分子生物学导论优秀PPT.ppt

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1、分子生物学导论第1页，本讲稿共65页课程内容细胞与大分子蛋白质结构核酸的性质原核与真核生物的染色体结构DNA复制DNA损伤、修复与重组基因操作第2页，本讲稿共65页克隆载体基因文库与筛选克隆DNA的分析与应用原核生物的转录原核生物的转录调控真核生物的转录真核生物的转录调控第3页，本讲稿共65页RNA加工与核糖核蛋白复合体遗传密码与tRNA蛋白质合成噬菌体与真核生物病毒肿瘤病毒与癌基因第4页，本讲稿共65页第一章第一章 绪绪 论论第一节第一节 分子生物学发展的基础分子生物学发展的基础（一）（一）创世说和进化论创世说和进化论三个与生命现象相关的基本问题三个与生命现象相关的基本问题w生命是怎样起源的

2、？生命是怎样起源的？w为什么为什么“有其父必有其子有其父必有其子”？w动、植物个体是怎样从一个受精卵发育而来的？动、植物个体是怎样从一个受精卵发育而来的？n创世说创世说w上帝创造了世间万物，包括人类。上帝创造了世间万物，包括人类。第5页，本讲稿共65页什么是生命？生命如何定义？从生物学角度的定义从物理学角度的定义从生物物理学角度的定义“生命”的完整的、系统的定义第6页，本讲稿共65页从生物学角度“生命”被定义为：由核酸和蛋白质等物质组成的多分子体系，它具有不断自我更新、繁殖后代以及对外界产生反应的能力。第7页，本讲稿共65页从物理学角度的定义:“生命”=“负熵”热力学第二定律指出，任何自发过程

3、总是朝着使体系越来越混乱、越来越无序的方向，即朝着熵增加的方向变化。生命的演化过程总是朝着熵减少的方向进行，一旦负熵的增加趋近于零，生命将趋向终结，走向死亡。第8页，本讲稿共65页从生物物理学角度的定义生命有三要素：物质、能量、信息在生物体的整个运动过程中，贯穿了物质、能量、信息三者的变化、协调和统一。第9页，本讲稿共65页其他说法生理学的定义：生命体是具有进食、代谢、排泄、呼吸、运动、生长、生殖和反应性功能的系统；新陈代谢的定义：生命系统具有界面，与外界经常交换物质、但不改变自其身性质；生物化学的定义：生命系统包含着储藏遗传信息的核酸和调节代谢的酶蛋白；遗传学的定义：生命系统是通过基因复制、

4、突变和自然选择而进化的系统；热力学的定义：生命系统是一个开放系统，它通过能量流动和物质循环而不断增加内部秩序。第10页，本讲稿共65页（二）（二）达尔文学说达尔文学说w1859年达尔文发表了著名的年达尔文发表了著名的物种起源物种起源一一书，提出了进化论学说。其进化论思想的书，提出了进化论学说。其进化论思想的精髓可概括为精髓可概括为“物竞天择，适者生存物竞天择，适者生存”几几个字。他认为世界上的一切生物都是可变个字。他认为世界上的一切生物都是可变的，物种的变异是由于大自然的环境和生的，物种的变异是由于大自然的环境和生物群体的生存竞争造成的。物群体的生存竞争造成的。第11页，本讲稿共65页（三）（

5、三）细胞学说的建立细胞学说的建立十七世纪末十八世纪初，荷兰的十七世纪末十八世纪初，荷兰的Leeuwenhoek制作了世界上第一台显微镜，并观察了诸多生制作了世界上第一台显微镜，并观察了诸多生物样本。物样本。大约与其同时代的大约与其同时代的Hooke第一个提出第一个提出“细胞细胞”一词。一词。第12页，本讲稿共65页十九世纪，德国植物学家十九世纪，德国植物学家Schleiden和动物学家和动物学家Schwann建立了细胞学说。他们认为：所有组织的最建立了细胞学说。他们认为：所有组织的最基本单元是形状非常相似而又高度分化的细胞。细胞的基本单元是形状非常相似而又高度分化的细胞。细胞的发生和形成是生物

6、界普遍和永久的规律。发生和形成是生物界普遍和永久的规律。第13页，本讲稿共65页（四）（四）经典的生物化学和遗传学经典的生物化学和遗传学n进化论和细胞学说的结合，产生了现代生物进化论和细胞学说的结合，产生了现代生物学。而以研究动、植物遗传变异规律为目标学。而以研究动、植物遗传变异规律为目标的遗传学和以分离纯化、鉴定细胞内含物质的遗传学和以分离纯化、鉴定细胞内含物质为目标的生物化学则是这一学科的两大支柱。为目标的生物化学则是这一学科的两大支柱。第14页，本讲稿共65页n经典的生物化学的成就经典的生物化学的成就w十九世纪，人们就已经发现了蛋白质。到十九世纪，人们就已经发现了蛋白质。到二十世纪初，组

7、成蛋白质的二十世纪初，组成蛋白质的2020种氨基酸被种氨基酸被相继发现。相继发现。FisherFisher还论证了连接相邻氨基还论证了连接相邻氨基酸的酸的“肽键肽键”的形成。细胞的其他成分，如的形成。细胞的其他成分，如脂类、糖类和核酸也相继被认识和部分纯化。脂类、糖类和核酸也相继被认识和部分纯化。第15页，本讲稿共65页w1869年年，Misescher首次从莱茵河鲑鱼精首次从莱茵河鲑鱼精子中分离到子中分离到DNA。w1910年，德国科学家年，德国科学家Kossel首先分离得到了首先分离得到了腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸。腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸。第16页，本讲稿共65页n经典遗传学的建立和发展经

8、典遗传学的建立和发展w1865年，年，奥地利科学家孟德尔奥地利科学家孟德尔（Gregor Mendel）发表了发表了植物杂交试验植物杂交试验一书，一书，提出了遗传学的两条基本规律：统一律和提出了遗传学的两条基本规律：统一律和分离律。他认为：生物的每一种性状都是分离律。他认为：生物的每一种性状都是由遗传因子控制的，这些因子可以从亲代由遗传因子控制的，这些因子可以从亲代到子代，代代相传。到子代，代代相传。第17页，本讲稿共65页n1909年，丹麦遗传学家年，丹麦遗传学家W.Johannsen首先使用首先使用“基因基因”一词。一词。第18页，本讲稿共65页二十世纪初，美国遗传学家二十世纪初，美国遗传

9、学家Morgan提出提出了基因学说。他指出：了基因学说。他指出：种质必须由独立种质必须由独立的要素组成，我们把这些要素称为遗传的要素组成，我们把这些要素称为遗传因子，或者简单地称为基因。因子，或者简单地称为基因。第19页，本讲稿共65页nMorgan及其助手发现了及其助手发现了连锁遗传规连锁遗传规律律，并且第一次将代表某一性状的基，并且第一次将代表某一性状的基因，同某一特定的染色体联系起来。因，同某一特定的染色体联系起来。第20页，本讲稿共65页第二节第二节 分子生物学发展简史分子生物学发展简史 分子生物学的定义分子生物学的定义：是研究核酸、蛋白质等所有生物大分子是研究核酸、蛋白质等所有生物大

10、分子的形态、结构特征及其重要性、规律性的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学。和相互关系的科学。第21页，本讲稿共65页1928年英国科学家年英国科学家Griffith等人发现肺等人发现肺炎链球菌可以引起肺炎，导致小鼠死亡炎链球菌可以引起肺炎，导致小鼠死亡。1944年美国微生物学家年美国微生物学家Avery通过肺炎通过肺炎链球菌对小鼠的感染实验，证明链球菌对小鼠的感染实验，证明DNA是是遗传信息的载体遗传信息的载体。第22页，本讲稿共65页1953年年Watson和和Crick提出提出DNA右手右手双螺旋模型，于双螺旋模型，于1962年和年和Wilkins共享共享诺贝尔生理医学奖。

11、诺贝尔生理医学奖。同年，同年，Sanger首次阐明了胰岛素的一级首次阐明了胰岛素的一级结构，开创了蛋白质序列分析的先河，结构，开创了蛋白质序列分析的先河，他于他于1958年获诺贝尔化学奖年获诺贝尔化学奖。第23页，本讲稿共65页1954年年Crick提出遗传信息传递的中提出遗传信息传递的中心法则。心法则。1958年年，Meselson和和Stahl提出了提出了DNA的半保留复制的半保留复制。第24页，本讲稿共65页1961年，法国科学家年，法国科学家Jacob和和Monod提提出了调节基因表达的操纵元出了调节基因表达的操纵元（operon）模型模型，1965年获得诺贝尔生理医学奖。年获得诺贝尔

12、生理医学奖。他们还首次提出了信使核糖酸他们还首次提出了信使核糖酸（mRNA）的存在及作用的存在及作用。同年，同年，Nirenberg等人应用合成的等人应用合成的mRNA分子分子poly(U)破译出第一批遗传破译出第一批遗传密码。密码。第25页，本讲稿共65页1966年，年，美国科学家美国科学家Nirenberg等人破等人破译了全部的译了全部的DNA遗传密码遗传密码，1969年与年与Holley和和Khorana分享了诺贝尔生理医分享了诺贝尔生理医学奖。学奖。1967年发现了可将年发现了可将DNA连接起来的连接起来的DNA连接酶连接酶。第26页，本讲稿共65页1970年年Smith、Qilcox

13、及及Kelley分离到分离到第一种可以在第一种可以在DNA特定位点将特定位点将DNA分子分子切开的限制性核酸内切酶。同年，美国切开的限制性核酸内切酶。同年，美国的的Temin和和Baltimore发现发现RNA肿瘤病肿瘤病毒中存在逆转录酶，他们于毒中存在逆转录酶，他们于1975年共享年共享诺贝尔生理学奖。诺贝尔生理学奖。第27页，本讲稿共65页1972年年，Berg、Boyer等人第一次成功等人第一次成功地完成了地完成了DNA重组实验重组实验。1974年，首次实现了异源真核生物的基年，首次实现了异源真核生物的基因在大肠杆菌中的表达。因在大肠杆菌中的表达。第28页，本讲稿共65页19751977

14、年，美国人年，美国人Sanger和和Gilbert发明了快速发明了快速DNA序列测定技术序列测定技术，并于并于1977年完成了噬菌体年完成了噬菌体X174基因基因组组（5386bp）的序列测定的序列测定。1980年年Sanger和和Gilbert与与Berg分享了诺贝尔分享了诺贝尔化学奖。化学奖。第29页，本讲稿共65页1982年年Prusiner提出提出“感染性蛋白质颗感染性蛋白质颗粒粒”的存在；次年将这种蛋白颗粒命名的存在；次年将这种蛋白颗粒命名为朊病毒蛋白为朊病毒蛋白（prion protein,PrP）。）。1997年，年，Prusiner因为发现朊病毒而获因为发现朊病毒而获得诺贝尔生

15、理医学奖。得诺贝尔生理医学奖。第30页，本讲稿共65页1984年，德国人年，德国人Kohler、美国人美国人Milstein和丹麦科学家和丹麦科学家Jern由于发由于发展了单克隆抗体技术而分享了诺贝展了单克隆抗体技术而分享了诺贝尔生理医学奖。尔生理医学奖。第31页，本讲稿共65页1986年年，Mullis发明了发明了PCR技术。技术。1993年年Mullis与第一个设计定点与第一个设计定点突变的突变的Smith共享了诺贝尔化学奖。共享了诺贝尔化学奖。第32页，本讲稿共65页1988年年Waston出任出任“人类基因组人类基因组计划计划”首席科学家，举世瞩目的人首席科学家，举世瞩目的人类基因组测

16、序工作开始启动类基因组测序工作开始启动。第33页，本讲稿共65页1993年，美国科学家年，美国科学家Roberts和和Sharp由于在不连续基因方面的工由于在不连续基因方面的工作而获得诺贝尔生理医学奖。作而获得诺贝尔生理医学奖。第34页，本讲稿共65页1996年，酵母基因组年，酵母基因组DNA的全的全部序列测定工作完成。部序列测定工作完成。2000年年6月月26日，人类基因组工日，人类基因组工作框架图绘制完成作框架图绘制完成第35页，本讲稿共65页第三节 分子生物学的研究内容DNA重组技术重组技术（基因工程）（基因工程）n（一）（一）DNA重组技术的含义重组技术的含义：指在指在体外体外将核酸分

17、子插入病毒、质粒或将核酸分子插入病毒、质粒或其他其他载体载体分子，构成遗传物质的新组合，分子，构成遗传物质的新组合，并将之并将之导入导入到原先没有这类分子的到原先没有这类分子的寄主寄主细胞内，从而使接受者产生细胞内，从而使接受者产生新的遗传性新的遗传性状状的技术。的技术。第36页，本讲稿共65页（二）（二）DNA重组技术的建立重组技术的建立n关键技术：关键技术：限制性内切酶限制性内切酶、DNA连接酶连接酶及其他及其他工具酶工具酶的发现和应的发现和应用。用。第37页，本讲稿共65页（三）（三）DNA重组技术的应用重组技术的应用w可用于大量可用于大量生产生产某些在正常细胞代谢中产某些在正常细胞代谢

18、中产量很低的多肽；量很低的多肽；w可用于定向可用于定向改造改造某些生物基因组结构某些生物基因组结构w可用于基础可用于基础研究研究第38页，本讲稿共65页基因表达调控研究基因表达调控研究w 生物个体在生长发育过程中，基因表达是按一生物个体在生长发育过程中，基因表达是按一定的时序发生变化（定的时序发生变化（时序调节时序调节），并随着内外），并随着内外环境的变化而不断加以修正（环境的变化而不断加以修正（环境调控环境调控）的。）的。基因表达调控研究的主要方面有：基因表达调控研究的主要方面有：第39页，本讲稿共65页（一）信号转导（一）信号转导（singnal transduction)信号转导信号转导

19、：指外部信号通过细胞膜上的受：指外部信号通过细胞膜上的受体传到细胞内部，并激发诸如离子通透性、体传到细胞内部，并激发诸如离子通透性、细胞形状或其他细胞功能方面的应答过程。细胞形状或其他细胞功能方面的应答过程。第40页，本讲稿共65页（二）（二）转录因子研究转录因子研究w转录因子转录因子：是指一群能与基因：是指一群能与基因5 5端上游端上游特定序列专一结合，从而保证目的基因以特定序列专一结合，从而保证目的基因以特定的强度在特定的时间与空间表达的蛋特定的强度在特定的时间与空间表达的蛋白质分子。白质分子。（三）（三）RNA剪接研究剪接研究第41页，本讲稿共65页生物大分子结构功能研究生物大分子结构功

20、能研究（又称结构分（又称结构分子生物学）子生物学）（一）概念：（一）概念：w是研究生物大分子特定的是研究生物大分子特定的空间结构空间结构及及结构的结构的运动变化运动变化与其生物学与其生物学功能功能关系关系的科学。的科学。第42页，本讲稿共65页（二）结构分子生物学的研究方向：（二）结构分子生物学的研究方向：w结构测定；结构测定；w结构运动变化规律；结构运动变化规律；w结构与功能关系的建立。结构与功能关系的建立。第43页，本讲稿共65页（三）结构分子生物学的研究手段（三）结构分子生物学的研究手段w物理和化学手段物理和化学手段：射线衍射的晶体：射线衍射的晶体学（蛋白质晶体学）；二维和多维核学（蛋白

21、质晶体学）；二维和多维核磁共振；电镜三维重组、电子衍射、磁共振；电镜三维重组、电子衍射、中子衍射和各种频谱学方法；化学合中子衍射和各种频谱学方法；化学合成；成；w分子生物学手段分子生物学手段第44页，本讲稿共65页人类基因组计划简介 Human Genome Project，HGP问题的提出问题的提出w7070年代对人类基因组的研究已具有一年代对人类基因组的研究已具有一定的雏形；定的雏形；w 19861986年著名遗传学家年著名遗传学家Mckusick V提出提出从整个基因组的层次研究遗传学的科从整个基因组的层次研究遗传学的科学称学称“基因组学基因组学”；第45页，本讲稿共65页n同年，诺贝尔

22、奖获得者同年，诺贝尔奖获得者Dulbecco R在在Science杂志上发表了题为杂志上发表了题为“癌症研究的癌症研究的转折点转折点人类基因组的全序列分析人类基因组的全序列分析”，得到了世界范围的响应；得到了世界范围的响应；n19861986年美国能源部宣布实施这一草案年美国能源部宣布实施这一草案；第46页，本讲稿共65页n19871987年美国能源部（年美国能源部（DOE）和国家）和国家健康研究院（健康研究院（NIH）为）为HGP下拔了下拔了经费经费1.661.66亿美元，开始筹建亿美元，开始筹建HGP实验室；实验室；第47页，本讲稿共65页19881988美国成立了美国成立了“国家人类国家

23、人类基因组研究中心基因组研究中心”由诺贝尔由诺贝尔奖获得者奖获得者Watson J出任第出任第一任主任。一任主任。第48页，本讲稿共65页世界的行动世界的行动w19871987年，意大利的国家研究委员会年，意大利的国家研究委员会（NRC）组织了）组织了1515个（后来发展到个（后来发展到3030个）实验室，开始个）实验室，开始HGP的研究；的研究；w19891989年年2 2月，英国的月，英国的HGP开始启动开始启动;第49页，本讲稿共65页w19901990年年6 6月，法国的国家月，法国的国家HGP开始启动；开始启动；w同月，欧共体通过了同月，欧共体通过了“欧洲欧洲HGP研究研究计划计划”

24、，主要资助，主要资助2323个实验室；个实验室；w19901990年年1010月月1 1日日 美国国会正式批准美国美国国会正式批准美国的的“HGP”启动，计划在启动，计划在1515年内投入至年内投入至少少3030亿美元进行人类全基因组的分析；亿美元进行人类全基因组的分析；第50页，本讲稿共65页w19941994年初，在吴旻、强伯勤、陈竺院士年初，在吴旻、强伯勤、陈竺院士和杨焕明教授的倡导下，中国的和杨焕明教授的倡导下，中国的HGP开始启动；开始启动；w19981998国家科技部在上海成立了中国南国家科技部在上海成立了中国南方基因中心，由陈竺院士挂帅；方基因中心，由陈竺院士挂帅；w199819

25、98年年19991999年成立了中国科学院北京人年成立了中国科学院北京人类基因组中心和北方人类基因组中心，类基因组中心和北方人类基因组中心，由中科院遗传所的杨焕明教授，强伯勤由中科院遗传所的杨焕明教授，强伯勤院士等人牵头；院士等人牵头；第51页，本讲稿共65页19951995年年6 6月，德国正式开始月，德国正式开始HGP。第52页，本讲稿共65页任务与进展任务与进展n遗传图谱遗传图谱（genetic map)：n定义定义w又称连锁图谱（又称连锁图谱（linkage map)或遗传连锁图或遗传连锁图谱（谱（genetic linkage map)，是指人类基因组，是指人类基因组内基因以及专一的

26、多态性内基因以及专一的多态性DNA标记标记(marker)相相对位置的图谱，其研究经历了从经典的遗传对位置的图谱，其研究经历了从经典的遗传图谱到现代遗传图谱的过程。图谱到现代遗传图谱的过程。第53页，本讲稿共65页n经典的遗传图谱（以基因表型为标记）经典的遗传图谱（以基因表型为标记）n现代遗传图谱（以现代遗传图谱（以DNA为标记）为标记）w第一代多态性标记：限制性片段长度多态第一代多态性标记：限制性片段长度多态性（性（restriction fragment length polymorphism,RFLP)，位点数目可，位点数目可达达10105 5以上。以上。第54页，本讲稿共65页w第二代

27、多态性标记：小卫星第二代多态性标记：小卫星/可变数量串可变数量串联重复（联重复（minisatellite/variable number tandem repeat,VNTR)及及微卫星微卫星/简短串联重复简短串联重复（microsatellite/simple tandem repeat,STR)。个数在。个数在60006000个以上。个以上。其中其中STRSTR具高度多态性，有的可形成几十具高度多态性，有的可形成几十种等位片段，是目前在基因定位的研究种等位片段，是目前在基因定位的研究中应用最多的标记系统。中应用最多的标记系统。第55页，本讲稿共65页w第三代多态性标记：单核苷酸多第三代多

28、态性标记：单核苷酸多态性（态性（single nucleotide polymorphism,SNP)。这种标记。这种标记在人类基因组中多达在人类基因组中多达300300万个。万个。第56页，本讲稿共65页n构建遗传图谱的基本原理：构建遗传图谱的基本原理：w真核生物在减数分裂过程中染色体进行真核生物在减数分裂过程中染色体进行重组和交换，染色体上任意两点之间发重组和交换，染色体上任意两点之间发生重组和交换的概率随着两点之间相对生重组和交换的概率随着两点之间相对距离的远近而发生变化。距离的远近而发生变化。第57页，本讲稿共65页n构建遗传图谱的意义：构建遗传图谱的意义：w通过连锁分析，可以找到某一

29、致病通过连锁分析，可以找到某一致病基因或表型的基因与某一标记邻近基因或表型的基因与某一标记邻近（即紧密连锁）的证据，从而可把（即紧密连锁）的证据，从而可把这一基因定位于染色体的特定区域，这一基因定位于染色体的特定区域，再对基因进行分离和研究。再对基因进行分离和研究。第58页，本讲稿共65页n物理图谱物理图谱（physical map):：n定义定义w用物理学方法构建的由不同的用物理学方法构建的由不同的DNADNA结构结构按其在染色体上的原始顺序和实际距按其在染色体上的原始顺序和实际距离排列的图谱。离排列的图谱。第59页，本讲稿共65页n内容内容w基因组的细胞遗传学图基因组的细胞遗传学图（cyt

30、ogenetic map，即染色体的区、，即染色体的区、带、亚带）；带、亚带）；w序列标签位点序列标签位点(sequence-tagged site,STS)图谱；图谱；第60页，本讲稿共65页wDNA“重叠群重叠群(contig)”图谱：图谱：把基因组把基因组文库中含有相同文库中含有相同STS序列的序列的DNA克隆克隆按照其在原始基因组上线形顺序进行排列，按照其在原始基因组上线形顺序进行排列，连接成相互重叠的连接成相互重叠的“片段重叠群片段重叠群(contig)”。是构建物理图谱的主要任。是构建物理图谱的主要任务；务；第61页，本讲稿共65页w大片段限制性内切酶切点图；大片段限制性内切酶切点

31、图；wcDNA/EST图谱；图谱；w基因组中广泛存在的特征性序列（如基因组中广泛存在的特征性序列（如CpG序列、序列、Alu序列等）的标记图等。序列等）的标记图等。第62页，本讲稿共65页n序列图谱：序列图谱：w20032003年之前完成。年之前完成。n基因图谱：基因图谱：w目标：在人类基因组中鉴别出全部基目标：在人类基因组中鉴别出全部基因的位置、结构和功能；因的位置、结构和功能；第63页，本讲稿共65页w定位方法：定位方法：cDNA/EST的染色体的染色体定位（实验手段，电子杂交）；定位（实验手段，电子杂交）；w完成时间：完成时间：200200？年完成。？年完成。第64页，本讲稿共65页n模式生物基因组：模式生物基因组：w酵母酵母19961996年年w大肠肝菌大肠肝菌19971997年年w线虫线虫19991999年年w果蝇果蝇20002000年年w拟南芥菜拟南芥菜20002000年年w小鼠小鼠20052005年之前完成年之前完成第65页，本讲稿共65页