分子生物學(xué)課件-第一章-緒論1

分子生物學(xué)

化學(xué)與生命科學(xué)系

姚飛虹課程通過課堂講授和實(shí)驗(yàn)使同學(xué)們掌握有關(guān)分子生物學(xué)的基本知識(shí)，并對(duì)該科學(xué)有一個(gè)基本的整體的認(rèn)識(shí)。了解核酸的基本生物化學(xué)特性；熟知生物信息的儲(chǔ)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)以及基因與發(fā)育的有關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)；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，了解基因治療等的新成果、新進(jìn)展。目的是使同學(xué)們對(duì)該學(xué)科產(chǎn)生興趣，為今后投身到生命科學(xué)的研究奠定基礎(chǔ)。講授的內(nèi)容介紹：1、緒論2、染色體與DNA3、生物信息的傳遞（上）——從DNA到RNA4、生物信息的傳遞（下）——從mRNA到蛋白質(zhì)5、分子生物學(xué)研究方法（上）——DNA、RNA及蛋白操作技術(shù)6、分子生物學(xué)研究方法（下）——基因功能研究技術(shù)7、基因的表達(dá)與調(diào)控（上）——原核8、基因的表達(dá)與調(diào)控（下）——真核9、疾病與人類健康10、基因與發(fā)育11、基因組與比較基因組學(xué)第一章緒論引言分子生物學(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)展望一、引言1、創(chuàng)世說與進(jìn)化論達(dá)爾文、1859年《物種起源》，確立了進(jìn)化論的概念2、細(xì)胞學(xué)說（1847）德國Schleiden(19世紀(jì)）德國Schwann（19世紀(jì)）荷蘭Leeuwenhoek（17世紀(jì)）列文虎克細(xì)胞學(xué)說的主要內(nèi)容有：①細(xì)胞是有機(jī)體，一切動(dòng)植物都是由單細(xì)胞發(fā)育而來，即生物是由細(xì)胞和細(xì)胞的產(chǎn)物所組成；②所有細(xì)胞在結(jié)構(gòu)和組成上基本相似；③新細(xì)胞是由已存在的細(xì)胞分裂而來；④生物的疾病是因?yàn)槠浼?xì)胞機(jī)能失常。3、經(jīng)典的生物化學(xué)和遺傳學(xué)經(jīng)典生物化學(xué)●

19世紀(jì)中葉，蛋白質(zhì)的發(fā)現(xiàn)●Buchner證明蛋白質(zhì)是生活細(xì)胞中所有化學(xué)反應(yīng)的執(zhí)行者和催化劑●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。經(jīng)典遺傳學(xué)

孟德爾GregorMendel(1822-1884),奧地利科學(xué)家，經(jīng)典遺傳學(xué)的奠基人1857-1864的7年中，進(jìn)行了豌豆的雜交研究，1865年發(fā)表了他的劃時(shí)代的論文《植物雜交試驗(yàn)》在論文中提出了“遺傳因子”的概念，并得出了二條規(guī)律：●統(tǒng)一律（P5）：F1=3：1分離●分離規(guī)律：F2=9：3：3：1的分離在孟德爾遺傳學(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F1F24、DNA的發(fā)現(xiàn)1944年，美國著名微生物學(xué)家Avery證明gene就是DNA分子，DNA才是遺傳信息的載體，蛋白質(zhì)不是。Avery的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)Hershey和Chase的噬菌體侵染細(xì)菌試驗(yàn)第一章緒論引言分子生物學(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)展望二、分子生物學(xué)定義

從分子水平研究生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能從而闡明生命現(xiàn)象本質(zhì)的科學(xué)

，主要指遺傳信息的傳遞（復(fù)制）、保持（損傷和修復(fù)）、基因的表達(dá)（轉(zhuǎn)錄和翻譯）與調(diào)控。強(qiáng)調(diào)以上各種生命活動(dòng)（Biochemicalprocesses）：1是什么（what，生物學(xué)重要性和具體過程），2所涉及的生物大分子（DNA、RNA、蛋白質(zhì))是如何相互作用使之發(fā)生的（how）。第一章緒論引言分子生物學(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)展望近半個(gè)多世紀(jì)以來醫(yī)學(xué)，化學(xué)中重大突破與成就者NobelPrize分子生物學(xué)發(fā)展的里程碑與主要內(nèi)容現(xiàn)代分子生物學(xué)的發(fā)展簡史三、分子生物學(xué)發(fā)展簡史1、孕育階段（1820~1950年代）●1865年，孟德爾發(fā)表了他的《植物雜交實(shí)驗(yàn)》一文，首次闡述了生物界有規(guī)律的遺傳現(xiàn)象?！?/p>

1900年，孟德爾遺傳規(guī)律被證實(shí)，成為近代遺傳學(xué)基礎(chǔ)?！?/p>

1910年，Morgan的染色體—基因遺傳理論，Gene

存在于染色體上。進(jìn)一步將“性狀”與“基因”相耦聯(lián)，成為現(xiàn)代遺傳學(xué)的奠基石?！?/p>

1944年，美國微生物學(xué)家Avery證明基因就是DNA分子，提出DNA是遺傳信息的載體。2、創(chuàng)立階段（1950~1970年代）●1953年，美國科學(xué)家Watson和英國科學(xué)家Crick提出DNADoubleHelixmodel1962年Watson、Crick與Wilkins共享諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)通過對(duì)DNA分子的X射線衍射研究證實(shí)了前兩者提出的DNA的模型●1958年Crick提出中心法則。●1958年，Meselson和Stahl證明DNA半保留復(fù)制。半保留復(fù)制（Semiconservativereplication）是描述DNA的復(fù)制方式，目前已知的所有細(xì)胞皆以此方式進(jìn)行復(fù)制。也是唯一確認(rèn)存在于自然界中的模型。StahlMeselson●1959年，美籍西班牙裔科學(xué)家Uchoa和美國Kornberg發(fā)現(xiàn)了DNA和RNA的生物合成機(jī)理而分享了諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?！?961年，法國科學(xué)家Jacob（雅各布）

和Monod（莫諾）提出操縱子學(xué)說（第七章）●并首次提出了mRNA的概念1965年獲得諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)1968年獲得諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)3、發(fā)展階段（1970年代以后）●

1970年，Temin和Baltimore在RNA腫瘤病毒中發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶。1975年，獲諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) ●1977年，Sanger等人發(fā)明了一種測(cè)定DNA分子內(nèi)核苷酸序列的方法。

桑格(Sanger）

吉爾伯特(Gilbert）

伯格（Berg）1980年，與Gilbert和Berg共享諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)Sanger還由于測(cè)定了牛胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)而獲得1958年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1983.BarbaraMcClintock(86y)DNAtransposableelememt●1983年，美國遺傳學(xué)家McClintock因發(fā)現(xiàn)可移動(dòng)的遺傳因子而獲得諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。sheistheonlywomantoreceiveanunsharedNobelPrizeinthatcategory1997年，美國科學(xué)家Prusiner(普魯希內(nèi)爾)發(fā)現(xiàn)朊病毒是阿爾次海默病（早老性癡呆癥）等疾病的病原獲得諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)1999年,美國科學(xué)家Blobel發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)有內(nèi)部信號(hào)決定蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)移和定位.信號(hào)肽和信號(hào)識(shí)別復(fù)合物(SRPS)在蛋白質(zhì)跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的主導(dǎo)作用.1999年，諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)

。LelandH.Hartwell,R.Timothy(Tim)Hunt以及PaulM.Nurse等三人，多年的研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞周期的關(guān)鍵因子與調(diào)控機(jī)制，細(xì)胞周期蛋白依賴激酶(CDK)與細(xì)胞周期蛋白（cyclins）--調(diào)節(jié)CDK功能的蛋白質(zhì),促進(jìn)世人對(duì)細(xì)胞周期的了解，進(jìn)而開啟癌癥的生成與不正常細(xì)胞周期調(diào)控的研究方向。

2001年，獲諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)

羅杰·科恩伯格真核生物如果想應(yīng)用存儲(chǔ)在基因里的信息，必須先將信息備份并傳送至細(xì)胞外層，細(xì)胞再利用這些信息生產(chǎn)蛋白質(zhì)，這個(gè)備份過程被稱作轉(zhuǎn)錄。美國科學(xué)家羅杰·科恩伯格正是因?yàn)榻沂玖诉@一過程而獲得了本年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。2006年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

2006年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)RNA干擾現(xiàn)象--控制遺傳信息流動(dòng)的基本機(jī)制安德魯·法爾

AndrewZ.Fire

美國

美國麻省理工學(xué)院

1959～

雷格·梅洛

CraigC.Mello

美國

哈佛大學(xué)

1960～2007年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)在涉及胚胎干細(xì)胞和哺乳動(dòng)物DNA重組方面的一系列突破性發(fā)現(xiàn)—基因打靶技術(shù)2009年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)2009年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

我國參與第3號(hào)染色體研究，計(jì)3000萬個(gè)堿基對(duì)，約占人類基因組全部序列1%（中科院遺傳所人類基因組中心楊煥明教授負(fù)責(zé)，1999年9月加入這一研究計(jì)劃）。人類基因組“工作框架圖”在2000年6月26日宣布完成繪制，

2003年4月14日美英日法德中等國的科學(xué)家宣布完成人類基因組的測(cè)序工作國際水稻（粳稻）基因組計(jì)劃始于1998年，日美中法等10個(gè)國家和地區(qū)參加，我國的貢獻(xiàn)率為20%。

2005年8月10日，《Nature》宣布?xì)v時(shí)6年半的水稻全基因組測(cè)序完成

明確12條染色體上37544個(gè)基因的精確位置，誤差率<0.01%

第一個(gè)完成著絲點(diǎn)測(cè)序高等植物。第一章緒論回顧所學(xué)知識(shí)點(diǎn)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)展望四、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)成的一切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中的8種堿基所組成的，由此產(chǎn)生了分子生物學(xué)的三條基本原理：1.構(gòu)成生物體各類有機(jī)大分子的單體在不同生物中都是相同的（無物種特異性）;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)則;3.某一特定生物體所擁有的核酸和蛋白質(zhì)分子決定了它的屬性.分子生物學(xué)的三條基本原理●DNA重組技術(shù)將不同的DNA片段（如某個(gè)基因or基因的一部分）按照人們的設(shè)計(jì)方向連接起來，在特定的受體細(xì)胞中與載體同時(shí)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。(首創(chuàng)者P.伯格)●DNA重組技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景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

●基因的表達(dá)調(diào)控（第7&8章）◆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）?！粼松锏幕蚪M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(hào)傳導(dǎo)研究、轉(zhuǎn)錄因子研究及RNA剪輯3個(gè)方面。（第8章）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(dòng)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(cè)定結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律的探索結(jié)構(gòu)與功能相互關(guān)系結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)基因組、功能基因組與生物