分子生物學(xué)課件緒論

分子生物學(xué)課件緒論第1頁(yè)/共49頁(yè)緒論

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什么是分子生物學(xué)?

分子生物學(xué)是研究生物大分子結(jié)構(gòu)與功能的一門(mén)學(xué)科。即在分子水平上闡述細(xì)胞在生長(zhǎng)、發(fā)育、分化過(guò)程中，生物大分子的相互作用、細(xì)胞傳導(dǎo)、基因表達(dá)及調(diào)控的機(jī)制。廣義的講，一切從分子水平研究生命現(xiàn)象及規(guī)律的學(xué)科。

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?分子生物學(xué)的基本原理：

1.構(gòu)成生物體的有機(jī)大分子的單體在不同生物體內(nèi)都是相同的；

2.生物體內(nèi)一切有機(jī)大分子的建成都遵循共同的規(guī)律；

3.某一特定生物體所擁有的核酸及蛋白質(zhì)決定了生物的屬性。第3頁(yè)/共49頁(yè)

GENETICINFORMATION

DNARNAPROTEIN

DNA1.REPLICATION (DNASYNTHESIS)2.TRANSCRIPTION (RNASYNTHESIS)3.TRANSLATION (PROTEINSYNTHESIS)第4頁(yè)/共49頁(yè)

研究對(duì)象：

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核酸遺傳信息的載體，決定生物性狀；穩(wěn)定遺傳，保證種的延續(xù)，母代→子代；易于保存，易于操作。

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蛋白質(zhì)遺傳物質(zhì)的控制產(chǎn)物，功能的執(zhí)行者，生物性狀的表現(xiàn)形式。第5頁(yè)/共49頁(yè)分子生物學(xué)與生物化學(xué)之間的關(guān)系與區(qū)別：分子生物學(xué)—研究生物大分子的結(jié)構(gòu)、功能及信息傳遞過(guò)程，從分子水平研究生命現(xiàn)象。生物化學(xué)—生物體內(nèi)的化學(xué)運(yùn)動(dòng)，包括化學(xué)組成、變化、結(jié)構(gòu)與功能，生物分子間的物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。現(xiàn)在通常將研究DNA的結(jié)構(gòu)及其表達(dá)，了解生命現(xiàn)象的工作算作分子生物學(xué)的內(nèi)容，將生命物質(zhì)的組成及變化（代謝規(guī)律）歸為生物化學(xué)的范疇。

分子生物學(xué)≠生物化學(xué)第6頁(yè)/共49頁(yè)分子生物學(xué)生物化學(xué)研究方向蛋白質(zhì)、核酸的結(jié)構(gòu)、功能及其相互作用。信息的傳遞與調(diào)節(jié)大分子的結(jié)構(gòu)與功能生物體中大小分子在生命活動(dòng)中的代謝過(guò)程。（糖酵解、TCA、脂肪氧化等）代謝轉(zhuǎn)化研究方法物理學(xué)（X-衍射）生物化學(xué)與遺傳學(xué)方法（電泳）生物化學(xué)與化學(xué)的方法解決分子轉(zhuǎn)化與能量轉(zhuǎn)換的問(wèn)題第7頁(yè)/共49頁(yè)分子生物學(xué)的相關(guān)學(xué)科：

1.生物化學(xué)

生物化學(xué)是分子生物學(xué)的基礎(chǔ)，學(xué)好生化便于分子生物學(xué)的基本原理和方法的理解。

2.微生物學(xué)

作為分子生物學(xué)研究的模型生物，分子生物學(xué)操作的一部分（基因擴(kuò)增、克隆、表達(dá)）。

3.遺傳學(xué)

研究生物的遺傳及變異規(guī)律，遺傳變異的本質(zhì)—DNA。

4.細(xì)胞生物學(xué)

細(xì)胞是生命的基本功能單位，基因功能必須通過(guò)細(xì)胞來(lái)表現(xiàn)，離開(kāi)細(xì)胞，就沒(méi)有生命。第8頁(yè)/共49頁(yè)

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分子生物學(xué)的學(xué)科特征是生命科學(xué)的一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科,它服務(wù)于生命科學(xué)的任何一門(mén)學(xué)科,它可為基礎(chǔ)研究服務(wù),同時(shí)也是極有應(yīng)用前景的學(xué)科。是一種方法、技術(shù)和手段,目的是了解生命的本質(zhì),揭示生命規(guī)律,最終解決人類(lèi)生存和發(fā)展問(wèn)題。第9頁(yè)/共49頁(yè)分子生物學(xué)的目標(biāo)及任務(wù)

目標(biāo)：了解生命本質(zhì)，揭示生命運(yùn)動(dòng)的規(guī)律

任務(wù)：

1.分離克隆基因；（clone）

基因克隆—

把確定某一性狀的基因（DNA片段）從整個(gè)基因組中找出來(lái)。

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克?。╟lone）這個(gè)單詞在英文中源于klōn,希臘語(yǔ)里“twig”的意思?？寺【褪仟?dú)立細(xì)胞繁殖系,指后代完全由一個(gè)細(xì)胞復(fù)制,具有完全相同的遺傳物質(zhì)。

在生物學(xué)上，克隆通常用于兩個(gè)方面：克隆一個(gè)基因克隆一個(gè)物種，一個(gè)個(gè)體第11頁(yè)/共49頁(yè)

克隆一個(gè)基因是指從一個(gè)個(gè)體中獲取一段基因（例如通過(guò)PCR的方法），然后將其插入另外一個(gè)個(gè)體(通常是通過(guò)載體)，再加以研究或利用?？寺∮袝r(shí)候是指成功地鑒定出某種表現(xiàn)型的基因。所以當(dāng)某個(gè)生物學(xué)家說(shuō)某某疾病的基因被成功地克隆了，就是說(shuō)這個(gè)基因的位置和DNA序列被確定。第12頁(yè)/共49頁(yè)2.確定基因的結(jié)構(gòu)；(structure)

結(jié)構(gòu)基因——

一級(jí)結(jié)構(gòu)調(diào)控基因——

高級(jí)結(jié)構(gòu)第13頁(yè)/共49頁(yè)3.基因的功能研究；(function)

生化功能：基因的直接活性及蛋白產(chǎn)物的活性（例如—與DNA的結(jié)合，信號(hào)因子，受體，運(yùn)輸?shù)鞍祝富钚缘龋┥砉δ埽夯虮憩F(xiàn)出來(lái)的性狀，與生物個(gè)體的生存的關(guān)系。

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生化功能是單個(gè)分子（基因）的作用或活性，生理功能是分子群的“集體”行為，是多個(gè)基因及環(huán)境共同作用的行為。

生化功能是生理功能的基礎(chǔ)，生理功能是表現(xiàn)，由于生物體基因表達(dá)的組織和發(fā)育階段的特異性等，生化功能相同生理功能并不一定相同。（同工酶就是生化功能相同，而生理功能不同）第15頁(yè)/共49頁(yè)血紅蛋白生化功能：與O2和CO2結(jié)合；生理功能：將O2從肺→組織細(xì)胞，將CO2從組織細(xì)胞→肺；P53基因生化功能：DNA結(jié)合蛋白，與特異的DNA序列結(jié)合；生理功能：調(diào)節(jié)基因表達(dá)，阻止細(xì)胞過(guò)度增殖，抑制腫瘤發(fā)生。第16頁(yè)/共49頁(yè)p53signalingpathway第17頁(yè)/共49頁(yè)4.基因表達(dá)調(diào)控研究(expresscontrol)

生物體內(nèi)的基因是按一定程序、有序的表達(dá)，才有了生物的生長(zhǎng)、發(fā)育、衰老、死亡。表達(dá)程序不同→不同的性狀，病變?；虮磉_(dá)存在時(shí)空差異，調(diào)控→多彩的世界。一個(gè)受精卵→一個(gè)植株、個(gè)體→分化出根、莖、葉、花?；虮磉_(dá)調(diào)控的主要控制點(diǎn)——基因轉(zhuǎn)錄（表達(dá)的第一步，轉(zhuǎn)錄已否及轉(zhuǎn)錄水平）第18頁(yè)/共49頁(yè)分子生物學(xué)的邏輯學(xué)方法：

1.效率論（能量節(jié)省原理，存在即有用）

2.模型分析

3.強(qiáng)烈推理第19頁(yè)/共49頁(yè)

分子生物學(xué)的發(fā)展和方向：

1.進(jìn)一步完善相關(guān)技術(shù)（分離、分析→微量化、自動(dòng)化、高通量）

2.技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化

3.學(xué)科的交叉

4.生物信息學(xué)第20頁(yè)/共49頁(yè)

StudyContent1.DNAStructureandChemistry

2.GenomicDNAandGenes

3.DNAReplication,Mutation,Repair

4.GeneTranscriptionandPosttranscriptionalProcesses

5.ProteinSynthesisandProteinProcessing

6.RegulationofGeneExpression

7.DNARecombinantTechnology

第21頁(yè)/共49頁(yè)TherevisedcentraldogmaRNAprocessingGeneregulationDNArepairandrecombination基因組的保持基因組的表達(dá)第22頁(yè)/共49頁(yè)主要參考書(shū)：

1.《MolecularBiology》，RobertF.Weaver,McGraw-HillCompanies,Inc.，2000（北京：科學(xué)出版社）

2.《分子生物學(xué)》，楊岐生編著，浙江大學(xué)出版社，20043.《現(xiàn)代分子生物學(xué)》（第二版），朱玉賢、李毅編著，高等教育出版社，20024.《分子生物學(xué)》，武漢大學(xué)出版社

5.《分子生物學(xué)》，南開(kāi)大學(xué)出版社

6.《分子遺傳學(xué)》，孫乃恩等編著，南京大學(xué)出版社第23頁(yè)/共49頁(yè)Iconsidermolecularbiologytobethestudyofgenesandtheiractivitiesatthemolecularlevel,includingtranscription,translation,DNAreplication,recombinationandtranslocation.MolecularBiology(McGraw-Hill)---RobertWeaver第24頁(yè)/共49頁(yè)現(xiàn)代分子生物學(xué)

---朱玉賢、李毅2/E(2002)

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(lèi)從分子水平上真正揭示生物世界的奧秘，由被動(dòng)地適應(yīng)自然界轉(zhuǎn)向主動(dòng)地改造和重組自然界的基礎(chǔ)學(xué)科。第25頁(yè)/共49頁(yè)考試特點(diǎn)－多元化考核平時(shí)成績(jī)（10％）：考勤，作業(yè)，課間提問(wèn)。文獻(xiàn)閱讀及報(bào)告（20％）期末考試（70％）：知識(shí)掌握和綜合運(yùn)用能力。第26頁(yè)/共49頁(yè)文獻(xiàn)閱讀及報(bào)告每人精讀一篇研究論文（英文），寫(xiě)出中文提綱（摘要，實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，討論，結(jié)論）（需附結(jié)果圖）文獻(xiàn)報(bào)告培養(yǎng)自信和交流能力提高閱讀文獻(xiàn)的能力第27頁(yè)/共49頁(yè)知識(shí)架構(gòu)（framework）

基本知識(shí)融會(huì)貫通知識(shí)應(yīng)用與綜合課程知識(shí)體系要求70％30％Examscannotreflectallyourabilities,butcanhelpyoutobecomemorecompatible.第28頁(yè)/共49頁(yè)從大到小先：先抓西瓜后抓芝麻從整體到個(gè)體：Cell－organelle－molecularmachinery-molecularevents-moleculestructureandfunction/interactionwiththeothers。即見(jiàn)點(diǎn)（深刻）又見(jiàn)面（系統(tǒng)）。從共性到個(gè)性，從一般到特殊。學(xué)習(xí)小巧門(mén)第29頁(yè)/共49頁(yè)

分子生物學(xué)發(fā)展史：1869 Miescher第一次分離了DNA；1941 Astbury獲得了第一張DNAX—衍射圖譜；1944 Avery細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)成功，證實(shí)了DNA是遺傳物質(zhì)的載體；…1953 WatsonCrick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型；1958 Crick提出遺傳信息傳遞的中心法則；…1961 Jacob和Monod提出操縱子學(xué)說(shuō)——遺傳調(diào)節(jié)機(jī)理；1962 Arber證明限制性?xún)?nèi)切酶存在；1967 Gellert發(fā)現(xiàn)DNA連接酶；1970 發(fā)現(xiàn)反轉(zhuǎn)錄酶；…第30頁(yè)/共49頁(yè)1972~1973創(chuàng)建了DNA克隆技術(shù)，DNA重組實(shí)驗(yàn)成功——開(kāi)創(chuàng)了基因工程新紀(jì)元；…1982 Prusiner在倉(cāng)鼠腦中發(fā)現(xiàn)了“朊病毒”（prion）；1985 Saiki發(fā)明了聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR技術(shù)）；…1990 人類(lèi)基因組計(jì)劃（HGP）全面正式啟動(dòng)；1994 日本科學(xué)家發(fā)表了水稻基因組遺傳圖，Wilson完成了線(xiàn)蟲(chóng)3號(hào)染色體連續(xù)2.2Mb的測(cè)定；——DNA序列測(cè)定時(shí)代到來(lái)…1997 Wilmut成功獲得克隆羊—Dolly誕生；1998 Renard克隆牛誕生（體細(xì)胞→個(gè)體）；

…

2003人類(lèi)基因組DNA測(cè)序完成；第31頁(yè)/共49頁(yè)二十世紀(jì)是以核酸為研究核心，帶動(dòng)分子生物學(xué)向縱深發(fā)展：

50年代雙螺旋結(jié)構(gòu)

60年代操縱子學(xué)說(shuō)

70年代DNA重組

80年代PCR技術(shù)

90年代DNA測(cè)序生命科學(xué)從宏觀(guān)→微觀(guān)→宏觀(guān)；由分析→綜合的時(shí)代。第32頁(yè)/共49頁(yè)二十一世紀(jì)是分子生物學(xué)發(fā)展的世紀(jì)，生命科學(xué)將進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代——后基因組時(shí)代post-genomics二十一世紀(jì)分子生物學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)：1.功能基因組學(xué)functionalgenomics依附于對(duì)DNA序列的了解，應(yīng)用基因組學(xué)的知識(shí)和工具去了解影響發(fā)育和整個(gè)生物體的特征序列表達(dá)譜。

第33頁(yè)/共49頁(yè)

釀酒酵母16條染色體的全部序列于1996年完成。

5885個(gè)編碼Protein 基因組全長(zhǎng)12，086Kb140個(gè)編碼rRNA 6340個(gè)基因

40個(gè)編碼snRNA 275個(gè)編碼tRNA

功能基因組學(xué)研究這6000個(gè)基因，在一定條件下（如孢子形成期）同時(shí)有多少基因協(xié)同表達(dá)（基因表達(dá)譜）。第34頁(yè)/共49頁(yè)第35頁(yè)/共49頁(yè)種群物種基因組尺寸

(百萬(wàn)對(duì))基因數(shù)序列測(cè)定

完成時(shí)間原核生物支原體Mycoplasma0.584701995大腸桿菌

E.colik124.64,3001997綠膿桿菌Pseudomonas

aeruginosa6.3

5,5002001真核生物

(單細(xì)胞)釀酒酵母

S.cerevisiae126,2001996裂變酵母

S.pombi144,9002001幽門(mén)螺桿菌Helicobacterpylori1.71,5002001多細(xì)胞線(xiàn)蟲(chóng)C.elegans10018,4001998果蠅drosophila14013,6002000脊椎動(dòng)物陣風(fēng)魚(yú)

Fugurubripes40030,000??人類(lèi)3,00040,000?2003小鼠3,30040,000?2007植物擬南芥Arabidopsis12525,0002000水稻56030,0002005玉米5,00030,000??小麥17,00030,000??第36頁(yè)/共49頁(yè)2.蛋白質(zhì)組學(xué)以蛋白質(zhì)組為研究對(duì)象，研究細(xì)胞內(nèi)所有蛋白質(zhì)及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的科學(xué)。

第37頁(yè)/共49頁(yè)蛋白質(zhì)組與蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組（PROTEOME：PROTEinsexpressedbyagenOME）：－基因組表達(dá)的全部蛋白質(zhì)－在一種細(xì)胞/組織/機(jī)體內(nèi)存在的全部蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)組學(xué)（PROTEOMICS：Thestudyoftheproteome）：－研究全部蛋白質(zhì)的存在及存在形式的一門(mén)學(xué)科

第38頁(yè)/共49頁(yè)

“圖譜”的建立（蛋白質(zhì)組學(xué)方法學(xué)）

功能性研究表達(dá)差異分析功能體或功能復(fù)合物相互作用網(wǎng)絡(luò)關(guān)系蛋白質(zhì)組學(xué)的研究?jī)?nèi)容第39頁(yè)/共49頁(yè)功能蛋白質(zhì)組學(xué)functionproteome

在特定時(shí)間、特定環(huán)境和實(shí)驗(yàn)條件下基因活躍表達(dá)的蛋白質(zhì)。（細(xì)胞內(nèi)與某種功能有關(guān)的或在某種條件下的一群蛋白質(zhì)）第40頁(yè)/共49頁(yè)功能蛋白質(zhì)組學(xué)發(fā)育過(guò)程中細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的差異性表達(dá)正常細(xì)胞與病理細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的差異性表達(dá)藥物處理前后細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的差異性表達(dá)翻譯后修飾蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)、復(fù)合物/功能體的動(dòng)態(tài)變化等等第41頁(yè)/共49頁(yè)特定時(shí)間特定空間特定生理?xiàng)l件相互作用蛋白質(zhì)復(fù)合體蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)翻譯后修飾蛋白質(zhì)組學(xué)的研究?jī)?nèi)容NatureGenetics(2003)33,311-323第42頁(yè)/共49頁(yè)3.生物信息學(xué)Bioinformatics

定義：對(duì)DNA和蛋白質(zhì)序列資料中各種類(lèi)型信息進(jìn)行識(shí)別、存儲(chǔ)、分析、模擬和傳輸。由數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用軟件三大部分組成。

第43頁(yè)/共49頁(yè)美國(guó)生物工程信息中心GenBank

美國(guó)基因組序列數(shù)據(jù)庫(kù)GSDB歐洲分子生物學(xué)研究所EMBL(The

European

Molecular

BiologyLaboratory)

日本DNA數(shù)據(jù)庫(kù)DDBJ目前，國(guó)際上有三大生物信息中心：可進(jìn)行DNA分析、RNA分析、多序列比較、同源序列檢索、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)等分析。第44頁(yè)/共49頁(yè)

通訊作者所在單位雜志名稱(chēng)年份研究?jī)?nèi)容1夏家輝中南大學(xué)NatureGenetics1998疾病基因克隆2沈巖中國(guó)醫(yī)科院NatureGenetics2001疾病基因克隆3孔祥銀中國(guó)科學(xué)院NatureGenetics2001疾病基因克隆4賀林上海交通大學(xué)NatureGenetics2001疾病基因克隆5曾益新中山大學(xué)NatureGenetics2002腫瘤基因定位6孔祥銀中國(guó)科學(xué)院NatureGenetics2002疾病基因克隆7韓斌中國(guó)科學(xué)院Nature2002染色體精細(xì)圖8楊煥明中國(guó)科學(xué)院Science2002基因組測(cè)序9趙國(guó)屏中國(guó)科學(xué)院Nature2003基因組測(cè)序10李家洋中國(guó)科學(xué)院Nature2003分蘗基因克隆11陳義漢同濟(jì)大學(xué)