當(dāng)代生命科學(xué)的發(fā)展動力

1MolecularBiology主講人：茅云翔教授2013.03-2013.06——當(dāng)代生命科學(xué)的發(fā)展動力分子生物學(xué)2Self-Introduction茅云翔，海洋生物學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師研究方向：

藻類保護(hù)遺傳學(xué)藻類基因組學(xué)藻類遺傳育種學(xué)藻類抗逆分子生理在研課題：國家自然科學(xué)基金國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863）3Tel&EmailOffice:Room216,ChemistryBuildingPhoneNumberab:

Room218,ChemistryBuildingPhoneNumber/p>

Email:maoyunxiang@yxmao@4分子生物學(xué)常用參考書目RobertF.Weaver,MolecularBiology(FifthEds).McGraw-HillCompanies,2012TuenerPC,MxLennanAG,BatesADandWhiteRH.InstantNotes

inMolecularBiology(2ndEdition).科學(xué)出版社(影印版),2003BenjaminLewin,GenesX.OxfordUniversityPress,2010JamesD.Watson,MolecularBiologyoftheGene(5thEdition).科學(xué)出版社，2006朱玉賢,李毅.現(xiàn)代分子生物學(xué),第三版.高等教育出版社,20075分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)參考書目1.MolecularCloning:Alaboratorymanual.

分子克隆實(shí)驗(yàn)指南2.ShortProtocolsinMolecularBiology

精編分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)指南3.PCRPrimer:aLaboratoryManual

PCR技術(shù)實(shí)驗(yàn)指南4.現(xiàn)代分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù),盧圣棟5.分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo),劉進(jìn)元等編著,清華大學(xué)出版社67實(shí)驗(yàn)參考書目封面8MolecularBiologicalJournal

SCIImpactFactor1.CA-CANCERJCLIN2.NEWENGLJMED3.ANNUREVIMMUNOL4.NATREVMOLCELLBIO5.ANNUALREVIEWOFBIOCHEMISTRY6.CELL7.NATURE8.

SCIENCE9.NATUREGENETICS10.CANCERCELL11.ANNUREVCELLDEVBI12.NATBIOTECHNOL13.CHEMREV14.NATREVGENET15.TRENDSINBIOCHEMICALSCIENCES16.ANNUALREVIEWPLANTBIOLOGY69.02652.58947.98131.92131.1929.88728.75126.37225.55623.85823.54522.84822.75722.39918.71217.0219MarineandFreshwaterBiologySCIImpactFactor1.FISHFISHERIES6.4342.FISHSHELLFISHIMMUN3.163.JPHYCOL2.824.BIOFOULING2.7295.FRESHWATERBIOL2.656.MARINEECOLOGY-PROGRESSSERIES2.5467.REVIEWSINFISHBIOLOGYANDFISHERIES2.5318.MARBIOTECHNOL2.5039.MARINEPOLLUTIONBULLETIN2.33410.MARBIOL2.21511.JOURNALOFPHYCOLOGY1.84712.AQUACULTURE1.735

13.MOLECULARMARINEBIOLOGYANDBIOTECHNOLOGY1.578

10緒論分子生物學(xué)的定義與內(nèi)涵分子生物學(xué)的研究內(nèi)容現(xiàn)代生命科學(xué)回顧與分子生物學(xué)發(fā)展簡史——重要事件與人物11一、分子生物學(xué)的定義與內(nèi)涵1945年，WilliamAstbury首次提出；廣義層次：在分子水平上研究生命活動及其規(guī)律的科學(xué)。

Fieldofbiologythatstudiesthemolecularleveloforganization.

狹義層次：生物學(xué)分支，研究生物大分子結(jié)構(gòu)、功能、相互作用，從分子水平揭示生物遺傳變異機(jī)制。

Branchofbiologythatstudiesthestructureandactivityofmacromoleculesoflivingmatterandespeciallywiththemolecularbasisofinheritance.12分子生物學(xué)的內(nèi)涵

研究細(xì)胞的生物大分子(如核酸\蛋白質(zhì)、多糖)的結(jié)構(gòu)與生物學(xué)功能,在分子水平上認(rèn)識生物的遺傳、變異、進(jìn)化、遺傳信息的傳遞、基因的表達(dá)與調(diào)控、細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間的信號調(diào)節(jié)、細(xì)胞分化和細(xì)胞癌變(增生)及凋亡、個體發(fā)育過程控制、感染、病理及機(jī)體預(yù)防，直至認(rèn)識基因組和蛋白質(zhì)組特征。13二、分子生物學(xué)的研究內(nèi)容生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能基因表達(dá)調(diào)控研究DNA重組技術(shù)（基因工程）基因組、功能基因組和生物信息學(xué)研究14生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能——結(jié)構(gòu)生物學(xué)結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)是以分子生物物理學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合化學(xué)和分子生物學(xué)方法測定生物大分子復(fù)合體的空間結(jié)構(gòu)、精細(xì)結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的運(yùn)動，闡明其相互作用的規(guī)律和發(fā)揮生物功能的機(jī)制，從而揭示生命現(xiàn)象本質(zhì)的科學(xué)。主要研究方向：結(jié)構(gòu)的測定、結(jié)構(gòu)的運(yùn)動變化與其生物學(xué)功能的關(guān)系。研究手段：基因自動合成和測序技術(shù)、

X-ray衍射晶體學(xué)，二維或多維核磁共振，電鏡三維重組、電子衍射、中子衍射等15基因表達(dá)調(diào)控研究DNA轉(zhuǎn)錄

RNA加工成熟mRNA轉(zhuǎn)運(yùn)翻譯蛋白質(zhì)加工和修飾功能蛋白表達(dá)調(diào)控主要與信號傳導(dǎo)、轉(zhuǎn)錄因子和RNA剪輯等密切相關(guān)16DNA重組技術(shù)（基因工程）DNA重組技術(shù)是將不同的DNA片段按照人為設(shè)計(jì)定向連接，在特定的受體細(xì)胞中與載體同時復(fù)制并得到表達(dá)，并最終產(chǎn)生影響受體細(xì)胞的新的遺傳性狀。1、可被用于大量生產(chǎn)某些在正常細(xì)胞代謝中產(chǎn)量很低價值的多肽;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

171819分子生物學(xué)與其它學(xué)科的關(guān)系

誕生和發(fā)展的基礎(chǔ)依賴于不同生物學(xué)科的交叉、融匯，特別是生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和遺傳學(xué)的交融。是以數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)和工程學(xué)等其它科學(xué)不斷取得的新技術(shù)和新成果為依托的。20全面滲透生命科學(xué)各領(lǐng)域分子細(xì)胞生物學(xué)——細(xì)胞凋亡、個體發(fā)育分子神經(jīng)生物學(xué)——膜與信號傳遞生物化學(xué)——生物大分子結(jié)構(gòu)與功能分子遺傳學(xué)——基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、基因組學(xué)分子系統(tǒng)學(xué)——物種的起源、演化和自然屬性分子生態(tài)學(xué)——生物多樣性、生物與環(huán)境互作機(jī)制醫(yī)學(xué)——基因治療、法醫(yī)鑒定等

……其他科學(xué)：信息科學(xué)——DNA計(jì)算機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能源——生物產(chǎn)氫

……

21與其它學(xué)科間的相互關(guān)系與其它生命科學(xué)學(xué)科沒有明確的分界線，相互交融；絕不能包括或代替其他生物學(xué)學(xué)科；已成為其他學(xué)科的基礎(chǔ)之一。問題：生物化學(xué)與分子生物學(xué)能相互涵蓋或替代嗎？分子遺傳學(xué)與分子生物學(xué)的相互關(guān)系？22生物學(xué)的新紀(jì)元——系統(tǒng)生物學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)的基礎(chǔ)：分子生物學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)是在細(xì)胞、組織、器官和生物體整體水平研究結(jié)構(gòu)和功能各異的各種分子及其相互作用，并通過計(jì)算生物學(xué)來定量描述和預(yù)測生物功能、表型和行為。21世紀(jì)的生物學(xué)2324252627系統(tǒng)生物學(xué)的主要技術(shù)平臺：基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、相互作用組學(xué)和表型組學(xué)等。基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)分別在DNA、mRNA、蛋白質(zhì)和代謝產(chǎn)物水平檢測和鑒別各種分子并研究其功能。相互作用組學(xué)系統(tǒng)研究各種分子間的相互作用，發(fā)現(xiàn)和鑒別分子機(jī)器、途徑和網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建類似集成電路的生物學(xué)模塊，并在研究模塊的相互作用基礎(chǔ)上繪制生物體的相互作用圖譜。表型組學(xué)是生物體基因型和表型的橋梁，目前還僅在細(xì)胞水平開展表型組學(xué)研究。

282011年世界十大科學(xué)進(jìn)展2930Breakdownoftheyear2006英國《自然》《中國科研，發(fā)表還是滅亡》31三、現(xiàn)代生物學(xué)發(fā)展歷程回顧32十九世紀(jì)的成就1859CharlesDarwin

-ThefirstprintingofCharlesDarwin'sbook-OntheOriginofspeciesbyMeansofNaturalSelection.1865GregorMendel

-Hisexperimentwithpeasshowedthatheredityistransmittedindiscreteunits.1869FriedrichMieshir

-FirstisolationofDNA

1879WalterFlemming

-Thewholeprocessofmitosisofanimalcellwasdescribed,includingchromosomedoublingtotheirevenpartitioningintothetworesultingcells.

1900HugoDeVries,CarlCorrensandErichvonTschennak

-independentlyrediscoverMendel'swork

33CharlesDarwin

BritishNaturalist

1809-1882

Ihavecalledthisprinciple,bywhicheachslightvariation,ifuseful,ispreserved,bythetermNaturalSelection.

—CharlesDarwinfrom"TheOriginofSpecies"34JohannGregorMendel

22.7.1822inHyncice-6.1.1884inBrno35GregorMendel,anAustrianmonkwhoexperimentedwithbreedingexperimentsinthegardenpea,Pisumsativum,iscreditedwithbeingthe"father"ofthescienceofgenetics-heredity.HedidnotknowaboutchromosomesorDNA,nordidheknowaboutgenesaswedotoday.However,heperformedmanyexperimentsinwhichhecontrolledthebreedingofhispeaplants.ByobservingthenumberandtypesofphenotypesintheoffspringplantshedevelopedtherulesofinheritanceknownasMendel'slawstoday363738

“植物雜交試驗(yàn)”

《布隆自然史學(xué)會會刊》

ProceedingsoftheNaturalHistorySocietyofBrunn，1866

39"Mytimewillcome."

———JohannGregorMendel墓志銘40FriedrichMiescher41HugodeVries

1848~1935CarlCorrens1864~1933ErichvonTschermak1871~196242二十世紀(jì)上半葉的研究成果1902

WalterSutton

-Theprocessofmeiosiswasobserved.

DiscoveringthatthesegregationpatternofchromosomesduringmeiosismatchedthesegregationpatternsofMendel'sgenes.1909

WilhelmJohannsen

-Coinedtheword“GENE”todescribetheMendelianunitsofheredity1911

ThomesHuntMorgan

-Usingfruitfliesasmodelorganismshowedthatgenes,strungonchromosome,aretheunitsofheredity.1941

GeorgeBeadle&EdwardTatum

-Settingup"onegene,oneenzyme"hypothesis

1943

WilliamAstbury

-ObtainedthefirstX-raydiffractionpatternofDNA

1944

OswaldAvery,ColinMacLeodandMaclynMcCarty

-showedthatDNAcantransformthepropertiesofcells,clarifyingthechemicalnatureofgenes.

BarbaraMcClintock

-discoveredthatgenescanjumparoundonchromosomes.1952AlfredHershey&MarthaChase

-FoundthatonlytheDNAofavirusisneed

toenterabacteriumforinfection

43ThomasHuntMorgan(1866-1945)USATheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1933"forhisdiscoveriesconcerningtheroleplayedbythechromosomeinheredity"44TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1958"fortheirdiscoverythatgenesactbyregulatingdefinitechemicalevents"GeorgeWellsBeadle

EdwardLawrieTatum

TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1983"forherdiscoveryofmobilegeneticelements"BarbaraMcClintock

45二十世紀(jì)五十年代至八十年代中

——分子生物學(xué)的誕生與發(fā)展1953

FrancisCrick&JamesWatson

-describedthedoublehelixstructureofDNA.1955

ArthurKornberg

-isolatedDNApolymerase1956

FrancisCrick&GeorgeGamov-workedout"Centraldogma"toexplaingeneticinformationflowonedirection-fromDNAtomRNAtoprotein1958

Matthew-Meselson&FranklinStahl

-demonstratedthatDNAreplicatessemiconservatively1960FrancoisJacob&JacquesMonod-“geneticregulationmodel"–“l(fā)acrepressorandoperon”1961

SydneyBrenner,FrancisJacob&MatthewMeselson

-discoveredthatmRNAisthemoleculartakinginformationfromDNAinthenucleustotheprotein.1966MarshallNirenberg,HarKhorana&SeveroOchoa

-elucidatethegeneticcode

1968M.Meselson'sgroupandH.O.Smith,K.W.Wilson&T.J.Kely

-studiedandcharacterizedthefirstrestrictionnucleases

46二十世紀(jì)五十年代至八十年代中（續(xù)）1972

PaulBerg

-producedthefirstrecombinantDNAmolecule.1975-77

Sanger'sgroupandMaxam&Gilbert

-developedrapidDNAsequencingmethod1977RichardRobert'sandPhilSharp'slabs

-Showedthateukaryoticgenescontainmanyinterruptions,calledintron

1978

MichaelSmith-managetoinduceasite-directedmutationinabacteriophageDNAmolecule.1981-82

-Firsttransgenicmice&fruitflies

1985

KaryB.Mullis-PCR(Polymerasechainreaction)wasinvented.

47JamesWatson(left)andFrancisCrick.TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1962"fortheirdiscoveriesconcerningthemolecularstructureofnucleicacidsanditssignificanceforinformationtransferinlivingmaterial"48TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1959"forhisdiscoveryofthemechanismsinthebiologicalsynthesisofribonucleicacidanddeoxyribonucleicacid"TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1968"fortheirinterpretationofthegeneticcodeanditsfunctioninproteinsynthesis"ArthurKornberg

HarGobindKhorana

MarshallW.Nirenberg

49TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1978"forthediscoveryofrestrictionenzymesandtheirapplicationtoproblemsofmoleculargenetics"TheNobelPrizeinChemistry1980"forhisfundamentalstudiesofthebiochemistryofnucleicacids,withparticularregardtorecombinant-DNA"WernerArber

DanielNathans

HamiltonO.Smith

PaulBerg50

WalterGilbertFrederickSanger

TheNobelPrizeinChemistry1980"fortheircontributionsconcerningthedeterminationofbasesequencesinnucleicacids"51TheNobelPrizeinChemistry1993"forhisfundamentalcontributionstotheestablishmentofoligonucleiotide-based,site-directedmutagenesisanditsdevelopmentforproteinstudies"TheNobelPrizeinChemistry1993"forhisinventionofthepolymerasechainreaction(PCR)method"MichaelSmith

KaryB.Mullis52二十世紀(jì)八十年代中以后

——基因組學(xué)與蛋白質(zhì)組學(xué)時代的來臨1985RobertSinsheimer

-hostsameetingattheUniversityofCalifornia(UC),SantaCruz,todiscussthefeasibilityofsequencingthehumangenome.1986

-InventedautomatedDNAfluorescensesequencer1987

-developYACsforcloning,increasinginsertsize10-fold

1990

-HumanGenomeProjectlaunched。

1992

-MelSimonofCaltechandcolleaguesdevelopBACsforcloning

1995

-Genomesoftwobacteria,HaemophilusinfluenzalandMycoplasmagenitalium,weresequenced.53二十世紀(jì)八十年代中以后（續(xù)）1996-CompletedsequencingonYeastgenome-SequencedArchaeagenome|-AffymetrixmakesDNAchipscommerciallyavailable1997

-Escherichiacoligenomewassequenced-theworld’sfirstclonedmammalDollywasborn.1998

-Mycobacteriumtuberculosisgenomewassequenced-SequencedRoundwormC.elegansgenome2000

-fruitflygenomesequenced.-completedthesequencingofthefirstplant,Arabidopsisthaliana.2001

-TheHGPconsortiumpublishesitsworkingdraftinNature,andCelerapublishesitsdraftinScience

542002

completedthesequencingofchrosomeNo.4andNo.1ofrice2004

completedsequencingmapofricegenome2005completedsequencingofchimpanzeegenome2005developedtheRoche454GenomeSequencerFLXsystem2006developedTheIllumina(Solexa)GenomeAnalyzercompletedfinesequencingofsilkworm2010completeddraftsequencingofthegiantpandagenome551,000PlantandAnimalProject5610,000MicrobialGenomesProject571,000MendelianDisordersProject58分子生物學(xué)發(fā)展階段的劃分1900-1953正向遺傳學(xué)正向遺傳學(xué)是指通過生物個體或細(xì)胞的基因組的自發(fā)突變或人工誘變，尋找相關(guān)的表型或性狀改變，然后從這些特定性狀變化的個體或細(xì)胞中找到對應(yīng)的突變基因，并揭示其功能（性狀—基因）。

1953-2003反向遺傳學(xué)反向遺傳學(xué)是在獲得生物體基因組全部序列的基礎(chǔ)上，通過對靶基因進(jìn)行改造（定點(diǎn)突變、插入\缺失、基因置換等），研究生物體基因的結(jié)構(gòu)與功能以及這些修飾可能對生物體的表型、性狀有何種影響等方面的內(nèi)容（基因—性狀）。

59分子生物學(xué)發(fā)展階段的劃分（續(xù)）2003-—組學(xué)時代post-genomics

是在完成基因組圖譜構(gòu)建以及全部序列測定的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究全基因組的基因功能、基因之間的相互關(guān)系和調(diào)控機(jī)制為主要內(nèi)容的學(xué)科。蛋白質(zhì)組功能基因組基因組60

依附于對DNA序列的了解，應(yīng)用基因組學(xué)的理論和工具去了解影響發(fā)育和整個生物體的特征序列表達(dá)譜。Functionalgenomicsreferstothedevelopmentandapplicationofglobal(genome-wideorsystem-wide)experimentalapproachestoassessgenefunctionbymakinguseoftheinformationandreagentsprovidedbystructuralgenomics.Itischaracterizedbyhigh-throughputorlarge-scaleexperimentalmethodologiescombinedwithstatisticalorcomputationalanalysisoftheresults(HieterandBoguski1997).1功能基因組學(xué)functionalgenomics61SubtractedcDNALibrariesDifferentialDisplayRepresentationalDifferenceAnalysisSuppressionSubtractiveHybridizationcDNAMicroarraysSerialAnalysisofGeneExpression2-DGelElectrophoresisDigitalGeneExpressionFunctionalGenomics

Hunt&Livesey(eds.)62芯片技術(shù)流程63數(shù)字化基因表達(dá)譜642蛋白質(zhì)組學(xué)（proteomics）proteome，指一種基因組所表達(dá)的全套蛋白質(zhì)，即包括一種細(xì)胞乃至一種生物所表達(dá)的全部蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)組學(xué)是以蛋白質(zhì)組為研究對象，研究細(xì)胞內(nèi)所有蛋白質(zhì)及其動態(tài)變化規(guī)律的科學(xué)。功能蛋白質(zhì)組（functionalproteome)：在特定時間、特定環(huán)境和實(shí)驗(yàn)條件下基因組活躍表達(dá)的蛋白質(zhì)。65

蛋白質(zhì)組學(xué)研究的內(nèi)容蛋白質(zhì)表達(dá)模式(或蛋白質(zhì)組組成)的研究蛋白質(zhì)組組成的分析鑒定是蛋白質(zhì)組學(xué)中的與基因組學(xué)相對應(yīng)的主要內(nèi)容。它要求對蛋白質(zhì)組進(jìn)行表征,即實(shí)現(xiàn)所有蛋白質(zhì)的分離、鑒定及其圖譜化。雙向凝膠電泳(