21 世纪的生命科学热点与展望

苏州大学生命科学学院 朱 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世纪，统计美国“科学引文索引（ SCI ）”收录的 4500 余种学术刊物，发现有 2350 种左右为生物科学相关杂志！统计全世界引用指数（ Impact factor ）在10 以上的超一流学术刊物，也发现 80% 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 10 以上的超一流刊物分科比较

人类基因组计划（ HGP ）

干细胞研究与发展前景

克隆技术的发展

人类基因组计划

Human Genome Project

染色体（ Chromosome ）

细胞有丝分裂时出现的、易被碱性染料着色

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成，是遗

传的主要物质基础。各种生物的染色体有一定

的数目、形状和大小，人染色体有 46 条。

ChromosomeChromosome 染色体染色体Karyotype Karyotype 染色体组型染色体组型

核酸（ Nucleic acid ）• 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

酸— DNA （脱氧核糖核酸）和 RNA（核糖核酸）

• 每一个核苷酸又由 3 个基本亚单位：碱基、戊糖环（脱氧戊糖环）和磷酸基团。

• Nucleic acidNucleic acid

核酸核酸• DNADNA

脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸• RNARNA

核糖核酸核糖核酸

GeneGene 基因 基因 NucleotideNucleotide 核苷酸核苷酸

基因 (Gene)• 基因（ gene ）是 1909 年丹麦生物学家

W.Johannsen 根 据 希 腊 文 “ 给 予 生命”之意创造的。

• 现代分子生物学的基因概念：合成有功能的蛋白质或 RNA 所必需的全部 DNA 序列（除部分病毒 RNA ），即一个基因不仅包括编码蛋白质或 RNA 的核酸序列，还应包括为保证转录所必需的调控序列。

生物学进入基因组 (Genome)

时代

•人类基因组包括分布于人 46 条染色体

30 亿核苷酸的 30,000-35,000 个基因。

•人类基因组计划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、

功能及其表达产物，彻底了解人类生命

活动本质。

•这一计划的科学意义重大，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，是人类自然科学史上最重大的研究项目之一，将推动整个生命科学的发展。

人类基因组计划的意义

•生物与医学基础研究

•基因诊断、基因疗法、基因药物

•带动一批高技术产业的发展

人类基因组计划的启动• 1985 年，美国能源部（ Department of

Energy, DOE ）提出，要将共包含约 3×109 碱基对的人类基因组全部碱基序列分析清楚；

• 1986 年，美国宣布启动“人类基因组计划（ Human Genome Project, HGP ）”。

人类基因组计划的发展• 1999 年 12月 1日，首条人类染色体完

成测序，人类第 22号染色体 DNA 全序列测定宣布完成。

• 2000 年 4 月 6 日，美国 Celera 遗传信息公司宣布，该公司已破译出一名实验者的完整遗传密码。

• 2000 年 5月，科学家聚集美国冷泉港，宣布人类基因组草图的完成。

6 国科学家组成的国家人类基因组中心主要研究比例

• 美国： WASH＆MIT等7家研究中心，贡献率为 54％。

• 英国： SANGER 一家研究中心，贡献率为 33％。• 日本： RIKEN等两家研究中心，贡献率为 7％。• 法国： GENOSCOPE 研究中心，贡献率为 2.8％。• 德国： IMB等 3 家研究中心，贡献率为 2.2％。• 中国：北京华大研究中心、国家南北方基因研究 中心等三家，贡献率为 1％。

二 000 年六月二十六日克林顿宣布人类基因组草图绘制完成

这是人类基因组计划首席科学家、

美国国家人类基因组研究所所长 弗朗西斯·柯林斯在介绍情况。

人类基因组草图基本信息

• 由 31.65 亿 bp 组成

• 含 3~3.5万基因

• 与蛋白质合成有关

的基因占 2%

人类基因组 人类蛋白质

• 61% 与果蝇同源

• 43% 与线虫同源

• 46% 与酵母同源

人类基因组研究成果表明1. 基因数量少得惊人

2. 人类基因组中存在“热点”和大片“荒漠”

3. 三分之一为“垃圾” DNA

4. 种族歧视毫无根据

5. 男性基因突变比例更高

中国人类基因组计划• 1993 年，中国人类基因组计划（ CHG

P ）启动，首先开展了“中华民族基因组中若干位点基因结构的研究”。

• 1997年，我国启动了“重大疾病相关基因的定位、克隆、结构与功能研究”项目。

• 之后，在上海和北京相继成立了国家人类基因组南、北两个中心。

中国人类基因组计划研究成果

1. 1% 测序任务， 第三条染色体 3000万 bp

2. 精确度 99.99%3. 发现 142 个基因， 其中 80 个为预测基因

人类基因组计划 1% 测序中国实验室

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 因组对单个药物反应的相互关系•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

干细胞研究与发展前景

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。 随着现代科学技术的发展，尤其是干细胞的研 究，人类的这些幻想正在逐步变成现实。 1998 年，美国《科学》杂志将干细胞的研究成果列在十大科学进展的首位。

细胞是机体组成的基本单位

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（ Stem cell ）即起源细胞。在

细胞的分化过程中，细胞往往由于高度化分而完全失去了再分裂的能力，最终衰老死亡。机体在发展适应过程中为了弥补这一不足，保留了一部分未分化的原始细胞。

因此，干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞。

干细胞的分类

• 全能干细胞

• 多能干细胞

• 单能干细胞

按分化潜能 按发育状态

•胚胎干细胞•成体干细胞

全能干细胞： 具有形成完整个体的分化潜能。如胚胎干细胞（ ES 细胞）

多能干细胞： 具有分化出多种细胞组织的潜能。如造血干细胞、神经细胞。

单能干细胞： 只能向一种或两种密切相关的细胞类型分化。如上皮组织基底层的干细胞，肌肉中的成肌细胞。

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 成年动物的许多组织和器官，比如表皮和造血系统，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，从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。

干细胞的用途•治疗遗传性疾病和恶性肿瘤。•以干细胞为种子培育成某些

组织和器官，用于移植医学。•抗衰老，延年益寿。

干细胞工程

核移植

去核胚胎干细胞 组装胚胎干细胞 组织干细胞

各种组织器官

体外诱导培养

干细胞治疗的进展• 科学家们认识到干细胞可能成为一种“拯救生

命”的有效的疾病治疗手段。• 例如：小剂量纯化的造血干细胞足可使患者骨髓再生，可以避免肿瘤病人进行自体骨髓移植时所致的瘤细胞（尤其是白血病细胞）污染。

• 例如：成熟的神经系统中存在的干细胞，在某些因素诱导作用下，可增殖和定向分化，给神经退行性疾病（如帕金森氏病）、骨髓损伤患者带来新的希望。

造血干细胞• 造血干细胞是体内各种血细胞的唯一来源，

它主要存在于骨髓、外周血、脐带血中。• 造 血干细胞的移植是治疗血液系统疾病、

先天性遗传疾病以及多发性转移性肿瘤疾病的最有效方法。

• 与骨髓移植和外周血干细胞移植相比，脐血干细胞移植的长处在于无来源的限制，对 HLA 配型要求不高，不易受病毒或肿瘤的污染。

神经干细胞

•神经干细胞的研究尚处初级阶段。理论上讲，任何一种中枢神经疾病都可归结为神经干细胞功能的紊乱。给帕金森氏综合症患者的脑内移植含有多巴胺生成细胞的神经细胞，可治愈部分患者的症状。

苏州干细胞治疗中心

造血干/

祖细胞

免疫细胞（DC+T

）

心肌干细胞

神经干细胞

克隆技术的发展•克隆来源与英语“ clone”或“ cloning”的音译，曾译为无性生殖或无性繁殖，即由同一个祖先细胞分裂而形成的纯细胞系，这个细胞系每个细胞的基因彼此是相同的。•克隆技术第一个发展时期—微生物克隆。•克隆技术第二个发展时期—生物技术克隆。•克隆技术第三个发展时期—动物克隆。

克隆羊多利（ Dolly ）的诞生• 1997 年 12 月，英国 Roslin 研究所克隆羊多利（ Dolly ）的诞生揭示一个全新概念：由成年机体的一个体细胞核，可以复制一个基因完全相同的新生命个体。

• 克隆鼠、克隆牛等实验的成功进一步验证了其科学性将体细胞核移植去核卵细胞形成的克隆细胞，其基因组 DNA 与细胞核供体一致，由克隆细胞复制出可供移植、无免疫排斥 的各种组织细胞、器官，是 21 世纪生命科学的一个新里程碑。

•克隆动物的现状。

•什么时候会出现克隆人？

•有关克隆人的争议点。

谢 谢苏州大学生命科学学院

2004 年 3 月 18 日