第一章 分子生物學(xué)緒論課件

1第一章分子生物學(xué)緒論

第一章分子生物學(xué)緒論

1.分子生物學(xué)的概念

2.分子生物學(xué)的研究?jī)?nèi)容

3.分子生物學(xué)的發(fā)展歷程

4.分子生物學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)

本章要求：

1.了解分子生物學(xué)廣義與狹義的定義。

2.了解分子生物學(xué)研究的主要內(nèi)容。

3.理解分子生物學(xué)發(fā)展歷程中重要發(fā)現(xiàn)及其理論意義。

4.熟悉當(dāng)今分子生物學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)。1第一章分子生物學(xué)緒論1.分子生物學(xué)的概念

（1）定義研究核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能，并從分子水平上闡述核酸與蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間相互作用的關(guān)系及其基因表達(dá)調(diào)控機(jī)理的學(xué)科。

（2）分子生物學(xué)的范疇

廣義的分子生物學(xué)：核酸和蛋白質(zhì)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的現(xiàn)象和生物學(xué)規(guī)律。例如，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能、酶的作用機(jī)理和動(dòng)力學(xué)、膜蛋白結(jié)構(gòu)與功能以及跨膜運(yùn)輸、核酸的結(jié)構(gòu)與功能等。1第一章分子生物學(xué)緒論

狹義的分子生物學(xué):偏重于核酸(基因)的分子生物學(xué)；主要研究：基因或DNA結(jié)構(gòu)與功能、復(fù)制（第二章）、轉(zhuǎn)錄（第三章）、表達(dá)（第四章）和調(diào)節(jié)控制（第六七章）等過(guò)程，重點(diǎn)是遺傳中心法則（見(jiàn)圖）和基因的解析（見(jiàn)圖）。

1第一章分子生物學(xué)緒論1第一章分子生物學(xué)緒論2．分子生物學(xué)的研究?jī)?nèi)容

按照狹義的分子生物學(xué)，現(xiàn)代分子生物學(xué)的研究?jī)?nèi)容包括5個(gè)大的方面：（1）基因與基因組的結(jié)構(gòu)與功能分子生物學(xué)發(fā)展的主線——基因的研究

經(jīng)典的分子生物學(xué)：研究染色體和DNA的結(jié)構(gòu)與功能。

現(xiàn)代的分子生物學(xué)：研究基因與基因組的精細(xì)和高級(jí)的結(jié)構(gòu)與功能。（2）DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯——教材第二三四章

包含兩個(gè)方面：①

研究DNA或基因怎樣在各組相關(guān)的酶與蛋白因子的作用下，按照中心法則的規(guī)定進(jìn)行自我復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和反轉(zhuǎn)錄以及翻譯；②研究

mRNA分子剪接、加工、編輯以及對(duì)新生多肽鏈折疊成為有功能的結(jié)構(gòu)。

1第一章分子生物學(xué)緒論（3）基因表達(dá)調(diào)控的研究

基因表達(dá)的實(shí)質(zhì)是遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯?；虮磉_(dá)的調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平和翻譯水平上。

原核生物的基因表達(dá)調(diào)控（教材第七章）——原核生物的基因組和染色體結(jié)構(gòu)都比真核生物簡(jiǎn)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。

真核生物的基因表達(dá)調(diào)控（第八章）——真核生物有細(xì)胞核結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄和翻譯過(guò)程在不同的時(shí)間和空間，且在轉(zhuǎn)錄和翻譯后都有復(fù)雜的信息加工過(guò)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。基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在上游調(diào)控序列、信號(hào)傳導(dǎo)、轉(zhuǎn)錄因子以及RNA剪輯等方面。

1第一章分子生物學(xué)緒論（4）DNA重組技術(shù)

DNA重組技術(shù)是分子生物學(xué)的應(yīng)用，包括基因工程和蛋白質(zhì)工程（教材第五章），在“生物技術(shù)”課程詳細(xì)討論。DNA重組技術(shù)的應(yīng)用：①最主要的用于大量生產(chǎn)一些在正常細(xì)胞中產(chǎn)量很低而價(jià)值很高的多肽和蛋白質(zhì)，提高產(chǎn)量，降低成本。常見(jiàn)的基因工程藥物：胰島素，干擾素，白介素，促紅細(xì)胞生成素，乙肝基因工程疫苗等。

②用于定向改造某些生物的基因結(jié)構(gòu)（屬于蛋白質(zhì)工程范疇），使它們所具備的特殊功能更符合人類生存和生活的需要，能成倍地提高其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

③用于分子生物學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，例如：?jiǎn)?dòng)子、轉(zhuǎn)錄因子的克隆與分析等。1第一章分子生物學(xué)緒論（5）結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)

結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)：研究生物大分子特定的空間結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)變化與其生物學(xué)功能關(guān)系的科學(xué)。

內(nèi)容——結(jié)構(gòu)的測(cè)定、結(jié)構(gòu)變化規(guī)律的探索和結(jié)構(gòu)與功能相互關(guān)系。

基礎(chǔ)：生物化學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)和工程學(xué)。

研究手段：X-射線衍射的晶體學(xué)

例子：DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶牛胰島素。

藥物開(kāi)發(fā)應(yīng)用：尋找藥物設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)的靶點(diǎn)；尋找：HIV，HBV和SARS等各種病毒的感染和復(fù)制等生命過(guò)程的蛋白酶的活性部位。1第一章分子生物學(xué)緒論1第一章分子生物學(xué)緒論1第一章分子生物學(xué)緒論4.分子生物學(xué)發(fā)展的歷程

經(jīng)歷50多年的發(fā)展，分子生物學(xué)現(xiàn)在能從分子水平上認(rèn)識(shí)核酸的結(jié)構(gòu)與功能以及復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯、剪接、加工、修飾等的詳盡過(guò)程。而且已經(jīng)測(cè)知了許多重要生物的基因組及其結(jié)構(gòu)與功能，真正從分子水平上對(duì)這些基因控制的生長(zhǎng)、發(fā)育、變異等一系列生物學(xué)問(wèn)題有了更深入的了解。

分子生物學(xué)的發(fā)展過(guò)程可簡(jiǎn)單地概括為三個(gè)階段。1第一章分子生物學(xué)緒論（1）人類對(duì)DNA和遺傳信息傳遞的認(rèn)識(shí)階段

1864-1884年，孟德?tīng)柊l(fā)現(xiàn)遺傳定律。

1868年，瑞士

Miescher從傷口的膿細(xì)胞核中提取到一種富含磷元素的酸性化合物，稱為核素(nuclein)；

1869年他又從鮭魚(yú)精子中分離出類似的物質(zhì)，并指出它是由一種堿性蛋白質(zhì)與一種酸性物質(zhì)組成，此酸性物質(zhì)即是現(xiàn)在的nucleicacid。

1900年，孟德?tīng)柕倪z傳定律得到認(rèn)可。

1909年，丹麥Johnnsen首先使用gene一詞。

1910年，德國(guó)Kossel第一次分離獲得單核苷酸。

1910年，摩爾根發(fā)現(xiàn)了遺傳連鎖定律，使得基因在染色體上的假說(shuō)有了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1944年，Avery等人在對(duì)肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了DNA是生物的遺傳物質(zhì)。（打破了長(zhǎng)期以來(lái)許多生物學(xué)家認(rèn)為蛋白質(zhì)是細(xì)胞遺傳物質(zhì)的觀點(diǎn)，確立了DNA是遺傳信息載體的理論。）1第一章分子生物學(xué)緒論1951年，McClintock提出并發(fā)現(xiàn)了可移動(dòng)的遺傳因子（mobileelement,controllingelements

或jumpinggene）;（1983年獲獎(jiǎng)，打破了孟德?tīng)栮P(guān)于基因固定排列于染色體上的概念，P56）。McClintock,B.ChromosomeOrganizationandGeneExpression.ColdSpringHarborSymp.Quant.Biol.1951,16:13-47.McClintock,B.“Controllingelementsandthegene”,ColdSpringHarborSymposiaonQuant.Biol.,21：197～216,1956.1第一章分子生物學(xué)緒論1953年，在Franklin和WilkinsX-射線衍射研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，Watson和Crick推導(dǎo)出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型(《Nature》,April25，1953)。（1962年，Watson、Crick和Wilkins獲獎(jiǎng)，生物學(xué)由經(jīng)典的染色體遺傳進(jìn)入到分子生物學(xué)的新時(shí)代）。

同年，Sanger在歷經(jīng)8年之后，完成了第一個(gè)蛋白質(zhì)——胰島素的氨基酸全序列分析（1958年獎(jiǎng)）。1第一章分子生物學(xué)緒論

1954年，Crick在前人研究工作基礎(chǔ)上，提出了遺傳中心法則理論。

1957年，Kornberg在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)了DNA聚合酶Ⅰ，這是能在試管中合成DNA的第一種核酸酶（1959年，Kornberg獲獎(jiǎng)，貢獻(xiàn)在于實(shí)現(xiàn)了DNA分子在體外試管內(nèi)的復(fù)制）。

1958年，Meselson和Stahl應(yīng)用同位素和超速離心法證明DNA的半保留復(fù)制。

1961年，Nivenberg等人用合成的信使RNA分子poly(U)破譯了第一批遺傳密碼。同年，Jacob和Monod提出了調(diào)節(jié)基因表達(dá)的操縱子模型（打開(kāi)了人類認(rèn)識(shí)基因表達(dá)調(diào)控的窗口）。

1第一章分子生物學(xué)緒論（2）重組DNA技術(shù)的建立和發(fā)展階段

1962年，Arber第一個(gè)證明在大腸桿菌中限制性內(nèi)切核酸酶的存在，8年后Smith等分離到第一種限制性內(nèi)切核酸酶。限制性內(nèi)切酶能識(shí)別特定的DNA序列并在這個(gè)特定位置進(jìn)行切割（生物學(xué)意義：如在大腸桿菌中，限制性內(nèi)切酶保護(hù)自己免受外來(lái)的DNA的“入侵”）。限制性內(nèi)切酶現(xiàn)被廣泛用于基因工程?；蚬こ谭催^(guò)來(lái)大大推動(dòng)了分子生物學(xué)的研究。

1967年，Gellert發(fā)現(xiàn)了DNA連接酶。

1970年，Temin和Baltimore在RNA腫瘤病毒中發(fā)現(xiàn)了反轉(zhuǎn)錄酶。

1972-1973年，全球重組DNA時(shí)代到來(lái)。Boyer和Berg等人發(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(kāi)創(chuàng)了基因工程的新紀(jì)元（1980年獲獎(jiǎng)）。1第一章分子生物學(xué)緒論

1975年，Blobel等發(fā)現(xiàn)了信號(hào)肽（1999年獲獎(jiǎng)，闡述蛋白質(zhì)在細(xì)胞間的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制，明確信號(hào)肽及信號(hào)識(shí)別復(fù)合物在蛋白質(zhì)跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的主導(dǎo)作用）。

1975-1977年，Sanger、Maxam和Gilbert發(fā)明了DNA序列測(cè)定技術(shù)（1980年獲獎(jiǎng)）。

1977年，Sharp等人發(fā)現(xiàn)了不連續(xù)基因（interruptedgene；又名斷裂基因splitgene；1993年獲獎(jiǎng)，打破了基因在染色體上必須連續(xù)排列的傳統(tǒng)觀念,P93）。1第一章分子生物學(xué)緒論（3）重組DNA技術(shù)的應(yīng)用和分子生物學(xué)的迅猛發(fā)展階段

1981年，Cech發(fā)現(xiàn)四膜蟲(chóng)rRNA前體的自我剪接作用，發(fā)現(xiàn)具有催化作用的RNA(ribozyme，核酶)（1989年獲獎(jiǎng)，打破了酶必定是蛋白質(zhì)的傳統(tǒng)觀念，P102-105）。

1982年，第一個(gè)基因工程藥物——胰島素在美國(guó)和英國(guó)獲準(zhǔn)使用；同年，Prusiner發(fā)現(xiàn)了朊病毒(prion)（1997年獲獎(jiǎng)，朊病毒作為羊瘙癢癥、瘋牛病和人克雅氏病的病原體，朊病毒又名“蛋白質(zhì)感染因子”，本身是一種蛋白質(zhì)，但能直接在寄主細(xì)胞中繁殖傳播，具有遺傳性和傳染性，打破了核酸是遺傳信息的唯一載體的傳統(tǒng)觀念）。1第一章分子生物學(xué)緒論

1985年，Mullis首創(chuàng)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）技術(shù)（1993年獲獎(jiǎng)，實(shí)現(xiàn)了體外試管中大量復(fù)制DNA）。

1990～1992年，轉(zhuǎn)基因玉米及轉(zhuǎn)基因小麥誕生(農(nóng)作物基因工程開(kāi)始變?yōu)楝F(xiàn)實(shí))。

1990年，人類基因組計(jì)劃全面正式啟動(dòng)。

1997年，Wilmut等首次不經(jīng)過(guò)受精，用成年母羊體細(xì)胞的遺傳物質(zhì)，成功獲得克隆羊多莉（開(kāi)創(chuàng)哺乳動(dòng)物體細(xì)胞無(wú)性繁殖的先河）。但受倫理道德的爭(zhēng)議和譴責(zé)以及最近干細(xì)胞的重大技術(shù)突破，Wilmut等在2007年底宣布放棄克隆人類胚胎研究。

2000年，人類基因組計(jì)劃測(cè)序草圖完成。

綜上所述，20世紀(jì)以核酸研究為核心，帶動(dòng)著分子生物學(xué)向縱深發(fā)展，50年代的雙螺旋結(jié)構(gòu)，60年代的操縱子學(xué)說(shuō)，70年代的DNA重組，80年代的PCR技術(shù)，90年代的DNA測(cè)序都是分子生物學(xué)發(fā)展的里程碑，將生命科學(xué)帶向一個(gè)由宏觀到微觀，再到宏觀的時(shí)代。1第一章分子生物學(xué)緒論5.21世紀(jì)分子生物學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)

1990年,人類基因組計(jì)劃(humangenomeproject，HGP)啟動(dòng),由美英日中德法等六國(guó)參與，原計(jì)劃用15年，花30億美元來(lái)完成。人類體細(xì)胞共有24條不同的染色體，單倍體基因組DNA約3×109bp。

2000年已基本完成人類基因組的測(cè)序工作。

結(jié)果：《Nature》（2001-02-15，六國(guó)科學(xué)家）；《Science》（2001-02-16，Celera塞萊拉基因公司）。

目前，人類基因組研究的重點(diǎn)正在由基因結(jié)構(gòu)向基因功能轉(zhuǎn)移，一個(gè)以基因組功能為主要研究?jī)?nèi)容的“后基因組”(post-genome)時(shí)代已經(jīng)到來(lái)?！昂蠡蚪M”(post-genome)時(shí)代的主要任務(wù)是研究細(xì)胞全部基因的表達(dá)圖式和全部蛋白圖式，亦即“從基因組到蛋白質(zhì)組”。分子生物學(xué)研究的重點(diǎn)又回到蛋白質(zhì)，生物信息學(xué)等新興學(xué)科也應(yīng)運(yùn)而生。1第一章分子生物學(xué)緒論

人體細(xì)胞單倍體基因組DNA約3×109bp，約3~4萬(wàn)個(gè)基因，蘊(yùn)藏生老病死的全部信息，是一本“天書(shū)”。目前焦點(diǎn)：尋找6000余種單基因遺傳病和多基因遺傳病的致病基因和相關(guān)基因。這場(chǎng)“搶基因”的“世紀(jì)之戰(zhàn)”已白熱化,通過(guò)設(shè)計(jì)專利基因以保護(hù)自己利益（見(jiàn)圖）。目前已找到與遺傳病有關(guān)的基因，包括乳腺癌、遺傳性耳聾、中風(fēng)、癲癇癥、糖尿病的基因。

1第一章分子生物學(xué)緒論（1）功能基因組學(xué)—functionalgenomics

基因組:是指細(xì)胞或生物體中，一套完整單體的遺傳物質(zhì)的總和；或指原核生物染色體、質(zhì)粒、真核生物的單倍染色體組、細(xì)胞器、病毒中，所含有的一整套基因。

原核生物基因組是指原核生物染色體基因組；有的原核生物還含有染色體外的質(zhì)?；蚪M。

真核生物基因組是指真核生物核基因組，包括染色體基因組和核內(nèi)的染色體外基因，以及細(xì)胞質(zhì)的線粒體、葉綠體基因組等。1第一章分子生物學(xué)緒論

功能基因組學(xué)(functionalgenomics)——在基因組水平上闡明DNA序列的功能。

一些已經(jīng)完成測(cè)序的生物的經(jīng)驗(yàn)表明，許多基因和基因組的功能元件只有在整個(gè)DNA序列已知的情況下才能得以發(fā)現(xiàn)。

例如啤酒酵母(S.cerevisiae)16條染色體全部序列已于1996年完成，基因組全長(zhǎng)12086kb，含有5885個(gè)可能編碼蛋白質(zhì)的基因，140個(gè)編碼rRNA基因，40個(gè)編碼snRNA基因和275個(gè)tRNA基因，共計(jì)6340個(gè)基因。

功能基因組學(xué)就是進(jìn)一步研究這些基因在一定條件下，譬如在孢子形成期，同時(shí)有多少基因協(xié)同表達(dá)才能完成這一發(fā)育過(guò)程，這就需要適應(yīng)這一時(shí)期的全套基因表達(dá)譜。1第一章分子生物學(xué)緒論（2）蛋白質(zhì)組學(xué)

1994年，Wilkins等首先提出蛋白質(zhì)組(proteome)的概念。

蛋白質(zhì)組：一個(gè)基因組所表達(dá)的全部蛋白質(zhì)(proteomeindicatestheproteinsexpressedbyagenome)。

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)。

蛋白質(zhì)組與基因組的區(qū)別：①基因組基本上是固定不變的，即同一生物不同細(xì)胞中基因組基本上是一樣的。②蛋白質(zhì)組是動(dòng)態(tài)的。單從DNA序列并不能回答某個(gè)基因的表達(dá)時(shí)間、表達(dá)量、蛋白質(zhì)翻譯后加工和修飾以及它們的亞細(xì)胞分布等。這些問(wèn)題可在蛋白質(zhì)組研究中找到答案，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)組是動(dòng)態(tài)的，有時(shí)空性和可調(diào)節(jié)性，從而可以在細(xì)胞和生命有機(jī)體的整體水平上闡明生命現(xiàn)象的本質(zhì)和活動(dòng)規(guī)律。1第一章分子生物學(xué)緒論（3）生物信息學(xué)

人類基因組計(jì)劃大量序列信息的積累催生了生物信息學(xué)(bioinformatics)

。

生物信息學(xué)—利用數(shù)理和信息科學(xué)的觀點(diǎn)、理論和方法，對(duì)DNA