分子生物学在医药中的研究进展及应用
——韩静静
摘要
分子生物学是对生物在分子层次上的研究。这是一门生物学和化学之间跨学科的研究，其研究领域涵盖了遗传学、生物化学和生物物理学等学科。分子生物学主要致力于对细胞中不同系统之间相互作用的理解，包括DNA，RNA和蛋白质生物合成之间的关系以及了解它们之间的相互作用是如何被调控的。分子生物学主要研究遗传物质的复制、转录和翻译进程中的分子基础。分子生物学的中心法则认为“DNA 制造 RNA，RNA 制造蛋白质，蛋白质反过来协助前两项流程，并协助 DNA 自我复制”。
分子生物技术也称之为生物工程，是现代生物技术的主要标志，它是以基因重组技术和细胞融合技术为基础，利用生物体或者生物组织、细胞及其组分的特性和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品种．以便与工程原理相结台进行生产加工．为社会提供商品和服务的一个综合性技术体系，其内容包括基因工程技术、细胞工程技术、DNA测序技术、DNA芯片技术、酶工程技术等。现代分子生物技术的诞生以70年代DNA重组技术和淋巴细胞杂交瘤技术的发明和应用为标志．迄今已走过了30多年的发展历程。实践证明在解决人类面临的粮食、健康、环境和能源等重大问题方面开辟了无限广阔的前景。受到了各国政府和企业界的广泛关注。是21世纪高新技术产业的先导。
二十世纪生物医学发展的主要特点之一是对生命现象和疾病本质的认识逐渐向分子水平深入。DNA双螺旋结构的发现为分子医学和基因医学的发展奠定了基础。人们逐渐认识到，无论健康或疾病状态都是生物分子及其相互作用的结果，生物分子中起关键性作用者为基因及其表达产物蛋白质，因此从本质上说，所有的疾病都可以被认为是“基因病”。近十年来，分子生物技术已成为医学领域最有力的研究工具，以下从基因工程技术、人类基因组计划与核酸序列测定技术、基因诊断与基因体外扩增技术、生物芯片技术在医学研究中为了解疾病的发生发展机制，诊断和药物研制、开发中的应用。
关键词：分子生物学 分子生物技术 医药 基因芯片 蛋白质组学
第一章 文献综述 ............................................................................................................................. 3
1.1 分子生物学发展史 ............................................................................................................ 3 1.2 分子生物学与现代医学 .................................................................................................... 4
1.2.2 分于生物纳米技术在基因诊断中的应用 ......................................................... 5 1.2.3 分子纳米技术在基因疗法中的应用 ................................................................. 5 1.2.4 分子生物芯片技术在医学检验中的应用 ......................................................... 5 1.3 药学分子生物学 ................................................................................................................ 5 1.4 分子生物学在中药的研究 ................................................................................................ 6
1.4.1 中药研究与基因组学 ........................................................................................... 6 1.4.2 DNA分子标记技术与中药新药研发 ................................................................. 6 1.5 分子生物学在生药学中的研究 ........................................................................................ 7
1.5.1 药用动植物遗传多样性的分子检测与分子系统学研究 ..................................... 7 1.5.2 代谢途径基因工程与中药材品质定向调控 ......................................................... 7 1.5.3 生药分子药理学形成与发展 ................................................................................. 7 1.5.4 分子生物学技术的发展与分子生药学方法的创新 ............................................. 7
第二章 分子生物学在医药中的应用 ............................................................................................. 8
2.1 分子生物学在医学中的应用 ............................................................................................ 8
2.1.1 基因工程技术在医学中的应用 ............................................................................. 8 2.1.2 基因芯片技术 ......................................................................................................... 8 2.1.3 分子生物学在检验医学中的应用 ......................................................................... 9 2.1.4 分子生物学技术在病理诊断及研究中的应用 ..................................................... 9 2.1.5 蛋白质芯片在病理中的应用 ............................................................................... 10 2.2分子生物学在药学中的应用 ........................................................................................... 10
2.2.1 基因芯片用于药物筛选 ....................................................................................... 10 2.2.2 生物工程与生物制药 ........................................................................................... 10 2.2.3蛋白质组学在药学研究中的应用 ........................................................................ 11
第三章 应用前景 ........................................................................................................................... 12 参考文献......................................................................................................................................... 13
第一章 文献综述
1.1 分子生物学发展史
第二次世界大战之后25年，这个时期虽然可以用自然科学的许多领域的迅猛发展加以表征，但是发生了最深远的和革命性的进展的是生物学领域。这些年里,分子研究和生物化学研究的成熟和一体化,达到了连本世纪头几十年里最空谈理论的机械论者都可能期望的深度和广度。像胚胎学、遗传学或进化论那样的以前在组织、细胞或群体水平上作了研究的领域,逐步地表明在特定的大分子的分子结构方面具有共同的基础。对于诸如蛋白质和稍后的核酸分子的结构和功能的研究,展示了探究生命系统微观结构的新前景,并且显示了生物学广阔的领域之间的新联系,而生物学各个领域之间的共同基础,以前只是模糊地被人们推测过。
当本世纪四十年代至五十年代人们弄清了核酸是主要的遗传物质以及核酸通过指导蛋白质的合成而发生作用的时候,有关遗传的研究再次成为二十世纪生物学中的一个革命性的和占有主导地位的领域。摩尔根学派的工作已表明基因可以看作是有形的染色体的片段,但他们没有试图研究基因的分子性质或任何有关基因的生化功能。这个问题是确实存在的,但探讨它却是不成熟的和难以弄清的。因此,当适合于探讨细胞内特定分子的相互作用的研究工具和技术变得有效时,遗传学在二十世纪再次呈现出令人鼓舞的景象是不足为奇的。
现在的“分子生物学”不仅包括结构和功能的要素,而且包括信息的要素。它关往生物学上的重要分子,比如蛋白质或核酸的结构,从这些分子如何在细胞的新陈代谢中起作用以及它们如何携带特定的生物信息的方面关注这些分子的结构问题。物理学和结构化学的方法比如结晶分子的X射线衍射,分子模型的建立,已经应用于分子结构的研究,同时生物化学也应用于确定细胞内部大分子如何彼此相互作用、大分子如何与小分子相互作用的问题。在历史上,有三方面思路通向我们今天所知道的分子生物学的形成:1.结构方面与生物分子的结构有关,2. 生物化学方面:与生物分子如何在细胞新陈代谢和遗传过程中相互作用的问题有关,3.信息方面:与信息如何从一代有机体传递到下一代并且信息如何转译为独特的生物分
[1]
子的问题有关。
生物学 生物化学 遗传学 细胞生物学 相互渗透 生物物理学 进入细胞水平 微生物学 相互促进 有机化学 物理化学 20世纪中叶生物学引入生物大分子
分子生物学
图一 分子生物学的发展过程
在19世纪和20世纪随着各个学科的发展，特别是生物化学、遗传学、细胞生物学、生物物理学、微生物学、有机化学、物理化学的发展，各个学科互相渗透，互相促进荷香交融，而生物学的发展随着这些学科在生物学中的应用已经从物种、个体等层次上发展到细胞水平上，到了二十世纪中叶，随着检测仪器的快速发展，大分子如核酸、蛋白质等物质的鉴定，使得生物大分子引入到生物学中，随后发展成分子生物学，如图一。
二十一世纪是生物学的世纪，同时生物学中的核心是分子生物学，在现在分子生物学对整个社会及人类产生了重要的影响，分子生物学的核心就是通过生物的物质基础—核酸、蛋白质、酶等生物大分子的机构、功能及其互相作用等运动规律的研究来阐明生物分子基础，从而探讨生命的奥秘，随着现代技术的发展，特别是物理、化学、仪器分析的发展使得分子生物学的发展在分子水平上取得了巨大的进步，人类可以通过研究核酸、蛋白质来阐述人类自身发展的困难及在医学中可以解释很多疑难杂症。分子生物学的发展更加借助了现代社会十分关键的工具计算机，化学信息学通过计算机模拟确定蛋白质的结构，从而使研究者更加生动形象的了解蛋白质的内部结构。
随着分子生物学的快速发展，它已经与其他学科结合，如生理学、微生物学、免疫学、病理学、药理学、临床医学等，尤其在医学中的应用，成为现代医学的重要基础，而且发展了很多分支学科，例如分子细胞学、分子病毒学、分子诊断学、分子治疗学、分子病理学、分子药理学、生物制药等。本论文将重点研究分子生物学在医学及药学中的应用及研究进展。
1.2 分子生物学与现代医学
分子生物学是当前生命科学中发展最快的前沿领域，即是生命科学的领先学科，而且是与其他学科广泛交叉于渗透的重要前沿领域使得现代生命科学的内涵和外延在不断扩大。二十一世纪医学发展的主要特点之一是对生命现象和疾病本质的认识逐渐向分子水平深入。随着基因克隆技术趋向成熟和基因涌序工作逐步完善，后基因时代逐步到来。人们逐渐认识到无论健康或疾病状态都是生物分子的相互作用的结果，生物分子起关键性作用。最近十年，分子生物技术已成为医学领域极其有力的研究工具．基因工程技术、人类基因组计划与核酸序列测定技术、基目诊断与基因体外扩增技术、生物芯片拄术、分子纳米技术在医学研究中．如了解疾病的发生发展机制、疾病诊断和药物研制与开发中得到广泛应用。同时，在结构基因组学、功能基因组学和环境基因组学逢勃发展的形势下。分子生物医学技术将会取得突破性进展．也给医学带来了崭新的局面，为医学事业的发展提供新的机遇。分子生物技术已经成为现代医学的前沿和热点。分子生物学在现代医学中有很大的应用，分子生物学在发病机制和药学研究中的作用、分子生物学在疾病诊断中的作用、分子生物学在疾病治疗中的作用、分子生物学在医药工业中的作用等这是现在科学家研究的热点。下面简要介绍几种分子生物学在医学中的应用。
1．2.1 分子生物传感器在医学中的应用
分子生物传感器是利用一定的生物或化学固定技术．将生物识别元件(如酶、抗体、抗原、蛋白、核酸、受体、细胞、微生物、动植物组织)固定在换能器上．当待测物与生物识别元件发生特异性反应后，通过换能器将所产生的反应结果转变为可以输出、检测的电信号和光信号等，以此对待测物质进行定性和定量分析，从而达到检测分析的目的。分子生物传感器可以广泛地应用于对体藏中的散量蛋白、小分子有机物、核酸等多种物质的检测。在现代医学检验中．这些项目是临床诊断和病情分折的重要依据。能够在体肉实时监控的生物传感器对于手术中或重症监护的病人都程有帮助。