醫(yī)學分子生物學中南大學課件

醫(yī)學分子生物學中南大學課件2023REPORTING緒論基因與基因組學DNA復制、損傷與修復轉錄與轉錄后加工翻譯與翻譯后加工基因表達調控與疾病關系醫(yī)學分子生物學常用技術方法目錄CATALOGUE2023PART01緒論2023REPORTING醫(yī)學分子生物學是應用分子生物學的理論和技術，研究人體在正常和疾病狀態(tài)下的生命活動及其規(guī)律的科學。定義揭示人體正常和疾病狀態(tài)下的分子機制，為疾病的預防、診斷和治療提供新的思路和方法。任務醫(yī)學分子生物學定義與任務

醫(yī)學分子生物學發(fā)展簡史早期階段20世紀50年代以前，醫(yī)學分子生物學處于萌芽狀態(tài)，主要是一些生物學家和醫(yī)學家對生物大分子的結構和功能進行初步探索。中期階段20世紀50年代至80年代，隨著DNA雙螺旋結構的發(fā)現(xiàn)和分子生物學的迅猛發(fā)展，醫(yī)學分子生物學逐漸形成并發(fā)展壯大。近期階段20世紀90年代以來，隨著基因組學、蛋白質組學、代謝組學等組學技術的發(fā)展，醫(yī)學分子生物學進入了系統(tǒng)生物學時代。醫(yī)學分子生物學為醫(yī)學提供了基礎理論支持，如基因診斷、基因治療等新技術的發(fā)展和應用。基礎研究通過對疾病相關基因和蛋白質的研究，醫(yī)學分子生物學為疾病的預防、診斷和治療提供了新的思路和方法。臨床研究利用醫(yī)學分子生物學的技術和方法，可以研發(fā)出更加高效、安全的藥物，提高治療效果和患者生活質量。藥物研發(fā)醫(yī)學分子生物學與醫(yī)學關系PART02基因與基因組學2023REPORTING基因結構基因由編碼區(qū)和非編碼區(qū)組成，編碼區(qū)包括外顯子和內含子，非編碼區(qū)包括啟動子、增強子等調控序列?；蚨x基因是具有遺傳效應的DNA分子片段，是控制生物性狀的基本遺傳單位。基因特點基因具有穩(wěn)定性、可復制性、可突變性和可調控性等特點。基因概念及結構特點基因組學研究內容包括基因組的測序、組裝和注釋，基因表達調控機制，基因突變與疾病關系，以及基因組進化等方面的研究?；蚪M學技術主要包括DNA測序技術、生物信息學分析技術、基因編輯技術等?；蚪M學定義基因組學是研究生物體所有基因的組成、結構、功能及相互關系的一門科學。基因組學概念及研究內容人類基因組計劃目標人類基因組計劃旨在測定人類基因組的全部DNA序列，解讀其中包含的遺傳信息，闡明人類基因組的結構和功能。人類基因組計劃成果人類基因組計劃的完成，揭示了人類基因的數(shù)量、種類、結構和功能等基本信息，為醫(yī)學、生物學等領域的研究提供了重要的基礎數(shù)據(jù)。人類基因組計劃意義人類基因組計劃的實施，不僅推動了生命科學和醫(yī)學的發(fā)展，也為生物產(chǎn)業(yè)和生物經(jīng)濟的發(fā)展提供了重要的支撐。同時，人類基因組計劃也涉及到倫理、法律和社會等方面的問題，引起了廣泛的關注和討論。人類基因組計劃簡介PART03DNA復制、損傷與修復2023REPORTING半保留復制DNA雙鏈在復制時，以其中一條鏈為模板，合成新的互補鏈，新合成的子代DNA分子中，一條鏈來自親代，另一條鏈為新合成，這種方式稱為半保留復制。在DNA復制過程中，形成的Y字形結構稱為復制叉。DNA聚合酶在復制叉處合成新的DNA鏈。由于DNA聚合酶只能沿5'→3'方向合成DNA，因此后隨鏈的合成是不連續(xù)的，形成的許多小片段稱為岡崎片段。連接酶負責將這些片段連接成完整的DNA鏈。復制叉與DNA聚合酶岡崎片段與連接酶DNA復制過程及特點堿基錯配01DNA復制過程中，由于堿基之間的相似性，可能導致堿基錯配，如鳥嘌呤（G）與胸腺嘧啶（T）錯配。這種錯配可能導致基因突變。DNA單鏈斷裂02DNA單鏈在受到某些物理或化學因素的作用時，可能發(fā)生斷裂。這種斷裂如果得不到及時修復，可能導致DNA雙鏈斷裂或染色體畸變。DNA雙鏈斷裂03DNA雙鏈斷裂是最嚴重的DNA損傷之一，可能導致細胞死亡或基因組不穩(wěn)定。DNA損傷類型及后果對于某些簡單的DNA損傷，如堿基錯配或小的化學修飾，細胞可以通過直接修復機制進行修復。這種修復機制不需要切斷DNA鏈，因此較為快速和經(jīng)濟。直接修復對于較復雜的DNA損傷，如單鏈斷裂或某些化學修飾，細胞可能采用切除修復機制。這種機制涉及將損傷部位從DNA鏈上切除，并以另一條鏈為模板合成新的DNA片段。切除修復在DNA雙鏈斷裂等嚴重損傷情況下，細胞可能采用重組修復機制。這種機制涉及將斷裂的DNA末端與同源序列進行重組，以恢復DNA的完整性。重組修復DNA修復機制對于維護基因組的穩(wěn)定性和細胞的正常生理功能具有重要意義。通過及時修復DNA損傷，細胞可以避免基因突變和染色體畸變等嚴重后果，從而保持正常的生長和分裂能力。DNA修復的意義DNA修復機制及其意義PART04轉錄與轉錄后加工2023REPORTING轉錄起始轉錄延伸轉錄終止轉錄調控機制轉錄過程及調控機制01020304RNA聚合酶識別并結合啟動子，形成轉錄起始復合物，啟動轉錄。RNA聚合酶沿DNA模板鏈移動，催化RNA鏈的合成。RNA聚合酶遇到終止信號時，停止RNA鏈的合成，并釋放RNA產(chǎn)物。包括基因表達的時空調控、轉錄因子的作用、表觀遺傳學修飾等。在mRNA的5'端加上甲基鳥嘌呤帽子結構，保護mRNA免受核酸酶的降解，并有助于mRNA從細胞核轉運到細胞質。5'端加帽在mRNA的3'端加上多聚腺苷酸尾巴，增加mRNA的穩(wěn)定性，并有助于mRNA的翻譯。3'端加尾去除mRNA中的內含子序列，連接外顯子序列，形成成熟的mRNA。內含子剪接對mRNA進行堿基修飾或序列改變，增加蛋白質的多樣性。RNA編輯轉錄后加工過程及意義真核生物mRNA加工和成熟真核生物mRNA前體的特點：真核生物mRNA前體包含多個內含子和外顯子，需要經(jīng)過復雜的加工過程才能成為成熟的mRNA。剪接體的組成和功能：剪接體是一種由多種蛋白質和snRNPs組成的復合物，負責識別和去除內含子，連接外顯子。剪接的種類和機制：包括組成型剪接和可變剪接兩種類型。組成型剪接是所有mRNA前體都經(jīng)歷的剪接過程；可變剪接則是指在同一基因的不同轉錄產(chǎn)物中，由于剪接位點的不同選擇而產(chǎn)生的不同mRNA。mRNA的加工和轉運：加工后的mRNA需要經(jīng)過核孔復合物轉運到細胞質中，與核糖體結合進行翻譯。在轉運過程中，mRNA還需要經(jīng)過一系列的修飾和加工，如5'端加帽、3'端加尾等。PART05翻譯與翻譯后加工2023REPORTING03翻譯終止當核糖體遇到終止密碼子時，釋放因子識別并結合終止密碼子，導致肽鏈釋放和核糖體解離。01翻譯起始核糖體小亞基與mRNA結合，識別起始密碼子，招募大亞基，形成完整的核糖體。02肽鏈延伸在延伸因子和GTP的參與下，核糖體沿mRNA移動，按照mRNA的堿基序列，依次將氨基酸添加到肽鏈上。翻譯過程及調控機制新合成的多肽鏈需經(jīng)過特定的折疊過程，形成具有生物活性的三維結構。蛋白質折疊蛋白質修飾蛋白質水解包括磷酸化、糖基化、乙?；?，可改變蛋白質的理化性質和生物學功能。部分蛋白質需經(jīng)過水解加工，去除多余部分或產(chǎn)生新的活性位點。030201翻譯后加工過程及意義核糖體合成蛋白質內質網(wǎng)加工高爾基體分選和運輸靶細胞器的定位蛋白質合成和運輸?shù)桨屑毎髟诩毎|中的核糖體上，以mRNA為模板，tRNA為運載工具，合成蛋白質。高爾基體對蛋白質進行分選，將其運輸?shù)讲煌募毎骰蚣毎砻?。合成的蛋白質進入內質網(wǎng)腔，進行折疊、修飾和加工，形成成熟的蛋白質。通過特定的信號序列和細胞器上的受體相互作用，實現(xiàn)蛋白質在靶細胞器的定位。PART06基因表達調控與疾病關系2023REPORTING基因表達調控層次和機制通過轉錄因子和RNA聚合酶的相互作用，控制基因轉錄的起始、延伸和終止。包括RNA剪接、編輯、修飾等過程，影響成熟mRNA的結構和功能。通過調節(jié)翻譯起始因子、延長因子等，控制蛋白質的翻譯過程。包括蛋白質修飾、定位、互作等，影響蛋白質的功能和穩(wěn)定性。轉錄水平調控轉錄后水平調控翻譯水平調控翻譯后水平調控導致基因結構改變，進而影響其表達和功能，與多種遺傳性疾病相關?；蛲蛔兓虮磉_量異常表觀遺傳學改變非編碼RNA調控異常某些基因在疾病狀態(tài)下表達量上調或下調，影響細胞功能和代謝。不涉及DNA序列改變的基因表達調控異常，如DNA甲基化、組蛋白修飾等。如microRNA、lncRNA等，通過調控靶基因表達參與疾病發(fā)生發(fā)展。疾病發(fā)生發(fā)展中基因表達異常靶向藥物應用實例如針對EGFR突變的肺癌靶向藥物吉非替尼，針對HER2過表達的乳腺癌靶向藥物曲妥珠單抗等。未來發(fā)展方向結合基因組學、蛋白質組學等多組學技術，實現(xiàn)精準醫(yī)療和個體化治療。靶向藥物研發(fā)挑戰(zhàn)需要深入了解疾病相關基因及其調控機制，同時解決藥物選擇性、耐藥性等問題。靶向藥物設計策略針對特定基因突變或異常表達產(chǎn)物，設計具有高度選擇性和低毒性的藥物。靶向藥物設計和應用前景PART07醫(yī)學分子生物學常用技術方法2023REPORTINGSanger測序法基于DNA聚合酶和特異性引物進行DNA鏈的延伸，通過加入ddNTP終止反應，得到一系列長度不同的DNA片段，再通過高分辨率變性凝膠電泳分離和放射自顯影，讀取DNA序列。Maxam-Gilbert測序法利用特定的化學試劑在DNA鏈的特定位置進行切割，得到一系列長度不同的DNA片段，再通過電泳分離和放射自顯影，讀取DNA序列。下一代測序技術（NGS）高通量測序技術，可同時對數(shù)百萬個DNA分子進行測序，大大提高了測序速度和通量。010203DNA序列分析技術Southern雜交用于檢測DNA樣品中特定DNA序列的存在和定位，首先將DNA樣品固定在固相支持物上，然后與標記的DNA探針進行雜交，通過放射自顯影或化學發(fā)光等方法顯示雜交結果。Northern雜交用于檢測RNA樣品中特定RNA序列的存在和表達水平，原理與Southern雜交相似，只是將RNA樣品固定在固相支持物上。原位雜交在組織或細胞水平上檢測特定核酸序列的存在和定位，通過將標記的核酸探針與固定在載玻片上的組織或細胞進行雜交，然后通過放射自顯影或熒光顯微鏡等方法顯示雜交結果。核酸分子雜交技術聚合酶鏈式反應（PCR）技術通過特定的引物和DNA聚合酶對模板DNA進行擴增，得到大量與模板DNA相同的DNA片段。實時熒光定量PCR（qPCR）在PCR反應體系中加入熒光染料或熒光標記的特異性探針，實時監(jiān)測PCR產(chǎn)物的熒光信號強度，實現(xiàn)對DNA模板的定量檢測。逆轉錄PCR（RT-PCR）先將RNA逆轉錄成cDNA，再以cDNA為模板進行PCR