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《现代分子生物学》朱玉贤李毅编第一章绪论一、分子生物学的产生及概念二、分子生物学的发展历程三、分子生物学实际应用的现状和展望四、基因概念的演变与发展附注：课程说明及参考书目一、分子生物学的概念1、历史背景：生物学的发展经历了一个漫长的研究历程（1）进化论的确立生命是怎样起源的？？为什么“有其父必有其子”动、植物个体是怎样由一个受精卵发育而来的？□19世纪初叶以前宗教或迷信－－基督教上帝□1859CharlesDarwin（英）《物种起源》“进化论”－－生物科学史上最伟大的创举“贝格尔号”历时五年达尔文学说（2）细胞学说的确立□1702Leeuwenhoek（荷兰）自制显微镜观察到雨水中的“微生物”同时代的Hooke用“细胞”来形容软木的最基本单元□1847Schleiden和Schwann（德动、植物）建立了“细胞学说”内容……成为Cytology、MolecularCellBiology的基础（3）遗传学的发展□GregorMendel（奥）经典遗传学创始人豌豆后代的性状有一定的分离规律独立分离规律“遗传因子”（3：19：3：3：1）1865《植物杂交实验》1900“遗传学的奠基人”□基因学说的提出（4）生物化学的发展从开始就执行着双重使命分析细胞的组成成分弄清这些物质与细胞内生命现象的联系19～20世纪20种氨基酸肽键脂类、糖类和核酸20世纪初Morgon及其助手（美）果蝇第一次将代表某一特定性状的基因同某一特定染色体联系起来－－－连锁遗传规律种质必须由独立的要素组成－－－遗传因子或基因2、分子生物学的兴起1953WatsonCrickDNADoubleHelixModel解释了基因的两个基本属性基因的自我复制能力基因控制形状表达的能力从此核酸的分子生物学得到了异乎寻常的发展广义的分子生物学：蛋白质及核酸等生物大分子结构和功能的研究都属于分子生物学的范畴，即从分子水平阐明生命现象和生物学规律及随后Crick提出的CentralDogma中心法则狭义的分子生物学：偏重于核酸（基因）的分子生物学，主要研究基因或DNA的复制、转录、表达和调控等过程，当然也涉及与这些过程相关的蛋白质和酶的结构与功能的研究基因的分子生物学MolecularBiologyMolecularbiologyseekstoexplaintherelationshipsbetweenthestructureandfunctionofbiologicalmoleculesandhowtheserelationshipscontributetotheoperationandcontrolofbiochemicalprocesses.---Turneretal.WhatisMolecularBiology?Molecularbiologyisthestudyofgenesandtheiractivitiesatthemolecularlevel,includingtranscription,translation,DNAreplication,recombinationandtranslocation.---RobertWeaver3、分子生物学的三大原则*构成生物大分子的单体是相同的共同的核酸语言共同的蛋白质语言*生物遗传信息表达的中心法则相同DNARNApolypeptidesproteincharacter*生物大分子单体的排列（核苷酸、氨基酸）的不同不同的高级结构、不同的生物大分子之间的互作不同的物种特性4、分子生物学研究的三大领域*基因的分子生物学：基因的概念、结构、复制、表达、重组、交换（狭义的分子生物学）*结构生物学：生物大分子的结构与功能生物大分子之间的互作DNA－蛋白质激素和受体酶和底物*生物技术理论与应用基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程二、分子生物学的发展简史1、DNA的发现*1928Griffith（英）肺炎链球菌（Pneumococcus）S型R型☆结论：抽提液中含有一种转化因子*转化因子的证实1944Avery（美微生物学家）从S抽提液纯化转化因子因此：Avery是首先用实验证明基因的化学本质就是DNA的科学家*1952D.Hershery和M.Chase再次用噬菌体标记实验证实了DNA是遗传物质的本质2、重要机制的发现*1949Chargaff测定出不同来源的A、T、G、C四种核酸碱基*1950ChargaffMarkhamA=TG=C*1953Watson＆CrickDNADoubleHelixModel随着DNA双螺旋结构的提出和蛋白质空间结构的解析开始了分子生物学时代,此后对遗传信息的载体DNA和生物功能的体现者蛋白质的研究的研究也成为生命科学研究的主要内容3、发展历程分子生物学中重大成就与突破者－－－NobelPrize的获得者－－－构成了分子生物学发展的主要内容－－－里程碑1910A.Kossel（德）蛋白质、细胞及细胞核化学的研究（首先分离到A、T和组氨酸）1958（美）Beadle&Tatum（美）Onegene-oneenzyme红色面包霉突变体GeorgeWellsBeadleEdwardLawrieTatumJoshuaLederbergFrederickSangerJoshuaLederbergPhagetransductionFrederickSanger测定了牛胰岛素的结构1959Ochoa(美籍西班牙裔)Kornberg（美）SeveroOchoaArthurKornberg细菌的多核苷酸磷酸化酶，成功地合成了RNA，基因（DNA）→RNA→蛋白质实现了DNA分子在试管内（细菌无细胞提取液）的复制1962Watson（美）＆Crick（英）Wilkins（新西兰）通过对DNA分子的X射线衍射研究证实了DNADoubleHelixModel其中Crick于1954年提出了中心法则1962Kendrew＆Perutz（英国）JohnC.KendrewMaxF.Perutz测定了肌红蛋白及血红蛋白的高级结构（三级）成为研究生物大分子结构的先驱1965Jacob＆Monod（法国）FrancisJacobJacquesMonod提出并证实了Operon作为调节细菌细胞代谢的分子机制首次提出mRNA分子的存在此外，1953年，Zamecnik发现蛋白质的合成场所是核糖体（无细胞系统放射性同位素标记的氨基酸）1969Nirenberg（美）Holly＆KhoranaMarshallW.NirenbergHarGobindKhoranaRobertW.Holley破译了遗传密码酵母Ala-tRNA的核苷酸序列并证明了所有tRNA三级结构的相似性第一个合成了核酸分子，并人工复制了酵母基因1975Temin&Baltimore(美)HowardM.TeminDavidBaltimore发现了逆转录酶（RNA肿瘤病毒中，以RNA为模板，逆转录生成DNA）FrederickSangerWalterGilbertPaulBerg1980Sanger（英）Gilbert&Berg（英）酶法核苷酸测序的设计者测定了牛胰岛素的化学结构而获1958年的Nobel化学奖化学测序法的设计者DNA重组，在细菌中表达胰岛素DNA重组技术的元老1984Kohler（德）Milstein（美）Jerne（丹麦）GeorgesJ.F.KohlerCesarMilsteinNielsK.Jerne发展了单克隆抗体(MonoclonalAntibodiesMcAb)技术，完善了极微量蛋白质的检测技术1988McClintock(美)可移动的遗传因子（jumpinggeneormobileelement）BarbaraMcClintock50年代初发现88年获奖1989Altman＆Cech（美）核酶即核糖核酸质酶（Ribozyme）的发现者（即某些RNA具有酶的功能）SidneyAltmanThomasR.Cech1989Bishop＆Varmus（美）正常细胞同样带有原癌基因1993Roberts＆Sharp（美）断裂基因（splittinggene）Mullis（美）PCR仪的发明者Smith基因定点突变1994Gilman＆Rodbell发现G蛋白在细胞信号传导中的作用1995Lewis（美）、Nusslein－Volhard（德）、Wieschaus（美）20世纪40～70年代先后独立鉴定了控制果蝇（Drosophila）体节发育基因三、分子生物学实际应用的现状和展望※促进了以基因工程为核心的生物技术的发展，从而影响经济发展的诸多领域1、农业方面生物品种的改良速度更快、目标更准确，甚至创造新物种转基因动物－－－－－猪、牛、羊、鱼等植物－－－－－抗虫棉（Bt毒素蛋白基因）、耐贮藏番茄等2、医药方面利用重组DNA产生的工程菌来大量高效地合成人体活性多肽（疾病的诊断、预防和治疗），基因工程疫苗（细菌疫苗、病毒疫苗、寄生虫疫苗）以及正在研制的癌症疫苗3、工业方面*酶制剂工业用酶的生产、酶的定向改造*环保工业上：工程菌提高降解效率扩大可降解污染物的种类*化学与能源工业上：重组DNA技术生产丁醇，及用基因工程技术改善微生物发酵生产丙酮、酒精、醋酸等的转化效率基因工程修饰过的淀粉及重组DNA技术生产酒精等石油替代品*食品工业上：谷氨酸、调味剂、酒类和油类例：不含软脂酸的大豆色拉油生物技术必将在世界人口问题、疾病问题、人的寿命问题、营养保健问题、农业持续发展问题、资源再利用问题、大气污染问题、世界公害问题、洁净新能源问题等各方面问题的解决中起重要作用生物大分子的高级三维结构与功能的统一生物大分子之间的互作→基因的社会学(Nature杂志94年增设Naturaldevelopingbiology分册)基因表达，基因互作器官发生胚胎形成个体发育结构生物学（StructuralBiology）分子发育生物学（MolecularDevelopingBiology）4、分子生物学的发展导致未来生物学的新热点及领域PCD（programcelldeath）细胞凋亡个体细胞分子还原论整体论细胞中的定位细胞分化神经基质神经通道信息传递大分子克隆一级结构分析三维结构重建思维感情记忆科学解释脑科学+计算机智能革命分子细胞生物学(MolecularCellBiology)分子神经生物学（MolecularNeurobiology）1986.FriendRB1第一个抑制癌基因被克隆(TumorSuppressorgene)11个抑癌基因被证实（P53,P21,ERBA,WT1,NF1等）1975.BishopM.Src(Sarcoma肉瘤)癌基因的证实分子肿瘤学（MolecularTumorology）人类基因组计划（HGP）遗传图物理图序列图表达图基因定位基因克隆基因转移基因的分子生物学比较基因组研究水稻等作物基因组计划猪，牛等家畜基因组计划中心法则的深入研究与发展----基因组学（Genomics)Comparativegenomics(molecularmarker)(DNAsequence)进化理论研究同源基因克隆人与大鼠的基因90%是相同的SARS的基因组研究：加拿大、美国、中国科学家分别完成SARS病毒全基因组测序，长度约为3万碱基。4月12日，4月14日，4月16日CharacterizationofaNovelCoronavirusAssociatedwithSevereAcuteRespiratorySyndromePaulA.Rota,M.StevenOberste,StephanS.Monroe,W.AllanNix,RayCampagnoli,JosephP.Icenogle,SilviaPeñaranda,BettinaBankamp,KaijaMaher,Min-hsinChen,SuxiongTong,AzaibiTamin,LuisLowe,MichaelFrace,JosephL.DeRisi,QiChen,Da