该以征服宇宙的气魄来进行这一工作。,9.5.1 HGP产生的背景,9.5 人类基因组计
42、划（HGP）,93,HGP的最终任务是要破译人体遗传物质DNA分子所携带的全部遗传信息。 完成后将获得四张图：物理图、遗传图、序列图和转录图。前三张图实际上是精确度不同的三张序列图，最后一张图则用来表示DNA上哪些核苷酸序列可以编码蛋白质。,9.5.2 HGP的任务,94,人类基因组有31.6亿个核苷酸，3万4万个基因。 基因在染色体上不是均匀分布的。 人与人之间有99.9%的基因密码是相同的。 35.3 %的基因包含重复序列。,人类基因组计划的主要成果,95,将大大加速医学科学基础研究的进程。 在人类的疾病治疗和预防方面也将做出特殊的贡献。 HGP项目的启动已经不仅仅局限于人类的基因组，它的
43、影响还包括对一些模式生物的基因组的研究。,9.5.4 HGP对医学发展的影响,96,“基因争夺战”是一种资源争夺战。 “基因争夺战”也是一场知识产权之战。 我国是基因资源大国，资源特别丰富，应尽力加以保护，避免流失。,9.5.5 基因资源的保护,97,人类基因组计划引发的问题 1. 基因争夺战在世界范围内, 基因专利已被广泛承认。与此相应, 一场没有硝烟的“基因争夺战”的序幕已经拉开。一是公私之争。在美国, 国家人类基因组研究与私营的塞莱拉(Celera)遗传信息公司之争已是十分激烈。二是发达国家之间的对抗, 尤其是在实力雄厚的欧洲, 许多新兴的生物技术公司迅速崛起, 以期打破美国的垄断。三是发达和发展中国家之争。,
