分子生物学第一章

走进分子生物学探索生命之奥秘华中农业大学生命科学技术学院Tel:[e-mail]郑用琏国家级精品课程国家级教学团队二十一世纪—生命科学世纪50年后1876－03-101892年纽约－芝加哥电话线开通HelloChicago！150年后上帝创造论1910遗传因子假说(HypothesisoftheinheritedfactorG.J.Mendel1866.)亲代传给子代的是遗传因子(inheritedfactorA,a,B,b…..)19101910染色体是基因的载体chromosome19101910DollyParton1996-jul-05RoslinIns.UKSirIanWilmut多莉年方七岁！为何未老先衰？1910耗资38亿$破解1990年—2000年6月26日耗资38亿USD破解30亿Nts1859-2000人类进入21世纪生命科学类各专业都将分子生物学列为学位课程人类进入美国科学院有1900多位院士其中1100位从事生命科学领域的研究把世界上的学术论文分为生命科学与非生命科学两类。生命科学类占到了53%，在《NATURE》、《SCIENCE》中，占56%生命科学与技术是我国赶超世界发达国家生产力水平，实现国力后发优势和经济快速发展最有前景和希望的领域生命科学与技术是我国赶超世界发达国家生产力水平，实现国力后发优势和经济快速发展最有前景和希望的领域国务院总理温家宝2008年7月9日主持召开国务院常务会议,审议并原则通过《转基因生物新品种培育科技重大专项》计划在15年内将投入250亿人民币开展涉及水稻玉米小麦棉花大豆猪牛羊的转基因生物的培育与推广。国务院总理温家宝2009年5月13日主持召开国务院常务会议2009年安排３２８亿元，2010年安排３００亿元左右抓住世界生物科技革命和产业革命的机遇，大力发展生物医药生物农业生物能源生物制造生物环保现代生物技术产业以DNA双螺旋结构模型和“中心法则”为核心的分子生物学所引发的1.1.现代生命科学的发展数、理、化相关学科生物学实验技术渗透交叉近代生物学实验生物学个性共性宏观生物学（生态学为核心）微观生物学（分子生物学为核心）细胞水平分子水平结构生物学，发育生物学，系统生物学等新兴学科发展生物多样性研究资源保护与利用生态学，进化论环境保护，持续发展描述性的生物学ModernBiologyWhatisMolecularBiology?1.2.分子生物学的概念Defineinbroadly;understandbiologicalphenomenainmolecularterms(difficulttodistinguishfrombiochemistry)Defineinrestrictively;studyofgenestructureandtheiractivitiesinmolecularlevelThetermhasmorethanonedefinitionWhatisMolecularbiology?Whatisthegene?BasicpropertyReplicationExpressionMutationDNADoubleHelixmodel1953J.WatsonandF.CrickGeneconceptGenestructureGenereplicationGeneexpressionGenerecombinationGenemutationMolecularBiologyofGene分子生物学诞生分子生物学研究领域共同遵循三大基本原则Crick….我本人的思想是基于两个基本原理，序列假说（sequencehypothesis）中心法则（centraldogma)…sequencehypothesis：核酸片段的特异性完全由其碱基序列所决定，而且这种序列是某一蛋白质氨基酸序列的密码centraldogma：遗传信息一旦从DNA，经RNA，进入蛋白质，它就不可能再输出★构成生物大分子的单体是相同的★生物遗传信息的表达的中心法则相同DNARNApolypeptidesproteincharacter高级结构生物大分子之间的互作个性共同的核酸语言(Nt)共同的蛋白质语言(aa)★生物大分子单体的排列（Nt／aa序列）protein★构成生物大分子的单体是相同的★生物遗传信息的表达的中心法则相同分子生物学的三大原则个性★生物大分子单体的排列（Nt／aa序列）基因的结构基因的复制与表达基因的表达调控来自生物类不同专业的学生的共同理论基础！分子生物学研究领域的三大主要领域结构生物学基因分子生物学生物技术理论与应用分子生物学研究的三大主要领域生物大分子的结构与功能生物大分子之间的互作DNA—proteinHormone—receptorEnzyme--substrate基因的概念基因的结构基因的复制基因的表达基因的重组基因的突变基因工程细胞工程酶工程发酵工程蛋白质工程狭义的分子生物学分子生物学的三大支撑学科BiochemistryGeneticsCytologyMolecularBiology研究细胞的结构与功能的细胞学研究基因的遗传与变异的遗传学研究活性物质代谢规律的生物化学1.3.分子生物学发展的历程MILESTONE近半个世纪以来NobelmedalHalfapoundof23-karalgold.2.5inchesacross近半个世纪以来1.3.1.分子生物学支撑学科的崛起进化理论物竟天择适者生存从根基上动摇了上帝创造万物的“创世说”1859CharlesDarwin自然选择生存斗争“OntheOriginofSpecies”物种起源1.3.2细胞学的诞生CytologyMatthiasSchleiden&TheodorSchwann身世不同志同道合•生物体由细胞组成•所有组织的最基本单元─形状相似，高度分化的细胞•细胞的发生与形成是生物界普遍永久的规律细胞学Cytology“进化论”＋“细胞学”实验性的生命科学观察、比较、鉴定的描述性生命科学遗传因子假说(HypothesisoftheinheritedfactorG.J.Mendel1866.)•生物性状由遗传因子控制•亲代传给子代的是遗传因子(A,a….)•遗传因子在体细胞内呈双(AA,aa)在生殖细胞内为单（A,a）•杂合子体细胞内具有成双的遗传因子(Aa..)•等位的遗传因子彼此分离、独立分配•非等位遗传因子间自由组合到配子中Mendel临终前说；GregorMendel1822-1884等着瞧吧，我的时代总有一天会来临！“Forhisdiscoveriesconcerningtheroleplayedbythechromosomeinheredity”ThomasHuntMorgan1933分析突变体在世代间的传递规律研究基因的特性和染色体的定位描述基因突变和染色体变异效应早期的遗传学家们研究基因ForwardGenetics在不知基因化学本质的前提下遗传学是依靠逻辑分析的推理性科学二十世纪中叶的遗传学家们不再满足于基因的抽象观念!将研究的前沿聚焦到揭示基因的本质和它们的作用机制!遗传学和生物化学是分子生物学发展的根基分子生物学是遗传学和生物化学融合的结果研究遗传物质－基因的本质理解基因调控生化代谢过程进入1.3.3.分子生物学史的第一个重要发现Onegene－Oneenzyme1941年，GeorgeBeadle和EdwardTatumNeurosporacrassa（粉色面包霉菌）提出的“onegene─oneenzyme”的假说（获得1958年Nobel奖）说明了基因的生化作用本质是控制酶的合成G.Beadle&E.Tatum生物化学和遗传学之间的联合迈出的第一步，也是分子生物学的第一个重要发现1.3.4.奥斯瓦德·埃弗里OswaldAvery的历史贡献1948.retired,TheNobelcommitteehasbeencriticizedfornotrecognizingAvery’sachievementbeforehisdeath(1877-1955)分子生物学领域里的孟德尔S型细菌的荚膜使肺炎链球菌感染寄主后，能有效地抵御来自寄主的白细胞的吞噬，从而表现出对寄主的致病性野生型肺炎链球菌，有一个含有多糖的荚膜外壳光滑、大、亮，称为S型（Smooth）粗糙型的突变体，没有荚膜表型粗糙、小，称为R型（Rough）R型细菌没有荚膜，因此在寄主机体内，很容易被寄主的白细胞吞噬，表现出无致病性转化因子？提取物+DNaseSIII的DNARIISIII合成荚膜转化因子转化实验提取物+有机溶剂/蛋白酶提取物+RNase蛋白质，RNA，DNA能够承受的温度足以使SIII细菌死亡1928-1944进行16年的肺炎链球菌遗传转化研究证明DNA是转化因子第一个动摇了“蛋白质是基因”的观念奠定了“DNA是遗传物质”的理论基础Thelifelongpitywasdueto…..•科学家对核酸的了解知之甚少•DNA分子的功能也更不为人知•蛋白质可能是遗传专一性的决定分子•DNase失活实验中未能完全排除蛋白酶的失活1952年（8年后）M.Delbruck，S.E.Luria，A.Hershey对噬菌体繁殖过程的研究证明了DNA是主要的遗传物质尽管Avery的实验未引起概念的革命研究工作引起了ErwinChargaff的极大兴趣为提出DNA双螺旋结构模型起到了重要作用M.DelbruckS.E.LuriaA.HersheyDNA是主要的遗传物质PhageT2transductionexperiment.PhageT2M.DelbruckS.E.LuriaA.HersheymedalDelbruck1969NobelHersheyLuria•DNA在遗传过程中重要作用已被认识•D.H.L的论文几乎与Watson,Crick的论文同时发表，也得到了媒体的广泛宣传•O.Avery是孤立的研究者，较少参加学术交流与科学讨论，研究结果未能引起人们的注意•D.H.L.的研究通过“噬菌体研究组”的学术关系得到了迅速的传播和广泛的理解D.H.L成功的环境因素1.3.5.DNA双螺旋结构的揭示分子生物学的重要里程碑丹麦哥本哈根KalckarLab.Post-Do访问意大利的那不勒斯动物研究所时King’sLab.LondonUniv.MauriceWilkins35yFrancisCrick23yJamesWatson1951CavendishLab.CambridgeUniversityUK1951.JamesWatson（Luria的第一个研究生23y)性格不同，专业互补紧密合作，锁定目标开创了一种研究风格“对文章和实验进行讨论交流是重中之重，理论和讨论比实验和观察更为重要”。在确定DNA分子结构的研究中，没有用DNA分子做任何一个实验！“研究与讨论，分析与推论是建立在大量实验数据和科学论文的基础上的”性格不同，专业互补紧密合作，锁定目标在确定DNA分子结构的研究中，没有用DNA分子做任何一个实验！Imaginationismoreimportantthanknowledge海阔天空的想脚踏实地的干“DNA双螺旋结构”故事如果缺少了对RosalindFranklin悲剧命运的描述那么这个故事将是不完整的!King’sLab.LondonUniversityUKRosalindFranklin核糖与磷酸连接成的扭曲绳子，每一节上都有配对的碱基优秀女科学家在双螺旋结构发现几年后，因癌症而病逝，对揭示DNA双螺旋结构作出过重要贡献，但却受到歧视和不公待遇助手！待遇！背景！交流！X~rayphotographofDNAwithhighqualityJamesWatson(34y)FrancisCrick(46y)MauriceWilkins(46y)DNADoubleHelixmodel19531962NPATAGACTT一切性状都是蛋白质直接间接的体现蛋白质的差异源于