第二章蛋白质的结构与功能

Size: px

Start display at page:

Download "第二章蛋白质的结构与功能"

就圆邓
7 years ago
Views:

1 专题讲座走进基因组医学时代 Genomic Medicine 郭军教授南京医科大学生化与分子生物学

2 人类科学史上的三大工程曼哈顿原子计划人类基因组计划阿波罗登月计划

3 研究背景 1985 年, 美国能源部 (DOE) 率先提出, 旨在阐明人类基因组 DNA 长达碱基对 ( base pair,bp) 的序列发现所有人类基因并阐明其在染色体上的位置, 从而在整体上破译人类遗传信息 1986 年美国宣布启动人类基因组启动计划

4 1989 年, 美国国家卫生研究院 (NIH) 建立国家人类基因组研究中心 (NCHGR) 1990 年,NIH 和 DOE 联合提出美国人类基因组计划, 正式启动 HGP, 计划于 15 年内提供 30 亿美元的资助, 在 2005 年完成人类基因组全部序列的测定

5 1999 年 12 月 1 日, 国际人类基因组计划联合研究小组宣布完整破译出人体第 22 对染色体的遗传密码, 解读结果刊登在 1999 年 12 月 2 日的 nature 杂志上 22 号染色体的解读工作是由英国桑格中心伊安坦哈姆博士的研究小组日本庆应大学医学院清水信义的研究小组美国奥克拉荷马大学与华盛顿大学的研究小组共同完成的

6 22 号染色体 : & 长臂约有 3400 万个碱基对 & 短臂约 1500 万个碱基对 & 共发现 545 个基因,134 个假基因 & 初步断定了 22 号染色体上与遗传病有关的一些基因

7 慢性 / 急性淋巴球白血病白内障葡萄糖 - 半乳糖吸收不良血氧酵素缺乏症肺泡蛋白症异染色体白质脑症

8 中国 1999 年 9 月加入这一国际协作组, 成为参与这一计划的唯一发展中国家我国承担的工作区域, 位于人类 3 号染色体短臂上由于这一区域约占人类基因组的 1%, 因此简称为 1% 项目我国科学家于 2001 年 8 月 26 日绘制完成中国卷, 赢得了国际科学界的高度评价

9 中国科学家担负了人类基因组计划, 在数万个人类基因中, 有 142 个基因是由中国科学家发现的参加人类基因组计划的 6 国科学家对此次研究的贡献程度依次如下 : 美国 54%, 英国 33%, 日本 7%, 法国 2.8%, 德国 2.2%, 中国 1%

10 2000 年 06 月 27 日美国总统克林顿于当地时间 26 日上午 10 时在白宫举行的记者招待会上郑重宣布, 由一批国际科学家组成的人类基因组研究计划已经完成人类基因组草图英国首相布莱尔以卫星电视的形式参与了这个发布会克林顿在评价这一历经 10 年时间完成的科学成果的深远意义时说, 人们将世世代代记住这一天他感谢美国英国德国日本中国和法国的上千名科学家为取得将这一开辟新纪元的成果所作出的贡献

11 这项人类基因组草图破解了人体 97% 基因的遗传密码, 并精确测定了其中 85% 基因的碱基对排序草图的完成将对认识治疗和预防各种疾病产生划时代的影响人类大大延长寿命也将成为可能但克林顿在讲话中也提醒人们, 人类基因组草图不应被用来造成人们之间的分裂歧视或对隐私的侵犯

12 2003 年 4 月 14 日, 美国联邦国家人类基因组研究项目负责人弗朗西斯柯林斯博士在华盛顿宣布, 美英日法德和中国科学家经过 13 年努力共同绘制完成了人类基因组序列图, 人类基因组计划所有目标全部实现在人类揭示生命奥秘认识自我的漫漫长路上迈出了重要的一步意义 : 人类基因组是全人类的共同财富国内外专家普遍认为, 基因组序列图首次在分子层面上为人类提供了一份生命说明书, 不仅奠定了人类认识自我的基石, 推动了生命与医学科学的革命性进展, 而且为全人类健康带来福音

13 六国科学家公布人类基因组细节研究成果一基因数量少得惊人一些研究人员曾经预测人类约有 14 万个基因, 但塞莱拉公司将人类基因总数定在万万个之间如果最终确定出的基因数在这个范围内, 比如 3 万个左右, 那么, 人类只比果蝇多大约 1.3 万个基因塞莱拉公司的科学家测出的序列准确地覆盖了基因组的 95%, 并已经确定了所有基因的 2/3, 平均测序精度为 99.96%

14 二人类基因组中存在热点和大片荒漠人类基因组序列中所谓的荒漠就是包含极少或根本不包含基因的部分, 基因组上大约 1 /4 的区域是长长的没有基因的片段基因密度在第 17 第 19 和第 22 号染色体上最高, 在 X 染色体第 4 第 18 号和 Y 染色体上相对贫瘠

15 三 35.3% 的基因组包含重复的序列这意味着所有这些重复序列, 即原来被认为的垃圾 DNA 应该被进一步研究事实上, 第 19 号染色体 57% 是重复的除了重复片段, 科学家还鉴定了 210 万个人与人之间不同的基因序列, 这些序列被称为单核苷酸多态性, 它们通常是无害的四地球上人与人之间 99.99% 的基因密码是相同的研究发现, 来自不同人种的人比来自同一人种的人在基因上更为相似在整个基因组序列中, 人与人之间的变异仅为万分之一

16 挑战 :50 年前发现 DNA 双螺旋结构的资深科学家詹姆斯沃森指出, 基因隐私和基因歧视是当前基因研究和应用领域面临的两个严重问题泛基因化现象基因兴奋剂的滥用基因武器中国人基因资源流失

17 从这时起, 生物学被重新划分为前基因组和后基因组两部分, 我们正生活在后基因组时代冷泉港人类基因组完成图发布会

18 按照已公布的人类基因组图谱, 人与人之间 99% 的基因相同, 仅存在 1% 的基因差异遗传学家认为, 正是这种极小的被称为 SNP 的差异, 导致了生命的多样性不同的种族肤色相貌, 对各类疾病不同的敏感性, 以及对药物的不同反应

19 国际人类基因组单体型图计划 HapMap 计划是继 HGP 完成测序之后的又一个国际合作项目, 由美国英国加拿大中国日本和尼日利亚六国参加, 于 2002 年 10 月启动

20 单核苷酸多态性 (SNP) 单核苷酸多态性 (single nucleotide polymorphisms, SNPs) 是指基因组 DNA 序列中由于单个核苷酸 (A,G,C, T) 插入缺失转换和颠换等而引起的多态性, 而且任何一种等位基因在群体中的频率不小于 1% 自然界之所以没有完全相同的两个个体, 就是由 SNP 造成的在由 30 亿个碱基对构成的人类基因组中, 平均 1000 个碱基对中就有 1 个差别存在 ( 这 1 个碱基对的差异, 也被称为 SNP) 由此, 我们可以算出, 人类 SNP 的总数在 300 万个左右

21 Single nucleotide polymorphism

22 SNPs 特点 : 1)SNP 作为一种碱基的替换, 大多数为转换 (C-T,A-G), 也可能是颠换 (C-A,C-G,A-T) 转换的发生率总是明显高于其它几种变异, 而且在 CpG 序列上出现最为频繁, 多是发生 C-T 的转换, 原因是 CpG 中的 C 是甲基化的, 它能自发的脱氨基而替换为胸腺嘧啶 T 2)SNP 大都表现为二等位基因 (bialletic) 多态性, 即在该位置只存在两种不同的碱基 CH

23 3)SNPs 在基因组中具有高密度和高保守的特点, 人类 30 亿个碱基中每千个碱基出现一次, 初步估计在整个基因组共有 300 万以上 SNPs 4) 大多数 SNPs 位于基因组的非编码区, 并且有些位于基因组编码区的 SNPs 所致编码序列的改变并不影响翻译后的氨基酸序列, 这种 SNPs 对个体的表现型是无影响的但是有的 SNPs 位于基因启动子中, 导致基因转录活性的上升或下降, 造成该蛋白的表达量上升或下降, 进一步影响其生物学活性有些位于蛋白质编码区的 SNPs 可能影响翻译后关键的功能基团的氨基酸序列, 从而影响蛋白质的功能, 最终导致对特定环境或病因的反应敏感性

24 SNPs 是一种单核苷酸的变异, 是第三代多态性遗传诊断标记, 近几年被广泛应用于生物以及医学研究的诸多领域自从 1996 年 SNPs 被正式定为第三代遗传标记以来筛查 SNPs 的方法得到很大的发展, 进一步促进了对 SNPs 的研究继限制性酶切片断长度多态性即 RFLP(restriction fragment length polymorphism) 可变数重复序列即 VNTR(variable number of tandem repeat) 微卫星多态性 (microsatellite polymorphism)

25 第一代多态性标记是 RFLP(restriction fragment length polymorphism, 限制性片段长度多态性 )

26 第二代多态性标记是短的串联重复序列包括小卫星 DNA 和微卫星 DNA, 其多态性主要来自重复序列拷贝数的变化小卫星 DNA 由 15-65bp 的基本单位串联重复而成, 长度一般不超过 20kb 重复次数 ( 小卫星 DNA 区的长度 ) 在人群中是高度变异的 ; 按照孟德尔的规律遗传微卫星 DNA/ 简短串联重复 (STR STRP 或 SSLP) 重复单元 2-8bp, 通常重复次 CTAGCTTATATATATATATATATATATATAAGCTTGC

27 SNP 与 RFLP 和 STR 标记的主要不同之处在于, 它不再以 DNA 片段的长度变化作为检测手段, 而直接以序列变异作为标记

28 HapMap 计划不再单以白人为样本, 而将采样范围扩大至三大人群, 分别是 : 亚裔 ( 中国汉族日本家系 ) 黄种人非洲 ( 尼日利亚的约鲁巴人 ) 黑人和欧洲血统的美国白人其中, 三大人群样本各占 1/3, 而中国将提供一半的亚裔样本, 占样本总数的 1/6

29 科学家发现,SNP 在人类基因序列上的分布并非杂乱无章, 而是有规律可寻的比如, 在长长的 DNA 链条上, 数量不等的 SNP 总是喜欢抱成团, 构成若干个距离不等的街区而在每个街区之中, 总是存在一个或几个举足轻重的代表人物这表明, 人类 300 万个 SNP 中, 并非每个都具有遗传意义相反, 它们中的大多数与个体差异无关紧要, 只有少量的关键的几个才与个体差异直接相关, 它们代表着某一人群的遗传背景先天无虹膜家族成员的合影

30 HapMap 目标 : 在 3 年内完成对 270 个对象 ( 代表了全球主要的种族和地区 ) 的基因型分析每个对象的基因型分析至少包括 100 万个 SNP. 比较这些基因型总数, 将能发现几乎所有的常见单型, 以其中 50 万个较常见的 SNP ( 称为标签 SNP, 基本上代表了 1000 万个 SNP ) 为对象绘制人类基因组的单型图

31 用这些标签 SNP 来研究比较健康组和疾病组之间不同的单型频率, 可以低成本高速度地发现致病基因尽快建立人类基因组的单型图是加快研究许多与基因变异相关的严重疾病的重要工具, 如癌症心脏病高血压中风糖尿病哮喘精神性疾病老年痴呆等常见病都是由遗传因素 ( 易感基因型 ) 经环境因素诱导造成

32 导致疾病的原因内在因素 ( 主要遗传因素 ) 外在因素 ( 环境因素 ) 内在因素 + 外在因素人类疾病的分类由遗传因素决定的疾病环境因素决定的疾病由遗传因素与环境因素共同引起的疾病

34 基因组医学是以人类基因组为基础的生命科学和临床医学的革命, 它将对整个 21 世纪产生重大社会影响和重大经济效益基因与医学的结合使得以基因序列为基础的疾病诊断技术和基因治疗技术将成为 21 世纪临床医学的核心 2003 年被称为是 " 基因组医学 " 的诞生日

35 基因组医学的现状和未来通过预测性遗传检查, 基因组医学在诊断和预防方面的应用已经开始基因治疗基因疫苗干细胞治疗

36 产前诊断 ( prenatal diagnosis ) 有选择性地在怀孕早中期对胎儿是否患有遗传病进行基因诊断, 并提供终止或继续妊娠的选择主要对象是对某种遗传病具有高发风险或已有该病家属史的夫妇的胎儿

37 产前诊断主要病种 : 常染色体显性遗传病强直性肌营养不良 ; 成人多囊肾 ;Huntington 病 ; I 型神经纤维瘤 ; 家族性乳腺癌常染色体隐性遗传病镰状细胞贫血 ; α- β- 地中海贫血 ; 囊性纤维化 (CF); 苯丙酮尿症 ;a1- 抗胰蛋白酶缺乏症 X 连锁隐性遗传病甲型乙型血友病 ; 脆性 X 染色体综合症 ; Duchenne Becker 肌营养不良 (DMD BMD)

38 新生儿筛查 ( neonate screening ) 新生儿筛查普遍地对活产新生儿进行遗传性先天性疾病的筛查, 以便及早诊断治疗和预防活产新生儿群体筛查早期诊断及时治疗控制后果严重但可治可防的先天性遗传性疾病防止或减轻体格和智力发育障碍避免痴呆死亡等严重后果发生

39 目前主要新生儿筛查病种举例 : 1. 苯丙酮尿症 (phenylketonuria,pku) 发病率 : 约 1/12000, 常染色体隐性遗传病发病机理 : 苯丙氨酸羟化酶缺陷血苯丙氨酸浓度发育中的大脑和神经系统受损害不可逆性智力低下或痴呆

40 临床症状 : 神经系统受损智力低下 ; 头发色黄 ; 尿中含过多的苯丙酮酸而有异味筛查方法 : 细菌抑制法 (BIA) 测定血苯丙氨酸浓度防治方法 : 出生后 3~6 周内 ( 不得迟于 2 个月 ) 开始以低 ( 无 ) 苯丙酸奶粉喂养, 即可防止智力低下或痴呆发生

41 3. 半乳糖血症 (galactosemia,gal) 发病率 : 约 1/5700, 常染色体隐性遗传发病机理 : 半乳糖激酶缺陷半乳糖代谢紊乱不可逆白内障或智能障碍半乳糖 -1- 磷酸尿苷酰转移酶缺陷血中半乳糖和 1- 磷酸 - 半乳糖堆积脓毒症或肝硬化

42 筛查方法 : 检测血中半乳糖和 1- 磷酸 - 半乳糖含量 ( Paigen 法 ) 或半乳糖 -1- 磷酸尿苷酰转移酶活性 (Beutler 法 ) 防治方法 : 停止人奶或牛奶, 改用大豆奶方

43 预测性遗传检查基因组医学在诊断和预防方面的应用已经开始在白人中发病率较高的肝血色病虽然可以治疗但发病时已出现肝硬化现象, 甚至致命发现携带有易感基因型的人群就可以通过避免食用含铁食物来预防

44 有几个与 DNA 修复系统有关的基因突变与肠癌相关携带这些易感基因型的人 25 岁开始每 3 年作一次肠镜,40 岁开始每年作一次肠镜, 甚至可以作预防性切除手术 ( 接受率达 70%), 这就使家族性肠癌的发病率下降了 90%

45 乳腺癌也同样, 虽然预防手术接受率只有 50%, 但对于易感人群的常规检查已使发病率下降了 70%

46 可以预测预防的例子还有凝血因子 5 和凝血因子 2, 携带有易感基因型的人群应避免口服避孕药和戒烟, 以降低静脉血栓症的发病率早在 19 世纪中期 ( ), 著名的病理学家魏尔啸就提出了静脉血栓形成的三大致病因素 : 血流滞缓, 血液高凝及血管壁损伤一. 发病原因 : 1. 血液淤滞状态 ; 只要血小板与血管内膜接触机会增多, 血小板就有可能沉积粘附在血管内膜上, 构成血栓形成的核心 2. 血液高凝状态 ; 导致因素很多, 像创伤, 手术后, 大面积烧伤, 妊辰, 长期口服避孕药等 3. 静脉壁损伤 ; 有机械损伤, 化学损伤, 感染性损伤等, 当静脉壁损伤后所发生的各种改变, 都可引起局部血小板粘附, 聚集, 纤维蛋白及血细胞沉积, 最后形成血栓

47 日本前列腺癌患者可能独有 5 个单核苷酸多态性在对日本 4000 余名前列腺癌患者进行全基因组分析后, 研究人员发现, 与前列腺癌发病相关的 5 个单核苷酸多态性 (SNP) 可能为日本人所独有由日本理化研究所和东京大学等机构组成的研究小组, 对日本 4584 名前列腺癌患者和 8801 名健康人进行了全基因组对照分析他们发现, 在此前科研人员发现的与欧美人患前列腺癌相关的 31 个单核苷酸多态性中, 有 19 个与日本人患该病有关, 另外 12 个则没有在日本患者身上发现此外, 研究人员还新发现了与日本人患前列腺癌有强烈关联的 5 个单核苷酸多态性

48 2. 基因治疗 Gene Therapy 基因治疗指的是 DNA 水平上对异常基因进行修饰以达到纠正基因缺陷所导致的一系列病理生理的治疗基因治疗包括基因修正基因替换和基因增补基因修正指的是有缺陷的基因进行原位修复基因替换指的是用正常的外源基因来替换有缺陷的基因基因增补则不需要去除异常基因, 而是另外转入与缺陷基因同源的有功能的基因来弥补功能缺陷

49 基因治疗的临床应用 1990 年美国国立卫生研究院 (NIH) 的 Blase RM 和 Anderson WF 用 ADA( 腺苷酸脱氨酶 ) 基因治愈一位由于 ADA 基因缺陷导致严重免疫缺损的 4 岁女孩的淋巴结内, 完成世界上首例基因治疗试验 1994 年, 中国用导入人凝血因子 IX 基因的方法成功治疗了乙型血友病的患者

50 基因治疗的临床应用重组人 p53 腺病毒注射液, 成为世界上第一个获得正式批准的基因治疗药物 p53 是科技界广泛研究并已获公认的一种抑癌基因自从 1990 年美国国立卫生研究院批准第一例临床基因治疗申请以来, 基因治疗的研究内容也从单基因的遗传病扩大到多基因的肿瘤艾滋病心血管病神经系统疾病自身免疫病和内分泌疾病等

51 由 5 型腺病毒载体与人 p53 基因重组的肿瘤基因治疗制品在正常组织中,P53 蛋白的表达量很低, 在受到 DNA 损伤等刺激时,P53 蛋白表达量升高, 发挥细胞增殖调控作用, 抑制细胞分裂, 诱导细胞凋亡 ; 不同类型的肿瘤中,p53 基因突变频率可高达 50~70% 高表达的 P53 蛋白质能有效刺激机体的特异性抗肿瘤免疫反应, 局部注射可吸引 T 淋巴细胞等肿瘤杀伤性细胞聚集在瘤组织

52 1999 年 9 月份, 一位 18 岁美国青年 Jesse Gelsinger 因一种在医学上称为鸟氨酸转氨甲酰酶不足症的罕见遗传性疾病而在美国宾夕法尼亚州大学人类基因治疗中心接受基因治疗时不幸死亡, 成为被报道的首例死于基因治疗中的患者

53 基因治疗在 1999 年经历了最痛苦的阶段一位病情并不致命的志愿病人接受治疗后死于病毒载体诱发的自身免疫, 美国当即下令暂停所有基因治疗的临床试验同样, 在对 10 位 SCID( 免疫缺乏症候群 ) 的志愿病人成功地作了基因治疗后, 其中两位病人却在三年内患白血病这说明虽然在基因转移表达等技术上过关了, 但是还有许多问题需要研究

54 基因治疗产品 3. 基因疫苗 : 又名 DNA 疫苗, 不含肽蛋白质或病毒载体, 仅由来源于病原体的一个抗原编码基因及作为其载体的质粒 DNA 组成这段抗原编码基因可在体细胞中控制合成抗原蛋白, 从而引起免疫反应

55 疫苗的发展历程灭活或减毒疫苗第一代疫苗核酸疫苗, 重组质粒 DNA, 直接注入机体组织, 诱导机体表达病毒蛋白质, 发生免疫应答第三代疫苗保护性抗原制成的疫苗第二代疫苗

56 4. 干细胞治疗很有前途随著人们对克隆争议的渐渐冷却, 干细胞分化和治疗性克隆的研究已经显示了很大的发展势头

57 人类若想长寿, 那么就一定要解决衰老引起的器官衰竭 1954 年 12 月 23 日, 美国波士顿医生约瑟夫梅里为一对孪生兄弟实施肾脏移植手术, 代表着人类器官移植手术首次取得成功 50 年以来, 从肾脏肝脏到心脏移植, 医学界在器官移植技术领域不断取得突破, 迄今挽救了 10 余万人的生命罗纳德 ( 左 ) 捐肾给哥哥理查德, 一不留神名留青史

58 异体器官移植因为每个人对药物的反应都不一样, 相信对于器官移植的排异反应强弱也与每个人不同的基因型有关通过药物基因组研究, 外科医生就有可能了解每个病人最合适的免疫抑制药物种类和剂量, 既使得人体不产生免疫排斥反应, 又不至于将免疫力减低到会死于轻微感染

59 令人振奋的进展体细胞重编程逆转为干细胞若能够在其它的细胞组织中也找到可诱导分化的干细胞, 那将来器官来源的途径就很多了自体干细胞器官克隆和移植也就很有潜力了图为器官起动器不含有干细胞 ( 左 ) 和含有干细胞的人工多聚物支架

60 5 个体化医疗将信息技术和基因组信息整合进入医学, 对疾病既要进行预测和预防也要做针对特定目标的治疗如药物基因组已经发现了几十种基因型, 包括对于感染性疾病的易感基因型和防御基因型 ; 对癌症的易感基因型 ; 对药物代谢速率不同的基因型如对一种淋巴癌的化疗药, 有些人用很大剂量都没事, 而带有 TPMP( 巯基嘌呤甲基转移酶 ) 基因突变的人剂量就一定要降低, 否则会致命

61 基因组医学的发展离不开生命科学研究与医学实践基因组医学的应用离不开对医生的遗传学和基因组学的训练 ; 对病人的普及知识教育 ; 以及可快速获得信息和分析信息的计算机系统, 包括基因型数据库和表现型数据库, 以便做出精确的个体化医疗决定

62 科学家预期, 到 2050 年, 一个较全面完整的以基因组为基础的医疗实践和卫生保健体系将有可能在发达国家成为标准和规范应用

65 善待自己! 珍惜生命! 超越理智! 相信科学!

未命名-1

未命名-1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 ss a c y e vg 13 14 15 16 17 18 19 H 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 发现生命的螺旋克里克在提出中心法则时曾指出遗传信息是沿ＤＮＡ - ＲＮＡ - 蛋白质的方向流动的遗传信息不可能从ＲＮＡ回到ＤＮ

第二章 蛋白质的结构与功能

第二章蛋白质的结构与功能