分子生物學(xué)導(dǎo)論

1、分子生物學(xué)導(dǎo)論第1頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一課程內(nèi)容細胞與大分子蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)核酸的性質(zhì)原核與真核生物的染色體結(jié)構(gòu)DNA復(fù)制DNA損傷、修復(fù)與重組基因操作第2頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一克隆載體基因文庫與篩選克隆DNA的分析與應(yīng)用原核生物的轉(zhuǎn)錄原核生物的轉(zhuǎn)錄調(diào)控真核生物的轉(zhuǎn)錄真核生物的轉(zhuǎn)錄調(diào)控第3頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一RNA加工與核糖核蛋白復(fù)合體遺傳密碼與tRNA蛋白質(zhì)合成噬菌體與真核生物病毒腫瘤病毒與癌基因第4頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一第一章 緒 論第一節(jié) 分子生物學(xué)發(fā)展的基

2、礎(chǔ)（一）創(chuàng)世說和進化論三個與生命現(xiàn)象相關(guān)的基本問題生命是怎樣起源的？為什么“有其父必有其子”？動、植物個體是怎樣從一個受精卵發(fā)育而來的？創(chuàng)世說上帝創(chuàng)造了世間萬物，包括人類。第5頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一什么是生命？生命如何定義？從生物學(xué)角度的定義從物理學(xué)角度的定義從生物物理學(xué)角度的定義“生命”的完整的、系統(tǒng)的定義第6頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一從生物學(xué)角度 “生命”被定義為： 由核酸和蛋白質(zhì)等物質(zhì)組成的多分子體系，它具有不斷自我更新、繁殖后代以及對外界產(chǎn)生反應(yīng)的能力。第7頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一從物理學(xué)角

3、度的定義:“生命”=“負熵” 熱力學(xué)第二定律指出，任何自發(fā)過程總是朝著使體系越來越混亂、越來越無序的方向，即朝著熵增加的方向變化。生命的演化過程總是朝著熵減少的方向進行，一旦負熵的增加趨近于零，生命將趨向終結(jié)，走向死亡。第8頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一從生物物理學(xué)角度的定義生命有三要素：物質(zhì)、能量、信息在生物體的整個運動過程中，貫穿了物質(zhì)、能量、信息三者的變化、協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。第9頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一其他說法生理學(xué)的定義：生命體是具有進食、代謝、排泄、呼吸、運動、生長、生殖和反應(yīng)性功能的系統(tǒng)；新陳代謝的定義：生命系統(tǒng)具有界面，與外界經(jīng)

4、常交換物質(zhì)、但不改變自其身性質(zhì)；生物化學(xué)的定義：生命系統(tǒng)包含著儲藏遺傳信息的核酸和調(diào)節(jié)代謝的酶蛋白；遺傳學(xué)的定義：生命系統(tǒng)是通過基因復(fù)制、突變和自然選擇而進化的系統(tǒng)；熱力學(xué)的定義：生命系統(tǒng)是一個開放系統(tǒng)，它通過能量流動和物質(zhì)循環(huán)而不斷增加內(nèi)部秩序。第10頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一（二）達爾文學(xué)說1859年達爾文發(fā)表了著名的物種起源一書，提出了進化論學(xué)說。其進化論思想的精髓可概括為“物競天擇，適者生存”幾個字。他認為世界上的一切生物都是可變的，物種的變異是由于大自然的環(huán)境和生物群體的生存競爭造成的。第11頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一（三）

5、細胞學(xué)說的建立十七世紀末十八世紀初，荷蘭的Leeuwenhoek制作了世界上第一臺顯微鏡，并觀察了諸多生物樣本。大約與其同時代的Hooke第一個提出“細胞”一詞。第12頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一十九世紀，德國植物學(xué)家Schleiden和動物學(xué)家Schwann建立了細胞學(xué)說。他們認為：所有組織的最基本單元是形狀非常相似而又高度分化的細胞。細胞的發(fā)生和形成是生物界普遍和永久的規(guī)律。第13頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一（四）經(jīng)典的生物化學(xué)和遺傳學(xué)進化論和細胞學(xué)說的結(jié)合，產(chǎn)生了現(xiàn)代生物學(xué)。而以研究動、植物遺傳變異規(guī)律為目標的遺傳學(xué)和以分離純化、鑒

6、定細胞內(nèi)含物質(zhì)為目標的生物化學(xué)則是這一學(xué)科的兩大支柱。第14頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一經(jīng)典的生物化學(xué)的成就十九世紀，人們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)。到二十世紀初，組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸被相繼發(fā)現(xiàn)。Fisher還論證了連接相鄰氨基酸的“肽鍵”的形成。細胞的其他成分，如脂類、糖類和核酸也相繼被認識和部分純化。第15頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一1869年，Misescher首次從萊茵河鮭魚精子中分離到DNA。1910年，德國科學(xué)家Kossel首先分離得到了腺嘌呤、胸腺嘧啶和組氨酸。第16頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一經(jīng)典遺

7、傳學(xué)的建立和發(fā)展1865年，奧地利科學(xué)家孟德爾（Gregor Mendel）發(fā)表了植物雜交試驗一書，提出了遺傳學(xué)的兩條基本規(guī)律：統(tǒng)一律和分離律。他認為：生物的每一種性狀都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17頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一1909年，丹麥遺傳學(xué)家W. Johannsen首先使用“基因”一詞。第18頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一二十世紀初，美國遺傳學(xué)家Morgan提出了基因?qū)W說。他指出：種質(zhì)必須由獨立的要素組成，我們把這些要素稱為遺傳因子，或者簡單地稱為基因。第19頁，共65頁，2022年，5月20日，9

8、點59分，星期一Morgan及其助手發(fā)現(xiàn)了連鎖遺傳規(guī)律，并且第一次將代表某一性狀的基因，同某一特定的染色體聯(lián)系起來。第20頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一第二節(jié) 分子生物學(xué)發(fā)展簡史 分子生物學(xué)的定義： 是研究核酸、蛋白質(zhì)等所有生物大分子的形態(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)。第21頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一1928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是遺傳信息的載體。第22頁，共65頁，2022年，5月20日，9點5

9、9分，星期一1953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。第23頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一1954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。第24頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一1961年，法國科學(xué)家Jacob和Monod提出了調(diào)節(jié)基因表達的操縱元（operon）模型，1965年獲得諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎。他們還首次提

10、出了信使核糖酸（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25頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一1966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。第26頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一1970年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)R

11、NA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。第27頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一1972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。第28頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一19751977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。第29頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一

12、1982年P(guān)rusiner提出“感染性蛋白質(zhì)顆?！钡拇嬖冢淮文陮⑦@種蛋白顆粒命名為朊病毒蛋白（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。第30頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一1984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。第31頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一1986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。第32頁，共65頁，2022年，5

13、月20日，9點59分，星期一1988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。第33頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一1993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。第34頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一1996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35頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一第三節(jié) 分子生物學(xué)的研究內(nèi)容DNA重組技術(shù)（基因工程）（一）DNA重組技術(shù)的含義： 指在體外

14、將核酸分子插入病毒、質(zhì)?；蚱渌d體分子，構(gòu)成遺傳物質(zhì)的新組合，并將之導(dǎo)入到原先沒有這類分子的寄主細胞內(nèi)，從而使接受者產(chǎn)生新的遺傳性狀的技術(shù)。第36頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一（二）DNA重組技術(shù)的建立關(guān)鍵技術(shù)：限制性內(nèi)切酶、DNA連接酶及其他工具酶的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。第37頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一（三）DNA重組技術(shù)的應(yīng)用可用于大量生產(chǎn)某些在正常細胞代謝中產(chǎn)量很低的多肽；可用于定向改造某些生物基因組結(jié)構(gòu)可用于基礎(chǔ)研究第38頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一基因表達調(diào)控研究 生物個體在生長發(fā)育過程中，基因表達是按一定的時

15、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）的?；虮磉_調(diào)控研究的主要方面有：第39頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一（一）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（singnal transduction) 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)：指外部信號通過細胞膜上的受體傳到細胞內(nèi)部，并激發(fā)諸如離子通透性、細胞形狀或其他細胞功能方面的應(yīng)答過程。第40頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一（二）轉(zhuǎn)錄因子研究轉(zhuǎn)錄因子：是指一群能與基因5端上游特定序列專一結(jié)合，從而保證目的基因以特定的強度在特定的時間與空間表達的蛋白質(zhì)分子。（三）RNA剪接研究第41頁，共65頁，2022年，5月20日，9

16、點59分，星期一生物大分子結(jié)構(gòu)功能研究（又稱結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)）（一）概念：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)。第42頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一（二）結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)的研究方向：結(jié)構(gòu)測定；結(jié)構(gòu)運動變化規(guī)律；結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的建立。第43頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一（三）結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)的研究手段物理和化學(xué)手段：射線衍射的晶體學(xué)（蛋白質(zhì)晶體學(xué)）；二維和多維核磁共振；電鏡三維重組、電子衍射、中子衍射和各種頻譜學(xué)方法；化學(xué)合成；分子生物學(xué)手段第44頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一人類基因組計劃

17、簡介 Human Genome Project，HGP問題的提出70年代對人類基因組的研究已具有一定的雛形； 1986年著名遺傳學(xué)家Mckusick V提出從整個基因組的層次研究遺傳學(xué)的科學(xué)稱“基因組學(xué)”；第45頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一同年，諾貝爾獎獲得者Dulbecco R在Science雜志上發(fā)表了題為“癌癥研究的轉(zhuǎn)折點人類基因組的全序列分析”，得到了世界范圍的響應(yīng)；1986年美國能源部宣布實施這一草案；第46頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一1987年美國能源部（DOE）和國家健康研究院（NIH）為HGP下拔了經(jīng)費1.66億美元，開始

18、籌建HGP實驗室；第47頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一1988美國成立了“國家人類基因組研究中心”由諾貝爾獎獲得者Watson J出任第一任主任。第48頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一世界的行動1987年，意大利的國家研究委員會（NRC）組織了15個（后來發(fā)展到30個）實驗室，開始HGP的研究；1989年2月，英國的HGP開始啟動;第49頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一1990年6月，法國的國家HGP開始啟動；同月，歐共體通過了“歐洲HGP研究計劃”，主要資助23個實驗室；1990年10月1日 美國國會正式批準美國的“H

19、GP”啟動，計劃在15年內(nèi)投入至少30億美元進行人類全基因組的分析；第50頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一1994年初，在吳旻、強伯勤、陳竺院士和楊煥明教授的倡導(dǎo)下，中國的HGP開始啟動；1998國家科技部在上海成立了中國南方基因中心，由陳竺院士掛帥；1998年1999年成立了中國科學(xué)院北京人類基因組中心和北方人類基因組中心，由中科院遺傳所的楊煥明教授，強伯勤院士等人牽頭；第51頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一1995年6月，德國正式開始HGP。第52頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一任務(wù)與進展遺傳圖譜（genetic ma

20、p)：定義又稱連鎖圖譜（linkage map)或遺傳連鎖圖譜（genetic linkage map)，是指人類基因組內(nèi)基因以及專一的多態(tài)性DNA標記(marker)相對位置的圖譜，其研究經(jīng)歷了從經(jīng)典的遺傳圖譜到現(xiàn)代遺傳圖譜的過程。第53頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一經(jīng)典的遺傳圖譜（以基因表型為標記）現(xiàn)代遺傳圖譜（以DNA為標記）第一代多態(tài)性標記：限制性片段長度多態(tài)性（restriction fragment length polymorphism, RFLP)，位點數(shù)目可達105以上。第54頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一第二代多態(tài)性標記：

21、小衛(wèi)星/可變數(shù)量串聯(lián)重復(fù)（minisatellite/ variable number tandem repeat, VNTR)及微衛(wèi)星/簡短串聯(lián)重復(fù)（microsatellite / simple tandem repeat, STR)。個數(shù)在6000個以上。 其中STR具高度多態(tài)性，有的可形成幾十種等位片段，是目前在基因定位的研究中應(yīng)用最多的標記系統(tǒng)。第55頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一第三代多態(tài)性標記：單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphism, SNP)。這種標記在人類基因組中多達300萬個。第56頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一構(gòu)建遺傳圖譜的基本原理：真核生物在減數(shù)分裂過程中染色體進行重組和交換，染色體上任意兩點之間發(fā)生重組和交換的概率隨著兩點之間相對距離的遠近而發(fā)生變化。第57頁，共65頁，2022年，5月20日，9點59分，星期一構(gòu)建遺傳圖譜的意義：通過連鎖分析，可以找到某一致病基因或表型的基因與某一標記鄰近（即緊密連鎖）的證據(jù)，從而可把這一基因