现代分子生物学课件

第一章绪论一.基本含义一.分子生物学的基本含义是人类从分子水平上研究细胞活动的规律，揭开生命本质的一门基础学科。第一章绪论一.基本含义-分子水平是指携带遗传信息的核酸和在遗传信息传递及细胞内、细胞间通讯过程中发挥着重要作用的蛋白质等生物大分子。-分子水平上研究生命的本质主要是指对遗传、生殖、生长和发育等生命基本特征的分子机理的阐明,从而为利用和改造生物奠定理论基础和提供新的手段。第一章绪论一.基本含义分子生物学：是研究核酸等生物大分子的功能、形态结构特征及其重要性和规律性的学科，是人类从分子水平上真正揭开生物世界的奥秘，由被动适应自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学科。分子生物学是目前现代生物学领域里最具有活力和发展最为迅速的学科之一。第一章绪论二.分子生物学发展简史二.分子生物学发展简史分子生物学的发展大致可分为两个阶段1.准备和酝酿阶段19世纪后期--20世纪50年代产生了两点对生命本质的认识上的重大突破:确定了生物遗传的物质基础是核酸,解决了遗传的物质基础问题。确定了蛋白质是生命的主要基础物质。第一章绪论二.分子生物学发展简史2.分子生物学的建立和发展阶段主要进展:50年代提出了DNA分子的双螺旋结构模型和半保留复制机制,解决了遗传物质的自我复制和世代交替问题;50年代末至60年代,提出了“中心法则”和操纵子学说,成功地破译了遗传密码,阐明了遗传信息的流动与表达机制。P.11第一章绪论二.分子生物学发展简史1957年,A.Kornberg在大肠杆菌中发现了DNA聚合酶;1965年,证明了细菌的抗药性通常由“质粒”DNA所决定；1967年,第一次发现DNA连接酶;1970年,Smith,Wilcox和Kelley分离出第一种限制性核酸内切酶,Temin和Baltimore从RNA肿瘤病毒中发现反转录酶。1972-73年,Boyer,Berg等人发明了DNA重组技术,1972年获得第一个重组DNA分子；1973年完成第一例细菌基因克隆。1978年,首次在大肠杆菌中生产由人工合成基因表达的人脑激素和人胰岛素。第一章绪论二.分子生物学发展简史1981年,Palmiter和Brinster获得转基小鼠,Spradliing和Rubin得到转基因果蝇。1982年,美、英批准使用第一例基因工程药物—胰岛素。1983年,获得第一例转基因植物。1994年,第一批基因工程西红柿在美国上市。1996年,完成了酵母基因组(1.25107bp)全序列测定。1997年,英国爱丁堡罗斯林研究所获得克隆羊。2000年,完成第一个高等植物拟南芥的全序列测定(3.2108bp)。2001年,完成人类基因组全序列测定(3.5109bp)。第一章绪论二.分子生物学发展简史2002年,英、美、德等国的上百位科学家在《Nature》杂志上联合宣布他们成功破译了小鼠的基因组。2004年，《科学》杂志发表了中国科学家的《家蚕基因组框架图》。2005年，2005年8月11日中、美、日、法等10个国家和地区的科学家在Nature杂志发表了水稻基因组“精细图”，覆盖率达95.3％。我国对国际水稻基因组计划的贡献率达20％。共定位了37,500个基因，还率先在动植物中完成了对着丝粒的测序。第一章绪论二.分子生物学发展简史2009年，由中国农科院蔬菜花卉研究所和深圳华大基因研究院领衔、14国科学家组成的国际马铃薯基因组测序协作组，分别在北京、阿姆斯特丹、伦敦、纽约、利马等地同时宣布：马铃薯基因组序列框架图完成马铃薯基因组有12条染色体、8.4亿个碱基对该框架图覆盖了:马铃薯95％以上的基因共发现3.5万多个基因第一章绪论二.分子生物学发展简史2009年，中国颁发了具有自主知识产权的:一个转植酸酶基因玉米品种生产应用安全证书两个转抗虫基因水稻品种第一章绪论二.分子生物学发展简史转植酸酶基因玉米:可以提高饲料的利用效率，减少饲料中磷酸氢钙的添加量，降低饲养成本；减少动物粪、尿中植酸磷的排泄，减轻环境污染，有利于环境保护.此外，利用农业种植方式生产植酸酶，还具有节能、环保、低成本的优势。植酸酶:是催化植酸及其盐类水解为肌醇与磷酸（盐）的一类酶的总称第一章绪论二.分子生物学发展简史转抗虫基因水稻:能有效控制螟虫等鳞翅目害虫危害，保障水稻增产，还能减少80%的化学农药用量。第一章绪论三.分子生物学的主要研究内容1.分子生物学的基本原理（p11)(1)构成生物体各类有机大分子的单体在不同生物中都是相同的。(2)生物体内一切有机大分子的建成都遵循共同的规则。(3)某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子决定了它的属性。第一章绪论三.主要研究内容2.主要研究内容(1）DNA重组技术（2）基因表达调控研究（3）结构分子生物学（4）基因组、功基因组与生物信息学研究分子生物学的研究内容DNA重组技术（1）DNA重组技术（基因工程/遗传工程/基因操作/基因克隆/分子克隆）在体外将不同的DNA片段(整个基因或基因的一个部分)按照人们的设计定向连接起来后，转入特定的受体细胞，使重组基因在受体细胞中与载体同时复制并得到表达，从而赋予生物体新的遗传特性,创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。基因（gene）：产生一条多肽链或功能RNA所需要的全部DNA序列.GAATTCCTTAAGSV40GAATTCCTTAAGSV40病毒DNA噬菌体DNAEcoRIDNAligase连接SV40GAATTCCTTAAGSV40DNAGAATTCCTTAAGDNAVS40GAATTCCTTAAGGAATTCCTTAAGSV405’3’5’3’切割图:SV40病毒DNA和噬菌体DNA的重组例1:例2:分子生物学的研究内容DNA重组技术DNA重组操作主要包括:DNA(基因组和质粒DNA)提取和纯化PCR(聚合酶链反应)基因扩增DNA聚合酶DNA分子切割限制性内切酶DNA片段与载体连接DNA连接酶DNA凝胶电泳细胞转化及重组子的筛选与鉴定等分子生物学的研究内容DNA重组技术三大基本工具:“分子手术刀”限制性核酸内切酶“分子缝合针”DNA连接酶“分子运输车”基因进入受体细胞的载体分子生物学的研究内容DNA重组技术DNA重组技术应用前景•可用来进行基因功能的研究。如利用反义技术、RNA干扰等技术。•可用于定向改造某些生物的基因组结构。如：转基因Bt抗虫棉，将苏云金芽孢杆菌编码Bt毒蛋白的抗虫基因转入棉花后获得的。•可用于大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低或不能产生的多肽，如激素、抗生素、酶类和抗体等，提高产量，降低成本。分子生物学的研究内容基因表达调控研究基因表达(geneexpression):从DNA到蛋白质或功能RNA的过程被称为基因表达。实质上就是遗传信息的转录和翻译基因表达调控(generegulation)：对基因表达过程的调节就称为基因表达的调控。(2)基因表达调控研究分子生物学的研究内容基因表达调控研究DNARNA反馈(?)转录复制翻译蛋白质生理功能图:遗传信息传递的“中心法则”示意图（21世纪后修正的）tRNA和rRNA小RNA（microRNAs）非编码RNA（Non-codingRNA）P.11分子生物学的研究内容基因表达调控研究基因表达调控类型:•时序调控(遗传特性)•区域调控(遗传特性)•环境调控(内外环境变化)基因表达过程中的调控主要发生在：•DNA的转录水平(原核生物和真核生物)•RNA的翻译水平(此调控仅发生在真核生物的基因表达中)分子生物学的研究内容结构分子生物学（3）生物大分子的结构功能研究——结构分子生物学一个生物大分子，无论是核酸、蛋白质等在发挥其生物功能时，必须具备两个提：拥有特定的空间结构（三维结构）；发挥生物学功能的过程中必定存在着结构和构象的变化。分子生物学的研究内容结构分子生物学结构分子生物学就是研究生物大分子特定的空间结构及结构的运动变化与其生物学功能关系的科学。主要包括三个研究方向：结构的测定采用X射线衍射、二维或多维核磁共振等方法结构运动变化规律的探索结构与功能相互关系的建立分子生物学的研究内容基因组、功能基因组与生物信息学研究（4）基因组、功基因组与生物信息学研究基因组（genome):生物有机体的单倍体细胞中的所有DNA，包括核中的染色体DNA和线粒体、叶绿体等亚细胞器中的DNA。P.456分子生物学的研究内容基因组、功能基因组与生物信息学研究基因组计划:测定基因组序列。-人类基因组计划目的是揭开人类所有的遗传结构,包括所有的基因(尤其是与疾病相关的基因)和基因外序列的结构。1990年-2001年，美、英、法、德、日、中6国的合作已完成人类基因的全部序列测定工作。见表2-1,P.19.-小家鼠、果蝇、线虫、拟南芥、水稻、啤酒酵母，以及多种真菌、细菌的基因组研究相继展开，其中拟南芥基因组的全序列测定已完成。分子生物学的研究内容基因组、功能基因组与生物信息学研究功能基因组计划(蛋白组计划或后基因组计划):揭示基因产物和功能之间的关系。通过利用各种模式植物体基因的剔除和转基因来研究基因的功能。生物信息学:将基因的结构、蛋白质功能以及物种的进化在基因信息的基础上统一起来。p.15第一章绪论四.课程学习目的和内容1.学习目的:掌握分子生物学的基本概念、基本原理、基本操作技术等。2.学习内容:重点讲授第三章生物信息的传递(上)-从DNA到RNA第四章生物信息的传递(下)-从RNA到蛋白质第五章分子生物学研究法（上）第六章分子生物学研究法（下）第七章基因的表达与调控(上)-原核基因表达调节模式第八章基因的表达与调控(下)-真核基因表达调控的一般规律第一章绪论四.课程的学习目的和内容参考书:1.基因工程原理吴乃虎主编2.分子生物学基础杨岐生主编浙江大学出版社3.基因工程术语吴乃虎主编第一章绪论当你进入实验室时,要像脱去外衣那样放下你的想像力,因为实验操作中不能有一丁点的想像,否则,你对事物的观察就会受影响;而当你翻开书本的时候,你又必须尽可能展开想像的“翅膀”,否则,你就不可能走在别人前面。朱玉贤第二章染色体和DNA一.染色体染色体:细胞(核)中由DNA、蛋白质组成的易被碱性染料着色的一种丝状或杆状物。亲代是以染色体的形式将自己的遗传物质DNA传给子代，保持了物种的稳定性和连续性。因此，染色体在遗传上起着主要作用。第二章染色体和DNA一.染色体1.染色体的特征:(1)分子结构相对稳定;(2)能够自我复制，亲代能够将自己的遗传物质DNA以染色体的形式传给子代,使亲、子代之间保持了物种的稳定性和连续性;(3)能够指导蛋白质的合成，从而控制整个生命过程;(4)能够产生可遗传的变异。第二章染色体和DNA一.染色体2.染色体的组成(1)原核细胞染色体由DNA与非组蛋白质组成，两者结合呈松散状态。参与DNA折叠染色体中的蛋白质参与DNA复制、重组及转录原核生物染色体一般位于类核体上。第二章染色体和DNA一.染色体原核生物类核的结构p.22第二章染色体和DNA一.染色体原核生物基因组的特点：多数只有一条染色体基因组小大肠杆菌基因组仅含4000多个基因。DNA含量少大肠杆菌DNA的相对分子质量只有2.4109第二章染色体和DNA一.染色体原核生物DNA的主要特点:p.30结构简练大多数为单拷贝基因,只有很少数基因（rRNA）是以多拷贝形态存在。原核DNA分子的绝大部分是用来编码蛋白质的，只有非常小的一部分不转录。而且，这些不转录DNA序列通常是控制基因表达的序列。存在转录单元（操纵子）原核DNA序列中功能相关的RNA和蛋白质基因，往往丛集在基因组的特定部位，形成功能单位或转录单元，它们可被一起转录为可翻译多个蛋白质的mRNA分子，这种mRNA叫多顺反子mRNA。第二章染色体和DNA一.染色体有重叠基因具有部分共用核苷酸序列的基因，也就是说，同一段DNA携带了两种不同蛋白质的编码信息。这样的两个基因称之为重叠基因。重叠的部分可以在基因的调控区，也可以在