1、走进生命科学的世纪,授课老师：杨姗,第一章 第一节,Lift science,生命科学是以生命为研究对象的科学 和技术的总称，是研究自然界所有生命现象及其生命活动规律的科学。,为什么说21世纪是生命科学的世纪？,3050年代各国在核能上竟相投入研究,5070年代在航空、航天上竟相投入研究,80年代至今信息科技和生命科学逐渐成为龙头,生命科学能成为21世纪的龙头，其中数学、物理、化学、信息科学的发展，为揭开生命之迷提供了有利的条件。,什么是生命科学？,食虫草,枯叶蝶,竹节虫,丹顶鹤,蜘蛛,鱼,哪些是生命科学研究的对象？,乙肝病毒,SARS病毒,感冒病毒,5000年前水稻的种植,3000年前猪的饲
2、养,春秋时代诗经记载的动植物达200多种,16世纪明代李时珍本草纲目分类,17世纪显微镜的发明,18世纪林奈创立“生物分类法则”,19世纪施莱登和施旺的“细胞学说” 达尔文的物种起源“进化论”,20世纪沃森和克里克的DNA双螺旋结构分子模型,结晶牛胰岛素和酵母丙氨酸转移核糖核酸（我国的成就）,（个体水平）观察和描述,（细胞水平）,（分子水平）,1、生命科学发展简史,公元6世纪，北魏贾思勰的齐民要术人工杂交,公元前5000年，种植水稻公元前3000年，饲养猪；春秋时代，诗经中记载的动植物达200多种；公元6世纪，北魏贾思勰的齐民要术总结了人工选择、人工杂交和定向培育的科学原理和方法；16世纪明代
3、李时珍的本草纲目记载有可供药用的1094种植物和444种动物。,描述法和比较法生物学阶段：,古代中国：,(1)亚里士多德 对动植物进行过广泛的观察(2)盖仑对牛、羊、狗和猴等动物进行了内部器官的解剖，得出人体内部结构与这些动物相似的推论(3)17世纪显微镜的发明，生命科学的研究进入细胞水平(4)18世纪林耐创立了“生物分类法则”，制定了生物命名的方法(5)18381839年德国植物学家施莱登和动物学家施旺的细胞学说(6)1859年达尔文的物种起源，提出了“进化论”，为生命科学的发展奠定了辩证唯物主义的基础,西方国家：,20世纪及现今：主要是实验法,（7）奥地利遗传学家孟德尔用豌豆杂交实验，发现
4、了生物遗传的两个基本规律：基因的分离规律和基因的自由组合规律（8）美国遗传学家摩尔根的基因的连锁和互换规律,9,（1） 1953年沃森和克里克提出了DNA的双螺旋结构，生命科学研究进入分子水平，为现代生物技术的形成和发展奠定了基础； （2）中国科学家成功地合成了结晶牛胰岛素和酵母丙氨酸转移核糖核酸，表明我国在分子生物学领域内具有世界领先水平； （3）1997年英国科学家成功地培育出克隆羊“多利”； （4）1999年美国科学杂志将成功分离人体胚胎干细胞的成就列为世界十大科学成就之首； （5）1990年启动的人类基因组计划，中国参加1%的人类基因测序工作。生命科学的“阿波罗登月计划”。,现代生命科
5、学成就,10,DNA分子模型,1953年，美国生物学家沃森和英国生物学家克里克提出了DNA双螺旋结构分子模型,11,人体胚胎干细胞,人类基因组测序计划的机器,三 .展望生命科学新世纪（21世纪）,15,转基因技术,据新华日报：江苏省农科院畜牧研究所9月1日传出消息，该所利用转基因技术培育出了能产生含有人的a-乳白蛋白质羊奶的山羊。,16,基因治疗是将人的健康基因或有治疗作用的基因通过一定方式导入人体靶细胞以纠正基因的缺陷或者发挥治疗作用,从而达到治疗疾病目的的生物医学高技术。,“对因下药”,分离人体胚胎干细胞（十大科学成就之首）,人类的基因组计划（生命科学的“阿波罗登月计划”）,2、展望生命科
6、学新世纪,后基因组学 转基因技术 基因治疗 生物多样性保护 脑科学,2、展望生命科学新世纪,后基因组学 转基因技术 基因治疗 生物多样性保护 脑科学,将人工分离和修饰过的基因导入到生物体基因组中，由于导入基因的表达，引起生物体的性状的可遗传的修饰。,导入人基因具特殊用途的猪和小鼠,超级动物,身体会发出荧光的小白鼠,转黄瓜抗青枯病基因的甜椒,转鱼抗寒基因的番茄,生长快、肉质好的转基因鱼,乳汁中含有人生长激素的转基因牛,2、展望生命科学新世纪,后基因组学 转基因技术 基因治疗 生物多样性保护 脑科学,基因治疗是指将人的正常基因或有治疗作用的基因通过一定方式导入人体靶细胞以纠正基因的缺陷或者发挥治疗
7、作用，从而达到治疗疾病目的的生物医学新技术。,2、展望生命科学新世纪,后基因组学 转基因技术 基因治疗 生物多样性保护 脑科学,2、展望生命科学新世纪,后基因组学 转基因技术 基因治疗 生物多样性保护 脑科学,1.古代生命科学,贾思勰齐民要术,李时珍本草纲目,2.近代生命科学,17世纪显微镜的发明，使生物学研究进入了细胞水平,18世纪，林耐创立 “生物分类法则”,19世纪早期施莱登、施旺提出“细胞学说 ”,19世纪中期达尔文发表物种起源，提出“进化论”,19世纪后期，孟德尔提出遗传两大规律，被誉为“遗传学奠基人”,一）生命科学发展简史,诗经,3.现代生命科学,沃森、克里克提出DNA双螺旋结构分
8、子模型，生命科学研究进入分子水平新阶段,我国科学家成功合成结晶牛胰岛素和酵母丙氨酸转移核糖核酸,微观,宏观,生态学兴起,你能得出生命科学的研究方向了吗？,杂交水稻之父袁隆平,人类基因组计划,试管婴儿,器官移植,转基因技术,克隆技术,现代生命科学的成就,袁隆平先生发明的杂交水稻技术，为世界粮食安全作出了杰出贡献，增产的粮食每年为世界解决了3500万人的吃饭问题。,杂交水稻之父袁隆平,器官移植,全球首例“换脸”手术,法国女子伊莎贝拉迪诺尔,巴浦洛夫,孟德尔,林耐,施莱登,施旺,达尔文,沃森,克里克,伯格,摩尔根,（早期）描述法、比较法,实验法,研究手段,个体水平,细胞水平,分子水平,研究层次,研究
9、方向,微观,（个体水平群体水平）,宏观,二、展望生命科学新世纪,17世纪（ ）的发明，使生命科学的研究进入了细胞水平。A、营养液 B、福尔马林 C、分光光度计D、显微镜,D,生物分类法则 本草纲目 细胞学说 进化论 齐民要术,请将下列生命科学重大成就及其主要贡献者对应连线,达尔文林耐贾思勰李时珍 施莱登、施旺,用豌豆作为实验材料揭示生物遗传的两个基本规律，被誉为遗传学奠基人的是（ ）,A、达尔文 B、摩尔根 C、孟德尔 D、法布尔,C,请说出1965年我国科学家在世界上首次人工合成出的两种生物大分子物质的名称。,结晶牛胰岛素,酵母丙氨酸转移核糖核酸,1953年沃森和克里克提出了双螺旋结构模型，
10、不仅将生命科学研究引入到分子水平的新阶段。该模型是代表（ ）A、DNA B、RNA C、DNA和RNA D、mRNA,A,世界上最早研究和利用动植物的国家（ ）A、中国 B、埃及 C、希腊 D、印度,A,请说出两种转基因生物,转基因大豆转基因番茄转基因水稻转基因老鼠转基因棉等,被誉为生命科学“阿波罗登月计划”的是下面哪个项目（ ）A、癌症治疗计划 B、人类基因组计划 C、人类脑计划D、人类蛋白质组计划,B,吴孟超与肝胆外科,袁隆平与杂交水稻,请说出下列科学家的名字及其主要成就,1997年成功培育出克隆羊“多利”的科学家是哪国人? （ ）A、美国 B、德国C、英国 D、日本,C,世界上第一个发现
11、细胞的人是谁？他是哪国人？,罗伯特胡克 英国人,三、生命科学的成果与展望,2、转基因技术与基因工程,转基因鼠,抗寒番茄,三、生命科学的成果与展望,5、生物多样性与环境保护,第一节 走进生命科学的世纪,为什么21世纪被认为是生命科学的世纪？,看一看：上世纪人类在各领域的投入,3050年代各国在核能上竟相投入研究,5070年代在航空、航天上竟相投入研究,80年代至今信息科技和生命科学逐渐成为龙头,生命科学能成为21世纪的龙头，其中数学、物理、化学、信息科学的发展，为揭开生命之迷提供了有利的条件。,看一看：,、近年来生命科学研究的重大成果,人类基因组计划简介,人类基因组计划(HGP)是由美国科学家提
12、出, 1990年美国政府正式启动, 总体计划在15年内投资30亿美元, 进行人类全基因组30亿碱基对的排序分析. 人类基因组计划得到了世界的广泛支持和行动, 英国, 法国,日本,德国和中国先后加入了人类基因组计划国际合作研究.,2000年6月26日 人类基因组草图完成,由美英日法德中六国参加的以及美国Celera公司独立开展的人类基因组计划取得重要进展, 他们同时宣布绘制了人类基因组31亿碱基对中99%的草图, 其中, 美国完成54%, 我国科技工作者完成了其中(3号染色体中3000万个碱基对)的测序任务，并按期完成了“ 工作框架图”。,人类基因组研究的伟大意义,1. 揭开生命的奥秘, 生命的
13、本质, 生命的起源和进化, 生物的生长发育, 人类的生老病死, 思维的本质等. 2. 引起一场深远的医学革命, 包括预防医学, 诊断医学, 治疗医学等, 从根本上改变传统医学的观念, 从治疗医学到预防医学. 3. 促进生命科学和其它科学的交叉,融合, 诞生一批新兴的分支学科, 吸引更多的优秀人才加入到生命科学的领域(Bio-X). 4. 极大推进生物技术的产业化进程, 特别是生物医药产业的发展.,干细胞的研究,干细胞具有自我更新能力和高度增殖以及多向分化的潜能。又称“万能细胞”。按照其分化的潜能，可分为：Totipotent （全能性的）Pluripotent（多能性的）Multipotent
14、（专能性的）,干细胞的来源,来源于胚胎- 胚胎干细胞 ESC（Embryonic Stem Cell ）胚胎性生殖细胞 EGC（Embryonic Germ Cell ）来源于成体- 成年组织来源的干细胞 ASC（Adult-derived Stem Cell ),干细胞有什么用呢？,造血干细胞移植治疗白血病,造血干细胞移植是从60年代逐渐发展起来的一种医疗技术，最初是通过抽取供体骨髓而救治，使急性白血病的长期生存率提高到5070。 为发展此项技术作出重要贡献的美国医学家托马斯（E.DThomas）因此而获得了1990年度的诺贝尔医学奖。,美国科学家从尚未发病的糖尿病小鼠的胰岛管中分离出胰岛干
15、细胞，并在体外诱导分化成能产生胰岛素的细胞。移植实验表明，接受移植的糖尿病鼠血糖浓度控制良好，而对照组小鼠则死于糖尿病。这为干细胞治疗糖尿病奠定了实验基础。,胰岛干细胞移植治疗糖尿病,由 胚胎干细胞 来源的各种干细胞 及其可能治疗的相关疾病,克隆动物,1997年，“多利羊”在英国诞生,标志着高度分化的体细胞也能进行“无性繁殖”,转基因动物,1997年，我国上海医学遗传研究所的科学家将整合有人凝血因子IX基因的胚胎转移到母羊子宫里，1998年成功地产出了转基因羊，开创了我国利用转基因动物大量地生产廉价珍贵药物的先河。,从羊的血中可提取人的凝血因子IX,人体器官移植,早在三世纪时，人类就有器官移植
16、的念头人面狮身。一个神话般的想法，是如何成为事实的呢？,这个化不可能为可能的主角人物就是凯瑞尔（Alexis Carrel），他克服了血管缝合技术上的难题；而梅德渥尔（Peter B. Medawar）则揭开了排斥现象之谜。,2005年11月，世界第一列“换脸”在法国成功,多器官多系统的整合,2006年4月，第二列“换脸”在中国成功,所换的体积比第一列更大,器官移植的供体严重缺乏,全国有500万盲人，其中400万可以通过角膜移植得到光明。,美国人工培植膀胱，且移植成功。,1996年，我国科学家利用组织工程学技术，世界第一个在裸鼠背上人工复制“人耳”,、近年来生命科学正在研究的问题,后基因组计划
17、-生命解码的第二步,人类基因组草图的绘制只是生命揭密的第一步, HGP已经由结构基因组向功能基因组转化. HGP人类基因组草图本身并不代表生物医药本身, 而功能基因组的研究将为研究基因功能, 生命奥秘, 新药筛选, 疾病治疗和预防, 基因克隆, 基因诊断和基因治疗, 提高人体健康水平奠定基础.,转基因技术,带荧光的鼠和兔,不易变质的转基因番茄,转基组技术,“杂交水稻之父”袁隆平改变育种方法，2000年5月开始实施“水稻基因组计划”，并于2002年4月4日完成世界第一张籼稻全基因组框架序列图。,基因治疗,60年代Lederberg设想基因治疗遗传病 1980年，美国Cline 主持了地中海贫血的
18、基因治疗, 引发社会风波 1980-1989年, 美国 Anderson 为首的科学家争取社会和政府的支持理解，FDA和RAC制定了基因治疗审批管理方案 1989年 美国Rosenberg 经FDA批准主持肿瘤患者标志基因转移临床试验. 1990年, 美国 Culver/Blease 主持世界首例ADA缺乏症基因治疗临床试验.,基因治疗研究现状,基因治疗从1989年进入临床试验以来, 从相对禁锢到迅速发展, 过热泛滥, 反思降温, 平稳发展, 猛烈抨击, 捷报频传等阶段, 几经波折, 充分体现了新生事物发展规律. 但是, 无论基因治疗发展坎坷如何, 科学家坚信, 基因治疗是一场医学革命, 在
19、21世纪将真正走向临床, 为人类造福.,基因治疗糖尿病,全世界糖尿病患者已超过1.2亿，糖尿病已成为仅次于心脑血管疾病和癌症的第三大死亡疾病的“甜蜜杀手”。 我国目前糖尿病患者的总数已达到3000万人，跃居世界第二位。 2000年美国爱尔伯特大学的Anhony T.Cheung等人制备了K细胞特异表达胰岛素的转基因小鼠。注射细胞特异毒剂STZ后，对照鼠7-10天内由于糖尿病而死亡，而转基因鼠直到3个月都没出现糖尿或高血糖，体重也没显著变化。,韩国Yonsei 大学的Lee HC等人采用LPK启动子调控胰岛素类似物（SIA）表达. SIA通过AAV途径转入STZ诱发糖尿病大鼠或者自身免疫性糖尿病
20、NOD小鼠体内，糖尿病鼠的症状明显好转，血糖浓度得到控制，并且SIA的表达受血糖浓度调控，葡萄糖耐受实验也获得了一致的结果,也没有发现明显的毒副作用.糖尿病基因治疗的热潮将要兴起, 2001年美国基因治疗年会已经有20余篇论文摘要.,基因治疗肥胖,台湾中研院 李英惠利用基因治疗来防止肥胖。可利用基因取代策略，把体内一个控制脂肪细胞发育因子取代成另一功能相似相互有别的因子,脂肪转变成高代谢活性的能量消耗, 不影响人脂肪功能及正常代谢机能 。,这项基因治疗已在老鼠身上获得良好的效果，经过基因治疗者虽然美食保持苗条体型。该研究可望让人们吃得多、吃得好，不运动也不会增胖。其它治疗肥胖的策略: PCG-
21、1,瘦素基因,能量代谢开关, 脂肪吸收基因反义抑制, 线粒体解偶联蛋白基因等.,基因治疗身体创伤,基因治疗将来可能治疗运动员严重受伤的肌肉，骨折的大腿或膝盖。在动物实验中，基因治疗已成功的愈合了骨折的骨骼，而且使受伤的肌肉长得更加强壮。 可以用来治疗目前技术无法治愈的严重受伤的关节和骨骼, 韧带和肌腱, 也有可能治疗如关节炎等关节疾病。,基因治疗侏儒症,Kagami证实用涎腺基因治疗其合成蛋白可投递到全身。将AdGH经尾静脉注入侏儒小鼠，血中生长激素升高，恢复到正常范围，侏儒小鼠生长发育明显改善，接近正常小鼠，对照组侏儒小鼠体重仅为治疗组的十分之一。动物实验已见很好的苗头。,基因治疗肌肉老化,
22、美国宾夕法尼亚州大学成功发明新的基因治疗法，能够防止老鼠的肌肉老化,使肌肉不致因年纪而失去力量和萎缩。,人类到了五十岁以後，肌肉的功能会每十年退化10%, IGF-I蛋白质刺激肌肉生 长，补充已损坏的肌肉细胞；利用基因治疗，使肌肉继续制造IGF-I蛋白质,实验 证实，老鼠经过基因治疗後，肌肉的功能增加百分之27%.,基因治疗成功范例(I),ADA缺乏症基因治疗: ADA缺乏导致严重联合免疫缺乏症, 没有免疫能力. 1990年9月 , 一位 四岁的ADA缺乏症女孩接受了首例基因治疗, 患者注入10亿个遗传修饰的T淋巴细胞, 约每月1次, 连续1年, ADA水平从1%上升到20%, 淋巴细胞数量正
23、常, 免疫功能正常, 1991年另一位9岁患者基因治疗也取得成功, 他们从隔离病房走向了美好生活. 美国,意大利,荷兰和日本等国先后开展了该病临床试验.,世界首例基因治疗患者,基因治疗成功范例(II),血友病B基因治疗: 血友病是一种由于人凝血因子缺陷导致的遗传性出血疾病. 1991年, 复旦大学遗传学研究所采用反转录病毒介导的自体皮肤成纤维细胞对2例血友病B患者进行了世界首次血友病基因治疗临床试验, 患者体内凝血因子浓度和活性上升, 出血症状减轻, 取得了安全有限的结果. 1999年美国UP和Avigen 公司合作采用AAV途径进行了血友病B基因治疗, 患者治疗后出血症状显著改善.,基因治疗
24、成功范例(III),AdP53基因治疗肿瘤: P53基因突变与肿瘤发生发展高度相关(50%), 将正常P53基因导入肿瘤细胞,可以诱发肿瘤细胞凋亡, 而对正常细胞无害. 1995年进入临床试验以来,已经有600多名患者接受治疗, 60%患者显示出安全有效, 1999年进入临床III期试验, 腺病毒P53基因治疗临床方案已经超过8个, 而且治疗肿瘤范围扩大到其它肿瘤和转移癌. 该方案可望获得世界上第一个基因治疗临床药证. 我国该项基因治疗进入临床II期试验.,基因治疗成功范例(IV),HSV-TK自杀基因治疗: 利用肿瘤细胞对HSV-TK基因/GCV的敏感性而自杀, 并具备广泛的旁观者效应. 这
25、方面的基因治疗脑肿瘤开展较早, 先后多种策略进入临床试验, 取得了一定的疗效, 并进入了临床III期试验. 但是, 由于RV的转移效率, GCV毒副作用等原因, 推广有一定的困难. 我国首例肿瘤基因治疗也采用此方法.,基因治疗成功范例(IV),心血管基因治疗: VEGF165对于血管的生成具有重要作用, 而一些心脑血管疾病由于血管堵塞,狭窄导致, 可以采用该策略进行血管再生, 旁路再通, 使病人免受开刀搭桥之苦. 美国已经有19项方案进入临床试验, 300多人接受临床试验, 60%的患者新血管生长、心肌血流灌注和室壁功能改善，大多数病人的心绞痛减轻。该项研究具有立竿见影的惊人效果, 商业价值巨
26、大,被称为21世纪初最激动人心和快速发展的进展之一。 我国这方面的研究进入临床试验阶段.,不幸的悲剧!,基因治疗一人死亡:1999年10月美国宾州大学JM Wilson 在开展腺病毒OTC基因治疗肝脏遗传病时, 一位亚利桑那州的十八岁的青年 Gelsinger 接受了高剂量治疗后死亡. FDA终止试验.媒体社会群起攻之;科学家保持沉默,内心呼吁理解. 基因治疗前景? 基因治疗是不是一场梦?,环境保护任重而道远,环境保护任重而道远,保护地球生态系统的重点？,保护生物多样性,、近年来生命科学研究的未解之迷,脑科学,“人类脑计划”,认识脑 保护脑 创造脑,研究方向？ （1）在细胞和分子水平进一步推进对神经系统活动的认识； （2）在脑的高级功能（如运动控制、学习和记忆、语言、情绪、意识等）的研究方面取得突破性进展。,埃博拉病毒,该病毒在1976年首次发现，感染后患者可能在24小时内死亡，死亡率高达50%90%。,传播途径（血液、体液、精液）,其他方面，人类对它都还不了解。,生命科学的未知之迷还有很多很多,
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