醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)中南大學(xué)課件

醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)中南大學(xué)課件2023REPORTING緒論基因與基因組學(xué)DNA復(fù)制、損傷與修復(fù)轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄后加工翻譯與翻譯后加工基因表達(dá)調(diào)控與疾病關(guān)系醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)常用技術(shù)方法目錄CATALOGUE2023PART01緒論2023REPORTING醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)是應(yīng)用分子生物學(xué)的理論和技術(shù)，研究人體在正常和疾病狀態(tài)下的生命活動(dòng)及其規(guī)律的科學(xué)。定義揭示人體正常和疾病狀態(tài)下的分子機(jī)制，為疾病的預(yù)防、診斷和治療提供新的思路和方法。任務(wù)醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)定義與任務(wù)

醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)發(fā)展簡史早期階段20世紀(jì)50年代以前，醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)處于萌芽狀態(tài)，主要是一些生物學(xué)家和醫(yī)學(xué)家對(duì)生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行初步探索。中期階段20世紀(jì)50年代至80年代，隨著DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)和分子生物學(xué)的迅猛發(fā)展，醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)逐漸形成并發(fā)展壯大。近期階段20世紀(jì)90年代以來，隨著基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)進(jìn)入了系統(tǒng)生物學(xué)時(shí)代。醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)為醫(yī)學(xué)提供了基礎(chǔ)理論支持，如基因診斷、基因治療等新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用?；A(chǔ)研究通過對(duì)疾病相關(guān)基因和蛋白質(zhì)的研究，醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)為疾病的預(yù)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(xué)分子生物學(xué)的技術(shù)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(zhì)量。藥物研發(fā)醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)與醫(yī)學(xué)關(guān)系PART02基因與基因組學(xué)2023REPORTING基因結(jié)構(gòu)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(nèi)含子，非編碼區(qū)包括啟動(dòng)子、增強(qiáng)子等調(diào)控序列。基因定義基因是具有遺傳效應(yīng)的DNA分子片段，是控制生物性狀的基本遺傳單位?；蛱攸c(diǎn)基因具有穩(wěn)定性、可復(fù)制性、可突變性和可調(diào)控性等特點(diǎn)?；蚋拍罴敖Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)基因組學(xué)研究內(nèi)容包括基因組的測序、組裝和注釋，基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制，基因突變與疾病關(guān)系，以及基因組進(jìn)化等方面的研究。基因組學(xué)技術(shù)主要包括DNA測序技術(shù)、生物信息學(xué)分析技術(shù)、基因編輯技術(shù)等?；蚪M學(xué)定義基因組學(xué)是研究生物體所有基因的組成、結(jié)構(gòu)、功能及相互關(guān)系的一門科學(xué)?；蚪M學(xué)概念及研究內(nèi)容人類基因組計(jì)劃目標(biāo)人類基因組計(jì)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(jié)構(gòu)和功能。人類基因組計(jì)劃成果人類基因組計(jì)劃的完成，揭示了人類基因的數(shù)量、種類、結(jié)構(gòu)和功能等基本信息，為醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域的研究提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。人類基因組計(jì)劃意義人類基因組計(jì)劃的實(shí)施，不僅推動(dòng)了生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)的發(fā)展，也為生物產(chǎn)業(yè)和生物經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了重要的支撐。同時(shí)，人類基因組計(jì)劃也涉及到倫理、法律和社會(huì)等方面的問題，引起了廣泛的關(guān)注和討論。人類基因組計(jì)劃簡介PART03DNA復(fù)制、損傷與修復(fù)2023REPORTING半保留復(fù)制DNA雙鏈在復(fù)制時(shí)，以其中一條鏈為模板，合成新的互補(bǔ)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(fù)制。在DNA復(fù)制過程中，形成的Y字形結(jié)構(gòu)稱為復(fù)制叉。DNA聚合酶在復(fù)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(fù)責(zé)將這些片段連接成完整的DNA鏈。復(fù)制叉與DNA聚合酶岡崎片段與連接酶DNA復(fù)制過程及特點(diǎn)堿基錯(cuò)配01DNA復(fù)制過程中，由于堿基之間的相似性，可能導(dǎo)致堿基錯(cuò)配，如鳥嘌呤（G）與胸腺嘧啶（T）錯(cuò)配。這種錯(cuò)配可能導(dǎo)致基因突變。DNA單鏈斷裂02DNA單鏈在受到某些物理或化學(xué)因素的作用時(shí)，可能發(fā)生斷裂。這種斷裂如果得不到及時(shí)修復(fù)，可能導(dǎo)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(yán)重的DNA損傷之一，可能導(dǎo)致細(xì)胞死亡或基因組不穩(wěn)定。DNA損傷類型及后果對(duì)于某些簡單的DNA損傷，如堿基錯(cuò)配或小的化學(xué)修飾，細(xì)胞可以通過直接修復(fù)機(jī)制進(jìn)行修復(fù)。這種修復(fù)機(jī)制不需要切斷DNA鏈，因此較為快速和經(jīng)濟(jì)。直接修復(fù)對(duì)于較復(fù)雜的DNA損傷，如單鏈斷裂或某些化學(xué)修飾，細(xì)胞可能采用切除修復(fù)機(jī)制。這種機(jī)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(fù)在DNA雙鏈斷裂等嚴(yán)重?fù)p傷情況下，細(xì)胞可能采用重組修復(fù)機(jī)制。這種機(jī)制涉及將斷裂的DNA末端與同源序列進(jìn)行重組，以恢復(fù)DNA的完整性。重組修復(fù)DNA修復(fù)機(jī)制對(duì)于維護(hù)基因組的穩(wěn)定性和細(xì)胞的正常生理功能具有重要意義。通過及時(shí)修復(fù)DNA損傷，細(xì)胞可以避免基因突變和染色體畸變等嚴(yán)重后果，從而保持正常的生長和分裂能力。DNA修復(fù)的意義DNA修復(fù)機(jī)制及其意義PART04轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄后加工2023REPORTING轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄延伸轉(zhuǎn)錄終止轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制轉(zhuǎn)錄過程及調(diào)控機(jī)制01020304RNA聚合酶識(shí)別并結(jié)合啟動(dòng)子，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物，啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。RNA聚合酶沿DNA模板鏈移動(dòng)，催化RNA鏈的合成。RNA聚合酶遇到終止信號(hào)時(shí)，停止RNA鏈的合成，并釋放RNA產(chǎn)物。包括基因表達(dá)的時(shí)空調(diào)控、轉(zhuǎn)錄因子的作用、表觀遺傳學(xué)修飾等。在mRNA的5'端加上甲基鳥嘌呤帽子結(jié)構(gòu)，保護(hù)mRNA免受核酸酶的降解，并有助于mRNA從細(xì)胞核轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)。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(nèi)含子序列，連接外顯子序列，形成成熟的mRNA。內(nèi)含子剪接對(duì)mRNA進(jìn)行堿基修飾或序列改變，增加蛋白質(zhì)的多樣性。RNA編輯轉(zhuǎn)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(diǎn)：真核生物mRNA前體包含多個(gè)內(nèi)含子和外顯子，需要經(jīng)過復(fù)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(zhì)和snRNPs組成的復(fù)合物，負(fù)責(zé)識(shí)別和去除內(nèi)含子，連接外顯子。剪接的種類和機(jī)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(zhuǎn)錄產(chǎn)物中，由于剪接位點(diǎn)的不同選擇而產(chǎn)生的不同mRNA。mRNA的加工和轉(zhuǎn)運(yùn)：加工后的mRNA需要經(jīng)過核孔復(fù)合物轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)中，與核糖體結(jié)合進(jìn)行翻譯。在轉(zhuǎn)運(yùn)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(dāng)核糖體遇到終止密碼子時(shí)，釋放因子識(shí)別并結(jié)合終止密碼子，導(dǎo)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(jié)合，識(shí)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(dòng)，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(diào)控機(jī)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(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)折疊蛋白質(zhì)修飾蛋白質(zhì)水解包括磷酸化、糖基化、乙?；?，可改變蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)和生物學(xué)功能。部分蛋白質(zhì)需經(jīng)過水解加工，去除多余部分或產(chǎn)生新的活性位點(diǎn)。030201翻譯后加工過程及意義核糖體合成蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)加工高爾基體分選和運(yùn)輸靶細(xì)胞器的定位蛋白質(zhì)合成和運(yùn)輸?shù)桨屑?xì)胞器在細(xì)胞質(zhì)中的核糖體上，以mRNA為模板，tRNA為運(yùn)載工具，合成蛋白質(zhì)。高爾基體對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行分選，將其運(yùn)輸?shù)讲煌募?xì)胞器或細(xì)胞表面。合成的蛋白質(zhì)進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，進(jìn)行折疊、修飾和加工，形成成熟的蛋白質(zhì)。通過特定的信號(hào)序列和細(xì)胞器上的受體相互作用，實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)在靶細(xì)胞器的定位。PART06基因表達(dá)調(diào)控與疾病關(guān)系2023REPORTING基因表達(dá)調(diào)控層次和機(jī)制通過轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶的相互作用，控制基因轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)和功能。通過調(diào)節(jié)翻譯起始因子、延長因子等，控制蛋白質(zhì)的翻譯過程。包括蛋白質(zhì)修飾、定位、互作等，影響蛋白質(zhì)的功能和穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控翻譯水平調(diào)控翻譯后水平調(diào)控導(dǎo)致基因結(jié)構(gòu)改變，進(jìn)而影響其表達(dá)和功能，與多種遺傳性疾病相關(guān)。基因突變基因表達(dá)量異常表觀遺傳學(xué)改變非編碼RNA調(diào)控異常某些基因在疾病狀態(tài)下表達(dá)量上調(diào)或下調(diào)，影響細(xì)胞功能和代謝。不涉及DNA序列改變的基因表達(dá)調(diào)控異常，如DNA甲基化、組蛋白修飾等。如microRNA、lncRNA等，通過調(diào)控靶基因表達(dá)參與疾病發(fā)生發(fā)展。疾病發(fā)生發(fā)展中基因表達(dá)異常靶向藥物應(yīng)用實(shí)例如針對(duì)EGFR突變的肺癌靶向藥物吉非替尼，針對(duì)HER2過表達(dá)的乳腺癌靶向藥物曲妥珠單抗等。未來發(fā)展方向結(jié)合基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等多組學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療和個(gè)體化治療。靶向藥物研發(fā)挑戰(zhàn)需要深入了解疾病相關(guān)基因及其調(diào)控機(jī)制，同時(shí)解決藥物選擇性、耐藥性等問題。靶向藥物設(shè)計(jì)策略針對(duì)特定基因突變或異常表達(dá)產(chǎn)物，設(shè)計(jì)具有高度選擇性和低毒性的藥物。靶向藥物設(shè)計(jì)和應(yīng)用前景PART07醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)常用技術(shù)方法2023REPORTINGSanger測序法基于DNA聚合酶和特異性引物進(jìn)行DNA鏈的延伸，通過加入ddNTP終止反應(yīng)，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(xué)試劑在DNA鏈的特定位置進(jìn)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(shù)（NGS）高通量測序技術(shù)，可同時(shí)對(duì)數(shù)百萬個(gè)DNA分子進(jìn)行測序，大大提高了測序速度和通量。010203DNA序列分析技術(shù)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(biāo)記的DNA探針進(jìn)行雜交，通過放射自顯影或化學(xué)發(fā)光等方法顯示雜交結(jié)果。Northern雜交用于檢測RNA樣品中特定RNA序列的存在和表達(dá)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(xì)胞水平上檢測特定核酸序列的存在和定位，通過將標(biāo)記的核酸探針與固定在載玻片上的組織或細(xì)胞進(jìn)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(jié)果。核酸分子雜交技術(shù)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）技術(shù)通過特定的引物和DNA聚合酶對(duì)模板DNA進(jìn)行擴(kuò)增，得到大量與模板DNA相同的DNA片段。實(shí)時(shí)熒光定量PCR（qPCR）在PCR反應(yīng)體系中加入熒光染料或熒光標(biāo)記的特異性探針，實(shí)時(shí)監(jiān)測PCR產(chǎn)物的熒光信號(hào)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)DNA模板的定量檢測。逆轉(zhuǎn)錄PCR（RT-PCR）先將RNA逆轉(zhuǎn)錄成cDNA，再以cDNA為模板進(jìn)行PCR