分子生物學(xué)第一章緒論課件

1、現(xiàn)代分子生物學(xué)李 江第1頁，共37頁。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(dá)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)出版社參 考 書 目第2頁，共37頁。第3頁，共37頁。第4頁，共37頁。2005年2月出版2004年2月出版2006年1月第5頁，

2、共37頁。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6頁，共37頁。第一章 緒 論達(dá)爾文進(jìn)化論 過度繁殖、遺傳變異、自然選擇 “物競天擇，適者生存”細(xì)胞學(xué)說細(xì)胞是所有動植物的基本結(jié)構(gòu)單位 每個(gè)細(xì)胞相對獨(dú)立，一個(gè)生物體內(nèi)各細(xì)胞之間協(xié)同配合 一切細(xì)胞來自細(xì)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)第7頁，共37頁。經(jīng)典的生物化學(xué)和遺傳學(xué)19世紀(jì)中葉，蛋白質(zhì)19世紀(jì)中葉到20世紀(jì)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。第8頁，共37頁。 孟德爾Gregor Mendel(

3、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，統(tǒng)稱為孟德爾遺傳規(guī)律。第9頁，共37頁。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。第10頁，共37頁。1944年，美國著名微生物學(xué)家 Avery證明 DNA是遺傳信息的載體。第11頁，共37頁。第一節(jié) 分子生物學(xué)的含義 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(yùn)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

4、、表達(dá)和調(diào)節(jié)控制等過程。第12頁，共37頁。第二節(jié) 分子生物學(xué)發(fā)展簡史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(shí)驗(yàn)，證明DNA是遺傳信息的載體。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(jiǎng)。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(jiǎng)。第13頁，共37頁。最初的雙螺旋模型1952, Franklin DNA X-射線衍射圖(51 號照片)1953年DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立

5、，標(biāo)志著生物化學(xué)發(fā)展進(jìn)入分子生物學(xué)時(shí)期。Waston, Crick, Wilkins三人共獲1962年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。第14頁，共37頁。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(dá)的操縱子（operon）模型，1965年獲得諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。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。第15頁，共37頁。1966年，美國科學(xué)家Nirenberg等人破譯了全部的D

6、NA遺傳密碼，1969年與Holley和Khorana分享了諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1967年發(fā)現(xiàn)了可將DNA連接起來的DNA連接酶。1970年Smith、Qilcox及Kelley分離到第一種可以在DNA特定位點(diǎn)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(jiǎng)。第16頁，共37頁。1972年，Berg、Boyer等人第一次成功地完成了DNA重組實(shí)驗(yàn)。1974年，首次實(shí)現(xiàn)了異源真核生物的基因在大腸桿菌中的表達(dá)。19751977年，美國人Sanger和Gilbert發(fā)明了快速DNA序列測定技術(shù)，并于197

7、7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(jiǎng)。第17頁，共37頁。1982年P(guān)rusiner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?yàn)榘l(fā)現(xiàn)朊病毒而獲得諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。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(jiǎng)。1986年，Mullis發(fā)明了PCR技術(shù)。1993年Mullis與第一個(gè)設(shè)計(jì)定點(diǎn)突變的Smith共享了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。第18頁，共

8、37頁。1988年Waston出任“人類基因組計(jì)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諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。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。第19頁，共37頁。第三節(jié) 分子生物學(xué)研究內(nèi)容 所有生物體中的有機(jī)大分子都是以C為核心以共價(jià)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(jī)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3條基本原理：構(gòu)成生物體各類有機(jī)大分子的單體

9、在不同生物中都是相同的；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；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。第20頁，共37頁。分子生物學(xué)研究內(nèi)容DNA重組技術(shù)（基因工程）基因的表達(dá)調(diào)控生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能研究(結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)）基因組、功能基因組與生物信息學(xué)研究第21頁，共37頁。 DNA重組技術(shù)1、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；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(jìn)行基礎(chǔ)研究 第22頁，共37頁。1972年, Boyer獲得第一個(gè)重組DNA分子第23頁，共37頁。1972 - BergEcoRI recognition sites ph

10、age DNAEcoRI cuts DNA into fragmentsSticky endSV40 DNAThe two fragments stick together by base pairingDNA ligaseRecombinant DNA第24頁，共37頁。1974年美國學(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(dá)30毫克/升。 轉(zhuǎn)基因動物第25頁，共37頁。 目前利用下列轉(zhuǎn)基因動物可以生產(chǎn)出

11、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(jì)效益 利用轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)蛋白質(zhì)成本低。第26頁，共37頁。第27頁，共37頁。 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

12、，獲得50萬英鎊。第28頁，共37頁。基因的表達(dá)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(dá)實(shí)質(zhì)上就是遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯。在個(gè)體生長發(fā)育過程中生物遺傳信息的表達(dá)按一定時(shí)序發(fā)生變化（時(shí)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）。第29頁，共37頁。原核生物的基因組和染色體結(jié)構(gòu)都比較簡單，轉(zhuǎn)錄和翻譯在同一時(shí)間和空間內(nèi)發(fā)生，基因表達(dá)的調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平。（第7章） 真核生物轉(zhuǎn)錄和翻譯過程在時(shí)間和空間上都被分隔開，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(dá)的調(diào)控可以發(fā)生在各種不同的水平上。其基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在信號傳導(dǎo)研究、轉(zhuǎn)錄因子研究及RNA剪輯3個(gè)方面。（第8

13、章）第30頁，共37頁。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(gè)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(shí)，必須具備兩個(gè)前提：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。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(yùn)動變化與其生物學(xué)功能關(guān)系的科學(xué)。它包括3個(gè)主要研究方向：結(jié)構(gòu)的測定結(jié)構(gòu)運(yùn)動變化規(guī)律的探索結(jié)構(gòu)與功能相互關(guān)系第31頁，共37頁?；蚪M、功能基因組與生物信息學(xué)研究2001年，Nature和Science同時(shí)發(fā)表人類基因組全序列。功能基因組學(xué)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(shí)

14、驗(yàn)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)研究從對單一基因或蛋白質(zhì)得研究轉(zhuǎn)向多個(gè)基因或蛋白質(zhì)同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的研究。生物信息學(xué)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(gè)是從中發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律，也就是用好這些數(shù)據(jù)。第32頁，共37頁。分子生物學(xué)在生命科學(xué)中的位置與生物化學(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(jìn)化研究的影響對神經(jīng)生物學(xué)的影響分子細(xì)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)所有學(xué)科在分子水平上的統(tǒng)一。第33頁，共37頁。第四節(jié) 分子生物學(xué)的現(xiàn)狀和展望21世紀(jì)是生命科學(xué)世紀(jì)，生物經(jīng)濟(jì)時(shí)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。第34頁，共37頁。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(rèn)識論上的重大飛躍。生命活動的一致性，決定了二十一世紀(jì)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)科在分子水平上的統(tǒng)一。分子生物學(xué)是目前自然學(xué)科中進(jìn)展最迅速、最具活