第课分子生物学概述ppt课件

分子生物学概述,郑晓飞 放射与辐射医学研究所,Overview of Molecular Biology,定义：从分子水平研究作为生命活动主要物质基础的生物 大分子结构与功能，从而阐明生命现象本质的科学。,分子生物学(molecular biology),广义：蛋白质及核酸等生物大分子的结构与功能研究都属于分子生物学的范畴，也就是从分子水平阐明生命现象与生物学规律。如蛋白质的结构、运动和功能，酶的作用机理，膜蛋白的结构功能，跨膜运输等。 狭义：侧重于核酸(或基因)的分子生物学，主要研究基因或DNA的复制、转录、表达和调控等过程，同时涉及与这些过程有关的蛋白质和酶的结构与功能研究。,生物化学：从化学角度研究生命现象，着重研究生物体内各种生物分子的结构、转变与新陈代谢。 分子生物学：着重阐明生命的本质，主要研究生物大分子核酸与蛋白质的结构与功能、生命信息的传递和调控。,分子生物学与生物化学,生物化学与分子生物学关系最为密切,核酸的结构和功能，包括遗传信息的传递 蛋白质(包括酶)的结构和功能 生物膜的结构和功能 生物调控的分子基础 生物进化,分子生物学重点研究领域,分子生物学相关学科,分子生物学已经渗透到生物学的所有领域,分子生物学,分子生物学发展简史,1865年达尔文On the Origin of Species：性状可遗传。 1865年孟德尔发表植物杂交实验，首次阐述了生物界有规律的遗传现象。“遗传因子 ”。 1869年Miescher首次从莱茵河鲑鱼精子中分离到DNA. 1869 Friedrich Miescher从被丢弃的外科绷带上的脓细胞分离出核酸，初命名为核素(nuclein)后发现是酸性的，重命名为核酸. 1879年Flemming 发现了染色体. 1902年Sutton 提出了染色体遗传学说并认为基因是染色体的一部分.,拉马克，法国博物学家。生物学伟大的奠基人之一，生物学一词是他发明的，最先提出生物进化的学说，是进化论的倡导者和先驱。他还是一个分类学家，林奈(Carl von linne 17071778)的继承人。主要著作有法国全境植物志、无脊椎动物的系统、动物学哲学等。,拉马克学说：一个是用进废退；一个是获得性遗传。,达尔文学说：天择说。,分子生物学发展简史,1869年Miescher 从被丢弃的外科绷带上的脓细胞分离出核酸，初命名为核素(nuclein)后发现是酸性的，重命名为核酸。 1879年弗莱明(Walter Flemming)发现染色体，并描述了细胞分裂过程中染色体的行为。 1888 Waldeyer创造染色体(Chromosome)一词。 1900年孟德尔的成果被重新发现。,24岁的瑞士医生,Friedrich Miescher,分子生物学发展简史,1902年萨顿(Walter Sutton)发现染色体是成对的，并携带遗传信息。 1909年丹麦生物学家Wilhelm Johannsen(18571927)创造“基因”（gene）一词，用来表达一个可遗传的因子。 1911年摩尔根(Thomas Hunt Morgan)提出基因学说，阐释基因在染色体上的分布，以及繁殖过程中染色体重组形成独特新个体过程。,分子生物学发展简史,1911年荷兰植物学家遗传学家H.DeVries(1848-1935)根据月见草的遗传试验结果, 发表突变学说,认为生物的进化起因于突变(mutation)。 1912年英国布喇格父子建立了X射线晶体学，成功地测定了一些复杂的分子以及蛋白质的结构。 1913年斯特提万特(Alfred Henry Sturtevant) 绘制出第一张线式基因图谱。,分子生物学发展简史,1927年H.J.Muller测定了果蝇中的自发突变率，并证明突变可被X线诱导；C.Auerbach、J.M.Robson及F.Oehlkers分别于1941、1943先后独立观察到某些化学物质亦能诱导突变，但是突变本质为何仍不清楚。 1928年格里菲斯(Frederick Griffith) 报道了两株肺炎球菌有毒株(S)注射小鼠可致死,而无毒株(R)不致死小鼠。将热处理杀死的有毒株和不经处理的无毒株分别注射,不致死小鼠;但一起注射则导致小鼠死亡。死去的毒性菌株如何将致死因子传到无毒株上?格里菲斯发现了一种可以在细菌之间转移的遗传分子。,分子生物学发展简史,1929年列文(Phoebus Levene)提出DNA 化学成分和基本结构。 1931年麦克林托克（McClintock）指导 她的女博士生克莱顿（Creighton, B） 证实重组是由交换引起的。,分子生物学发展简史,1941年 Beadle 和 Tatum “一基因一酶学说”在链孢霉中被证明,使遗传学与生物化学之间的关系得以阐明。,The One Gene - One Enzyme Theory,分子生物学发展简史,1943 年Oswald Avery等在用了约76升的细菌后终于得到了不含其他物质的纯化DNA,并证明只有DNA在转化中起作用。,1944年，三名科学家：Oswald T. Avery, Colin MacLeod 与 Maclyn McCarty联名发表了一篇划时代的论文，他们通过一系列用肺炎病毒进行的实验，推导出了一个与长久以来的假说相悖的结论：DNA，而非蛋白质，是遗传信息的物质载体！Avery OT, MacLeod CM, McCarty M (1944)Studies of the chemical nature of the substance inducing transformation ofpneumococcal types. Induction of transformation by a desoxyribonucleic acidfraction isolated from Pneumococcus Type III. J Exp Med 79:137158,分子生物学发展简史,1944年麦克林托克（19021992）在玉米中发现并提出了“可移动基因学说”转座子。,1983年度诺贝尔生理学医学奖。,真核生物中的转座因子颇为广泛，如玉米色斑的产生，果蝇复眼颜色的变异等现象都与转座因子的移动有关。转座的效应是多种多样的。诸如引发基因突变；或造成碱基的缺失或重组；或导致启动或关闭其他基因等。而这些均与个体发育、进化和个体的抗药性的变化等相关。,分子生物学发展简史,1948年鲍林(Linus Pauling)提出蛋白质为螺旋形的理论。 1949年E.Chargaff 定则的提出，A=TG=C (AT)(GC) 的比值因生物来源不同而不同。 1951年富兰克林(Rosalind Franklin)拍摄到了核酸的X射线衍射照片。,分子生物学发展简史,1952年Alfred Hershey和Martha Chase 利用病毒证实，传递遗传信息的是DNA而不是蛋白质。 1952 Alfred Hershey & Martha Chase 用放射性磷和硫标记噬菌体，分别感染不同的细菌菌落，追踪放射性的位置.结果放射性硫(即蛋白质)留在细菌外，放射性磷(即DNA)则进入细菌里.而且新产生的噬菌体含有放射性磷，这些结果有力的证明了DNA是遗传物质。基因则是遗传的基本单位，它是位于链特定位置的一段序列，携带有形成特定蛋白的信息。,分子生物学发展简史,1953年Linus Pauling(1901-1994)(莱纳斯.鲍林博士)提出著名的DNA三螺旋模型。Pauling 是有史以来唯一两次独自获得诺贝尔奖的科学家。1954化学奖，1962和平奖。他是20世纪最重要的化学家之一。他描述了化学键的本质，并对阐明蛋白质结构作出划时代的贡献。他既是一位声名卓著的科学家又是一位献身和平事业的活动家。他的科学发现和为中止战争而作出的努力将对全人类产生深远的影响。,分子生物学发展简史,1953年J.Watson（1928）& F.H.C.Crick（1916）提出DNA双螺旋模型，AT ,GC 碱基按Chargaff规律配对，DNA 中储存的信息可精确复制，提出中心法则。DNA双螺旋结构的建立，标志着分子生物学的诞生，对以后分子生物学发展具有极其重要的指导作用。奠定了分子生物学的理论基础，开创了分子生物学时代。,Z,A,B,1962年Watson、Crick与Wilkins共享诺贝尔生理或医学奖,分子生物学发展简史,1956年Joe Hin Tjio和Albert Levan确定人类共有23对染色体。,分子生物学发展简史,1956 A.Kornberg(1918)分离出E.coli DNA Polymerase I并在DNA模板指导下，利用4dNTPs合成了DNA，获得1959年度诺贝尔医学或生理学奖。,分子生物学发展简史,1957年Francis Crick发表论蛋白质合成的演讲，提出DNA制造蛋白质的概念。 1958 M.Meselson（1930） & Stahl 证明了DNA 半保留复制。,分子生物学发展简史,1958年Crick提出中心法则。,Genes Dev. 2007,21:1190-1203,分子生物学发展简史,1960年Sydney Brenner, Francis Crick，Francois Jacob和Jaque Monod发现信使RNA(mRNA)。 1961 Yanofsky & Brener 提出三联体设想: 4364三联体(triplet)，三个碱基编码一个氨基酸。,1961年Jacob 和 Monod提出在分子水平上特定基因被激活或抑制的机制。操纵子的概念，解释了原核基因表达的调控。,分子生物学发展简史,1965年获得诺贝尔生理或医学奖,分子生物学发展简史,1961年Marmur & Doty发现DNA复性(renaturation, annealing)，确认了核酸杂交反应的特异性和可行性。,分子生物学发展简史,1962年W.Arber提出限制性核酸酶(R.E.)存在的第一个证据，导致1970 H.O.Smith（1931）纯化了第一个DNA R.E.可在特定位点切割 DNA。科学家已从不同的细菌中分离出3000多种限制性核酸内切酶，通常识别48个碱基。,1978H.O.Smith,W.Arber,D.Nathans因为发现限制酶 并用于分子生物学领域而获诺贝尔奖。,分子生物学发展简史,1963 M.W.Nirenberg（美1927） & H.Matthai （德） 破译了遗传密码:在无细胞系统(cell-free system)加入人工合成的多核苷酸，指导合成了一定序列的多肽链，充分证明了20种氨基酸的遗传密码。,分子生物学发展简史,1966年Khorana证明了Nirenberg 提出的遗传密码,有机化学方法合成多聚脱氧核糖核酸，以其为模板在DNA PolI催化下合成DNA链；再以DNA为模板合成RNA。蛋白质的分子生物合成，特别是与其密不可分的RNA合成，经历了漫长的发展历程。 rRNA:蛋白质的合成场所, 占总RNA 的85% RNA tRNA 转移氨基酸 10% mRNA 编码多肽 4% snRNA 协助拼接反应 1%,分子生物学发展简史,1967年 Gellent 发现DNA连接酶用来连接DNA片段。DNA ligase是基因拼接或基因工程必不可缺的工具酶。 1970年Temin & Boltimore发现反转录酶。提出以RNA为模板合成cDNA，使中心法则更为完全，导致cDNA文库构建。为钓取特定的蛋白编码片段提供了不可或缺的手段。,1975年获诺贝尔生理或医学奖,分子生物学发展简史,1972年H.Boyer,S.Cohen,P.Berg及其同事发展了克隆技术。 1972 Paul Berg & Herbert Boyer第一次实现了用两个DNA分子建立重组DNA分子，随后几年Boyer 通过将构建的重组质粒转化细菌而构建了第一个重组微生物。接着陆续构建了青蛙核糖体 RNA的 重组菌。 1977 Boyer参与建立第一家基因工程公司Genetech, 将生长抑素（somatostatin）基因导入细菌，首次在人以外的生物中产生人类蛋白。1992克隆人胰岛素基因产物上市，成为第一个DNA重组药物。,1972年, Boyer 获得第一个重组DNA分子,1972 - Berg,EcoRI recognition sites, phage DNA,EcoRI cuts DNA into fragments,Sticky end,SV40 DNA,The two fragments stick together by base pairing,DNA ligase,Recombinant DNA,分子生物学发展简史,1974年美国发表Belmont报告，确立科研中进行人体实验的政策。 1975年Mary-ClaireKing和Allan C.Wilson发现，人类和猩猩的基因相似度达到99%。 1975年Georges Kohler 和 Cesar Milstein开发出生产单克隆抗体的技术。,杰尼,科勒,米尔斯坦,1984年获诺贝尔生理或医学奖,分子生物学发展简史,1975 F.Sanger & Barrell 及Maxam&W.Gilbert发展了快速DNA测序方法。前者为双脱氧终止法，后者为化学法。,伯格 Berg,桑格 Sanger,吉尔伯特 Gilbert,DNA重组 在细菌中表 达胰岛素,Sanger还由于测定了牛胰岛素的一级结构而获得1958年诺贝尔化学奖。,1984年获诺贝尔化学奖,分子生物学发展简史,1978年David Botstein开创核酸限制性片段长度多态性分析技术，用于标志不同个体间的基因差别。 1978年美国开始借助基因技术用大肠杆菌批量生产人类胰岛素。 1981年Palmiter & Brinster研制出转基因小鼠；Spradling & Rubin研制出转基因果蝇。,分子生物学发展简史,1982年GeneBank数据库建立。 1985年Kary Mullis等发明了聚合酶链反应(PCR)方法。,1995年获得诺贝尔化学奖,分子生物学发展简史,1984年Alec Jeffreys发明了基因指纹技术，可以用人的头发、血液和精液等来鉴定身份。 1984年关于人类基因组测序的第一次公开讨论开始。 1986年Leroy Hood开发自动测序仪。 1988年人类基因组组织(HUGO)成立。 1989年Altman 因Ribozyme研究获诺贝尔化学奖。,分子生物学发展简史,1990年美国正式启动人类基因组计划。随后，德国、日本、英国、法国和中国也相继加入该计划。 1991年Craig Venter开发出新的测序技术。 第1 代测序技术荧光标记的Sanger 法 第2 代测序技术循环阵列合成测序法,Sanger法测序,2001年第一个人类全基因组图谱花费30亿美元,第2 代测序技术工作流程,Illumina Solexa、ABI SOLiD，ABI 3730xl、Roche 454等多种测序仪器,美国454 Life Sciences,新技术测序,目前人类基因组测序费用低于5000美元 目标是100美元以下,微乳液PCR扩增,焦磷酸测序,焦磷酸测序,Illumina Solexa测序,桥式PCR扩增,瞬时测序新技术,对单个聚合酶进行成像的系统,康奈尔大学（Cornell University） 研究生Steve Turner和Jonas Korlach,24个碱基/每秒的测序速度,测序片段长度达到4000个碱基,Eid, J. et al. Real-time DNA sequencing from single polymerase molecules. Science 323, 133138 (2009).,纳米测序技术,石墨烯仅一个原子厚度的非晶体碳复合薄膜有可能制成人工膜用于DNA测序 。,基于纳电子技术的DNA测序构想，即利用核苷酸上不同碱基的电子结构不同。DNA分子是带电的大分子，在纵向电场的驱动下，将游动通过纳米孔。在此期间，同时测量纳米孔里横向的隧穿电流，不同核苷酸的碱基电子结构不同，由此导致的横向电学特性也不同，据此可以判断出正在通过的是哪一种核苷酸。,测序技术发展路线,分子生物学发展简史,1994年美国一公司推出新的转基因西红柿罐头，其保质期比普通西红柿更长，成为人类历史上第一个转基因食品。 1995年7美国人类基因组研究所绘出了流感嗜血杆菌的基因图谱；3个月后，科学家又绘制出了生殖器支原体的基因图谱。 1996年酵母基因组测序完成。,分子生物学发展简史,1997年苏格兰罗斯林研究所培育出世界上第一例体细胞克隆动物小羊“多利”。,分子生物学发展简史,1997年大肠杆菌基因组测序完成。 1997年参加人类基因组计划的科学家决定将研究成果无偿向全世界公开。 1998年结核性分枝杆菌以及梅毒螺旋体基因组测序完成。 1998年线虫基因组测序完成。 1998年日本科学家用一头成年牛的体细胞克隆出8头克隆牛犊。 1999年人类第22号染色体测序完成，这是第一个完成测序的人类染色体。 2000年果蝇和拟南芥的基因组测序完成。 2000年Craig Venter和Celera公司和人类基因组计划相继宣布，人类基因组草图完成。 2001年Craig Venter公布了绘制人类蛋白质组图谱的计划。 2002年水稻、小鼠、疟原虫和按蚊基因组测序完成。,分子生物学发展简史,2003年人类基因组计划宣布，人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现。,2003年4月14日，中、美、日、德、法、英等6国科学家宣布人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现。已完成的序列图覆盖人类基因组所含基因区域的99，精确率达到99.99，这一进度比原计划提前两年多。,Human Genome Project, HGP 首先由R.Dulbecco（1914）在1985年提出。用15年时间（19902005）30亿USD，测定32亿碱基对序列。2000年6月完成框架图，中国测定了3#染色体三千万碱基序列，精确度达99.99%,成为参与该计划的六大国之一。,人类基因组计划,编码蛋白质基因数,人类基因组中有31000个蛋白质编码基因 Celera公司发现了约26000个基因 一个酵母细胞有6000个 一个苍蝇有13000个 一个蠕虫有18000个 一种植物有26000个编码基因 这些多细胞生物的基因数受基因搜索程序的限制，没有一个是高度精确的。Genes VIII估计人类基因组含有30,000-40,000条基因。,ELISI计划,人类基因组计划的设计师们已认识到在对人类基因组进行测序的过程中，一方面致力于发展科技目标，另一方面必须强调这一新科学对个人、家庭和社会的影响。 1990年设立了伦理、法律和社会影响研究项目（ELISI, Ethical,Legal,and Social Implications）得到美国能源部和国家人类基因组研究所人类基因组计划年度预算的3%5%，这是世界上最大的生物伦理学计划。,关于ELISI的信息可从国家人类基因组研究所和能源部的网站获得： 或/hgmias,科学家正朝着破解每个染色体遗传信息的目标而努力。 2003年元旦法国基因测序中心科学家破译了人类第14号染色体的遗传密码。 2003 年4月美国华盛顿大学医学院的科研小组又破译了人类第7号染色体,这一成果有助于对囊状纤维化、遗传性耳聋和癌症等多种疾病的研究。 2003 年美国科学家6月完成了人类Y染色体的测序工作。基因测序发现,Y染色体包含约78个基因。重要的是Y染色体的5000万个硷基对中, 约有600万个处于回文结构(Palindrome)中,这种结构有修复基因的作用。 2003年10月23日, 英国威康信托桑格研究所的科学家经过8年的努力,破译了人类第6号染色体。继第22、21、20、14、7和Y染色体之后, 6号染色体成为第7个被排序的人类染色体。在已发现的2190个基因结构中, 有1557个功能基因,约占人类基因总数的6%；另有633个处于休眠状态,属非功能基因。这些基因约半数以前从未描述过。6号染色体中包含了一些与免疫反应相关的基因, 统称为“主要组织相容性复合体（MHC）”,染色体遗传信息的破解,一号染色体基因测序完成,2006年5月17日：英国Nature杂志今天公布了1号染色体的基因测序，这是破解人类遗传密码的“生命之书”中最长也是最后的一章。确定了1号染色体中3141个基因，这些基因发生缺陷与350种疾病有关，其中包括癌症、帕金森氏病、早老性痴呆、高胆固醇血症、弱智和噗啉症等。1号染色体中共有2.23亿个碱基，占人基因组中30亿个碱基对的8。 人类有22对常染色体，最大者为1号染色体，最小的是22号染色体。另外还有X或Y染色体决定人的性别。公布1号染色体的基因测序结果为人类基因组计划16年来的努力划上了句号。,人类基因组计划16年努力终成正果,X染色体与三百多种疾病有关：科学家已破解了与300多种人类疾病有关的女性X染色体的基因密码。可能有助于解释男女差别何以如此之大。X 染色体拥有1100个基因，占人类基因组的约5%。还包括可能有助于血友病、肥胖、白血病等疾病的诊断的信息。 “沉默”的 X染色体上，并非所有基因都失活，这或许能解释男女间的某些差异。 在女性中，X染色体的“失活”程度也是千差万别。失活的X染色体上的这些基因产生的影响或许能解释男女之间无法归因于性激素的某些差别。,X染色体,Silent X-chromosome,基因突变以及色盲、孤独症、血友病等与 X染色体有关的疾病往往在男性身上出现，因为他们没有另一条 X染色体来弥补出错的基因。X染色体上还有许多与智力迟顿有关的基因，及人类基因组中最大的DMD基因。DMD基因的突变导致杜兴氏肌营养不良症，这是男性的一种可能致残甚至致命的疾病。 很多人类疾病都与X染色体有关。在找出问题所在之后，我们可以更好地理解人体的生命过程。,X染色体,6号染色体上一些基因不仅在机体对外界细菌和病毒入侵作出防御反应方面有重要作用, 在器官移植配型方面也有十分重要的意义, 还与自身免疫疾病有关, 因此被称为“免疫学中的圣杯” 。6号染色体上还有导致遗传性血色素沉着病、帕金森病、癫痫等疾病的基因。 2003年11月法国和英国的科研人员在人类的第10号染色体上发现了一种名为GAD2的变异基因,该基因能对人类食欲和胰岛素的生成产生影响,引发肥胖症。,常染色体突变与疾病的关系,ENCODE Project Writes Eulogy For Junk DNA,SCIENCE,2012,337:1159-1160,Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE),ENCODE网址（/）,DNA元件百科全书计划 (encode) encyclopedia of DNA elements,Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE),2003年启动，主要目的是建立人类基因组中生物功能关键性元素目录。,美国国家基因组研究院NHGRI，欧洲生物信息学研究所EMBL-EBI领导的研究，32个实验室中442名科学家，获得并分析超过15兆兆字节（15万亿字节）原始数据，花费约300年的计算机时间，对147个组织类型进行了分析，公布了一份详细的基因组功能图谱，包含有四百万基因的“开关”，以确定哪些能打开和关闭特定的基因，以及不同类型细胞之间的“开关”存在什么差异。这一重要的参考数据将有助于研究人员找到与人类疾病密切相关的区域。,人类基因组计划HGP证明基因组中2%包含有基因，ENCODE表明基因组中剩余的80%的区域调控了蛋白何时和何地生成。,ENCODE网址（/）,分子生物学发展简史,2006年美国科学家安德鲁法尔和克雷格梅洛获诺贝尔生理或医学奖，以表彰他们发现了（核糖核酸）干扰机制。,分子生物学发展简史,2007年美国科学家马里奥-卡佩奇和奥利弗-史密西斯、英国科学家马丁-埃文斯获诺贝尔生理学或医学奖，以表彰他们在干细胞研究方面所作的贡献。,nocoding RNA,DNA,RNA,protein,DNA,RNA,蛋白质,基因组学,RNA组学,蛋白质组学,RNA组学-非编码RNA,siRNA作用机制,miRNA作用机制,siRNA,miRNA,RNA分类,Protein,Genes Dev. 2007,21:1190-1203,ncRNA的作用,细胞RNA机器,Science.2008, 319:1787-1789,RNA catalysis through compartmentalization,NATURE CHEMISTRY. 14 OCTOBER 2012 | DOI: 10.1038/NCHEM.1466,RNA链（蓝色）和RNA酶（红色）在葡聚糖滴中聚合在一起.,Hammerhead ribozyme and its rate acceleration through compartmentalization.,Nature：携带RNA的第一个生命如何诞生,Small RNAs snoRNA,smRNA,piRNA and others,ncRNAs,Long noncoding RNAs,200-10000nt or more DNA imprinting; X-inactivation; DNA demethylation; Gene transcription; Generation of other,20-200nt Modification of target RNAs; Synthesis of telomeric DNA; Chromatin structure dynamics; Transcription modulation; Structural role; Gametogenesis?,Unkown examples,microRNAs,18-25nt PTGS and RNA interference,Knockdown,Functional studies,Over-expression,RNA interference Knockout mice,New functional ncRNAs,长链非编码RNA,Molecular Cancer.2011,10:38,长非编码RNA发现,Genes Dev. 2007 21: 11-42,非编码RNA与疾病,Genes Dev.2007,21:11-42,非编码RNA与疾病,各种癌症 心脑血管疾病 衰老 免疫系统疾病 糖尿病 神经系统疾病 病毒性疾病,lncRNA 功能,Genes Dev. 2009 23: 1494-1504,长非编码RNA,lncRNA作用模式,Nature.2012,482:339-346,Mol Cell. 2011.43(6):904-14,ncRNACCND1 negatively regulates CCND1 transcription by recruiting TLS to the CCND1 promoter.,Nature.2008,454:126-130,ncRNACCND1,Current Opinion in Genetics & Development.2011,21:194198,lncRNA与增强子作用,Cell.2010,143(1): 46-58,RNA 活化作用,NATURE. 14 OCTOBER 2012 | doi:10.1038/nature11508,新型非编码反义RNA,Long non-coding antisense RNA controls Uchl1 translation through an embedded SINEB2 repeat,Uchl1 mRNA反义RNA增进mRNA 与核糖体的结合,促进翻译。这是首次发现反义RNA提高了蛋白质生成。,NATURE REVIEWS CANCER.2012,11:644- 656,ncRNA参与表观遗传调控,Gene.2008,410:917,lncRNA,methyltransferase,RNA作为细胞外信号分子,Journal of Molecular Endocrinology.2008,40:151159,基因定义？Complexity of transcriptome around a hypothetical gene,DNA RESEARCH.2010,17,5159,(1) protein coding mRNA transcript gene (2, ac) antisense RNAs in various relation with the transcripts (3) CAGE tags identify transcript in the 3-UTRs, likely polyadenylated (4) termination-associated sRNAs (TASRs) (5) exonic longcapped transcripts; (6) CAGE tags identifying TSS (exact location can vary) and may overlap PALRs (7) PASRs (green) and tiny 18 nt long RNAs (tiRNAs, arrowhead only) (8) antisense transcription events detected by CAGE (9) bidirectionally transcribed RNAs from core promoters (10) ncRNA splicing isoforms only partially overlapping to coding mRNA sequences (11) PALRs (12) PROMPTs, unstable transcripts on upstream regulatory regions (13) miRNAs and endogenous (14) other sRNAs associated to exonic-capped long transcripts,Cell. 2011,146:353-358 A ceRNA Hypothesis: The Rosetta Stone of a Hidden RNA Language?,Rosetta Stone-罗塞塔石碑,制作于公元前196年 埃及象形文字 埃及草书 希腊文,研究古埃及历史重要里程碑,microRNA,The Basis of the ceRNA Language,microRNA response elements (MREs) competing endogenous RNA (ceRNA),MicroRNA Effectiveness Is Influenced by the Cellular Concentration of Its MREs,癌症,癌症大多数是由于体细胞突变使细胞生长和分裂失控而引起的。癌症是由于多个基因而不是一个基因中的突变的积累而造成的。 起初一个细胞的单个突变通过有丝分裂传递给所有的子细胞。在后来分裂的一些细胞中产生了第二个突变并且也传给了子细胞。依次类推，在一个细胞中就积累了多个突变。 致癌突变主要是使细胞获得了相对于正常细胞的“生长优势”，使它能够更快速的分裂。所以下列三类基因的突变常会引发疾病：原癌基因促进细胞的生长和分裂，肿瘤抑制基因（如p53 基因）确保细胞正常分裂，DNA修复基因修复损伤的基因。,P53信号通路,p53与miRNA,癌症,世界卫生组织预测，恶性肿瘤将成为21世纪人类的第一杀手。中国人口众多，每年新发肿瘤病例居世界首位。 我国癌症患者发病率为0.5%-1% 全国现有癌症患者超过600万人 年发病例160万，死亡人数达130万 北京年发病例1.2万，死亡人数1万 癌症患者每年3.1的速度在增长。,耗费了900亿美元的抗癌大战,新的抗癌疗法,肿瘤呼吸测试仪工作原理图,癌症基因治疗,基因治疗的基本策略：取决于肿瘤的类型，概括起来有下列五种： 基因置换：用正常的外源基因置换产生疾病的基因，使致病基因得到永久的更正。此为最理想的基因疗法。 基因修正：单基因遗传病在多数情况下是由于基因内部单个碱基发生突变所致，而其他核苷酸序列均正常，因此只要将突变的单个碱基予以更正就能达到基因治疗的目的，而不必将整个基因进行置换。,癌症基因治疗,基因修饰：将目的基因导入病变细胞或其他细胞，目的基因的表达产物可以补偿病变基因的功能，而病变基因本身并未改变。由于已经发展了许多有效的方法可以将目的基因导入真核细胞，并获得表达，因而是目前较为成熟的方法。 基因抑制：导入外源基因去干扰、抑制有害基因的表达。,表观基因组,DNA甲基化修饰模式,表观遗传学修饰机制与表观遗传学修饰因子相互作用关系,20世纪生命科学的方法论是还原论,经典分子生物学,基因表达和功能研究 思路：序列结构功能 模式：“一次一个基因”,生物,复杂系统,星云,地球,星云,宇宙,生物系统是典型的复杂系统,细胞,生命科学和认知科学中大量的关键科学问题属于复杂系统问题，在传统的以线性和还原论思想为主导的科学理论框架中难以解决。,生命系统耗散结构,远离平衡态 非线性 开放系统 涨落 突变,生命体复杂性,生命体组成成分不是简单的堆积，而是彼此间有广泛的相互作用，越是高级生命作用越广泛。 组成成分之间的相互作用不是简单直线性关系，而是交错编织成网络，网络使生命体复杂性具有层次性特征。 生命体存在于多因素、多变化的环境中，随时要接受外界的刺激和干扰，是一种远离平衡态的开放系统。,生命科学发展趋势,整体化：复杂生命系统的研究注