1、21世纪的生命科学世纪的生命科学 热点与展望热点与展望 苏州大学生命科学学院苏州大学生命科学学院 朱朱 江江 人口膨胀、粮食短缺、环境污染、生态失衡、气候异常、疾病肆虐、医药卫生医药生物技术 生命科学 农林牧渔农业生物技术 环境保护环境生物技术 二十一世纪是现代生物科学的二十一世纪是现代生物科学的世纪世纪，统计美国统计美国“科学引文索引科学引文索引SCI收录的收录的4500余种学术刊物余种学术刊物，发现有发现有2350种左右为生物科学相关杂种左右为生物科学相关杂志志！统计全世界引用指数统计全世界引用指数Impact factor在在10以上的超一流学术刊物以上的超一流学术刊物，也发现也发现80
2、%左右是生物科学相关刊物左右是生物科学相关刊物。学科 杂志总数 平均引用指数 30杂志数 总论 化学 物理 数学 生物 2 2 5 1 38 17.8 11.8 22.0 18.2 19.1 0 0 2 0 7 引用指数在引用指数在10 10以上的超一流刊物分科比较以上的超一流刊物分科比较 人类基因组方案人类基因组方案HGP 干细胞研究与开展前景干细胞研究与开展前景 克隆技术的开展克隆技术的开展 人类基因组方案人类基因组方案 Human Genome Project 染色体染色体ChromosomeChromosome 细胞有丝分裂时出现的、易被碱性染料细胞有丝分裂时出现的、易被碱性染料着色的
3、丝状或棒状小体、由细长的染色质纤着色的丝状或棒状小体、由细长的染色质纤丝盘旋折叠而成。染色体由核酸和蛋白质组丝盘旋折叠而成。染色体由核酸和蛋白质组成，是遗传的主要物质根底。各种生物的染成，是遗传的主要物质根底。各种生物的染色体有一定的数目、形状和大小，人染色体色体有一定的数目、形状和大小，人染色体有有4646条。条。Chromosome 染色体染色体 Karyotype 染色体组型染色体组型 核酸核酸Nucleic acidNucleic acid 核酸是一类由核苷酸组成的生物大分子核酸是一类由核苷酸组成的生物大分子 正常生理状态细胞内含有两种类型的核正常生理状态细胞内含有两种类型的核酸酸DN
4、ADNA脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸和和RNARNA核糖核糖核酸核酸 每一个核苷酸又由每一个核苷酸又由3 3个根本亚单位：碱基、个根本亚单位：碱基、戊糖环戊糖环脱氧戊糖环脱氧戊糖环和磷酸基团。和磷酸基团。Nucleic acid 核酸核酸 DNA 脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 RNA 核糖核酸核糖核酸 Gene 基因基因 Nucleotide 核苷酸核苷酸 基因基因(Gene)基 因基 因 genegene 是是 19091909 年 丹 麦 生 物 学 家年 丹 麦 生 物 学 家W W.JohannsenJohannsen根据希腊文根据希腊文“给予生命给予生命之意之意创造的创造的。现代分子生物学的
5、基因概念：合成有功现代分子生物学的基因概念：合成有功能的蛋白质或能的蛋白质或RNARNA所必需的全部所必需的全部DNADNA序列序列除局部病毒除局部病毒RNARNA，即一个基因不仅即一个基因不仅包括编码蛋白质或包括编码蛋白质或RNARNA的核酸序列的核酸序列，还还应包括为保证转录所必需的调控序列应包括为保证转录所必需的调控序列。生物学进入生物学进入 基因组基因组 (Genome)时代时代 人类基因组包括分布于人人类基因组包括分布于人4646条染色体条染色体3030亿核苷酸的亿核苷酸的30,00030,000-35,00035,000个基因。个基因。人类基因组方案最终目的是测定基因组人类基因组方
6、案最终目的是测定基因组的全部序列，弄清整个基因组的的结构、的全部序列，弄清整个基因组的的结构、功能及其表达产物，彻底了解人类生命功能及其表达产物，彻底了解人类生命活动本质。活动本质。这一方案的科学意义重大，可与产生这一方案的科学意义重大，可与产生原子弹的曼哈顿工程和人类登月阿波原子弹的曼哈顿工程和人类登月阿波罗飞行任务相媲美，是当前国际生物罗飞行任务相媲美，是当前国际生物学、医学领域内一项引人注目的工程，学、医学领域内一项引人注目的工程，是人类自然科学史上最重大的研究工是人类自然科学史上最重大的研究工程之一，将推动整个生命科学的开展。程之一，将推动整个生命科学的开展。人类基因组方案的意义人类基
7、因组方案的意义 生物与医学根底研究生物与医学根底研究 基因诊断基因诊断、基因疗法基因疗法、基因药基因药物物 带动一批高技术产业的开展带动一批高技术产业的开展 人类基因组方案的启动人类基因组方案的启动 19851985年年，美国能源部美国能源部DepartmentDepartment of of Energy,Energy,DOEDOE提出提出，要将共包含约要将共包含约3 3109109碱基对碱基对的人类基因组全部碱基序列分析清楚；的人类基因组全部碱基序列分析清楚；19861986年年，美国宣布启动美国宣布启动“人类基因组方案人类基因组方案HumanHuman GenomeGenome Proj
8、ect,Project,HGPHGP。人类基因组方案的开展人类基因组方案的开展 19991999年年12 12月月1 1日日，首条人类染色体完成测序首条人类染色体完成测序，人类第人类第2222号染色体号染色体DNA全序列测定宣布全序列测定宣布完成完成。20002000年年4 4月月6 6日日，美国美国Celera遗传信息公司遗传信息公司宣布宣布，该公司已破译出一名实验者的完该公司已破译出一名实验者的完整遗传密码整遗传密码。20002000年年5 5月月，科学家聚集美国冷泉港科学家聚集美国冷泉港，宣宣布人类基因组草图的完成布人类基因组草图的完成。6 6国科学家组成的国家人类国科学家组成的国家人类
9、基因组中心主要研究比例基因组中心主要研究比例 美国：美国：WASHWASHMITMIT等等7 7家研究中心，奉献率为家研究中心，奉献率为5454。英国：英国：SANGERSANGER一家研究中心，奉献率为一家研究中心，奉献率为3333。日本：日本：RIKENRIKEN等两家研究中心，奉献率为等两家研究中心，奉献率为7 7。法国：法国：GENOSCOPEGENOSCOPE研究中心，奉献率为研究中心，奉献率为2.82.8。德国：德国：IMBIMB等等3 3家研究中心，奉献率为家研究中心，奉献率为2.22.2。中国：北京华大研究中心、国家南北方基因研究中国：北京华大研究中心、国家南北方基因研究 中心
10、等三家，奉献率为中心等三家，奉献率为1 1。二二000000年六月二十六日克林顿宣布年六月二十六日克林顿宣布 人类基因组草图绘制完成人类基因组草图绘制完成 这是人类基因组方案首席科学家、这是人类基因组方案首席科学家、美国国家人类基因组研究所所长美国国家人类基因组研究所所长 弗朗西斯弗朗西斯 柯林斯在介绍情况。柯林斯在介绍情况。人类基因组草图根本信息人类基因组草图根本信息 由由31.6531.65亿亿bp组成组成 含含33.533.5万基因万基因 与蛋白质合成有关与蛋白质合成有关 的基因占的基因占2%2%人类基因组人类基因组 人类蛋白质人类蛋白质 61%61%与果蝇同源与果蝇同源 43%43%与
11、线虫同源与线虫同源 46%46%与酵母同源与酵母同源 人类基因组研究成果说明人类基因组研究成果说明 1.1.基因数量少得惊人基因数量少得惊人 2.2.人类基因组中存在人类基因组中存在“热点热点和大片和大片“荒荒漠漠 3.3.三分之一为三分之一为“垃圾垃圾DNADNA 4.4.种族歧视毫无根据种族歧视毫无根据 5.5.男性基因突变比例更高男性基因突变比例更高 中国人类基因组方案中国人类基因组方案 19931993年年，中国人类基因组方案中国人类基因组方案CHGPCHGP启动启动，首先开展了首先开展了“中华民族基因组中中华民族基因组中假设干位点基因结构的研究假设干位点基因结构的研究。1997199
12、7年年，我国启动了我国启动了“重大疾病相关基因重大疾病相关基因的定位的定位、克隆克隆、结构与功能研究结构与功能研究工程工程。之后之后，在上海和北京相继成立了国家人在上海和北京相继成立了国家人类基因组南类基因组南、北两个中心北两个中心。中国人类基因组方案研究成果中国人类基因组方案研究成果 1.1.1%1%测序任务，测序任务，2.2.第三条染色体第三条染色体30003000万万bp 2.2.精确度精确度99.99%99.99%3.3.发现发现142142个基因，个基因，4.4.其中其中8080个为预测基因个为预测基因 人类基因组方案人类基因组方案1%1%测序中国实验室测序中国实验室 后基因组时代序
13、幕拉开后基因组时代序幕拉开 哈佛大学科学家麦克贝斯说，人类基因组图谱并没有告诉我们所有基因的“身份以及它们所编码的蛋白质。人体内真正发挥作用的是蛋白质，蛋白质扮演着构筑生命大厦的“砖块角色，其中可能藏着开发疾病诊断方法和新药的“钥匙。基因组:人类细胞中的全部基因 蛋白组:由全套基因组编码控制 的蛋白质 药物基因组:即为一个病人的基 因组对单个药物反响的相互关系 人类基因组、蛋白组和药物基因组 是生命科学研究路上的三个阶段 干细胞研究与开展前景干细胞研究与开展前景 长期以来，人类一直在研究和寻找能治长期以来，人类一直在研究和寻找能治愈各种疾病、抗衰老甚至长生不老的方法。愈各种疾病、抗衰老甚至长生
14、不老的方法。随着现代科学技术的开展，尤其是干细随着现代科学技术的开展，尤其是干细胞的研胞的研 究，人类的这些梦想正在逐步变成现究，人类的这些梦想正在逐步变成现实。实。19981998年，美国年，美国?科学科学?杂志将干细胞的研杂志将干细胞的研究成果列在十大科学进展的首位。究成果列在十大科学进展的首位。细胞是机体组成的根本单位细胞是机体组成的根本单位 细胞细胞 细胞群细胞群 组织组织 机体机体 干细胞的定义干细胞的定义 干细胞干细胞StemStem cellcell即起源细胞即起源细胞。在细在细胞的分化过程中胞的分化过程中，细胞往往由于高度化分细胞往往由于高度化分而完全失去了再分裂的能力而完全失
15、去了再分裂的能力，最终衰老死最终衰老死亡亡。机体在开展适应过程中为了弥补这一机体在开展适应过程中为了弥补这一缺乏缺乏，保存了一局部未分化的原始细胞保存了一局部未分化的原始细胞。因此因此，干细胞是一类具有自我更新和干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞分化潜能的细胞。干细胞的分类干细胞的分类 全能干细胞全能干细胞 多能干细胞多能干细胞 单能干细胞单能干细胞 按分化潜能按分化潜能 按发育状态按发育状态 胚胎干细胞胚胎干细胞 成体干细胞成体干细胞 全能干细胞：全能干细胞：具有形成完整个体的分化潜具有形成完整个体的分化潜能。如胚胎干细胞能。如胚胎干细胞（ES细胞细胞）多能干细胞：多能干细胞：具有分化
16、出多种细胞组织的具有分化出多种细胞组织的潜能。如造血干细胞、神经潜能。如造血干细胞、神经细胞。细胞。单能干细胞：单能干细胞：只能向一种或两种密切相关只能向一种或两种密切相关的细胞类型分化。如上皮组的细胞类型分化。如上皮组织基底层的干细胞，肌肉中织基底层的干细胞，肌肉中的成肌细胞。的成肌细胞。胚胎干细胞胚胎干细胞 ES细胞是一种高度未分化细胞。它具有发育的全能性，能分化出成体动物的所有组织和器官，包括生殖细胞。研究和利用ES细胞是当前生物工程领域的核心问题之一。在未来几年，ES细胞移植和其它先进生物技术的联合应用很可能在移植医学领域引发革命性进步。成体干细胞成体干细胞 成年动物的许多组织和器官，比方表皮和造血系成年动物的许多组织和器官，比方表皮和造血系统，具有修复和再生的能力。成体干细胞在其中起着关统，具有修复和再生的能力。成体干细胞在其中起着关键的作用。在特定条件下，成体干细胞或者产生新的干键的作用。在特定条件下，成体干细胞或者产生新的干细胞，或者按一定的程序分化，形成新的功能细胞，从细胞，或者按一定的程序分化，形成新的功能细胞，从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。而使组织和器官