分子生物學遺傳病基因診斷和治療醫(yī)學PPT

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分子生物學討論三之,遺傳病的診斷與腫瘤基因治療,遺傳病的基因診斷,一、什么是遺傳病,遺傳病是指完全或部分由遺傳因素決定的疾病，常為先天性的，也可后天發(fā)病。,遺傳病的類型,1、染色體病或染色體綜合征：遺傳物質的改變在染色體水平上可見，表現(xiàn)為數目或結構上的改變。 2、單基因?。褐敢粚Φ任换虻耐蛔儗е碌募膊?，分別由顯性基因和隱性基因突變所致。 3、多基因?。荷婕岸鄠€基因起作用，與單基因病不同的是這些基因沒有顯性和隱性的關系，每個基因只有微效累加的作用，因此同樣的病不同的人由于可能涉及的致病基因數目上的不同，其病情嚴重程度、復發(fā)風險均可有明顯的不同，且表現(xiàn)出家族聚集現(xiàn)象，環(huán)境的影響較為顯著。,二、基因診斷,1.基因診斷概念 2.基因診斷特點 3. 基因診斷應用范圍 4、基因診斷的發(fā)展過程 5、基因診斷遇到的問題 6、遺傳病基因診斷的注意事項,基因診斷定義,某些受精卵或母體受到環(huán)境或遺傳等的影響，引起的下一代基因組發(fā)生了有害改變，產生了疾病，為了有針對性的解決和預防，故需要通過實驗室的基因診斷、基因分析才能得到確認。又稱DNA診斷或分子診斷。,基因診斷的特點,高特異性 高靈敏度 早期診斷性 應用廣泛性,基因診斷應用范圍,1.檢測病原生物的侵入，如肝炎、艾滋病等 2.診斷先天遺傳性疾患，產前診斷——優(yōu)生學 3.檢測后天基因突變引起的疾病，如腫瘤 4.其他比如親子鑒定，法醫(yī)物證,基因診斷的發(fā)展過程,1976年美籍華裔科學家簡悅威應用液相DNA分子雜交技術成功地進行了鐮形細胞貧血癥的基因診斷 ——標志著人類遺傳性疾病診斷開始進入基因診斷的新時代,發(fā)展過程,1、利用連鎖分析和關聯(lián)分析定位遺傳病致病基因； 2、利用分子雜交技術進行遺傳病的基因診斷； 3、利用PCR技術進行遺傳病的基因診斷； 4、基因芯片用于基因診斷； 5、利用外顯子組捕獲技術診斷單基因遺傳??； 6、利用全基因組（GWAS）關聯(lián)分析定位及診斷多基因遺傳病易感基因,相關問題,1、標準化問題：缺乏標準化的操作規(guī)程以及質量認證體系。各醫(yī)療機構的操作方法不統(tǒng)一，質量難保證； 2、倫理學問題； 3、所用資源及信息安全問題,需要相對明確臨床診斷 需要及時向患者及其家屬說明基因診斷的重要性，以啟發(fā)上述成員的理解與主動性 需要在基因診斷中建立家系觀點 需要注意基因診斷中的倫理問題 需要正確理解基因診斷報告 需要充分理解產前基因診斷的風險,遺傳病的基因診斷的注意事項,三、基因診斷方法,1.核酸分子雜交 2.聚合酶鏈反應 3.單鏈構象多態(tài)性分析 4.限制性片段長度多態(tài)性連鎖分析 5.DNA序列測定 6.單核苷酸多態(tài)性和全基因組關聯(lián)分析 7.生物芯片 8.WESTERN免疫印跡 9.環(huán)介導等溫核酸擴增技術 10.免疫組織化學診斷 11..外顯子組捕獲技術,3.單鏈構象多態(tài)性,單鏈DNA呈現(xiàn)一種由內部分子相互作用形成的三維構象，這種構象由堿基順序決定。堿基變異則構象改變。而構象影響了DNA在非變性凝膠中的遷移率。相同長度但不同核苷酸序列的DNA由于在凝膠中的不同遷移率而被分離。遷移率不同的條帶可被銀染或者熒光標記引物檢測，然后用DNA自動測序進行分析。,4.限制性片段長度多態(tài)性,該技術是利用限制性內切酶能識別DNA分子的特異序列，并在特定序列處切開DNA分子，即產生限制性片段的特性。 如果重排、缺失或者核苷酸置換使內切酶識別序列變成了不能識別序列或是這種差別使本來不是內切酶識別位點的DNA序列變成了內切酶識別位點。這樣就導致了用限制性內切酶酶切該DNA序列時，就會少一個或多一個酶切位點，結果產生少一個或多一個的酶切片段。這樣就形成了用同一種限制性內切酶切割不同物種DNA序列時，產生不同長度大小、不同數量的限制性酶切片段這種變化即可作為診斷指標。,6.單核苷酸多態(tài)性和全基因組關聯(lián)分析,單核苷酸多態(tài)性： 主要是指在基因組水平上由單個核苷酸的變異所引起的DNA序列多態(tài)性。,全基因組關聯(lián)分析——英文名字叫Genome-wide association study簡稱——GWAS,,全基因組關聯(lián)分析——是指在人類全基因組范圍內找出存在的序列變異，即單核苷酸多態(tài)性（SNP），從中篩選出與疾病/性狀相關的SNPs。,7.生物芯片,又稱為基因芯片(gene chip)、DNA微陣列(DNA microarray) DNA芯片技術基礎是核酸分子雜交,應用微電子加工工藝，在玻璃、塑料、硅片等材 料上制備用于生物樣品分離、反應或分析的微細結構 目前主要有兩大類： 1. 生物活性微陣列 (bioactive microarray) 2. 基因芯片 (gene chip), DNA微陣列 (DNA microarray),,包括多肽、蛋白質、病毒、 細胞等。 蛋白質芯片可直接從體液中檢測生物分子（免疫芯片只需少量樣品可一次完成對成千上萬種抗原或抗體等致病因素或生物樣品的檢測分析)。,為最重要的生物芯片，廣泛用于基因表達譜分析、新基因發(fā)現(xiàn)、基因突變及多態(tài)性分析、疾病診斷、藥物篩選、基因測序等。,9.環(huán)介導等溫核酸擴增技術,其特點是針對靶基因的6 個區(qū)域設計4 種特異引物,利用一種鏈置換DNA?聚合酶(Bst DNA polymerase) 在等溫條件(65 ℃左右) 保溫幾十分鐘,即可完成核酸擴增反應,10.免疫組織化學診斷,對于某些基因表達水平發(fā)生改變的疾病可以采取免疫組織化學方法進行診斷，優(yōu)點是在不改變細胞結構的情況下，對基因表達終產物——蛋白質水平及細胞中的部位進行分析,外顯子捕獲(exon trapping) 是構建一種載體，從其插入片段中識別和回收外顯子序列，從而克隆目的基因。,,,,,,遺傳病的基因診斷,————典型案例,主要內容,甲型血友病 脆性X染色體綜合征 成年型多囊腎病 DMD/BMD的缺失型 脊髓小腦性共濟失調,甲型血友病,血友病為一組遺傳性凝血功能障礙的出血性疾病。其共同的特征是活性凝血活酶生成障礙，凝血時間延長，終身具有輕微創(chuàng)傷后出血傾向，重癥患者沒有明顯外傷也可發(fā)生“自發(fā)性”出血。 血友病可分為甲型、乙型、丙型和血管性假血友病4種。其中甲型發(fā)病率占人類先天性血液系統(tǒng)疾病的85%。甲型血友病，即因子Ⅷ促凝成分（Ⅷ：C）缺乏癥，也稱AGH缺乏癥，是一種性聯(lián)隱性遺傳疾病，女性傳遞，男性發(fā)病。 甲型血友病的基因診斷主要鑒定患者家系中的攜帶者或對未出生的胎兒進行產前診斷。,甲型血友病的基因診斷,1. 1.F Ⅷ基因到位的DNA印記分析： 1）將基因組用限制性內切核酸酶消化 2）用特異探針雜交，放射自顯影分析 2. F Ⅷ基因突變直接檢測： 1）依賴于F Ⅷ基因內或旁側的多態(tài)性的連鎖分析 2）RFLP連鎖分析 3）VNTR分析 4）STR連鎖分析 對于甲型血友病進行基因診斷首先尋找有無基因到位，其次利用基因內的遺傳標志進行連鎖分析，最后采用PCR—SSCP或PCR—DGGE分析。,脆性X染色體綜合征,脆性X染色體綜合征導致患者智障（Martin-Bell綜合征），脆性X綜合癥是由于在人體內X染色體的形成過程中的突變所導致。在X染色體的一段DNA，由于遺傳的關系有時會發(fā)生改變。一種為完全改變，另一種為DNA過度甲基化。如果這兩種改變的程度較小，那么患者在臨床表現(xiàn)方面可以沒有特殊的癥狀或者只有輕微的癥狀。反之，如果這兩種改變的程度較大，就可能出現(xiàn)如下所述的脆性X綜合癥的種種癥狀。,脆性X染色體綜合征基因診斷,常用的方法： （1）PCR—ASO （2）DNA連鎖鏈分析 （3）Southern印跡雜交法 （4）PCR擴增,成年型多囊腎病,成年型多囊腎病是一種常染色體顯性遺傳病，發(fā)病率高，約1000人中有1名致病基因的攜帶者，起病較晚，多在30歲以后，主要為腎和肝中出現(xiàn)多發(fā)性囊腫，臨床表現(xiàn)為腰疼、蛋白尿、血尿、高血壓、腎盂腎炎、腎結石等，最終可導致腎功能衰竭和尿毒癥。 診斷：本病基因定位在16p13，與α珠蛋白基因3’端相鄰，但致病基因尚未克隆，基因產物的生化性質和疾病發(fā)病機理也尚未闡明。因此，只能用連鎖分析來進行基因的發(fā)病前診斷和產前診斷。由于通過家系分析，已證實APKD的致病基因與α珠蛋白基因3’端附近的一段小衛(wèi)星DNA序列即3’HVR(3’ hypervariable region)緊密連鎖，而后者在人群中具有高度多態(tài)性，因此可以通過RFLP連鎖分析進行診斷。,DMD/BMD的缺失型,DMD/BMD是一種Ⅹ連鎖隱性遺傳的神經肌肉系統(tǒng)受累的致死性遺傳病。DMD/BMD有70%左右為缺失型。 診斷：此基因很大，缺失可發(fā)生在不同部位，因此應盡可能采用多對引物作PCR擴增（多重PCR）來檢測。如擴增產物電泳后發(fā)現(xiàn)有帶紋的缺失，即可作出診斷并對缺失定位（圖13－9），在進行產前診斷時，一般可先通過檢測家系中有關成員，即確定先證者的缺失區(qū)，然后有針對性地作PCR擴增，包括缺失部分的兩端，以判斷胎兒或有關患兒是否也獲得了相同的基因缺失，但非缺失型不能用此法查出。,脊髓小腦性共濟失調,脊髓小腦性共濟失調是以小腦性共濟失調為主要癥狀的常染色體顯性遺傳性疾病，病理改變以小腦、脊髓、腦干變性為主，臨床主要特征為小腦性共濟失調，可伴有構音障礙、震顫、錐體束征以及癡呆等。 診斷：依據神經系統(tǒng)臨床檢查的程序來判斷患者是否存在小腦及脊髓神經失調的臨床體征，然后會查問他的家族史（包括已故的親人），最后結合磁共振（MRI）及基因測試，排除其他累及小腦和腦干的變性病，才能判斷患者是否患上脊髓小腦性共濟失調。,遺傳病的基因診斷,以血紅蛋白病為例,血紅蛋白病,血紅蛋白?。╤emoglobinopathy）是由于血紅蛋白分子結構異常（異常血紅蛋白?。?，或珠蛋白肽鏈合成速率異常（珠蛋白生成障礙性貧血，又稱海洋性貧血）所引起的一組遺傳性血液病。 臨床可表現(xiàn)溶血性貧血、高鐵血紅蛋白血癥或因血紅蛋白氧親和力增高或減低而引起組織缺氧或代償性紅細胞增多所致紫紺。,異常血紅蛋白病,鐮刀狀紅細胞貧血（Hbs） 不穩(wěn)定血紅蛋白?。╱nstable hemoglobinpathies） 血紅蛋白M病（HbM） 氧親和力改變的血紅蛋白病,地中海貧血,α地中海貧血（α-thalassemia,簡稱α地貧） β地中海貧血（β梩halassemia,簡稱β地貧）,鐮刀狀紅細胞貧血（Hbs）,異常血紅蛋白β鏈的第6位谷氨酸被纈氨酸所代替。這個疏水氨基酸正好適合另一血紅蛋白分子β鏈EF角上的“口袋”，這使兩條血紅蛋白鏈互相“鎖”在一起，最終與其他血紅蛋白鏈共同形成一個不溶的長柱形螺旋纖維束，使紅細胞扭旋成鐮刀形。,診斷方法,鐮刀形細胞性貧血癥的基因診斷可采用PCR-限制性內切酶譜分析法。 先用PCR從患者基因組DNA擴增含突變位點的珠蛋白基因片段。 再選擇適當的限制性內切酶水解PCR產物,根據酶切產物在電泳圖譜上的片段數量和大小做出判斷.也可與特意的寡核苷酸探針進行Southern印記雜交分析,根據雜交圖譜做出判斷.,限制性內切酶,采集制備血液DNA 內切酶MstⅡ消化 電泳 轉膜 P32標記的β珠蛋白cDNA雜交 放射自顯影,PCR/限制性內切酶,設計引物 PCR擴增 產物進行限制性內切酶酶切 電泳 EB染色 直接觀察,β地中海貧血,β 地中海貧血(β-mediterranean anemia)是指β 鏈的合成受部分或完全抑制的一組血紅蛋白病。 患兒出生時無癥狀，多于嬰兒期發(fā)病，生后3～6 個月內發(fā)病者占50%，偶有新生兒期發(fā)病者。發(fā)病年齡愈早，病情愈重。嚴重的慢性進行性貧血，需依靠輸血維持生命，3～4 周輸血1 次，隨年齡增長日益明顯。,β地中海貧血基因診斷,PCR/ASO斑點雜交法 合成兩對PCR引物 合成等位特異寡核苷酸探針 制備DNA樣品 PCR擴增 斑點印跡雜交 RFLP分析法,腫瘤基因治療,,,,,,,,,,,,,,基本策略和常用方法,基本策略,(一)治療性基因的獲得 (二)基因載體的選擇 (三)靶細胞的選擇 (四)基因轉移方法 (五)轉導細胞的選擇鑒定 (六)回輸體內,（一）目的基因的選擇和制備 基因治療的首要問題是選擇用于治療疾病的目的基因。 要求：在體內僅有少量的表達就可顯著改善癥狀；該基因的過高表達不會對機體造成危害。 在抗病毒和病原體的基因治療中。所選擇的靶基因應在病毒和病原體的生活史和起重要的作用并且該序列是特異的。 　制備目的基因：正向表達的基因可以是cDNA（complementary DNA），也可是基因組DNA(genomic DNA)片段?？捎脗鹘y(tǒng)的方法（人工合成）獲取，也可采用多聚酶鏈式反應(polymerase chain reaction PCR)等新技術進行體外擴增。部分反義基因也可采用此法獲得，但多數情況下采用人工合成的方式制備。,（二）基因的轉運　　目前已有多種基因轉運的方式，其基本原則是將外源基因運到細胞內。已使用的有病毒載體和非病毒載體兩大類。,病毒載體： 病毒具有一些獨特的性質如多數病毒可感染特異的細胞，在細胞內不易降解；RNA病毒能整合到染色體以及基因水平較高等。因此病毒載體是良好的基因轉運載體。目前已被用作載體的病毒有逆轉錄病毒、腺病毒、腺相關的病毒。皰疹病毒和肝炎病毒等。 【逆轉錄病毒用作載體時需進行幾步改造 （1）將天然的野生型RNA前病毒轉變成DNA載體，并插入欲轉移的相關外源基因。其基本原則是用標記基因和外源基因替代病毒的編碼基因示。 （2）制備輔助細胞為載體DNA提供其喪失的功能。 （3）將載體DNA導入輔助以產生病毒載體。 （4）病毒載體感染靶細胞，外源基因在細胞內得以表達?！?非病毒載體： 這類載體的發(fā)展較快，目前主要是脂質體，,常見基因轉運載體的優(yōu)缺點,（三）靶細胞的選擇 　　理論上講，無論何種細胞均具有接受外源DNA的能力，目前基因治療中禁止使用生殖細胞作為靶細胞，而只能使用體細胞，用于轉基因的體細胞必須取材方便，含量豐富，容易培養(yǎng)，壽命較長?？蛇x擇的細胞有淋巴細胞、造血細胞、上皮細胞、角質細胞、內皮細胞、成纖維細胞、肝細胞、肌肉細胞和腫瘤細胞等。在實際上應用中應具體根據目的條件選擇。,（四）細胞轉染 這是將外源性基因導入細胞內的一種專門技術。隨著基因與蛋白功能研究的深入，轉染目前已成為實驗室工作中經常涉及的基本方法。轉染大致可分為物理介導、化學介導和生物介導三類途徑。電穿孔法、顯微注射和基因槍屬于通過物理方法將基因導入細胞的范例；化學介導方法很多，如經典的磷酸鈣共沉淀法、脂質體轉染方法、和多種陽離子物質介導的技術；生物介導方法，有較為原始的原生質體轉染，和現(xiàn)在比較多見的各種病毒介導的轉染技術。,（五）外源基因的表達及檢測 　　在篩選出轉化分子后還需要鑒定轉導細胞中外源基因的表達狀況。其中包括對目的基因和標記基因表達的鑒定。常用方法有原位雜交，Northrn雜交，NRA打點雜交，免疫組織化學染色等，前幾項是檢測外源基因轉錄出的mRNA，后者則是檢測外源基因翻譯出的蛋白質。,常用方法,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,補償性基因治療 補償性基因治療是指向缺失某種抑癌基因的細胞內導入正常的抑癌基因，逆轉腫瘤細胞的表型、抑制細胞增殖、誘導細胞凋亡，以達到治療目的。 用基因替代等方法可恢復和增強腫瘤抑制基因的功能，如將克隆的抑癌基因Rb、p53、p16等導人腫瘤細胞，可以逆轉其惡性行為，誘導細胞凋亡。 但是由于腫瘤發(fā)生、發(fā)展的機制十分復雜，涉及多種癌基因和抑癌基因的多步驟改變，因而難以通過拮抗某一種癌基因完全控制腫瘤的惡性行為。,抗腫瘤血管形成基因治療 腫瘤的生長、轉移與新生血管的形成密切相關，因此抗血管形成基因治療是非常有潛力控制腫瘤生長的治療方法?？鼓[瘤血管形成基因治療的研究主要包括：針對血管形成生長因子及其受體的基因治療，血管形成抑制因子基因治療，針對腫瘤血管內皮細胞的自殺基因治療等。,腫瘤耐藥基因治療,即化療保護性基因治療，是指化療前向骨髓內導入耐藥基 因，保護骨髓細胞不受抗腫瘤藥物的損害。 有實驗表明，將藥物劑量提高5～10倍可以克服腫瘤細胞的抗藥性，但大劑量化療對人體正常組織及造血系統(tǒng)的損害較重，限制了化學藥物的用量。,多耐藥基因 (MDRl)編碼P糖蛋白的跨膜蛋白，它有抗腫瘤藥物位點和 ATP位點2個結合位點，通過ATP供能可將細胞內藥物泵出 從而保護正常細胞免受藥物損害。 目前，腫瘤耐藥基因治療的方案是轉 入MDRI基因、DHFR基因、MGMT基因等，或者聯(lián)合使用2 種或多種耐藥基因轉入造血干細胞，使造血干細胞獲得廣譜抗 藥性。,,自殺基因療法,自殺基因療法又稱為病毒導向的酶解前藥療法 其原理是將一些病毒或細菌基因組中的前 藥轉換酶基因（也叫自殺基因)導入腫瘤細胞，該基因 編碼特殊的酶可將原先對高等動物無毒性的前藥在 腫瘤細胞中代謝為毒性產物，從而引起這些細胞自 殺。 其作用是：促進免 疫效應細胞的分化增殖、加強對腫瘤的殺傷力；直接殺傷癌細 胞；增加腫瘤細胞的免疫原性。,,,,,,,基因聯(lián)合治療,由于腫瘤是多因素、多環(huán)節(jié)、多階段的復雜疾病，依靠單一 方法并不能達到理想的抗腫瘤效果，因此多種治療聯(lián)合、針對 腫瘤的不同特征進行治療已經成為基因治療發(fā)展的一個趨勢。,促細胞凋亡的基因療法,定義： 通過人為手段改變腫瘤細胞的某些相關基因來使其盡早啟動凋亡程序，達到消滅腫瘤細胞的目的。 分類：促細胞凋亡的基因治療主要包括通過反義核酸技術抑制凋亡抑制基因以及向癌細胞導入凋亡活化基因兩種方式。,一、通過反義核酸技術抑制凋亡抑制基因： Tietze用表達核轉錄因子的抑制子封閉KappaB的活性，使TNh介導的凋亡明顯增加。 由于Survivin是凋亡抑制劑，可用其反義基因腺病毒載體治療直腸癌模型，使癌細胞凋亡明顯增加，并使化療藥物敏感性上升,促細胞凋亡的基因療法,向癌細胞導入凋亡活化基因： 還有研究將VEGFR 2細胞外區(qū)、跨膜區(qū)與Fas受體的胞質區(qū)聯(lián)合在一起形成復合受體VEGFR2 Fas，作為VEGF觸發(fā)的死亡受體，用VEGF治療可迅速導致細胞凋亡，VEGFR2 Fas可有效地將VEGF的作用逆轉，發(fā)揮抗腫瘤的作用。 Fas和TNF均可誘導凋亡，用腺病毒載體輸送Fas配體GFP融合蛋白和TNF凋亡相關誘導配體轉染腦膜瘤細胞可使凋亡水平明顯升高。 還有其他利用端粒酶、IFN7、p53、IL24基因等進行的誘發(fā)凋亡的治療。,抑制細胞信號傳導道路,定義： 抑制細胞信號傳導道路通過抑制細胞信號傳導道路可抑制腫瘤細胞的增殖。 信號傳導道路中酪氨酸激酶與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展有關，主要有EG-FR、VEGFR、DDGFR、Scr、Bcr、Abl等。 如：Kim等采用表達c met核酶的腺病毒載體轉染前列腺癌細胞時發(fā)現(xiàn)，Scr激酶活性明顯下降，并認為靶向C met信號通路的治療對于控制前列腺癌生長和轉移有重要意義。 還有研究采用EGFR反義RNA治療膠質瘤也取得明顯療效。 Bookout等通過抑制前列腺癌G蛋白信號傳導道路而使腫瘤細胞死亡。,THANK YOU~,,