分子生物学概述

分子生物学概述郑晓飞放射与辐射医学研究所OverviewofMolecularBiology定义：从分子水平研究作为生命活动主要物质基础的生物大分子结构与功能，从而阐明生命现象本质的科学。分子生物学(molecularbiology)广义：蛋白质及核酸等生物大分子的结构与功能研究都属于分子生物学的范畴，也就是从分子水平阐明生命现象与生物学规律。如蛋白质的结构、运动和功能，酶的作用机理，膜蛋白的结构功能，跨膜运输等。狭义：侧重于核酸(或基因)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，同时涉及与这些过程有关的蛋白质和酶的结构与功能研究。生物化学：从化学角度研究生命现象，着重研究生物体内各种生物分子的结构、转变与新陈代谢。分子生物学：着重阐明生命的本质，主要研究生物大分子核酸与蛋白质的结构与功能、生命信息的传递和调控。分子生物学与生物化学生物化学与分子生物学关系最为密切•核酸的结构和功能，包括遗传信息的传递•蛋白质(包括酶)的结构和功能•生物膜的结构和功能•生物调控的分子基础•生物进化•••分子生物学重点研究领域分子结构生物学分子发育生物学分子神经生物学分子育种学分子肿瘤学分子细胞生物学分子免疫学分子病毒学分子生理学分子药理学分子诊断学分子考古学分子数量遗传学分子生态学分子进化学…………….分子生物学相关学科分子生物学已经渗透到生物学的所有领域分子生物学分子生物学发展简史•1865年达尔文《OntheOriginofSpecies》：性状可遗传。•1865年孟德尔发表《植物杂交实验》，首次阐述了生物界有规律的遗传现象。“遗传因子”。•1869年Miescher首次从莱茵河鲑鱼精子中分离到DNA.•1869FriedrichMiescher从被丢弃的外科绷带上的脓细胞分离出核酸，初命名为核素(nuclein)后发现是酸性的，重命名为核酸.•1879年Flemming发现了染色体.•1902年Sutton提出了染色体遗传学说并认为基因是染色体的一部分.拉马克，法国博物学家。生物学伟大的奠基人之一，生物学一词是他发明的，最先提出生物进化的学说，是进化论的倡导者和先驱。他还是一个分类学家，林奈(Carlvonlinne'1707～1778)的继承人。主要著作有《法国全境植物志》、《无脊椎动物的系统》、《动物学哲学》等。拉马克学说：一个是用进废退；一个是获得性遗传。达尔文学说：天择说。分子生物学发展简史•1869年Miescher从被丢弃的外科绷带上的脓细胞分离出核酸，初命名为核素(nuclein)后发现是酸性的，重命名为核酸。•1879年弗莱明(WalterFlemming)发现染色体，并描述了细胞分裂过程中染色体的行为。•1888Waldeyer创造染色体(Chromosome)一词。•1900年孟德尔的成果被重新发现。24岁的瑞士医生FriedrichMiescher分子生物学发展简史•1902年萨顿(WalterSutton)发现染色体是成对的，并携带遗传信息。•1909年丹麦生物学家WilhelmJohannsen(1857~1927)创造“基因”（gene）一词，用来表达一个可遗传的因子。•1911年摩尔根(ThomasHuntMorgan)提出基因学说，阐释基因在染色体上的分布，以及繁殖过程中染色体重组形成独特新个体过程。分子生物学发展简史•1911年荷兰植物学家遗传学家H.DeVries(1848-1935)根据月见草的遗传试验结果,发表突变学说,认为生物的进化起因于突变(mutation)。•1912年英国布喇格父子建立了X射线晶体学，成功地测定了一些复杂的分子以及蛋白质的结构。•1913年斯特提万特(AlfredHenrySturtevant)绘制出第一张线式基因图谱。分子生物学发展简史•1927年H.J.Muller测定了果蝇中的自发突变率，并证明突变可被X线诱导；C.Auerbach、J.M.Robson及F.Oehlkers分别于1941、1943先后独立观察到某些化学物质亦能诱导突变，但是突变本质为何仍不清楚。•1928年格里菲斯(FrederickGriffith)报道了两株肺炎球菌有毒株(S)注射小鼠可致死,而无毒株(R)不致死小鼠。将热处理杀死的有毒株和不经处理的无毒株分别注射,不致死小鼠;但一起注射则导致小鼠死亡。死去的毒性菌株如何将致死因子传到无毒株上?格里菲斯发现了一种可以在细菌之间转移的遗传分子。分子生物学发展简史•1929年列文(PhoebusLevene)提出DNA化学成分和基本结构。•1931年麦克林托克（McClintock）指导她的女博士生克莱顿（Creighton,B）证实重组是由交换引起的。分子生物学发展简史•1941年Beadle和Tatum“一基因—一酶学说”在链孢霉中被证明,使遗传学与生物化学之间的关系得以阐明。TheOneGene-OneEnzymeTheory分子生物学发展简史•1943年OswaldAvery等在用了约76升的细菌后终于得到了不含其他物质的纯化DNA,并证明只有DNA在转化中起作用。1944年，三名科学家：OswaldT.Avery,ColinMacLeod与MaclynMcCarty联名发表了一篇划时代的论文，他们通过一系列用肺炎病毒进行的实验，推导出了一个与长久以来的假说相悖的结论：DNA，而非蛋白质，是遗传信息的物质载体！AveryOT,MacLeodCM,McCartyM(1944)Studiesofthechemicalnatureofthesubstanceinducingtransformationofpneumococcaltypes.InductionoftransformationbyadesoxyribonucleicacidfractionisolatedfromPneumococcusTypeIII.JExpMed79:137–158分子生物学发展简史•1944年麦克林托克（1902－1992）在玉米中发现并提出了“可移动基因学说”—转座子。1983年度诺贝尔生理学医学奖。真核生物中的转座因子颇为广泛，如玉米色斑的产生，果蝇复眼颜色的变异等现象都与转座因子的移动有关。转座的效应是多种多样的。诸如引发基因突变；或造成碱基的缺失或重组；或导致启动或关闭其他基因等。而这些均与个体发育、进化和个体的抗药性的变化等相关。分子生物学发展简史•1948年鲍林(LinusPauling)提出蛋白质为螺旋形的理论。•1949年E.Chargaff定则的提出，〔A〕=〔T〕〔G〕=〔C〕(A＋T)／(G＋C)的比值因生物来源不同而不同。•1951年富兰克林(RosalindFranklin)拍摄到了核酸的X射线衍射照片。分子生物学发展简史•1952年AlfredHershey和MarthaChase利用病毒证实，传递遗传信息的是DNA而不是蛋白质。1952AlfredHershey&MarthaChase用放射性磷和硫标记噬菌体，分别感染不同的细菌菌落，追踪放射性的位置.结果放射性硫(即蛋白质)留在细菌外，放射性磷(即DNA)则进入细菌里.而且新产生的噬菌体含有放射性磷，这些结果有力的证明了DNA是遗传物质。基因则是遗传的基本单位，它是位于链特定位置的一段序列，携带有形成特定蛋白的信息。分子生物学发展简史•1953年LinusPauling(1901-1994)(莱纳斯.鲍林博士)提出著名的DNA三螺旋模型。Pauling是有史以来唯一两次独自获得诺贝尔奖的科学家。1954化学奖，1962和平奖。他是20世纪最重要的化学家之一。他描述了化学键的本质，并对阐明蛋白质结构作出划时代的贡献。他既是一位声名卓著的科学家又是一位献身和平事业的活动家。他的科学发现和为中止战争而作出的努力将对全人类产生深远的影响。分子生物学发展简史•1953年J.Watson（1928–）&F.H.C.Crick（1916–）提出DNA双螺旋模型，A—T,G—C碱基按Chargaff规律配对，DNA中储存的信息可精确复制，提出中心法则。DNA双螺旋结构的建立，标志着分子生物学的诞生，对以后分子生物学发展具有极其重要的指导作用。奠定了分子生物学的理论基础，开创了分子生物学时代。ZAB1962年Watson、Crick与Wilkins共享诺贝尔生理或医学奖分子生物学发展简史•1956年JoeHinTjio和AlbertLevan确定人类共有23对染色体。分子生物学发展简史•1956A.Kornberg(1918–)分离出E.coliDNAPolymeraseI并在DNA模板指导下，利用4dNTPs合成了DNA，获得1959年度诺贝尔医学或生理学奖。分子生物学发展简史•1957年FrancisCrick发表《论蛋白质合成》的演讲，提出DNA制造蛋白质的概念。•1958M.Meselson（1930–）&Stahl证明了DNA半保留复制。分子生物学发展简史•1958年Crick提出中心法则。DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制GenesDev.2007,21:1190-1203分子生物学发展简史•1960年SydneyBrenner,FrancisCrick，FrancoisJacob和JaqueMonod发现信使RNA(mRNA)。•1961Yanofsky&Brener提出三联体设想:43＝64三联体(triplet)，三个碱基编码一个氨基酸。•1961年Jacob和Monod提出在分子水平上特定基因被激活或抑制的机制。操纵子的概念，解释了原核基因表达的调控。分子生物学发展简史JacobMonod1965年获得诺贝尔生理或医学奖分子生物学发展简史•1961年Marmur&Doty发现DNA复性(renaturation,annealing)，确认了核酸杂交反应的特异性和可行性。分子生物学发展简史•1962年W.Arber提出限制性核酸酶(R.E.)存在的第一个证据，导致1970H.O.Smith（1931–）纯化了第一个DNAR.E.可在特定位点切割DNA。科学家已从不同的细菌中分离出3000多种限制性核酸内切酶，通常识别4—8个碱基。1978H.O.Smith,W.Arber,D.Nathans因为发现限制酶并用于分子生物学领域而获诺贝尔奖。分子生物学发展简史•1963M.W.Nirenberg（美1927–）&H.Matthai（德）破译了遗传密码:在无细胞系统(cell-freesystem)加入人工合成的多核苷酸，指导合成了一定序列的多肽链，充分证明了20种氨基酸的遗传密码。分子生物学发展简史•1966年Khorana证明了Nirenberg提出的遗传密码,有机化学方法合成多聚脱氧核糖核酸，以其为模板在DNAPolI催化下合成DNA链；再以DNA为模板合成RNA。蛋白质的分子生物合成，特别是与其密不可分的RNA合成，经历了漫长的发展历程。rRNA:蛋白质的合成场所,占总RNA的85%RNAtRNA转移氨基酸10%mRNA编码多肽4%snRNA协助拼接反应1%分子生物学发展简史•1967年Gellent发现DNA连接酶用来连接DNA片段。DNAligase是基因拼接或基因工程必不可缺的工具酶。•1970年Temin&Boltimore发现反转录酶。提出以RNA为模板合成cDNA，使中心法则更为完全，导致cDNA文库构建。为钓取特定的蛋白编码片段提供了不可或缺的手段。1975年获诺贝尔生理或医学奖分子生物学发展简史•1972年H.Boyer,S.Cohen,P.Berg及其同事发展了克隆技术。•1972PaulBerg&HerbertBoyer第一次实现了用两个DNA分子建立重组DNA分子，随后几年Boyer通过将构建的重组质粒转化细菌而构建了第一个重组微生物。接着陆续构建了青蛙核糖体RNA的重组菌。1977Boyer参与建立第一家基因工程公司Genetech,将生长抑素（somatostatin）基因导入细菌，首次在人以外的生物