第一章分子生物学绪论232.ppt

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1、分 子 生 物 学 上课教材： 现代分子生物学（第三版），朱玉贤等，高教社，2007年出版。 参考教材： Lehninger principles of biochemistry (part )，英文和中文版。 Genes ，英文和中文版。 讲课：郑 权 82339872（办公室312），13522996242,第一章 分子生物学绪论 1. 分子生物学的概念 2. 分子生物学的研究内容 3 . 分子生物学的发展历程 4 . 分子生物学发展的趋势 本章要求： 1. 了解分子生物学广义与狭义的定义。 2. 了解分子生物学研究的主要内容。 3. 理解分子生物学发展历程中重要发现及其理论意义。 4.

2、 熟悉当今分子生物学发展的趋势 。,1. 分子生物学的概念 （ 1）定义 研究核酸和蛋白质等生物大分子的结构与功能，并从分子水平上阐述核酸与蛋白质、蛋白质与蛋白质之间相互作用的关系及其基因表达调控机理的学科。 （2）分子生物学的范畴 广义的分子生物学：核酸和蛋白质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的现象和生物学规律。 例如，蛋白质的结构和功能、酶的作用机理和动力学、膜蛋白结构与功能以及跨膜运输、核酸的结构与功能等。,狭义的分子生物学:偏重于核酸(基因)的分子生物学；主要研究：基因或DNA结构与功能、复制（第二章）、转录（第三章） 、表达（第四章）和调节控制（第六七章）等过程

3、，重点是遗传中心法则（见图）和基因的解析（见图）。,2分子生物学的研究内容 按照狭义的分子生物学，现代分子生物学的研究内容包括5个大的方面： （1） 基因与基因组的结构与功能 分子生物学发展的主线基因的研究 经典的分子生物学：研究染色体和DNA的结构与功能。 现代的分子生物学：研究基因与基因组的精细和高级的结构与功能。 （2） DNA的复制、转录和翻译教材第二三四章 包含两个方面： 研究DNA或基因怎样在各组相关的酶与蛋白因子的作用下，按照中心法则的规定进行自我复制、转录和反转录以及翻译； 研究 mRNA分子剪接、加工、编辑以及对新生多肽链折叠成为有功能的结构。,（3）基因表达调控的研究 基因

4、表达的实质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和翻译水平上。 原核生物的基因表达调控（教材第七章）原核生物的基因组和染色体结构都比真核生物简单，转录和翻译在同一时间和空间内发生，基因表达的调控主要发生在转录水平。 真核生物的基因表达调控（第八章）真核生物有细胞核结构，转录和翻译过程在不同的时间和空间，且在转录和翻译后都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上。基因表达调控主要表现在上游调控序列、信号传导、转录因子以及RNA剪辑等方面。,（4） DNA重组技术 DNA重组技术是分子生物学的应用，包括基因工程和蛋白质工程（教材第五章），在“生物技术”课

5、程详细讨论。 DNA重组技术的应用： 最主要的用于大量生产一些在正常细胞中产量很低而价值很高的多肽和蛋白质，提高产量，降低成本。常见的基因工程药物：胰岛素，干扰素，白介素，促红细胞生成素，乙肝基因工程疫苗等。 用于定向改造某些生物的基因结构（属于蛋白质工程范畴），使它们所具备的特殊功能更符合人类生存和生活的需要，能成倍地提高其经济价值。 用于分子生物学领域的基础研究，例如：启动子、转录因子的克隆与分析等。,（5）结构分子生物学 结构分子生物学：研究生物大分子特定的空间结构以及结构变化与其生物学功能关系的科学。 内容结构的测定、结构变化规律的探索和结构与功能相互关系 。 基础：生物化学、物理学、

6、化学、计算机和工程学。 研究手段：X-射线衍射的晶体学 例子： DNA双螺旋结构的发现，结晶牛胰岛素。 药物开发应用：寻找药物设计、开发的靶点 ； 寻找：HIV，HBV和SARS等各种病毒的感染和复制等生命过程的蛋白酶的活性部位。,4. 分子生物学发展的历程 经历50多年的发展，分子生物学现在能从分子水平上认识核酸的结构与功能以及复制、转录、翻译、剪接、加工、修饰等的详尽过程。而且已经测知了许多重要生物的基因组及其结构与功能，真正从分子水平上对这些基因控制的生长、发育、变异等一系列生物学问题有了更深入的了解。 分子生物学的发展过程可简单地概括为三个阶段。,（1）人类对DNA和遗传信息传递的认识

7、阶段 1864-1884年，孟德尔发现遗传定律。 1868年，瑞士 Miescher从伤口的脓细胞核中提取到一种富含磷元素的酸性化合物，称为核素(nuclein)； 1869年他又从鲑鱼精子中分离出类似的物质，并指出它是由一种碱性蛋白质与一种酸性物质组成，此酸性物质即是现在的nucleic acid。 1900年，孟德尔的遗传定律得到认可。 1909年，丹麦Johnnsen首先使用gene一词。 1910年，德国Kossel第一次分离获得单核苷酸。 1910年，摩尔根发现了遗传连锁定律，使得基因在染色体上的假说有了坚实的基础。 1944年，Avery等人在对肺炎双球菌的转化实验中证实了DNA是

8、生物的遗传物质。（打破了长期以来许多生物学家认为蛋白质是细胞遗传物质的观点，确立了DNA是遗传信息载体的理论。）,1951年，McClintock提出并发现了可移动的遗传因子（mobile element, controlling elements 或jumping gene）; （1983年获奖，打破了孟德尔关于基因固定排列于染色体上的概念，P56）。 McClintock ,B. Chromosome Organization and Gene Expression. Cold Spring Harbor Symp.Quant.Biol.1951,16:13-47. McClintock,

9、 B. “Controlling elements and the gene”, Cold Spring Harbor Symposia on Quant. Biol., 21：197216, 1956 .,1953年，在Franklin和Wilkins X-射线衍射研究结果的基础上， Watson和Crick推导出DNA双螺旋结构模型(Nature, April 25，1953)。（1962年， Watson、Crick 和Wilkins获奖，生物学由经典的染色体遗传进入到分子生物学的新时代）。 同年，Sanger在历经8年之后，完成了第一个蛋白质胰岛素的氨基酸全序列分析（1958年奖）。,

10、1954年，Crick在前人研究工作基础上，提出了遗传中心法则理论。 1957年，Kornberg在大肠杆菌中发现了DNA聚合酶，这是能在试管中合成DNA的第一种核酸酶（1959年，Kornberg获奖，贡献在于实现了DNA分子在体外试管内的复制）。 1958年， Meselson和Stahl应用同位素和超速离心法证明DNA的半保留复制。 1961年，Nivenberg等人用合成的信使RNA分子poly(U)破译了第一批遗传密码。同年，Jacob和Monod提出了调节基因表达的操纵子模型（打开了人类认识基因表达调控的窗口）。,（2 ） 重组DNA技术的建立和发展阶段 1962年，Arber第一

11、个证明在大肠杆菌中限制性内切核酸酶的存在，8年后Smith等分离到第一种限制性内切核酸酶。 限制性内切酶能识别特定的DNA序列并在这个特定位置进行切割（生物学意义：如在大肠杆菌中，限制性内切酶保护自己免受外来的DNA的“入侵”）。限制性内切酶现被广泛用于基因工程。基因工程反过来大大推动了分子生物学的研究。 1967年，Gellert发现了DNA连接酶。 1970年，Temin和Baltimore在RNA肿瘤病毒中发现了反转录酶。 1972-1973年，全球重组DNA时代到来。Boyer和Berg等人发展了重组DNA技术，并完成了第一个细菌基因的克隆，开创了基因工程的新纪元（1980年获奖）。,

12、1975年， Blobel等发现了信号肽（1999年获奖，阐述蛋白质在细胞间的运转机制，明确信号肽及信号识别复合物在蛋白质跨膜运转过程中的主导作用）。 1975-1977年，Sanger、Maxam和Gilbert发明了DNA序列测定技术（1980年获奖）。 1977年，Sharp等人发现了不连续基因（interrupted gene ；又名断裂基因split gene；1993年获奖，打破了基因在染色体上必须连续排列的传统观念, P93）。,（3） 重组DNA技术的应用和 分子生物学的迅猛发展阶段 1981年，Cech发现四膜虫rRNA前体的自我剪接作用，发现具有催化作用的RNA(riboz

13、yme，核酶)（1989年获奖，打破了酶必定是蛋白质的传统观念，P102-105）。 1982年，第一个基因工程药物胰岛素在美国和英国获准使用； 同年，Prusiner发现了朊病毒(prion)（1997年获奖，朊病毒作为羊瘙痒症、疯牛病和人克雅氏病的病原体，朊病毒又名“蛋白质感染因子”，本身是一种蛋白质，但能直接在寄主细胞中繁殖传播，具有遗传性和传染性，打破了核酸是遗传信息的唯一载体的传统观念）。,1985年，Mullis首创聚合酶链式反应（PCR）技术 （1993年获奖，实现了体外试管中大量复制DNA）。 19901992年，转基因玉米及转基因小麦诞生(农作物基因工程开始变为现实)。 19

14、90年，人类基因组计划全面正式启动。 1997年，Wilmut等首次不经过受精，用成年母羊体细胞的遗传物质，成功获得克隆羊多莉（开创哺乳动物体细胞无性繁殖的先河）。 但受伦理道德的争议和谴责以及最近干细胞的重大技术突破， Wilmut 等在2007年底宣布放弃克隆人类胚胎研究 。 2000年，人类基因组计划测序草图完成。 综上所述，20世纪以核酸研究为核心，带动着分子生物学向纵深发展，50年代的双螺旋结构，60年代的操纵子学说，70年代的DNA重组，80年代的PCR技术，90年代的DNA测序都是分子生物学发展的里程碑，将生命科学带向一个由宏观到微观，再到宏观的时代。,5. 21世纪分子生物学发

15、展的趋势 1990年, 人类基因组计划(human genome project，HGP)启动,由美英日中德法等六国参与，原计划用15年，花30亿美元来完成。人类体细胞共有24条不同的染色体，单倍体基因组DNA约3109bp。 2000年已基本完成人类基因组的测序工作。 结果：Nature（2001-02-15，六国科学家）；Science（2001-02-16，Celera 塞莱拉基因公司）。 目前，人类基因组研究的重点正在由基因结构向基因功能转移，一个以基因组功能为主要研究内容的“后基因组”(post-genome)时代已经到来。 “后基因组”(post-genome)时代的主要任务是研究

16、细胞全部基因的表达图式和全部蛋白图式，亦即“从基因组到蛋白质组”。 分子生物学研究的重点又回到蛋白质，生物信息学等新兴学科也应运而生。,人体细胞单倍体基因组DNA约3109bp，约34万个基因，蕴藏生老病死的全部信息，是一本“天书”。 目前焦点：寻找6000余种单基因遗传病和多基因遗传病的致病基因和相关基因。这场“抢基因”的“世纪之战”已白热化,通过设计专利基因以保护自己利益（见图）。目前已找到与遗传病有关的基因，包括乳腺癌、遗传性耳聋、中风、癫痫症、糖尿病的基因。,（1）功能基因组学functional genomics 基因组: 是指细胞或生物体中，一套完整单体的遗传物质的总和；或指原核生

17、物染色体、质粒、真核生物的单倍染色体组、细胞器、病毒中，所含有的一整套基因。 原核生物基因组是指原核生物染色体基因组；有的原核生物还含有染色体外的质粒基因组。 真核生物基因组是指真核生物核基因组，包括染色体基因组和核内的染色体外基因，以及细胞质的线粒体、叶绿体基因组等。,功能基因组学(functional genomics )在基因组水平上阐明DNA序列的功能。 一些已经完成测序的生物的经验表明，许多基因和基因组的功能元件只有在整个DNA序列已知的情况下才能得以发现。 例如啤酒酵母(S.cerevisiae)16条染色体全部序列已于1996年完成，基因组全长12086kb，含有5885个可能编

18、码蛋白质的基因，140个编码rRNA基因，40个编码snRNA基因和275个tRNA基因，共计6340个基因。 功能基因组学就是进一步研究这些基因在一定条件下，譬如在孢子形成期，同时有多少基因协同表达才能完成这一发育过程，这就需要适应这一时期的全套基因表达谱。,（2）蛋白质组学 1994年，Wilkins等首先提出蛋白质组(proteome)的概念。 蛋白质组：一个基因组所表达的全部蛋白质( proteome indicates the proteins expressed by a genome )。 蛋白质组学以蛋白质组为研究对象，研究细胞内所有蛋白质及其动态变化规律的科学。 蛋白质组与基

19、因组的区别： 基因组基本上是固定不变的，即同一生物不同细胞中基因组基本上是一样的。 蛋白质组是动态的。单从DNA序列并不能回答某个基因的表达时间、表达量、蛋白质翻译后加工和修饰以及它们的亚细胞分布等。这些问题可在蛋白质组研究中找到答案，因为蛋白质组是动态的，有时空性和可调节性，从而可以在细胞和生命有机体的整体水平上阐明生命现象的本质和活动规律。,（3）生物信息学 人类基因组计划大量序列信息的积累催生了生物信息学(bioinformatics) 。 生物信息学利用数理和信息科学的观点、理论和方法，对DNA和蛋白质序列资料中各种类型信息进行识别、存储、分析和模拟，由数据库、计算机网络和应用软件三大

20、部分组成。 全球现有三大免费的生物信息中心： 美国国家生物技术信息中心 美国国立医学图书馆(NLM)于1988年建立国家生物技术信息中心(National Center of Biotechnology Information，简称NCBI ，http:/www.ncbi.nlm.nih.gov/Genbank )。 欧洲分子生物学研究所 欧洲分子生物学实验室 (The European Molecular Biology Laboratory，EMBL，http:/www.ebi.ac.uk/embl)，其中 EBI(European Bioinformatics Institute)，重点

21、是建立EMBL核酸序列数据库。,日本DNA数据库(DNA Data Base of Japan，DDBJ，http:/www.ddbj.nig.ac.jp)。 美国NCBI的GenBank与欧洲的EMBL-DNA序列库以及日本的DDBJ共同组成全球性的国际DNA数据库。 国内有北京大学生物信息学中心 (Centre for BioInformatics ，CBI)，97年成立，是欧洲分子生物学网络组织EMBnet的中国接点，是国内数据库种类最多，数据量最大的生物信息站点 （http:/）。 当今生命科学的潮流：利用生物信息学研究基因产物(蛋白质)的功能并推测基因的功能。,生物大分子的结构功能 结构与功能相适应：结构是功能的基础，具备什么样的结构，就有相应的功能；反之，要具备什么样的功能，就应该具备相应的结构。,