迅猛发展的生命科学及其对中学生物学课程的影响.doc

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1、课程简介迅猛发展的生命科学及其对中学生物学课程的影响【课程简介】主要内容： 本课程主要从“生命科学面临的问题”、“生命科学的成就与趋势”、“基因组学、生物信息学与表观遗传学”、“生物技术、克隆技术、干细胞工程” 等方面解说生物科学的迅猛进展 以及“现代生命科学对中学生物学影响”。 要解决的核心问题： 通过学习，引导生物学教师认识到生物科学进展迅猛，肯定会对生物学教学内容、教学理念产生深远影响 。同时，也引导教师认识到专业发展的重要性。 学习本课程的主要目标： 引导教师积极学习生物学新知识，了解生物学新进展 ，明确今后的专业发展方向， 自觉地形成从媒体、网络、文献等途径不断学习生物学知识的习惯，

2、在教学中注意引入适合初中学生学习和开阔眼界的生物学知识。本课程的特色： 有选择地解读若干重要领域的生物学进展的知识，并重视介绍相关网站和文献来源，不仅“授人以鱼”，也“授人以渔”，满足教师今后持续专业发展的需要。教师团队 【主讲教师】许晓风南京师范大学生命科学学院教授，主要从事遗传学、生物信息学的教学与科研工作。曾获安徽省科技进步四等奖 1 项，安徽省农牧渔业科技进步三等奖 1 项，江苏省农业丰收奖二等奖 1 项。 学术机构兼职：江苏科技大学生命科学学院兼职教授。兼任江苏省生物医学工程学会理事及生物信息专业委员会委员，中国畜牧兽医学会信息技术分会专业委员会委员。 主要论著：1. X.F. Xu

3、 , H.W. Mei, L.J. Luo, X.N. Cheng, Z.K. Li （ 2002 ） RFLP-facilitated investigation of the quantitative resistance of rice to brown planthopper ( Nilaparvata lugens), Theo. Appl. Genetics ， 104:248253 2. Yonglong Zhuang, Fei Ma, Jesse Li-Ling, Xiaofeng Xu, Yanda Li (2003) Comparative Analysis of Amin

4、o Acid Usage and Protein Length Distribution Between Alternatively and Non-alternatively Spliced Genes Across Six Eukaryot, Mol. Biol. Evol., 20(12):19781985 3. Lu Sun, Zhiying Zou, Paul Collodi, Fang Xu, Xiaofeng Xu, Qingshun Zhao （ 2005 ） Identification and characterization of a second fibronectin

5、 gene in zebra fish ， Matrix Biology, 24: 69-77 4. S. Y. Chen , H. J. Ji , S. X. Xu , Z. W. Zhang, X. F. Xu （ 2009 ） .Polymorphic microsatellite DNA markers for the ark shell Scapharca subcrenata (bivalve: Arcidae), Conserv Genet, 10:14091412 专题讲座迅猛发展的生命科学及其对中学生物学课程的影响许晓风（南京师范大学生命科学学院、教授） 第一讲大家下午好！今

6、天很高兴有机会跟大家在一起谈谈生命科学的进展，和对中学生物课程的影响方面的论题，该论题是我们的专题一，具体的题目是“迅猛发展的生命科学及其对中学生生物课程的影响”。我大体上分五块内容跟大家做介绍。第一块的内容是生命科学所面临的问题；第二块内容是生命科学的成就与发展趋势，第三块是具体的一些进展，主要包括基因组学，生物信息学与表观遗传学。第四块内容是生物技术、克隆技术与干细胞工程，最后一块内容想跟大家在一起交流一下现代生命科学的进展，与我们中学生物学如何进行有机地结合的问题。一、生命科学所面临的问题下面开始讲第一个问题。第一，生命科学所面临的问题主要有哪些？与任何一门自然科学一样，生命科学所面临的

7、，都既有它理论上的问题，还有它的应用方面的问题，尤其是生命科学作为一门直接关系到我们人类社会的发展的，我们自身的福祉的科学，它所面临的问题，在理论方面主要（现在还没有完全解决）包括：第一生命的本质是什么？第二生命是怎样起源的，第三个方面生物是怎样进化的，三个主要的问题，如果简要（地）说，生命科学最重要的问题是什么？那就是生命的本质，关于这个问题到现在为止还没有一个公认的，大家都能够接受的一个定义，尽管翻开大英百科全书，我们国家的辞海，辞典都对生命有一些定义，那都是描述性的，没有真正揭开生命的本质，这也是为什么在生命科学领域里面，会有宗教。不能把宗教那些上帝造物的思想排除的根本原因，就是因为我们

8、没有搞清楚生命的本质到底是什么，所以这是我们生命科学现在面临的很重要的问题，生命的本质。那么紧随着生命的本质，之后就是生命到底是怎么起源的，是由物质演化过来，还是上帝创造的，这个问题也是困扰生命科学的一个很重要的理论问题，现在有人在试管里面，试图合成试管生命，我们从莫勒那个实验开始，只能合成有机小分子，在试管里面只能合成蛋白质，合成核酸，但是我们还不能合成生命。所以生命究竟是怎样起源的？它38多亿年的历史怎样演化过来，我们还不是很清楚，这是我们生命科学所面临的第二个理论问题，生命究竟是怎样起源的。第三个方面的问题，如果生命是由物质演化过来的，最早存在原初母细胞，我们地球上形形色色各种各样的生命

9、，从微生物，植物，动物，到我们人类就是由最初的原始母细胞演化过来的话，那么这个演化的最基本的内在动力和基本的规律是什么，也不清楚，这就是我们生命进化的问题，尽管现在我们有很多的进化理论，包括大家学生物的同志都很清楚的，达尔文的自然选择学说，木村资生的中性进化学说，但是还没有把进化的原动力究竟是怎么样说清楚。所以生命科学所面临的理论问题至少有这三个很根本的问题，我们每位生物科学工作者都应该对这三个基本理论问题进行深层次的思考。这是我讲生命科学所面临的问题里面的理论方面的问题。下面我们再看一看，我们生命科学所面临的应用问题，与任何一个自然科学，都是要解决人类自身发展的问题一样，生命科学所要解决的所

10、有的应用问题都是跟人类自身发展息息相关的，比如说我这里列举了人口问题，人也是由生物分子组成的，我们自认为是高等动物，但是真的比别的生物高等吗，从生物学这个本质来说大家是一样的，应该说天下生命，地球的生命是共同起源的，没有谁比谁更高级一点这样的说法。但是对于人类来说，我们进行生命科学的研究，就是要解决人类生存发展中间所面临的所有重大问题，这个里面重要的一个是人口问题，其次是粮食问题，我们国家现在已经解决温饱问题了，世界还有许多人处在饥饿中，像非洲很多的老百姓还在饥饿状态中，粮食问题也是世界所面临的重要问题。第三个问题是我们每个人特别关心的健康问题，众多的一些疾病，一些我们以意想不到的突然发生的疾

11、病的解决，包括我们人类自身很多遗传疾病的解决也都离不开我们生命科学的进展。离不开我们生命科学长期艰苦卓绝的探索。像我们许多的疾病，从禽流感，到SARS，到前不久的德国大肠杆菌，肠道出血病，还有遗传疾病。经常爆发意想不到的流行病害，曾经有一个报道，历史上有几次大的瘟疫，几乎可能使人类灭绝，最多造成几亿人死亡，所以人类疾病问题受到特别关注。第四个要解决的应用问题是环境问题，经常到野外去就不难发现，我们国家一级水源已经很少，随着我们人类经济社会的发展，环境问题日趋恶化，现代农业使很多物种灭绝，我最近做了有机农业怎么使环境改善和修复的调研，发现我们曾经灭绝了30年的物种，在有机田里蓬勃兴起，所以环境问

12、题是我们每个人都面对的问题，此外还有其他应用问题，比如能源问题，最终解决途径也依赖于我们生命科学的进展，因为在地球上所有的资源里面，惟有生物资源是可以再生的，其他资源不可再生，包括煤炭，石油都是不可再生的，只有生物能源是可以再生的，是可以循环往复地利用的，所以这个问题，能源问题也有赖于我们生命科学的进展。环境的恶化，环境的破坏，人类将来被毁灭的话，就是自身把自己的生存环境给毁灭了所造成的。所以环境已经提到特别重要的地位，我们现在地球环境发生了急剧的，不利于人类和整个生物生存的变化，包括大气层里面臭氧出现波动，北极和南极冰川融化，这样大的气候环境的改变，如果我们不从生命科学这个角度对这些问题给予

13、深刻的认识和大量的研究，这些问题都是很难解决的。上面谈到的生态失衡问题，人口爆炸问题，所有一系列问题的解决都有赖于生命科学研究的进展，而且生命科学这么多年的发展，都是围绕这些理论问题和实际应用问题的解决而取得进展的。这就是我给大家首先介绍一下生命科学所面临的问题的原因，任何一个从事生命科学工作的老师，及研究工作者都应该把生命科学所肩负的历史重任，（包括对理论问题进行思考，对应用问题怎样付诸行动）铭记于心，不使生命科学教学，科研迷失方向。这是第一个问题。二、生命科学主要的进展和取得的突出成就下面简介一下最近十多年生命科学主要的进展和取得的突出成就，从这里能看出生命科学发展跟我们人类发展是密切相关

14、的。生命科学的突出成就表现在第一个方面是，大批生物基因组测序完成，这个以人类基因组计划带动的宏大的科学计划，它的意义及它的浩大工程，远远超过历史上的阿波罗登月计划，因为生命科学自从人类基因组计划开展以来，不仅使我们对生命的本质，生命的发生发展规律有深刻认识，而且极大推动了生命科学研究技术手段和基础理论的极大进步。由于基因组计划的开展，生命科学技术的进步，使我们整个生命科学研究的面貌发生了翻天覆地的变化。我们以往只是对个别生命现象进行研究，现在则是整体系统地去开展研究，研究水平得到了极大的提高。当初人类基因组计划是计划花十年时间，20亿至30亿美元，把人类基因30亿个测定完毕，现在的技术进步到了

15、什么程度呢？测一个人类基因组草图出来，估计一个礼拜时间完成，大概花10万人民币就可以将草图拿到，这就是基因组计划带来的技术进步，使整个生命科学研究的视野，研究的技术手段得到了极大的提高。三、基因组学、生物信息学与表观遗传学由于基因组计划的实施在生命科学领域里面形成了新的分支，尤其以组学为代表的，比如结构基因组学，功能基因组学，比较基因组学，转录组学，蛋白质组学，表型组学，和代谢组学，组学，等等，还有药物基因组学等等一系列新的学科同步兴起起来。这些领域里面的成就真是日新月异，我这里没有时间跟大家一一列举，而且我们基因组计划带来一个很大的好处，是使我们所有生命科学研究都可以在网络上实现资源共享。所

16、以从这个意义上讲我们任何从事生命科学的人，如果不熟悉生物数据库，那么就很难跟上日益发展的生命科学的脚步。这是生命科学的第一个重大进展，就是基因组学的兴起，带动了一系列组学的发展。下面我们再看第二个方面，由于基因组学的发展使以前从来没有听说过的，将生物学和信息技术与生物学知识融合起来的一种崭新的学科崛起。这门学科叫生物信息学，现在国内已有一些高校开设了生物信息学专业。而且在西方有一些发达国家，有种说法是如果不懂生物技术，不懂信息技术就是科盲，那么要掌握生物技术首先你就得熟悉网上所有的生物信息资源，而这个正是目前从大学到中学都普遍存在的一个问题，以后必须要认真加以解决。那么在生物信息学这个领域，我

17、们作为一般生物科学工作者不需要在生物信息学领域里面做高深的研究，只需要我们把生物信息学给我们提供的平台加以有效利用，给我们提供的技术，提供的信息我们要能够有效地去利用挖掘，这就是我们生物学工作者要做的事情。在生物信息学学科研究方面有很多进展，我不去多说，我只是把这块拎出来希望我们各位老师尽快地熟悉这方面的一些基本知识。后面我还会说说一些重要的数据库，这里暂时就说这么多，生物信息学作为新兴学科，是引领整个生命学发展的一个动力源泉之一的学科，大家一定要在这块给予关注。这是第二个方面的进展。生命科学第三个方面的进展，是发育生物学研究不断深入，在我们生命科学里面，对高等生物来说，不像单细胞生物，只有细

18、胞分裂没有发育现象。生长发育，是高等生物重要的生命现象，高等生物从受精卵细胞，发育到完整的个体，直至死亡，在这个过程里面有很多重要的生命现象，怎么样把这些生命现象里面的内在的生物学规律搞清楚，是我们发育生物学所关注的问题。在发育生物学领域里面，是用很多一些模式生物作为研究对象的，比如研究人的发育，不可能直接以人作为研究对象去研究，我们（要去用类似的，比如人可以有）只有通过猿、猴等灵长类生物作为模式对象进行研究，研究它们的发育规律，研究它们跟发育相关的所有的基因，它们是以怎样的一种网络关系高度有序地持续表达的，怎么高效调控，使个体完成发育，使组织器官产生出来的。这块也取得了很多的进展。对此大家可

19、以给予一定的关注。第四个方面也是最近这几年特别热的一门领域，叫干细胞研究，干细胞是细胞生物学重要的研究内容，干细胞是我们细胞生物学最有用的一种研究模式细胞，为什么？这种模式细胞没有分化到末端细胞，可以分化成不同的组织器官，干细胞的应用前景十分广阔，它为很多遗传性疾病的治疗，器官移植都创造了有利的条件，所以干细胞研究是特别重要的，是生命科学中特别热门的一个领域，也是取得众多成就的一个领域，大家对此应该给予关注。这是第四个方面。第五个方面，我们从分子水平来谈生物学的进展，在分子生物学领域，小分子RNA，受到了特别热门的关注，小分子RNA之所以到最近几年才受到如此的重视并不是它以前不重要，而是以往研

20、究RNA难度大，与蛋白质和DNA比起来，它很不稳定，采用一般分离技术往往是不容易拿到RNA的，实际上分子生物学研究，发现RNA在生命的任何生命活动中都发挥着不可替代的作用，究其根本原因是，生命的始作俑者就是RNA，已经有一个关于生命起源，受到世界广泛认同的假说，叫生命起源的RNA世界假说，这个假说是目前最受广泛认同的一个假说，以往关于生命起源的争论主要集中在是先有DNA，还是先有蛋白质，类似于是先有鸡还是先有蛋的悖论，因为DNA复制需要有蛋白质，才能够复制，而蛋白质又是DNA编码的，这两者到底谁先谁后，一直争论不休，究竟是先有鸡还是先有蛋，是个逻辑悖论，没有解决，但是自从提出RNA世界假说以后

21、，这个悖论问题就不存在了，RNA既有DNA遗传物质的功能，储存遗传信息，自身又有蛋白质的功能，有催化活性，身兼两职，只是后来它把它的两个功能分别交给DNA和蛋白质，所有的生命活动调控都离不开RNA的参与，RNA的研究受到特别追捧就不足为奇了，大家应该这方面花一些时间给予关注。下面我们再看生命科学突出成就在第六个方面的表现，就是脑科学和认知科学的发展。实际上人类特别想搞清楚自身智力活动，就是我们思维活动的内在规律，聪明，智慧以及我们意识发生的规律，如果把这个搞清楚，将来人类智商的物质基础就能够搞清楚，我们所有的行为活动，心理活动的物质基础便可破译出来。这个方面的研究主要是得益于高空间和高时间分辨

22、率成像系统和信息处理技术，这样使我们对各种意识活动的神经传导特点，神经传导基础可以进行定性定量的研究，所以在这个方面也取得很多的成就，大家如果感兴趣，可以查阅相关的一些文献。这是第六个方面脑科学和认知科学的发展。第七个方面，是宏观生物学的进展。我们生命科学的关注范围十分宽广，从分子到细胞到组织器官到个体，然后到群体到群落，乃至到整个生物圈到全球的变化，（所以）宏观生物学也取得了很长足的进步，这么多年，宏观生物学放眼全球变化，在生物多样性方面，它特别注重生态系统的组织结构和运行方面的研究，这个方面也取得了很多突出的成就，对我们人类面临的环境问题，全球变化问题，提供了很多对我们整个人类的决策有参考

23、价值的理论成果，这块希望大家有机会多加关注。这是第七个方面。第八个方面的研究成就是生物技术的突飞猛进。我们国家这方面更是取得了令人瞩目的成就，我们国家前两年启动了农业基因组计划，启动基金300亿，利用生物技术进行转基因动物，转基因植物的培育，使（这个）基因在动物、植物、微生物三界生物间实现转移和重组，创造出新的优质、高产、抗逆的新物种。这个方面取得的长足进步带来了以农作物或者畜牧业主要品种基因组计划的开展，我们国家目前至少有20、30种主要农作物品种，养殖的品种在进行基因组的测序，棉花、烟草基因组计划在开展，很多蔬菜基因组计划在开展，水稻基因组是我们中国人完成的，家蚕基因组是我们中国人完成的，

24、最近还有地方猪两个品种基因组计划在完成之中，只是相关数据还没有报道出来。鉴于这方面进展和成就特别多，希望我们各位老师也花一部分时间给予关注。关于生命科学的突出成就，我就简单归纳成上述八个方面，生命科学发展的总趋势可以从下面我们搜集的一些数据来做一个佐证，我们说21世纪是生命科学的世纪，这个说法不是凭空所说的，是有它的事实依据的。根据美国科学引文索引统计，全世界收集的学术刊物4500余种，即我们通常讲的SCI期刊，发现其中生命科学占了一半还多，这个还不重要，更重要的是统计这4500多种期刊里面真正有影响的刊物，即有影响力的刊物，（影响力通常是用一个叫影响因子的数据来表述的，对一个杂志的学术影响力

25、，如果影响因子大于10，这样的期刊在世界上都是顶级期刊），统计这个影响因子在10以上的超一流学术刊物发现，80%左右都是生命科学期刊，我们看下面具体的一个统计表。影响因子在10以上的超一流刊物中，既有涉及自然科学各个领域的总论类刊物，如大家特别熟悉的“Science”和“nature”这样的杂志，它们是世界最顶级的涵盖自然科学各个领域的期刊，这两种期刊里面大概60%以上的内容是跟生命科学相关的，也有涉及各专门领域期刊。在各专门领域期刊里面，化学类期刊仅有两种，物理类5种，数学类1种，生命科学类则多达38种，由此可以看出，生命科学独占鳌头。说明这个学科是多么的兴旺发达，从事这个学科研究的人员之多

26、，成果之多，如果没有那么多人从事生命科学的研究，没有那么多科研成果，是不可能有这么多高质量的期刊的，也不可能有这么大篇幅，以生命科学作为主打的报道内容的。事实证明，现在从事生命科学的研究人员最多，生命科学相关领域的研究成果最多，生命科学发表的研究成果的影响力也最大。那么为什么说21世纪是生命科学的世纪？为什么这么说？这是有它内在的根源的。我们大家都知道，在我们地球上，甚至在整个宇宙里面，只有三种现象，一种是物理现象，一种是化学现象，一种生命现象，除此找不出第四种现象，要有就是由于生物产生的所谓精神现象，除此以外再没有了。而精神现象实际上是由生物现象衍生和派生出来的现象。在这三种现象中间，只有生

27、命现象包含了物理、化学现象在里面，而且所有的生命活动规律不违背物理规律和化学规律，但是拿所有的已知的物理规律和化学规律不能完全揭示生命现象的内在规律，所以生命现象有它的特殊性。而我们人类作为生物的一分子，所有跟生命现象相关的东西，都跟我们人类发展进步密切相关，甚至跟我们生存都密切相关。所以说生命科学研究对象最神奇，最有魅力，因为它们跟我们人类直接密切相关，而健康，人口，环境更是跟我们人类有着直接的利害关系。此外，生命科学研究的领域最为广泛，可以研究生物物理，可以研究生物化学，可以研究生物电学，可以研究生物的神经冲动，生动的意识产生机理，无所不包，研究领域最为广泛，问题最为复杂，就最最简单的细胞

28、里面的社会管理，比我们整个人类社会的管理要高级、精巧、复杂，其程度高得肯定不在一个数量级之下，肯定要复杂几个数量级，我曾经就建议很多搞管理的人士，搞建筑的同志，搞交通的同志，学一学细胞生物学，社会上所有的东西在细胞里面都存在，而且都比我们人类发明的这些系统要精妙得多，因为我们细胞经过了38亿年时间的检验。它里面蕴藏的规律，表现出的精妙的调控机制是我们人类几乎无法想象的。生命科学研究领域特别广泛，问题也特别多，生命科学与人类的生老病死，健康长寿，喜怒哀乐，及我们所有的日常生活都是密切相关的，没有哪一个人类活动能离开生命科学的相关领域。第四生命科学研究的进展会极大改变我们人类生活方式和思维方式，现

29、在我们每一个人就是一般老百姓，甚至文盲都知道基因是一个什么概念，但基因在我上大学之前，一般民众肯定是不清楚的，不知道什么叫基因，现在几乎人人都知道基因是什么，所以生命科学会极大改变我们的观念，我们对科学生活的认识，对科学的生活态度，科学的生活观念，科学的生活方式，都离不开生命科学的进展。第五个生命科学相关的生物技术，是我们新世纪的支柱产业，以美国为例，几乎每年以50%的速度递增。例如，胰岛素，现在用胰岛素很方便，但是在20年前，30年前，那个时候用胰岛素，只有高干才能有机会用到，现在为什么能够普及，普通老百姓能够用得起，自己拿一个简易针给自己打一针就完事，30年前这是不可想象的，这就得益于我们

30、的生物技术，原来必须从人，或者其他动物内脏提取胰岛素，提取量很少，现在把人的基因转到微生物里面发酵，发酵罐一摇就产生很多胰岛素出来。现在还有人的生长抑素，这种蛋白十万头羊脑提取一毫克，你说那个需要多少钱，但是把这个基因转化到微生物体内、通过发酵，很快就可实现大批量生产。所以为什么说生物技术是未来新兴产业，只要好的生物制品基因，通过我们生物技术，通过发酵技术，便可以形成无穷无尽的生产力。所以21世纪是生命科学的世纪这绝不是空穴来风，是有它内在的动力和我们人类发展的强力驱动的，我们正在使这种生产力一步步走向现实。这是我跟大家介绍的第二个方面，生命科学的突出贡献，以及它的发展趋势的一个情况，给大家简

31、要介绍了8个方面突出的成就，以及为什么21世纪是生命科学的世纪这样的提法，所以我们搞生命科学教育的老师，还有从事生命科学研究和生产的工作者应该有信心有决心，为生命科学不断地取得新的突破性进展，造福于人类，解决人类所面临的所有问题做出贡献。下面我就向各位老师具体介绍一下，我们生命科学这几年在理论方面，尤其基因组学和生物信息学方面所取得的一些重要进展情况。首先介绍一下基因组学的一个不寻常的发展经历，基因组学是怎么提出来的，我们的基因学是在遗传学基础上发展起来的，遗传学有一个发展历程，叫从基因到基因组，所以有从单基因遗传学到整个基因组的遗传学，我们生命科学从单个现象少数现象的研究到系统生物学的研究，

32、这样一个发展的过程。那么我们基因组学在整个发展历程中间，有哪些是值得我们大家特别应该记住的丰碑呢？首先希望大家牢牢记住一个人就是孟德尔先生，他阐明了遗传学的两个定律，在一百多年前，把遗传学两大定律分离定律、自由组合定律揭示出来，不仅仅因为他揭示两大定律显得特别伟大，更重要的是他开创了生物学研究的一个重要的研究模式，把生物学从博物学带到自然科学的殿堂，这个功劳很伟大，在孟德尔先生揭示遗传两大定律以后，美国的一个有名的遗传学家摩尔根先生发扬光大了他的学说。摩尔根是现代遗传学的奠基人之一，摩尔根遗传学派的祖师。在历史上遗传学分两大学派，一个是摩尔根学派，一个是苏联的米丘林学派，由于米丘林学派的一些看

33、法得不到严格科学的验证，其理论在学术界的影响也力愈来愈小，现在在我们的初中，高中教科书中，基本上不谈米丘林遗传学，只谈摩尔根，摩尔根发现了我们遗传学上第三大定律，连锁遗传规律，他在研究中以果蝇作为研究的对象，选了很好的模式生物，这一只果蝇到现在为止已经培育出了6位诺贝尔奖得主，所以有人说，果蝇是诺贝尔奖的孵化器，这也有它的道理。一只果蝇就有6位人在它身上拿到诺贝尔奖，为什么拿到诺贝尔奖，因为果蝇研究对生物遗传的内在规律有很深刻的认识，对我们人类，或者说对遗传学的发展，果蝇做出过不可磨灭的贡献。遗传学上这两位伟大的遗传学先行者大家都会牢牢记住。那么遗传学进入到分子时代的时候，有两个重要人物也是大

34、家都很熟悉的，一个是沃森，或者以前把它翻译成沃特森，一位美国科学家，还有一位叫克里克，英国科学家，这两位科学家建立了遗传物质分子典型的分子结构模型，这两位先生在研究这个模型的时候，就是拿最简单的工具铅丝和纸片，而这个模型正好把遗传物质所有的特征，刻画得完美无缺，所以这两位先生使我们遗传学研究进入到分子时代。现在几乎每年都会庆祝DNA双螺旋结构，50年大庆时，全世界都在庆祝这样一个分子，到现在为止没有哪个物质分子能像DNA那样笼罩那么多光环，每年都受到庆祝，10年一大庆，到一百周年的那个大庆的时候，场面可能会更加隆重和热烈。正是这两位先生把我们生物学研究，从性状水平或者染色体水平进入到分子水平，

35、从此，我们可以从分子水平上面去研究我们的生物学了，研究生物的遗传，生物的变异，生物的发生发展规律。那么到了上个世纪60年代初和60年代末，大概7、8年间，一批以“奈瑞伯格”为代表的科学工作者也取得了一个举世瞩目的研究成就，他们把生命两种大分子的语言翻译出来，即把遗传密码破译出来，这个伟大的科学研究工作也是很了不起的，相当于我们地球人破译了宇宙人的语言一样。到了70年代初伯格和科恩两位先生把一种生物的基因整合到细菌的基因组里面去，开创了生物技术的先河。在分子水平上面，将一种外源的遗传信息，遗传物质整合到另外一种细菌的质粒载体上面，并使这个外源基因在受体菌内进行了复制和表达，这是一个了不起的技术成

36、就。到了80年代初的时候，有一个美国女科学家马克林托克，被誉为科学上的永不凋谢的玫瑰，（这位老科学家现在还健在，在美国著名的冷泉刚实验室）因提出跳跃基因而获诺贝尔奖，她认为基因在染色体上是可以跳跃的，叫“将皮经”，这使我们对基因概念的认识有了很深刻的变化。与马克林托克一起工作的一个年轻人莫里斯，在80年代初发明了一个很重要的技术，叫PCR技术，这也是很了不起的技术，现在所有的分子生物学实验室都会用到这个技术。PCR技术，可以在试管里面大量复制目的基因片断，这个技术在所有的分子生物学实验中都会用到，这个实验的巧妙，精妙之处，在于它在试管里面模拟生物体内基因的复制，效率更高的复制。在这个期间，还有

37、两位对我们生命科学起到重要进展的科学家大家应该记住，一位是号称测序大师的英国科学家桑格（人类基因组计划桑格实验室承担了18%的测序任务），他发明了DNA序列测定技术，叫双脱氧链终止法，与他同时代的，发明化学测序法的吉尔伯特一起分享了诺贝尔奖，他们是在DNA序列测定方面立下丰功伟绩的两位大师。那么后来怎么想到要开展人类基因组计划呢？这是根据以往只针对某些基因去研究，很难把握生命的整体，所以科学家们就设想，如果我们能把人类所有的遗传物质DNA全部测定清楚，我们就知道人类的遗传蓝本，这个搞清楚了，人类的问题，所有的生物学问题，不就有了总体上面的把握吗？所以到了上个世纪80年代末90年代初，在美国有人

38、提出这样的计划和创意，因为那个时候技术不可能像现在这样快速进行序列测定，就要必须设立一个宏大的计划，当时计划用30亿美元，花十年时间，因为一个碱基需花一美元进行测定，美国国会在1990年的10月1号通过这样一个法案，就是设立人类基因组计划，从那一天开始，这个计划，在全世界几十个国家和实验室的通力合作下面，开始实施了。第二讲我们刚刚说到基因组计划里面几位我们值得纪念那几位人物，在基因组计划里面第一个测序完成的基因组是一个名叫（X174）的病毒，第二个被测序完成的是嗜血流感菌，酵母是96年的第一个真核细胞生物，到1998年就完成了一个叫秀丽小竿线虫的动物基因组的测序，到2000年测序完成的是果蝇，

39、到2003年人类基因组草图就公布了，这是基因组计划的一个基本发展历程。在人类基因组测序过程中，有两种重要的测序方法：一个叫全基因组鸟枪法，这是现在常用的，具体原理不介绍了，另外一种，是在桑格测序方法上面进行改良的，就是在测序的引物末端加上一个荧光标记进行测序，这样使我们序列读起来更加直观。这是2000年6月，美国时任总统克林顿宣布人类基因组草图完成的辉煌时刻，这个时刻大家都很激动，相当于我们登月计划人从月球上把图像放回来一样的一种感受，很喜悦的一种心情。那么基因组计划完成以后，对我们生命科学和整个社会有什么样的影响呢？首先人类基因组计划的完成，使我们的生物学出现了基因组学这样的新兴学科，基因组

40、学跟人类健康有很重要的关系，对社会的发展进步，学科的发展进步都有重要的推动作用。建立了如计算生物学，理论生物学，生物技术学等这样的一些新兴的学科，所以人类基因组计划完成以后，对整个人类社会，对生命科学，甚至于整个自然科学的领域产生革命性的影响，所以这个计划的社会意义，科学意义是怎样估计都不会过高的。那么下面我们具体看看基因组，不同生物基因组的大小。如果我们酵母菌的第3号染色体，只相当有14页厚的一本书，人类基因组有200本一千页厚的书，都是ATCG这样四个字母排列出来，所以这样一本天书，怎么把数据读出来，就产生了一门新的集生物技术和电子信息技术于一身的新型学科，叫生物信息学。随着小鼠的基因组、

41、人类基因组相继测序出来，通过两种基因组比较发现，原来小鼠和人在外观上面，在生活习性上面差异那么大，但是在基因组水平上，人的基因组和小鼠的基因组差异很小，只是排列方式不同而已，我们跟小鼠有85%以上的基因是同源的，所以从这个意义上说，天下生物是一家，小鼠跟我们人差异那么大，但是它基因跟我们差异很小，我们通常以小鼠作为研究人类生长发育各种疾病的一个模式生物，是有它的遗传物质基础的。那么人类基因组计划测序完以后，人类基因组这个草图提供了哪些基本信息呢？我们看出来，人类基因组总共由31.65亿个碱基组成，大约含有3到3.5万基因，现在通过进一步验证，大概在2.5万个基因左右，而这2.5万个基因跟线虫的

42、同源性达43%，跟果蝇有61%是同源，与蛋白质合成相关的基因，只占整个基因组的2%，比例很小，这些基因跟酵母的同源性也高达46%，所以这里更能看出来，生物是从简单到复杂演化过来的，不是上帝创造出来的，天下生物有很多共同的基因背景。基因组序列测定出来了，有那么的多生物数据，怎么把这些生物数据进行合理的分类储存，挖掘，找出里面内在规律来，这样就产生了一门叫基因组学的新兴学科，研究基因组结构的叫前基因组学，研究基因组功能的叫后基因组学，所以把基因组学分成前基因组学或结构基因组学，以及后面研究基因组功能的叫功能基因组学。后基因组学里面主要研究的是蛋白质组学，转录组学，代谢组学，药物基因组学等等。基因组

43、学主要研究DNA水平上面的基因组的结构，组成结构的内在规律。转录组学，研究RNA的组成，不同细胞，不同生物里面，所有RNA的种类，数量，丰度、功能等，那么蛋白质组学研究生物体内功能分子，蛋白质，它们的数量，种类，它们的功能，或者说研究一个细胞内，一个组织器官内，或者一个个体内所有的蛋白质的组成、结构、功能。我们可以形象地看出来，基因组就是研究DNA水平的基因，组成结构排列方式，RNA组在一个组织，或者在一个细胞，或者一个生物个体不同发育时期，它转录出来的RNA种类，数量，丰度，功能，这样一个学科。蛋白质组学，常用的技术就是用二维电泳和质谱，打飞行质谱，这样来把一个组织一个细胞一个器官，一个个体

44、不同发育阶段，不同生理状态下蛋白质表达的数量、水平、丰度、功能进行系统研究。现在特别强调的就是功能基因组学或者蛋白质组学，什么叫蛋白质组呢？蛋白质组指的是一种基因所表达的全套蛋白质，蛋白质组学是从整体水平研究组织、细胞、器官、个体的蛋白质的种类、数量、功能的一门学科。蛋白质组学的主要研究内容包括：第一，蛋白质的分离和鉴定，第二个方面很多蛋白质加工、修饰和成熟过程，第三个方面是蛋白质功能的确定，蛋白质到底是行使什么样的功能，是酶的功能，是细胞因子的功能还是结构蛋白的功能等等。第四，蛋白质组学对于人类来讲最重要，为人类的健康服务，所以很多一些蛋白质会成为药物的作用靶标。转录组学，主要把是所有的小R

45、NA克隆出来，分析，然后把小RNA的种类数量搞清楚，以及功能搞清楚，这里简要介绍了几种方法，第一个是计算机分析法，利用小RNA的结构特征预测这些基因组里面有哪些可能是小RNA，第二个就是基因克隆法，根据小RNA的特征，设计引物把它克隆出来。第三个是根据小RNA要发挥作用，往往要跟蛋白质结合在一起，形成核蛋白复合体，把这种复合体分离出来，然后把蛋白质和小RNA分离，再把小RNA克隆出来。小RNA的克隆方法，以小鼠的脑组织为例，要把脑组织（匀浆）提取小RNA，用凝胶电云分离，只收集50到110个碱基的小片段，然后再反转录成DNA，然后再用探针进行杂交，得到小RNA。第三种就是分离蛋白质和小RNA复

46、合物。通过离心的办法把它分离出来，然后用蛋白酶，把蛋白质去掉，就剩下小RNA分子，然后再把它反转录，小RNA分子很不稳定，一定要把它反转录成CDNA再进行克隆。那么小RNA到底有哪些功能呢？现在已经搞清楚了，功能很多，其中跟转录调控相关，跟基因沉默相关，跟RNA的成熟加工复制相关，跟RNA的稳定性相关，跟RNA的翻译相关，跟蛋白质的稳定性相关，跟蛋白质的定位相关等等功能。所以生命体里面很多分子水平的生物大分子的功能，全由RNA作为介导物进行调控。那么RNA调控这些生命过程有哪些机制呢？主要现在已经发现有这么三种机制，第一是跟它作用分子直接配对，达到调控的作用。第二种方式模拟其他核酸结构，再进行

47、配对来发挥作用，第三个是形成RNA和蛋白质复合物发挥作用。现在研究小RNA，还有一种新发明出来的技术叫生物芯片技术，这个生物芯片也有很多功能，如检测转录谱，检测蛋白质的表达谱，芯片还可以进行DNA序列测定，这个是一个芯片的一个模式图，芯片技术是一种能大规模地分析一个细胞，一个组织一个器官的各种大分子的表达状况的一种技术。这是用生物芯片技术进行检测的一种结果，然后读取这种杂交信号，阳性阴性，半定量分析，把这些信号采集起来以后，传输到电脑里面进行信号处理，进行分析。这是我们前面讲到了几种组学一些常见的方法，下面我们再系统地来看一下那么多生物信息出来以后，这些信息怎么为生命科学的生命科学要解决的问题

48、服务，我们可以说通过生物信息技术做这么多工作，我们按照这个图来看。生物信息技术可以做一些什么事情呢？可以对基因组的信息进行存储，排列，挖掘，信息挖掘和结构特点分析，可以通过生物芯片进行图象处理，表达调控网络分析。通过大分子与大分子的相互作用，靶标的预测，进行药物试剂和小分子药物的试验，还可以通过高通量的药物筛选，通过生物信息分析出来的结果，针对那些靶标生物大分子，进行一些高通量的药物筛选，还可以进行新医药的创制和新剂型的研制，还可以进行蛋白质组学和结构基因组学的分析，包括蛋白质和蛋白质相互作用识别，信号传导系统，代谢途径的分子模拟，蛋白质折叠和互相变换的识别，分子动力学模拟等等这样的一些工作，

49、所以整个生物信息技术是贯穿于整个生命科学研究的各个领域的十分有用的技术。下面我们就具体介绍一下生物信息学，什么是生物信息学呢？生物信息学是综合运用生物学、数学、物理学信息科学与计算机科学的、集成了这么多学科理论方法的一门崭新的生物学分支，它的内涵非常丰富，它的核心是基因组信息，蛋白质组信息，转录组信息，代谢组信息，对这些信息进行获取、处理、存储、分配、挖掘，找出内在规律，为我们所有的生命科学问题提供理论上研究的指引性建议。曾经有一位很有名的叫艾勒布利斯贝的生物信息学家，他讲了两句话，我这里把他第二句话放在这里，你只需花半天时间在网上看生物信息，把握生物信息的研究动态，便可以节省你在实验室里半个月以上的时间，如果你不做生物信息的分析处理，你的研究往往是不会做到有的放矢的，不会做到有针对性的，通过生物信息分析既能把握整个生命科学进展动态，又能给你研究提出指导性的研究方向。那么生物信息学的主要内容包括哪些呢？第一是生物信息学家要做的事情，生物信息的收集、存储、管理和提供，所以现在的所有分子