第一章 分子生物学引论.ppt

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1、第一章第一章 分子生物学引分子生物学引论论主要参考书目：分子生物学教程.赵亚华著，科学出版社，2006Genes VIII（中文版），Benjamin Lewin，科学出版社,2005分子遗传学,李振刚著，科学出版社，2004分子遗传学,张玉静著，科学出版社，1999。Molecular Biology，Robert Waver,2nd Version，Mc-GrawHill Company,2002.第一章 引 论分子生物学分子生物学的主要研究内容分子生物学的发展简史分子生物学展望什么是分子生物学?广义概念:在分子水平上研究生命现象的科学，涵盖了分子遗传学和生物化学等学科的研究内容。狭义概念

2、:研究核酸和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，主要研究基因的结构和功能及基因的活动。分子遗传学：狭义的分子生物学，分子生物学的一个分支。研究活细胞内与遗传变异有关的一切分子事件。中心法则 DNA,RNA,蛋白质，糖 细胞中动态的遗传变异过程，相关的一切分子事件。物理学的渗透：n物理的语言负熵：启动了分子生物学的崛起。将生命、遗传、基因分子化。n 生命以负熵为生，吸收负熵抵消生命活动中增加的熵。死亡即最大值的熵。n基因的突变生物学的量子论（量子跃迁）。即“跃迁式”的变异，不连续的变化。不是一种累积效应。微生物学的靠拢细菌的耐药性：随机发生的突变经过药物的筛选作

3、用，使不具耐药性的变异菌株死亡，具耐药性的变异菌株大量繁殖。不是后天获得性遗传（定向变异）。转向摩尔根的基因突变生化基因与酶（蛋白质）对应关系：一个基因一个酶(?)基因的定义：u基因在染色体上线形排列，大多数基因包括合成一条多肽链的信息：（1）一个酶常常不止一条多肽链，而一个基因仅包含合成一条多肽链的信息；（2）大多数基因包含合成多肽链的信息，但多肽不是酶；（3）一些基因的终产物不是多肽，却是RNAs。u基因的三个主要功能：信息贮存，复制，突变积累u基因组学时代：基因是一段制造功能产物的完整染色体片断。分子遗传学的展望：u 基因:u 基因调控：原核生物的操纵子模型，真核生物的顺式作用因子 和反

4、式作用因子u 遗传与发育：DNA精确复制，基因活动形式精确遗传。Dolly由分 化的体细胞发育而来。u 自我组合：u 遗传工程：基因的横向转移，改造或重组生物遗传特性。u 阮病毒与蛋白质遗传:蛋白质病原体PrPsc只含蛋白质，不含核酸；以其自身为模板，将来自细胞核基因的蛋白质（PrPc）改造为细胞质的遗传模板（PrPsc）u RNA干扰：后成遗传学DNA 甲基化或mRNA降解，基因表达形式的改变不涉及DNA 密码的改变，并能在子代中维持；挑战了DNA 突变是遗传、变异及进化的唯一材料。u 基因组学与生物信息学：分子生物学的主要研究内容基因表达及其调控DNA重组技术（基因工程）生物大分子的结构和

5、功能（一）基因表达及其调控研究基因表达实质上就是遗传信息流的传递过程，包括DNA的复制、转录和翻译等过程。基因表达调控包括时序调节和环境调控两个方面，发育调控基因表现尤为突出。原核生物基因的转录和翻译在同一时间和空间发生，基因表达的调控主要集中在转录水平。真核生物基因的转录和翻译在时间和空间上都被分隔开，而且转录和翻译后都有复杂的信息加工过程。真核生物基因表达的调控可以发生在各种不同的水平上，主要表现在信号传导、转录因子和RNA剪辑3个方面。（二）DNA重组技术DNA重组技术是20世纪70年代初兴起的技术科学，目的是将不同来源的DNA片段（如某个基因或基因的一部分）按照人们的设计定向连接起来，

6、产生影响受体细胞的、新的遗传性状。限制性内切酶、DNA连接酶及其他工具酶的发现和应用是DNA重组技术得以建立的关键。DNA重组技术是核酸化学、蛋白质化学、酶工程以及微生物学、遗传学、细胞学长期深入研究的结晶。DNA重组技术的应用用于生命现象的基础研究 如遗传信息的传递和控制，特别是启动子和转录因子的克隆及分析。用于大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低却具有重要功能的多肽 如具有溶栓作用的蛋白质因子、具有镇痛作用的神经肽、促红细胞生成素（EPO）、干扰素、人胰岛素、生长激素等。利用重组微生物制药现代生物工程的一个主要方面就是利用基因工程生产各种人用蛋白药物。不仅可以提高人类的医疗水平，还可以获得

7、巨大的经济效益。1982年，世界上第一个基因工程产业化的产品胰岛素出现在市场上。体内胰岛产生的胰岛素不足，人就容易患一种富贵病糖尿病，患者必需定期注射胰岛素进行治疗。经验证，基因工程胰岛素和来源于动物的胰岛素同样有效。目前，治疗用的胰岛素已经有90以上是基因工程产品，只有极少部分是动物来源的。生长激素是由人的脑垂体产生的，如果在儿童时期不能产生足够的生长激素，就会患上“侏儒症”。注射生长激素就会使患者长到正常的高度。但生长激素的来源比胰岛素还困难。1987年，用基因工程生产的人生长激素进入市场。干扰素具有抗病度的特性。动物细胞受病毒刺激产生干扰素后，会引起一系列保护细胞不受病毒侵害的非特异性反

8、应，可以用于治疗肝炎和抑制肿瘤，对流感和艾滋病等也有很好的疗效。1b干扰素是我国第一个基因工程药物，也是世界上第一个采用中国人基因生产的基因工程药物。用于定向改造某些生物基因组结构。如抗虫棉、含有分解各种石油成分的重组DNA的超级细菌、基因工程乙肝疫苗、含有蜘蛛丝蛋白基因的转基因动物。Chakrabarty等在20世纪70年代使用不同的质粒构建了能够分解石油中一系列碳氢化合物的菌株，该菌株被称为“superbug”，即“超级菌”，因为它的代谢能力远远高于其它菌株。这个“超级菌”的结构和功能已经获得美国的专利，这是给予重组微生物的第一项专利。一、基因改造的农作物最初的研究工作中，有相当多的课题是

9、集中在培育产量更高的品种上，或改变其氨基酸含量使营养更好。现在人们做得更多的是把各种抗性基因转到植物体内，以获得各种抗性。1.转基因抗虫作物用基因工程的手段培育抗虫作物新品种，是指把抗虫基因转入农作物形成新的作物品种，可以解决昆虫对化学杀虫剂产生抗性以及化学杀虫剂对生态环境的影响。1991年，美国孟山都公司成功的得到了转Bt基因（原毒素基因）的抗虫棉。2.转基因抗除草剂作物施用除草剂也会对庄稼有损害，因为很多除草剂无法区分庄稼与杂草。培育抗除草剂的转基因植物就可以广泛使用除草剂了。将突变的、对除草剂不敏感的靶蛋白基因转入植物中以及通过失活除草剂而获得抗除草剂的植物均已培育成功。3.抗不良环境和

10、抗衰老的转基因作物在分子水平上，环境压力反映到生理上的不良结果之一就是活性氧的产生。提高植物对高含量活性氧的耐受能力，就能使植物抵抗各种外界不良环境的压力。将番茄细胞中编码多聚半乳糖醛酸酶（PG）基因的反义基因转入植物中，就可能延迟果实的成熟过程。4.改善农作物的品质我们在关心作物产量的同时，也要关心作物的质量。将一些用传统育种方法无法培育出的性状，通过基因工程的手段引入作物，以改善作物的品质。如将负责淀粉合成的基因转入马铃薯，使其淀粉的含量大幅度提高，达到提高马铃薯营养价值的目的。二、转基因动物随着现代生物技术的发展，传统的杂交选择法的各种缺陷日益明显。现代分子育种技术逐渐成为动物育种的趋势

11、和主流。运用相关转基因技术对多细胞动物进行遗传改造进展非常迅速。同时，转基因技术也成为一种研究很多基础问题的有力手段。三、GMO的安全性GMO是Genetic Modification Organism的简称，即基因被改变的生物。对于转基因食品，人们最关心的问题莫过于安全性问题，如食品中是否有过敏源，转基因食品是否会引起其它不良反应，有无可积累的长期作用等。基因改造过的农作物并不比传统育种技术所培育的品种对人类健康产生更多的威胁。转基因食物和普通食物一样也存在一定的风险，只不过它并不比普通的食物有更多的负效应。转基因作物是安全的。转基因食品一般不会造成过敏，而且转基因作物中的标记基因也不会有危

12、险。（三）生物大分子的结构功能研究（结构生物学）生物大分子在发挥生物学功能时，必须具备两个前提：首先，拥有特定的空间结构（三维结 构）。其次，在发挥生物学功能的过程中必定存 在着结构和构象的变化。最常见的研究三维结构及其运动规律的手段是X-射线晶体衍射技术。目前对生物大分子的研究已经达到原子水平。最典型的就是核糖体大小亚基晶体结构的研究。分子生物学的发展简史19世纪60年代，Mendel遗传学规律的发现最先使人们对性状遗传产生了理性认识。他认为基因是颗粒性因子（particulate factor），能够从亲本向子代传递，一个基因可以不同的形式（等位基因）存在。Mendel的遗传规律预示了染色

13、体上携带着基因这一事实。1869年，Friedrich Miescher发现核素（nuclein）其实核素的主要成分是DNA。20世纪初，Thomas Hunt Morgan的染色体理论和基因学说进一步将“性状”与“基因”相偶联，成为分子遗传学的奠基石。Morgan等提出染色体是遗传的单位，基因成线性排列于染色体上。1910年，德国科学家Kossel首先分离出腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸而获得诺贝尔生理医学奖。1944年，美国著名微生物学家Avery进行了著名的细菌转化实验。10多年后，进一步的实验证实DNA就是转化源。证明基因就是DNA分子，在遗传学上树立了全新的观点DNA是遗传信息的载体。19

14、52年，美国冷泉港遗传学家Hershey和Chase的噬菌体侵染细菌的实验进一步证明DNA是遗传物质。1953年，美国科学家Watson和英国科学家Crick提出DNA的双螺旋模型，并在1962年与Wilkins共享了诺贝尔生理医学奖。20世纪50年代，美国遗传学家McLintock提出并发现了可移动的遗传因子（jumping gene或mobile element），并在1988年获诺贝尔生理医学奖。1958年，Meselson和Stahl进行了DNA半保留复制的实验。1959年，美国科学家Uchoa发现了细菌的多核苷酸磷酸化酶，成功地合成了核糖核酸，研究并重建了蛋白质的翻译过程。和Korn

15、berg分享了当年的诺贝尔生理医学奖，后者的主要贡献在于DNA分子在细菌细胞和试管内的复制。1962年，英国科学家Kendrew和Perutz由于测定了肌红蛋白和血红蛋白的高级结构而荣获诺贝尔化学奖。1965年，法国科学家Jacob和Monod提出并证实了操纵子（operon）作为调节细菌细胞代谢的分子机制，而与Iwoff分享了诺贝尔生理医学奖。Jacob和Monod还首次提出mRNA分子的存在，对于以后分子生物学的发展起了及其重要的作用。1969年，美国科学家Nirenberg由于在破译遗传密码方面的贡献与Holly和Khorana等人分享了诺贝尔生理医学奖。Holly的主要功绩在于阐明了酵

16、母丙氨酸tRNA的核酸序列，并证实所有tRNA具有结构上的相似性，而Khorana第一个合成了核酸分子，并人工复制了酵母基因。1975年，美国科学家Temin和Baltimore由于发现RNA肿瘤病毒中存在以RNA为模板，逆转录生成DNA的逆转录酶，而共享诺贝尔生理医学奖。1980年，Sanger因设计出一种测定DNA分子内核苷酸序列的方法，而与Berg和Gilbert分享诺贝尔生理医学奖。Sanger还由于测定了牛胰岛素的一级结构而获得1958年的诺贝尔化学奖。1984年，德国科学家Kohler、美国科学家Milstein和丹麦科学家Jerne由于发展了单克隆抗体技术，完善了极微量蛋白质的检

17、测技术而分享了诺贝尔生理医学奖。1989年，美国科学家Altman和Cech由于发现某些RNA具有酶的功能（称为核酶）而共享诺贝尔化学奖。同年，Bishop和Varmus由于发现正常细胞同样带有原癌基因而分享诺贝尔生理医学奖。1986年，著名生物学家、诺贝尔奖获得者雷纳托杜尔贝科（Renato Dulbecco）在Science杂志上率先提出“人类基因组计划”（Human Genomic Project,简称HGP）。1990年美国能源部与国立卫生院启动人类基因组计划。英国、法国、日本也建立基因组中心开展研究。90年代后期，HGP加速，德国和中国相继加入这一计划。中国于1994年正式启动人类基

18、因组计划并于1999年9月加入这一国际协作组，负责测定人类基因组全部序列的1%，成为参与这一计划的唯一发展中国家。在2000年6月26日由美国总统克林顿与英国首相布莱尔联合宣布人类基因组工作框架图完成，这一天也因此成为人类历史上“值得载入史册的一天”。1993年，美国科学家Robert和Sharp由于在断裂基因方面的工作而荣获诺贝尔生理医学奖。同年，美国科学家Mulis由于发明PCR仪而与第一个设计基因定点突变的Smith共享诺贝尔化学奖。1994年，美国科学家Gilman和Rodbell由于发现了G蛋白在细胞内信号传导中的作用而分获诺贝尔生理医学奖。1995年，美国人Lewis、德国人Nus

19、slein-Volhard和美国人Wieschaus由于在20世纪4070年代先后独立鉴定了控制果蝇体节发育的基因而分获诺贝尔生理医学奖。1996年，澳洲籍的Peter C.Doherty和瑞士的Rolf M.Zinkernagel由于发现了在器官移植排斥反应中起作用的主要组织相容性抗原（MHC），为以后研究免疫系统对抗病毒的作用机制提供了正确的方向而荣获诺贝尔生理医学奖。1997 年诺贝尔生理医学奖颁发给美国加州大学旧金山分校的Stanley Prusiner 教授。这项殊荣是肯定布鲁希纳教授在研究引起人类脑神经退化而成痴呆的古兹菲德-雅各氏病(Creutzfeldt-Jakob disea

20、se,CJD)病原体的贡献。发现了朊蛋白（Prion）,并在其致病机理的研究方面做出了杰出贡献。1998年，弗奇戈特,伊格纳罗及穆拉德这三位美国药理学家由于发现硝酸甘油及其他有机硝酸脂通过释放一氧化氮气体而舒张血管平滑肌,从而扩张血管，并确定一氧化氮是一种信号分子，而荣获诺贝尔生理/医学奖。1999年诺贝尔生理医学奖由Rockefeller大学的分子生物学家Gunter Blobel所获得，他的研究结果改写了以前对于细胞内蛋白质的转运机制的观点。2000年的诺贝尔生理医学奖由Arvid Carlsson，Paul Greengard和Eric Kandel三位科学家获得。他们主要研究了信号在神

21、经系统中的传递，对于了解学习与记忆、信号传递失调所造成的神经和精神疾病与治疗药物的研发上有重要的贡献。2001年的诺贝尔生理医学奖由Leland Hartwell、Tim Hunt和Paul Nurse分享。他们发现细胞周期的正常运转有赖于细胞引擎分子Cdks-cyclin、癌基因、抑癌基因和细胞周期调节蛋白彼此相互作用而构成的一个调节网络。这些工作促成了对细胞增殖 网络调节的精细认识。年诺贝尔生理学或医学奖分别授予英国科学家悉尼布雷内、美国科学家罗伯特霍维茨和英国科学家约翰苏尔斯顿，以表彰他们为研究器官发育和程序性细胞死亡过程中的基因调节作用所作出重大贡献。通过对线虫的研究，他们找到了调节器

22、官发育和程序性细胞死亡的关键基因，并证实在包括人类在内的较高等物种中也存在相应的基因。这一发现对于医学研究具有重要意义，为探索许多疾病的发病机理开辟了新的途径。2002年11月21日上午，国家科技部、中国科学院、上海市人民政府在上海联合举行新闻发布会。中国科学院副院长陈竺院士在会上宣布：中国大陆科学家完成了所承担的国际水稻基因组计划第四号染色体精确测序任务，对国际水稻基因组计划测序工作的贡献率达10%。这是我国迄今为止完成的最大的基因组单条染色体的精确测序。这标志着我国在大基因组测序方面已经具备构建完成图的绘制能力，成为基因组学研究强国之一。2002年12月6日，国际小鼠基因组测序合作组织(M

23、ouse Genome Sequencing Consortium)终于在Nature上发表了这一期待已久的，又一个具有历史性意义的基因图谱！更加令人惊奇的是，该工作表明小鼠的基因数目同样也有30,000左右，而且有99%的基因都能在人类基因组中找到相应的同源基因！人与鼠，有着相近的基因数量，相似的基因结构，却有着迥然不同的表型与性状，这又一次很清晰地向我们表明的非编码区(Non-coding Region)和基因调控(Gene Regulation)研究的重要性！2003年2月14日，苏格兰罗斯林研究所向外界宣布，多莉因早衰并患有进行性肺炎，已经病入膏肓，研 究人员无奈之下为多莉实施了安乐死

24、。2002年1月科学家就发现多莉羊的左后腿患上了关节炎这种典型的“高龄病症”。多莉羊壮年死于老年羊常得的肺部感染疾病，再次引起世人关注。克隆动物出现早衰到底是偶然现象，还是克隆技术不可避免的结果，还是目前的克隆技术不完善所致？这有待科学家做进一步研究。分子生物学展望 目前分子生物学研究总的趋势是，正向生物各学科广泛渗透，相互促进，不断深入和发展。DNA重组技术的应用，使得基因克隆分析日益成为全世界生物科学工作者手中的常规武器。遗传学是分子生物学发展以来受影响最大的学科。越来越多的遗传学原理正在被分子水平的实验所证实或推翻，许多遗传病已经得到控制或矫正，许多经典遗传学无法解决的问题和无法破译的奥秘，也相继被攻克。分子生物学的发展全面推动了细胞生物学和神经生物学的发展。分类和进化研究是生物学中最古老的领域，它们同样由于分子生物学的渗透而获得了新生。分子生物学还对发育生物学研究产生了巨大的影响。总之，分子生物学的发展揭示了生命本质的高度有序性和一致性，是人类在认识论上的重大飞跃。生命活动的一致性决定了本世纪的生物学将是真正的统一生物学（general biology），是生物学范围内所有学科在分子水平上的统一。