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分子生物学基础分子生物学基础MolecularBiology 2023/1/112.分子生物学的研究内容1.分子生物学的定义 3.分子生物学与生物技术内容概要内容概要2023/1/12一、分子生物学的定义一、分子生物学的定义2023/1/13从整体水平到分子水平示意图从整体水平到分子水平示意图分子水平分子水平细胞水平细胞水平整体水平整体水平 生命科学的发展过程生命科学的发展过程：2023/1/14分子生物学的概念分子生物学的概念l分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子的的结构结构与与功能功能，并从分子水平上阐明蛋白质与，并从分子水平上阐明蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸之间的互作及其基因表蛋白质、蛋白质与核酸之间的互作及其基因表达调控机理的学科达调控机理的学科l广义上，分子生物学包括对蛋白质和核酸等生物大分子结构与功能的研究，以及从分子水平上阐明生命现象和生物规律，但目前主要研究基因的结构与功能、复制、转录、表达和调控，确切地应称为分子遗传学DNA-遗传密码的携带者遗传密码的携带者引自Neil Campbell著Biology第4版,1996胰岛素蛋白酶蜘蛛毒素光合作用受体金属硫蛋白分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容l基因与基因组的结构与功能基因与基因组的结构与功能lDNA的复制、转录和翻译的复制、转录和翻译l基因表达调控的研究基因表达调控的研究lDNA重组技术重组技术l结构分子生物学结构分子生物学分子生物学的发展历程分子生物学的发展历程l19441966年，人类对年，人类对DNA和遗传信息传递的和遗传信息传递的认识阶段认识阶段l19671978年，重组年，重组DNA技术的建立和发展阶技术的建立和发展阶段段l1979年至今，重组年至今，重组DNA技术的应用和分子生物技术的应用和分子生物学迅速发展阶段学迅速发展阶段分子生物学的发展历程分子生物学的发展历程l1944年，年，Avery 证明证明DNA是遗传物质是遗传物质l1950年，年，Chargaff 提出提出Chargaff定则定则l1953年，年，Watson&Crick 成功解析了成功解析了DNA分子二分子二级结构级结构l1961年，年，Jacob&Monod 提出了调节基因表达的提出了调节基因表达的操纵子模型操纵子模型分子生物学的发展历程分子生物学的发展历程l1970年，年，Smith&Wilcox 分离到第一种限制性分离到第一种限制性核酸内切酶核酸内切酶l19721973年，年，Boyer&Berg 发展了重组发展了重组DNA技术，并完成了第一个细菌基因的克隆，开创技术，并完成了第一个细菌基因的克隆，开创基因工程的新纪元基因工程的新纪元l1975年，年，Southern 发明了发明了DNA片段的印迹法片段的印迹法分子生物学的发展历程分子生物学的发展历程l1981年，年，Cech 发现了发现了ribozymel1982年，年，Prusiner 发现了朊病毒发现了朊病毒prionl1985年，年，Karry Mullis 发明了发明了PCR反应反应l1988年，人类基因组计划启动年，人类基因组计划启动l1998年，克隆羊多利诞生，同年年，克隆羊多利诞生，同年GenBank 公布公布了最新的人类基因图谱了最新的人类基因图谱GregorMendel(1822-1884).TheFatherofGenetics孟德尔孟德尔的的遗传学规律遗传学规律最先使人们对最先使人们对性状遗传性状遗传产生了理性认识产生了理性认识孟德尔孟德尔（奥地利）的（奥地利）的遗传学规律遗传学规律最先使人们最先使人们对性状遗传产生了理性认识；对性状遗传产生了理性认识；Morgan（美）的（美）的基因学说基因学说则进一步将则进一步将“性性状状”与与“基因基因”相耦联，成为分子遗传学的相耦联，成为分子遗传学的奠基石。奠基石。1910年年，德德国国科科学学家家Kossel第第一一个个分离了腺嘌呤，胸腺嘧啶和组氨酸。分离了腺嘌呤，胸腺嘧啶和组氨酸。1959年年，美美国国科科学学家家Ochoa因因为为酶酶学学方方面面的的杰杰出出贡贡献献（第第一一次次合合成成核核糖糖核核酸酸），与与实实现现试试管管内内细细菌菌细细胞胞中中DNA的的复复制制的的ArthurKornberg共共享享当当年年诺诺贝贝尔生理与医学奖。尔生理与医学奖。1.核酸核酸的发现的发现 早在1868年，Miescher从脓细胞中分离出细胞核，用稀碱抽提再加入酸，得到了一种含氮和磷特别丰富的物质，当时称其为核素（nuclein）。1872年，他又在鲑鱼精子细胞核中发现了大量的这类物质。由于这类物质都是从细胞核中提取出来的，而且又是酸性，故称其为核酸（nucleic acid）。Friedeich Miescher 2023/1/116 自核酸被发现以来的相当长时期内，自核酸被发现以来的相当长时期内，对它的生物学功能几乎毫无所知。对它的生物学功能几乎毫无所知。1928年年(Frederick GriffithFrederick Griffith)以后，核酸功能研以后，核酸功能研究取得了重大进展。究取得了重大进展。2023/1/117In1928,anexperimentofFrederickGriffithusingpneumoniabacteriaandmice2023/1/118 1952 1952年，年，Hershey ADHershey AD和和 Chase MChase M用用 3535S S和和 3232p p分别标记分别标记T2T2噬菌体的蛋白质和核酸，噬菌体的蛋白质和核酸，感染大肠杆菌。在大肠杆菌细胞内增殖的噬感染大肠杆菌。在大肠杆菌细胞内增殖的噬菌体中都只含有菌体中都只含有3232P P而不含而不含3535S,S,这表明噬菌这表明噬菌体的增殖直接取决于体的增殖直接取决于DNADNA而不是蛋白质。而不是蛋白质。2.核酸功能研究的重大进展核酸功能研究的重大进展 1944 1944年，年，Avery OTAvery OT等首次证明肺炎双球等首次证明肺炎双球菌的菌的DNADNA与其转化和遗传有关。与其转化和遗传有关。2023/1/119In1952,AlfredHersheyandMarthaChasedidanexperimentwhichissosignificant,ithasbeennicknamedthe“Hershey-ChaseExperiment”.2023/1/120In1952,AlfredHersheyandMarthaChasedidanexperimentwhichissosignificant,ithasbeennicknamedthe“Hershey-ChaseExperiment”.2023/1/121DNA的X光衍射照片1952年5月拍摄罗沙琳德弗兰克林（Rosalind Franklin，19201958）英国 DNA双螺旋结构模型的建立2023/1/122Wilkins通过对通过对DNA分子的分子的X射射线衍射研究证实线衍射研究证实了该模型。了该模型。RosalindE.Franklin1920-1958DNA双螺旋结构模型的建立诺贝尔医学与生理学奖 1962年2023/1/124Watson JDWatson JD和和Crick FHCCrick FHC的的“双螺旋结构双螺旋结构模型模型”启动了分子生物学及重组启动了分子生物学及重组DNADNA技技术的发展。确立了核酸作为信息分子的术的发展。确立了核酸作为信息分子的结构基础；提出了碱基配对是核酸复制、结构基础；提出了碱基配对是核酸复制、遗传信息传递的基本方式，最终确定了遗传信息传递的基本方式，最终确定了核酸是遗传的物质基础。核酸是遗传的物质基础。2023/1/125The Meselson-Stahl experiment（1958）showed that DNA is replicated semi-conservativelyDNA semi-conservative duplication 3.DNA复制模型2023/1/126DNA复制模型2023/1/1271961年，年，Nirenberg、Ochoa以及以及Khorana等几等几组科学家的共同努力，破译了组科学家的共同努力，破译了RNA上编码合成蛋白质上编码合成蛋白质的遗传密码，证明的遗传密码，证明DNA分子中的遗传信息是以三联密分子中的遗传信息是以三联密码的形式贮存。码的形式贮存。遗传密码在生物界具有通用性。遗传密码在生物界具有通用性。2023/1/1282023/1/1292023/1/1304.中心法则的建立中心法则的建立 19581958年年，CrickCrick提提出出了了分分子子生生物物学学的的中中心心法则（法则（central dogmacentral dogma）。）。中心法则是分子遗传学基本理论体系中心法则是分子遗传学基本理论体系。2023/1/1312023/1/132 19701970年年，TeminTemin和和BaltimoreBaltimore从从鸡鸡RousRous肉肉瘤瘤病病毒毒(Rous(Rous sarcoma sarcoma virusvirus，RSV)RSV)颗颗粒粒中中发发现现了了以以RNARNA为为模模板板合合成成DNADNA的的逆逆转转录录酶酶，进进一一步步补补充充了了遗遗传传信信息息传传递递的中心法则。的中心法则。2023/1/1336.6.基因的人工合成基因的人工合成 19781978年体外首次成功地人工合成第一个完年体外首次成功地人工合成第一个完整基因。整基因。直接证实了直接证实了Mendel GMendel G在在18651865年发现的遗传年发现的遗传因子因子(基因基因)的化学本质，就是的化学本质，就是 DNADNA分子。分子。DNADNA分子是多种多样生命现象的物质基础。分子是多种多样生命现象的物质基础。2023/1/1347.7.基因组研究的进展基因组研究的进展 基因组（基因组（genomegenome）:一个物种遗传信息的一个物种遗传信息的总和。总和。基因结构与功能研究已经从单个基因发展基因结构与功能研究已经从单个基因发展到生物体整个基因组。基因组研究已从简单的到生物体整个基因组。基因组研究已从简单的低等生物到真核生物，从多细胞生物到人类。低等生物到真核生物，从多细胞生物到人类。2023/1/135 19771977年年:Sanger:Sanger测定了测定了X174 DNAX174 DNA全部全部5375bp5375bp核苷酸序列；核苷酸序列；19781978年年:Fiers:Fiers等测出环状等测出环状SV40 DNASV40 DNA全部全部5243bp5243bp核苷酸序列；核苷酸序列；1980 1980年代年代:噬菌体噬菌体DNADNA全部全部4850248502碱基对的序列被测出；一些碱基对的序列被测出；一些 小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因组的全小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因组的全 序列也陆续被测定序列也陆续被测定;1996 1996年底年底:大肠杆菌基因组大肠杆菌基因组DNADNA的全部序列长的全部序列长4104106 6碱基对；碱基对；19961996年底年底:完成了真核生物酵母（完成了真核生物酵母（Saccharomyces erevisiaeSaccharomyces erevisiae）的基因组全序列测定；的基因组全序列测定；19981998年底年底:长达长达100Mb100Mb的线虫的基因组序列测定也已全部完成。的线虫的基因组序列测定也已全部完成。这是第一个完成的多细胞生物体的全基因组序列测定。这是第一个完成的多细胞生物体的全基因组序列测定。2023/1/136 人类基因组计划（人类基因组计划（human genome project,HGPhuman genome project,HGP）美美国国科科学学家家、诺诺贝贝尔尔奖奖获获得得者者Dulbecco Dulbecco R R于于19861986年年在在美美国国 Science Science 杂杂志志上上发发表表的的短短文文中中率率先先提提出出，并并认认为为这这是是加加快快癌癌症症研研究进程的一条有效途径。究进程的一条有效途径。主主要要的的目目标标是是绘绘制制遗遗传传连连锁锁图图、物物理理图图、转转录录图图，并并完完成成人人类类基基因因组组全全部部核核苷苷酸酸序序列列测测定定。测测出出人人体体细细胞胞中中2424条条染染色色体体上上全全部部3030亿亿对对核核苷苷酸酸的的序序列列，把把所所有有人人类类基基因因都都明明确确定定位位在在染染色色体体上上，破破译人类的全部遗传信息。译人类的全部遗传信息。HGPHGP是是人人类类自自然然科科学学史史上上与与曼曼哈哈顿顿原原子子弹弹计计划划和和阿阿波波罗罗登登月月计计划相媲美的伟大科学工程。划相媲美的伟大科学工程。2023/1/137“WhatsHumanGenomeProject?”“OnebaseOnedollar!”-byataxidriver(andataxpayer)研研究究结结果果表表明明，人人类类基基因因数数量量仅仅有有3 3万万个个左左右右，比比此此前前估估计计的的要要少少得得多多。通通过过研研究究还还发发现现男男女女可可能能存存在在巨巨大大遗遗传传差差异异，男男性性染染色色体体减减数数分分裂裂的的突突变变率率是是女女性性的的两两倍倍。在在已已经经分分析析的的序序列列中中，找找到到很很多多与与遗遗传传病病有有关关的的基基因因，包包括括乳乳腺腺癌癌、遗遗传传性性耳耳聋聋、中中风风、癫癫痫症、糖尿病和各种骨骼异常的基因。痫症、糖尿病和各种骨骼异常的基因。2023/1/139humanArabidopsis拟南芥拟南芥Thermotoga maritimaEscherichia coli大肠杆菌大肠杆菌Buchnerasp.APSRickettsia prowazekiiUreaplasma urealyticumBacillus subtilisDrosophila melanogasterThermoplasma acidophilumPlasmodium falciparumHelicobacter pylori mouseCaenorhabitis elegansratBorrelia burgorferiBorrelia burgorferiAquifex aeolicusNeisseria meningitidis Z2491Mycobacterium tuberculosis 全基因组已经测序的一些生物全基因组已经测序的一些生物（二）蛋白质分子生物学：（二）蛋白质分子生物学：DNA DNA 储存生命活动的各种信息。储存生命活动的各种信息。蛋白质蛋白质生命活动的执行者生命活动的执行者。蛋白质的分子生物学主要研究蛋白质蛋白质的分子生物学主要研究蛋白质的结构与功能。的结构与功能。2023/1/141 蛋白质结构与功能的研究进展蛋白质结构与功能的研究进展 1956 1956年，年，AnfinsenAnfinsen和和 WhiteWhite根据对酶蛋白的变性和复根据对酶蛋白的变性和复性实验，提出性实验，提出蛋白质的三维空间结构是由其氨基酸序列来蛋白质的三维空间结构是由其氨基酸序列来确定的确定的。1958 1958年，年，IngramIngram证明正常的血红蛋白与镰状细胞溶血证明正常的血红蛋白与镰状细胞溶血症病人的血红蛋白之间，在其亚基的肽链上仅有一个氨基症病人的血红蛋白之间，在其亚基的肽链上仅有一个氨基酸残基的差别。酸残基的差别。1969 1969年，年，WeberWeber开始应用开始应用 SDS-SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳测聚丙烯酰胺凝胶电泳测定蛋白质分子量；定蛋白质分子量；2020世纪世纪6060年代先后分析了血红蛋白、核年代先后分析了血红蛋白、核糖核酸酶糖核酸酶A A等一批蛋白质的一级结构。等一批蛋白质的一级结构。中国科学家在中国科学家在19651965年人工合成了牛胰岛素；年人工合成了牛胰岛素；19731973年又年又用用1.8A X1.8A X射线衍射分析法测定了牛胰岛素的空间结构。射线衍射分析法测定了牛胰岛素的空间结构。2023/1/142三、分子生物学与生物技术2023/1/143 分子生物学技术：分子生物学技术：例如：例如：DNADNA及及RNARNA的印迹转移、核酸分子杂的印迹转移、核酸分子杂交、基因克隆、基因体外扩增、交、基因克隆、基因体外扩增、DNA DNA 测序等，测序等，形成了独特的重组形成了独特的重组DNADNA技术及其相关技术。技术及其相关技术。由生物化学、生物物理学、细胞生物学、由生物化学、生物物理学、细胞生物学、遗传学、应用微生物学及免疫学等遗传学、应用微生物学及免疫学等各专业技术各专业技术的渗透、综合的渗透、综合而成，而成，并在此基础上发明和创造并在此基础上发明和创造了一系列新的技术。了一系列新的技术。2023/1/144分子克隆分子克隆 (molecular cloning)重组重组DNA(recombinant DNA)技术是近技术是近代分子生物学技术的核心。代分子生物学技术的核心。基因操作基因操作 (gene manipulation)基因克隆基因克隆 (gene cloning)基因工程基因工程 (gene engineering)2023/1/145通通过过DNA连连接接酶酶把把不不同同的的DNA片片段段连连接接成成一一个个整整体体。a.DNA的的粘粘性性末末端端;b.DNA的的平平末末端端;c.化化学合成的具有学合成的具有EcoRI粘性末端的粘性末端的DNA片段。片段。工具酶工具酶限限制制性性核核酸酸内内切切酶酶能能够够识识别别DNADNA上上的的特特定定碱碱基序列并从这个位点切开基序列并从这个位点切开DNADNA分子。分子。第第一一个个核核酸酸内内切切酶酶EcoRI是是Boyer实实验验室室在在1972年年发发现现的的，它它能能特特异异性性识识别别GAATTC序序列列，将将双双链链DNA分分子子在在这这个个位位点点切切开开并并产产生生具有粘性末端的小片段。具有粘性末端的小片段。几种主要几种主要DNA内切酶所识别的序列及其酶切末端内切酶所识别的序列及其酶切末端.基因克隆的载体基因克隆的载体仅仅能在体外利用限制性核酸内切酶和仅仅能在体外利用限制性核酸内切酶和DNA连接酶连接酶进行进行DNA的切割和重组，还不能满足基因工程的要的切割和重组，还不能满足基因工程的要求，只有将它们连接到具备自主复制能力的求，只有将它们连接到具备自主复制能力的DNA分分子上，才能在寄主细胞中进行繁殖。子上，才能在寄主细胞中进行繁殖。具备自主复制能力的具备自主复制能力的DNA分子就是分子克隆的载体分子就是分子克隆的载体（vector）。病毒、噬菌体和质粒等小分子量复制）。病毒、噬菌体和质粒等小分子量复制子都可以作为基因导入的载体。子都可以作为基因导入的载体。重组重组DNA操作过程示意图操作过程示意图 2020世纪以来，分子生物学的发展，世纪以来，分子生物学的发展，产生了重组产生了重组DNADNA技术，推动生物技术深技术，推动生物技术深入发展，而导致现代生物技术作为一入发展，而导致现代生物技术作为一门交叉学科的产生。转基因细胞、转门交叉学科的产生。转基因细胞、转基因动物和基因剔除动物的出现，是基因动物和基因剔除动物的出现，是现代分子生物学技术在生物技术领域现代分子生物学技术在生物技术领域的应用与发展。的应用与发展。2023/1/152 用用转转基基因因动动物物获获取取治治疗疗人人类类疾疾病病的的重重要要蛋蛋白白质质。如如，导导入入了了凝凝血血因因子子基基因因的的转转基基因因绵绵羊羊分分泌泌的的乳乳汁汁中中含含有有丰丰富富的的凝凝血血因因子子，能能有有效地用于血友病的治疗。效地用于血友病的治疗。转基因动物和基因剔除动物转基因动物和基因剔除动物2023/1/153 在在转转基基因因植植物物方方面面取取得得重重大大进进展展，比比普普通通西西红红柿柿保保鲜鲜时时间间更更长长的的转基因西红柿投放市场。转基因西红柿投放市场。转转基基因因玉玉米米、转转基基因因大大豆豆相相继继投入商品生产。投入商品生产。我我国国科科学学家家将将蛋蛋白白酶酶抑抑制制剂剂基基因因转转入入棉棉花花，获获得得抗抗棉棉铃铃虫虫的的棉棉花花株。株。转基因植物和转基因食品转基因植物和转基因食品2023/1/154DNA序列分析技术：序列分析技术：双脱氧末端终双脱氧末端终止法止法:19771977年，年，剑桥大学剑桥大学Sanger F等等发发明。明。化学裂解法化学裂解法:美国美国Maxam I和和Gilbert W发明。发明。2023/1/1552023/1/156(polymerase chain(polymerase chain reaction,PCR)reaction,PCR)：19851985年，年，Mullis KMullis K首创。首创。体外模拟细胞内体外模拟细胞内DNADNA复制过程，进行体外基复制过程，进行体外基因扩增。因扩增。2023/1/157基因芯片（基因芯片（Gene chipsGene chips）技术：）技术：基基因因芯芯片片技技术术:将将大大量量探探针针固固定定于于支支持持物物上上，与与标标记记的的样样品品进进行行杂杂交交。可可一一次次性性对对样样品品中中大大量量序序列列进进行行检检测测和分析。和分析。解解决决了了传传统统核核酸酸杂杂交交技技术术操操作作繁繁杂杂、检检测测效效率率低低的的问题。问题。通通过过设设计计不不同同的的探探针针阵阵列列和和使使用用特特定定的的分分析析方方法法，使该技术具有多种不同的应用价值。使该技术具有多种不同的应用价值。如如基基因因表表达达谱谱分分析析、基基因因突突变变检检测测、多多态态性性分分析析、基因诊断等。基因诊断等。2023/1/158叠加图：绿色代表下调；红色代表上调；黄色无差异。正常样品Cy3标记待测样品Cy5标记叠加石奕武，胡维新等：多发性骨髓瘤的基因表达谱分析，湖南医科大学学报，2003，28（3）：2012052023/1/159基因治疗基因治疗(gene therapy)(gene therapy)基基因因治治疗疗是是分分子子生生物物学学理理论论与与技技术术的的飞飞速速发发展展给给医医学学带带来来新新的的希希望望和和新新的的治治 疗疗 手手 段段，开开 辟辟 了了 治治 疗疗 学学(therapeutics)(therapeutics)的的新新纪纪元元。基基因因治治疗疗是是临临床床医医学学中中发发展展起起来来的的新新领领域域，发发展展十十分迅速。分迅速。2023/1/160 基基因因治治疗疗技技术术的的发发展展与与整整个个医医学学科科学学的的发发展展以以及及许许多多分分子子生生物物学学新新理理论论、新新技技术术、新新方方法法的的应应用用密密切切相关。相关。临临床床基基因因治治疗疗研研究究已已经经得得到到了了迅迅速速发发展展，基基因因治治疗疗的的范范围围从从单单基基因因缺缺陷陷遗遗传传病病扩扩大大到到多多基基因因遗遗传传病病（恶恶性性肿肿瘤瘤、心心血血管管病病、免免疫疫性性疾疾病病等等）以以及及传传染染性性疾病（如肝炎、艾滋病等）。疾病（如肝炎、艾滋病等）。2023/1/161 狭狭义义基基因因治治疗疗：目目的的基基因因导导入入靶靶细细胞胞后后与与宿宿主主细细胞胞内内的的基基因因发发生生整整合合、成成为为宿宿主主基基因因组组的的一一部部分分，目目的的基基因因表表达达产产物起治疗疾病的作用。物起治疗疾病的作用。广广义义基基因因治治疗疗：包包括括通通过过基基因因转转移移技技术术，使使目目的的基基因因得得到到表表达达，封封闭闭、剪剪切切致致病病基基因因的的mRNAmRNA，或或自自杀杀基基因因产产物物催催化化药药物物前前体体转转化化为为细细胞胞毒毒性性物物质质，杀杀死死肿肿瘤瘤细细胞胞，从而达到治疗疾病的目的。从而达到治疗疾病的目的。2023/1/162 随随着着人人类类基基因因组组遗遗传传信信息息的的全全部部破破译译和和基基因因功功能能的的澄澄清清，临临床床医医生生有有可可能能根根据据病病人人的的需需要要，将将外外源源基基因因导导入入患患病病的细胞，替换有缺陷的基因以治疗疾病。的细胞，替换有缺陷的基因以治疗疾病。在新的世纪，可以预期基因治疗将在新的世纪，可以预期基因治疗将会有一个更大的发展。会有一个更大的发展。2023/1/1632023/1/164
