生物技术与人类健康

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：①由于某个基因的缺失、突变或异常，导致一定病症的出现。②可以遗传给下一代子女。③这类病的遗传遵循孟德尔规律。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α-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0～50。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3000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。NancyWexler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10－34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Ⅷ和Ⅸ位于Ⅹ－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(1819－1901)家族。维多利亚女王身上的血友病缺陷基因—使凝血因子Ⅸ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方法优点缺点显微镜检查简单易行，可直接观察到寄生虫的形态速度慢、灵敏度低，对经验水平要求高、费时、费共，无法辨别形态相似的寄生虫体外培养、接种能检测到活的寄生虫，并可检测感染性和感染烈度速度慢，花费高，寄生虫可能难以进行体外培养，且必须用动物材料抗体检测简单、快速、能够实现自动化，可用于检测大量的样品无法区分活体与处于潜伏状态的寄生虫，有时会有非特异性反应DNA杂交及PCR快速灵敏，能够实现自动化，可分辨不同种的寄生虫，不需要从前有寄生虫感染病史花费高，步骤多，无法区分活体和死的寄生虫，有时会有假阳性和假阴性•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。将单链目的DNA结合在膜上加入探针DNA与目标分子共同孵育冲洗掉多余的未结合探针检测探针和目标DNA形成的杂合分子核酸杂交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酶切电泳放射性探针杂交图谱多态性RFLP用于镰刀状贫血症基因检查正常有1150bp和200bp，突变后没有上述两条条带，多一条1350bp－珠蛋白基因DNA指纹•DNA指纹(DNAFingerprinting)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样本酶解为片段电泳放射自显影DNA指纹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Myfather?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：①克隆得到正常基因②以病毒DNA为载体③正常基因转入人体细胞④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：国立卫生研究院NIH，重组DNA顾问委员会RAC。SCID患者(severecombinedimmunodeficiency)：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：AshantideSilva,Now13,wasthefirstpatienttobetreatedwithgenetherapy.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)February2001,TheHGPconsortiumpublishesitsworkingdraftinNature(15February),andCelerapublishesitsdraftinScience(16February).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(SpectralKaryotype)“基因组(genome)”一词是1920年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