現(xiàn)代分子生物學(xué)-第1章緒論

1、現(xiàn)代分子生物學(xué)-第1章緒論課程基本要求熟知核酸的基本生物化學(xué)特性；熟知生物信息的儲存與表達(dá)過程；掌握DNA、RNA和蛋白質(zhì)的基本代謝過程，特別是基因的一般結(jié)構(gòu)與生物功能，基因活性的修飾與調(diào)節(jié)；掌握分子克隆與DNA重組的基本技術(shù)與原理，了解現(xiàn)代分子生物學(xué)基本研究方法，了解基因治療與基因組學(xué)的新成果，新進(jìn)展。主要參考書1現(xiàn)代分子生物學(xué) 朱玉賢、李毅第三版（2007） 2. Genes VIII (IX). Benjamin Lewin 3. Molecular Biology of the Gene James D. Watson, et al. 2004 第五版 4.現(xiàn)代遺傳學(xué)原理 徐晉麟等，科

2、學(xué)出版社，20015. Lehninger Principles of Biochemistry, 2005 第五版 第一章 緒 論一、二十一世紀(jì)是現(xiàn)代生物科學(xué)的世紀(jì)統(tǒng)計美國“科學(xué)引文索引（Science Citation Index, SCI）”收錄的6080余種學(xué)術(shù)刊物，發(fā)現(xiàn)有4000種左右為生物科學(xué)相關(guān)雜志！統(tǒng)計全世界引用指數(shù)（Impact factor）在10以上的超一流學(xué)術(shù)刊物，也發(fā)現(xiàn)80%左右是生物科學(xué)相關(guān)刊物。2006年SCI收錄的6000余種期刊的影響因子中CA-CANCER J CLIN 63.342ANNU REV IMMUNOL 47.237NEW ENGL J MED

3、44.016ANNU REV BIOCHEM 36.525NAT REV CANCER 31.583NAT REV MOL CELL BIO 31.354SCIENCE 30.028CELL 29.194 NAT REV IMMUNOL 28.697NATURE 26.681分子生物學(xué)是研究核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子的形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征及其重要性、規(guī)律性和相互關(guān)系的科學(xué)；是人類從分子水平上真正揭示生物世界的奧秘，由被動地適應(yīng)自然界轉(zhuǎn)向主動地改造和重組自然界的基礎(chǔ)學(xué)科。二、分子生物學(xué)發(fā)展的三個階段(一) 準(zhǔn)備和醞釀階段(二) 現(xiàn)代分子生物學(xué)的建立和發(fā)展階段(三) 初步認(rèn)識生命本質(zhì)并改造生命的深 入發(fā)展

4、階段二、分子生物學(xué)發(fā)展的三個階段(一) 準(zhǔn)備和醞釀階段（19世紀(jì)后期到20世紀(jì)50年代初）1、確定了蛋白質(zhì)是生命的主要物質(zhì)基礎(chǔ);2、確定了生物遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA(二) 現(xiàn)代分子生物學(xué)的建立和發(fā)展階段（ 20世紀(jì)50年代初到70年代初）1、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型（1953） (現(xiàn)代分子生物學(xué)誕生的里程碑) 2、遺傳信息傳遞中心法則的建立3、對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的進(jìn)一步認(rèn)識(三)現(xiàn)代分子生物學(xué)深入發(fā)展的階段1、重組DNA技術(shù)的建立和發(fā)展;2、基因組研究;3、單克隆抗體及基因工程抗體技術(shù);4、基因表達(dá)調(diào)控機(jī)理;5、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)理研究。三、現(xiàn)代分子生物學(xué)發(fā)展中的主要里程碑Gregor Mendel(1

5、822-1884).The Father of Genetics孟德爾的遺傳學(xué)規(guī)律最先使人們對性狀遺傳產(chǎn)生了理性認(rèn)識孟德爾（奧地利）的遺傳學(xué)規(guī)律最先使人們對性狀遺傳產(chǎn)生了理性認(rèn)識；Morgan（美）的基因?qū)W說則進(jìn)一步將“性狀”與“基因”相耦聯(lián)，成為分子遺傳學(xué)的奠基石。 1910年，德國科學(xué)家Kossel第一個分離了腺嘌呤，胸腺嘧啶和組氨酸, 獲諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎。 1959年，美國科學(xué)家Uchoa第一次合成了核糖核酸，實現(xiàn)了將基因內(nèi)的遺傳信息通過RNA翻譯成蛋白質(zhì)的過程。 1959年，Kornberg實現(xiàn)了試管內(nèi)細(xì)菌細(xì)胞中DNA的復(fù)制。Watson和Crick所提出的脫氧核糖酸雙螺旋模型，為充分

6、揭示遺傳信息的傳遞規(guī)律鋪平了道路。Rosalind E. Franklin1920-19581953, Watson & Crick提出DNA的反向平行雙螺旋模型; Wilkins通過對DNA分子的X射線衍射研究證實了該模型。1961年，法國科學(xué)家Jacob和Monod提出并證實了操縱子（operon）作為調(diào)節(jié)細(xì)菌細(xì)胞代謝的分子機(jī)制。他們還推測存在一種與DNA序列相互補(bǔ)、能將它所編碼的遺傳信息帶到蛋白質(zhì)合成場所并翻譯產(chǎn)生蛋白質(zhì)的mRNA（信使核糖核酸）。對分子生物學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了極其重要的指導(dǎo)作用。Francois Jacob (Left), Jacques Monod (Center) & A

7、ndre Lwoff (Right),1965分享了諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎 1968年，Nirenberg，Holley和Khorana共享諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎Nirenberg：破譯DNA遺傳密碼；Holley：闡明了酵母丙氨酸t(yī)RNA的核苷酸序列，并證實了所有tRNA具有結(jié)構(gòu)上的相似性；Khorana：第一個合成了核酸分子，并且人工復(fù)制了酵母基因。1972年，Paul Berg（美）第一次進(jìn)行了DNA重組。1977年，Sanger和Gilbert（英）第一次進(jìn)行了DNA序列分析。1980年，獲諾貝爾化學(xué)獎 1983年，McClintock由于在50年代提出并發(fā)現(xiàn)了可移動遺傳因子（jumping ge

8、ne或稱mobile element）而獲得Nobel獎。Barbra McClintock1975年，美國人Temin、Dulbecco和Baltimore由于發(fā)現(xiàn)在RNA腫瘤病毒中存在以RNA為模板，逆轉(zhuǎn)錄生成DNA的逆轉(zhuǎn)錄酶而共享諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎;1989年，（美）Altman和Cech發(fā)現(xiàn)某些RNA具有酶的功能而共享Nobel化學(xué)獎； 1993年，英國科學(xué)家Roberts和Sharp因發(fā)現(xiàn)斷裂基因（introns）而獲得Nobel獎；1993年，（美）Mullis由于發(fā)明PCR儀而與加拿大學(xué)者Smith（第一個設(shè)計基因定點突變）共享Nobel化學(xué)獎。1994年，Gilman和Rodbe

9、ll（美）由于發(fā)現(xiàn)了G蛋白在細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用而分享Nobel生理醫(yī)學(xué)獎；1999年，Blobel（美）由于闡述了蛋白質(zhì)在細(xì)胞間的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制而獲Nobel生理醫(yī)學(xué)獎；2001年，Hartwell(美)Hunt & Nurse(英)因?qū)?xì)胞周期調(diào)控因子的研究分享Nobel生理醫(yī)學(xué)獎;2006年,美國科學(xué)家Kornberg由于在揭示真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄機(jī)制方面的杰出貢獻(xiàn)獲得諾貝爾化學(xué)獎。美國科學(xué)家Fire和Mello由于在揭示控制遺傳信息流動的基本機(jī)制RNA干擾方面的杰出貢獻(xiàn)而獲得諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎。四、證明DNA就是遺傳物質(zhì)的主要?dú)v史事件 多少年來，人們反復(fù)提出的幾個與一切生命現(xiàn)象有關(guān)的問題：1.生命是

10、怎樣起源的？2.為什么“有其父必有其子”？3.動、植物個體是怎樣從一個受精卵發(fā)育而來的？ 17世紀(jì)末葉，荷蘭藉顯微鏡專家Leeuwenhoek制作成功了世界第一架光學(xué)顯微鏡。 Hooke，第一次用“細(xì)胞”這個概念來形容組成軟木的最基本單元。 1847年，Schleiden和Schwann提出“細(xì)胞學(xué)說”，證明動、植物都由細(xì)胞組成。細(xì)胞學(xué)說 分析細(xì)胞的組成成分；弄清楚這些物質(zhì)與細(xì)胞內(nèi)生命現(xiàn)象的聯(lián)系。 19世紀(jì)中葉到20世紀(jì)初，是早期生物化學(xué)的大發(fā)展階段，組成蛋白質(zhì)的20種基本氨基酸被相繼發(fā)現(xiàn)，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。 經(jīng)典生物化學(xué) 孟德爾在1857年到1

11、864年間，用產(chǎn)生圓形種子的豌豆同產(chǎn)生皺皮種子的植株雜交，得到幾百粒全是圓形的F1代種子。 第二年，他種植了253粒F1圓形種子并進(jìn)行自交，得到7324粒F2種子，其中5474粒圓形，1850粒皺皮，圓皺比為3:1。經(jīng)典遺傳學(xué) 用黃色圓形豌豆與綠色皺皮豌豆做雜交，發(fā)現(xiàn)F1種子全是黃色圓形的。 自交產(chǎn)生556粒F2代種子中，黃色圓形315粒，黃色皺皮121，綠色圓形108，綠色皺皮32。 四種類型接近于9:3:3:1。綠黃圓皺F2代=9:3:3:1孟德爾總結(jié)出生物遺傳的兩條基本規(guī)律:第一，當(dāng)兩種不同植物雜交時，它們的下一代可能與親本之一完全相同，他把這一現(xiàn)象稱為統(tǒng)一律。他認(rèn)為，生物的每一種性狀都

12、是由遺傳因子控制的，這些因子可以從親代到子代，代代相傳。第二，將不同植物品種雜交后的F1代種子再進(jìn)行雜交或自交時，下一代就會按照一定的比例發(fā)生分離，因而具有不同的形式，他把這一現(xiàn)象稱為分離規(guī)律。在孟德爾遺傳學(xué)基礎(chǔ)上，Morgan又提出了基因?qū)W說。 1910年，Morgan和他的助手們發(fā)現(xiàn)了第一只白眼雄果蠅，稱為突變型。正常情況下，果蠅都是紅眼的，稱為野生型。Morgan將白眼雄果蠅與紅眼雌果蠅交配，所產(chǎn)生的F1代不論雌雄，全為紅眼果蠅（孟德爾的統(tǒng)一規(guī)律！）。這些F1果蠅互相交配所產(chǎn)生的F2有紅眼也有白眼，但所有白眼果蠅都是雄性的，說明該性狀與性別有聯(lián)系。Morgan的這一連鎖遺傳規(guī)律與孟德爾的

13、遺傳性狀獨(dú)立分離規(guī)律是“背道而馳”的！當(dāng)所研究的兩個基因位于同一染色體上而又距離較近時，Morgan的連鎖遺傳規(guī)律起主導(dǎo)作用。當(dāng)所研究的兩個基因位于不同染色體上時，孟德爾的獨(dú)立分離規(guī)律起主導(dǎo)作用。 證明DNA就是遺傳物質(zhì)的具有重要意義的實驗Griffith（1928）及Avery（1944）等人關(guān)于致病力強(qiáng)的光滑型（S型）肺炎鏈球菌DNA導(dǎo)致致病力弱的粗糙型（R型）細(xì)菌發(fā)生遺傳轉(zhuǎn)化的實驗;Hershey和Chase（1952）關(guān)于DNA是遺傳物質(zhì)的實驗;DNA是細(xì)菌的遺傳物質(zhì).英國科學(xué)家Griffith等人發(fā)現(xiàn)，具有光滑外表的S型肺炎鏈球菌能使小鼠發(fā)病，具有粗糙外表的R型細(xì)菌沒有致病力。莢膜多

14、糖能保護(hù)細(xì)菌免受動物白細(xì)胞的攻擊。首先用實驗證明基因就是DNA分子的是美國的微生物學(xué)家Avery。他首先將光滑型致病菌（S型）燒煮殺滅活性以后再侵染小鼠，發(fā)現(xiàn)這些死細(xì)菌自然喪失了致病能力。解剖死鼠，發(fā)現(xiàn)有大量活的S型細(xì)菌。他們推測，死細(xì)菌中的某一成分轉(zhuǎn)化源(transforming principle）將無致病力的細(xì)菌轉(zhuǎn)化成病原細(xì)菌。10年后的實驗表明，DNA就是轉(zhuǎn)化源。死細(xì)菌DNA指導(dǎo)了這一可遺傳的轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致了小鼠死亡。DNA是細(xì)菌的遺傳物質(zhì)Avery等人的工作樹立了遺傳學(xué)理論上全新的觀點DNA是遺傳信息的載體。美國冷泉港卡內(nèi)基遺傳學(xué)實驗室科學(xué)家Hershey和他的學(xué)生Chase在195

15、2年從事噬菌體侵染細(xì)菌的實驗。噬菌體專門寄生在細(xì)菌體內(nèi)，其頭、尾外部都是由蛋白質(zhì)組成的外殼，頭內(nèi)主要是DNA。DNA也是病毒的遺傳物質(zhì) 噬菌體侵染細(xì)菌的主要過程如下：噬菌體尾部的末端（基片、尾絲）吸附在細(xì)菌表面；噬菌體通過尾軸把DNA全部注入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，噬菌體的蛋白質(zhì)外殼則留在細(xì)胞外面；利用細(xì)菌的生命過程合成噬菌體自身的DNA和蛋白質(zhì)；用新合成的DNA和蛋白質(zhì)組裝成與親代完全相同的子噬菌體；細(xì)菌解體，釋放子代噬菌體，侵染其他細(xì)菌。侵染細(xì)菌后立即收集噬菌體，可得到70%32P標(biāo)記的DNA，但只能得到20%標(biāo)記的蛋白質(zhì)。如果侵染細(xì)菌后讓噬菌體復(fù)制一代，那么，新生代噬菌體中30%的DNA鏈上帶有32

16、P標(biāo)記，而噬菌體總蛋白中只有不到1%仍帶有35S標(biāo)記。DNA是動物細(xì)胞的遺傳物質(zhì)當(dāng)DNA加入到某種在培養(yǎng)基中培養(yǎng)的真核單細(xì)胞生物群落中，核酸就會進(jìn)入到細(xì)胞中去，其中有一部分就會合成出一些新的蛋白質(zhì)。導(dǎo)入DNA的表達(dá)將使細(xì)胞產(chǎn)生一些新的特性。圖. 胸腺嘧啶核苷激酶的合成DNA到底是什么樣的呢？ Avery在1944年的報告中這樣寫道：當(dāng)溶液中酒精的體積達(dá)到9/10時，有纖維狀物質(zhì)析出；如稍加攪動，這種物質(zhì)便會像棉線繞在線軸上一樣繞在硬棒上，溶液中的其他成分則以顆粒狀沉淀留在下面。溶解纖維狀物質(zhì)并重復(fù)沉淀數(shù)次，可提高其純度。這一物質(zhì)具有很強(qiáng)的生物學(xué)活性，初步實驗證實它很可能就是DNA。中心法則Cr

17、ick于1954年所提出的遺傳信息傳遞規(guī)律1954年首次提出的“中心法則” 1970-1980年的“中心法則” 21世紀(jì)后修正的“中心法則” Meselson和Stahl（1958）關(guān)于DNA半保留復(fù)制的實驗;Yanofsky和Brener（1961）年關(guān)于遺傳密碼三聯(lián)子的設(shè)想都為分子生物學(xué)的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。中國科學(xué)家的貢獻(xiàn)吳憲20世紀(jì)20年代與汪猷、張昌穎等人一道完成了蛋白質(zhì)變性理論、血液生化檢測和免疫化學(xué)等一系列有重大影響的研究。20世紀(jì)中下葉，我國科學(xué)家相繼實現(xiàn)了人工全合成有生物學(xué)活性的結(jié)晶牛胰島素，解出了三方二鋅豬胰島素的晶體結(jié)構(gòu)，采用有機(jī)合成與酶促相結(jié)合的方法完成了酵母丙氨酸轉(zhuǎn)移

18、核糖核酸的人工全合成。五、分子生物學(xué)的主要研究內(nèi)容 一切生物體中的各類有機(jī)大分子都是由完全相同的單體，如蛋白質(zhì)分子中的20種氨基酸、DNA及RNA中的8種堿基所組合而成的。分子生物學(xué)研究的基本定理：1.構(gòu)成生物體有機(jī)大分子的單體在不同生物中都是相同的；2.生物體內(nèi)一切有機(jī)大分子的構(gòu)成都遵循共同的規(guī)則 ；3.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。 生物體內(nèi)各種大分子、亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的大小DNA重組技術(shù) (基因工程)基因表達(dá)調(diào)控生物大分子結(jié)構(gòu)功能 (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)分子生物學(xué)研究主要包括：是20世紀(jì)70年代初興起的技術(shù)科學(xué)，目的是將不同DNA片段按照人們的設(shè)計定向連接起來，在特定的受體細(xì)胞中與載體同時復(fù)制并得到表達(dá)，產(chǎn)生影響受體細(xì)胞的新的遺傳性狀。 DNA重組技術(shù)是核酸化學(xué)、蛋白質(zhì)化學(xué)、酶工程及微生物學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞學(xué)長期深入研究的結(jié)晶，而限制性內(nèi)切酶、DNA連接酶及其他工具酶的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用則是這一技術(shù)得以建立的關(guān)鍵。DNA重組技術(shù)通過DNA連接酶把不同的DNA片段連接成一個整體。a. DNA的粘性末端; b. DNA的平末端; c. 化學(xué)合成的具有EcoRI粘性末端的DNA片段。重組DNA操作過程示意圖可被用于大量生產(chǎn)某些在正常細(xì)胞代謝中產(chǎn)量很低的多肽；可用于定向改造某些生物的基因組結(jié)構(gòu)，