分子生物学 第一章 绪论

现代分子生物学李江朱玉贤《现代分子生物学》，高等教育出版社孙乃恩《分子遗传学》，南京大学出版社。阎隆飞《分子生物学》，中国农业大学出版社，李振刚《分子遗传学》，科学出版社沈羽非《真核基因表达调控》，北京高等教育出版社Lewin,B,GenesVII,OxfordUniversityPressTurnerP.C.etal.MolecularBiology.科学出版社WeaverR.MolecularBiology.科学出版社2005年2月出版2004年2月出版2006年1月•引言•分子生物学定义•分子生物学发展简史•分子生物学研究内容•分子生物学展望第一章绪论•达尔文进化论过度繁殖、遗传变异、自然选择“物竞天择，适者生存”•细胞学说细胞是所有动植物的基本结构单位每个细胞相对独立，一个生物体内各细胞之间协同配合一切细胞来自细胞•经典生物化学和遗传学•DNA是遗传信息的载体的发现经典的生物化学和遗传学•19世纪中叶，蛋白质•19世纪中叶到20世纪初，组成蛋白质的20种基本氨基酸被相继发现（1935年，苏氨酸）•著名生物化学家Fisher还论证了连接相邻氨基酸的“肽键”的形成。孟德尔GregorMendel(1822-1884),奥地利科学家，经典遗传学的奠基人•提出了“遗传因子”的概念，并得出了二条规律：分离定律和自由组合定律，统称为孟德尔遗传规律。•在孟德尔遗传学的基础上，美国著名的遗传学家Morgan又提出了基因学说，连锁遗传规律。•1944年，美国著名微生物学家Avery证明DNA是遗传信息的载体。第一节分子生物学的含义分子生物学（molecularbiology)•广义：是研究蛋白质及核酸等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。从分子水平阐明生命现象和生物学规律。•狭义：主要研究基因或DNA的复制、转录、表达和调节控制等过程。第二节分子生物学发展简史•1928年英国科学家Griffith等人发现肺炎链球菌可以引起肺炎，导致小鼠死亡。•1944年美国微生物学家Avery通过肺炎链球菌对小鼠的感染实验，证明DNA是遗传信息的载体。•1953年Watson和Crick提出DNA右手双螺旋模型，于1962年和Wilkins共享诺贝尔生理医学奖。•同年，Sanger首次阐明了胰岛素的一级结构，开创了蛋白质序列分析的先河，他于1958年获诺贝尔化学奖。最初的双螺旋模型1952,FranklinDNAX-射线衍射图(51号照片)1953年DNA双螺旋结构模型的建立，标志着生物化学发展进入分子生物学时期。Waston,Crick,Wilkins三人共获1962年诺贝尔生理学或医学奖。•1954年Crick提出遗传信息传递的中心法则。•1958年，Meselson和Stahl提出了DNA的半保留复制。•1961年，法国科学家Jacob和Monod提出了调节基因表达的操纵子（operon）模型，1965年获得诺贝尔生理医学奖。他们还首次提出了信使核糖核酸（mRNA）的存在及作用。•同年，Nirenberg等人应用合成的mRNA分子[poly(U)]破译出第一批遗传密码。•1966年，美国科学家Nirenberg等人破译了全部的DNA遗传密码，1969年与Holley和Khorana分享了诺贝尔生理医学奖。•1967年发现了可将DNA连接起来的DNA连接酶。•1970年Smith、Qilcox及Kelley分离到第一种可以在DNA特定位点将DNA分子切开的限制性核酸内切酶。同年，美国的Temin和Baltimore发现RNA肿瘤病毒中存在逆转录酶，他们于1975年共享诺贝尔生理学奖。•1972年，Berg、Boyer等人第一次成功地完成了DNA重组实验。•1974年，首次实现了异源真核生物的基因在大肠杆菌中的表达。•1975~1977年，美国人Sanger和Gilbert发明了快速DNA序列测定技术，并于1977年完成了噬菌体ΦX174基因组（5386bp）的序列测定。1980年Sanger和Gilbert与Berg分享了诺贝尔化学奖。•1982年Prusiner提出“感染性蛋白质颗粒”的存在；次年将这种蛋白颗粒命名为阮病毒蛋白（prionprotein,PrP）。1997年，Prusiner因为发现朊病毒而获得诺贝尔生理医学奖。•1984年，德国人Kohler、美国人Milstein和丹麦科学家Jern由于发展了单克隆抗体技术而分享了诺贝尔生理医学奖。•1986年，Mullis发明了PCR技术。1993年Mullis与第一个设计定点突变的Smith共享了诺贝尔化学奖。•1988年Waston出任“人类基因组计划”首席科学家，举世瞩目的人类基因组测序工作开始启动。•1993年，美国科学家Roberts和Sharp由于在不连续基因方面的工作而获得诺贝尔生理医学奖。•1996年，酵母基因组DNA的全部序列测定工作完成。•2000年6月26日，人类基因组工作框架图绘制完成。第三节分子生物学研究内容所有生物体中的有机大分子都是以C为核心以共价键的形式与H、O、N、P以不同的方式构成的，生命体中的各类有机大分子都是由完全相同的单体，如Pr（20aa）、DNA/RNA（8种碱基）所组成的。分子生物学的3条基本原理：•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；•生物体内一切有机大分子的构成都遵循共同的规则；•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。分子生物学研究内容•DNA重组技术（基因工程）•基因的表达调控•生物大分子的结构和功能研究(结构分子生物学）•基因组、功能基因组与生物信息学研究•DNA重组技术1、可被用于大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低的多肽；2、可用于定向改造某些生物的基因组结构；3、可被用来进行基础研究1972年,Boyer获得第一个重组DNA分子1972-BergEcoRIrecognitionsitesλphageDNAEcoRIcutsDNAintofragmentsStickyendSV40DNAThetwofragmentssticktogetherbybasepairingDNAligaseRecombinantDNA1974年美国学者Jaenisch首次应用显微注射法获得转基因小鼠。转基因动物已应用于基础研究、疾病动物模型、药用蛋白质生产、农业等领域。1987年，世界上第一只商业化转基因绵羊在英国著名的罗斯林研究所诞生。她的乳汁可分泌α-抗胰蛋白酶，含量高达30毫克/升。目前利用下列转基因动物可以生产出人类蛋白质药物：牛：抗凝血酶、纤维蛋白原、人血清白蛋白、胶原蛋白、乳铁蛋白、糖基转移酶、蛋白C等；山羊：抗凝血酶原、抗胰蛋白酶、血清白蛋白、组织纤溶原激活因子、单克隆抗体等；绵羊：抗胰蛋白酶、凝血因子Ⅸ、蛋白C；猪：凝血因子Ⅸ、蛋白C、纤维蛋白原、血红蛋白。经济效益利用转基因动物生产蛋白质成本低。囊性纤维变性是一种遗传病，患者体内会产生粘稠的粘液，阻塞肺部、胰腺和消化器官的内部通道，大约有一半的患者活不过31岁。英国PPT公司培育了植入人体基因的克隆羊，羊奶中含有能够治疗囊性纤维变性的人体蛋白。维尔莫特所在的研究所曾向德国一家药厂出售一头这样的转基因羊，获得50万英镑。•基因的表达调控信号转导研究，转录因子研究，RNA剪接基因表达实质上就是遗传信息的转录和翻译。在个体生长发育过程中生物遗传信息的表达按一定时序发生变化（时序调节），并随着内外环境的变化而不断加以修正（环境调控）。◆原核生物的基因组和染色体结构都比较简单，转录和翻译在同一时间和空间内发生，基因表达的调控主要发生在转录水平。（第7章）◆真核生物转录和翻译过程在时间和空间上都被分隔开，且在转录和翻译后都有复杂的信息加工过程，其基因表达的调控可以发生在各种不同的水平上。其基因表达调控主要表现在信号传导研究、转录因子研究及RNA剪辑3个方面。（第8章）DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制•生物大分子的结构和功能研究(结构分子生物学）–一个生物大分子，无论是核酸、蛋白质或多糖，在发挥生物学功能时，必须具备两个前提：•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。–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。它包括3个主要研究方向：•结构的测定•结构运动变化规律的探索•结构与功能相互关系•基因组、功能基因组与生物信息学研究–2001年，Nature和Science同时发表人类基因组全序列。–功能基因组学又往往被称为后基因组学，它利用结构基因组所提供的信息和产物，发展和应用新的实验手段，通过在基因组或系统水平上全面分析基因的功能，使得生物学研究从对单一基因或蛋白质得研究转向多个基因或蛋白质同时进行系统的研究。–生物信息学从事对基因组研究相关生物信息的获取、加工、储存、分配、分析和解释。包括了两层含义，一是对海量数据的收集、整理与服务，也就是管好这些数据；另一个是从中发现新的规律，也就是用好这些数据。分子生物学在生命科学中的位置•与生物化学关系密切•与微生物学密不可分•对遗传学的影响•对发育生物学的影响•对分类和进化研究的影响•对神经生物学的影响•分子细胞生物学•对现代医学的影响•其他生物学范畴内所有学科在分子水平上的统一。第四节分子生物学的现状和展望•21世纪是生命科学世纪，生物经济时代，结构基因组学、功能基因组学、蛋白质组学、生物信息学、信号跨膜转导成为新的热门领域。•分子生物学的发展揭示了生命本质的高度有序性和一致性，是人类认识论上的重大飞跃。生命活动的一致性，决定了二十一世纪的生物学将是真正的系统生物学，是生物学范围内所有学科在分子水平上的统一。•分子生物学是目前自然学科中进展最迅速、最具活力和生气的领域，也是新世纪的带头学科。•分子生物学是由生物化学、生物物理学、遗传学、微生物学、细胞学、以及信息科学等多学科相互渗透、综合融会而产生并发展起来的，同时也推动这些学科的发展。•分子生物学涉及认识生命的本质，它也就自然广泛的渗透到医学、药学各学科领域中，成为现代医药学重要的基础。分子生物学与其他学科的关系作业：1.分子生物学的定义。2.简述分子生物学的主要研究内容。3.谈谈你对分子生物学未来发展的看法？