作者：贺银成
外科学部分（6版教材 P7—16）
第二章 外科领域的分子生物学
[西医综合网www.xyzh.net ] 自1953年Watson和Crick发现DNA双螺旋结构标志着分子生物学诞生以来，分子生物学理论和技术的快速发展正在逐步深入到诸如肿瘤、感染、创伤、移植、营养等外科疾病领域的病因、发病机制、诊断、治疗和预防等各个方面，因此可以说分子生物学的发展正在对外科学的进步产生划时代的影响。本章对与外科学实践有关的分子生物学知识作一简介。
第一节基因的结构与功能
基因（gene）是编码一条多肽链或一个RNA分子所必需的全部DNA序列基因组(genome）是细胞所有染色体上全部基因和基因间的DNA总和。
基因产生功能分子的过程称表达（expression)，即遗传信息从脱氧核糖核酸（DNA）传给核糖核酸（RNA），再通过翻译（translation）产生蛋白质的过程。
（一）DNA和RNA
细胞内的核酸有两种类型，即DNA和RNA，它们均为贮存遗传信息大分子物质。真核细胞的DNA分子约95％位于染色体上，其余5％位于线粒体，为双链线性（染色体DNA）或环状（线粒体DNA）分子，由两条核苷酸链组成，每条链的组成单位为脱氧核糖核苷酸，每个脱氧核糖核苷酸由四种碱基即腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（U）、胞嘌呤（C）和胸腺嘌呤（T）中的一种碱基、一个脱氧核糖和一个共价结合的磷酸基组成，两条链反向平行、碱基互补，并按A-T，G-C严格配对，通过互补碱基间形成的氢键结合成双螺旋真核细胞的RNA分子主要位于细胞质中，约占75％，另有10％在细胞核内，15%在细胞器中，为单链线性分子，其组成与DNA相似，区别在于RNA以核糖取代脱氧核糖，以尿嘧啶（U）取代胸腺嘧啶（F）。
（二）DNA复制
以DNA单链为模板，按照碱基互补配对原则合成新DNA链的过程，称为DNA复制。在DNA复制过程中，首先在解链酶的作用下DNA双链解开为两条单链，然后在DNA聚合酶的催化作用下以每一条单链为模板合成一条与其互补的新链，产生两条子DNA链。因为每条子DNA双链含有一条来自亲代DNA分子的旧链和一条新生成链，所以称为保留复制。
（三）基因表达
所有细胞遗传信息的表达大多是单一途径：DNA特异性决定RNA的合成，RNA特异性决定多肽（然后形成蛋白质）的合成DNA-RNA一多肽（蛋自质），这种遗传信息的传递方式普遍存在，在分子生物学中称为中心法规。①转录（transcription）：以DNA为模板，在RNA聚合酶作用下，合成RNA的过程称为转录。相反，以RNA为模板，在逆转录酶作用下合成互补DNA(cDNA），再以cDNA为模板合成双链DNA的过程称为逆转录。②翻译：以mRNA为模板合成蛋白质（多肽）的过程称为翻译。
人类基因的功能是多种多样的。一定数量的基因最终合成特异的多肽，具有不同的功能，包括结构蛋白（膜组分、骨架蛋白等）、转运蛋白、激素、受体、酶、调节性蛋白及信号分子等其余大多数基因编码蛋白质合成所必需的rRNA, tRNA，还有各种各样的参与RNIA剪接和其他功能的核内RNA(SnRNA）和胞浆RNA。
（四）基因表达的调控
同一机体的不同组织细胞所含的基因都是相同的，但是并非基因组中所有的结构基因在各种不同细胞中都同时表达，而是根据机体不同的组织细胞、不同的发育阶段及不同的功能状态，有选择性、秩序性地在特定细胞「｝，表达特定种类和数最的基因，这就是基因表达的调控，该调控是一个涉及基因组、转录、转录少舀、翻译和翻译后等各种水平的复杂过程
（五）基因突变和修复
基因突变是指DNA分子的改变，即基因的核昔酸排列顺序和组成的改变单个碱基的改变称为点突变（Point mutation），如果点突变引起一个氨基酸改变，称为错义突变(missense mutation) ,将引起蛋白质结构和功能的改变如果点突变弓I起一个氨基酸密码子被一个终止密码子替代，称为无义突变（nonsense mutation），将导致翻译提前终止，致使其编码蛋白质缺失，DNA链中插入或丢失1个或几个碱基，导致插入或丢失部位以后的密码子顺序发生改变，进而引起蛋自质结构和功能的改变，称为移码突变(frameshift mutation）。
DNA损伤的修复系统主要有以下几个：①损伤碱基的直接修复；②切除修复，包括碱基切除修复、核苷酸切除修复和DNA交链的切除修复；③错配修复；④重组修复，又称复制后修复；⑤跨损伤DNA合成，这是一种利用损伤核苷酸为模板，通过IDNA聚合酶使碱基掺入到复制终止处进行DNA合成，从而延长DNA链的修复。
（六）癌基因与抑癌基因
1．癌基因
是在自然或实验条件下，参与或直接导致正常细胞发生恶变的基因。分病毒癌基因(virusoncogene, v-onc )和原癌基因( proto-oncogene )两大类，前者为病毒中存在的、能诱导正常细胞转化为肿瘤细胞的致瘤基因，后者为存在于正常细胞中的癌基因同源性序列、起调节细胞生长和分化作用。已分离的癌基因有100多种，根据基因的结构及其产物的功能，可将原癌基因分为五大类：①生长因子类；②生长因子受体类；③细胞内信号传导蛋白类；④蛋白激酶类；⑤细胞核内转录调节蛋白类。
原癌墓因具有正常生理功能，但功能异常时又具有潜在致癌能力。其致癌能力与这类基因的异常激活有关，异常激活可发生在下列情况：①点突变；②启动子插入；③甲基化程度降低；④基因扩增与高表达；⑤基因易位或重排。激活后的原癌基因称为癌基因，不适当地表达癌基因产物，使细胞增殖控制丧失而形成癌。
2．抑癌基因
是一类存在于正常细胞中的、与原癌基因共同调控细胞生长和分化的基因，也称抗癌基因（antioncogene )、隐性癌基因( recessive oncogenes）。、自从1986年人类第一个抑癌基因Rb被分离克隆和鉴定后，有许多抑癌基因逐步被克隆鉴定，并发现它们与许多肿瘤密切相关，迄今为止发现的常见抑癌基因有：①P53基因：是一种与人类肿瘤相关性最高的基因；②Rb(retinoblastoma）基因；③PI 6基因；④APC( adenomatous polyposia coli）基因；⑤nm23基因；⑥MCC (mutated colorectal cancer）基因；⑦DCC（deleted in colorectal carcionoam）基因；⑧NF 1 (neurofibromatosis type 1）基因；⑨WT 1 (Wilms tumor type I）基因。
抑癌基因的根本作用是抑制细胞进入增殖周期，诱导终末分化和细胞凋亡，维持基因稳定，具有潜在抑制肿瘤生长的功能，当其发生突变、缺失或功能失活时，可导致细胞恶性转化而发生肿瘤、其作用机制可能通过抑制原癌基因的活化及表达，或通过使癌基因表达蛋白产物失活等，从而对细胞增殖起负调节作用。
第二节 分子诊断
长期以来，疾病的诊断主要依据病史、症状、体征和各种辅助检查，如血液学、病理学、免疫学、微生物学、寄生虫学乃至物理学检查等。然而，上述检查方法都具有其各自的局限性，使得许多疾病未能被及时准确地诊断，从而延误了治疗良机。因为许多外科疾病在病人出现症状、体征及生化改变之前就已存在相当一段时间，所以人们一直在盼望能找到一种技术，在疾病一旦发生，甚至尚未出现症状、体征及生化改变之前，就能作出诊断；对于某些可能的致病因素，包括食品、水质、环境中存在的病原体，人们也期望能有简单准确的方法及时进行检测。分子生物学技术的发展使人们渴望已久的上述愿望得以实现，这种在分子生物学理论和技术发展基础上建立起来的一门全新的诊断技术就是分子诊断。
生物大分子主要指核酸（DNA和RNA）和蛋白质，通过从分子水平上完成DNA, RNA或蛋白质检测，从而对疾病作出诊断的方法称为分子诊断，目前常用的方法有基因诊断和肿瘤标志物检测两种。
（一）基因诊断
基因诊断是用分子生物学的理论和技术，通过直接探查基因的存在状态或缺陷，从基因结构、定位、复制、转录或翻译水平分析基因的功能，从而对人体状态与疾病作出诊断的方法。基因诊断检测的目标分子是DNA或RNA，反映基因的结构和功能。检测的基因有内源性（即机体自身的基因）和外源性（如病毒、细菌等）两种，前者用于诊断基因有无病变，后者用于诊断有无病原体感染。
基因诊断的意义在于不仅能对某些疾病作出确切诊断，如确定某些遗传病，也能确定基因与疾病有关联的状态，如对疾病的易感性、发病类型和阶段的确定等。就目前已经开展的工作而言，外科领域的遗传性疾病、遗传易感性疾病、多种恶性肿瘤、感染性疾病、器官移植反应等都可以用基因诊断的方法加以诊断。
基因诊断的主要技术有核酸分子杂交、聚合酶链反应和生物芯片技术。
1．核酸分子杂交技术
（1）原理
具有一定互补序列和核昔酸单链在液相或固相中按碱基互补配对原则缔合成异质双链的过程，称为核酸分子杂交。杂交的双方是待测核酸序列和探针序列。应用该技术可对特定DNA或RNA序列进行定性或定量检测。
（2）基因探针及其标记
基因探针是一段与待测DNA或RNA互补的核昔酸序列，可以是DNA或RNA，长度不一，可为完整基因，也可为其中一部分。根据探针的来源和性质分为基因组DNA探针、cDNA探针、RNA探针和人工合成的寡核昔酸探针。作为探针至少必须满足两个条件，一是应为单链（或通过变性形成单链），二是应带有可被示踪和检测的标记。有了合适的探针，就有可能检测出目的基因，观察有无突变，也可根据探针的结合量进行定量检测。选择探针最基本的原则是要有高度特异性，其次也需考虑到制备探针的难易性和检测手段的灵敏性等其他因素。
（3）常用核酸分子杂交技术
①Southern印迹杂交；②Northern印迹杂交；③斑点杂交（ dotblotting）；④原位杂交（in situ hybridization）；⑤夹心杂交（三明治杂交）；⑥液相杂交。