新課標蘇教版高中生物必修一精品資源-備課資料(身邊的生物科學(xué) 第2課時)

1、備課資料 與疾病相關(guān)的遺傳背景改變主要有兩類，一是遺傳物質(zhì)，即DNA或RNA的水平變化。例如病毒基因及其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在人體內(nèi)的從無到有，某些腫瘤中癌基因表達水平的從低到高。二是遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化，即基因突變，如點突變引起的基因失活，及染色體轉(zhuǎn)位引起的基因激活或滅活等等。所以從理論上說所有檢測基因水平或結(jié)構(gòu)的方法都應(yīng)可用于基因診斷。但如考慮其臨床適用性、靈敏度等問題，下列幾種方法可看作是有應(yīng)用前景的基因診斷的方法。(1)核酸雜交：核酸雜交是從核酸分子混合液中檢測特定大小的核酸分子的傳統(tǒng)方法。其原理是核酸變性和復(fù)性理論。即雙鏈的核酸分子在某些理化因素作用下雙鏈解開，而在條件恢復(fù)后又可依堿基配對規(guī)律形成

2、雙邊結(jié)構(gòu)。雜交通常在一支持膜上進行，因此又稱為核酸印跡雜交。根據(jù)檢測樣品的不同又被分為DNA印跡雜交（Southern blot hybridization ）和RNA印跡雜交（Northern blot hybridization）。其基本過程包括下列幾個步驟：制備樣品：首先需要從待檢測組織樣品提取DNA或RNA。DNA應(yīng)先用限制性內(nèi)切酶消化以產(chǎn)生特定長度的片段，然后通過凝膠電泳將消化產(chǎn)物按分子大小進行分離。一般來說DNA分子有其獨特的限制性內(nèi)切酶圖譜，所以經(jīng)酶切消化和電泳分離后可在凝膠上形成特定的區(qū)帶。再將含有DNA片段的凝膠進行變性處理后，直接轉(zhuǎn)印到支持膜上并使其牢固結(jié)合。這樣檢測片段在

3、凝膠上的位置就直接反映在了轉(zhuǎn)印在膜上。RNA樣品則可直接在變性條件下電泳分離，然后轉(zhuǎn)印并交聯(lián)固定。制備探針：探針是指一段能和待檢測核酸分子依堿基配對原則而結(jié)合的核酸片段。它可以是一段DNA、RNA或合成的寡核苷酸。在核酸雜交實驗中，探針需要被標記上可直接檢測的元素或分子。這樣，通過檢疫與轉(zhuǎn)印膜上的核酸分子結(jié)合上的探針分子，即可知道被檢測的核酸片段在膜上的位置，也就是在電泳凝膠上的位置，也就知道了它的分子大小。雜交：首先要進行預(yù)雜交，即用非特異的核酸溶液封閉膜上的非特異性結(jié)合位點。由于轉(zhuǎn)印在膜上的核酸分子已經(jīng)是變性的分子，所以雜交過程中只需變性標記好的探針，再讓探針與膜在特定的溫度下反應(yīng)，然后洗

4、去未結(jié)合的探針分子即可。檢測：檢測的方法依標記探針的方法而異。用放射性同位素標記的探針需要用放射自顯影來檢測其在膜上的位置；而如果是用生物素等非同位素方法標記的探針則需要用相應(yīng)的免疫組織化學(xué)的方法進行檢測。(2)聚合酶鏈反應(yīng)：核酸雜交反應(yīng)是一對一的反應(yīng)，即膜上有一個被檢測分子時，相應(yīng)就有一個標記的探針分子與它雜交。所以整個實驗敏感性主要取決于標記探針的質(zhì)量和雜交后的檢測方法。在優(yōu)化的條件下，核酸雜交可檢測到pg水平的靶分子，約相當于106個分子。但是，在許多臨床情況下，即無法得到這樣的品質(zhì)和質(zhì)量。這時可以用聚合酶鏈反應(yīng)來擴增靶分子以特異性地增加靶分子量，達到提高敏感性的目的。聚合酶鏈反應(yīng)（po

5、lymerase chain reaction,PCR）本身是在同一試管內(nèi)利用DNA聚合酶催化的反應(yīng)反復(fù)進行同一段DNA片段的合成。聚合酶反應(yīng)的模板是待檢測核酸分子：DNA可直接用于反應(yīng)，而RNA則需要用反轉(zhuǎn)錄酶反轉(zhuǎn)錄成為cDNA，然后用作聚合酶反應(yīng)的模板。反應(yīng)的引物有兩條，分別位于待擴增DNA片段的兩端，可啟動相對方向的DNA合成。這樣從一個模板分子起始的話，經(jīng)過n次聚合酶反應(yīng)后就可以合成2n個模板分子。假如進行了30輪反應(yīng)，則可從一個待檢分子合成出230，即約109個待檢分子。對于一段500個堿基對的DNA片段來說，這大約等于1ng的DNA。所以從很小時的樣品即有可能擴增出電泳后肉眼可見的

6、產(chǎn)物。最初的聚合酶鏈反應(yīng)是用DNA聚合酶的Klenow片段或T4DNA聚合酶催化的。但是由于每輪反應(yīng)都需要三個溫度點，尤其是模板變性需在較高的溫度下進行，所以最初的PCR需要在每輪反應(yīng)中加入DNA聚合酶。這個問題在發(fā)現(xiàn)了耐熱DNA聚合酶（Taq DNA聚合酶）后才得以完滿的解決。Taq DNA聚合酶分離自水棲高溫菌，其最適反應(yīng)溫度為7580攝氏度，且經(jīng)90攝氏度以上的加溫后仍可在溫度恢復(fù)后復(fù)性。所以這種酶特別適合于在不同溫度點進行循環(huán)加溫與降溫而不喪失酶的活性。因此被廣泛應(yīng)用于各種PCR。 基因治療主要以兩種策略達到治療目的。其一是正?；騺砑m正突變基因，也就是在原位修復(fù)缺陷基因的直接療法，此

7、乃理想的基因治療策略，由于多種困難，目前尚未實現(xiàn)；其二是用正常基因不替代致病基因的間接療法，此法較前者難度小，也是目前眾多主張采用的策略，并已付諸臨床實踐。而就基因轉(zhuǎn)移的受體細胞不同，基因治療又有兩種途徑,即生殖（種系）細胞基因治療和體細胞基因治療。(1)生殖細胞基因治療：生殖細胞基因治療(germ cell gene therapy)是將正?；蜣D(zhuǎn)移到患者的生殖細胞（精細胞、卵細胞中早期胚胎）使其發(fā)育成正常個體，顯然，這是理想的方法。實際上，這種靶細胞的遺傳修飾至今尚無實質(zhì)性進展。基因的這種轉(zhuǎn)移一般只能用顯微注射，然而效率不高，并且只適用于排卵周期短而次數(shù)多的動物，這難適用于人類。而在人類實

8、行基因轉(zhuǎn)移到生殖細胞，并世代遺傳，又涉及倫理學(xué)問題。因此，就人類而言，目前多不考慮生殖細胞的基因治療途徑。(2)體細胞基因治療：體細胞基因治療(somatic cell gene therapy)是指將正?；蜣D(zhuǎn)移到體細胞，使之表達基因產(chǎn)物，以達到治療目的。這種方法的理想措施是將外源正?；?qū)氚畜w細胞內(nèi)染色體特定基因座位，用健康的基因確切地替換異常的基因，使其發(fā)揮治療作用，同時還須減少隨機插入引起新的基因突變的可能性。對特定座位基因轉(zhuǎn)移，目前還有很大困難。體細胞基因治療目前采用將基因轉(zhuǎn)移到基因組上非特定座位，即隨機整合。只要該基因能有效地表達出其產(chǎn)物，便可達到治療的目的。這不是修復(fù)基因結(jié)構(gòu)異

9、常而是補償異?；虻墓δ苋毕?，這種策略易于獲得成功?；蛑委熤凶鳛槭荏w細胞的體細胞，多采取離體的體細胞，先在體外接受導(dǎo)入的外源基因，在有效表達后，再輸回到體內(nèi)，這也就是間接基因治療法。體細胞基因治療不必矯正所有的體細胞，因為每個體細胞都具有相同的染色體。有些基因只在一種類型的體細胞中表達，因此，治療只需集中到這類細胞上。其次，某些疾病，只需少量基因產(chǎn)物即可改善癥狀，不需全部有關(guān)體細胞都充分表達。科學(xué)家經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因作物在野外不能很好的存活。該結(jié)論減輕了對這種“超級雜草”可能的瘋狂生長存有的疑慮。從1990年開始起，科學(xué)家便對轉(zhuǎn)基因作物在野外的生存能力進行了實驗研究，被研究的轉(zhuǎn)基因作物主要是

10、第一代轉(zhuǎn)基因作物，如玉米、甜菜、油菜和馬鈴薯?？茖W(xué)家通過對比種植實驗發(fā)現(xiàn)，除一塊馬鈴薯外，其他所有的轉(zhuǎn)基因作物，在不到四年內(nèi)都自然死亡了，這種狀況過去十年都是如此，而能存活的馬鈴薯都是非轉(zhuǎn)基因品種。研究人員在英國科學(xué)周刊自然上撰文指出，“從來沒有發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因作物比傳統(tǒng)的非轉(zhuǎn)基因作物有更強的耐受力或繁殖性”。(1)什么是DNA親子鑒定測試?DNA(脫氧核糖核酸)是人身體內(nèi)細胞的原子物質(zhì)，每個原子有46條染色體,另外,男性的精子細胞和女性的卵子,各有23條染色體,當精子和卵子結(jié)合的時候，這46個原子染色體就制造一個生命,因此,每人從生父處繼承一半的分子物質(zhì),而另一半則從生母處獲得。DNA親子鑒定測試

11、與傳統(tǒng)的血液測試有很大的不同，它可以在不同的樣本上進行測試,包括血液、腮腔細胞、組織細胞樣本和精液樣本。由于血液型號,例如A型、B型、O型或Rh型,在人類中比較普遍,用于分辨每一個人,便不如DNA親子鑒定測試有效。除了同卵雙胞胎外,每人的DNA是獨一無二的。由于它這樣獨特,就好像指紋一樣,用于親子鑒定,DNA是最為有效的方法。我們的結(jié)果通常是比法庭上要求的還準確10到100倍。（2）DNA親子鑒定有多準確?DNA親子鑒定是目前親子測試中最準確的一種。如果小孩和測試男子的DNA模式在一個或多個的DNA探針上不吻合,那么被測試男子便被100%排除，他不可能是孩子的生父。如果是母親,孩子和被測試父親

12、的DNA模式完全吻合,那么我們可以計算出99.9%或更大的或然率。這個結(jié)果證明他是小孩的親生父親。大部分的美國法庭接受90%或然率作為生父證明的證據(jù)。國外生物醫(yī)藥的最新發(fā)展動向突出表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）克隆技術(shù):1997年克隆羊“多利”的出現(xiàn)使人類的克隆技術(shù)出現(xiàn)劃時代的革命。1999年4月，美國的研究人員將得自成年人的骨髓干細胞在體外成功培養(yǎng)，并分化為軟骨、脂肪和骨骼細胞。采用該技術(shù)開發(fā)以干細胞為基礎(chǔ)的再生藥物將具有龐大的市場，可治療軟骨損傷、骨折愈合不良、心臟病、癌癥和衰老引起的退化癥等疾病。（2）藥物基因組學(xué)：藥物基因組學(xué)利用基因組學(xué)和生物信息學(xué)研究獲得的有關(guān)病人和疾病的詳細知識，針對

13、某種疾病的特定人群設(shè)計開發(fā)最有效的藥物，以及鑒別該特定人群的診斷方法，使疾病的治療更有效、更安全。采取這種策略，醫(yī)藥公司可以針對一種疾病的不同亞型，生產(chǎn)同一種藥物的一系列變構(gòu)體，從而真正實現(xiàn)“對癥下藥”，使功效和適應(yīng)癥十分明確，可以減少臨床試驗病人數(shù)和費用，縮短臨床審批周期。（3）基因治療：基因治療就是將外源基因通過載體導(dǎo)入人體內(nèi)并在體內(nèi)（器官、組織、細胞等）表達，從而達到治病目的。基因治療掀起了一場臨床醫(yī)學(xué)革命，為治療包括遺傳病、重要病毒性傳染病、惡性腫瘤等在內(nèi)的、目前尚無理想方法治療的疾病開辟了廣闊前景，隨著“后基因組”的到來，基因治療有可能在21世紀20年代以前成為臨床醫(yī)學(xué)上常規(guī)治療手段

14、之一。目前國外臨床研究主要集中在遺傳病、心血管疾病、腫瘤、艾滋病、血友病和囊性纖維化等疾病上，但臨床效果不明顯。（4）血管發(fā)生：用于治療癌癥的血管發(fā)生抑制因子。（5）艾滋病疫苗。（6）人類基因組計劃?；虔煼ㄊ侵委煼肿硬〉淖钕冗M手段，在很多情況下也是唯一有效的方法。如果說公共健康措施和衛(wèi)生制度的建立、目前麻醉術(shù)在外科手術(shù)中的應(yīng)用以及疫苗和抗生素的問世稱得上是醫(yī)學(xué)界的三次革命，那么分子水平上的基因治療無疑是第四次白色大革命。基因治療的基本定義是用正?；蛉〈∪思毎械娜毕莼?，以達到戰(zhàn)勝分子病的目的。分子病根據(jù)病變基因所處的細胞類型可分為遺傳性分子病和非遺傳性分子病兩大類。前者的病變基因位于生

15、殖細胞中，具有遺傳傾向性，如血友??；后者的病變基因則定位于體細胞內(nèi)，如大多數(shù)的癌癥及病毒感染疾病。用于基因治療的基因根據(jù)其功能及作用方式可分為以下三大類：(1)正?；颍簭慕】等梭w內(nèi)分離克隆正常基因，或通過同源重組方式置換病變基因，或依靠其表達產(chǎn)物彌補病變基因的非功能性蛋白的生理作用。這類基因通常用于矯正各種基因缺陷型的遺傳病，如血友病、地中海貧血病以及由腺苷脫氨酶、基因缺陷所致的重度聯(lián)合免疫缺陷癥等。（2）反義基因：用于治療病毒感染或腫瘤疾病，從某種意義上來說，這兩大類病均屬于獲得性分子病。反義基因的體內(nèi)表達產(chǎn)物反義，或與病毒的激活因子編碼基因互補，如艾滋?。换蚺c腫瘤基因的互補，如食道癌癌基

16、因，從而阻斷其表達。（3）自殺基因：用于治療癌癥。很早人們就發(fā)現(xiàn)在病毒、細菌和真菌中存在一些酶，它們能將細胞中一些原本無毒的代謝物轉(zhuǎn)化為毒性化合物，而這些酶在動物體內(nèi)是不存在的。如果將它們轉(zhuǎn)入腫瘤細胞，再輔以原代謝物或藥物，就能殺滅癌細胞，因此這類酶稱為自殺酶，相應(yīng)的基因則為自殺基因。中國科學(xué)院副院長陳竺院士在“中國生命科學(xué)的現(xiàn)狀與展望”一文中，主要論述了中國生命科學(xué)的重點領(lǐng)域及成就，分析了中國生命科學(xué)和生物技術(shù)發(fā)展中需注意的問題，并預(yù)言中國完全有能力跨入世界生命科學(xué)和生物技術(shù)強國的行列。陳竺院士在文章中首先指出，基因組學(xué)、生物信息學(xué)、重大疾病相關(guān)基因的識別、分子生物學(xué)與生物化學(xué)、細胞和發(fā)育生

17、物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、動植物區(qū)系的系統(tǒng)演化與協(xié)同進化等是我國生命科學(xué)基礎(chǔ)性研究的優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域。接著，總結(jié)了我國近年來在基因組學(xué)研究、生物醫(yī)學(xué)、生態(tài)學(xué)與生物多樣性以及系統(tǒng)演化與古生物學(xué)等方面所取得的成就。同時還指出，中國的生命科學(xué)技術(shù)發(fā)展中還存在一些問題，主要有：優(yōu)秀人才不足，缺乏原始創(chuàng)新；系統(tǒng)平臺建設(shè)差，集團作戰(zhàn)少；協(xié)調(diào)機制不健全，立項重復(fù)；科學(xué)研究與產(chǎn)業(yè)的結(jié)合不緊密；法制建設(shè)跟不上科技發(fā)展等。針對這些問題，最近政府有關(guān)部門已提出了一些新的思路和發(fā)展計劃，如實施人才、專利、標準的“三大戰(zhàn)略”。在生命科學(xué)基礎(chǔ)研究方面，將進一步加強對基因和蛋白質(zhì)科學(xué)、腦和認知科學(xué)、干細胞生物學(xué)等重要領(lǐng)域的支持，尤其要促進學(xué)科交叉，推動系統(tǒng)生物學(xué)等新興學(xué)科。需要改善和建立若干大的科學(xué)平臺，如同步輻射光源、計算生物學(xué)、高等級生物安全實驗室、可