哈理工生命科学导论复习资料

第一讲 序论

一、为什么要上《生命科学导论》课 二、21世纪将是生命科学的世纪 三、生命科学向我们每个人走来 四、生命的元素组成

吴庆余主编.《基础生命科学》，高等教育出版社，2006 张惟杰主编.《生命科学导论》, 高等教育出版社，1999 一 为什么要开设《现代生物学导论》课？ 1．高等教育的目标 哈佛大学教学计划说明

―every Harvard graduate should be broadly educated as well as trained in a particular academic specialty or concentration.‖

每一个哈佛毕业生应该受到广博教育并且还应在专门的学科方面得到一定的培训

哈佛大学核心课程主要包括六大门类

1. 各国文化 2. 历史研究 3. 文学美术 4. 道德伦理

5. 科学:数学，生命科学 6. 社会分析

人格的养成 —

从历史及文化角度理解人类社会发展， 认识个人与社会联系， 养成历史感和责任感。

? 思辨能力和思维习惯的养成----

准确地认识和把握事物， 慎密的分析和综合， 冷静的归结和对策

2、 ―公共基础‖由哪些板块组成？

1980s以来，世界著名大学如MIT等，纷纷把生物类课程列为全校必修课。 1995年以后，国内重点大学陆续把生物类课程列为全校非生物类专业大学生的限选或必修课程。

这是因为人们意识到，21世纪将是生命科学的世纪，面向21世纪的大学生应有生命科学基础，而不应该成为―生物盲‖。

二、21世纪将是生命科学的世纪 1．带头学科

近300年来（17-20世纪）：物理学一直作为带头学科 17世纪中叶 牛顿经典力学

18世纪中叶 （蒸汽机）工业革命

19世纪中后 电气革命

20世纪初 量子论、相对论和核物理标志着物理学革命性飞跃。20世纪上半叶被称为 “现代物理学黄金半世纪”

物理学主导着工业革命和经济发展

带领着天文、地质、气象、化学等学科发展

? 薛定谔（Erwin Schrodinger,1887-1961）

是一位近代物理学家，他试着跨越物理世界/生命世界之间难以逾越的鸿沟。 他所写的小册子《生命是什么》是一个伟大尝试。

? 面对复杂系统的许多问题，科学界把目光转向生命科学，寻求 新的概念， 新的观点， 新的思路。

2、从传统生物学到现代生命科学

——生命科学能够迎接21世纪的挑战 生物学经历了三个发展阶段：

? 描述生物学阶段 （19世纪中叶以前）

（1） 描述生物学阶段（19世纪中叶以前）

主要从外部形态特征观察、描述、记载各种类型生物，寻找他们之间的异同和进化脉络 达尔文 《物种起源》（1859） （2）实验生物学阶段（ 19世纪中到20世纪中）

利用各种仪器工具，通过实验过程，探索生命活动的内在规律

（3）创造生物学阶段（20世纪中叶以后）

3、生命科学如何发挥它的重要作用？

?生命科学必须和物理科学、工程科学等其他学科相结合

（1）从我国科学发展规划看生命科学的重要性

（2）生命科学必须和物理科学、工程科学等其他学科相结合

21世纪是生物的世纪，但生物学要有大突破必须寻求物理学科等其他学科的支持。

?普林斯顿大学 以发育生物学家谢利?蒂夫曼为首，集中12名资深教授 (生物学、物理学、化学、数学、工程)成立崭新的研究中心

? 斯坦福大学 朱棣文(物理学)和詹姆斯?斯布迪许(生物学)等建立一个研究中心，50名成员。

（Bio-X计划）

三 生命科学向我们每个人走来

1． 生存与健康

2． 交叉学科和边缘领域同时提供机会与挑战

3. 生命科学渴求各个领域优秀人才的参与

1、生存与健康

? 另一方面人类面临一批新型疾病的威胁： 心血管病 糖尿病 艾滋病 癌症 新传染病

2、交叉学科和边缘领域同时提供机会与挑战 3、生命科学渴求各个领域优秀人才的参与

四、生命的元素组成

在生物学和其他学科交叉的边缘学科中,生物化学在过去的几十年中发展特别快。研究生物体的化学组成和研究生命过程中的化学变化，所得到的丰硕成果，构成分子生物学和生物技术发展的重要基础。

这里先介绍生命的元素组成，主要为后面第二讲（构造生物的基本元件）和第三讲（生物体的新陈代谢）做准备。

1． 哪些元素参与生物体的组成？

参与生物体组成的元素总共约二、三十种，他们在元素周期表中的分布如图所示

用实验动物的饲养实验来研究各种元素成份在营养学上的必要性。要证明某一种微量元素在营养学上是必不可少的，至少需要做下面三个方面的实验：

让实验动物摄入缺少某一种元素的膳食,观察是否出现特有的病症。 向膳食中添加该元素后，实验动物的上述特有病症是否消失。 进一步阐明该种元素在身体中起作用的代谢机理。

只有上述三条都弄清楚，才能确定某种元素是否为营养上必需的元素。

常量元素的重要性比较容易认识。微量元素的营养学研究困难大得多。所以，一些微量元素在1950s 或 1970s 以后才确证为人体必需微量元素。

3. 元素营养方面的几个例子 例一、钙

1． 人每天需要摄入多少钙？

2、钙参加几乎每一种生理代谢过程 婴、幼、少儿------佝偻病 老年人------骨质疏松症

上海地区骨质疏松症患者 男 20.1% 女48.1% 其中 60岁以上 男 24.9% 女75.5%

上海地区老年人骨折发生率 城区 16.5% 农村 6.9%

影响钙吸收的因素 维生素D

甲状旁腺素（PTH）

?促小肠吸收钙 ?促骨骼释放钙 ?促肾细胞回收钙

?抑骨骼释放钙 ?抑肾细胞回收钙

例三 铬 例四 硒

第二讲 构造生物体的基本元件

一、生物小分子与生物大分子的关系

二、生物小分子简介 三、生物大分子的形成 四、生物大分子的高级结构

一、生物小分子和生物大分子的关系

小分子 大分子 复合大分子 单糖 多糖 糖蛋白 氨基酸 蛋白质 糖脂 核苷酸 核酸 脂蛋白 脂类

二、生物小分子简介

1、水

水影响生命活动的例子： 2、氨基酸 （1）α－ 碳原子

（2）具有α－ 氨基和α－羧基是各种氨基酸的共性 （3）各种氨基酸的区别在侧链基团—R 20种天然氨基酸除甘氨酸外，都带一个不对称碳原子—α碳原子，都有光学异构体（镜映体）。 氨基酸的功能：

（1）作为组建蛋白质的元件

（2）有的氨基酸或其衍生物具有生物活性（代谢调节、信号传递等）

3、单糖——

（1）C2----C5 均为不对称碳原子。六碳糖有 16 种同分异构体。

（2）天然单糖在 C5 位上羟基有固定结构方向，天然单糖大多数是 D-型糖。 （3）在水溶液中葡萄糖在 C1---C5 之间脱水通过氧桥相联成环状－吡喃型 （4）各个C上羟基位于环上或环下

（5）C1 上羟基位置不同出现α-，β-两种构型

4、核苷酸

DNA分子的基本单位：核苷酸

参加大分子核酸组成的共有8种核苷酸

DNA水解液中 RNA水解液中 腺脱氧核苷酸（dAMP） 腺苷酸（AMP） 鸟脱氧核苷酸（dGMP） 鸟苷酸（GMP） 胞脱氧核苷酸（dCMP） 胞苷酸（CMP） 胸腺脱氧核苷酸（dTMP） 尿苷酸（UMP） 另外还有一些重要的具有生物活性的核苷酸 cAMP，cGMP参与细胞信号传递

5、脂类

脂类是指生物体内不溶于水而溶于有机溶剂的各种小分子。

葡萄糖－－－水溶性的 油 脂－－－脂溶性的 脂类种类很多，分子结构相差较大 A、油脂：甘油三脂 B、磷脂和鞘脂

C、固醇

Tay-Sachs症，儿童的悲剧

所有的人类遗传病中，Tay-Sachs遗传病是最为悲惨的疾病之一。带有导致该病的突变基因的纯合子婴儿在出生时表现正常；然而，数月之后他们表现为对噪音的极度敏感，眼睛视网膜上出现一个樱桃红的小点。这些早期症状往往被父母和医生所忽略。在出生后半年到一年，患儿出现的进行性的神经退化导致精神障碍、眼盲、耳聋以及身体控制机能的丧失。在两岁时通常已经完全瘫痪，并出现呼吸性感染。一般在三至四岁时患儿就死亡了。

关于此病的唯一好消息就是它在大多数人群中就十分罕见的；然而在中欧地区的德裔犹太人及其后裔中，此病的发病率达到了儿童的1/3600，并且大约1/30的成人带缺陷基因。如果两人都是缺陷基因携带者，通常他们小孩就有四分之一的可能是这种缺陷基因的纯合子并最终会发展成为Tay-Sachs症。

?导致Tay-Sachs症的突变位于HEXA基因，它的编码产物是己糖胺酶A。该酶作用于神经节苷

脂GM2并将它分解。

?神经节苷脂GM2的功能是覆盖于神经细胞，使神经细胞与相邻的细胞分隔开，从而加速神经冲

动的传递。如果该酶不存在，神经节苷脂GM2会累积并窒息神经细胞，最终导致神经系统功能丧失和瘫痪。

三、生物大分子的形成

生物大分子主要有三大类： 蛋白质 核酸 多糖

它们都是由生物小分子单体通过特有的共价键联结而成。

1、氨基酸通过肽键联成肽链 结构蛋白

2、单糖通过糖苷键联成多糖链

（3）注意：多糖链也有方向性，有还原端和非还原端 一条多糖链的两端有不同结构和性质：

一端的糖基有游离的半缩醛羟基，称还原端；

另一端的糖基没有游离的半缩醛羟基，称非还原端。

3、核苷酸通过磷酸二酯键联成核酸

四、生物大分子的高级结构

1、蛋白质的高级结构

由生物小分子到生物大分子，分子增大，出现新的性质。

第五讲 从基因到基因工程

生命最重要的本质之一是性状特征自上代传至下代——遗传。

今天，从遗传学研究衍生出来的基因工程技术，已构成生物技术的核心，在实际应用中显示出极大的潜力。

一、孟德尔学说奠定了遗传学基础

在孟德尔以前，人们看到遗传现象，猜想遗传是有规律的，甚至在农牧业育种中实际运用了遗传规律，但是，一直找不到研究遗传规律的恰当方法。

孟德尔（1822－1884）从1856年起开始豌豆试验。 孟德尔的基本方法是杂交。

经过近10年的潜心研究，孟德尔发表了他的研究报告。其内容可概括两个定律。 1、孟德尔第一定律－－分离律

他用一对性状杂交，子一代全为显性性状，子一代之间自交，子二代为： 显性性状：隐性性状＝3：1

2、孟德尔第二定律－－自由组合律

他用两对性状杂交，子一代全为显性性状，子一代之间杂交，子二代出现四种性状，其数量比例为9：3：3：1

3、孟德尔学说的要点

依据上面的试验结果，孟德尔认为，每株豌豆植株中的每一对性状，都是由一对遗传因子所控制的，遗传因子有显性因子和隐性因子之分。

当一株植株中控制某一对性状的一对遗传因子均为隐性因子时，该植株才表现出隐性性状（如白花或绿色豆粒）。其他情况下，均表现出显性性状。这一点在分离律实验中看的很清楚。 当两对性状一起加以研究时，显性和隐性的基本规律仍与上面相同，但要加上一条，控制不同性状的遗传因子，在传代中各自独立，互不干扰,出现自由组合现象。 孟德尔思想之精髓：性能由一对因子控制（如硬币的两面），一对性能（如两个硬币）是随机组合的

4、孟德尔学说的重要意义

（1）孟德尔第一次明确提出遗传因子的概念, 并且提出了遗传因子控制遗传性状的若干规律： ? 大多数生物体通常由 一对遗传因子（后来称为两个等位基因）控制同一性状。这样的生物体称为2n个体。

? 遗传因子可以区分为显性和隐性。

? 控制不同性状的遗传因子是各自独立的。 （2）孟德尔提出了杂交、自交、回交等一套科学有效的遗传研究方法，来研究遗传因子的规律。孟德尔创立的这套方法一直沿用到1950s，才被分子遗传学方法取代。

二、基因是一段DNA序列

―遗传因子/基因‖的设想一经提出，便推动人们去寻找，去探索 基因在哪里？ 基因是什么？

1、基因在染色体上

显微镜技术与染色技术的发展，使人们注意到，细胞分裂时，尤其是减数分裂中，染色体的行为和孟德尔提出的等位基因的分离规律相当一致，所以，确定基因在细胞核中，在染色体

上。

摩根实验室用果蝇为材料的工作，确定了基因在染色体上的分布规律（基因的连锁与互换定律）。

基因重组服从这样的规则：

两个基因在染色体上离得越远，重组频率越高；

两个基因在染色体上离得越近，重组频率越低。

2、遗传物质是DNA

各方面的实验证据表明，基因的化学本质不是蛋白质，而是DNA。格里菲斯的实验（1928）证明遗传物质可以转化进入细菌，改变细菌特性。后来爱弗莱的实验（1944）证实，进入细菌改变特性的遗传物质是DNA，而不是蛋白质。

3、华生和克里克提出 DNA双螺旋模型。

DNA双螺旋模型说明DNA分子能够充当遗传的物质基础。

按照双螺旋模型，在细胞分裂时，DNA的合成应是―半保留复制‖的模式。

DNA的半保留复制

DNA在自我复制的过程中，两条双链打开，以形成的两条单链为模板，各自合成一条与之互补的新链。新形成的两条双链DNA中各含有一条旧链和一条新链，所以称为半保留复制。

4、DNA作为遗传物质的功能 （1）贮藏遗传信息的功能 （2）传递遗传信息的功能 （3）表达遗传信息的功能

由此，克里克提出中心法则, 确定遗传信息由DNA通过RNA流向蛋白质的普遍规律。 DNA DNA

RNA

蛋白质

中心法则

中心法则：遗传信息储存在DNA中，DNA通过转录生成 mRNA，mRNA再通过翻译生成蛋白质，从而完成遗传信息的表达过程。

5、基因理论中的许多复杂情况

以孟德尔学说为开端的遗传理论，发展到以DNA分子结构为基础的分子遗传学，使我们对遗传规律有了确切的理解。

应该看到，实际上生命世界的遗传现象远比上面谈到的要复杂得多。

一个基因一个性状？不一定。例如肤色的控制至少有三个基因参与。

基因决定性状，环境还起不起作用？在基因型确定的基础上，环境常常会影响表型。

遗传和变异是遗传学的重要内容。子代总是与亲代相像，又有一些不像。

三、基因工程技术和应用 1、基因工程技术

基因工程是生物技术的核心部分。 基因工程的操作包含以下步骤： ? 获得目的基因

? 构造重组DNA分子 ? 转化或转染 ? 表达

? 蛋白质产物的分离纯化

基因工程的基本操作：将外源基因（又称目的基因，是一段DNA片断）组合到载体DNA分子中去，再把它转到受体细胞（亦称寄主细胞）中去，使外源基因在寄主细胞中增殖和表达，从而得到期望的由这个外源基因所编码的蛋白质。 （1）获得目的基因

到哪里去找目的基因？一般来说，人的基因，要从人体的组织细胞中去找；小鼠的基因要从小鼠的组织细胞中去找。

从组织细胞中可以分离得到人/小鼠的全套基因，称为基因文库。文库中基因总数就人来说约有3万个基因。如何从中把需要的基因找出来？ 采取―钓‖的办法。这个办法通常称为印迹法。

印迹法的主要步骤：

（1）基因文库－ DNA 用限制性内切酶处理。 （2）DNA 片断混合物通过电泳分离。

（3）电泳后，通过印迹技术转到酯酰纤维薄膜上，以便操作。 （4）用已知小片断DNA 作为探针，互补结合需要找的基因片断。 （5）探针DNA 片断已用放射性元素标记，使胶片感光后可看出。

印迹法的关键是“分子杂交”：利用碱基配对的原则，用一段小的已知的DNA片断去寻找（“钓”）大的未知的基因片断。

探针DNA片断从何而来？根据目的蛋白的氨基酸序列，只要其中N－端 15－20个氨基酸序列，按三联密码转为40-60核苷酸序列，人工合成，即为探针DNA片断。

（2）目的基因的扩增

用上面的方法“钓”出的目的基因，数量极少，所以，接下来必须经过扩增，亦称为基因克隆。获得相当数量的目的基因后，才能继续下一步操作。

克隆——生物分子，细胞，生物个体的无性增殖过程都称为克隆。 PCR —— 把寻找目的基因和扩增目的基因两步操作并成一步。

PCR法，全称多聚酶链式反应，是近年来开发出来的基因工程新技术，它的最大优点是把目的基因的寻找和扩增，放在一个步骤里完成。

PCR 反应分三步完成：

第一步 —— 90℃高温下，使混合物的DNA片断因变性而成单链。

第二步 —— 50℃温度下，引物DNA结合在适于配对的DNA片断上。

第三步 —— 70℃温度下，由合成酶（DNA高温聚合酶）催化，从引物开始合成目的基因DNA。 PCR的三个步骤为一次循环，约需5－10分钟。每经一次循环，所找到的目的基因扩充一倍。经过20次循环，即可扩增106倍，总共只需几个小时。

（3）构造重组DNA分子 首先要有载体。

载体有好几种，常用的有：

质粒－－环状双链小分子DNA，适于做小片断基因的载体。 噬菌体DNA－－线状双链DNA，适于做大片断基因的载体。

其次，要把目的基因―装‖到载体中去。“安装”的过程，需要的关键酶叫限制性内切酶。 此酶识别一定碱基序列，有的还可切出“粘性”末端，使得目的基因和载体的连接非常容易。

（4）转化/转染

把构造好的重组DNA分子送进寄主细胞，亦需要适当的技术方法。若受体细胞是细菌，通常称转化；若受体细胞是动/植物细胞，通常称转染。

（5）目的基因表达及蛋白质分离

进入到寄主细胞的目的基因还要能表达产生有活性的目的蛋白，这些目的蛋白可以是某种蛋白质药物，也可以表达某种抗性性状（如植物的抗病性和抗旱性）。 蛋白质的分离纯化——生物分离技术

重组DNA分子进入寄主细胞后，其中的目的基因能否表达，表达效率高低，还有很大差别。表达通常是指目的基因编码的蛋白质合成。基因工程的最后一步，是把所获得的蛋白质分离纯化，得到蛋白质产品。

2、基因工程的应用 （1）在医学上的应用

基因工程被用于大量生产过去难以得到或几乎不可能得到的蛋白质－肽类药物。 （2）提高奶酪产量

生产奶酪的凝乳酶传统上来自哺乳小牛的胃。现在可以通过基因工程办法，用酵母生产凝乳酶，大量用于奶酪制造。 （3）转基因动物和植物

转基因动物首先在小鼠获得成功。 ―乳腺反应器‖工程：转基因动物技术已用于牛、羊，使得从牛/羊奶中可以生产蛋白质药物。 转基因植物亦已在大田中广为播种。 （4）工程菌在环境工程中应用

美国GE公司构造成功具有巨大烃类分解能力的工程菌，并获专利，用于清除石油污染。

第六讲 遗传病和人类基因组计划

一、遗传病的特征与分类 1、第一例遗传病的发现

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，并发现该病在家族中的遗传遵循孟德尔规律，由单个隐性基因控制。

尤其难得的是，加洛特预测，尿黑酸病病人缺乏一种酶，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。

苯丙氨酸代谢途径关系到三种遗传病：尿黑酸病、苯丙酮尿症、白化病

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规律。

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 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 父母一方有 母/女 常常是 特 携带缺陷基因 病症，子女 缺陷基因携 情况下，子女 出现病症的 带者。 征 才可能表现病症。 概率为 50％，

病症更多出现 在儿子身上。

病 苯丙酮尿症 亨廷顿氏病 血友病 （PKU）

例 纤维性囊泡化(CF) 家族性高胆固 红绿色盲

醇血症 肌营养不良症 镰刀状贫血症

苯丙酮尿症（PKU）

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。

白化病

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。

镰刀状贫血症

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。

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。

显性遗传病：

裂手裂足 (龙虾爪手) 多指 短指

软骨发育不全 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 Wexle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。

家族性高胆固醇血症

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。

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。

X-染色体连锁的遗传病

血友病

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。

X-连锁显性遗传

?抗维生素D佝偻病（Vitamin Dresistant rickets）

(1) 患者女性多于男性； (2) 每代都有患者；

(3) 男性患者的女儿都为患者；

(4) 女性患者的子女患病的机会为1/2

Y-连锁遗传

毛耳(hairy ears)

3、遗传病对人类健康的影响到底有多大？ (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。

此外，遗传病还有两个类型： 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。

（2）多基因遗传病

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。

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”。

（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。

?1900年的主要死亡原因是流感、结核病及肠胃疾病

?1990年时死亡原因主要是心血管病、癌症等。

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。

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。

二、遗传病的诊断和治疗 1、遗传病的诊断有三个层次 （1）检查特征的异常代谢成份 如：

镰刀状贫血病 血红蛋白 血友病 凝血因子Ⅷ

（2）调查家族病史，以查明遗传病的遗传特征 （3）检查异常基因是遗传病确证的关键步骤。

RFLP技术(限制性内切酶图谱多态性技术)的应用，使异常基因的检查有可能从研究实验室进入医院。

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。 DNA电泳与限制性酶切图谱

RFLP技术亦可用于检查缺陷基因携带者。

RFLP技术还可用于其他领域，如:亲缘关系确认、法医学等等。

3、遗传病的治疗

遗传病的治疗分为三个层次：

（1）生理水平的治疗——对症治疗

如：苯丙酮尿症——限制膳食中苯丙氨酸含量 白化病——戴帽子和墨镜 （2）蛋白质水平治疗

向病人体内补充缺失的蛋白质。

如：血友病－－补充凝血因子Ⅷ。

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。 （3）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。

实施基因治疗的必要步骤如下：

? 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

三、人类基因组计划

1、人类基因组计划的启动

1986年诺贝尔奖获得者R.Dulbecco提出人类基因组计划——测出人类全套基因组的DNA碱基序列（1n:3X109b）

美国政府决定于1990年正式启动HGP，预计用15年时间，投入30亿美元，完成HGP。 由国立卫生研究院和能源部共同组成“人类基因组研究所（NHGRI）”逐渐地，HGP扩展为多国协作计划。参与者包括：欧共体、日本、加拿大、俄罗斯、巴西、印度和中国等国的科学家。

不同物种基因组的大小与长度

?Lamda 噬菌体

–48.6 kb, 17 微米

?大肠杆菌

–4,000 kb, 1.56 mm

?酿酒酵母

–13,500 kb, 4.6 mm

?果蝇

–165,000 kb, 56 mm

?人

–2,900,000 kb, 990 mm

(2)一些模式生物和病源物的全基因组测定

物种 全基因组 完成年份 酿酒酵母 1.35 x 107 bp 1996 枯草杆菌 4.2 x 106 bp 1997

幽门螺杆菌 1.6 x 106 bp 1997 梅毒螺旋体 1.13 x 106 bp 1998

理论意义：

酵母—第一次揭示真核生物全基因组。 已大致确定：5885个编码蛋白基因 140个rRNA基因 40个SnRNA

275个tRNA基因 实践意义：

病源微生物——病理机制 药物、疫苗

人类基因组计划发展过程:

?1986 [美] Dulbecco首次提出了“人类基因组工程”。原计划约10-15年完成，耗资30亿美元，

其宏伟的程度堪与Manhatto原子弹计划和Appolo登月计划相提并论。

?1990 4月美国宣布开始实施人类基因组测序工作。 ?1999 破译出人类第22号染色体的遗传密码。 ?2000 完成了人类第21号染色体的测序。

?预计从原定的2003年6月提前到2001年6月完成。

?2000年6月26日美，英，日，德，法，中六国共同宣布人类基因组工作草图绘制成功。 ?2000年

?3月塞莱拉公司宣布完成了果蝇的基因组测序。

?12月14日英美等国科学家宣布绘出拟南芥基因组的完整图谱。这是人类首次全部破译一种植

物的基因序列。

?2001年：1、2月，HGP和美国塞莱拉（Sequencing）公司将各自测定的人类基因组工作框架

图分别发表在Nature和 Science上，这表明人类基因组计划（HGP）进入了一个展新的阶段。

?2003年4月14日

?美，英，日，德，法，中六国科学家完成了人类基因组序列图的绘制，实现了人类基因组计划

的所有目标。

?2003年人类表观基因组计划(Human Epigenome Project )于10月7日正式启动。这是世界上首

项针对控制人类基因“开”和“关”的主要化学变化进行的图谱绘制工作，它将帮助科学家建立人类遗传与疾病之间的关键联系。

?2004年10月国际人类基因组计划合作组织在《Nature》杂志上宣布误差小于10万分之一的人

类基因组完成图已成功绘就。已将原来15万个“缺隙”减少到341个。完成图显示人类基因组只含有2～2.5万个基因，比原来的估计要少。

3、对人基因组计划的质疑

花这样大力气集中做一件事是否值得？ 是否冲击了生命科学其他重要问题的研究？ 目前估计，3x109bp中 仅5％ 编码蛋白质 95％ 不编码蛋白质

4、人类基因组计划的重大影响

（1）在HGP推动下，世界大公司投入生物技术意向剧增。 （2）推动新学科兴起

生物信息学 Bioinformatics 基因组学 Genomics

?2002 中国杨焕明等在《Science》发表了水稻全基因组框架序列图 ?基因总数：46022~55615，约为人类的2倍； ?其中10,000个基因的功能已确定；

?水稻的―垃圾‖序列多位于基因外，人类的―垃圾‖序列多位于基因内；

?2002年，英、美、德等国的上百位科学家12月5日在英国《Nature》杂志上联合宣布他们成

功破译了小鼠的基因组。

?中、美、日、法等10个国家和地区的科学家于2005年8月11日在（Nature）杂志发表了水

稻基因组“精细图”，覆盖率达95.3％，这对国际水稻基因组计划的贡献率达20％。共定位了37,500个基因，还率先在动植物中完成了对着丝粒的测序。

?由美国、以色列、德国、意大利和西班牙的67名科学家组成的国际黑猩猩基因测序与分析联

盟初步完成了黑猩猩基因组序列草图与人类基因组序列的比较工作。

?黑猩猩和人类基因组的ＤＮＡ序列相似性达到99％；即使考虑到ＤＮＡ序列插入或删除，两

者的相似性也有96％。在2005年9月1日出版的《Nature》杂志和9月2日出版的《Science》杂志都以这项重大的研究成果作为封面文章。

第七讲 多利羊带来的挑战与困惑

一、多利羊风暴

1997．2．27 Nature（385：810－813） 英国爱丁堡罗斯林研究所 伊恩?威尔穆特小组： 多利羊 1996. 7 出生 1996. 11 收到文章 1997. 2 文章发表

文章发表，在全世界引起巨大反响。 一方面学术界高度评价 1997.3.2 美国华盛顿邮报

奥勒冈州沃尔小组：成功克隆两只恒河猴（1996.8出生） 1997.3.5台湾地区吴明杰小组：5只克隆猪。

世界首例冷冻克隆牛胚胎移植犊牛在山东降生

?2003年10月2003年10月8日凌晨3：18，一头叫―梨花‖的黑白花奶牛在山东莱阳农学院产

下一头黑色雌性牛犊，它是我国首批体细胞克隆牛双双的后代，科研人员将双双的冷冻胚胎植入梨花的体内，也就是通过借腹生子的方法，产下了蓓蓓。用这种方法移植克隆牛是世界首例。

另一方面，人们马上意识到克隆人的威胁。 政界纷纷出来表态。

1997.3.4（美）克林顿总统宣布：禁止联邦政府资助人体克隆实验。 1997.3.5（意）卫生部长在众议院宣布：禁止人体和动物克隆。 1997.3.11 世界卫生组织（WHO）宣布：禁止人体克隆试验。 1997.3.11 欧盟委员会宣布：反对人体克隆试验。 中国卫生部宣布：禁止人体克隆试验。

一条科学成就的宣布，在全世界范围内，在短短几十天左右时间，从学术界到经济界、政界引起巨大而深刻的反响，是空前的 。 ―克隆‖一词也顿时变得妇孺皆知。

二、从一个细胞到一只羊

所有有性繁殖的生物，都是从一个受精卵发育到完整的生物体。 婴儿 1012个细胞 成人 1014个细胞

(1克肝或胃，由2.5－3亿个细胞组成。) 人体总共有200多种细胞类型。

1、细胞分化

在个体发育中，细胞后代在形态结构和功能上发生差异的过程，称为细胞分化。

2、细胞的发育潜能

由一个细胞可能分化发育出多少种细胞？这就是细胞的发育潜能。 大致有三种不同的发育潜能。 全能性——

具有能使后代细胞形成完整个体的潜能的细胞称全能性细胞。

例如：受精卵 多能性——

具有分化出多种组织或细胞（但是不能形成完整个体）的潜能的细胞称多能性细胞。 例如，生血多能干细胞 单能性——

只能分化成一种细胞的干细胞称单能干细胞 。 例如，单能生血干细胞

3、对于植物来说，分化成熟的植物细胞体，仍保持全能性，仍有可能发育成完整植株。 第一例从一个植物体细胞 一棵植株的实验。

对于动物来说：

随着分化的演进，细胞逐渐丧失其分化潜能。

全能性 多能性 单能性 分化成熟的体细胞。 实际上，动物细胞丧失全能性的过程，开始得很早。

4、分化成熟的动物细胞已失去全能性。不可能发育成为完整的动物个体。原因何在？ 陆续出现一些探索动物细胞全能性丧失原因的实验。

1952 豹蛙

囊胚细胞核 去核卵母细胞

蝌蚪

可育的蛙

爪蟾：肠上皮细胞核仍保持全能性

1978 黑斑蛙 (童第周)

蛙红细胞核 去核未受精卵细胞

蝌蚪

1981 克隆小鼠的实验

Illmensee & Hoppe 的克隆小鼠实验

将核注入已去核 的受精卵中

以上实验得出的结论：

囊胚阶段的细胞乃至成熟的体细胞，其细胞核仍具有全能性—— 可能发育成完整个体。 细胞核保持着全套基因组。

看来，关键在于细胞质。细胞质中有着决定细胞分化全能性的物质，称为分化决定子。

后来实验证明，细胞质中的分化决定子，是RNA。它们对紫外线敏感，对RNase敏感。 在卵子形成过程中，卵母细胞中含有2－5万种mRNA，每种约600个拷贝。这些RNA构成母体信息，决定受精卵的发育潜能。

信息体（informasome）

在卵子中，母体信息以核糖核酸蛋白（RNP）颗粒形式存在，其沉降系数比核糖体还大，称为信息体。

到1980s初，克隆实验已用小鼠取得成功。 囊胚细胞核＋去核受精卵

那么，为什么1990s多利羊实验成功仍会引起这么大的震动？

? 从囊胚细胞核到分化成熟的体细胞核是一个大进步。 ? 从实验小鼠到羊，也有所不同。

? 最重要的是时机：1980s初到1990s末。

三、多利羊实验的设计和实施 1、实验过程 严密的实验设计 精心的操作过程 严格的结果检验

? 50～60天，超声检查，21头胎羊，以后每14天查一次。 ? 最后产出八头小羊分属三个核供体来源。 ? 胎羊丢失率：62%（13头） ? 以形态特征，DNA microsatellite analysis ? 产出小羊均显示供体羊特征

2、实验成功的关键，血清饥饿

? 使细胞核和去核卵细胞处于细胞周期中相匹配的阶段。 ? 使结合在基因（DNA）上的调控蛋白脱落下来。 ? 重新编程（repreogram, remodel）

对多利羊实验的质疑。

质疑：来自乳腺的细胞究竟是不是分化成熟的体细胞？(原来供细胞的母羊已死)

回答：在Nature原文中已说明，怀孕期间胚胎细胞可能进入母体，1/106 可能性。需要进一步实验。

四、多利羊实验的理论意义和实践意义 1、理论意义

证实分化成熟的动物细胞核仍具全能性。 证实细胞质对胚胎发育分化的决定性。

2、实践意义

?? 蛋白质－多肽类药物

(胰岛素、凝血因子、干扰素、生长因子) 1998年产 76 亿美元 2000年产 185 亿美元

80年代初期到九十年代初期

这10年内基因工程用于生产蛋白质—多肽类药物有很大发展。 细菌、酵母表达系统——糖修饰、蛋白质折叠。 动物细胞培养——太贵、成本高。 转基因动物——亦已成功。

转基因动物提高了蛋白质——肽类药物的产量 产量 细胞培养法 5% 转基因羊羊奶中 25%—50%

英国罗斯林研究所和PPL制药公司联合，50只转基因羊，已传四代。希望用克隆法生产4000只基因工程奶羊。

乳腺生物反应器

荷兰 生产EPO的转基因牛 年产值40亿美元

英国 生产?-胰蛋白酶制剂的转基因羊 一杯羊奶6000美元 中国中科院发育所 合作1998年6月得到两只体细 扬州大学 胞克隆羊，能分泌乳腺药物 问题是：

所得到的转基因动物在有性生殖过程中，容易丢失转入的基因和特性。 对克隆（无性生殖）大动物有了强烈的客观需求。

? 器官移植：

角膜 皮肤 肾 肝

肺 心脏 等等 器官移植大量开展需要大量供体器官。 人体器官的代用品来自猪。

获得供器官移植的纯种猪需要： ? 去掉猪抗原性

? 移入人抗凝血因子 ? 近交20代约需20年

克隆技术使纯种猪培育时间大为缩短。

人类疾病的动物模型

动物模型对于研究疾病机理试验新药等方面的实验不可缺少。

珍稀濒危动物繁殖

克隆大熊猫实验已开始

据报道，将大象胚胎移入小鼠体内已获成功。

动物育种

克隆技术用于动物育种可以极大地加快育种的速度。

警惕一种危险。克隆产生的后代，基因组成单一，失去对复杂环境变化的适应潜力。

五、多利羊实验带来的困惑——伦理学问题

伦理学：在人类社会长期生活中逐渐形成的有关人们相互关系的共识。

1、 克隆人问题

? 不可能通过克隆得到完全相同的成年人。

? 社会上最初反应：共识—禁止克隆人实验。

? 但是，经过多年后，克隆人实验的呼声渐高。

芝加哥理查德?锡德于1998年1月宣布： 要组成一个小组，做克隆人实验 。 1.5 年内完成第一个克隆人。 再用 1.5 年完成500个克隆人。

反响一：几天后克林顿要求国会立法，加以阻止。

反响二：加州等许多州通过立法:对克隆人实验处以25－100万美金罚款。

锡德宣布：

到墨西哥蒂华纳市去做克隆人实验。 反响：

墨西哥卫生部

蒂华纳市政府 一致反对克隆人“入侵” 墨西哥科学家

目前要求进行克隆研究的呼声渐高 人类胚胎干细胞研究和治疗性克隆

?在体细胞克隆技术出现之前，科学家只能通过流产、死产或人工授精的人类胚胎获取干细胞进

行研究。

?克隆羊多利的问世，意味着人们可以通过体细胞克隆出人类胚胎，这将使获取干细胞更为容易。 ?医生可以取病人体细胞进行克隆，从中提取干细胞，培育出遗传特征与病人完全吻合的细胞、

组织或器官，如果向提供细胞的病人移植这些组织器官，这就是所谓“治疗性克隆”。

?如果治疗性克隆研究取得成功，病人将可以轻易地获得与自己完全合适的移植器官，不会产生

排异反应。届时，血细胞、脑细胞、骨骼和内脏都将可以更换，这给患白血病、帕金森氏症、心脏病和癌症等疾病的患者带来生的希望。

人类克隆胚胎是否解禁？学者意见对立

? 就人类克隆胚胎能否用于研究等问题，学者持赞成和反对两种截然不同的看法。 ? 解禁派认为，由于人类将在再生医疗领域获益匪浅，因而应该允许制作和利用人类克隆

胚胎。

? 慎重派则认为，由于存在很多未知因素，应该继续冻结人类克隆胚胎研究

韩国率先克隆出人类胚胎再度引发禁试争议

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