生命科學研究進展

1、生命科學研究進展生命科學研究進展描述型生物學階段：20世紀以前實驗生物學階段：1900年年孟德爾遺傳規(guī)律的重新發(fā)現(xiàn)至1953年分子生物學階段：1953年DNA雙螺旋分子模 型的建立50年代：沃森和克里克發(fā)現(xiàn) DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。此模型的建立，是分子生物學誕生的標志。60年代： 我國首次用人工方法合成具有生物活性的牛胰島素獲得成功。突破了一般有機物分子與生物大分子的界限，帶來了人工合成生命的曙光。70年代：隨著限制性內(nèi)切酶的發(fā)展和DNA分子雜交技術(shù)的建立，分子生物學進入了技術(shù)化時代。80年代：PCR技術(shù)的誕生使在體外快速擴增目的基因成為可能。90年代：克隆羊多莉的出現(xiàn)引發(fā)克隆熱潮 .2.

2、分子生物學時代的來臨分子生物學時代的來臨 21 世紀生命科學的幾世紀生命科學的幾個重要研究領(lǐng)域個重要研究領(lǐng)域3.1人類基因組計劃是21 世紀生命科學的敲門磚1. 1985年，美國能源部（Department of Energy, DOE）提出，要將共包含約30億堿基對的人類基因組全部堿基序列分析清楚2. 1986年，美國宣布啟動“人類基因組計劃（Human Genome Project, HGP）”3. 1993年，中國加入人類基因組計劃（CHGP），首先開展了“中華民族基因組中若干位點基因結(jié)構(gòu)的研究”。4. 1997年，我國啟動了“重大疾病相關(guān)基因的定位、克隆、結(jié)構(gòu)與功能研究”項目之后，在上

3、海和北京相繼成立了國家人類基因組南、北兩個中心。5. 1999年12月1日，首條人類染色體完成測序，人類第22號染色體DNA全序列測定宣布完成。6. 2000年4月6日，美國Celera遺傳信息公司宣布，該公司已破譯出一名實驗者的完整遺傳密碼。7. 2000年5月，科學家聚集美國冷泉港，宣布人類基因組草圖的完成。1. 1.1%1%測序任務(wù)，第三條染色體測序任務(wù)，第三條染色體30003000萬萬bp2. 2.精確度精確度99.99%99.99%3.3.發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)142142個基因，其中個基因，其中8080個為預測基因個為預測基因弗朗西斯弗朗西斯柯林斯；人類基因組計劃首柯林斯；人類基因組計劃首席科學

4、家、美國國家人類基因組研席科學家、美國國家人類基因組研究所所長究所所長 20002000年年6 6月月2626日克林頓宣布日克林頓宣布人類基因組草圖繪制完成人類基因組草圖繪制完成 由由31.6531.65億億bp組成組成含含33.533.5萬萬基因基因 與與蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)合成合成有關(guān)的有關(guān)的基因基因占占2%2%人類基因組人類基因組人類蛋白質(zhì)人類蛋白質(zhì)61%61%與果蠅同源與果蠅同源43%43%與線蟲同源與線蟲同源46%46%與酵母同源與酵母同源1. 1.生物與醫(yī)學基礎(chǔ)研究生物與醫(yī)學基礎(chǔ)研究2. 2.基因診斷、基因療法、基因藥物基因診斷、基因療法、基因藥物3.3.形成了結(jié)構(gòu)基因組學、功能基因組學、

5、比較基因組學、形成了結(jié)構(gòu)基因組學、功能基因組學、比較基因組學、轉(zhuǎn)錄組學、蛋白質(zhì)組學、表型組學和代謝組學、轉(zhuǎn)錄組學、蛋白質(zhì)組學、表型組學和代謝組學、RNARNA組學等新興領(lǐng)域。這些分支領(lǐng)域已成為生物學基礎(chǔ)研組學等新興領(lǐng)域。這些分支領(lǐng)域已成為生物學基礎(chǔ)研究的重要方面。究的重要方面。4. 4.帶動一批高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶動一批高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 關(guān)于發(fā)育的研究雖然已經(jīng)有很長的歷史，但發(fā)育生物學是在20世紀50年代分子生物學的迅速發(fā)展的基礎(chǔ)上形成的 以模式生物為研究對象：小鼠、斑馬魚、爪蟾、果蠅、線蟲、擬南芥、水稻等。 研究目的：研究目的： 1. 1.發(fā)現(xiàn)新的與發(fā)育相關(guān)基因；發(fā)現(xiàn)新的與發(fā)育相關(guān)基因； 闡明

6、它們的闡明它們的時空表達譜、時空表達譜、 調(diào)控機理以及對細胞行為和調(diào)控機理以及對細胞行為和組織器官形成與分化的影響，組織器官形成與分化的影響， 2. 2.從分子和細胞水平闡述一些重要發(fā)育途從分子和細胞水平闡述一些重要發(fā)育途徑；徑；如胚胎誘導作用、胚層的形成和分化、如胚胎誘導作用、胚層的形成和分化、組織器官發(fā)育、配子發(fā)育和細胞極性運動組織器官發(fā)育、配子發(fā)育和細胞極性運動等的調(diào)控機理。等的調(diào)控機理。 主要科學問題：主要科學問題： 1. 1.發(fā)育過程中基因時空表達的遺傳和表觀遺傳調(diào)發(fā)育過程中基因時空表達的遺傳和表觀遺傳調(diào)控機制控機制 2. 2.機體形成時的機體形成時的“格式化格式化”（pattern

7、ingpatterning）；）； 3. 3.組織和器官形成中細胞分化和移動的分子基礎(chǔ)；組織和器官形成中細胞分化和移動的分子基礎(chǔ)； 4. 4.以動物發(fā)育為模型研究人類重大疾病的發(fā)生發(fā)以動物發(fā)育為模型研究人類重大疾病的發(fā)生發(fā) 展機制等。展機制等。生物信息學：生物信息學：是基于基因組、蛋白組信息分析的需要而出現(xiàn)的一門與信息科學、數(shù)學、計算機科學等交叉的新興領(lǐng)域。 研究目標：揭示“基因組信息結(jié)構(gòu)的復雜性及遺傳語言的根本規(guī)律”。 它是當今乃至下一世紀自然科學和技術(shù)科學領(lǐng)域中“基因組、“信息結(jié)構(gòu)”和“復雜性”這三個重大科學問題的有機結(jié)合。3.3 生物信息學是生物信息學是21 世紀生命科學飛速發(fā)展的發(fā)動機

8、世紀生命科學飛速發(fā)展的發(fā)動機生物信息學生物信息學和其和其 他學科他學科進一步進一步 交叉、融合交叉、融合，發(fā)展形成了發(fā)展形成了系統(tǒng)生物學系統(tǒng)生物學( (整合生物學整合生物學) )。其主要特征是從分子、細胞、器官到機體其主要特征是從分子、細胞、器官到機體和從個體、群體到生態(tài)系統(tǒng)的不同層次上和從個體、群體到生態(tài)系統(tǒng)的不同層次上生物信息的整合和定量化。生物信息的整合和定量化。 傳統(tǒng)生物科學傳統(tǒng)生物科學（中國傳統(tǒng)醫(yī)學）（中國傳統(tǒng)醫(yī)學）輸入輸入輸出輸出經(jīng)典生物實驗科學經(jīng)典生物實驗科學輸入輸入輸出輸出A(基因基因/蛋白質(zhì)蛋白質(zhì))B(基因基因/蛋白質(zhì)蛋白質(zhì))系統(tǒng)生物學系統(tǒng)生物學輸入輸入輸出輸出系統(tǒng)生物學是認

9、識生命復雜系統(tǒng)的新角度系統(tǒng)生物學是認識生命復雜系統(tǒng)的新角度綜合性研究綜合性研究分析性研究分析性研究分析分析+綜合研究綜合研究研究對象：各種生物分子的整合研究對象：各種生物分子的整合Genome基因組基因組Transcriptome 轉(zhuǎn)錄物組轉(zhuǎn)錄物組Proteome 蛋白質(zhì)組蛋白質(zhì)組Citric acid cycleMetabolome 代謝組代謝組17研究對象：各種層次的整合研究對象：各種層次的整合 18研究策略：實驗科學與理論科學的整合研究策略：實驗科學與理論科學的整合系統(tǒng)生物學系統(tǒng)生物學實驗科學實驗科學分子生物學分子生物學細胞生物學細胞生物學基因組學基因組學蛋白質(zhì)組學蛋白質(zhì)組學理論科學理論

10、科學數(shù)學數(shù)學計算科學計算科學信息科學信息科學理論物理學理論物理學19 3.4 3.4 干細胞研究的快速發(fā)展。干細胞研究的快速發(fā)展。 干細胞干細胞具有在體外大量增殖和分化為多種細具有在體外大量增殖和分化為多種細胞的潛能，是研究細胞生物學基礎(chǔ)科學問題胞的潛能，是研究細胞生物學基礎(chǔ)科學問題的理想模型，也可以為難治性疾病提供細胞的理想模型，也可以為難治性疾病提供細胞來源。來源。 目前，干細胞的定向分化、自我更新、干細目前，干細胞的定向分化、自我更新、干細胞的可塑性等是重要的基礎(chǔ)研究。胞的可塑性等是重要的基礎(chǔ)研究。干細胞工程干細胞工程核移植核移植去核胚胎干細胞去核胚胎干細胞組裝胚胎干細胞組裝胚胎干細胞組

11、織干細胞組織干細胞各種組織器官各種組織器官體外體外誘導誘導培養(yǎng)培養(yǎng)1.克隆來源與英語“clone”或“cloning”的音譯，曾譯為無性生殖或無性繁殖，即由同一個祖先細胞分裂而形成的純細胞系，這個細胞系每個細胞的基因彼此是相同的。2.克隆技術(shù)第一個發(fā)展時期微生物克隆。3.克隆技術(shù)第二個發(fā)展時期生物技術(shù)克隆。3.克隆技術(shù)第三個發(fā)展時期動物克隆。1.19971.1997年年12 12月，英國月，英國Roslin研究所克隆羊多利研究所克隆羊多利（Dolly）的誕生揭示一個全新概念：的誕生揭示一個全新概念：由成年機由成年機體的一個體細胞核，可以復制一個基因完全相體的一個體細胞核，可以復制一個基因完全相

12、同的新生命個體。同的新生命個體。2. 2.克隆鼠、克隆牛等實驗的成功進一步驗證了其克隆鼠、克隆牛等實驗的成功進一步驗證了其科學性將體細胞核移植去核卵細胞形成的克隆科學性將體細胞核移植去核卵細胞形成的克隆細胞，其基因組細胞，其基因組DNA與細胞核供體一致，由與細胞核供體一致，由克隆細胞復制出可供移植、無免疫排斥的各種克隆細胞復制出可供移植、無免疫排斥的各種組織細胞、器官，是組織細胞、器官，是21 21世紀生命科學的一個新世紀生命科學的一個新里程碑。里程碑。 3.6蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能關(guān)系蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能關(guān)系 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能關(guān)系是細胞生命活動的重要基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能關(guān)系是細胞生命活動的重要基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)的

13、功能通過其結(jié)構(gòu)、運動和相互作用得以實現(xiàn)。蛋蛋白質(zhì)的功能通過其結(jié)構(gòu)、運動和相互作用得以實現(xiàn)。蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)主要包括整體水平的肽鏈折疊方式、原子水白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)主要包括整體水平的肽鏈折疊方式、原子水平的構(gòu)象、分子的內(nèi)在運動性和在不同條件下的結(jié)構(gòu)變化，平的構(gòu)象、分子的內(nèi)在運動性和在不同條件下的結(jié)構(gòu)變化，從而實現(xiàn)蛋白質(zhì)分子間和亞基間、以及蛋白質(zhì)與非蛋白質(zhì)從而實現(xiàn)蛋白質(zhì)分子間和亞基間、以及蛋白質(zhì)與非蛋白質(zhì)分子之間的相互作用。本領(lǐng)域鼓勵在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能及分子之間的相互作用。本領(lǐng)域鼓勵在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能及其相互關(guān)系等方面開展創(chuàng)新性研究。其相互關(guān)系等方面開展創(chuàng)新性研究。 主要科學問題：主要科學問題：蛋白質(zhì)三維

14、結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系；蛋白蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系；蛋白質(zhì)分子在不同條件下的運動規(guī)律；蛋白質(zhì)與其它生物大分質(zhì)分子在不同條件下的運動規(guī)律；蛋白質(zhì)與其它生物大分子的相互作用；氨基酸序列和三維結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)；原子子的相互作用；氨基酸序列和三維結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)；原子水平蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)折疊和功能的關(guān)系；膜蛋白和糖水平蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)折疊和功能的關(guān)系；膜蛋白和糖蛋白的結(jié)構(gòu)及其在細胞生命活動中的功能等。蛋白的結(jié)構(gòu)及其在細胞生命活動中的功能等。 3.7 3.7 細胞信號轉(zhuǎn)導的網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)及效應(yīng)細胞信號轉(zhuǎn)導的網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)及效應(yīng) 生命活動離不開信息交流。細胞通過復雜的信號網(wǎng)生命活動離不開信息交流。細胞通過復雜的信號網(wǎng)絡(luò)

15、實現(xiàn)增殖、分化、運動、凋亡及其它生理活動并對其絡(luò)實現(xiàn)增殖、分化、運動、凋亡及其它生理活動并對其進行精細的調(diào)節(jié)，以應(yīng)對復雜的環(huán)境。盡管目前在這一進行精細的調(diào)節(jié)，以應(yīng)對復雜的環(huán)境。盡管目前在這一領(lǐng)域已取得一些研究進展，但對生命活動的信息調(diào)控機領(lǐng)域已取得一些研究進展，但對生命活動的信息調(diào)控機制的認識還遠非完善。由于疾病最終可歸因于信號網(wǎng)絡(luò)制的認識還遠非完善。由于疾病最終可歸因于信號網(wǎng)絡(luò)的失調(diào)，其中的很多組分都可成為藥物篩選的靶標，因的失調(diào)，其中的很多組分都可成為藥物篩選的靶標，因此相關(guān)研究對人類健康也有深遠的影響。此相關(guān)研究對人類健康也有深遠的影響。 主要科學問題：主要科學問題：信號網(wǎng)絡(luò)新組分的鑒定

16、和功能分析；信號網(wǎng)絡(luò)新組分的鑒定和功能分析；信號網(wǎng)絡(luò)組分間的相互作用及其調(diào)節(jié)機制；信號通路間信號網(wǎng)絡(luò)組分間的相互作用及其調(diào)節(jié)機制；信號通路間的對話機制及生物學意義；信息整合機制和應(yīng)答方式的的對話機制及生物學意義；信息整合機制和應(yīng)答方式的系統(tǒng)整合生物學分析；生理與病理條件下信號傳遞的異系統(tǒng)整合生物學分析；生理與病理條件下信號傳遞的異同等。同等。 3.83.8 細胞運動的分子機制細胞運動的分子機制 細胞運動是以細胞運動是以微管和微絲骨架支撐微管和微絲骨架支撐的的重要生命活動重要生命活動，包括包括細胞遷移、細胞分裂和胞內(nèi)運輸?shù)燃毎w移、細胞分裂和胞內(nèi)運輸?shù)?，其共同特征是需，其共同特征是需要?qū)動蛋白的

17、參與及細胞骨架的動態(tài)協(xié)調(diào)。要驅(qū)動蛋白的參與及細胞骨架的動態(tài)協(xié)調(diào)。 在體內(nèi)，細胞定向遷移需要胞外信號分子的引導，這一過在體內(nèi)，細胞定向遷移需要胞外信號分子的引導，這一過程為胚胎發(fā)育、神經(jīng)系統(tǒng)形成和免疫系統(tǒng)趨化功能所必須。程為胚胎發(fā)育、神經(jīng)系統(tǒng)形成和免疫系統(tǒng)趨化功能所必須。細胞遷移異常將導致嚴重的疾病，而腫瘤的惡化也是細胞細胞遷移異常將導致嚴重的疾病，而腫瘤的惡化也是細胞遷移異常激活的結(jié)果。細胞運動性是細胞生物學領(lǐng)域中的遷移異常激活的結(jié)果。細胞運動性是細胞生物學領(lǐng)域中的一個重要的基礎(chǔ)性理論問題。一個重要的基礎(chǔ)性理論問題。 主要科學問題：主要科學問題：細胞運動相關(guān)過程的分子機理；細胞細胞運動相關(guān)過程

18、的分子機理；細胞運動的信號調(diào)控機制；驅(qū)動蛋白功能和特異性調(diào)節(jié)；微管運動的信號調(diào)控機制；驅(qū)動蛋白功能和特異性調(diào)節(jié)；微管和微絲系統(tǒng)的動態(tài)性調(diào)節(jié)和功能協(xié)調(diào)機制；細胞運動與胚和微絲系統(tǒng)的動態(tài)性調(diào)節(jié)和功能協(xié)調(diào)機制；細胞運動與胚胎發(fā)育、器官形成和疾病發(fā)生的關(guān)系等。胎發(fā)育、器官形成和疾病發(fā)生的關(guān)系等。 3.93.9 膜系統(tǒng)及物質(zhì)跨膜運輸膜系統(tǒng)及物質(zhì)跨膜運輸 細胞作為生命活動的基本單元，不斷地與外細胞作為生命活動的基本單元，不斷地與外界進行物資交換。細胞內(nèi)的物質(zhì)運輸和與外界物質(zhì)交換界進行物資交換。細胞內(nèi)的物質(zhì)運輸和與外界物質(zhì)交換是生命的基本現(xiàn)象，它直接影響到細胞的增殖和分化。是生命的基本現(xiàn)象，它直接影響到細胞

19、的增殖和分化。胞內(nèi)運輸涉及內(nèi)膜系統(tǒng)的動態(tài)變化、囊泡運輸、胞吞和胞內(nèi)運輸涉及內(nèi)膜系統(tǒng)的動態(tài)變化、囊泡運輸、胞吞和胞吐等重要過程。這些過程不僅為普通細胞所必須，在胞吐等重要過程。這些過程不僅為普通細胞所必須，在神經(jīng)和腺體細胞中尤為重要。因此，膜系統(tǒng)和物質(zhì)跨膜神經(jīng)和腺體細胞中尤為重要。因此，膜系統(tǒng)和物質(zhì)跨膜運輸一直是細胞生物學研究的中心問題之一。運輸一直是細胞生物學研究的中心問題之一。 主要科學問題主要科學問題：囊泡運輸、胞吞和胞吐的分子機制：囊泡運輸、胞吞和胞吐的分子機制和調(diào)控，以及與信號轉(zhuǎn)導的相互影響；核膜內(nèi)外物質(zhì)交和調(diào)控，以及與信號轉(zhuǎn)導的相互影響；核膜內(nèi)外物質(zhì)交流機制；細胞周期中內(nèi)膜系統(tǒng)的動態(tài)變化等。流機制；細胞周期中內(nèi)膜系統(tǒng)的動態(tài)變化等。 3.103.10小分子小分子RNARNA的發(fā)現(xiàn)和對其功能研究的發(fā)現(xiàn)和對其功能研究1.近10年來分子生物學領(lǐng)域最突出的熱點之一2.小分子RNA存在的廣泛性和多樣性，提示小分子RNA可能有廣泛的生物功能。 3.是調(diào)控基因表達和蛋白活性的重要方式。 對具有調(diào)節(jié)功能的非編碼RNA分子的結(jié)構(gòu)特征、調(diào)控方式以及生物學功能是近期重要的研究方向。3.113.11系統(tǒng)發(fā)育重建與分子進化系統(tǒng)發(fā)育重建與分子進化 進化是生命科學的基本問題之一，沒有進化論的指導，進化是生命科學的基本問題之一，沒有進化論的指導，生物學一切問題都難以解釋。生物學一切問題都難以解釋。20