遗传学进展范文

导语：如何才能写好一篇遗传学进展，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词：表观遗传学；染色体失活；DNA甲基化；组蛋白修饰；基因组印记

遗传学是指基于基因序列改变所致基因表达水平变化，如基因突变、基因杂合丢失和微卫星不稳定等；而表观遗传学则是指基于非基因序列改变所致基因表达水平变化，如DNA甲基化和染色质构象变化等；表观基因组学则是在基因组水平上对表观遗传学改变的研究。

通俗的讲，表观遗传学是研究在没有细胞核DNA序列改变的情况时，基因功能的可逆的、可遗传的改变。也指生物发育过程中包含的程序的研究。在这两种情况下，研究的对象都包括在DNA序列中未包含的基因调控信息如何传递到（细胞或生物体的）下一代这个问题。在分子水平上，表观遗传学解释了DNA序列所不能解释的诸多奇怪的现象。如：同一等位基因可因亲源性别不同而产生不同的基因印记疾病，疾病严重程度也可因亲源性别而异。表观遗传的现象很多，主要包括：染色体失活、DNA甲基化、组蛋白修饰、基因组印记等。

1 染色体失活

在哺乳动物中，雌雄性个体X 染色体的数目不同，这类动物需要以一种方式来解决X 染色体剂量的差异。在雌性哺乳动物中，两条X 染色体有一个是失活的，称为X染色体的剂量补偿。人类存在相同的现象，女性有两条X染色体，而男性只有一条X染色体，为了保持平衡，女性的一条X染色体被永久失活。X染色体失活的选择和起始发生在胚胎发育的早期，这个过程被X 失活中心(X - inactivation center) 所控制。这个失活中心存在着X染色体失活特异性转录基因Xist (X - inactive - specifictranscript) ，当失活的命令下达时，这个基因就会产生一个17 kb 不翻译的RNA 与X 染色体结合，引发失活。Xist基因编码Xist RNA，Xist RNA包裹在合成它的X染色体上，引发X染色体失活；随着Xist RNA在X染色体上的扩展，DNA甲基化和组蛋白的修饰马上发生，这对X染色体失活的建立和维持有重要的作用。X 染色体失活是表观遗传学最典型的例子，它可以通过有丝分裂或减数分裂遗传给后代。人们可以通过了解染色体失活的原理来解释遗传规律。

2 DNA 甲基化

所谓DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶的作用下，在基因组CpG二核苷酸的胞嘧啶5'碳位共价键结合一个甲基基团。它是基因组DNA 的一种主要表观遗传修饰形式，是调节基因组功能的重要手段。CpG常成簇存在，人们将基因组中富含CpG的一段DNA 称为CpG岛，通常长度在1～2 kb 左右。人类基因组中大小为100～1 000 bp左右且富含CpG二核苷酸的CpG岛总是处于未甲基化状态，并且与56%的人类基因组编码基因相关。CpG岛常位于转录调控区附近，在DNA 甲基化过程中胞嘧啶突出于DNA 双螺旋并进入与胞嘧啶甲基转移酶结合部位的裂隙中，该酶将S-腺苷甲硫氨酸(SAM) 的甲基转移到胞嘧啶的5′位，形成5 - 甲基胞嘧啶。由于DNA甲基化与人类发育和肿瘤疾病的密切关系，特别是CpG岛甲基化所致抑癌基因转录失活问题，DNA甲基化已经成为表观遗传学和表观基因组学的重要研究内容。体内甲基化状态有3种：持续的低甲基化状态、诱导的去甲基化状态和高度甲基化状态。DNA 甲基化主要是通过DNA 甲基转移酶家族来催化。DNA 甲基转移酶分两种：维持甲基化酶和重新甲基化酶。在细胞分化的过程中，基因的甲基化状态将遗传给后代细胞。但在哺乳动物的生殖细胞发育时期和植入前胚胎期，其基因组范围内的甲基化模式通过大规模的去甲基化和接下来的再甲基化过程发生重编程，从而产生具有发育潜能的细胞。

3 组蛋白修饰

组蛋白是真核生物染色体的基本结构蛋白，是一类小分子碱性蛋白质。组蛋白有两个活性末端：羧基端和氨基端。染色体的多级折叠过程中，需要DNA 同组蛋白结合在一起。这种常见的组蛋白外在修饰作用包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化、ADP 核糖基化、羰基化等，它们都是组蛋白密码的基本元素。与DNA 密码不同的是，组蛋白密码和它的解码机制在动物、植物和真菌类中是不同的。我们从植物细胞保留有发育成整个植株的全能性和去分化的特性中，就可以看出它们在建立和保持表观遗传信息方面与动物是不同的。乙酰化修饰大多在组蛋白H3 的Lys9 、14 、18 、23 和H4 的Lys5 、8、12 、16 等位点。甲基化修饰主要在组蛋白H3 和H4 的赖氨酸和精氨酸两类残基上。研究也显示，在进化过程中组蛋白甲基化和DNA甲基化两者在机能上被联系在一起。在引起基因沉默的过程中，沉默信号(DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重新装配)是如何进行的目前仍处于研究阶段。当DNA量增加时，阻抑作用可消除，转录便开始进行。这说明组蛋白的阻抑作用不是抑制RNA聚合酶，而是组蛋白与DNA相结合后，将DNA束缚住使其不能转录。

4 基因组印记

篇2

先天性心脏病（congenital heart defects， CHDs）是新生儿先天缺陷中最常见的疾病之一，在存活的新生儿中发病率为1%，孕期自发流产率为5%～10%[1，2]。室间隔缺损(ventricular septal defect，VSD)是最常见的一种心脏畸形，大约占CHDs的33%[3]。随着心脏发育生物学水平的不断提高，目前认为，原发成形素的任何一点的破坏都将导致VSD。VSD的分子遗传学基础可以分为染色体异常和基因改变两类。因此，从分子水平上研究控制心脏发育的相关染色体及基因改变，对于探讨VSD的发病机制具有重要意义，以便为今后产前诊断和遗传咨询提供更可靠的依据，现对VSD的分子遗传学研究进展综述如下。

1 染色体异常

染色体异常或染色体畸变是指染色体的结构或数目发生了异常的变化，包括缺失、重复、易位和倒位4种类型。在21三体（Down综合征）、13三体、15三体、18三体（Eward综合征）、22q11缺失（DiGeorge 综合征）和45X缺失（Turner综合征）等一些染色体异常疾病中，VSD经常发生[4]。由于大约5%～8%的CHDs患儿存在染色体异常疾病，亲代染色体异常在子代VSD发病中具有十分重要的影响。值得注意的是，杜玉荣等[5]的研究结果表明，VSD与22q11 微缺失有关，国外也有类似报道[6]。但22q11微缺失是否与单纯CHDs的发生有关还需要进一步的研究证实。

2 基因改变

同大多数CHDs一样，VSD是一种多基因病，其发病机制仍然没有完全阐明。基因的缺失、重复和突变均可引起基因的改变。随着分子生物学的飞速发展，可能与VSD发病有关的基因逐渐被人们所认识。

2.1 TBX5基因：TBX5 基因属于T-box转录因子基因家族，定位于12q24.1，其cDNA全长2 441bp，有8个外显子，编码1个513个氨基酸的转录因子。TBX5转录因子在心脏、上肢芽和眼中表达。TBX5基因突变会使TBX5转录因子表达异常或表达缺陷，这都将引起心脏发育不良和上肢畸形。对Holt-Oram综合征家系的研究有力阐明了TBX5突变引起房间隔缺损（atrial septal defect，ASD）和VSD的机制[7，8]。

2.2 GATA4基因：GATA4基因属于GATA家族，定位于染色体8p23.1，其cDNA全长1 856 bp，有9个外显子，编码1个438个氨基酸的转录因子，分子质量45 ku。GATA4基因是心脏前体细胞分化的最早期标志之一。有研究发现多种锌指蛋白在VSD患儿中有不同水平地表达，而GATA4作为一种锌指蛋白，在VSD患儿中表达水平下降[9]。

2.3 NKX2.5基因：NKX2.5基因属于NK型同源核基因家族NKX2型的成员之一，定位于5q35，其cDNA全长1 585 bp，有2个外显子，编码1个324个氨基酸的转录因子，分子质量35 Ku。在两个外显子之间有约1.5 Kb的内含子，在其上游约9 Kb处有一含有GATA4的高亲和位点的心脏增强子，对心肌细胞的分化、整个心管的形成与环化起到重要作用。有研究[10]表明NKX2.5突变是ASD发生的一种少见的致病原因，但除此之外，NKX2.5突变与VSD发生有关也得到了普遍认同。

有研究认为TBX5、GATA4和NKX2.5之间存在相互作用，它们的转录激活引发了VSD的形成[11]。H. Chen等[12]也进一步证实了上述几个主要的心脏转录因子、BMP10与细胞周期调节蛋白之间的相互作用是影响孕中期心脏发育转变的重要途径。这也为我们更深入地理解VSD的发病机制提供了依据。Hao Zhang等[10]也发现了一些在VSD发展过程中发挥了重要作用的基因，这些基因涉及了能量代谢、细胞周期和分化、细胞骨架和细胞粘附、LIM蛋白和锌指蛋白等过程和物质，它们的表达水平在VSD患儿中与正常人相比有很大的差异。

3 再显风险率

目前，虽然还没有VSD相关的染色体异常和基因改变的直接的分子遗传学检测，但是可以通过对生育人群的调查来评估它的再显风险率。

4 展望

在最近的几年中，随着分子生物学和医学遗传学的不断发展，不管是单纯的VSD，还是作为某种综合征的一部分，关于VSD致病基因的确认和特性研究都取得了一些有意义的进展。基因突变导致其所编码蛋白的功能异常，影响特异信号转导途径或转录方式，从而产生异常的表型，这一观点越来越受到重视和推崇。一个重要的例子就是Noonan综合征，它与RAS/MAPK信号级联反应异常有关[13]。由于心脏发育从整体上来看比较复杂，从而产生了许多的候选基因，高通量的基因测序技术使我们能够发现更多的致病基因和已知基因的功能，从分子和基因水平阐明VSD或其它CHDs的致病机制。我们可以更加准确地完成对再显风险率的预测，进一步提高早期诊断水平，为基因诊断和治疗提供理论基础。

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摘　要　疟原虫产生抗药性是疟疾防治中遇到的主要难题之一。抗叶酸类抗疟药的抗药性机制已基本搞清，与其作用靶酶二氢叶酸还原酶或二氢蝶酸合成酶基因点突变相关。喹啉类药物抗性影响因子尚不完全清楚。恶性疟原虫5号染色体上的多药耐药基因1及7号染色体上的cg2基因可能是抗性相关基因，但二者都不能完全解释抗性，尚待深入研究。

疟疾的流行至今仍然十分广泛，遍及全球90多个国家和地区，20亿人面临感染疟疾的危险。据统计，全球每年有3亿～5亿疟疾病例，导致150万～270万人死亡，其中100万是居住在非洲的5岁以下儿童［1］。人类在长期实践过程中筛选了大量防治疟疾的药物，但是，自从50年代末在东南亚和南美洲分别发现恶性疟原虫对氯喹产生抗药性以后，抗氯喹恶性疟迅速扩散蔓延，抗药性程度不断增加，并且从单药抗药性向多药抗药性发展。我国的海南、云南和广西等省、自治区也有抗药性疟疾的流行。目前，疟原虫对几乎每一种抗疟药都产生了抗性，疟疾防治形势非常严峻，迫切要求我们尽快搞清抗药性产生的机制，以便采取措施防止或逆转抗药性的发生并指导新药研究。近年来，分子生物学技术的发展及学科渗透大大推动了疟原虫抗药性机制的遗传学研究，本文就抗叶酸制剂及喹啉类药物抗性的分子机制作一综述。

1　抗叶酸制剂抗性的分子机制

1.1　二氢叶酸还原酶（DHFR）基因

乙胺嘧啶和环氯胍都是二氢叶酸还原酶抑制剂。研究表明，恶性疟原虫对两药产生抗药性都与DHFR基因点突变相关，但二者存在差异［2，3］。迄今为止，共报道了6个DHFR基因编码区变异：108位SerAsn或Thr，51位AsnIle，59位CysArg，16位AlaVal，164位IleLeu。单一点突变所致DHFR108位Ser变异成Asn即可产生乙胺嘧啶抗性，但对环氯胍的反应性仅稍有降低。对乙胺嘧啶产生高度抗性则需其他位点突变共存，包括51位AsnIle和（或）59位CysArg。而与环氯胍抗性相关的变异是DHFR108位SerThr伴随16位AlaVal，同样，该抗性株对乙胺嘧啶的敏感性变化不大。

另外，在对乙胺嘧啶和环氯胍交叉耐药的恶性疟原虫中发现存在多个位点变异：DHFR164位IleLeu，108位SerAsn，59位CysArg和（或）51位AsnIle。由于仅包含Asn-108和Arg-59变异的原虫分离物不具有环氯胍抗性，因此，认为Leu-164变异在疟原虫对两药产生交叉抗性的机制中起重要作用［3］。

1.2　二氢蝶酸合成酶（DHPS）基因

磺胺类药是二氢蝶酸合成酶抑制剂。研究发现，正是由于磺胺类药作用的靶酶DHPS基因点突变，使得酶活性中心结构域形状改变，因而降低了对药物的敏感性。体外低叶酸条件下实验表明［4］，与磺胺多辛易感性降低相关的DHPS氨基酸变异主要包括581位AlaGly，436位SerPhe伴随613位AlaThr/Ser，以及436位SerAla，437位AlaGly。

磺胺多辛通常与乙胺嘧啶合用于治疗恶性疟疾。对两药联用的体外研究揭示，疟原虫对乙胺嘧啶的易感性决定着两药协同作用的效果［5］。体内研究也发现［6］，前面所述的DHFR变异类型均存在并与抗性程度相关，而DHPS基因突变与抗性的发生没有明显相关性，仅在抗性程度较高的玻利维亚地区可见Gly-581高度流行，Gly-437和Glu-540的发生与用乙胺嘧啶-磺胺多辛治疗失败率相当，这可能由于体外研究中叶酸和PABA水平不同于体内。另一种解释是Ala-436的变异可能仅在低度抗性时出现，且不与高度抗性时的变异Gly-437，Glu-540和Gly-581共存。因此推测，DHPS变异在临床乙胺嘧啶-磺胺多辛抗性的产生中不起主导作用。

我们能够肯定，体内乙胺嘧啶-磺胺多辛抗性与DHFR基因突变相关，然而在抗性疟流行区治疗失败率并不像突变发生率那样高，提示体外研究发现的三种变异Asn-108，Ile-51和Arg-59不能完全解释体内高度抗性。在玻利维亚的高度抗性病例中曾发现Leu-164及另外两个新的变异Arg-50和插入30-31位间的玻利维亚重复区高度流行，提示这些变异可能是在抗性发展的较高时期产生的，关系到治疗的成败。据此Plowe等［6］提出假设，体内乙胺嘧啶-磺胺多辛抗性程度分级RⅠ，RⅡ，RⅢ正是基于DHFR和DHPS基因突变的不断积累。由于现实中恶性疟原虫感染的复杂性及宿主免疫与叶酸水平的影响，事实上所检测到的抗性突变往往是交叉重叠的。

总之，关于抗叶酸制剂的抗药性分子机制已基本搞清。因此，我们可以根据特有的突变类型，运用分子生物学的方法，进行大规模的流行病学研究，这对于鉴定某一疟疾流行区的药物敏感性，从而指导临床用药具有重要意义；同时也可指导新药设计及临床药物联用，以最大限度地减少药物抗性的发生。

2　喹啉类药物抗性的分子机制

氯喹曾经是使用最广泛的抗疟药，由于抗性的发展及传播，在大部分地区已不再具有以往的效力。影响抗性机理最终阐明的重要因素是喹啉类药物作用机制还不十分清楚。不同地区的研究者报道关于氯喹抗性的一个共同特征是：抗氯喹虫株较敏感性虫株药物聚集水平降低了。因此，氯喹的转运和聚集不仅对其发挥抗疟活性是必需的，而且与抗性表型密切相关，提示喹啉类药物抗性产生可能与其作用方式没有直接关系，这与抗叶酸制剂不同。

2.1　恶性疟原虫多药耐药基因（pfmdr1和pfmdr2）

研究发现，维拉帕米（一种钙通道阻滞剂）可逆转氯喹抗药性，促使人们考虑氯喹抗性可能与哺乳动物肿瘤细胞多药抗药性（MDR）表型相似［7］。研究表明，肿瘤细胞产生MDR是由于一种ATP依赖性的、与药物外排相关的蛋白过量表达所致，称为P-糖蛋白，它定位于细胞表面，与许多不同类型的化合物有亲合力［8］。在此基础上，Krogstad等［9］发现抗氯喹株原虫较敏感株排出氯喹的速率快40～50倍，且这种排出是能量依赖性的，并可被能量缺乏及ATP阻断剂抑制。但是也有研究显示，抗氯喹株与敏感株药物外排率相等［10］；二者药物聚集量的差别是由于最初的药物摄入速率不同所致［11］。

哺乳动物MDR表型通常伴有mdr基因的扩增，导致其产物P-糖蛋白表达增加［8］。对恶性疟原虫基因的研究表明也存在mdr基因同系物，以pfmdr1和pfmdr2为主［12，13］。目前尚无证据表明pfmdr2及其表达产物与氯喹抗性有关，而有相当多的研究认为pfmdr1与抗药性机制相关。

Pfmdr1编码一个相对分子质量约162的蛋白，称为P-糖蛋白同系物1（Pgh1）。早期研究表明，在一些抗氯喹株中存在pfmdr1扩增［12，13］。免疫荧光及免疫电镜技术观察pfmdr1蛋白产物，发现Pgh1在红内期表达，主要定位于食物泡膜上，这与它可能充当氯喹转运蛋白的角色一致，但是定量分析不能确认Pgh1过表达与抗药性相关［14］。

Foote 等［15］对pfmdr1基因3′多态性及等位基因变异分析表明，pfmdr1突变与氯喹抗性表型相关，并提出存在两种类型抗性相关等位基因，一种可致单一氨基酸变异86位AsnTyr，为K1型；另一种则导致三种氨基酸变异，1034位SerCys、1042位AsnAsp和1246位AspTry，为7G8型。这可能分别代表着最早在东南亚和南美洲出现的氯喹抗性类型。以此为基础，运用单盲法研究，曾正确地预测了36份样品中的34份的药物易感性。Adagu等［16］的研究也表明86位Tyr突变与氯喹抗性相关。但是，同时有些研究不能得到相同的结果。这提示可能pfmdr1不是唯一的控制抗性的基因。

氯喹抗性与pfmdr1的关系尚不明确，从选自氯喹抗性亲代的甲氟喹抗性株中却发现有pfmdr1的扩增，并且虫株对甲氟喹抗性增加的同时对氯喹的易感性增加了［12］。Barnes等［17］的研究表明，随着原虫对氯喹抗性的增加，pfmdr1基因拷贝数减少，甲氟喹易感性增加，这无疑加强了pfmdr1扩增与甲氟喹抗性的关联。因此推测pfmdr1扩增可能与氯喹高度抗性是不相容的，Pgh1的功能可能是促进对氯喹的易感性。

将pfmdr1基因转染于异源表达系统中国仓鼠卵巢细胞（CHO），使其表达恶性疟原虫Pgh1，发现Pgh1表达伴随有能量依赖性的药物摄入增加［18］，而且Pgh1就定位于转染的CHO细胞溶酶体上，经测定，发现转染细胞溶酶体内pH值有所下降，认为氯喹聚集增加可能是溶酶体酸化的结果，推测pfmdr1可能编码一种液泡氯化物通道。当CHO细胞被携带有7G8型1034和1042位突变的pfmdr1基因转染时，则发现氯喹易感性丧失，细胞聚集药物及酸化溶酶体的能力减弱，这就从某种意义上证实了关于Pgh1促进氯喹易感性的推测。但这仍不足以解释抗性。Ritchie等［19］发现源自氯喹抗性亲代的卤泛曲林抗株表现对卤泛曲林、甲氟喹和奎宁敏感性降低而对氯喹敏感性增强，却未检测到任何pfmdr1基因序列或拷贝数及Pgh1表达的变化。

很明显，关于pfmdr1与喹啉类药物抗性的关系仍有很大疑问，可能抗性的发生有一定的地理学基础，而寻找某个单一的基因来解释抗性本身过于简单化，氯喹抗性发生的缓慢及复杂性也不支持单基因决定抗性的假设。

2.2　cg1基因和cg2基因

早在90年代初，Wellems等［20］从一次遗传杂交试验中发现疟原虫抗氯喹表型以孟德尔方式遗传，亲代pfmdr1基因不与子代药物反应表型分离。对杂交子代进一步观察发现氯喹抗性表型与恶性疟原虫7号染色体上约400 kb的区域相关而不是5号染色体的pfmdr1基因。这一区域包含80～100个基因，对该区域进行大量的分析研究后［21］，确定36 kb的片段与氯喹抗性表型相关，并鉴定了2个候选基因：cg1和cg2。对采自东南亚和非洲大量的抗氯喹株检测结果表明，cg1尤其是cg2基因多态性与氯喹抗性显著相关，但不排除cg1与cg2协同参与了抗性。不过，对南美洲抗氯喹株的检测没有得到同样结论。运用免疫电镜技术观察到CG2蛋白定位于原虫周围液泡、食物泡及囊泡结构形成的外膜复合物上，暗示CG2可能是一种转运蛋白。然而检索序列数据库未发现CG2与任何已知离子通道或转运蛋白同源。

Sanchez等［22］认为在氯喹抗性过程中，有转运分子在起作用，一个Na+/H+交换蛋白（NHE）可能调控着氯喹的摄取。已证实恶性疟原虫以一种热敏感的可饱和的方式主动摄取氯喹，并可被高等真核生物NHE的特异性抑制剂氨氯吡咪竞争性抑制。运用与Su等同样的亲代子代克隆研究发现，氯喹抗性表型与恶性疟原虫NHE的生理生化特征有遗传学关联。因此，Sanchez等［23］推测恶性疟原虫cg2基因可能编码Na+/H+交换蛋白，他们认为两者可能有共同的结构和功能，比如氨氯吡咪结合位点、与NHE离子交换区同源等。但是，Wellems等［24］详细分析了CG2蛋白序列，不支持上述观点。首先，尽管CG2序列有一些疏水性氨基酸，却没有整合膜蛋白的典型特征，疏水性与跨膜区域分析表明，NHE与CG2有显著差别。其次，CG2与NHE离子交换区域不具有同源性，Sanchez等提出的CG2有氨氯吡咪结合位点也没有可靠的根据。此外，如果CG2是一种整合膜Na+/H+交换蛋白，应当定位于胞浆膜上，而不是原虫周围液泡及食物泡上。

Wellems等［24］认为CG2不是转运蛋白，而是通过直接影响氯喹摄入、血红蛋白消化、血红素聚合或血红素与氯喹复合物的毒性作用来调控原虫对氯喹的易感性，但需要进一步的生化实验及蛋白功能研究才能确定其确切机制。

总之，关于喹啉类药物抗性机制已提出了多种理论，虽然每种理论都不能完全解释抗性，但是这些研究对于搞清抗性机制有着重要的意义。随着现代药理学、生物化学及分子生物学的发展，我们有理由相信在不久的将来能够阐明这一问题。

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［22］　Sanchez CP， Wunsch S， Lanzer M. Identification of a chloroquine importer in Plasmodium falciparum［J］. J Biol Chem， 1997， 272(5): 2652.

篇4

关键词：小儿哮喘；免疫学；发病机制

小儿哮喘是一种表现反复发作性咳嗽，喘鸣和呼吸困难，并伴有气道高反应性的可逆性、梗阻性呼吸道疾病，会严重危害儿童的身体健康，异常免疫反应在发病中起着重要作用，其主要病理过程为气道黏膜水肿，嗜酸性粒细胞、淋巴细胞和中性粒细胞浸润气道，导致内分泌物增多[1-2]。由于气道有炎症，使气道高反应性，细小支气管管腔狭窄甚至闭塞，血清和气道分泌物中总免疫球蛋白（IgE）和过敏原特异性IgE增高，该病理和病理生理改变的本质是异常的免疫反应。

1、遗传学背景

哮喘为多基因遗传病：其遗传度高达77%，但环境因素仅占23%。通过结合DNA芯片技术与临床表型关联的分析得出：哮喘候选基因的筛选已被越来越多的人所关注。目前已发现11q与过敏体质（atopy）有关，其控制总IgE和气道高反应性的基因位点位于染色体5q31成簇的细胞因子（IL-4，IL-13和IL-4受体）中。这些基因的突变导致细胞内信息传递因子信息传感和转化活化剂-6（STAT6）活化[4]，促使atopy和哮喘的发生。而且β2受体的突变与哮喘有紧密的关系，位于14q的T细胞抗原受体（TCR）和特异性IgE反应连锁。由此可见，哮喘的发病和atopy的形成均具有遗传背景.。然而近几十年，哮喘的发病率却在成倍的上升，这说明不仅仅是候选基因发生突变而导致的，主要原因是环境因素变化。此外，从已知的哮喘候选基因来看，均属免疫因子的基因位点，这些基因多态性的表型（临床表现）必然关系到免疫学改变[3]。

2、TH1/TH2 细胞功能失调

TH1 细胞的主要通过分泌IL-2和IFN- γ等细胞因子对抗细胞内细菌及原虫的免疫反应，对诱发器官特异性自身免疫病、器官移植排斥反应以及抗感染色疫中起面议调节作用，而TH2细胞主要分泌IL-4、IL-5、IL-6、IL-10、IL-13，能够在诱发过敏反应中调节体液免疫反应，并辅助B细胞合成转化免疫球蛋白，其中，分泌出的IL-4能够促进IgE的合成，IL-5和IL-8能够延长嗜酸性粒细胞在气道内的存活时间，所以，形成过敏体质的基础便是TH2的功能亢进[4]。

在一般情况下，TH1/ TH2细胞处于恒定状态，二者功能发生变化时又会产生相互影响，例如当哮喘患者TH1细胞功能下降时，TH2细胞的功能就反而增大，导致生成大量炎症因子，IFN- γ水平降低，IL-4、IL-5水平升高，说明患者体内TH1/ TH2功能失调，当然，TH1细胞和TH2细胞的功能并不是相互独立的，TH1/ TH2细胞起着相互抑制的作用，当TH1内的细胞因子IFN- γ拮抗TH2的IL-4和IL-10时，会导致TH2细胞的活性减弱，相反，当TH2细胞内的细胞因子IL-4和IL-10拮抗IL-2和IFN- γ时，TH1细胞的活性就会减弱。总免疫球蛋白会促进肥大细胞和嗜酸粒形细胞分化，进而形成以IgE为特征的速发型变态反应，即迟发型哮喘反应。

从最近的小儿哮喘发病机制的研究结果：诸多哮喘患儿的体内并不存在TH1细胞功能低下或者TH2细胞功能亢进的现象，由此表明，TH1/ TH2细胞失衡并不是导致小儿哮喘发病的唯一因素，还尚有其他亟待可知的机制参与。

3、TH2细胞引起免疫反应

1、嗜酸性粒细胞（eosinophil） 嗜酸性粒细胞属于白细胞，其具有粗大的嗜酸性颗粒，内含有过氧化物酶和酸性磷酸酶，气道全层会在TH2细胞内的细胞因子IL-5和 IL-13的诱导下聚集大量嗜酸性粒细胞，从而释放出炎症介质，主要有嗜酸细胞神经毒蛋白、胶原酶、NO、以及血小板激活因子等。

2、免疫球蛋白（IgE） IgE是人体的一种抗体，存在于血中，可以引起I型超敏反应，TH2细胞内的细胞因子IL-4能够促成lgE的合成，它与肥大细胞和嗜碱性粒细胞结合释放出炎性介质，从而产生免疫功能。

3、细胞黏附分子（CAM） 细胞黏附分子能够通过介导白细胞与内皮细胞及其他气道结构细胞的相互作用来调控白细胞在局部的聚集与归巢等活动[2]，由于TH2内细胞因子IL-6以及肿瘤坏死因子的刺激，导致炎症细胞大量在气道聚集。同时，血管细胞黏附因子、细胞间黏附分子、分泌因子都会到气道参与聚集。

4、趋化因子（chemokines） 趋化因子在炎症反应中有着不可替代的作用，它能够吸引白细胞移行到感染部位的一些低分子量趋化因子（多为8-10KD），同样，嗜酸细胞活化趋化因子也会参与到炎症细胞在气道聚集。

5、内皮素（Ets） 内皮素存在于血管内皮以及各种组织和细胞中，是调节心血管功能的重要因子，能够维持基础血管张力与心血管系统稳态。其合成主要取决于巨噬细胞原炎症因子和肿瘤坏死因子-α的调控。内皮素不仅能够有效收缩支气管平滑肌，而且还能促进黏膜下腺体的分泌以及促使平滑肌合成纤维细胞的增殖。

4、树突状细胞（DC）

树突状细胞是机体功能最强的专职抗原递呈细胞，能高效地摄取、处理和递呈抗原，自身有很强的免疫刺激能力，对小儿哮喘的发病机制起着至关重要的作用。其通常少量分布于与外部接触的皮肤部位，DC主要分为髓样DC（DCl）和淋巴样DC（DC2），DCl分泌的IL-12和IL-18促使TH0细胞分化为TH1细胞，由于IL-4的刺激，TH0渐渐向TH2发育，同时IFN- γ的正反馈刺激DCl 使TH1分泌更多的IL-12，因而导致DCl功能不足，TH1/ TH2细胞功能失衡，很大程度上，会引起人的过敏反应[5]。

DC有成熟状态和未成熟状态，在人体内， DC大部分是非成熟状态，未成熟DC有极强的抗原吞噬能力，在摄取抗原或受到外界因素刺激时就会分化为成熟DC，而成熟DC能有效激活初始型T细胞，近年来，人们越来越重视微环境因素对不成熟DC发育可能造成的影响，比如细胞因子。

最近研究表明又出现了低3种表型的DC[6]，即低分化DC，其吞噬功能很强，但分泌细胞因子的能力较弱，它与DC1、DC2不同的是，在提呈抗原的过程中并不会激活TH0细胞。由此看出，树突状细胞对小儿哮喘的发病具有关键作用。

5、免疫耐受现象

免疫耐受是指免疫活性细胞接触抗原性物质时所表现的一种特异性的无应答状态，如在抗原或过敏原刺激下，树突状细胞内不成熟的DC能够抑制气道炎症反应。但准确机制尚不明，导致不成熟DC诱导T细胞的无能化，可能是由于它们之间缺少共刺激分子。

6、哮喘的发作与因素

哮喘发作的前兆便是出现过敏体质，与TH2细胞不同，T细胞主要产生IL-10来抑制TH1细胞和TH2细胞，而TH3细胞主要分泌TGF-β来抑制炎症的反应，通过诱导共刺激分子，T细胞、TH3细胞由于与其配体的相互连接而被活化 ，从而导致细胞功能缺乏，免疫耐受状态被破坏，便出现了过敏体质。

由于近年来哮喘发病率急速上升[7]，随之便出现了各种导致因素，感染便是其中之一，感染的抗哮喘机制是极其复杂的，通过toll样受体细菌会促使TH1的发育，由于缺乏经常性呼吸道感染的原因，导致TH1不能完全发育，使新生儿时期，TH2细胞的功能亢进发展迅速，便形成了过敏体质。已有医学证明鼻病毒、腺病毒、衣原体或支原体呼吸道感染也会导致哮喘的发作，但是也并不是所有的呼吸道感染都能诱发哮喘的发作。是否导致哮喘的发作取决于病原体的抗原成分，成分不同，可能诱发哮喘也可能抗哮喘，哮喘的发作与感染机会并没有直接的关系。

7、哮喘的免疫学治疗

随着医学技术的不断更新，目前已研究出许多控制哮喘发作的方法，如气道吸入糖皮质激素、抗原特异性免疫疗法以及LgE单克隆抗体治疗等疗法，但这些并不能从根本上治疗哮喘，，如糖皮质激素，它只能控制哮喘症状，必须持续用药来预防复发。所以深入研哮喘发病机制探索出一种新的能够抑制哮喘的发作的疗法是有意义的。

由于哮喘发作的机制是免疫耐受被打破，所以想要研究出预防和治疗哮喘的有效方法就需重建免疫耐受，增强免疫耐受的方法如下：

7.1益生态学治疗：为激活黏膜免疫系统NOD2的活性来预防过敏性疾病的发生，可口服乳酸杆菌。

7.2抗原特异性免疫治疗：通过反复接触少量过敏原来调节机体的免疫应答，使机体产生耐受性，当机体再次接触过敏原时，便可减少介质释放，减轻气道炎症，从而降低气道反应性。

7.3脱敏治疗：脱敏治疗有口服过敏原和皮下注射过敏原，为提高其特异性免疫耐受，可通过诱导IL-10来抑制IL-4的产生。皮下注射过敏原已广泛应用于小儿哮喘的临床。

参考文献：

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[2] Zora， J.E.，Sarnat， S.E.，Raysoni， A.U. et al.Associations between urban air pollution and pediatric asthma control in El Paso， Texas[J].Science of the Total Environment，2013，448：56-65.

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一、法制宣传教育工作指导思想必须与时俱进

全民普法二十多年来，人民法律素质得到了很大提高，国家民主与法治进程取得了巨大进步。进入新世纪新阶段，必须确立与之相适应的法制宣传教育工作指导思想，做到与时俱进。一是树立正确的普法观念。普法工作是一项功在千秋，利在当代的伟大事业，其长期性、艰巨性和渐进性是不言面喻的，尤其是我们这样长期浸透在封建历史长河中的国家，更是如此。要牢固树立长期作战、吃苦耐劳、默默无闻、坚忍不拔的思想，克服一切可能的急功近利和悲观情绪，把功夫下在对广大群众的潜移默化和润物细无声上。二是树立科学的普法理念。要从侧重普及法律知识，转到培养公民的法律意识、法治精神和法律信仰上来；要从侧重履行法律义务方面教育，转到增强公民积极的法律意识上来，尤其是要用现代法治理念教育引导公民的权利意识和义务观念；要从侧重法制教育的普及率，转到强化公民自觉自愿参加法治实践活动上来。

二、法制宣传教育工作形式必须不断创新

法制宣传教育工作的规律要求我们必须将普法活动有机地融入到公众物质生活和精神生活之中，使普法的单向灌输关系变为双向互动关系，因此，我们必须突破惯性思维，进一步创新法制宣传教育的形式，尤其要更加注重法治文化的熏陶。一是加大法制文艺的创作和演出。充分挖掘城市街道、社区民间文化资源，鼓励支持群众自编、自导、自演各具特色的法制文艺节目，让群众在日常文化活动中实实在在感受法律的存在。二是加强与现代媒体联手。法制宣传教育主管部门要全力利用影视、报刊、网络和广告载体等资源，以法制主题词句、动漫图片等形式开展法制宣传活动，还可以尝试市场化运做的方式，组建法制文化艺术传媒公司，编写拍摄播出法制文化艺术影视作品和组织舞台演出活动，编导有关法律与政治、法律与民生、法律与文化、法制史与社会发展等专题电视记录片，着力解决法制文化节的社会性、参与性。好的影视作品既可以产生社会效益，也可以产生经济效益，有了经济和社会效益，就可以使法制文化艺术的创作活动产生良性循环，就可以产生更多的有影响力的法制艺术影视作品。

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关键词：遗传学；教学改革；课程群；

随着现代生物科学技术的发展，遗传学已成为21世纪生命科学领域发展最为迅速的学科之一，是生命科学中各门学科的核心，它的分支几乎扩展到生命科学的各个研究领域.目前，在生物学各专业的教学中，普遍存在着知识老化，课程体系陈旧，如遗传学和细胞生物学、生物化学、基因工程、基因组学、分子遗传学等课程之间存在着部分内容重复等一系列问题.显然，当前的课程体系已不适应高等学校生命科学教育的要求.如何突出遗传学主干课程，实现课程体系的整合、优化，不同课程间知识的融通和衔接，以此组建口径宽、方向灵活的课程群，加强学生创新意识和创新能力的培养，以增强学生的适应性和竞争力，培养学生的个性特长、能力特长以及继续学习的能力，形成终身学习的观念，是摆在我们面前值得思考的问题.我们从遗传学课程入手，对遗传学课程群进行了初步的思考，重新设置和实践，目的是实现课程体系的整合、优化，培养符合现代社会要求的创新型、复合型人才.

1遗传学课程群内课程设置的基本思路

遗传学课程群内课程设置的基本思路就是围绕“一个中心，三个方向”的原则，以普通遗传学为核心课程，兼顾三个方面的内容.基本框架如图1.

“一个中心”就是以普通遗传学为核心课程.遗传学是一门生命科学所有专业的重要基础课，要求全面系统地介绍遗传学的基本原理、分析方法及现代遗传学发展的最新成就.在教学中，要始终贯穿遗传物质的本质、遗传物质的传递和变异、遗传信息的表达与调控这一主线，使学生在群体水平、个体水平、细胞水平和分子水平的不同层次上对遗传学有比较全面、系统的认识，并能应用其基本原理分析遗传学数据，解释遗传学现象，并对遗传学各分支学科有一个基本的了解.

“三个方向”是以遗传学分支学科、反映现代遗传学发展的学科及遗传学普及性学科为遗传学内容细化、深化和普及的三个层面，主要包括以下内容：

一是遗传学分支学科的内容，主要包括《群体遗传学》、《微生物遗传学》、《细胞遗传学》等课程，以专业选修课的形式开出，主要目的是根据学生的兴趣和爱好，深入学习遗传学各个分支学科的知识.如《群体遗传学》是研究在自然选择、基因漂变、突变以及迁移四种进化动力的影响下，等位基因的分布和改变.它是在群体水平上研究种群的分类、空间结构等，并试图解释诸如适应和物种形成现象的理论.《微生物遗传学》是以病毒、细菌、小型真菌以及单细胞动植物等为研究对象的遗传学分支学科.《细胞遗传学》是遗传学与细胞学相结合的一个遗传学分支学科，主要是在细胞和染色体水平上研究.

二是反映现代遗传学发展的学科，如《基因工程》、《分子遗传学》、《基因组学》.这三门课程都是在普通遗传学基础上开设的专业选修课程，目的是与现代遗传学的发展接轨.如《分子遗传学》(moleculargenetics)的主要内容为基因的结构、复制和转录以及转录后调控、翻译，基因突变，DNA的复制、修复，原核与真核生物的基因表达调控，是在分子水平上进行的研究.此课程为生命科学各专业本科生的学科基础课，也可作为研究生的专业选修课.《基因工程》(geneengineering)主要介绍基因操作的主要技术原理，基因操作的工具酶，克隆载体，目的基因的分离方法，重组体的构建及导入，克隆基因的表达与检测，基因工程研究进展，存在问题及新策略等内容，使学生具备基因工程方面的基本知识和掌握其操作技术.《基因组学》(genomics)是对所有基因进行基因组作图，核苷酸序列分析，基因定位和基因功能分析的一门科学.主要讲述生物基因组的基本结构和组成、基因组内基因的表达和调控、遗传图谱与物理图谱、基因组测序、基因组序列解读、染色体的结构与基因表达调控、基因组的复制、基因组进化的分子基础、基因组进化的模式、分子系统发生学等内容，并讲述人类基因组计划的全过程以及由此引发的道德伦理和法律问题，系统向学生讲授基因组学研究的基本内容及相关进展.通过该课程学习，使学生了解结构基因组学和功能基因组学的重要研究领域、热点问题与发展趋势，以及国内外研究现状与进展.

三是遗传学普及性的内容，此类课程为遗传学的平行课程，以公选课的形式开出，主要目的是普及遗传学知识，提高人口质量和全民素质.我们针对非生物专业的学生开设了《人类遗传学》和《遗传与优生》两门课程.《人类遗传学》主要讲述人类在形态、结构、生理、生化、免疫、行为等各种性状的遗传上的相似和差别，人类群体的遗传规律以及人类遗传性疾病的发生机理、传递规律和如何预防等内容，使学生掌握人类遗传学的基本概念和主要研究方法.《遗传与优生》主要讲述什么是遗传病，遗传病对人类的危害，人类的染色体和染色体病、基因和基因病、肿瘤与遗传、人类代谢和发育中的遗传学问题、优生学的基本概念、影响优生的因素，优生的措施等.这两门课程都注重贴近生活，贴近社会，从剖析青年学生关注的问题入手去介绍人类遗传与优生的基础理论和基本知识，使学生能够在轻松、顺畅且饶有兴趣的学习过程中获益.对于医疗保健事业和人群遗传素质的改进具有重要意义.

2遗传学课程群内课程内容整合的思路

为解决遗传学的迅速发展及新知识、新技术不断出现与遗传学教学时数减少这一矛盾，我们通过建立遗传学课程群体系，协调课程群内各门课程的关系，尽量减少重复内容，对于学习遗传学的有关基础知识，如核酸的结构和特征在先修课程《生物化学》中介绍，染色体的结构，细胞周期等在细胞生物学课程中介绍，概率和统计学知识在生物统计学课程中介绍.而对于遗传学各分支学科的深入讨论，将在细胞遗传学、群体及数量遗传学、分子遗传学、基因组学、基因工程、生物信息学等课程中介绍.

3遗传学课程群内实验课程整合的思路

遗传学课程群内主要设置了遗传学实验和分子遗传学大实验，遗传学实验是为了配合遗传学的教学而开设的一门实验课程，其设计思想是：1)配合遗传学的教学，巩固和加深对遗传学知识的理解；2)适应现代遗传学的发展，让学生掌握现代遗传学研究所必需的基本实验技术；3)开设综合性、设计性和创新性实验，鼓励学生自己动脑筋设计、完成实验.目前已形成具有基础性实验、提高性实验和具有综合性、研究创新性、开放性实验的不同层次的遗传学实验教学内容体系.鼓励学生自己动脑筋设计、完成实验，实验室已对学生部分开放，并实施了自选实验考试法[1].学生在此过程中得到了很好的科研训练，部分学生在本科阶段就写作并发表了论文，充分体现了遗传学课程教学改革的特色.例如，结合本科毕业设计，我们编制了“遗传学试验的计算机模拟”软件[2]，增强了学生对遗传学基本概念和基本原理的理解，而且也增加了学生对计算机应用于生命科学研究的兴趣.我们开发设计了“遗传学实验显微图像演示系统”[3]，建立了遗传学实验图像库，学生在实验前可以方便地检索观察实验中可能出现的各种图像，大大提高了实验效率.通过遗传学实验的培训，学生具备了一定的设计和综合创新的能力，在此基础上，进入分子遗传学大实验的学习.而分子遗传学大实验的设计整合了分子遗传学和基因工程两门课程的实验内容，既涵盖了分子遗传学的基本实验技术，也体现了现代分子遗传学发展的新方法、新技术.实验通过DNA提取、扩增、检测，到目的基因的获取、重组、转化、分子杂交等系列性实验，使学生不仅掌握了现代生物学分析技术，也培养了学生的动手能力和独立设计实验的能力，更实现了理论类课程与实践训练类课程的有序衔接，同时完善了学生从认知实践到科研实践的创新精神培养体系.

4遗传学课程群实践基地的建设

仅有书本上的知识是不够的，遗传学课程群内的课程具有很强的实践性，专业知识与生产实际相结合的综合性教学是实践教学环节不可缺少的重要一环.为此，我们通过认识实习和生产实习等手段加强课程知识的掌握.利用地域优势，与中国农业科学院徐州分院、江苏省药用植物重点实验室、江苏维维集团等建立长期稳定的合作关系.如，我们在讲解“三系配套”时就带领学生到中国农业科学院徐州分院参观学习、实地学习如何进行“三系配套”的操作，加深了对理论知识的理解.通过专业实践，拓宽了学生的视野，培养了学生分析问题、解决问题以及开拓创新的能力，增强了学生的事业心和责任感.

5遗传学课程群教学方法和教学手段改革之思考

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遗传学课程是在应用生命科学的知识和技术对人类长久以来的演变遗传和信息变异的深入研究。它是生命科学院学生所学比较难的一门课程。作为一名遗传学教师深感要讲好这门课，使学生不感觉到高中知识的重复是非常困难的。这次非常有幸参加了这次培训，使我对遗传学感悟更深一层，无论从理论教学，还是实验教学，对二者的关系以及尺度的把握上，都有了很大的进步。乔老师严谨的治学态度，浑厚的理论功底，丰富的实践知识，无不给我树立了典范，学习的楷模，也给我们的职业发展规划上指明了道路。

通过这次学习让我感觉到要想讲好遗传学这门课，不仅仅是掌握了课本上的理论知识就可以了，要时刻留心生活中的一些案例。例如乔老师把很简单的血型判断和标记结合起来变成了经典的遗传知识，不仅提高了学生的学习兴趣，也让学生牢固掌握了血型的遗传知识，真是一举两得，让我感触颇深。还有乔老师从摩梭女的民族归属讲到核基因替换的理论，以及亲子鉴定中的理论知识和案犯的判断等等都让我感觉到乔老师的丰富的实践知识和幽默风趣，让我明白要想讲好遗传学这门课，必须要处处留心，用乔老师的一句话就是“身边处处有遗传”。

现在很多学生都重视分子遗传学而轻普通遗传学，通过这次学习让我感觉到遗传学的魅力。很多学校在讲连锁遗传时都是按部就班的讲连锁遗传规律，这样的内容很死板。而乔老师的讲解把分子标记融入其中，不仅丰富了连锁遗传规律的知识，也让人耳目一新。给老师们一个提示，我们可以把分子遗传学的一部分知识和普通遗传学的知识有机的联系起来，让学生感觉到普通遗传学不仅仅是遗传的三大规律，还有更深的内涵，同时也让学生能更容易的去理解分子遗传学，而不是觉得两者是分开的。普通遗传学和分子遗传学之间的桥梁搭建是需要老师用心去做的一件事情。

遗传学是一门古老而又新颖的一门课程，想在有限的学时内讲好这门课，不仅需要老师深厚的遗传专业功底，同时合理安排教学内容也是很重要的。教学设计根据授课对象，教学目标和教学内容确定教学知识体系的构架，将教学要素有序、优化地安排，形成教学大纲。遗传学体系构建应该遵循一些原则：1凸显以基因为主线的遗传学学科特色;2具有覆盖较全面的遗传学知识系统；3注重经典遗传学与学科进展的内容衔接；4具有独立教学思想的章节顺序编排；5规避交叉学科与课程的内容重叠；6满足教学目标的适当信息量。并且在参考教材的基础上根据教学对象的不同，可以进行内容的弱化和删减、拓展和加强以及改进。教材可以合理组织,灵活取舍。

遗传学骨干教师网络培训即将结束，把自己的感想送给大家，作为共勉吧。学习遗传学也要经过读书的三个境界，这就是立下志向，探寻真知——勤奋刻苦，百折不回——豁然开朗，进入佳境。

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【关键词】遗传学；生活方面；具体应用

在科技发展迅速的21世纪，遗传学也是一门十分重要的学科，是一门具有很大活力的学科，遗传学的发展带动着人类对于生命科学的研究，使得人类能够更加深入的了解生命的本质，遗传学的成功意味着人类在探索生命的方面跨出了巨大的一步。而遗传学不仅仅是能够让人们更加接近生命本源的性质和道理，而且还可以给人们的生产生活带来很大的便利，本文就主要研究遗传学在生产生活中的一些应用。

一、遗传学在农牧业上的应用

我国是农业大国，农业经济是我国经济的一大重要支柱，因此，农林、畜牧以及水产等农业产业都与国家经济和国民生活有十分紧密的联系。在农牧业方面，遗传学有一个很重要的应用，就是选择、改良产品的品种。对于农业来说，品种是一个很重要的因素，主要从质量、产量以及抗病三个指标来对其进行评价。而遗传学就是对品种进行改良甚至是创新的重要手段，依据遗传学的遗传原理，通过基因诱变、品种杂交选育、细胞工程以及基因工程等方法对物种的品质进行改良以及创新，以便提高其质量、产量以及抗病能力三大指标。例如我国自行研制的杂交水稻、杂交小麦等，都是在原品种的基础上通过一系列的遗传学的手段进行操作，从而使得品种得到改良，其产量和质量都有很大程度的提高；利用基因工程，将有利于提高品质的基因进行相应的操作，得到了产量高、抗虫害、抗病害、抗除草剂的优质棉花；还有一些在研究阶段吗，还未大规模应用的成果：将豆类的固氮基因转接到非豆类的作物中，这样就能在不影响产量的情况下，减少肥料的投入，从而增加收入；将一些高光效的基因转入到农作物中，提高其利用光能的效率，加快生长的速度。总之，遗传学在农牧业上的应用十分广泛，并且大大提升了农业产品的质量、产量等。

二、遗传学在工业上的应用

遗传学作为一门已经比较成熟的学科，其在化学工业、食品工业以及生物制造业中都有广泛的应用。在工业生产中，人们主要是依据遗传学的原理来培养一些有用处的微生物，在实际的应用中，利用遗传学的原理进行微生物的选择、培养以及应用；通过基因工程的技术来制作用途广泛的工程菌；使用遗传学的相关技术，对酶的结构进行一定的改变，从而提升其活力，使其在催化化学反应时有更好的效率。在工业生产中，有一项应用很广的遗传学技术，就是重组生物产品，现在已经发展成为了工业中的一大重要的支柱产业，主要的研究方向包括各种干扰素、白细胞介素以及胰岛素的重组，而且已经形成了一个完善的生产――销售的市场。近年来，工业上对于遗传学应用的研究也越来越深入，逐渐将一些比较深入的技术转入到工业生产中，例如将蜘蛛丝的蛋白基因用与高强度丝的生产。

三、遗传学在环境保护中的应用

现在人们越来越重视生活的质量，对环境因素也越来越重视，而遗传学能够解决许多传统方法无法解决的环境问题。通过工程菌的作用，可以将农作物那些废弃的不好处理的茎杆部分进行水解，产生工业产品乙醇，将废品转变为工业产值。使用厌氧发酵菌还可以将处理成本很高的工业废水转变为沼气进行燃烧；在重金属污染严重的废水中加入相应的工程菌，既能清楚重金属污染，还可以节约处理成本。许多依靠传统手段难以解决或者解决成本很高的环境污染，通过遗传学技术都可以方便快捷的进行解决，不仅能够净化、保护环境，还可以节约处理成本。

四、遗传学在医疗卫生中的应用

在现阶段的医学中，尽管技术已近很成熟，但是还是有四个难题困扰这医学界，分别是心血管疾病、肿瘤、遗传病以及一些病毒感染。这些难题或多或少都与遗传学有联系，其中发生肿瘤病变的本质就是人体中癌症基因的突变导致其质量或者数量发生变异，影响了正常的细胞；心血管疾病中有许多的症状都是遗传性的；至于遗传病那更是遗传学研究的主要方向，现在已经发现的遗传学疾病有几千种，基本都是因为基因突变而造成的；而一些对于人类威胁巨大的病毒，虽然与遗传学没有直接的关系，但是要想攻克这些疾病还是需要利用遗传学的基因工程的技术对例如艾滋病这种病毒进行研究，主要是分析病毒的基因结构，然后根据其结构的特点、复制表达的规律进行有针对性的研究，从而达到攻破病毒的目的。

五、遗传学在生育中的应用

遗传学对于基因的研究在很早就进行了，今年来更是取得了很多的进展，而其中遗传规律的研究对于人类进行优生有很大的帮助。我们都知道近亲不能结婚，这是因为许多的遗传病都是隐形传播的，而近亲中携带相同隐形遗传因素的概率比较大，这样在近亲结婚生育子女的时候，产生隐形纯合子的概率就比较大，导致生产出的子女遗传病的发病率很高，这也就解释了为什么很多近亲结婚生育出的子女都是弱智儿。根据遗传学的知识，父母双方在有生育子女意愿的时候，可以进行基因检查以及咨询，双方的子女是否会出现遗传疾病，从而根据可能出现的问题进行预防，以免生产出带有疾病的婴儿。遗传学在生育方面还有一个很重要的应用就是试管婴儿，对于那些没有生育能力的夫妻来说，试管婴儿就是他们实现父母梦的重要途径。

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关键词： 动物遗传学 实验教学 教学改革 创新型人才

《动物遗传学》是畜牧科学和动物医学学科重要的专业基础课，具有基础理论抽象、逻辑思维强、知识涵盖面广等特点，是与家畜育种和畜牧生产密切相关的一门学科[1]-[3]，也是实验技能性很强的一门学科，实验教学在课程教学中占有十分重要的地位。近年来，随着高等教育教学改革的不断深化，对创新人才的培养日益重视，注重学生创新能力的培养成为高校的重要任务之一。传统动物遗传学实验教学依附于理论教学，实验只是为了验证理论，实验设计和教学都是围绕“教”而进行的，学生都处于接受式被动学习，主观能动性得不到调动，创新思维得不到培养[4]，在很大程度上影响教学质量与效果，难以满足新世纪对人才培养的需求。因此，为适应新时期高等教育教学改革的需要，探索适合学生创新能力培养的专业基础课程实验教学改革和实践，对高等农业院校教学具有重要的理论和实践意义。针对动物遗传学课程迅速发展的特点，笔者积极创造条件，从以下方面对动物遗传学实验教学进行了改革与实践，经过师生的共同努力，取得了较好的成效。

1.调整教学方案，精选实验教学内容

华南农业大学《动物遗传学》是广东省精品课程，理论课时为32学时，实验课为单列实验课共16学时。随着生物技术的快速发展和广泛应用，动物遗传学与其他相关学科相互渗透、交叉发展，产生新的知识内容。因此，要在有限的学时内把《动物遗传学》的理论和实践知识教授给学生，使学生更好地了解《动物遗传学》的最新研究进展，掌握新的理论和方法，需要有最佳的教学方案。我们在《动物遗传学》实验教学体系中不断对教学内容进行探索和改革，在以往以经典遗传实验教学为主要内容的基础上，将现代遗传学实验技术引入本科生实验教学，适当增设分子遗传学实验技术内容以适应遗传学的快速发展，加深学生对现代动物遗传学新理论和技术知识的理解。经过两年实验教学实践，总结出“动物遗传学实验”涉及果蝇的相关实验包括：果蝇性别鉴定及性状观察、单因子杂交实验、双因子杂交实验及果蝇唾腺染色体观察等验证性实验内容，要求学生综合应用经典遗传学的知识自主设计果蝇杂交组合，并按制订的设计方案实施，把验证性实验与探索性实验相结合，整合成一个综合设计性实验，培养学生遗传学实验的综合设计能力、实验操作能力、数据分析能力和独立创新能力，提高实验教学效率。在分子遗传学实验上，依托研究生培养及在研项目，以动物DNA组提取、聚合酶链反应（PCR）实验为基础，增设RFLP、分子克隆等分子遗传学检测技术，以适应当前遗传学实验技术的快速发展和更新。

2.开放动物遗传学实验室

实验室实行在上班时间内（上午8：00-12：00，下午14：30-17：30）定时开放，允许学生非实验教学时间进入实验室参与实验的前期准备工作，例如在教学过程中每个实验让每个班级选出五六名学生，负责班级实验课的前期准备；通过开放实验室还能给予有些课堂上实验效果不理想学生重做实验的机会。此外，开放实验室还能给予设计性实验的同学和科技创新的学生课外技术指导和帮助。总之，施行实验室对学生开放制度可为学生创新思维、实践能力培养提供实验场地保障和技术资源保障，为创新型人才培养奠定基础。

3.以科研项目为纽带，推动遗传学实验教学

课程团队一直注重科研对教学的促进作用，在教学过程中重视对学生学术能力和创新能力的培养。本教学团队现有教师六名，整个队伍是一个充满活力、知识结构合理、学缘广、综合素质较高的教学组合，团队成员在专业建设和学科建设方面起着骨干带头作用，其中教授：副教授（或高级实验师）：讲师（或实验师）的比例是3：1：2，其年龄结构主体处于29岁∽50岁，其中主讲教师平均年龄为40岁，中、青年教师构成了较好的学术梯队，团队成员除了完成教学工作外，还积极带领博士、硕士研究生和本科生开展科研工作，近五年教学团队主持参与科研项目39项，其中国家级22项，省部级12项，横向5项。课程教学团队近5年发表科研论文200多篇，其中SCI论文67篇。此外，教学团队成员还是广东省农业动物基因组学和分子育种重点实验室、农业部鸡遗传育种与繁殖重点实验和国家生猪工程中心平台的科研骨干力量。《动物遗传学》实验教学依托上述三个科研平台，利用其实验室先进的仪器设备，鼓励并积极创造条件让学生参与课程团队课题项目。此外，课程团队还每年定期聘请国内外本学科专家给学生做讲座或进行学术研讨，让学生更多地接触动物遗传学的研究前沿，培养学生对动物遗传学的兴趣，极大地提高《动物遗传学》实验教学的质量。

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关键词：光遗传学；上转换纳米粒子；近红外光转换器；光调控；离子通道；生理活动

0引言

精准调控生物分子以及生理过程，对于理解疾病的发生发展和实施有效的治疗具有重大意义[1-2]。而离子通道作为细胞膜的主要成分，对于神经、肌肉等其它系统的电生理信号的传导和整合起到关键作用，它的活化或功能障碍会影响正常生理及病理进程，比如大脑思维，肌肉收缩和离子通道病[3-5]。目前，常用于离子通道调控的策略有以下几种：(1)化学分子作用，如离子通道激活剂或阻断剂；(2)基因工程干预，如特异性地表达、敲除或沉默目的基因来影响通道蛋白的活性；(3)物理电刺激，作用于特定的电压门控离子通道[6-9]。尽管这些方法都取得了一定的进展，但在实际应用中依然存在着许多挑战。例如，化学药物随血液循环的非识别性积累及作用难以避免，这极大地限制了调控的空间分辨率[10]。再者，化学或遗传扰动的不可逆性也阻碍了实际调控的时间准确性[7]。此外，尽管电学模式的物理刺激，尤其是对于深部大脑刺激而言，显示出很好的时空准确性和应用价值。但是，实际操作中需要高侵入性地在深层脑组织植入电极或芯片，会造成潜在的临床不良反应[11-12]。

因此，迫切需要开发精度高、损伤小的调控膜离子通道的有效技术。近年来，使用光来控制生物分子和生理过程已引起了广泛关注[13-15]。其中一种新兴的被称作光遗传学的生物技术被应用于神经科学领域，并且能高选择性地，甚至在毫秒级的时间分辨率下实现神经功能的操控[16-18]。更重要的是，通过基因工程对光敏视紫红质离子通道蛋白进行改造，使其在离子特异性以及光谱响应性2个方面进一步多样化。这为推动光遗传学在更复杂的生物体系应用的提供了机会，不仅在体外单细胞水平，还在自由活动动物上对脑回路介导的行为学进行调控[19-22]。然而，尽管这些技术取得了令人瞩目的成就，但目前报道的光敏感视紫红质蛋白，或其它用于膜通道调节的光遗传学工具主要是在可见光区工作。由于可见光组织穿透性不足，生物体吸收和散射严重，这些因素极大地限制了光遗传学在体内应用[18，23-25]。虽然有研究报道通过光学纤维或微型发光二极管植入可以做到深层脑组织刺激，但这种高度侵入性的手段会引起一定的安全隐患[26-27]。由此，开发新的光遗传学技术，使其能够在活体条件下无(微)创地、有效地调控深层部位膜通道具有重要意义。

值得注意的是，科学家们目前为实现体内有效的光遗传学刺激做出了多方面努力，其中将光敏离子通道蛋白激发波长移至近红外窗口(＞700nm)被认为有利于更深的组织穿透能力[24，28-29]。比如通过基因工程化的策略，目前不同突变视紫红质离子通道蛋白的响应光谱已经从蓝光红移到黄光，甚至红光区域，但这些光遗传学体系仍局限在可见光波长范围内(表1)[30-31]。此外，通过使用近红外光响应纳米材料作为光转换器，进一步原位刺激光遗传学工具，可以增强光穿透能力进而调控离子通道的活性[32-34]。其中，镧系元素掺杂的上转换纳米粒子作为独特的光学材料被选为潜在的光纳米转换器。该材料具有将近红外光(如980或808nm)转换为紫外、可见或近红外区域的多种发射的性能(表2)，鉴于其较少的散射和更深的组织渗透深度，已被广泛地应用于生物成像和纳米医学研究领域[35-39]。基于此，近年来人们将镧系元素掺杂的上转换纳米粒子与各种光敏离子通道蛋白结合，实现了近红外上转换的光遗传学调控，并取得了显著的研究成果[32，40-41]。

因此，我们聚焦于生物医学研究中将近红外上转换纳米转换器用于光遗传学调控的最新成果。首先，我们对特定功能的上转换纳米平台与光敏离子通道蛋白结合的策略进行了总结；其次，详细地介绍了上转换光遗传学的广泛应用以及可改进的技术；最后，关于进一步推进该技术向临床转化并克服当前挑战提出了建议和展望。

1开发上转换纳米粒子介导的近红外光遗传学平台

通过匹配不同光敏视蛋白的激活波长，选择适当的上转换纳米粒子作为近红外光转换器，这种组合策略可以灵活地实现特定离子通道的激活。2011年，Deisseroth等[53]在一项专利申请中首先提出了这个理念，并列举了各种上转换纳米粒子与细胞膜上光响应视蛋白表达的神经元组合并进行光调控的方法。在2013年，Han等在一项基金申请里介绍了用于体内神经元无光纤操控的上转换光遗传学设计。此后在2015年，不同研究团队分别报道了在体外体内成功地实现了上转换光遗传学调控的研究[54-55]。

例如，Yawo等[40]使用蓝色发光(发射峰在450和480nm)的上转换纳米材料NaYF4∶Yb/Sc/Tm@NaYF4，在近红外976nm激光照射下，可以有效地激活PsChR离子通道，并产生明显的动作电位；另外，利用发出绿光(550nm)的NaYF4∶Sc/Yb/Er作为近红外光转换器，进而可用于激活表达细胞中的C1V1或mVChR1离子通道蛋白(图1)。进一步地研究还证明，结合上转换纳米粒子的光遗传学调控效果显示了刺激的时间和功率依赖性。但是，该研究仍有待改进空间，比如上转换发光效率，纳米材料的生物安全性等方面。

(1)将上转换纳米粒子嵌入细胞可生长的膜载体。如图2a所示，Lee等[54]制备了上转换纳米材料(NaYF4∶Yb/Tm@NaYF4)混合嵌入聚乳酸-羟基乙酸(PLGA)聚合物的薄膜。这种0.5mm厚的薄膜不仅可用于神经元接触培养，还可以用作光遗传学调节的基础平台，将近红外激光转换为蓝光，随后激活表达有蓝色光敏通道视紫红质的蛋白(ChR2)的神经元。更关键地是，该体系通过1、5和10Hz的980nm脉冲激光刺激，实现了毫秒级分辨率的神经元活化响应。此外，Yawo等[40]比较分析了不同接触式细胞光遗传学调控平台的效率。根据图2b所示，方法一将上转换纳米粒子与神经元直接接触，而方法二在二者之间采用玻片间隔。实验结果发现两种方法均以激光功率依赖性的方式显示出光刺激下向内性的膜电流响应。但是，在相同的近红外激发功率下，方法一的效率明显高于方法二，说明需要将上转换纳米材料尽可能靠近地放置于光敏通道蛋白的位置，因为光子的功率密度与距离的平方成反比。

(2)将上转换纳米粒子制成微光极。Shi等[57]首先将UCNPs包装到玻璃微光极中，制成可植入的光转换器将近红外能量转换为可见光，然后刺激具有不同ChRs表达的神经元(图2c)。这些微型光学器件显示出极好的长期生物相容性，并且可以远程控制脑功能的调节，甚至用于复杂的动物行为学操控。

(3)直接利用细胞或生物体组织摄取上转换纳米粒子(图2d)。该方法在目前研究中最为常用，将功能修饰的上转换纳米粒子与所要调控的细胞孵育，或者直接通过注射的方式进入特定组织器官，待纳米粒子被有效摄入后，进行近红外激光照射并实现光遗传学调控。这种策略不仅可以达到亚细胞层面的精准光调控，而且在动物体内实验方面也易于实施。但是，局限也很突出，比如难以操作，生物安全患等方面。

2近红外上转换光遗传学体系在生物功能调控方面的应用进展

近红外上转换纳米技术和光遗传学的结合，从原理上克服了体内常用光遗传学研究中遇到的局限性，包括激发光的低穿透性或者光源植入的侵入性，为神经细胞或非神经体系中膜离子通道的调控提供了巨大的机会[32]。这种灵活的光学操控技术在神经科学领域取得了一系列成果，并进一步证明了其更广泛的适用性(表3)[34，69-70]。考虑到生物的内在复杂性，到目前为止，上转换光遗传学及其他调控技术，在详细阐明基本的生理、病理方面的探索仍然处于最初期阶段。因此，下面将着重讨论目前在不同生物模型上，采用近红外上转换光遗传学调节膜离子通道、钙信号以及相关生物学活性方面的研究进展。

2.1神经细胞膜电位

将光活性蛋白用于刺激活化或抑制神经活动是近年来神经学研究中的一大创新。这种光遗传手段由于具有较低的侵入性并且能够在时间与空间尺度精确地调节神经活动，因而在神经学研究中具有较为广阔的应用前景[23]。

早在2015年，Lee等[54]报道了通过UCNP进行神经调节的应用。该研究中视紫红质离子通道蛋白通过生物工程的手段表达于神经元细胞中，在近红外光(980nm)的照射下，这些神经元能够在毫秒范围内产生持续的神经脉冲信号。在之后的研究中，科研人员设计并制备了一系列发光性质不同的UCNPs，用于不同光敏离子通道的活化[15，31]。譬如，Han等[41]设计制备了IR806染料敏化的UCNP，通过800nm的近红外光激发，实现了对红光响应离子通道(ReaChR)的调节。实验中，染料敏化的UCNP被包覆于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜中，用于海马神经细胞的培养。这些神经细胞能够实现精确的时空调节，以光强度依赖性地方式被激活并产生神经信号。除此之外，在976nm激发条件下能发射绿光(550nm)的UCNPs(NaYF4∶Sc/Yb/Er@NaYF4)也被用于刺激离子通道C1V1或mVChR1以产生光电流。而对于表达PsChR的神经元，则可以通过发射蓝光的UCNPs(NaYF4∶Sc/Yb/Tm@NaYF4)实现近红外光遗传学刺激。上转换纳米材料可调的光学性质和不同光敏离子通道蛋白的灵活搭配为近红外光遗传学体系提供了丰富多样的选择，极大地促进了后续在动物模型上的生理、病理研究。

2.2钙信号通路

不同于常见报道的UCNP-ChR体系，Zhou和Han等[55]展示了另一种基于上转换纳米颗粒的近红外光遗传学平台，被称作“Opto-CRAC”(图3a)。Opto-CRAC在细胞和活体环境中，通过近红外光照射而发出蓝光的UCNPs(NaYF4∶Yb/Tm@NaYF4)作用于经基因工程改造的光敏钙离子通道蛋白，既可以选择性地控制细胞内钙离子的流入以及受此过程调控的基因表达，进而调节机体的免疫炎症反应(图3(b～d))。通过对光信号的调节(如激光的脉冲、强度)，该体系的光遗传模块LOVSoc能够可逆地产生持久且周期变化的钙离子信号。更为重要的是，Opto-CRAC介导的光致钙离子信号通路活化可以引发免疫细胞的特异性生理响应。通过使用近红外光激活光控-钙通道，可以促进树突状细胞的成熟及抗原的呈递，进而刺激T细胞的活化。通过这种手段实现了对细胞信号通路进行的精确操作，进而调控下游信号转导，方便其在动物生理/病理研究中发挥作用。

此外，斑马鱼活体模型广泛用于生命医药领域，比如生物造影，诊断治疗及生理病理研究[61]。目前，关于近红外光遗传学调控在斑马鱼模型中的可行性研究被Xing等[62]报道。该工作巧妙地设计了808nm激发的上转换光遗传学体系，实现了对离子通道ChR2的调节以及钙离子介导的肿瘤细胞命运调控(图4)。更为重要的是，该体系揭示了在体外和活体条件下，通过近红外光介导的离子通道的调节可引起细胞的凋亡，具有进一步在肿瘤治疗方面的应用前景。

2.3线虫行为学

除了能对细胞膜离子通道进行有效地调节外，在改进上转换光遗传学研究方面，Zhang等[58]通过利用准连续波的近红外激发手段，提高了上转换发光效率并在表达ChR2的线虫体内成功地实现光遗传学神经信号及行为学调控(图5(a，b))。最近的一项研究中，Gao等[67]采用线虫模型，借助近红外激发绿光发射的UCNP对表达有Crimson光敏离子通道的不同神经元(运动神经元或中间神经元)进行调控，实现了对线虫多种运动行为的控制(图5c)。这些工作不仅揭示了增强UCNP的多光子发光效率的可能性，还通过近红外光使线虫产生了受触动刺激的反应，展现出近红外光光遗传学这种非侵入性调控策略在不同活体动物模型应用上的优势和灵活性。

2.4鼠神经活性及行为学

鼠类模型在生化、医药研究中作为一种最为普遍的动物模型，对于光遗传学的转化研究更具价值[30]。尽管深层组织的光学刺激在鼠类模型中很大程度上需要特殊的光学设施，以及复杂的实验手术操作，但随着光遗传学和上转换纳米技术的发展，通过近红外光进行小鼠脑部功能的光遗传学调控已经成为可能。

Shi等[63]报道了一种基于UCNP的微型光极器件实现了远程光学控制小鼠脑部神经元(表达有多种视蛋白如ChR2或C1V1)的目标(图6)。机械激光投射系统通过发出的近红外光，可以有效地控制鼠的不同脑部区域的功能并产生神经脉冲活动，譬如脑部纹状体，中脑腹侧盖区以及视觉皮层。值得注意的是，在另一项工作中，Shi等[63]还通过设计制备不同光谱特征的UCNPs，实现了体外与体内条件下，神经细胞的多重刺激或抑制。上转换光遗传技术在小鼠神经活动刺激研究中的成功应用，极大地促进了基础生理调控以及神经科学的发展。

另外，McHugh及Liu[66]探究了将UCNPs作为光遗传调节器以微侵入注射式的方法调控小鼠脑部深层神经元功能的可能性(图7)。该研究中，近红外介导的光遗学传刺激能够引发脑部腹侧被盖区域多巴胺的释放。在此基础上，通过刺激脑部内侧隔核的抑制性神经元，可以诱导产生神经振荡。更为重要的是，研究中这种上转换光遗传体系还可以抑制癫痫小鼠海马体中的兴奋性神经元，实现记忆恢复，展现了其在神经疾病治疗方面的巨大潜力。

除了脑部神经活动调控，上转换光遗传体系还被成功地应用于小鼠的脊柱神经调节并用以控制小鼠的行为活动。Shi等[61]用聚丙烯以及UCNP制成光极器件，植入小鼠脊柱不同部位中(图8)。这些小鼠在已麻醉的情况下，通过近红外光的刺激，可以由肌电图观测到其腿部肌肉的活动。而自由活动的小鼠，在光的刺激下其运动行为还能被有效地抑制。这种柔性器件与上转换光遗传学的结合，还展现出较好的生物相容性。在长达4个月的植入期内未引起明显的炎症，适用于动物行为学的长期跟踪研究。

3近红外上转换光遗传学技术存在的问题及改进策略

尽管上转换光遗传学前景广阔，但目前仍然面临着纳米粒子生物安全性低，近红外光上转换效率低，以及持续照射引起的热效应显著等挑战[32，71]。为了解决这些问题，科学家们已经从各方面入手来改进这项技术，以期实现更高效，更精确地生物功能调控，并进一步使未来的临床转化研究成为可能。

3.1提高上转换效率

首先，上转换纳米材料的量子效率低是实现有效地光遗传学调控的最大限制因素。到目前为止，在低于100W·cm-2的激发光功率密度下，近红外到可见光上转换效率最高仅约为5%，而考虑到实际应用中，生物机体对于辐射暴露的最大允许剂量(例如980nm，皮肤组织MPE(maximumpermissibleexposure)＜1W·cm-2)的限制，通常上转换效率会远远低于1%[72]。对此，许多研究团队提出了增强上转换效率的不同策略，包括合成核-壳结构或表面修饰来控制局部环境的猝灭效应，利用敏化剂/活化剂来改善能量转移效率，以及通过激发光源的工程化来促进光子转移等[73-74]。

将增强上转换发光效率的策略进一步应用于光遗传学调控的研究已有报道。Shi和Wang研究团队[65]最近通过合成核-壳-壳纳米结构，并优化Yb3+离子的掺杂含量，实现了3倍于传统核-壳结构纳米粒子的上转换发光增强，并将其进一步开发为一种可植入的光学传感器，用于对表达eNpHR氯离子通道的小鼠大脑活性及行为学进行光遗传学抑制。另外，Prasad等[59]在一项近红外光遗传学的工作中应用了新型的核-壳型上转换纳米粒子(NaYbF4∶Tm@NaYF4)，这种材料的发光强度比传统NaYF4∶Yb/Tm@NaYF4纳米体系发光约高出6倍。此外，Zhang团队[58]通过使用准连续波作为激发光源来进行光遗传学实验，不仅提高了上转换蓝光发射，还降低了潜在的热效应，从而实现了有效的光遗传神经调控。

3.2控制热效应

利用近红外上转换技术可以有效地激活深层组织中的光敏膜离子通道。但应该指出的是，大部分上转换纳米粒子在980nm激光照射下可能会导致局部组织的热损伤[72]。为了避免这种热效应，在实际上转换光遗传学调控中，大部分的研究只能通过合理控制激光的功率以及照射时间来控制。除此以外，将上转换激发波长从980nm移至800nm，在很大程度上降低了机体组织水的热响应，可以极大地减少激光引起的热刺激[75]。例如，在Han等[64]的报道中，使用染料敏化的核/壳结构上转换材料，可以在800nm近红外光照射下激活海马神经元中的离子通道蛋白(ReaChR)。

3.3改善生物相容性

在生物医学乃至临床应用中，无机金属纳米材料在体内的生物相容性或潜在毒性是一个重要的问题[76]。迄今为止，尚无详尽的报道涉及上转换纳米粒子本身或用于表面功能化的相关试剂和配体的刺激性及长期毒性的研究，如免疫反应和诱变作用。但可以证实的是，上转换纳米材料的形貌尺寸、化学组成及表面修饰都影响其在体外和体内的安全性[76-80]。有一些常规的策略可以在一定程度上降低上转换纳米体系的毒性，比如制备超小尺寸纳米粒子(＜10nm)以增强生物清除率[81]；选择合适的配体进行表面修饰，例如聚乙二醇(PEG)、二氧化硅(SiO2)等安全性高的生物功能修饰剂；再者，通过增强上转换发光进而降低纳米材料的使用浓度，也是一种解决剂量依赖的毒性问题行之有效的方法[82-83]。另一方面，由于生物体本身没有光遗传学工具，而通过病毒或聚合物的基因转染手段在体内表达光敏蛋白也具有一定的安全性顾虑。

3.4实现特异性调控

尽管通过上转换光遗传学在神经元或非神经元调节方面取得了初步成功，但是目前在实际应用中光控生理功能的效率还受限于调控的精确性。主要表现在以下几个方面：

(1)光遗传学工具的离子选择性。目前广泛使用的光敏感视紫红质蛋白，尤其是阳离子通道蛋白(例如ChRs)，其激活后对Ca2+、Na+或K+等的细胞内流缺乏选择性，因此难以做到精准控制生理信号。对于如何解决离子选择性问题，有以下两种可能的策略：一是对已有的ChRs进行基因工程改造，得到具有高离子选择性的突变体，但至今还鲜有相关报道；二是结合其他现有的光遗传学技术，构建离子选择性好的光遗传学工具。例如，基于特异性的Ca2+通道激活释放的光遗传学平台(Opto-CRAC)，在体外和体内都体现出优秀的Ca2+信号调节能力[55，84]；另外，近年来报道的热敏离子通道(TRPs)也极具潜力，有望实现高选择性的Ca2+信号调控。

(2)光遗传学调控的细胞/组织特异性。许多在细胞层面上的光遗传学研究表明，上转换纳米转换器尽可能地靠近膜离子通道蛋白，可显著提高光子能量转移的效率，对调控效果产生重要影响。目前已报道了不同的策略，被用于将上转换纳米粒子尽可能特异地连接在光敏蛋白表达的细胞膜上(图9)。其中包括抗原-抗体结合的策略，将UCNPs定位于细胞表面，还可以通过糖代谢标记技术来共价连接。

而在动物层面，目前通过使用靶向的光基因递送技术，如细胞/组织特异性慢病毒感染等可以实现特异性的光遗传学调控[85-87]。但在实际的神经科学领域应用中，需要借助于脑定位注射来实现精确光遗传学基因及上转换纳米体系在目的组织区域表达。由于大脑结构的复杂性，很难保证操作的精准度，这在光遗传学研究中也是一个很大的挑战。

(3)纳米粒子靶向性。除此以外，上转换纳米粒子的靶向能力是远程调控细胞/组织特异性离子通道的另一个限制因素[88-89]。例如，在深层脑区的光遗传学操作中，纳米粒子难以有效通过血脑屏障(BBB)，因而只能通过注射的方法来输送上转换纳米颗粒。这种策略不仅增加了创伤性，还有可能引入一些潜在的不良反应。因此，开发完全无创的、可血液递送的上转换纳米平台，进而能够用于脑部的近红外光遗传学体系将是未来研究的一大方向。

3.5标准化上转换光遗传学设备

最后，除了对上转换纳米转换器和光遗传学工具的改进之外，可靠的光学调控仪器以及信号记录设备在实际的上转换光遗传学应用也亟待开发。迄今为止，用于上转换材料光学表征的大多数仪器都是实验室个人定制。此外，在动物模型中用于近红外激光介导的光遗传刺激、监测的专用仪器也非常有限[90-91]。因此，目前的上转换光遗传学研究的稳定性和重复性还不尽人意，亟待研发商用的、标准化的仪器(例如光谱仪，刺激器，显微成像系统及膜片钳设备等)。总体而言，由于近红外上转换光遗传学是一个多学科、高度交叉的领域，学术界和工业界的任何建设性合作与整合都将有利于该技术的转化应用。