当代生命科学的发展动力

1MolecularBiology主讲人：茅云翔教授2013.03-2013.06——当代生命科学的发展动力分子生物学2Self-Introduction茅云翔，海洋生物学博士，教授，博士生导师研究方向：

藻类保护遗传学藻类基因组学藻类遗传育种学藻类抗逆分子生理在研课题：国家自然科学基金国家高技术研究发展计划（863）3Tel&EmailOffice:Room216,ChemistryBuildingPhoneNumberab:

Room218,ChemistryBuildingPhoneNumber/p>

Email:maoyunxiang@yxmao@4分子生物学常用参考书目RobertF.Weaver,MolecularBiology(FifthEds).McGraw-HillCompanies,2012TuenerPC,MxLennanAG,BatesADandWhiteRH.InstantNotes

inMolecularBiology(2ndEdition).科学出版社(影印版),2003BenjaminLewin,GenesX.OxfordUniversityPress,2010JamesD.Watson,MolecularBiologyoftheGene(5thEdition).科学出版社，2006朱玉贤,李毅.现代分子生物学,第三版.高等教育出版社,20075分子生物学实验参考书目1.MolecularCloning:Alaboratorymanual.

分子克隆实验指南2.ShortProtocolsinMolecularBiology

精编分子生物学实验指南3.PCRPrimer:aLaboratoryManual

PCR技术实验指南4.现代分子生物学实验技术,卢圣栋5.分子生物学实验指导,刘进元等编著,清华大学出版社67实验参考书目封面8MolecularBiologicalJournal

SCIImpactFactor1.CA-CANCERJCLIN2.NEWENGLJMED3.ANNUREVIMMUNOL4.NATREVMOLCELLBIO5.ANNUALREVIEWOFBIOCHEMISTRY6.CELL7.NATURE8.

SCIENCE9.NATUREGENETICS10.CANCERCELL11.ANNUREVCELLDEVBI12.NATBIOTECHNOL13.CHEMREV14.NATREVGENET15.TRENDSINBIOCHEMICALSCIENCES16.ANNUALREVIEWPLANTBIOLOGY69.02652.58947.98131.92131.1929.88728.75126.37225.55623.85823.54522.84822.75722.39918.71217.0219MarineandFreshwaterBiologySCIImpactFactor1.FISHFISHERIES6.4342.FISHSHELLFISHIMMUN3.163.JPHYCOL2.824.BIOFOULING2.7295.FRESHWATERBIOL2.656.MARINEECOLOGY-PROGRESSSERIES2.5467.REVIEWSINFISHBIOLOGYANDFISHERIES2.5318.MARBIOTECHNOL2.5039.MARINEPOLLUTIONBULLETIN2.33410.MARBIOL2.21511.JOURNALOFPHYCOLOGY1.84712.AQUACULTURE1.735

13.MOLECULARMARINEBIOLOGYANDBIOTECHNOLOGY1.578

10绪论分子生物学的定义与内涵分子生物学的研究内容现代生命科学回顾与分子生物学发展简史——重要事件与人物11一、分子生物学的定义与内涵1945年，WilliamAstbury首次提出；广义层次：在分子水平上研究生命活动及其规律的科学。

Fieldofbiologythatstudiesthemolecularleveloforganization.

狭义层次：生物学分支，研究生物大分子结构、功能、相互作用，从分子水平揭示生物遗传变异机制。

Branchofbiologythatstudiesthestructureandactivityofmacromoleculesoflivingmatterandespeciallywiththemolecularbasisofinheritance.12分子生物学的内涵

研究细胞的生物大分子(如核酸\蛋白质、多糖)的结构与生物学功能,在分子水平上认识生物的遗传、变异、进化、遗传信息的传递、基因的表达与调控、细胞内和细胞间的信号调节、细胞分化和细胞癌变(增生)及凋亡、个体发育过程控制、感染、病理及机体预防，直至认识基因组和蛋白质组特征。13二、分子生物学的研究内容生物大分子的结构和功能基因表达调控研究DNA重组技术（基因工程）基因组、功能基因组和生物信息学研究14生物大分子的结构和功能——结构生物学结构分子生物学是以分子生物物理学为基础，结合化学和分子生物学方法测定生物大分子复合体的空间结构、精细结构以及结构的运动，阐明其相互作用的规律和发挥生物功能的机制，从而揭示生命现象本质的科学。主要研究方向：结构的测定、结构的运动变化与其生物学功能的关系。研究手段：基因自动合成和测序技术、

X-ray衍射晶体学，二维或多维核磁共振，电镜三维重组、电子衍射、中子衍射等15基因表达调控研究DNA转录

RNA加工成熟mRNA转运翻译蛋白质加工和修饰功能蛋白表达调控主要与信号传导、转录因子和RNA剪辑等密切相关16DNA重组技术（基因工程）DNA重组技术是将不同的DNA片段按照人为设计定向连接，在特定的受体细胞中与载体同时复制并得到表达，并最终产生影响受体细胞的新的遗传性状。1、可被用于大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低价值的多肽;2、可用于定向改造某些生物的基因组结构;3、可被用来进行基础研究

171819分子生物学与其它学科的关系

诞生和发展的基础依赖于不同生物学科的交叉、融汇，特别是生物化学、细胞生物学和遗传学的交融。是以数学、物理、化学、信息科学、材料科学和工程学等其它科学不断取得的新技术和新成果为依托的。20全面渗透生命科学各领域分子细胞生物学——细胞凋亡、个体发育分子神经生物学——膜与信号传递生物化学——生物大分子结构与功能分子遗传学——基因调控网络、基因组学分子系统学——物种的起源、演化和自然属性分子生态学——生物多样性、生物与环境互作机制医学——基因治疗、法医鉴定等

……其他科学：信息科学——DNA计算机、神经网络能源——生物产氢

……

21与其它学科间的相互关系与其它生命科学学科没有明确的分界线，相互交融；绝不能包括或代替其他生物学学科；已成为其他学科的基础之一。问题：生物化学与分子生物学能相互涵盖或替代吗？分子遗传学与分子生物学的相互关系？22生物学的新纪元——系统生物学系统生物学的基础：分子生物学系统生物学是在细胞、组织、器官和生物体整体水平研究结构和功能各异的各种分子及其相互作用，并通过计算生物学来定量描述和预测生物功能、表型和行为。21世纪的生物学2324252627系统生物学的主要技术平台：基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、相互作用组学和表型组学等。基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学分别在DNA、mRNA、蛋白质和代谢产物水平检测和鉴别各种分子并研究其功能。相互作用组学系统研究各种分子间的相互作用，发现和鉴别分子机器、途径和网络，构建类似集成电路的生物学模块，并在研究模块的相互作用基础上绘制生物体的相互作用图谱。表型组学是生物体基因型和表型的桥梁，目前还仅在细胞水平开展表型组学研究。

282011年世界十大科学进展2930Breakdownoftheyear2006英国《自然》《中国科研，发表还是灭亡》31三、现代生物学发展历程回顾32十九世纪的成就1859CharlesDarwin

-ThefirstprintingofCharlesDarwin'sbook-OntheOriginofspeciesbyMeansofNaturalSelection.1865GregorMendel

-Hisexperimentwithpeasshowedthatheredityistransmittedindiscreteunits.1869FriedrichMieshir

-FirstisolationofDNA

1879WalterFlemming

-Thewholeprocessofmitosisofanimalcellwasdescribed,includingchromosomedoublingtotheirevenpartitioningintothetworesultingcells.

1900HugoDeVries,CarlCorrensandErichvonTschennak

-independentlyrediscoverMendel'swork

33CharlesDarwin

BritishNaturalist

1809-1882

Ihavecalledthisprinciple,bywhicheachslightvariation,ifuseful,ispreserved,bythetermNaturalSelection.

—CharlesDarwinfrom"TheOriginofSpecies"34JohannGregorMendel

22.7.1822inHyncice-6.1.1884inBrno35GregorMendel,anAustrianmonkwhoexperimentedwithbreedingexperimentsinthegardenpea,Pisumsativum,iscreditedwithbeingthe"father"ofthescienceofgenetics-heredity.HedidnotknowaboutchromosomesorDNA,nordidheknowaboutgenesaswedotoday.However,heperformedmanyexperimentsinwhichhecontrolledthebreedingofhispeaplants.ByobservingthenumberandtypesofphenotypesintheoffspringplantshedevelopedtherulesofinheritanceknownasMendel'slawstoday363738

“植物杂交试验”

《布隆自然史学会会刊》

ProceedingsoftheNaturalHistorySocietyofBrunn，1866

39"Mytimewillcome."

———JohannGregorMendel墓志铭40FriedrichMiescher41HugodeVries

1848~1935CarlCorrens1864~1933ErichvonTschermak1871~196242二十世纪上半叶的研究成果1902

WalterSutton

-Theprocessofmeiosiswasobserved.

DiscoveringthatthesegregationpatternofchromosomesduringmeiosismatchedthesegregationpatternsofMendel'sgenes.1909

WilhelmJohannsen

-Coinedtheword“GENE”todescribetheMendelianunitsofheredity1911

ThomesHuntMorgan

-Usingfruitfliesasmodelorganismshowedthatgenes,strungonchromosome,aretheunitsofheredity.1941

GeorgeBeadle&EdwardTatum

-Settingup"onegene,oneenzyme"hypothesis

1943

WilliamAstbury

-ObtainedthefirstX-raydiffractionpatternofDNA

1944

OswaldAvery,ColinMacLeodandMaclynMcCarty

-showedthatDNAcantransformthepropertiesofcells,clarifyingthechemicalnatureofgenes.

BarbaraMcClintock

-discoveredthatgenescanjumparoundonchromosomes.1952AlfredHershey&MarthaChase

-FoundthatonlytheDNAofavirusisneed

toenterabacteriumforinfection

43ThomasHuntMorgan(1866-1945)USATheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1933"forhisdiscoveriesconcerningtheroleplayedbythechromosomeinheredity"44TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1958"fortheirdiscoverythatgenesactbyregulatingdefinitechemicalevents"GeorgeWellsBeadle

EdwardLawrieTatum

TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1983"forherdiscoveryofmobilegeneticelements"BarbaraMcClintock

45二十世纪五十年代至八十年代中

——分子生物学的诞生与发展1953

FrancisCrick&JamesWatson

-describedthedoublehelixstructureofDNA.1955

ArthurKornberg

-isolatedDNApolymerase1956

FrancisCrick&GeorgeGamov-workedout"Centraldogma"toexplaingeneticinformationflowonedirection-fromDNAtomRNAtoprotein1958

Matthew-Meselson&FranklinStahl

-demonstratedthatDNAreplicatessemiconservatively1960FrancoisJacob&JacquesMonod-“geneticregulationmodel"–“lacrepressorandoperon”1961

SydneyBrenner,FrancisJacob&MatthewMeselson

-discoveredthatmRNAisthemoleculartakinginformationfromDNAinthenucleustotheprotein.1966MarshallNirenberg,HarKhorana&SeveroOchoa

-elucidatethegeneticcode

1968M.Meselson'sgroupandH.O.Smith,K.W.Wilson&T.J.Kely

-studiedandcharacterizedthefirstrestrictionnucleases

46二十世纪五十年代至八十年代中（续）1972

PaulBerg

-producedthefirstrecombinantDNAmolecule.1975-77

Sanger'sgroupandMaxam&Gilbert

-developedrapidDNAsequencingmethod1977RichardRobert'sandPhilSharp'slabs

-Showedthateukaryoticgenescontainmanyinterruptions,calledintron

1978

MichaelSmith-managetoinduceasite-directedmutationinabacteriophageDNAmolecule.1981-82

-Firsttransgenicmice&fruitflies

1985

KaryB.Mullis-PCR(Polymerasechainreaction)wasinvented.

47JamesWatson(left)andFrancisCrick.TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1962"fortheirdiscoveriesconcerningthemolecularstructureofnucleicacidsanditssignificanceforinformationtransferinlivingmaterial"48TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1959"forhisdiscoveryofthemechanismsinthebiologicalsynthesisofribonucleicacidanddeoxyribonucleicacid"TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1968"fortheirinterpretationofthegeneticcodeanditsfunctioninproteinsynthesis"ArthurKornberg

HarGobindKhorana

MarshallW.Nirenberg

49TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1978"forthediscoveryofrestrictionenzymesandtheirapplicationtoproblemsofmoleculargenetics"TheNobelPrizeinChemistry1980"forhisfundamentalstudiesofthebiochemistryofnucleicacids,withparticularregardtorecombinant-DNA"WernerArber

DanielNathans

HamiltonO.Smith

PaulBerg50

WalterGilbertFrederickSanger

TheNobelPrizeinChemistry1980"fortheircontributionsconcerningthedeterminationofbasesequencesinnucleicacids"51TheNobelPrizeinChemistry1993"forhisfundamentalcontributionstotheestablishmentofoligonucleiotide-based,site-directedmutagenesisanditsdevelopmentforproteinstudies"TheNobelPrizeinChemistry1993"forhisinventionofthepolymerasechainreaction(PCR)method"MichaelSmith

KaryB.Mullis52二十世纪八十年代中以后

——基因组学与蛋白质组学时代的来临1985RobertSinsheimer

-hostsameetingattheUniversityofCalifornia(UC),SantaCruz,todiscussthefeasibilityofsequencingthehumangenome.1986

-InventedautomatedDNAfluorescensesequencer1987

-developYACsforcloning,increasinginsertsize10-fold

1990

-HumanGenomeProjectlaunched。

1992

-MelSimonofCaltechandcolleaguesdevelopBACsforcloning

1995

-Genomesoftwobacteria,HaemophilusinfluenzalandMycoplasmagenitalium,weresequenced.53二十世纪八十年代中以后（续）1996-CompletedsequencingonYeastgenome-SequencedArchaeagenome|-AffymetrixmakesDNAchipscommerciallyavailable1997

-Escherichiacoligenomewassequenced-theworld’sfirstclonedmammalDollywasborn.1998

-Mycobacteriumtuberculosisgenomewassequenced-SequencedRoundwormC.elegansgenome2000

-fruitflygenomesequenced.-completedthesequencingofthefirstplant,Arabidopsisthaliana.2001

-TheHGPconsortiumpublishesitsworkingdraftinNature,andCelerapublishesitsdraftinScience

542002

completedthesequencingofchrosomeNo.4andNo.1ofrice2004

completedsequencingmapofricegenome2005completedsequencingofchimpanzeegenome2005developedtheRoche454GenomeSequencerFLXsystem2006developedTheIllumina(Solexa)GenomeAnalyzercompletedfinesequencingofsilkworm2010completeddraftsequencingofthegiantpandagenome551,000PlantandAnimalProject5610,000MicrobialGenomesProject571,000MendelianDisordersProject58分子生物学发展阶段的划分1900-1953正向遗传学正向遗传学是指通过生物个体或细胞的基因组的自发突变或人工诱变，寻找相关的表型或性状改变，然后从这些特定性状变化的个体或细胞中找到对应的突变基因，并揭示其功能（性状—基因）。

1953-2003反向遗传学反向遗传学是在获得生物体基因组全部序列的基础上，通过对靶基因进行改造（定点突变、插入\缺失、基因置换等），研究生物体基因的结构与功能以及这些修饰可能对生物体的表型、性状有何种影响等方面的内容（基因—性状）。

59分子生物学发展阶段的划分（续）2003-—组学时代post-genomics

是在完成基因组图谱构建以及全部序列测定的基础上，进一步研究全基因组的基因功能、基因之间的相互关系和调控机制为主要内容的学科。蛋白质组功能基因组基因组60

依附于对DNA序列的了解，应用基因组学的理论和工具去了解影响发育和整个生物体的特征序列表达谱。Functionalgenomicsreferstothedevelopmentandapplicationofglobal(genome-wideorsystem-wide)experimentalapproachestoassessgenefunctionbymakinguseoftheinformationandreagentsprovidedbystructuralgenomics.Itischaracterizedbyhigh-throughputorlarge-scaleexperimentalmethodologiescombinedwithstatisticalorcomputationalanalysisoftheresults(HieterandBoguski1997).1功能基因组学functionalgenomics61SubtractedcDNALibrariesDifferentialDisplayRepresentationalDifferenceAnalysisSuppressionSubtractiveHybridizationcDNAMicroarraysSerialAnalysisofGeneExpression2-DGelElectrophoresisDigitalGeneExpressionFunctionalGenomics

Hunt&Livesey(eds.)62芯片技术流程63数字化基因表达谱642蛋白质组学（proteomics）proteome，指一种基因组所表达的全套蛋白质，即包括一种细胞乃至一种生物所表达的全部蛋白质。蛋白质组学是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。功能蛋白质组（functionalproteome)：在特定时间、特定环境和实验条件下基因组活跃表达的蛋白质。65

蛋白质组学研究的内容蛋白质表达模式(或蛋白质组组成)的研究蛋白质组组成的分析鉴定是蛋白质组学中的与基因组学相对应的主要内容。它要求对蛋白质组进行表征,即实现所有蛋白质的分离、鉴定及其图谱化。双向凝胶电泳(