分子生物學(xué) 第一章 緒論

1、朱玉賢 現(xiàn)代分子生物學(xué)，高等教育出版社 孫乃恩 分子遺傳學(xué)，南京大學(xué)出版社。 閻隆飛 分子生物學(xué)，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，李振剛 分子遺傳學(xué)，科學(xué)出版社沈羽非 真核基因表達調(diào)控，北京高等教育出版社Lewin,B, Genes VII , Oxford University PressTurner P.C. et al. Molecular Biology. 科學(xué)出版社 Weaver R. Molecular Biology. 科學(xué)出版社2005年2月出版2004年2月出版2006年1月 引言 分子生物學(xué)定義 分子生物學(xué)發(fā)展簡史 分子生物學(xué)研究內(nèi)容 分子生物學(xué)展望第一章第一章 緒緒 論論 達爾文進化

2、論 過度繁殖、遺傳變異、自然選擇 “物競天擇，適者生存” 細胞學(xué)說細胞是所有動植物的基本結(jié)構(gòu)單位 每個細胞相對獨立，一個生物體內(nèi)各細胞之間協(xié)同配合 一切細胞來自細胞 經(jīng)典生物化學(xué)和遺傳學(xué) DNA是遺傳信息的載體的發(fā)現(xiàn)經(jīng)典的生物化學(xué)和遺傳學(xué) 19世紀中葉，蛋白質(zhì) 19世紀中葉到20世紀初，組成蛋白質(zhì)的20種基本氨基酸被相繼發(fā)現(xiàn)（ 1935年，蘇氨酸） 著名生物化學(xué)家Fisher還論證了連接相鄰氨基酸的“肽鍵”的形成。 孟 德孟 德 爾爾 G r e g o r Mendel(1822-1884),奧地利科學(xué)家，經(jīng)典遺傳學(xué)的奠基人 提出了“遺傳因子”的概念，并得出了二條規(guī)律：分離定律和自由組合定律

3、，統(tǒng)稱為孟德爾遺傳規(guī)律。 在孟德爾遺傳學(xué)的基礎(chǔ)上，美國著名的遺傳學(xué)家Morgan又提出了基因?qū)W說，連鎖遺傳規(guī)律。 1944年，美國著名微生物學(xué)家 Avery證明 DNA是遺傳信息的載體。 分子生物學(xué)（molecular biology) 廣義：是研究蛋白質(zhì)及核酸等生物大分子特定的空間結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的運動變化與其生物學(xué)功能關(guān)系的科學(xué)。從分子水平闡明生命現(xiàn)象和生物學(xué)規(guī)律。 狹義：主要研究基因或DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、表達和調(diào)節(jié)控制等過程。 1928年英國科學(xué)家Griffith等人發(fā)現(xiàn)肺炎鏈球菌可以引起肺炎，導(dǎo)致小鼠死亡。 1944年美國微生物學(xué)家Avery通過肺炎鏈球菌對小鼠的感染實驗，證明DNA是遺傳信

4、息的載體。 1953年Watson和Crick提出DNA右手雙螺旋模型，于1962年和Wilkins共享諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎。 同年，Sanger首次闡明了胰島素的一級結(jié)構(gòu)，開創(chuàng)了蛋白質(zhì)序列分析的先河，他于1958年獲諾貝爾化學(xué)獎。最初的雙螺旋模型最初的雙螺旋模型1952, Franklin DNA X-射線衍射圖射線衍射圖(51 號照片號照片)19531953年年DNADNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立，標志著生物型的建立，標志著生物化學(xué)發(fā)展進入分子生物化學(xué)發(fā)展進入分子生物學(xué)時期。學(xué)時期。Waston, Crick, Wilkins三人共獲三人共獲1962年諾年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。貝爾生理

5、學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。 1954年Crick提出遺傳信息傳遞的中心法則。 1958年，Meselson和Stahl提出了DNA的半保留復(fù)制。 1961年，法國科學(xué)家Jacob和Monod提出了調(diào)節(jié)基因表達的操縱子（operon）模型，1965年獲得諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎。他們還首次提出了信使核糖核酸（mRNA）的存在及作用。 同年，Nirenberg等人應(yīng)用合成的mRNA分子poly(U)破譯出第一批遺傳密碼。 1966年，美國科學(xué)家Nirenberg等人破譯了全部的DNA遺傳密碼，1969年與Holley和Khorana分享了諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎。 1967年發(fā)現(xiàn)了可將DNA連接起來的DNA連接酶。 1970年

6、Smith、Qilcox及Kelley分離到第一種可以在DNA特定位點將DNA分子切開的限制性核酸內(nèi)切酶。同年，美國的Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)RNA腫瘤病毒中存在逆轉(zhuǎn)錄酶，他們于1975年共享諾貝爾生理學(xué)獎。 1972年，Berg、Boyer等人第一次成功地完成了DNA重組實驗。 1974年，首次實現(xiàn)了異源真核生物的基因在大腸桿菌中的表達。 19751977年，美國人Sanger和Gilbert發(fā)明了快速DNA序列測定技術(shù)，并于1977年完成了噬菌體X174基因組（5386bp）的序列測定。1980年Sanger和Gilbert與Berg分享了諾貝爾化學(xué)獎。 1982年P(guān)rusine

7、r提出“感染性蛋白質(zhì)顆?！钡拇嬖?；次年將這種蛋白顆粒命名為阮病毒蛋白（prion protein, PrP）。 1997年，Prusiner因為發(fā)現(xiàn)朊病毒而獲得諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎。 1984年，德國人Kohler、美國人Milstein和丹麥科學(xué)家Jern由于發(fā)展了單克隆抗體技術(shù)而分享了諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎。 1986年，Mullis發(fā)明了PCR技術(shù)。1993年Mullis與第一個設(shè)計定點突變的Smith共享了諾貝爾化學(xué)獎。 1988年Waston出任“人類基因組計劃”首席科學(xué)家，舉世矚目的人類基因組測序工作開始啟動。 1993年，美國科學(xué)家Roberts和Sharp由于在不連續(xù)基因方面的工作而獲得

8、諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎。 1996年，酵母基因組DNA的全部序列測定工作完成。 2000年6月26日，人類基因組工作框架圖繪制完成。 所有生物體中的有機大分子都是以C為核心以共價鍵的形式與H、O、N、P以不同的方式構(gòu)成的，生命體中的各類有機大分子都是由完全相同的單體，如 Pr（20aa）、DNA/RNA（8種堿基）所組成的。分子生物學(xué)的分子生物學(xué)的3 3條基本原理：條基本原理： 構(gòu)成生物體各類有機大分子的單體在不同生物中都是相同的； 生物體內(nèi)一切有機大分子的構(gòu)成都遵循共同的規(guī)則； 某一特定生物體所擁有的核酸及蛋白質(zhì)分子決定了它的屬性。 DNA重組技術(shù)（基因工程） 基因的表達調(diào)控 生物大分子的結(jié)構(gòu)和功

9、能研究(結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)） 基因組、功能基因組與生物信息學(xué)研究 DNA DNA重組技術(shù)重組技術(shù)1、可被用于大量生產(chǎn)某些在正常細胞代謝中產(chǎn)量很低的多肽；2、可用于定向改造某些生物的基因組結(jié)構(gòu)；3、可被用來進行基礎(chǔ)研究 1972年, Boyer獲得第一個重組DNA分子1972 - BergEcoRI recognition sites phage DNAEcoRI cuts DNA into fragmentsSticky endSV40 DNAThe two fragments stick together by base pairingDNA ligaseRecombinant DNA1974年

10、美國學(xué)者Jaenisch首次應(yīng)用顯微注射法獲得轉(zhuǎn)基因小鼠。轉(zhuǎn)基因動物已應(yīng)用于基礎(chǔ)研究、疾病動物模型、藥用蛋白質(zhì)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。 1987年，世界上第一只商業(yè)化轉(zhuǎn)基因綿羊在英國著名的羅斯林研究所誕生。她的乳汁可分泌-抗胰蛋白酶，含量高達30毫克/升。 目前利用下列轉(zhuǎn)基因動物可以生產(chǎn)出人類蛋白質(zhì)藥物：牛：抗凝血酶、纖維蛋白原、人血清白蛋白、膠原蛋白、乳鐵蛋白、糖基轉(zhuǎn)移酶、蛋白C等；山羊：抗凝血酶原、抗胰蛋白酶、血清白蛋白、組織纖溶原激活因子、單克隆抗體等；綿羊：抗胰蛋白酶、凝血因子、蛋白C；豬：凝血因子、蛋白C、纖維蛋白原、血紅蛋白。經(jīng)濟效益經(jīng)濟效益 利用轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)蛋白質(zhì)成本低。利用轉(zhuǎn)基因動

11、物生產(chǎn)蛋白質(zhì)成本低。 囊性纖維變性是一種遺傳病，患者體內(nèi)會產(chǎn)生粘稠的粘液，阻塞肺部、胰腺和消化器官的內(nèi)部通道，大約有一半的患者活不過31歲。英國PPT公司培育了植入人體基因的克隆羊，羊奶中含有能夠治療囊性纖維變性的人體蛋白。 維爾莫特所在的研究所曾向德國一家藥廠出售一頭這樣的轉(zhuǎn)基因羊，獲得50萬英鎊。 基因的表達調(diào)控信號轉(zhuǎn)導(dǎo)研究，轉(zhuǎn)錄因子研究，RNA剪接 基因表達實質(zhì)上就是遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯。在個體生長發(fā)育過程中生物遺傳信息的表達按一定時序發(fā)生變化（時序調(diào)節(jié)），并隨著內(nèi)外環(huán)境的變化而不斷加以修正（環(huán)境調(diào)控）。原核生物原核生物的基因組和染色體結(jié)構(gòu)都比較簡單，的基因組和染色體結(jié)構(gòu)都比較簡單，轉(zhuǎn)錄

12、和翻譯在轉(zhuǎn)錄和翻譯在同一時間和空間內(nèi)發(fā)生同一時間和空間內(nèi)發(fā)生，基因表，基因表達的調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平達的調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平。（第。（第7章）章） 真核生物真核生物轉(zhuǎn)錄和翻譯過程在轉(zhuǎn)錄和翻譯過程在時間和空間上都時間和空間上都被分隔開被分隔開，且在轉(zhuǎn)錄和翻譯后都有復(fù)雜的信息，且在轉(zhuǎn)錄和翻譯后都有復(fù)雜的信息加工過程，其基因表達的調(diào)控可以發(fā)生在各種加工過程，其基因表達的調(diào)控可以發(fā)生在各種不同的水平上。其基因表達調(diào)控主要表現(xiàn)在信不同的水平上。其基因表達調(diào)控主要表現(xiàn)在信號傳導(dǎo)研究、轉(zhuǎn)錄因子研究及號傳導(dǎo)研究、轉(zhuǎn)錄因子研究及RNA剪輯剪輯3個方個方面面。（第。（第8章）章）DNARNA蛋白質(zhì)復(fù)制轉(zhuǎn)錄翻譯

13、逆轉(zhuǎn)錄RNA復(fù)制 生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能研究(結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)） 一個生物大分子，無論是核酸、蛋白質(zhì)或多糖，在發(fā)揮生一個生物大分子，無論是核酸、蛋白質(zhì)或多糖，在發(fā)揮生物學(xué)功能時，必須具備兩個前提：物學(xué)功能時，必須具備兩個前提：擁有特定的空間結(jié)構(gòu)（三維結(jié)構(gòu)）；擁有特定的空間結(jié)構(gòu)（三維結(jié)構(gòu)）；發(fā)揮生物學(xué)功能的過程中必定存在著結(jié)構(gòu)和構(gòu)象的變化。發(fā)揮生物學(xué)功能的過程中必定存在著結(jié)構(gòu)和構(gòu)象的變化。 結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)就是研究生物大分子特定的空間結(jié)構(gòu)及結(jié)結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)就是研究生物大分子特定的空間結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的運動變化與其生物學(xué)功能關(guān)系的科學(xué)。它包括構(gòu)的運動變化與其生物學(xué)功能關(guān)系的科學(xué)。它包括3個主個主要研究方向：

14、要研究方向：結(jié)構(gòu)的測定結(jié)構(gòu)的測定結(jié)構(gòu)運動變化規(guī)律的探索結(jié)構(gòu)運動變化規(guī)律的探索結(jié)構(gòu)與功能相互關(guān)系結(jié)構(gòu)與功能相互關(guān)系 基因組、功能基因組與生物信息學(xué)研究2001年，年，Nature和和Science同時發(fā)表人類基因組全序列。同時發(fā)表人類基因組全序列。又往往被稱為后基因組學(xué)，它利用結(jié)構(gòu)基因又往往被稱為后基因組學(xué)，它利用結(jié)構(gòu)基因組所提供的信息和產(chǎn)物，發(fā)展和應(yīng)用新的實驗手段，通過在組所提供的信息和產(chǎn)物，發(fā)展和應(yīng)用新的實驗手段，通過在基因組或系統(tǒng)水平上全面分析基因的功能，使得生物學(xué)研究基因組或系統(tǒng)水平上全面分析基因的功能，使得生物學(xué)研究從對單一基因或蛋白質(zhì)得研究轉(zhuǎn)向多個基因或蛋白質(zhì)同時進從對單一基因或蛋白

15、質(zhì)得研究轉(zhuǎn)向多個基因或蛋白質(zhì)同時進行系統(tǒng)的研究。行系統(tǒng)的研究。從事對基因組研究相關(guān)生物信息的獲取、加工從事對基因組研究相關(guān)生物信息的獲取、加工、儲存、分配、分析和解釋。包括了兩層含義，一是對海量、儲存、分配、分析和解釋。包括了兩層含義，一是對海量數(shù)據(jù)的收集、整理與服務(wù)，也就是管好這些數(shù)據(jù)；另一個是數(shù)據(jù)的收集、整理與服務(wù)，也就是管好這些數(shù)據(jù)；另一個是從中發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律，也就是用好這些數(shù)據(jù)。從中發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律，也就是用好這些數(shù)據(jù)。 與生物化學(xué)關(guān)系密切 與微生物學(xué)密不可分 對遺傳學(xué)的影響 對發(fā)育生物學(xué)的影響 對分類和進化研究的影響 對神經(jīng)生物學(xué)的影響 分子細胞生物學(xué) 對現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的影響 其他生物學(xué)范疇內(nèi)所

16、有學(xué)科在分子水平上的統(tǒng)一。 21世紀是生命科學(xué)世紀，生物經(jīng)濟時代，結(jié)構(gòu)基因組學(xué)、功能基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、生物信息學(xué)、信號跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)成為新的熱門領(lǐng)域。 分子生物學(xué)的發(fā)展揭示了生命本質(zhì)的高度有序性分子生物學(xué)的發(fā)展揭示了生命本質(zhì)的高度有序性和一致性，是人類認識論上的重大飛躍。生命活和一致性，是人類認識論上的重大飛躍。生命活動的一致性，決定了二十一世紀的生物學(xué)將是真動的一致性，決定了二十一世紀的生物學(xué)將是真正的系統(tǒng)生物學(xué)，是生物學(xué)范圍內(nèi)所有學(xué)科在分正的系統(tǒng)生物學(xué)，是生物學(xué)范圍內(nèi)所有學(xué)科在分子水平上的統(tǒng)一。子水平上的統(tǒng)一。 分子生物學(xué)是目前自然學(xué)科中進展最迅速、最具分子生物學(xué)是目前自然學(xué)科中進展最迅速、最具活力和生氣的領(lǐng)域，也是新世紀的帶頭學(xué)科。活力和生氣的領(lǐng)域，也是新世紀的帶頭學(xué)科。 分子生物學(xué)是由生物化學(xué)、生物物理學(xué)、遺傳學(xué)、分子生物學(xué)是由生物化學(xué)、生物物理學(xué)、遺傳學(xué)、微生物學(xué)、細胞學(xué)、以及信息科學(xué)等多學(xué)科相互滲微生物學(xué)