分子生物學(xué)基礎(chǔ)課件

分子生物學(xué)基礎(chǔ)課件第1頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/722.分子生物學(xué)的研究?jī)?nèi)容1.分子生物學(xué)的定義3.分子生物學(xué)與生物技術(shù)內(nèi)容概要第2頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/73

一、分子生物學(xué)的定義第3頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/74從整體水平到分子水平示意圖分子水平細(xì)胞水平整體水平

生命科學(xué)的發(fā)展過程：第4頁(yè)/共65頁(yè)分子生物學(xué)的概念分子生物學(xué)是研究核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能，并從分子水平上闡明蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)與核酸之間的互作及其基因表達(dá)調(diào)控機(jī)理的學(xué)科廣義上，分子生物學(xué)包括對(duì)蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子結(jié)構(gòu)與功能的研究，以及從分子水平上闡明生命現(xiàn)象和生物規(guī)律，但目前主要研究基因的結(jié)構(gòu)與功能、復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、表達(dá)和調(diào)控，確切地應(yīng)稱為分子遺傳學(xué)第5頁(yè)/共65頁(yè)DNA-遺傳密碼的攜帶者第6頁(yè)/共65頁(yè)引自NeilCampbell著Biology第4版,1996胰島素蛋白酶蜘蛛毒素光合作用受體金屬硫蛋白第7頁(yè)/共65頁(yè)分子生物學(xué)的研究?jī)?nèi)容基因與基因組的結(jié)構(gòu)與功能DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯基因表達(dá)調(diào)控的研究DNA重組技術(shù)結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)第8頁(yè)/共65頁(yè)分子生物學(xué)的發(fā)展歷程1944~1966年，人類對(duì)DNA和遺傳信息傳遞的認(rèn)識(shí)階段1967~1978年，重組DNA技術(shù)的建立和發(fā)展階段1979年至今，重組DNA技術(shù)的應(yīng)用和分子生物學(xué)迅速發(fā)展階段第9頁(yè)/共65頁(yè)分子生物學(xué)的發(fā)展歷程1944年，Avery

證明DNA是遺傳物質(zhì)1950年，Chargaff提出Chargaff定則1953年，Watson&Crick

成功解析了DNA分子二級(jí)結(jié)構(gòu)1961年，Jacob&Monod

提出了調(diào)節(jié)基因表達(dá)的操縱子模型第10頁(yè)/共65頁(yè)分子生物學(xué)的發(fā)展歷程1970年，Smith&Wilcox

分離到第一種限制性核酸內(nèi)切酶1972~1973年，Boyer&Berg

發(fā)展了重組DNA技術(shù)，并完成了第一個(gè)細(xì)菌基因的克隆，開創(chuàng)基因工程的新紀(jì)元1975年，Southern

發(fā)明了DNA片段的印跡法第11頁(yè)/共65頁(yè)分子生物學(xué)的發(fā)展歷程1981年，Cech發(fā)現(xiàn)了ribozyme1982年，Prusiner

發(fā)現(xiàn)了朊病毒prion1985年，KarryMullis

發(fā)明了PCR反應(yīng)1988年，人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)1998年，克隆羊多利誕生，同年GenBank公布了最新的人類基因圖譜第12頁(yè)/共65頁(yè)GregorMendel(1822-1884).TheFatherofGenetics孟德爾的遺傳學(xué)規(guī)律最先使人們對(duì)性狀遺傳產(chǎn)生了理性認(rèn)識(shí)第13頁(yè)/共65頁(yè)孟德爾（奧地利）的遺傳學(xué)規(guī)律最先使人們對(duì)性狀遺傳產(chǎn)生了理性認(rèn)識(shí)；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。第14頁(yè)/共65頁(yè)

1910年，德國(guó)科學(xué)家Kossel第一個(gè)分離了腺嘌呤，胸腺嘧啶和組氨酸。

1959年，美國(guó)科學(xué)家Ochoa因?yàn)槊笇W(xué)方面的杰出貢獻(xiàn)（第一次合成核糖核酸），與實(shí)現(xiàn)試管內(nèi)細(xì)菌細(xì)胞中DNA的復(fù)制的ArthurKornberg共享當(dāng)年諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。第15頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/7161.核酸的發(fā)現(xiàn)

早在1868年，Miescher從膿細(xì)胞中分離出細(xì)胞核，用稀堿抽提再加入酸，得到了一種含氮和磷特別豐富的物質(zhì)，當(dāng)時(shí)稱其為核素（nuclein）。

1872年，他又在鮭魚精子細(xì)胞核中發(fā)現(xiàn)了大量的這類物質(zhì)。由于這類物質(zhì)都是從細(xì)胞核中提取出來(lái)的，而且又是酸性，故稱其為核酸（nucleicacid）。FriedeichMiescher第16頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/717

自核酸被發(fā)現(xiàn)以來(lái)的相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，對(duì)它的生物學(xué)功能幾乎毫無(wú)所知。

1928年(FrederickGriffith)以后，核酸功能研究取得了重大進(jìn)展。第17頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/718In1928,anexperimentofFrederickGriffithusingpneumoniabacteriaandmice第18頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/7191952年，HersheyAD和ChaseM用35S和32p分別標(biāo)記T2噬菌體的蛋白質(zhì)和核酸，感染大腸桿菌。在大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)增殖的噬菌體中都只含有32P而不含35S,這表明噬菌體的增殖直接取決于DNA而不是蛋白質(zhì)。2.核酸功能研究的重大進(jìn)展1944年，AveryOT等首次證明肺炎雙球菌的DNA與其轉(zhuǎn)化和遺傳有關(guān)。第19頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/720In1952,AlfredHersheyandMarthaChasedidanexperimentwhichissosignificant,ithasbeennicknamedthe“Hershey-ChaseExperiment”.第20頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/721In1952,AlfredHersheyandMarthaChasedidanexperimentwhichissosignificant,ithasbeennicknamedthe“Hershey-ChaseExperiment”.第21頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/722DNA的X光衍射照片1952年5月拍攝羅沙琳德·弗蘭克林（RosalindFranklin，1920－1958）英國(guó)

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立第22頁(yè)/共65頁(yè)Wilkins通過對(duì)DNA分子的X射線衍射研究證實(shí)了該模型。RosalindE.Franklin1920-1958第23頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/724DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立諾貝爾醫(yī)學(xué)與生理學(xué)獎(jiǎng)1962年第24頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/725WatsonJD和CrickFHC的“雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”啟動(dòng)了分子生物學(xué)及重組DNA技術(shù)的發(fā)展。確立了核酸作為信息分子的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；提出了堿基配對(duì)是核酸復(fù)制、遺傳信息傳遞的基本方式，最終確定了核酸是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。第25頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/726TheMeselson-Stahlexperiment（1958）showedthatDNAisreplicatedsemi-conservativelyDNAsemi-conservativeduplication

3.DNA復(fù)制模型第26頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/727DNA復(fù)制模型第27頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/7281961年，Nirenberg、Ochoa以及Khorana等幾組科學(xué)家的共同努力，破譯了RNA上編碼合成蛋白質(zhì)的遺傳密碼，證明DNA分子中的遺傳信息是以三聯(lián)密碼的形式貯存。

遺傳密碼在生物界具有通用性。第28頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/729第29頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/730第30頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/7314.

中心法則的建立

1958年，Crick提出了分子生物學(xué)的中心法則（centraldogma）。

中心法則是分子遺傳學(xué)基本理論體系。第31頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/732第32頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/733

1970年，Temin和Baltimore從雞Rous肉瘤病毒(Roussarcomavirus，RSV)顆粒中發(fā)現(xiàn)了以RNA為模板合成DNA的逆轉(zhuǎn)錄酶，進(jìn)一步補(bǔ)充了遺傳信息傳遞的中心法則。

第33頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/7346.基因的人工合成

1978年體外首次成功地人工合成第一個(gè)完整基因。直接證實(shí)了MendelG在1865年發(fā)現(xiàn)的遺傳因子(基因)的化學(xué)本質(zhì)，就是DNA分子。

DNA分子是多種多樣生命現(xiàn)象的物質(zhì)基礎(chǔ)。第34頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/7357.基因組研究的進(jìn)展

基因組（genome）:一個(gè)物種遺傳信息的總和?；蚪Y(jié)構(gòu)與功能研究已經(jīng)從單個(gè)基因發(fā)展到生物體整個(gè)基因組。基因組研究已從簡(jiǎn)單的低等生物到真核生物，從多細(xì)胞生物到人類。第35頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/736

1977年:Sanger測(cè)定了ΦX174DNA全部5375bp核苷酸序列；

1978年:Fiers等測(cè)出環(huán)狀SV40DNA全部5243bp核苷酸序列；1980年代:λ噬菌體DNA全部48502堿基對(duì)的序列被測(cè)出；一些小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因組的全序列也陸續(xù)被測(cè)定;1996年底:大腸桿菌基因組DNA的全部序列長(zhǎng)4×106堿基對(duì)；

1996年底:完成了真核生物酵母（Saccharomyceserevisiae）的基因組全序列測(cè)定；1998年底:長(zhǎng)達(dá)100Mb的線蟲的基因組序列測(cè)定也已全部完成。這是第一個(gè)完成的多細(xì)胞生物體的全基因組序列測(cè)定。第36頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/737

人類基因組計(jì)劃（humangenomeproject,HGP）美國(guó)科學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者DulbeccoR于1986年在美國(guó)《Science》雜志上發(fā)表的短文中率先提出，并認(rèn)為這是加快癌癥研究進(jìn)程的一條有效途徑。主要的目標(biāo)是繪制遺傳連鎖圖、物理圖、轉(zhuǎn)錄圖，并完成人類基因組全部核苷酸序列測(cè)定。測(cè)出人體細(xì)胞中24條染色體上全部30億對(duì)核苷酸的序列，把所有人類基因都明確定位在染色體上，破譯人類的全部遺傳信息。

HGP是人類自然科學(xué)史上與曼哈頓原子彈計(jì)劃和阿波羅登月計(jì)劃相媲美的偉大科學(xué)工程。第37頁(yè)/共65頁(yè)“What’sHumanGenomeProject?”“OnebaseOnedollar!”-byataxidriver(andataxpayer)第38頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/739

研究結(jié)果表明，人類基因數(shù)量?jī)H有3萬(wàn)個(gè)左右，比此前估計(jì)的要少得多。通過研究還發(fā)現(xiàn)男女可能存在巨大遺傳差異，男性染色體減數(shù)分裂的突變率是女性的兩倍。在已經(jīng)分析的序列中，找到很多與遺傳病有關(guān)的基因，包括乳腺癌、遺傳性耳聾、中風(fēng)、癲癇癥、糖尿病和各種骨骼異常的基因。第39頁(yè)/共65頁(yè)humanArabidopsis擬南芥ThermotogamaritimaEscherichiacoli大腸桿菌Buchnerasp.APSRickettsiaprowazekiiUreaplasmaurealyticumBacillussubtilisDrosophilamelanogasterThermoplasmaacidophilumPlasmodiumfalciparumHelicobacterpylorimouseCaenorhabitiselegansratBorreliaburgorferiBorreliaburgorferiAquifexaeolicusNeisseriameningitidisZ2491Mycobacteriumtuberculosis全基因組已經(jīng)測(cè)序的一些生物第40頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/741（二）蛋白質(zhì)分子生物學(xué)：

DNA→儲(chǔ)存生命活動(dòng)的各種信息。

蛋白質(zhì)→生命活動(dòng)的執(zhí)行者。蛋白質(zhì)的分子生物學(xué)主要研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能。第41頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/742

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的研究進(jìn)展

1956年，Anfinsen和White根據(jù)對(duì)酶蛋白的變性和復(fù)性實(shí)驗(yàn)，提出蛋白質(zhì)的三維空間結(jié)構(gòu)是由其氨基酸序列來(lái)確定的。1958年，Ingram證明正常的血紅蛋白與鐮狀細(xì)胞溶血癥病人的血紅蛋白之間，在其亞基的肽鏈上僅有一個(gè)氨基酸殘基的差別。1969年，Weber開始應(yīng)用SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳測(cè)定蛋白質(zhì)分子量；20世紀(jì)60年代先后分析了血紅蛋白、核糖核酸酶A等一批蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)。

中國(guó)科學(xué)家在1965年人工合成了牛胰島素；1973年又用1.8AX射線衍射分析法測(cè)定了牛胰島素的空間結(jié)構(gòu)。第42頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/743三、分子生物學(xué)與生物技術(shù)第43頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/744

分子生物學(xué)技術(shù)：

例如：DNA及RNA的印跡轉(zhuǎn)移、核酸分子雜交、基因克隆、基因體外擴(kuò)增、DNA測(cè)序等，形成了獨(dú)特的重組DNA技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)。

由生物化學(xué)、生物物理學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、應(yīng)用微生物學(xué)及免疫學(xué)等各專業(yè)技術(shù)的滲透、綜合而成，并在此基礎(chǔ)上發(fā)明和創(chuàng)造了一系列新的技術(shù)。第44頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/745分子克隆(molecularcloning)

重組DNA(recombinantDNA)技術(shù)是近代分子生物學(xué)技術(shù)的核心。

基因操作(genemanipulation)

基因克隆(genecloning)基因工程(geneengineering)第45頁(yè)/共65頁(yè)

通過DNA連接酶把不同的DNA片段連接成一個(gè)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。第46頁(yè)/共65頁(yè)工具酶限制性核酸內(nèi)切酶能夠識(shí)別DNA上的特定堿基序列并從這個(gè)位點(diǎn)切開DNA分子。第一個(gè)核酸內(nèi)切酶EcoRI是Boyer實(shí)驗(yàn)室在1972年發(fā)現(xiàn)的，它能特異性識(shí)別GAATTC序列，將雙鏈DNA分子在這個(gè)位點(diǎn)切開并產(chǎn)生具有粘性末端的小片段。

第47頁(yè)/共65頁(yè)幾種主要DNA內(nèi)切酶所識(shí)別的序列及其酶切末端.第48頁(yè)/共65頁(yè)基因克隆的載體僅僅能在體外利用限制性核酸內(nèi)切酶和DNA連接酶進(jìn)行DNA的切割和重組，還不能滿足基因工程的要求，只有將它們連接到具備自主復(fù)制能力的DNA分子上，才能在寄主細(xì)胞中進(jìn)行繁殖。具備自主復(fù)制能力的DNA分子就是分子克隆的載體（vector）。病毒、噬菌體和質(zhì)粒等小分子量復(fù)制子都可以作為基因?qū)氲妮d體。第49頁(yè)/共65頁(yè)重組DNA操作過程示意圖第50頁(yè)/共65頁(yè)第51頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/752

20世紀(jì)以來(lái)，分子生物學(xué)的發(fā)展，產(chǎn)生了重組DNA技術(shù)，推動(dòng)生物技術(shù)深入發(fā)展，而導(dǎo)致現(xiàn)代生物技術(shù)作為一門交叉學(xué)科的產(chǎn)生。轉(zhuǎn)基因細(xì)胞、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物和基因剔除動(dòng)物的出現(xiàn)，是現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)在生物技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。第52頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/753

用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物獲取治療人類疾病的重要蛋白質(zhì)。如，導(dǎo)入了凝血因子Ⅸ基因的轉(zhuǎn)基因綿羊分泌的乳汁中含有豐富的凝血因子Ⅸ，能有效地用于血友病的治療。

轉(zhuǎn)基因動(dòng)物和基因剔除動(dòng)物第53頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/754

在轉(zhuǎn)基因植物方面取得重大進(jìn)展，比普通西紅柿保鮮時(shí)間更長(zhǎng)的轉(zhuǎn)基因西紅柿投放市場(chǎng)。轉(zhuǎn)基因玉米、轉(zhuǎn)基因大豆相繼投入商品生產(chǎn)。我國(guó)科學(xué)家將蛋白酶抑制劑基因轉(zhuǎn)入棉花，獲得抗棉鈴蟲的棉花株。

轉(zhuǎn)基因植物和轉(zhuǎn)基因食品第54頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/755DNA序列分析技術(shù)：

雙脫氧末端終止法:1977年，劍橋大學(xué)SangerF等發(fā)明。

化學(xué)裂解法:

美國(guó)MaxamI和GilbertW發(fā)明。第55頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/756第56頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/757(polymerasechainreaction,PCR)：1985年，MullisK首創(chuàng)。體外模擬細(xì)胞內(nèi)DNA復(fù)制過程，進(jìn)行體外基因擴(kuò)增。第57頁(yè)/共65頁(yè)2023/3/758基因芯片（Genechips）技術(shù)：

基因芯片技術(shù):將大量探針固定于支持物上，與標(biāo)記的樣品進(jìn)行雜交。可一次性對(duì)樣品中大量序列進(jìn)行檢測(cè)和分析。解決了傳統(tǒng)核酸雜交技術(shù)操作繁雜、檢測(cè)效率低的問題。

通過設(shè)計(jì)不同的探針陣列和使用特定的分析方法，使該技術(shù)具有多種不同的應(yīng)用價(jià)值。如基因表達(dá)譜分析、基因突變檢測(cè)、多態(tài)性