分子生物学的研究及发展

分子生物学的应用及发展摘要：本文在文献检索的基础上，对分子生物学的发展简史，基本原理，研究领域等作了简单介绍，阐述了分子生物学在人们日常生活中的应用并结合药学专业着重讨论了其在药学及中药开发发面的应用，并进一步对分子生物学未来的研究技术、方向和前景做了展望。一前言生物以能够复制自己而区别于非生物。生命现象最基本的特征是进行“自我更新”。进行“自我更新”体现了一种最高级和最复杂的运动状态。这种运动就是生物机体从环境中摄取物质和能量，以更新本身的物质组成，而山现生长、繁殖，在这样的过程中保证了将自身的特征传给历代；同时也不断地向环境输送一些物质和释放能量。在生物机体的组成物质中，防水分外，有各种无机盐类和各种有机化合物。其中生物大分子——核酸和蛋白质在进行自我更新运动中，以其功能的重要性占第一位。为探索生命现象的本质问题，产生了分子生物学这一学科[1]。分子生物学(molecularbiology)是从分子水平研究生命本质为目的的一门新兴边缘学科，它是研究核酸、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，是当前生命科学中发展最快并正在与其它学科广泛交叉与渗透的重要前沿领域[2]。分子生物学的最终目标是远大的，从产生基本细胞行为类型的各种分子的角度，来理解这五类行为类型：生长、分裂、分化、运动和相互作用。即分子生物学力图完整地描述细胞大分子的结构、功能和相互联系，从而理解细胞为什么要采取这种方式[3]。分子生物学作为一门新兴的边缘学科。它的迅速发展及其在整个生命科学领域的广泛渗透和应用，促使人们对生物学等生命科学的认识从细胞水平进入分子水平。在农业、畜牧、林业、微生物学等领域发展十分迅速，如转基因动植物等。在医学领域，为医学诊断、治疗及新的疫苗、新药物研制等开辟了新的途径，使医学科学中原有的学科发生分化组合，医学分子生物学等新的学科分支不断产生，使医学科学发生了深刻的变革，不认识到这一点就很难跟上科学发展的步伐。分子生物学的发展为人类认识生命现象带来了前所未有的机会，也为人类利用和改造生物创造了极为广阔的前景。二分子生物学发展简史分子生物学的发展大致可分为三个阶段[4-7]：2.1准备和酝酿阶段19世纪后期到20世纪50年代初，是现代分子生物学诞生的准备和酝酿阶段。在这一阶段产生了两点对生命本质的认识上的重大突破：一是确定了蛋白质是生命的主要基础物质，二是确定了生物遗传的物质基础是DNA。这也为以后分子生物学的发展提供了理论基础。2.2现代分子生物学的建立和发展阶段这一阶段是从50年代初到70年代初，以1953年Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构模型作为现代分子生物学诞生的里程碑开创了分子遗传学基本理论建立和发展的黄金时代。DNA双螺旋发现的最深刻意义在于：确立了核酸作为信息分子的结构基础;提出了硷基配对是核酸复制、遗传信息传递的基本方式；从而最后确定了核酸是遗传的物质基础，为认识核酸与蛋白质的关系及其在生命中的作用打下了最重要的基础。在此期间的主要进展包括：遗传信息传递中心法则的建立和对蛋白质结构与功能的进一步认识。2.3初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段70年代后，以基因工程技术的出现作为新的里程碑，标志着人类深入认识生命本质并能动改造生命的新时期开始。其间的重大成就包括：(1)重组DNA技术的建立和发展。(2)基因组研究的发展。(3)单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展。(4)基因表达调控机理。(5)细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域。以上简要介绍了分子生物学的发展过程，可以看到在近半个世纪中它是生命科学范围发展最为迅速的一个前沿领域，推动着整个生命科学的发展。至今分子生物学仍在迅速发展中，新成果、新技术不断涌现，这也从另一方面说明分子生物学发展还处在初级阶段。分子生物学已建立的基本规律给人们认识生命的本质指出了光明的前景，但分子生物学的历史还短，积累的资料还不够，要想进一步发展分子生物学并使其更好的为人类服务，都还要经历漫长的研究道路。可以说分子生物学的发展前景光辉灿烂，道路还会艰难曲折。三分子生物学的基本原理及研究领域3.1分子生物学的基本原理分子生物学的基本原理包括三方面的内容[8]：(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。3.2分子生物学的研究领域分子生物学主要包含以下几部分研究内容[8]：(1)核酸的分子生物学。核酸的分子生物学研究核酸的结构及其功能。由于核酸的主要作用是携带和传递遗传信息，因此分子遗传学是其主要组成部分。由于50年代以来的迅速发展，该领域已形成了比较完整的理论体系和研究技术，是目前分子生物学内容最丰富的一个领域。研究内容包括核酸/基因组的结构、遗传信息的复制、转录与翻译，核酸存储的信息修复与突变，基因表达调控和基因工程技术的发展和应用等。遗传信息传递的中心法则是其理论体系的核心。(2)蛋白质的分子生物学。蛋白质的分子生物学研究执行各种生命功能的主要大分子──蛋白质的结构与功能。尽管人类对蛋白质的研究比对核酸研究的历史要长得多，但由于其研究难度较大，与核酸分子生物学相比发展较慢。近年来虽然在认识蛋白质的结构及其与功能关系方面取得了一些进展，但是对其基本规律的认识尚缺乏突破性的进展。(3)细胞信号转导的分子生物学。细胞信号转导的分子生物学研究细胞内、细胞间信息传递的分子基础。构成生物体的每一个细胞的分裂与分化及其它各种功能的完成均依赖于外界环境所赋予的各种指示信号。在这些外源信号的刺激下，细胞可以将这些信号转变为一系列的生物化学变化，例如蛋白质构象的转变、蛋白质分子的磷酸化以及蛋白与蛋白相互作用的变化等，从而使其增殖、分化及分泌状态等发生改变以适应内外环境的需要。信号转导研究的目标是阐明这些变化的分子机理，明确每一种信号转导与传递的途径及参与该途径的所有分子的作用和调节方式以及认识各种途径间的网络控制系统。信号转导机理的研究在理论和技术方面与上述核酸及蛋白质分子有着紧密的联系，是当前分子生物学发展最迅速的领域之一。(4)癌基因与抑癌基因、肽类生长因子、细胞周期及其调控的分子机理等。从基因调控的角度研究细胞癌变也已经取得不少进展。分子生物学将为人类最终征服癌症做出重要的贡献。(5)分子生物学技术：主要包括分子杂交技术、链反应技术、生物工程等。互补的核苷酸序列通过Walson-Crick碱基配对形成稳定的杂合双链分子DNA分子的过程称为杂交。杂交过程是高度特异性的,可以根据所使用的探针已知序列进行特异性的靶序列检测。聚合酶链反应技术简称PCR技术，是一种利用DNA变性和复性原理在体外进行特定的DNA片断高效扩增的技术，可检出微量靶序列（甚至少到1个拷贝）。生物工程的包括五大工程，即基因工程、细胞工程、酶工程、蛋白质工程和微生物工程。四分子生物学的实际应用近几年来，随着人类基因组研究的完成，分子生物学技术也不断完善，随着基因组研究向各学科的不断渗透，这些学科的进展达到了前所未有的高度。分子生物学也越来越广泛的应用于人们的日常生活中。4.1分子生物学在农业方面的应用运用分子生物学的基本原理，生物品种的改良速度更快、目标更准确，甚至创造新物种，目前已经出现了很多转基因动物和转基因植物。转基因就是利用分子生物学技术，将某些生物的基因转移到其它物种中去，改造生物的遗传物质，使其在性状、营养品质、消费品质方面向人类所需要的目标转变[9]。4.2分子生物学在工业方面的应用分子生物学在工业方面的应用主要有：(1)酶制剂：工业用酶的生产、酶的定向改造。(2)食品工业上：氨基酸，助鲜剂，甜味剂，食品添加剂淀粉酶，纤维素酶等的生产。(3)环境保护：其中生物传感器可用于环境的监测，利用分子生物技术可以对环境进行生物修复。(4)化学与能源工业上：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.4.3分子生物学在医学方面的应用[10-12](1)分子生物学在某些发病机制方面的应用。如遗传性高脂血症诱发的冠状动脉粥样硬化机制的研究，某些病毒致病作用（乙肝与肝癌）的研究等(2)基因诊断。所谓基因诊断是采用基因工程的方法来制备特异性的DNA探针,来对各种疾病进行诊断的方法。这种方法对于与遗传相关的疾病诊断特别准确。在不久将来,DNA检测将成为医学的常用工具。用基因探针来查找病毒:现在有许多传染病都是由病毒引起的。用常规的方法检查病毒需要较长时间,用基因探针只要几小时就可以检查出病毒。例如肝炎病毒就可以用PCR技术或酶切电泳技术查找。(3)基因治疗。所谓基因治疗就是用正确基因替换缺损基因。具体地说,就是取病人有缺陷的细胞在体外导入正确的基因,以替换缺损的基因,然后输入患者体内或者用带有正常基因的载体植入到有需要的组织中,使之表达出正确的蛋白质,从而得到治疗。将来,基因疗法可以变得更简便、成本更低。分子生物学的进展向人们展示十分令人振奋的医学前景,未来医学将发生革命性变化,处处充满生机与活力。4.4分子生物学在药学方面的应用过去和现在，发现新药物作用靶位和受体是非常昂贵和漫长的，科学家只是依赖试错法来实现其药物研究和开发的目标。人类基因组研究计划完成后将削弱试错法在药物研究和开发中的突出地位，进而科学家可以直接根据基因组研究成果（确定靶位和受体）设计药物。这将大大缩短药物研制时间和大大降低药物研制费用，从而从整体上动摇人类制药工业的现状，使药物的开发研究过度到基因制药阶段。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。常见的利用DNA重组技术生产的药物见表4-1：表4-1常见的重组药物及功能重组药物功能促红细胞生成素刺激红细胞生成生长因子(bFGF,EGF)刺激细胞生长与分化生长素治疗侏儒症胰岛素治疗糖尿病干扰素(1b,2a,2b,)抗病毒感染及某些肿瘤白细胞介素激活、刺激各类白细胞超氧化物歧化酶抗组织损伤另外，药物基因组学是主要以阐明药物代谢、药物转运和药物靶分子的基因多态性与药物作用包括疗效和毒副作用之间关系的一门科学，是一门新兴的研究领域。研究的分子基础是基因多态性，因此可指导药物设计、开发新药及合理用药。药物蛋白质组学是基因、蛋白质、疾病三者相连的桥梁科学，其研究内容比药物基因组学更复杂。4.5分子生物学在中药开发研究中的应用中药现代化研究,应该大力借鉴和引入分子生物学的新观念和新技术,发展和完善自身理论体系,使传统中药的研究能够与现代科技研究接轨,开创中药现代化研究的新局面。分子生物学用于中药研究主要有以下几个方面:(1)从分子生物学水平研究中药药理。采用分子生物学系统地阐明中药的作用机制是十分迫切和必要的,也是中药现代化的重要组成部分。如蛋白质组技术从细胞、分子水平研究中药控制细胞的路径、对信号转导途径的干预及效应的蛋白质图谱等,生物芯片、酵母双杂交系统、噬菌体展示技术等可用于研究中药如何调控机体内的基因和蛋白质的表达及其相互作用[13,14]。(2)引入分子生物学技术与中药新药研制的创新，其中蛋白质组技术在中药新药的创新和二次开发中具有广阔的应用前景[13]。(3)应用分子生物学技术于中药鉴定。随着分子生物学和基因工程技术的日趋成熟，通过基因工程分析手段，从遗传物质的DNA分子水平检测生物遗传多样性并进行分类与鉴定成为一个新的便捷、准确的鉴定方法[13,15]。(4)中药毒副作用的分析。通过检测化合物作用于细胞后基因的改变来研究其毒性,可达到省时、省力,且可减轻对实验动物的依赖[13]。(5)濒危中药材的细胞培养、相关替代及道地中药材功能基因组研究。在后基因组时代,通过功能基因组和蛋白质组的研究,在了解遗传信息表达和调控规律基础上,用控制遗传信息的方式来促进中药材有效成分的细胞培养合成[13]。(6)分子生物学与中药基因组计划的研究。“中药基因组计划”是将分子生物学、生物信息学等现代生物技术与其他现代科学技术相结合