现代生物技术与健康.pdf
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1、现代生物技术与健康现代生物技术与健康一、现代生物技术进展(一)基因组学与蛋白组学技术(二)基因工程技术(三)干细胞与干扰 RNA 技术二、现代生物医学技术对人类健康的影响(一)疾病预防(二)诊断技术(三)治疗手段三、未来生物医学技术进展展望本章要紧讲现代生物技术对人类未来的健康影响。少林:这仅仅是我想到的一些,具体你自己把握就行。字多少没有关系。从上个世纪八十年代开始,全世界兴起生物热。在九十年代的中国,初中老师大力忽悠或者鼓励学生热爱生物,说 21 世纪是生物世纪,等等。因此大量高智商的学生被忽悠或者引导到大学的生物专业,或者与生物有联系的专业。由于我国在一定的历史阶段,生物领域落后于发达国
2、家,特别是落后于美国,因此这些高智商的学生,在大学期间,就通过了美国读博士要求的托福与 GR 成绩,并联系好对方支助的学校,一毕业就赴美学习。当然,像数学、物理、化学等基础学科出国的也很多,各行各业都有出国学习的。只是公允地说,生物学的学生应该是最多的。当然也有学生物出去的,最后由于此行道竞争太猛烈,该学计算机等进入其他行道。那么,现在全世界的生物学研究,与其他行道相比,是个什么水平?我们不说具体的医学等应用生物学杂志,单就代表公共学科的“科学”(Science)、“自然”(Nature)与美国 PNAS(美国科学院院报)这三种全世界公认的顶尖综合杂志而言,在过去的十多年中,生命学科的文章分别
3、占了57%、61%与 84%。大家就明白了,生命科学的进展与在所有学科中占的比重是多么的令人赞叹啊,这也是该行业如此竞争猛烈的必定结果。我们且不说探索生命奥秘的长期研究,单就与人类健康有关的生物技术,已经为人类的健康与长寿做出了很大的奉献。基因芯片基因芯片环境保护。在环境保护上,基因芯片也广泛的用途,一方面能够快速检测污染微生物或者有机化合物对环境、人体、动植物的污染与危害,同时也能够通过大规模的筛选寻找保护基因,制备防治危害的基因工程药品、或者能够治理污染源的基因产品。食品卫生监督。我们的芯片检查食品中的病原菌。评价精子质量。现代农业。筛选农作物的基因突变。寻找高产量、抗病虫、抗干旱、抗冷冻
4、的有关基因,也能够用于基因扫描及基因文库作图、商品检验检疫等领域。目前该类市场尚待开发。DNADNA 测序技术测序技术DNA 测序(DNA sequencing)在生物学研究中有着广泛的应用。1977 年 Sanger发明了具有里程碑意义的末端终止测序法,通过后续的不断改良,成为了迄今为止 DNA测序的主流。然而随着科学的进展,传统的 Sanger 测序已经不能完全满足研究的需要,今天的基因组测序,要求费用更低、通量更高、速度更快的测序技术,因此第二代测序技术(Next-generation sequencing)应运而生。第二代测序技术的核心思想是边合成边测序,即通过捕捉新合成的末端的标记来
5、确定DNA 的序列,现有的技术平台要紧包含Roche/454 FLX、Illumina/Solexa Genome Analyzer 与 Applied Biosystems SOLID system。这三个技术平台各有优点,454 FLX 的测序片段比较长,高质量的读长(read)能达到400bp;Solexa 测序性价比最高,不仅机器的售价比其他两种低,而且运行成本也低,在数据量相同的情况下,成本只有 454 测序的 1/10;SOLID 测序的准确度高,原始碱基数据的准确度大于 99.94%,而在 15X 覆盖率时的准确度能够达到 99.999%,是目前第二代测序技术中准确度最高的。尽管
6、第二代测序技术的工作通常都由专业的商业公司来完成,但是熟悉测序原理、操作流程等会对后续的数据分析有很重要的作用,下文将以Illumina/Solexa Genome Analyzer 测序为例,简述第二代测序技术的基本原理、操作流程等方面。Illumina/Solexa Genome Analyzer 测序的基本原理是边合成变测序。在Sanger 等测序方法的基础上,通过技术创新,用不一致颜色的荧光标记四种不一致的 dNTP,当 DNA聚合酶合成互补链时,每添加一种 dNTP 就会释放出不一致的荧光,根据捕捉的荧光信号并通过特定的计算机软件处理,从而获得待测DNA 的序列信息。操作流程。首先是
7、测序文库的构建,第二步是锚定桥接(Surface Attachment andBridge Amplification),第三步是预扩增,第四步是单碱基延伸测序,最后一步是数据分析。最后一步从严格意义上讲,不是测序操作流程的部分,然而,只有通过这一步工作,前面的测序过程才有真正意义。由于测序得到的只是一大堆原始数据,是长度只有几十个碱基的序列,是说不明任何问题的,务必通过生物信息学这一工具,才能将这些短的序列组装成长的 Contigs 甚至是整个基因组的框架,或者者把这些序列比对到已有的基因组或者者相近物种基因组序列上,并进一步分析得到有生物学意义的结果。因此现在二代测序的制约因素不是测序本身
8、,这一过程送到公司,花钱做就行,难的是当道一大堆海量的数据后,如何进行生物信息学分析,是关键。目前,谁也不能说自己是绝对的权威,只是谁先进入状态,并不断实践,谁就可能提早占领领先地位。基因测序技术正走入临床应用。目前我们的医学诊疗是以群体的平均值范围作为标准,应用到每一个具体患者身上。假如个体正好在这一范畴中,自然是合适的;假如出了这一范畴,就会得到不适当的处置。而通过基因测序,就能够熟悉个体的习惯性如何,实现个性化医疗。人类基因测序始于上世纪 90 年代,从基于毛细管基因分析的第一代测序到后来的基于高通量化学技术的第二代测序,再到最近兴起的基于半导体芯片技术的革新性测序技术,人类基因测序在测
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