本书的撰写集结了上海交通大学生命科学技术学院、Bio-X研究院、医学院、系统生物医学研究院、药学院、农业与生物学院和生物医学工程学院的几十位著名学者，包括两院院士、中组部“千人计划”入选者、教育部“长江学者”等，他们将自己近年来的研究成果和心得汇集成本书。全书分为五部分：新理论和新探索、新方法、现代生物技术在医学领域中的应用、新药研发、现代生物技术在农业中的应用，具体包括38篇主题文章。
样章试读
目录
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序
前言
第一篇 新理论和新探索
1 基因（组）与人生2
1.1 基因学和基因组学的核心作用2
1.2 人类基因组计划4
1.3 基因组学的应用（转化医学及转化知识）6
1.3.1 疾病与“掌握在自己手中”的疾病6
1.3.2 解决这些问题的关键8
2 医学科学走向何方？——反思与展望10
2.1 中国面临的挑战和机遇10
2.2 打破有关美国健康与医疗卫生服务的三个“神话”12
2.3 21世纪的医学科学展望14
2.3.1 高举人的医学旗帜14
2.3.2 医学科学的第三次革命17
2.3.3 促进学科交叉和转化医学研究20
2.4 大力倡导整合医学与公众参与式医学20
主要参考文献及建议进一步阅读的书目23
3 医学是科学常青树上永不成熟的果实26
3.1 医学研究的基本范畴26
3.1.1 生命27
3.1.2 健康27
3.1.3 疾病28
3.1.4 衰老29
3.1.5 死亡30
3.2 中西医发展的比较30
3.2.1 比较中西医特点31
3.2.2 经络与针灸对人类健康的贡献31
3.2.3 中西医融合研究结硕果37
3.3 现代医学研究的重大突破38
3.3.1 辅助生殖技术的发明解决不孕不育问题38
3.3.2 接种疫苗控制传染病流行38
3.3.3 显微外科技术的发明促进了器官移植和断肢再植39
3.3.4 先进技术在临床医学中广泛应用40
3.4 攻破医学难题又遇新挑战42
3.4.1 新发现的传染病42
3.4.2 恶性肿瘤44
3.4.3 疾病谱和死亡谱发生变化45
3.5 展望未来医学发展的方向46
3.5.1 以人为本，强化个性化和精准医学治疗46
3.5.2 我国人口老龄化与慢性病的防治46
3.5.3 遗传病和罕见病的基因疗法47
3.5.4 脑科学与认知神经科学47
3.5.5 多学科交叉研究，促进转化医学47
参考文献48
4 细菌DNA骨架上的磷硫酰化修饰50
4.1 DNA异常修饰现象的发现50
4.1.1 DNA异常修饰的琼脂糖凝胶电泳表型50
4.1.2 DNA异常修饰的脉冲场凝胶电泳表型51
4.2 DNA硫修饰的论证和结构解析52
4.2.1 DNA硫修饰的遗传学证据52
4.2.2 同位素示踪DNA硫修饰53
4.2.3 DNA硫修饰的结构53
4.3 DNA上修饰的序列特征55
4.3.1 DNA硫修饰位点保守性55
4.3.2 DNA硫修饰序列保守性56
4.3.3 基因组全谱测序DNA硫修饰位点57
4.4 DNA硫修饰的鉴定方法58
4.4.1 普通琼脂糖和脉冲场凝胶电泳检测Dnd表型58
4.4.2 过氧乙酸（PAA）方法鉴定DNA的Dnd表型59
4.4.3 HPLC-MS检测Dnd二核苷60
4.4.4 单分子实时测序60
4.4.5 碘切割依赖的深度测序检测硫修饰位点60
4.5 DNA硫修饰的化学性质62
4.5.1 早期对异常修饰DNA的化学性质的研究62
4.5.2 硫修饰DNA与烷基化试剂的反应机制62
4.5.3 硫修饰DNA氧化还原的化学机理63
4.6 DNA硫修饰的生物学意义64
4.6.1 硫修饰与限制系统64
4.6.2 识别和切割DNA硫修饰的限制系统64
4.6.3 DNA硫修饰的抗逆属性65
4.7 硫修饰DNA基因簇的广泛性和可移动性66
4.8 硫修饰相关蛋白的生物化学初步探究68
4.9 DNA硫修饰待解问题和展望69
参考文献69
5 生命伦理学思考72
5.1 生命伦理学的兴起与发展72
5.1.1 希特勒借“优生学”实施种族大屠杀72
5.1.2 原子弹和“普格瓦什运动”73
5.1.3 基因重组和“伯格会议”73
5.1.4 撤销生命维持系统和伦理委员会成立73
5.1.5 人类基因组计划与伦理法律研究74
5.2 生命科学技术发展引发的伦理之争74
5.2.1 基因研究与伦理75
5.2.2 克隆技术和干细胞研究与伦理78
5.3 辅助生殖技术发明诱发的伦理和社会问题82
5.3.1 什么是辅助生殖技术82
5.3.2 辅助生殖引发的伦理和社会问题83
参考文献87
6 深海微生物89
6.1 深海与深海生态系统89
6.2 深海微生物多样性90
6.2.1 深海海水90
6.2.2 深海沉积物91
6.2.3 洋壳93
6.2.4 深海热液口94
6.3 深海微生物的高压适应性机理95
6.3.1 嗜压微生物95
6.3.2 压力对细胞膜脂肪酸组成的影响97
6.3.3 压力对厌氧呼吸的影响97
6.3.4 高压对DNA结构和功能的影响98
6.3.5 高压对核糖体结构及组装的影响99
6.3.6 高压对细菌运动性的影响99
6.4 决定微生物环境适应性的核心环境参数—温度99
6.5 结束语102
参考文献102
7 血管力学生物学研究进展109
7.1 心血管系统与血液循环的概念110
7.1.1 心血管系统的组成和基本结构110
7.1.2 血液循环的概念111
7.2 血管力学的基本概念112
7.2.1 应力和应变的基本概念112
7.2.2 血管的力学环境与血管重建113
7.3 细胞力学实验的基本模型与技术114
7.3.1 细胞切应力加载模型114
7.3.2 细胞张应变（牵张）加载模型 116
7.3.3 微管吸吮技术 116
7.3.4 原子力显微技术117
7.3.5 磁扭转细胞测量术 117
7.4 血管力学生物学研究进展118
7.4.1 力-血管蛋白质组学研究 118
7.4.2 切应力条件下EC与VSMC之间的相互影响及其机制121
7.4.3 周期性张应变对VSMC功能的影响及其机制125
7.4.4 周期性张应变对VSMC迁移的作用及机制 128
7.4.5 流体切应力对内皮祖细胞分化的影响及其机制129
7.4.6 低切应力对在体动脉重建的影响及其力学生物学机制134
参考文献138
8 吸烟对心血管系统和男性生殖影响的分子机制140
8.1 吸烟对心血管系统的危害141
8.1.1 尼古丁与血管内皮细胞损伤 141
8.1.2 尼古丁与单核巨噬细胞143
8.1.3 尼古丁与血管平滑肌细胞144
8.2 吸烟对生育功能的影响145
8.2.1 吸烟与男性生殖力及出生缺陷145
8.2.2 吸烟致男性不育的分子机制146
参考文献150
9 精神分裂症的研究现状153
9.1 精神分裂症的概述153
9.2 精神分裂症的表型和诊断154
9.2.1 精神分裂症的表型154
9.2.2 精神分裂症的整体症状154
9.2.3 精神分裂症的认知变化154
9.2.4 精神分裂症的脑结构变化155
9.3 精神分裂症的发病假说157
9.3.1 多巴胺假说157
9.3.2 5-羟色胺假说158
9.3.3 谷氨酸和NMDA受体假说159
9.3.4 神经发育假说160
9.3.5 神经退行性假说162
9.4 精神分裂症的病因学研究162
9.4.1 精神分裂症的遗传因素162
9.4.2 精神分裂症的非遗传因素164
9.5 精神疾病的研究方法和进展166
9.5.1 连锁分析和定位克隆166
9.5.2 遗传关联分析及全基因组关联分析166
9.5.3 细胞遗传学筛查170
9.5.4 深度重测序170
9.5.5 表观遗传学171
9.5.6 差异表达171
9.5.7 系统生物学方法172
9.5.8 影像遗传学173
9.5.9 转基因小鼠模型174
9.6 代表性的精神分裂症易感基因174
9.6.1 DISC1基因174
9.6.2 AKT基因174
9.6.3 ERBB4/NRG1基因175
9.6.4 CHRNA7基因175
9.7 结束语176
参考文献176
10 肠炎的遗传学、免疫学和微生物学研究进展182
10.1 克罗恩病的遗传学特征182
10.1.1 模式识别受体：NOD2（核苷酸结合寡聚域2）183
10.1.2 IL17介导的反应185
10.1.3 自噬186
10.2 溃疡性结肠炎的遗传学特征186
10.2.1 人类白细胞抗原（HLA）区域186
10.2.2 免疫调节因子及信号分子187
10.2.3 肠屏障功能基因187
10.2.4 IBD与其他疾病的遗传性重叠187
10.3 肠道菌群与IBD188
10.4 结束语189
参考文献189
11 肿瘤生物学192
11.1 诱发肝癌的主要风险因素193
11.1.1 乙型肝炎病毒感染193
11.1.2 丙型肝炎病毒感染194
11.2 基因组不稳定性195
11.2.1 染色体不稳定性和癌基因196
11.2.2 体细胞中的基因突变197
11.2.3 异常的表观遗传修饰201
11.3 不受控制的信号通路202
11.3.1 与细胞周期和增殖相关的信号通路202
11.3.2 与发育和分化相关的信号通路203
11.3.3 与细胞侵袭和转移相关的信号通路204
11.3.4 与炎症相关的信号通路205
11.3.5 染色质重塑复合物206
11.4 临床意义207
11.4.1 生物学标志物207
11.4.2 靶向治疗207
11.5 结束语208
参考文献209
12 新医学——解决人类健康的真正钥匙216
12.1 “精准医学”—2015年医学最热门词汇216
12.2 “转化医学”——昔日的时髦，今日的新常态218
12.3 “个体化医学”——历史发展的必然218
12.4 “遗传咨询”——核心纽带作用219
12.4.1 遗传咨询政策缺失，专业机构缺乏220
12.4.2 没有专业的遗传咨询师，技术人员不足220
12.4.3 遗传咨询开展水平不一，地域分布不均220
12.4.4 群众认知不足，科普教育薄弱220
12.5 “新医学”——健康大业的主导力量220
12.6 小结222
第二篇 新方法
13 新一代测序技术与基因组学研究226
13.1 新一代高通量测序技术的发展226
13.1.1 测序技术发展历程及特点226
13.1.2 第二代大规模平行测序技术 227
13.1.3 第二代测序技术的基本原理227
13.1.4 半导体DNA测序技术228
13.1.5 第三代单分子实时测序技术229
13.2 第二代测序技术的应用230
13.2.1 基因组的测序及重测序230
13.2.2 转录组及表达谱分析230
13.2.3 非编码RNA（ncRNA）测序230
13.2.4 基因转录因子调控研究（ChIP-seq）231
13.2.5 DNA甲基化测序231
13.3 测序技术在肿瘤研究中的应用231
13.3.1 全基因组测序232
13.3.2 全外显子测序232
13.4 测序技术在病原生物基因组研究中的应用233
13.4.1 基因组序列结构解析233
13.4.2 细粒棘球绦虫的寄生特性233
13.4.3 细粒棘球绦虫双向发育调控机制234
参考文献235
14 蛋白质芯片及其在生命科学中的应用237
14.1 蛋白质芯片简介237
14.2 蛋白质芯片在生命科学中的应用239
14.2.1 蛋白质芯片在蛋白质组学中的应用239
14.2.2 蛋白质芯片在疾病诊断中的应用239
14.2.3 蛋白质芯片在药物筛选中的应用240
14.2.4 蛋白质芯片在兴奋剂检测中的应用241
14.3 蛋白质芯片研究方面的最新进展241
14.3.1 肺结核分枝杆菌全蛋白质组芯片的构建及应用242
14.3.2 凝集素芯片的应用研究244
14.4 结束语247
参考文献248
15 自由流电泳技术与生物应用251
15.1 电泳基本原理251
15.1.1 自由流区带电泳251
15.1.2 自由流等速电泳253
15.1.3 自由流等电聚焦电泳254
15.1.4 自由流反应界面电泳255
15.2 仪器设备256
15.2.1 制备型FFE设备256
15.2.2 微/分析型FFE设备258
15.3 生物应用260
15.3.1 细胞分离260
15.3.2 细胞器分离261
15.3.3 蛋白质分离262
15.3.4 核酸分离264
15.3.5 药物分离265
15.3.6 蛋白酶分离266
15.3.7 生物监测266
15.4 结束语267
参考文献268
16 神经工程概论及进展272
16.1 神经影像272
16.2 脑机接口274
16.3 神经计算与建模276
16.4 神经假体277
16.5 认知神经工程279
16.6 神经调控技术281
16.7 神经康复工程283
参考文献285
17 核医学分子影像在肿瘤诊疗中的应用288
17.1 PET/CT显像288
17.1.1 18F-FDG显像289
17.1.2 非18F-FDG显像290
17.2 PET/CT的临床应用293
17.2.1 18F-FDG PET/CT在肿瘤诊断中的应用293
17.3 PET与肿瘤生物调强和适形放疗301
17.3.1 PET与放射治疗计划301
17.3.2 PET与放射治疗疗效随访302
17.4 PET与肿瘤早期治疗反应监测302
17.5 PET与临床决策304
17.5.1 PET与临床分期305
17.5.2 PET的成本效益分析306
17.6 结束语306
参考文献307
18 Hedgehog信号转导通路中的重要蛋白Sufu的晶体结构研究及Sufu-Gli1
复合物的晶体结构研究308
18.1 Hedgehog信号通路、Gli/Ci、Sufu蛋白308
18.2 蛋白质晶体生长309
18.3 晶体衍射与结构解析311
18.4 hSufu结构311
18.5 果蝇dSufu晶体结构314
18.6 hSufu与dSufu的晶体结构比较315
18.7 dSufu的NTD和CTD之间的相互作用315
18.8 Sufu-Gli复合物的结晶317
18.9 Sufu-Gli复合物的晶体衍射数据收集与结构解析317
18.10 Sufu与Gli的相互作用界面319
18.11 Gli/Ci上关键氨基酸残基的突变破坏其与Sufu的结合321
18.12 Sufu上关键氨基酸的突变将会破坏其与Gli的结合322
参考文献324
19 精神疾病动物模型研究进展325
19.1 精神分裂症小鼠模型326
19.1.1 早期发育阶段328
19.1.2 成年阶段328
19.2 抑郁症模型329
19.3 行为学检测方法331
19.4 精神疾病神经环路研究的新方法333
19.4.1 电压敏感染料成像333
19.4.2 显微光学切片断层成像技术334
19.4.3 光遗传学技术336
参考文献337
第三篇 现代生物技术在医学领域中的应用
20 遗传病基因诊断技术的发展与现状342
20.1 遗传病基因诊断技术的发展概况342
20.2 遗传病基因诊断技术的最新进展343
20.2.1 基因芯片技术343
20.2.2 MLPA-微阵列芯片技术344
20.2.3 高通量测序技术346
20.3 国内遗传病基因诊断的发展及应用示例347
20.3.1 “谢上海”的诞生347
20.3.2 首例苯丙酮尿症的产前基因诊断348
20.3.3 首例血友病B的产前基因诊断348
20.3.4 不同时期杜氏肌营养不良的基因诊断348
20.4 结束语350
参考文献350
21 全基因组关联分析在复杂疾病遗传机制研究的应用352
参考文献360
22 高通量测序技术的临床应用363
22.1 高通量测序简介363
22.2 高通量测序的数据分析原理365
22.3 临床应用368
22.3.1 无创产前检测368
22.3.2 胚胎植入前遗传学筛查373
22.3.3 单基因遗传病检测376
22.4 数据库介绍378
22.4.1 突变数据库378
22.4.2 疾病数据库380
22.4.3 药物靶点数据库383
参考文献385
23 精准医学与个体化医学387
23.1 什么是精准医学及个体化医学？387
23.2 精准医学与个体化医学研究及应用进展389
23.2.1 心血管疾病领域研究及应用进展389
23.2.2 肿瘤疾病领域研究及应用进展390
23.2.3 精神及神经疾病领域研究及应用进展392
23.2.4 药物不良反应领域研究及应用进展393
23.3 结束语396
参考文献397
24 生殖干细胞研究进展401
24.1 精原干细胞研究进展401
24.1.1 精原干细胞的起源与定位401
24.1.2 精原干细胞的培养建系402
24.2 雌性生殖干细胞研究进展406
24.2.1 雌性生殖干细胞的研究历史406
24.2.2 雌性生殖干细胞的分离培养和生物学特征409
24.2.3 雌性生殖干细胞的衰老410
24.3 展望411
24.3.1 生殖干细胞自我更新和分化机制研究411
24.3.2 生殖干细胞在转基因动物构建方面的研究411
24.3.3 生殖干细胞的临床应用412
24.3.4 生殖干细胞在再生医学方面的研究412
参考文献412
25 干细胞宫内移植动物模型419
25.1 造血干细胞及宫内移植419
25.2 造血干细胞宫内移植小鼠模型420
25.2.1 造血干细胞宫内移植小鼠模型的建立420
25.2.2 宫内干细胞移植治疗β地贫小鼠421
25.2.3 宫内移植治疗小鼠肝损伤424
25.3 人/山羊嵌合体模型427
25.3.1 人/山羊嵌合体模型的建立427
25.3.2 人/山羊嵌合体疾病模型428
25.4 宫内移植治疗疾病430
参考文献432
26 A1型短指/趾症的研究437
26.1 A1型短指/趾症的历史437
26.2 A型短指/趾症的表型分类438
26.3 A1型短指/趾症病例440
26.4 A1型短指/趾症致病基因IHH的发现443
26.5 Hedgehog信号通路及其与骨发育的关系446
26.6 A1型短指/趾症致病机理的发现449
26.7 结束语456
参考文献457
27 从人类基因组到大脑发育：原钙黏蛋白在脑发育中的调控与功能研究461
27.1 基因组结构461
27.1.1 一维基因组（1D genome）461
27.1.2 二维基因组（2D genome）465
27.1.3 三维基因组（3D genome）466
27.1.4 四维基因组（4D genome）或四维细胞核组（4D nucleome）469
27.2 基因组表达470
27.3 原钙黏蛋白在脑发育中的功能472
27.3.1 原钙黏蛋白特征472
27.3.2 神经元迁移474
27.3.3 神经元树突发育474
27.4 结束语475
参考文献476
28 microRNA与神经发育和神经系统疾病478
28.1 miRNA在中枢神经系统发育过程中的作用—Dicer酶敲除实验479
28.1.1 miRNA在神经干细胞和神经祖细胞发育中的作用480
28.1.2 miRNA对神经元成熟和突触形成的调节483
28.2 神经系统疾病中的miRNA483
28.2.1 小脑症484
28.2.2 妥瑞综合征484
28.2.3 精神分裂症485
28.2.4 阿尔茨海默病485
28.2.5 亨廷顿舞蹈病485
28.2.6 帕金森病486
28.2.7 唐氏综合征486
28.2.8 脑卒中486
28.2.9 颞叶癫痫486
28.2.10 抑郁症487
28.3 结束语487
参考文献487
29 基因工程是实现人类梦想的新途径492
29.1 基因工程的发展史492
29.2 基因工程药物493
29.3 疾病病因的研究495
29.4 基因诊断495
29.5 转基因动物和基因治疗496
29.6 转基因植物498
29.7 结束语499
第四篇 新药研发
30 生物信息与药物创新502
30.1 基于配体的预测方法503
30.2 基于靶标的预测方法505
30.3 机器学习方法507
30.4 网络信息学方法509
参考文献510
31 新药研发过程、面临的挑战及其思考512
31.1 药物研究简史513
31.2 新药研发过程513
31.2.1 新药的临床前研究514
31.2.2 新药临床试验515
31.3 新药研发面临的挑战及其思考516
31.3.1 新药研发面临的挑战—投入增加，产出减少516
31.3.2 新药研发面临挑战的原因及其思考517
31.4 结束语521
参考文献521
32 以肠道菌群为靶点防治代谢综合征的研究：膳食、肠道菌群与代谢综合征522
32.1 失调的肠道菌群是肥胖和糖尿病的病因学因子523
32.2 膳食和中药通过改变肠道菌群影响代谢综合征526
32.3 结束语529
参考文献529
33 微生物药物：从筛选到合成生物学532
33.1 微生物药物的筛选533
33.2 微生物药物合成生物学的遗传和生化基础—微生物药物的生物合成途径解析534
33.2.1 聚酮类微生物药物的生物合成534
33.2.2 非核糖体聚肽类微生物药物的生物合成539
33.2.3 核糖体肽类微生物药物的生物合成541
33.2.4 氨基糖苷类微生物药物的生物合成542
33.2.5 核苷类微生物药物的生物合成542
33.3 微生物药物的合成生物学544
33.3.1 微生物药物生物合成途径的优化设计545
33.3.2 利用合成生物学方法创制新结构的肽核苷类抗生素545
33.4 微生物药物生物合成后修饰的合成生物学基础547
33.5 微生物药物的异源合成548
33.5.1 链霉菌作为微生物细胞工厂生产微生物药物548
33.5.2 大肠杆菌作为微生物细胞工厂生产微生物药物549
33.5.3 酵母作为微生物细胞工厂生产微生物药物550
参考文献552
34 微生物药物的高产工程菌株构建与发酵优化556
34.1 高产菌株的选育557
34.1.1 诱变育种557
34.1.2 基因工程育种560
34.1.3 工程菌株选育小结563
34.2 发酵条件优化563
34.2.1 重要的发酵过程参数564
34.2.2 响应面方法优化P3Δlon菌株发酵培养基564
34.2.3 发酵过程调控569
参考文献574
第五篇 现代生物技术在农业中的应用
35 植物光信号转导576
35.1 拟南芥的主要光受体577
35.1.1 蓝光受体隐花色素CRY577
35.1.2 蓝光受体向光素PHOT578
35.1.3 远红光/红光受体光敏色素PHY580
35.2 不同光受体互作调控植物的不同发育过程582
35.2.1 CRY和PHY协同调控光形态建成582
35.2.2 CRY和PHY协同调控生物节律性582
35.2.3 CRY2和phyB调控开花时间的拮抗作用583
35.2.4 CRY和PHOT在调控光形态建成和光诱导的运动反应中的协同作用583
35.2.5 CRY、PHOT和PHY在调控气孔发育和气孔开放中的叠加效应583
35.3 光信号传递过程中的重要关键因子584
35.3.1 光信号传递过程中关键负调控因子COP1584
35.3.2 光信号传递过程中关键负调控因子：SPA1584
35.3.3 光信号传递过程中的关键正调控因子：HY5和HYH585
35.3.4 光信号传递过程中的关键正调控因子：HFR1、LAF1和PIL1585
35.4 主要的光信号转导相关机理585
35.4.1 CRY信号转导机理586
35.4.2 PHY信号转导机理586
35.5 结束语587
参考文献587
36 转基因植物与植物代谢591
36.1 转基因植物国内外发展现状591
36.2 转基因植物安全性评价593
36.3 植物代谢及代谢工程594
36.3.1 维生素代谢工程595
36.3.2 青蒿素代谢工程597
36.3.3 长春花萜类吲哚生物碱代谢工程600
参考文献600
37 转基因植物安全评价与检测602
37.1 转基因植物的概念602
37.2 转基因植物研究与产业化现状602
37.3 转基因植物安全管理604
37.4 转基因植物的安全评价 606
37.4.1 分子特征及遗传稳定性606
37.4.2 环境安全607
37.4.3 食用安全 608
37.5 转基因植物检测技术608
37.5.1 DNA检测608
37.5.2 蛋白质检测613
37.5.3 标准物质与检测方法标准化613
参考文献616
38 农业生态环境的安全与控制620
38.1 引言620
38.1.1 农业环境污染现状620
38.1.2 污染的生境威胁着人类健康621
38.2 农业环境污染物的生物检测新技术622
38.3 设施农业生境污染控制与修复625
38.3.1 设施农业次生盐渍化土壤的修复改良625
38.3.2 农业废弃物的清洁化收集与资源化循环利用626
参考文献628
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