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分子生物学MolecularBiology主讲人：李标Autumnsemester,2005Tel:023-60712795E-mail:libiao@126.com一、什么是分子生物学？第一章绪论InstantNotesinMolecularBiology---Turneretal.Molecularbiologyseekstoexplaintherelationshipsbetweenthestructureandfunctionofbiologicalmoleculesandhowtheserelationshipscontributetotheoperationandcontrolofbiochemicalprocesses.•Iconsidermolecularbiologytobethestudyofgenesandtheiractivitiesatthemolecularlevel,includingtranscription,translation,DNAreplication,recombinationandtranslocation.MolecularBiology(McGraw-Hill)---RobertWeaver现代分子生物学---朱玉贤、李毅2/E(2002)分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学，是人类从分子水平上真正揭示生物世界的奥秘，由被动地适应自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学科。•什么是分子生物学分子生物学是研究生物大分子结构与功能的一门学科。广义的讲，一切从分子水平研究生命奥秘的研究工作都是分子生物学。•“分子生物学”术语的来历：1938年,Weaver在写给一个科学基金会(洛克菲勒基金会)的报告中，首次使用了分子生物学(MolecularBiology)一词……之后，研究蛋白质结构的WillianAstbury使用了这一名词，当时他开始用X—射线分析纤维DNA的结构，并称自己是分子生物学家。•分子生物学的基本原理：1.构成生物体的有机大分子的单体在不同生物体内都是相同的；2.生物体内一切有机大分子的建成都遵循共同的规律；3.某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质决定了生物的属性。Thehierarchyoflivingworld:BiologicalorganizationsatvariouslevelsBiosphere(thesumofallEarth’secosystems)Ecosystem(biologicalcommunity+environment)Biologicalcommunity(differentpopulationsinsamearea)Population(localizedgroupoforganismsofsamespecies)Organisms(Unitsoflife)OrgansystemsOrgansTissueCells（1-100m,Unitsoforganisms)Organelles(ribosomesca.20nm)MacromoleculecomplexMolecules(atomsbondedchemically)Atoms(Å,chemicalbuildingblocksofallmatter)研究对象：•核酸遗传信息的载体，决定生物性状；稳定遗传，保证种的延续，母代→子代；易于保存，易于操作•蛋白质GENETICINFORMATIONDNARNAPROTEINDNA1.REPLICATION(DNASYNTHESIS)2.TRANSCRIPTION(RNASYNTHESIS)3.TRANSLATION(PROTEINSYNTHESIS)分子生物学与生物化学之间的关系与区别：分子生物学—研究生物大分子的结构、功能及信息传递过程，从分子水平研究生命现象。生物化学—生物体内的化学运动，包括化学组成、变化、结构与功能，生物分子间的物质与能量转换过程。现在通常将研究DNA的结构及其表达，了解生命现象的工作算作分子生物学的内容，将生命物质的组成及变化（代谢规律）归为生物化学的范畴。分子生物学≠生物化学分子生物学的相关学科：1.生物化学生物化学是分子生物学的基础，学好生化便于分子生物学的基本原理和方法的理解。2.微生物学作为分子生物学研究的模型生物分子生物学操作的一部分（基因扩增、克隆、表达）3.遗传学研究生物的遗传及变异规律，遗传变异的本质—DNA4.细胞生物学细胞是生命的基本功能单位，基因功能必须通过细胞来表现，离开细胞，就没有生命。TherelationshipofMolecularBiologywithotherbiologicalsubjectsLifeSciencesMedicalSciencesBiologyAgri.SciencesMacro(outdoor)Micro(indoor)Ecology,BehaviorEvolutionSystematicsMolecularBiologyBiochemMicrobiolCellBiologyMolGeneticsDevBiolImmunolOthersCropsciencesAnimalhusbandryVeterinaryPathology,clinicmedicinePreventivemedicineetcMolNeurobiol•分子生物学的学科特征是生命科学的一门基础学科,它服务于生命科学的任何一门学科,它可为基础研究服务,同时也是极有应用前景的学科。是一种方法、技术和手段,目的是了解生命的本质,揭示生命规律,最终解决人类生存和发展问题。二、分子生物学的目标及任务目标：了解生命本质，揭示生命运动的规律任务：1.分离克隆基因；（clone）基因克隆—把确定某一性状的基因（DNA片段）从整个基因组中找出来。2.确定基因的结构；(structure)结构基因—一级结构调控基因—高级结构3.基因的功能研究(function)生化功能：基因的直接活性及蛋白产物的活性（例如—与DNA的结合，信号因子，受体，运输蛋白，酶活性等）生理功能：基因表现出来的性状，与生物个体的生存的关系。生化功能是单个分子（基因）的作用或活性，生理功能是分子群的“集体”行为，是多个基因及环境共同作用的行为。生化功能是生理功能的基础，生理功能是表现，由于生物体基因表达的组织和发育阶段的特异性等，生化功能相同生理功能并不一定相同。血红蛋白生化功能：与O2和CO2结合；生理功能：将O2从肺→组织细胞，将CO2从组织细胞→肺；P53基因生化功能：DNA结合蛋白，与特异的DNA序列结合；生化功能：调节基因表达，阻止细胞过度增殖，抑制肿瘤发生。4.基因表达调控研究(expresscontrol)生物体内的基因是按一定程序、有序的表达，才有了生物的生长、发育、衰老、死亡。表达程序不同→不同的性状，病变。基因表达存在时空差异，调控→多彩的世界。一个受精卵→一个植株、个体→分化出根、茎、叶、花。基因表达调控的主要控制点——基因转录（表达的第一步，转录与否及转录水平）分子生物学的逻辑学方法：1.效率论（能量节省原理，存在即有用）2.模型分析3.强烈推理分子生物学的发展和方向：1.进一步完善相关技术（分离、分析→微量化、自动化、高通量）2.技术的产业化3.学科的交叉4.生物信息学三、分子生物学发展史及展望1869Miescher第一次分离了DNA；1941Astbury获得了第一张DNAX—衍射图谱；1944Avery细菌转化实验成功，证实了DNA是遗传物质的载体；…1953WatsonCrick提出DNA双螺旋结构模型；1958Crick提出遗传信息传递的中心法则；…1961Jacob和Monod提出操纵子学说——遗传调节机理；1962Arber证明限制性内切酶存在；1967Gellert发现DNA连接酶；1970发现反转录酶；…1972~1973创建了DNA克隆技术，DNA重组实验成功——开创了基因工程新纪元；…1982Prusiner在仓鼠脑中发现了“朊病毒”（prion）；1985Saiki发明了聚合酶链式反应（PCR技术）；…1990人类基因组计划（HGP）全面正式启动；1994日本科学家发表了水稻基因组遗传图，Wilson完成了线虫3号染色体连续2.2Mb的测定；——DNA序列测定时代到来…1997Wilmut成功获得克隆羊—Dolly诞生；1998Renard克隆牛诞生（体细胞→个体）；…2000,6.26中、美、日、德、法、英6国，宣布人类基因组草图发表。2000,10月科学家宣布将于2001年3月完成河豚鱼的基因组测序。2000,12月14日英美等国科学家宣布绘出拟南芥基因组的完整图谱。2001,1,12中、美、日、德、法、英等国科学家Nature,15日)和美国塞莱拉公司(Science,16日)各自公布人类基因组图谱和初步分析结果。约3万基因。2002,4,5:以杨焕明为首的中国科学家在Science发表了水稻全基因组框架序列图。2002,12,12以韩斌为首的中国科学家在Nature发表了水稻第四号染色体测序图。2003年4月14日六国科学家完成了人类基因组序列图的绘制，实现了人类基因组计划的所有目标。二十世纪是以核酸为研究核心，带动分子生物学向纵深发展：–50年代双螺旋结构–60年代操纵子学说–70年代DNA重组–80年代PCR技术–90年代DNA测序生命科学从宏观→微观→宏观；由分析→综合的时代。二十一世纪是分子生物学发展的世纪，生命科学将进入一个新的时代——后基因组时代post-genomics二十一世纪分子生物学发展的趋势：1.功能基因组学functionalgenomics依附于对DNA序列的了解，应用基因组学的知识和工具去了解影响发育和整个生物体的特征序列表达谱。酿酒酵母16条染色体的全部序列于1996年完成。基因组全长12，086Kb140个编码rRNA6340个基因5885个编码Protein40个编码snRNA275个编码tRNA功能基因组学研究这6000多个基因，在一定条件下（如孢子形成期）同时有多少基因协同表达（基因表达谱）。2.蛋白质组学以蛋白质组为研究对象，研究细胞内所有蛋白质及其动态变化规律的科学。功能蛋白质组学functionproteome在特定时间、特定环境和实验条件下基因活跃表达的蛋白质。（细胞内与某种功能有关的或在某种条件下的一群蛋白质）3.生物信息学Bioinformatics定义：对DNA和蛋白质序列资料中各种类型信息进行识别、存储、分析、模拟和传输。由数据库、计算机网络、应用软件三大部分组成。目前，国际上有三大生物信息中心：美国生物工程信息中心GenBank美国基因组序列数据库GSDB欧洲分子生物学研究所EMBL(TheEuropeanMolecularBiologyLaboratory)日本DNA数据库DDBJ可进行DNA分析、RNA分析、多序列比较、同源序列检索、蛋白质结构预测等分析。分子生物学授课大纲第一章绪论（2）第二章染色体与DNA（8）第三章转录（8）第四章翻译（8）第五章分子生物学的研究方法（8）第六章原核生物基因表达调控（8）第七章真核生物基因表达调控（6）第八章癌和病毒的分子生物学（4）第九章发育与分子调控（6）第十章基因组与比较基因组（4）主要参考书1.《MolecularBiology》，RobertF.Weaver,McGraw-HillCompanies,Inc.，2000（影印版，科学出版社）2.《现代分子生物学》（第二版），朱玉贤、李毅编著，高等教育出版社，20023.《分子生物学基础》，杨岐生编著，浙江大学出版社，19944.《分子生物学》，武汉大学出版社5.《分子生物学》，南开大学出版社6.《分子遗传学》，孙乃恩等编著，南京大学出版社分子生物学实验参考书目1.分子克隆实验指南2.精编分子生物学实验指南3.PCR技术实验指南4.分子生物