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内科学新进展 第十三章 分子生物学在内科领域中的应用
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摘 要 随着生命科学各个学科的发展和相互促进，医学分子生物学得以惊人的速度向临床医学的各个领域渗透，并在研究和认识人体的生理和病理现象、揭示疾病的病因及发病机理等方面发挥着越来越重要的作用。目前，分子生物学诊断技术在临床检测方面日益显现出举足轻重的地位。而基因治疗方式的完善与不断深入研究，使其在内科领域中逐步展示出广阔的应用前景。本文就分子生物学手段在临床内科疾病诊治领域的研究与应用作一简要介绍。
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Abstract With the development and mutual enhancement of the different sub-disciplines in Life Science, the Medical Molecular Biology got a high speed of progress in the territories of Clinical Medicine. It gradually shows an important role in the understanding of the physiological and pathological phenomena, as well as in the demonstration of the etiology and pathogenesis of different diseases. Nowadays, in the practice of daily clinical detection in many hospitals, the development of Molecular Diagnosis urges a high ratio of positive measurement. Meanwhile, the progress of Genetic Therapy shows an extensive prospect in the therapy application of hereditary diseases. This article will give a brief introduction on the study and application of Medical Molecular Biology in Clinical Internal Medicine.
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随着自然科学尤其是生命科学各个学科的发展和相互交叉、渗透，医学分子生物学得以迅速发展并且以惊人的速度向临床医学的各个领域渗透，并在研究和认识人体的生理和病理现象、揭示疾病的病因、发病机理等方面发挥着越来越重要的作用。目前，国内各大医院都在积极开展各种分子生物学研究，基因诊断日益普及，某些疾病的基因治疗也在积极探索之中。分子生物学在内科领域中已展示出广阔的应用前景。由于篇幅所限，本文仅作简要介绍。
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一、分子生物学研究促进了在分子水平认识某些疾病的病因和发病机理
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随着分子生物学的逐步发展，人们对各种疾病的发病机理也逐渐清楚起来。如机体识别自己和异己的免疫反应机理之一，甘露聚糖结合蛋白（MBP）能选择性识别并结合酵母菌外壁上的甘露聚糖，从而发挥其抗感染免疫的防御机制。其分子生物学基础在于C末端C型糖识别域之间及与中央螺旋之间的作用使其方向和距离都固定，结合的糖位置也是固定的，因此只能识别一些含末端Man或乙酰氨基葡萄糖（GlcNAc）的细菌、真菌及寄生虫。
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许多血液系统的疾病被发现与细胞黏附因子有关。多细胞存在精细的细胞间网状结构，它与细胞相互接触，传递细胞内的信息。造血干细胞的分化、增殖，必须通过细胞黏附因子介导的细胞、细胞与细胞外基质及细胞因子间的相互作用，这些要素协同作用形成造血微循环，当细胞黏附因子异常时就会引起疾病。如多发性骨髓瘤与淋巴细胞功能相关抗原1（LFA-1）密切相关，而白细胞黏附不全则与LFA-1及Mac-1（CD11b/CD18）的β2亚基缺如有关；急性、慢性白血病患者体内多种黏附分子及VLA2、VLA5、VLA6、β2-ITG、HCAM等表达低下。
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早老性痴呆（AD）发病机理的研究在过去几十年中进展不大，近几年研究水平从组织细胞深入到基因分子，才取得了巨大的进展。与AD有关的物质主要有四类：β-淀粉样蛋白，tau蛋白和MAP激酶（MAPK）及载脂蛋白E。β-淀粉样蛋白大量出现在AD患者大脑斑块核心内，被认为是AD发展中的关键因素；tau能促进微管蛋白连接成微管，而微管是神经元的关键系统，但研究表明tau不能单独引起AD, MAPK可以将基因激活的信息从细胞外传到细胞核内；而载脂蛋白E4则与AD有关，其含量越多，AD发生越早。另外，最近的研究表明，小RNA（miRNA）可能在AD的发生过程中起到了重要的时序调控作用。然而，迄今为止，尽管AD发病机理的研究已取得了一系列进展，但真正揭开AD的病因与病理还需很长的时间。
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近年来发现，许多致命的哺乳动物中枢神经系统机能退化症与一种传染性的致病因子——朊病毒有关。朊病毒是一种未知功能的糖蛋白，不含任何核酸，可侵犯神经元和胶质细胞，引起疯牛病人的纹状体脊髓变性病及脑软化病。朊病毒本身不能繁殖，它是通过胁迫正常朊病毒蛋白畸变进行自我复制的。这种前所未有的由蛋白质复制蛋白质的分子机制研究，也将带来分子生物学理论上的新的突破。
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自2002年底传染性非典型肺炎（SARS）爆发以来，寻找导致该病的病原体是研究工作的重心。在研究之初，全世界各地的研究组曾对该疾病的病原体有着多种猜测，如衣原体、禽流感、副黏病毒等。2003年3月22日，香港大学微生物系首先利用非洲绿猴肾脏细胞（African Green Monkey Kidney Cells, Vero E6）从一个感染者的肺组织中分离到了一种未知的病毒。WHO的研究网络立即对该病毒展开研究，全世界13个实验室围绕确定病原的必要条件——郭霍氏原则，即确定为病原的病原体必须具备以下四个条件：该病原体必须在所有病人身上发现，必须能够从宿主上分离并在培养基上生长，在易感染者感染后病毒能够繁殖并引起与传染源相同的疾病，病原必须能在实验宿主上引发感染。对SARS进行了临床标本、病理组织与影像学、病毒分离培养、血清学与免疫学诊断分子生物学等多方面的研究与鉴定。在这个过程中，分子生物学技术发挥了极其重要的作用。在非常短的时间内，完成了测序、基因结构分析、比较基因组学研究，包括基因变异的研究和种系进化分析研究，以及各基因产物的结构和功能研究等，为人类认识和战胜这一危害极大的传染病作出了积极贡献。2003年4月16日，WHO在各方研究的基础上，正式宣布该未知的冠状病毒为导致SARS的病原体，并命名为SARS冠状病毒（SARS coronavirus, SARS-CoV)。
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二、分子生物学诊断技术的发展在内科领域中的应用前景
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分子生物学诊断技术已广泛应用于内科领域中的病因学诊断。通过直接探查基因的存在状态或缺陷对疾病作出诊断，即基因诊断。基因诊断的探测目的物可以是DNA或RNA, 前者反映基因的存在状态，而后者反映了基因的表达状态。探查的基因又分为内源基因（即机体自身的基因）和外源基因（如病毒、细菌等）两种，前者用于诊断基因有无病变，而后者用于诊断有无病原体感染。自1976年以来，基因诊断的方法学研究取得了很大进展，先后建立了限制性内切酶酶谱分析、核酸分子杂交、限制性片段长度多态性（RFLP）连锁分析、聚合酶链反应（polymerase chain reaction, PCR)，以及近年发展起来的荧光定量PCR技术，DNA芯片技术（DNA Chip）和蛋白质芯片（Protein Chip)、组织芯片（Tissue Chip）等，本章主要介绍上述各种方法的主要原理及其临床应用。随着分子生物学技术的飞速发展，基因诊断技术必然还会进一步完善，在内科领域中发挥越来越重要的作用。
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（一）内源基因病变的检测
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主要应用于遗传病的诊断。传统的诊断方法是先发现疾病的表型，再把基因产物即蛋白质或其抗体氨基酸序列弄清楚，运用分子生物学技术分离到该基因，并通过测序确定突变部位，这适用于已知突变与疾病的关系。但是，由于80％～90％的疾病表型或生化特征不明，用此方法显然不行。基因诊断又称逆向遗传学，即先找出基因变异，再分析基因产物，最终探明生理作用和临床机制。因此基因诊断往往在疾病出现之前就可以完成，在诊断时间上存在显著的优越性，有利于及时预防与治疗。遗传病的基因诊断是在分子遗传学的基础上发展起来的。目前已知许多遗传病的致病基因及其突变类型，即使不知道这些情况也有许多遗传标志可资利用于基因连锁分析。基因诊断在遗传病的诊断中具有重要意义，但尽管其发展迅速，目前已用基因诊断的遗传病也只占了很小一部分，离预期目标还有较长的距离。现仅举数例加以说明。
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1．血红蛋白病
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血红蛋白病是第一个成功地进行了产前基因诊断的遗传病，是由于血红蛋白合成异常所致的遗传性血液病，习惯上分为异常血红蛋白病和地中海贫血两大类。前者表现为珠蛋白肽链结构的改变，主要是由于突变导致重要功能部位的氨基酸的置换，影响到血红蛋白的溶解度、稳定性及生物学功能；而后者的特征是珠蛋白肽链合成速率的降低，导致α链和非α链合成的不平衡，结果多余的珠蛋白链沉积在红细胞膜上，改变了膜的通透性和硬度，导致溶血性贫血。地中海贫血可以区分为两种主要类型：α珠蛋白链合成减少的称为α地中海贫血（简称α地贫），β链合成减少的称为β地中海贫血（简称β地贫）。导致α地贫的分子基础主要为α珠蛋白基因缺失，而β地贫则主要由β珠蛋白基因的点突变所致。迄今，世界上已发现了120种不同的地贫类型，而导致中国人β地贫的突变就有15种。从用放射性核素标记α珠蛋白DNA探针和从羊水细胞提取的DNA进行液体分子杂交，发展为DNA限制性内切酶（简称内切酶）酶谱分析法，以及现在普遍应用的PCR法，都可用于检测α珠蛋白基因有无缺失；而RT-PCR法又可用于检测其mRNA含量，由于α珠蛋白mRNA水平与病人的α珠蛋白基因的数目呈线性关系，因此可以鉴别各种类型的α地贫症。
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研究者利用醋酸纤维素薄膜电泳，通过自动扫描系统分析确定HbA2的含量，可筛查可疑α地贫或可疑β地贫。而Triton-X100/尿酸/聚丙烯酰胺凝胶电泳（TAU PAGE）结合醋纤膜电泳可提高血红蛋白病的检出率，对检出α地贫1基因携带者和潜在性血红蛋白具有较高特异性，并能检出血红蛋白病的双重杂合体和三重杂合体。近来，有报道采用单细胞扩增前引物延伸（PEP）全基因组扩增，后续巢式PCR同步检测B地中海贫血突变基因CD17等10个基因位点，具有较高的扩增成功率和很低的假阳性率和假阴性率。另外，DNA斑点杂交、RFLP连锁分析、基因体外扩增等手段均已应用于产前诊断α及β地中海贫血。
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2．杜氏肌营养不良症
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杜氏肌营养不良症（Duchenne muscular dystrophy, DMD）是常见的性连锁隐性遗传病，主要特征为进行性肌肉萎缩和腓肠肌假性肥大，多数在5岁发病，在20岁左右由于心脏和呼吸衰竭而死亡。其发病率为活产男婴的1/3500。DMD是X染色体Xp21.21－21.3区抗肌萎缩蛋白基因的不同突变形式所致。由于DNA片段的突变或缺失，可以造成基因读码框架的移码，在多数情况下，移码突变将导致DMD。最近文献又报道DMD病人的抗肌萎缩蛋白基因内发现了少数碱基替代性突变。用从Xp21区不同部分分离到的多种DNA探针，如P84，XJ1.1，P87，Jbir, P20等，直接进行相应的内切酶酶谱分析；或者cDNA探针法、多重PCR、荧光定量PCR检测热点区DNA片段，可以简便快速地检测到约90％的具有基因缺失的患者；而对于非缺失型DMD的基因分析则可采用基因内及其旁侧的探针进行RFLP连锁分析，或采用CA重复序列的多态分析法。
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3．苯丙酮尿症
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苯丙酮尿症（phenylketonuria, PKU）是一种常见的常染色体隐性遗传性氨基酸代谢病。经典型PKU患者由于肝脏内的苯丙氨酸羟化酶缺乏，苯丙氨酸不能转化为酪氨酸而在体内积累，并导致血和尿液中苯丙氨酸及其衍生物排出增多。患儿在出生后若不及时获得低苯丙氨酸饮食治疗，便出现不可逆的大脑损害和严重的智力发育障碍。PKU是由于约11种不同的苯丙氨酸羟化酶基因点突变，导致苯丙氨酸羟化酶的活力减弱甚至完全丧失。用DNA分析技术，如PCR/ASO探针法和PCR/RFLP连锁分析法可鉴定导致PKU的点突变。或通过聚合酶链反应—短串联重复序列（PCR-STR）连锁分析苯丙氨酸羟化酶（PAH）基因内（TC-TA）多态性。另外，多重等位基因特异性聚合酶链反应（MAS-PCR)、聚合酶链反应—单链构象多态性（PCR-SSCP）分析、聚合酶链反应—变性梯度凝胶电泳（PCR-DGGE)、基因芯片等可直接检测已知基因的点突变，通过分析羊水细胞、绒毛细胞的基因或孕妇外周血分离的胎儿DNA, 可对胎儿进行该病分子水平的产前诊断或进行新生儿筛查。
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（二）外源基因的检测
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病原体，如病毒、细菌、支原体、衣原体、立克次体、螺旋体以及寄生虫感染均可引起机体病变，及时诊断何种病原体对于指导治疗具有十分重要的现实意义。分子生物学的发展使迅速而准确地检测病原体成为可能。下面几个例子可以说明分子生物学在病原体检测中的重要作用。
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1．人乳头瘤病毒（HPV）的检测
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HPV是双链DNA病毒，依据核酸相关性分型已发现70余型。该病毒可以感染人的皮肤和黏膜上皮细胞，诱发细胞增生，产生乳头瘤样病变。不同型别的HPV引起的感染具有不同的临床表现，6和11型与尖锐湿疣、喉头鳞状上皮乳头状瘤发生有关；HPV16和18型与宫颈癌发生有关，在前列腺癌、食道癌、肛管癌、大肠癌中也检测到HPV16、18DNA, 但与这些肿瘤发生的确切关系还不清楚。迄今，HPV难于用传统的病毒培养及血清学技术检测，只能采用分子生物学技术来诊断，早期的主要检测方法有核酸杂交，PCR或两者结合。Manas等从HPV L1区中选择保守序列设计了一对引物，该引物可扩增HPV6，11，16，18及33型等病毒序列，然后再合成一系列型特异性探针。与上述引物的扩增产物进行杂交，达到检测和分型的目的，该法灵敏度很高，能检出10个拷贝的HPV DNA, 故可用血清和脱落细胞进行检查。荧光定量PCR技术集快速、可靠、敏感、特异及操作简便于一体，从而更适用于大规模临床筛选及在临床广泛推广应用。但利用该法进行HPV分型需要将HPV常见基因型逐个筛选才能最后确定感染的HPV型别。原位杂交由于在杂交时的稳定性不高，使杂交率降低，影响HPV的检出率。第二代杂交捕获法（HC2）的灵敏度和特异性均较好，但存在交叉污染、费用昂贵等缺点。此外，基因芯片（反向斑点杂交）具有快捷、灵敏度高、特异性强、稳定性和重复性好的优点，能在一个反应中同时检测不同HPV亚型，但敏感性不高，且只能提供半定量结果。
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