分子生物学教案.pdf

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1、分子生物学教案生物0 62 0 0 9-2 0 1 0-0 14 8 学时刘小烛目录1、介绍教科书、作者、引言和序论2、染色体与DNA3、生物信息传递（上）一一从DNA到 RNA4、生物信息传递（下）从 mRNA到蛋白质5、分子生物学研究方法6、基因的表达与调控（上）一一原核基因表达调控模式7、基因的表达与调控（下）一一真核基因表达调控一般规律8、基因组与比较基因组学注：本教案涉及内容的讲课方法及手段全部为课堂教学第一章教学内容：介绍教科书、作者、引言和序论（1.引言、2.分子生物学简史、3.分子生物学的研究内容、4.分子生物学展望）教学目的：介绍本书基本结构和作者并鼓励大家争做“栋梁”；了解

2、分子生物学的发展史、现状和未来以及学生自身的时代，鼓励学生努力学习揭示生命科学规律的科学一 一分子生物学。讲课具体内容*介绍教科书及作者为什么选定此书？对现有的分子生物学书本进行了研究，较老的书把不该写的内容写进去了；有的书结构杂乱。而此书编辑脉络清晰，内容充实，具有现代气息，反映了分子生物学的主旋律，对本质一针见血，是一本很好的书。本书的基本内容适合你们。作者：对于第一作者大家可以看书，我着重介绍第二作者，他毕业于本校的前身一一北林，在秋木园上过学，后来在美国拿了博士学位，现在在美国康奈尔大学任教授，从事分子生物学工作，99年受国务院邀请，以百名在海外有成就的博士团的身份来参加建国50周年庆

3、典。他克隆了许多有用的基因，我对他的花卉矮壮基因和调控开花时间基因很感兴趣，我和他有合作。他是从这里走出去的，希望你们之中也有人走出向他那样的高度。结构：叙述很有条理，全书共分十章，分别为：1、序论2、染色体与DNA3、生物信息传递（上）一一从DNA到 RNA4、生物信息传递（下）一一从mRNA到蛋白质5、分子生物学研究方法6、基因的表达与调控（上）一一原核基因表达调控模式7、基因的表达与调控（下）一一真核基因表达调控一般规律后面三章（8、疾病与人类健康，9、基因与发育，10、基因组与比较基因组学）与林口学生关系不密切，就不分为各章进行介绍，将把一些新的热点介绍给大家。*介绍参考书首先把这两本

4、书推荐给大家，这是目前美国本科及研究生使用率最高的，很新的一本书。另外一本是我们实验的主要参考书。请大家注意书的特殊标记，不要读错了书。其次大体介绍分子生物学的书，图书馆及书店有许多有关方面的书，有兴趣的同学可以深学一些内容，欢迎与我探讨！刖言分子生物学的核心 1953年 Watson和 Crick提出了 DNA双螺旋模型，人们对基因理解由抽象化、概念化转为有准确的物质内容。这是分子生物学的核心。.分子生物学分化于生物化学分子生物学的分化20世纪90年代由于学科的渗透和交又，The International Union ofBiochemistry”更名为The International

5、Union of Biochemistry and Molecular Biology；中国生物化学学会”更名为“中国生物化学与分子生物学学会”；由原来中国生物化学学会主办的 生物化学现更名为 生命的化学，中国生物化学与分子生物学学会还增办了 中国生物化学与分子生物学学报、各省的也跟着更名。这时，分子生物学才真正的浮出水面，分子生物学研究的核心内容才真正的明晰起来。80年代的分子生物学：当时的分子生物学是这样叙述的：分子生物学是在分子水平上研究生物的结构、组织和功能的科学。主要涉及的内容有蛋白的结构、酶、抗体、生物膜、核酸等等。对于生化来说可以认为没有新的内容，仅为生化的一部分。分子生物学实际

6、是核酸生物学:就在人体基因组计划开始实施的2 0 世纪9 0 年代,也就是“生化学会”更名的年代，分子生物学才从生物化学中较为清晰的分化出来：分子生物学所关心的主要是核酸在细胞生命过程中的作用，包括核酸本身的复制、保存以及基因的表达与调控规律，这门学科应该被称为核酸生物学。分子生物学名词是图省事新鲜发明的。由于言简意赅，易于接受传播，符合传媒口味，一旦炮制，不胫而走深入人心，尽管不十分贴切，这个学科名词就这样定了下来。重大事件：2 0 0 3年 4月 1 4日，国际人类基因组测序组宣布：人类基因组序列图-“完成图”提前绘制成功。人类基因组计划成果可以揭示人类生命活动的奥秘。基因遗传性疾病、严重

7、危害人类健康的易感性疾病的致病机理有望得到彻底阐明。学习目的和意义2 0 世纪初以来，生命科学所取得的巨大成就和进步，使生物学这门学科在自然科学中的地位发生了革命性的变化。生物学革命也为物理学、数学、化学、信息科学、材料与工程科学注入了大量新鲜血液，提出了数不胜数的新问题、新概念和新思路。它在各个科学之间广泛渗透，相互交叉，相互作用，极大地推动了科学的发展。生物学已经成为带头学科。人类面临的人口膨胀、粮食短缺、环境污染、疾病猖獗、能源资源贵乏、生态平衡被破坏及生物物种消亡等一系列重大问题。为了解决这些问题以及彻底认识自己，了解自己深深地吸引着人类自身。分子生物学从分子水平深入探索生命与自然的奥

8、秘，全面改造和改良我们的生存环境与生存质量。分子生物学作为生物学科最新兴、最具活力的科学，在推动我国科学事业的发展、推动生物工程产业的倔起、推动国民经济持续高速发展等方面均有着举足重轻的影响。落后就要挨打，就要受人宰割。没有强大的分子生物学基础研究，我们就不可能在生物工程这个2 1 世纪的龙头产业中占有一席之地，就不可能与世界列强平等对话。知识就是力量，就是财富！谁拥有了先进的科学技术，谁就拥有了在世界上立于不败之地的法宝。一、绪 论（1.引言；2.分子生物学简史；3.分子生物学的研究内容；4.分子生物学展望）1.引言现代生物学研究的目标是要在分子水平上掌握细胞的功能并揭示生命的本质。从 2

9、0 世纪 4 0 年代开始，生命科学家赢得了当代自然科学最伟大的革命的胜利，揭开生物遗传之谜。D N A 的结构与功能、R N A 在蛋白质合成中的功能、蛋白质的结构与功能、遗传密码及基因表达调控的本质等重要问题相继被阐明。分子水平的生物学研究，正越来越多地影响传统生物科学的各个领域。首先简单介绍有关历史背景知识和人物，包括对遗传的最基本单位一一基因化学本质的认识。1 1 创世说与进化论多少年来，人们常常会反复提出下面3 个与生命和一切生物学现象有关的问题：1、生命是怎样起源的？2、为什么“有其父必有其子？3,动、植物个体是怎样从一个受精卵发育而来的？直到1 9 世纪初叶，这些问题大都只能从宗

10、教或迷信的角度进行回答。西方人一直相信基督教的宣传，相信上帝先创造了花草树木、世间万物，后来又创造了男人亚当，再从亚当身上抽出一根肋骨，这就成了女人夏娃。亚当、夏娃婚配繁衍产生了人类。1859年，伟大的英国生物学家达尔文(ChNlesDw win)发表了著名的 物种起源一书，确立了进化论的概念。生物进化学说，打破了上帝造人的传统观念，改变了人们对人类在整个世界中的地位的看法，极大地推动了人类思想的发展。达尔文从小热爱大自然，喜欢采集动、植物标本。他16岁到爱丁堡大学学习，在研讨拉马克的进化学说时。他觉得拉马克不信”上帝创造一切 的 创世说，却又拿不出令人信服的证据。使达尔文的思想陷于矛盾和斗争

11、之中，他决心深人大自然去寻找答案。后来，他以自然科学家的身份，参加了历时5年的贝格尔号军舰环球旅行，他观察过火山，经历过地震，见到了各种形形色色稀奇古怪的动物和植物。他采集了大量动、植物标本和化石并细心地进行比较、鉴别和研究，提出并解答了 系列学术问题。他认为；大陆自古以来发生过许多次巨变，如冰川时期等，所以不可能存在亘古不变的动、植物。从贝格尔号回到英国以后，他发表了一系列论文，逐步阐述了生物进化的观点。在 物种起源 这部划时代的科学巨著中，他用大量事实证明 物竞天择，适者生存 的进化论思想。他认为世界上的一切生物都是可变的，井预言从低级到高级的变化过程中必定有过渡物种存在。他指出物种的变异

12、是由于大自然的环境和生物群体的生存竞争造成的，彻底否定了上帝创造万物的旧思想，推翻了物种不变的神话，使生物学真正迈入实证自然科学的行:列。通过记载不同动、植物的地理分布，研究近亲种族的解剖学、形态学的相似性和变异率，达尔文第个认识到生物世界的不连续性。他提出许多环境因素，如大地变迁、特定区域内的温度、降雨量变化及气候条件改变，都会以“自然选择压力 的形式在生物体的世代遗传中体现出来。在这种”自然选择压力”之下，新物种才不断诞生。旧的、与环境不再相容的物种也不断消亡。对于每一个动、植物种群来说，因为总是有大大多于可能生存下来的个体出生，所以为生存而斗争是长期的、永久的。如果某些个体偶然获得了于自

13、身有利的变异，就会在生与死的斗争中占同类的卜.风，从而生存下来。根据遗传学原理，任何生存下来的个体都倾向于扩增其经过修饰的新性状，以保持生存优势。达尔文关于生物进化的学说及其唯物主义的物种起源理论，是生物科学史上最伟大的创举之一，具有不可磨灭的贡献。为了纪念这位生物科学大师，人们把进化论称为达尔文学说大家要牢固地建立起唯物主义的物种起源理论观点！1 2 细胞学说17世纪末叶，荷兰籍显微镜专家Leeuwenhoek制作成功了世界第一一架光学显微镜。通过这一装置，他看到了一系列肉眼看不到的单细胞生物。他第一个观察到精子，发现了酵母菌，描述了红细胞等等。他断定微生物不是由泥沙尘埃产生的，而是和动物一

14、样，有完整的生活史。大约与Leeuwenhoek同时代的Hooke,第一次用 细胞”这个概念来形容组成软木的最基本单元。但是直到19世纪中叶，这一概念才正式被科学界所接受。随着显微技术、组织保存技术和超薄切片技术的不断发展，科学家发现动、植物组织都是由细胞所组成，而且细胞是可以分裂的，每一个细胞都是或曾经是一个单独的活的实体，包含有生命的全部特征。动、植物的基本单元是细胞，这是细胞学说的核心。细胞的发生和形成是生物学界普遍和永久的规律。每一个动、植物个体实际上是千千万万个生命单元的总和，而这些微小单元一一细胞，包含了所有的生命信息。细胞学说对生物科学最重要的贡献在于:因为单个细胞生长分裂，组织

15、、器官和个体的生命现象实际上是细胞活动的总和，所以细胞可以而且应该成为生物学研究的首要对象。1.3经典的生物化学和遗传学进化论和细胞学说相结合，产生了现代生物学；以研究动、植物遗传变异规律为目标的遗传学利以分离纯化、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。19世纪中叶，人们发现动物和植物细胞的提取液中主要是一些能受热或酸变性形成纤维状沉淀的物质。这些物质包含有大体相等摩尔浓度的碳、氢、氧和氮。科学家将这些物质命名为蛋白质。蛋白质是生活细胞中所有化学反应的执行者和催化剂。生物化学执行着双重使命：分析细胞的组成成分和弄清楚这些物质与细胞内生命现象的联系。19世纪中叶到20世纪初，是

16、早期生物化学的大发展阶段，组成蛋白质的20种基本氨基酸被相继发现。著名生物化学家Fisher还论证了连接相邻氨基酸的“肽键”的形成。细胞的其他部分，如脂类、糖类和核酸也相继在那一阶段被科学家所认识和部分纯化。当时:科学家还无法解释细胞内最重要的生命活动，即细胞成分是如何世代相传的。奥地利大科学家、经典遗传学创始人孟德尔(Gregor Men加1)发现并提出遗传学定律的故事像是不朽的神话，在生物学界被广泛传诵。孟德尔从小爱好园艺，他对 种瓜得瓜，种豆得豆”的生物遗传现象感到好奇和困惑。他做了许多试验，例如，他用产生圆形种子的豌豆同产生皱皮种子的豌豆杂交，得到几百粒全是圆形的杂交子一代(R)种子。

17、第二年，他种植了253粒R 圆形种子并进行自交，得到7324粒F2种子，其中有5474粒是圆形的，1850粒是皱皮的，用统计学方法计算出圆皱比为3:1。他还进行了具有2个对立性状的豌豆品系之间的双因子杂交试验。他发现当选用产生黄色圆形种子的豌豆品系同产生绿色皱皮种子的豌豆品系进行杂交时，所产生的R 种子全是黄色圆形的，但在自交产生的F2代556粒种子中，不但出现了2种亲本类型，而且还出现了2种新的重组类型，其中黄色圆形315粒，黄色皱皮121粒，绿色圆形108粒，绿色皱皮32粒。这4种类型的比例接近于9:3:3:1。根据以上现象，孟德尔总结出生物遗传的两条基本规律：第一，当两种不同植物杂交时，

18、它们的下一代可能与亲本之一完全相同。这一现象称为统一律。根据自己长期的实验结果，孟德尔认为，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到子代，代代相传。在体细胞内，遗传因子是成对存在的。其中一个来自父本，一个来自母本。形成配子时成对的遗传因子彼此分开，单独存在。他还认为，有些遗传因子以显性(dominant)形式存在，即能在任何杂种一代中得到表达;而有些因子呈隐性(recessive)状态，只有当父、母本同时含有这一因子时.，才得到表现。第二，将不同植物品种杂交后的F,代种子再进行杂交或自交时，下一代就会按照一定的比例发生分离，因而具有不同的形式。他把这一现象称为分离规律。如把红

19、花和白花杂交，得到的8株3 代植株全部为灰色花，互相交配结果得到2株红花、2株白花、4株灰色花。这一代的白色花互相交配，将永远得到白色花，红色花互相交配得到的永远是红色花。但这代的灰色花互相交配，其结果就像上一代那样，仍旧是2红、2白、4灰。所有这些花朵，都按照孟德尔的分离规律依次遗传下去。分离规律对每一代动、植物都适用。在孟德尔遗传学的基础上，美国著名的遗传学家Morgan又提出了基因学说。他的红眼果蝇和白眼果蝇的研究很有名由于一是遗传学的内容，这里不多讲。结果是，白眼隐性突变基因确实位于X染色体上。这一现象被称为遗传性状的连锁定律，又称连锁遗传。Morgan第一次将代表某一特定性状的基因，

20、同某一特定的染色体联系起来，使科学界普遍认识了染色体的重要性并接受了孟德尔的遗传学原理。Morgan特别指出：种质必须由某些独立的要素组成，我们把这些要素称为遗传因子，或者更简单地称为基因。开始有了基因在染色体内的初步认识。到了这里我希望大家建立这样的概念：染色体好比艘轮船，基因就是船上的一个部件。1 4 DNA的发现1 9 5 3 年W a t s o n 和C r i c k 提出了D N A 双螺旋模型，从此人们对基因就有了准确的物质内容的认识。然而，在这是之前，人们对于基因的理解仍然是抽象的、概念化的，缺乏准确的物质内容；对核酸是遗传信息的载体没有认识，还以为只有像蛋白质这样复杂的大分

21、子才可以担当决定细胞生物学特性和遗传的重托。那时的遗传学家，没有探明基因的结构特征，不能解释基因是怎样在细胞繁殖过程中准确地复制和遗传的。1 9 2 8 年英国科学家G r i f f i t h 等人发现，肺炎链球菌使小鼠死亡的原因是引起肺炎。细菌的毒性（致病力）是由细胞表面荚膜中的多糖所决定的。具有光滑外表的S 型肺炎链球菌因为带有荚膜多糖而能使小鼠发病，具有粗糙外表的R 型细菌因为没有荚膜多糖而失去致病力（荚膜多糖能保护细菌免受动物白细胞的攻击）o肺炎犍球菌s型前体死s型菌体R型密体死小U体内有活s型菌体/布死S型体+活R型苗体感染小取转化提取死S型前体DNA与R型活体混合图1-1 DN

22、A是“转化源”活s型菌体首先用实验证明基因就是D N A 分子的是美国著名的微生物学家A ve ry。将光滑型致病菌（S 型）烧煮杀灭活性以后再侵染小鼠，发现这些死细菌丧失了致病能力（图1）。再用活的粗糙型细菌（R 型）来侵染小鼠，也不能使之发病，因为粗糙型细菌天然无致病力。然而，当他们将经烧煮杀死的S 型细菌和活的R 型细菌混合再感染小鼠时；奇迹发生了！实验小鼠死亡。解剖死鼠，发现有大量活的S 型（而不是R 型）细菌。他们推测，死细菌中的某一成分一转化源（tra n sf e rm i n g pri n c i pl e）将无致病力的细菌转化成病原细菌。1 0 多年后，实验表明，D N A

23、 就是转化源。死细菌的蛋白质及细胞失去生命功能，但只要死细菌的D N A 不被破坏，死细菌D N A 在活的R 型细菌中可转化出活的S 型致病菌，从而导致了小鼠死亡。这一重大发现轰动了整个生物界。改变了“只有像蛋白质这样复杂的大分子才可以担当决定细胞生物学特性和遗传的重托”的固有认识。在遗传学理论上树立了全新的观点及D N A 是遗传信息的载体。美国冷泉港卡内基遗传学实验室科学家He rsh e y和他的学生C h a se 在1 9 5 2 年从事噬菌体侵染细菌的实验（图1-2）。噬菌体专门寄生在细菌体内。它的头、尾外部都有由蛋白质组成的外壳，头内主要是D N A。噬菌体侵染细菌的过程可以分

24、为以下5 个步骤：1.噬菌体用尾部的末端（基片、尾丝）吸附在细菌表面;2.噬菌体通过尾轴把D N A 全部注入细菌细胞内，噬菌体的蛋白质外壳则留在细胞外面;3.噬菌体的D N A 一旦进入细菌体内，它就能利用细菌的生命过程合成噬菌体自身的D N A 和蛋白质;4.新合成的D N A 和蛋白质外壳，能组装成许许多多与亲代完全相同的子代噬菌体;5.子代噬菌体由于细菌的解体而被释放出来，再去侵染其他细菌。在这整个过程中，D N A 是关键。3B部i|二idMOE二i8!皿毡3US即黑葭一r i;他hz、MmRaII那么，D N A 到底是什么样的呢?在1 9 4 4 年的研究报告中，A v e r

25、y 写道：当溶液中酒精的体积达到9 0 时，有纤维状物质析出。如稍加搅动，这种物质便会像棉线绕在线轴上一样绕在硬棒上，溶液中的其他成分则以颗粒状沉淀留在下面。溶解纤维状物质并重复沉淀数次，可提高其纯度。这一物质具有很强的生物学活性，初步实验证实它很可能就是D N A（谁能想到!八对D N A 分子的物理化学研究导致了现代生物学翻天覆地的革命！本节的教学目的：让学生树立唯物主义进化论观点；了解从性状到细胞再到染色体再至 U D N A 的的历史，知道分子生物学产生的历史。2、分子生物学简史分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子的形态、结构特征及其规律性和相互关系的科学，是人类从分子水平上真正揭

26、示生物世界的奥秘，由被动地适应自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学科。同一生物不同世代之间的连续性是由生物体自身所携带的遗传物质所决定的。科学家为揭示这些遗传密码所进行的努力成为人类征服自然的一部分。以生物大分子为研究对象的分子生物学迅速成为现代生物学领域里最具活力的科学。从1 8 4 7 年S c h l e i d e n 和S ch w an n 提出“细胞学说”到证明动、植物都是由细胞组成的，短短一百多年的时间，人们对生物大分子一一细胞的化学组成已经有了深刻的认识。孟德尔的遗传学规律最先使人们对性状遗传产生了理性认识，而M o r g an 的基因学说则进一步将 性状”与“基因”相

27、偶联，成为现代遗传学的奠基石。随着核酸化学研究的进展，W at s o n 和C r i ck 提出了脱氧核糖核酸的双螺旋模型，为充分揭示遗传信息的传递规律铺平了道路，是人类生物学研究史中最壮丽的历程碑。在蛋白质化学方面，继S u m n e r 在1 9 3 6 年证实酶是蛋白质之后,S an g e r 利用纸电泳及层析技术于1 9 5 3 年首次阐明胰岛素的一级结构，开创了蛋白质序列分析的先河。K e n dr e w 和P e r u t z 利用X 射线衍射技术解析了肌红蛋白（m y o g l o bi n）及血红蛋白（h e m o g l o bi n）的三维结构，论证了这些蛋

28、白质在输送分子氧过程中的特殊作用，成为研究生物大分子空间立体构型的先驱。为了解分子生物学的发展，看一看部分诺贝尔生理医学奖和化学奖获奖情况，以了解分子生物学的发展简史。1 9 1 0 年，德国科学家K o s s e l 因为蛋白质、细胞及细胞核化学的研究而获得诺贝尔生理医学桨，他首先分离出腺噪岭、胸腺嚏咤和组氨酸。1 9 5 9 年，美籍西班牙裔科学家U ch o a发现了细菌的多核昔酸磷酸化酶，成功地合成了核糖核酸，研究并重建了将基因内的遗传信息通过R NA 中间体翻译成蛋白质的过程。他和K o r n be r g 分享了当年的诺贝尔生理医学奖，后者的主要贡献是实现了D N A 分子在细

29、菌细胞和试管内的复制。19 62年，美国科学家Wa tso n 和英国科学家C ri c k 因为在19 53 年提出D N A 的反向平行双螺旋模型而与Wi l k i n s共享诺贝尔生理医学奖，后者通过对D N A 分子的X 射线衍射研究证实了Wa t so n 和C r i c k 的D N A 模型。同年，英国科学家K e n d re w 和Pe ru tz由于测定了肌红蛋白及血红蛋白的高级结构而荣获诺贝尔化学奖。19 65年，法国科学家Ja c o b 和M o n o d 由于提出并证实了操纵子(o p e ro n)作为调节细菌细胞代谢的分子机制而与I w o f f 分享了

30、诺贝尔生理医学奖。Ja c o b 和M o n o d 还首次提出m R N A。19 68年，美国科学家N i re n b e rg 由于在破译D N A 遗传密码方面的贡献，与H o l l e j tl K h o ra n a等人分享了诺贝尔生理医学奖。H o l l e y的主要功绩在于阐明了酵母丙氨酸tR N A 的核昔酸序列，并证实所有tR N A 具有结构上的相似性；K h o ra n a 第一个合成了核酸分子，并且人工复制了酵母基因。19 75年，美国人D u l b e c c o T e m i n 和B a I t i m o re 由于发现在R N A 肿瘤病:

31、毒中存在以R N A 为模板，逆转录生成D N A 的逆转录酶而共享诺贝尔生理医学奖。19 80年，S a n g e r和G i l b e rt因设计出一种测定D N A 分子内核甘酸序列的方法，与B e rg 分获诺贝尔化学奖。B e rg 是研究D N A 重组技术的元老，他最早(19 72)获得了含有编码哺乳动物激素基因的工程菌株。此外，S a n g e r还由于测定了牛胰岛素的一级结构而获得19 58年诺贝尔化学奖。19 84年，德国人K o h l e r、美国人M i l ste i n 和丹麦科学家Je rn e 由于发展了单克降抗体技术，完善了极微量蛋白质的检测技术而分享

32、了诺贝尔生理医学奖。19 89 年，美国科学家A l tm a n 和C e c h 由于发现某些R N A 具有酶的功能(称为核酶)而共享诺贝尔化学奖。B i sh o p 和V a rm u s由于发现正常细胞同样带有原癌基因而分享当年的诺贝尔生理医学奖。1 993 年，美国科学家M u lli s 由于发明P CR仪而与第一个设计基因定点突变的S m i t h 共享诺贝尔化学奖。1 994 年，美国科学家G i lm m 和Rdbell由于发现了 G 蛋白在细胞内信号转导中的作用而分享诺贝尔生理医学奖。1 996 年，澳大利亚科学家D o h er t y和瑞士人Zi n k er n

33、 ag el由于阐明了 T-淋巴细胞的免疫机制而分享了当年的诺贝尔生理医学奖。1 999年，美国科学家Blo bel由于阐述了蛋白质在细胞间的运转机制，明确了信号肽及信号识别复合物(S RP S,s i g n al-r ec o g n i t i o n p ar t i c les)在蛋白质跨膜运转过程中的主导作用而获得诺贝尔生理医学奖。2 0 0 0 年，德国科学家Car ls s o n 和美国人G r een g ar d及K an del由于在细胞内信号转导、帕金森综合症治疗、神经传导及记忆系统发育等方面的工作而分享诺贝尔生理医学奖。2 0 0 1 年，美国科学家H ar t w

34、 ell、英国科学家H u n t 和N u r s e因为对细胞周期调捽因子的研究而分享诺贝尔生理医学奖。此外，Av er y等人(1 94 4)关于强致病性光滑型(S 型)肺炎链球菌D N A导致无毒株粗糙型(R型)细菌发生遗传转化的实验并分离了 D N A、M es els o n 和S t ah l(1 95 8)关于D N A半保留复制的实验、Cr i c k 于1 95 4 年所提出的遗传信息传递规律(即中心法则，图 1-3)、Yan o f s k y和Br en er (1 96 1)关于遗传密码三联手的设想都对分子生物学的发展起了重大作用。图1-3遗传信息传递的中心法则生理功

35、能2 0 世纪6 0 年代、7 0 年代和80 年代，我国科学家相继实现了人工全合成有生物学活性的结晶牛胰岛素。采用有机合成与酶促相结合的方法完成了酵母内氨酸转移核糖核酸的人工全合成。在酶学研究、蛋白质结构及生物膜结构与功能等方面都有所建树。各位把分子生物学发展的主线条串起来，得出主干认识。孟德尔-性状遗传，Mo r ga n 性状 与 基因 相偶联，Wa t s o n 和S u m n er (1 9 3 6)证实酶是蛋白质，Av er y等人(1 9 4 4)(S 型)肺炎链球菌D N A导 致(R 型)细菌发生遗传转化并分离了D N A；Wa t s o n 和Cr i ck 在1 9

36、 5 3 年提出D N A的反向平行双螺旋模型，Cr i ck (1 9 5 4)中心法则、Mes el s o n 和S t a h l(1 9 5 8)D N A半保留复制、S a n ger (1 9 5 8)阐明胰岛素的一级结构。1 9 5 9 年,U ch o a 发现了多核昔酸磷酸化酶，成功地合成了核糖核酸，研究并重建了将基因内的遗传信息通过R N A中间体翻译成蛋白质的过程。Ko r n ber g实现了D N A分子在细菌细胞和试管内的复制。Y a n o f s k y和Br en er(1 9 61)遗传密码三联子。Wi l k i n s (1 9 62)证实了Wa t

37、s o n 和Cr i ck 的D N A模型。1 9 65 年，J a co b和Mo n o d提出m R N A。1 9 68年，N i r en ber g破译D A遗传密码；H o l l ey阐明了酵母丙氨酸t R N A的核昔酸序列，并证实所有t R N A具有结构上的相似性；Kh o r a n a 第一个合成了核酸分子，并且人工复制了酵母基因。Ber g(1 9 72)获得了工程菌株。1 9 75 年，D u l becco T em i n 和Ba l t i m o r e发现逆转录酶。1 9 80 年，S a n ger 和G i l ber t 设计出一种测定D N

38、A分子内核廿酸序列的方法，1 9 9 3 年，Mu l l i s 发明P CR 仪；S m i t h 第个设计基因定点突变。本节教学目的：记住分子生物学发展的主要历史事件和人物，勾画出分子生物学发展时期的主线条。3、分子生物学的研究内容现代生物学研究发现，所有生物体中的有机大分子都是以碳原子为核心，并以共价键的形式与氢、氧、氮及磷构成的。一切生物体中的各类有机大分子都是由完全相同的单体组合而成的，如蛋白质分子中的2 0 种氨基酸、D N A 的4 种脱氧核甘酸和R N A 中的4 种核甘酸，由此产生了分子生物学的3 条基本原理：构成生物体各类有机大分子的单体在不同生物中都是相同的；如构成人

39、的D N A 和小麦的D N A 的4 种脱氧核甘酸都是相同的A T C G,构成各种生物体的蛋白质分子中的赖氨酸都是相同的。生物体内一切有机大分子的建成都遵循共同的规则；如老鼠和桃树以及所有生物体内的蛋白质分子都由肽键相连。某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子决定了它的属性。核酸是遗传信息的携带者，这些信息将最终产生出蛋白质，蛋白质是功能的体现者。从表面看，分子生物学涉猎范围极为广阔，研究内容也似乎包罗万象。事实上，它所研究的仅以下四个方面：D N A 重组技术；基因的复制、保存、表达和表达调控；生物大分子的结构功能；基因组、功能基因组与生物信息学。3,1 D N A 重组技术D N A

40、重组技术是2 0 世纪7 0 年代初兴起的技术科学，我所在的研究室8 0 年代初开始将烟草花叶病毒的外壳蛋白基因转入烟草，希望烟草产生抗烟草花叶病毒的能力。D N A 重组技术目的是将不同的D N A 片段（如某个基因或基因的部分或几个基因）按照人们的设计定向连接起来，在特定的受体细胞中复制并得到表达，产生影响受体细胞的新的遗传性状。D N A 重组技术基本上与基因工程等同，但是严格说来，并不完全等于基因工程，因为后者还包括其他可能使生物细胞基因组结构得到改造的体系。D N A 重组技术是核酸化学、蛋白质化学、酶工程及微生物学、遗传学、细胞学长期深人研究的结晶，而限制性内切酶、D N A 连接

41、酶及其他工具酶的发现与应用则是这一技术得以建立的关键。D N A 重组技术有着广阔的应用前景。首先，它可被用于大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低的多肽，如激素、抗生素、酶类及抗体等，提高产量，降低成本，使许多有价值的多肽类物质得以服务于人类。其次，D NA 重组技术可用于定向改造某些生物的基因组结构，使它们所具备的特殊经济价值或功能得以成百上千倍地提高。如2 0 0 0 年，我在日本理学研究实力最强的研究所一一理化学研究所所进行的研究：将三种酶有序的组装在载体上，转入烟草中，烟草就会产生一种可被生物降解的塑料一一多聚链烷酸。第三，D NA 重组技术是研究分子生物学的重要手段：分子生物学研究的

42、核心是遗传信息的传递和控制，根据中心法则，我们要研究的就是从D NA 到R NA,再到蛋白质的全过程，还有基因的表达与调控。因此，无论是对启动子的研究（包括调控元件），还是对转录因子的克隆与分析，都必须使用D NA 重组技术。3 2 基因表达调控研究蛋白质分子参与并控制了细胞的一切代谢活动，决定蛋白质结构和合成时序的信息都由核酸（主要是脱氧核糖核酸）分子编码，表现为特定的核甘酸序列，所以基因表达实质上就是遗传信息的转录和翻译。基因表达的调控主要发生在转录水平或翻译水平上。原核生物的基因组和染色体结构分别比真核生物简单，转录和翻译在同一时间和空间内发生，因此基因表达的调捽主要发生在转录水平。真核

43、生物有细胞核结构，转录和翻译过程在时间和空间上都被分隔开，且在转录和翻译后分别有复杂的信息加工过程，其基因表达的调控可以发生在各种不同的水平匕基因表达调控主要表现在信号转导研究、转录因子研究及R N A 剪接3 个方面。信号传导是指外部信号通过细胞膜上的受体蛋白传到细胞内部，并激发离子通透性、细胞形状或其他细胞功能方面的应答过程。信号传导之所以能引起细胞功能的改变，主要是由于信号最后活化了某些蛋白质分子，使之发生构型变化，从而直接作用于靶位点，打开或关闭某些基因。转录因子是一群能与基因5 端上游特定序列专一结合，从而保证目的基因以特定的强度在特定的忖间与空间表达的蛋白质分子。真核基因在结构上的

44、不连续性是近1 0 年来生物学上的重大发现之一。当基因转录成p r e-m R NA 后，除了在5 端加帽及3 端加多聚A Po l y （A）之外，还要切去隔开各个相邻编码区的内含子，使外显子（编码区）相连后成为成熟m R NA。研究发现，许多基因中的内含子在p r e-m R NA 中的片段并不是一次全部切去，而是在不同的细胞或不同的发育阶段选择性剪切其中部分内含子，生成不同的m R NA 及蛋白质分子。由于R NA 的选择性剪切不牵涉到遗传信息的永久性改变，所以是真核基因表达调控中一种比较灵活的方式。3 3 生物大分子的结构功能研究一一结构分子生物学一个生物大分子，无论是核酸、蛋白质或多

45、糖，在发挥生物学功能时，必须具备两个前提。首先，它拥有特定的空间结构（三维结构）；其次，在它发挥生物学功能的过程中必定存在着结构和构象的变化。结构分子生物学就是研究生物大分子特定的空间结构及结构的运动变化与其生物学功能关系的科学。它包括结构的测定、结构运动变化规律的探索及结构与功能相互关系的建立3 个主要研究方向。目前，最常见的研究三维结构及其运动规律的手段是x射线衍射的晶体学（又称蛋白质晶体学），其次是用二维或多维核磁共振研究液相结构。3-4 基因组、功能基因组与生物信息学研究在基因组研究方面：2 0 0 1 年2 月，世界两大最著名的学术刊物 Na t u r e 和S ci e n ce

46、 同时发表了人类基因组全序列，为确定基因对人类生长发育和疾病的预防治疗提供了一个前所未有的大舞台，生命科学界为之振奋。现在，数十种原核生物、酵母、线虫、果蝇、老鼠、小麦、水稻和拟南芥等多种真核生物基因组被破译。功能基因组计划：完成某一生物的基因组计划就意味着该物种所有遗传密码己经为人类所掌握，但测定基因组序列只是了解基因的第一步。因为基因组计划不可能直接阐明基因的功能，更不能预测该基因所编码蛋白质的功能与活性，所以，并不能指导人们充分准确地利用这些基因的产物。于是，科学家又在基因组计划的基础上提出了“蛋白组计划（又称 后基因组计划”或 功能基因组计划”），旨在快速、高效、大规模鉴定基因的产物和

47、功能。生物信息学：巨大的基因组信息给科学家带来了前所未遇的挑战。以人细胞中所带有的3 0 亿个碱基对为例，一个人即使每秒读1 0 个碱基，每天工作2 4 小时，一年干3 6 5 天，也得花1 0 年时间才能把这些数据看一遍，如果做数据分析，所需时间更多。没有生物信息学的知识,不借助于最先进的计算科学，人类就不可能最大限度地开发和运用基因组学所产生的庞大数据。依靠计算机快速高效运算并进行统计分类和结构功能预测的生物信息学就是在这样的背景下诞生的。4分子生物学展望从2 0 世纪5 0 年代初W a t s o n 和C r i c k 提出D N A 双螺旋模型至今，短短5 0 年间，生物学领域发

48、生了巨变。核甘酸序列测定技术的迅速进步，使人类基因组3 0 亿个碱基对全部被测定！2 0年前，当人们第一次谈到这个巨大的项目时，不免带有“谈虎色变”的感觉。X 射线衍射及其他高分子研究技术的相继问世，使建立生物大分子三维构象库的梦想成真，到2 0 0 1 年己有2 0 0 0 0 余套蛋白质构象入库;D N A 重组技术的应用，使得基因克隆分析日益成为全世界数以万计生物科学工作者手中的“常规武器”，近来每年都有上千个新的基因序列被存入各类基因文 库（G A F P 的c D N A 和蛋白序列就是由我们研究组完成并存入g e n b a n k 中）。根据2 0 0 0 年的统计资料，全球范围

49、内转基因植物的大田试验已超过2 5 0 0 次，己有2 0 0 多种植物被转化成功。2 0 世纪中期以来，生物学在各个学科之间广泛渗透，相互促进，不断深入和发展。科学家既从宏观和微观、最基本和最复杂等不同方向展开研究，也从分子水平、细胞水平、个体和群体等不同层次深人探索各种生物学现象，逐步揭开生命的奥秘。生物学革命也为数学、物理学、化学、信息科学、材料与工程科学提出了许多新概念、新问题和新思路，促使这些学科在理论和方法上得到发展提高。生命世界的多样性和生命本质的一致性这个辩证的统一，已经为越来越多的人所接受。尽管生命过程在数以万计的不同生物中的表现形式可以是完全不同的，但生命活动的本质是高 度

50、 致 的，如核酸与蛋白质级结构的对应关系，在整个生命世界都是一致的。除极少数生物体外，脱氧核糖核酸是地球上千百万生灵所共有的遗传密码。如果没有这个统一性，人们就不可能把某一个基因从A 生物转移到B 生物体内，使其得到表达并发挥相同的功能。从表面上看，动物和植物是两个完全不同的群体，它们以两种完全不同的方式摄取能量。动物靠的是氧化磷酸化，在食物的氧化过程中合成“生命通货”腺廿三磷酸(A T P);而植物则通过光合作用，将光能转变成A T P,以供生命活动之需。其实，动、植物细胞代谢活动的实质都是电子在一系列受体蛋白之间传递，造成膜内外质子梯度差，以合成A T P。生命活动的这种高度一致性，使分子