分子生物学绪论8546999.docx

第一章 绪 论一、分子生物学的基本含义分子生物学是一门从分子水平研究生命现象、生命本质、生命活动及其规律的科学。 医学分子生物学作为分子生物学的重要分支，是从分子水平研究人体在正常和疾病状态下的生命活动及其规律，从分子水平开展人类疾病的预防、诊断和治疗研究的一门学科。研究对象 生物大分子的结构及在遗传信息和细胞信息传递中的作用生物大分子：核酸 携带遗传信息；蛋白质 在遗传信息传递，细胞内、细胞间通讯过程中发挥着重要作用学科地位 是当前生命科学中发展最快的前沿领域与其它学科广泛交叉与渗透的重要前沿领域二、生命科学的发展历史生命科学/分子生物学 主要包括三个不同层次的发展： 宏观论证 问题研究 技术手段宏观论证这一研究层次的兴趣点：只关心生命现象的最终结果。不研究生命现象的成因、过程、问题、机理问题研究（有人称之为主题学科）这一研究层次的兴趣点：对宏观论证的证实： 研究生命现象中的各种问题和机理研究历程: 分类学 胚胎学 生理学、生物化学、病理学 遗传学 技术手段（有人称之为方法学科）这一研究层次的兴趣点：提供问题和机理研究的方法学。技术方法的领先，才有研究工作的深入和上台阶技术方法研究的发展历程：形态解剖方法 细胞学方法 分子学方法三、分子生物学的研究和发展轨迹不断把本学科的理论和技术引向深入 目前分子生物学研究的前沿：功能基因组研究、基因表达调控研究、结构分子生物学研究、信号转导研究不断地与其他学科进行深入的横向联系和交叉融合 分子、细胞、整体水平的研究得到和谐统一表型和基因型的关系得到客观准确解释分子生物学与其他学科的结合生理学、微生物学、免疫学、病理学、药理学、分子生物学、临床医学、广泛渗透到医学各学科领域，成为现代医学重要的基础预防医学分子细胞学 分子药理学 分子免疫学 分子病理学分子病毒学 分子神经学 分子细菌学 分子遗传学 分子流行病学 分子内分泌学 分子诊断学（基因诊断学） 分子治疗学（基因治疗学） 广泛的渗透到医学各学科领域，大大促进了医学的发展四、分子生物学发展简史准备和酝酿阶段现代分子生物学的建立和发展阶段初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段准备和酝酿阶段( 19世纪后期到20世纪50年代初 )在这一阶段产生了两点对生命本质的认识上的重大突破：确定了蛋白质是生命的主要基础物质确定了生物遗传的物质基础是DNA蛋白质是生命的主要基础物质19世纪末 Buchner 兄弟证明酵母细胞提取液能使糖发酵产生酒精，第一次提出酶（enzyme）的名称，酶是生物催化剂。20世纪20-40年代提纯和结晶了一些酶（尿素酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶等），证明酶的本质是蛋白质。1902年，Emil Fisher 证明蛋白质结构是多肽。40年代末，Sanger创立二硝基氟苯（DNFB）法分析肽链N端氨基酸的方法，Edman 发展了异硫氰酸苯酯法分析肽链N端氨基酸的方法，为蛋白质测序奠定了基础。1953年，Sanger和Thompson完成了第一个多肽分子-胰岛素A链和B链氨基酸全序列分析。1950年，Pauling 和 Corey 提出了-角蛋白的- 螺旋结构模型。这一阶段对蛋白质一级结构和空间结构都有了认识生物遗传的物质基础是DNA1868年, F.Miescher 就发现了核素（nuclein）20世纪20-30年代, 确认自然界有DNA和RNA，并阐明了核苷酸的组成。由于当时对核苷酸和碱基的定量分析不够精确，得出DNA中A、G、C、T含量是大致相等的结果，因而曾长期认为：DNA结构只是“四核苷酸 ”单位的重复，不具有多样性，不能携带更多的信息，当时对携带遗传信息的侯选分子更多的是考虑蛋白质。40年代以后，人们对核酸的功能和结构两方面的认识都有了长足进步。1944年，O.T.Avery 等证明了肺炎球菌转化因子是DNA1952年，A.D.Hershey 和 M.Chase 用 35S 和32P 分别标记 T2 噬菌体的蛋白质和核酸，感染大肠杆菌的实验进一步证明了核酸是遗传物质。在对DNA结构的研究上1949-1952年，Wilkins 等的X-线衍射分析阐明了核苷酸并非平面的空间构像，提出了DNA是螺旋结构1948-1953年，Chargaff等用新的层析和电泳技术分析组成DNA的碱基和核苷酸量，积累了大量的数据，提出了DNA碱基组成A=T、G=C的Chargaff 规则，为碱基配对的DNA结构认识打下了基础。现代分子生物学建立和发展阶段（50年代初到70年代初）1953年Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型，是生物学发展的里程碑。它开创了分子遗传学基本理论建立和发展的黄金时代，可以说是现代分子生物学的开始。在此期间的主要进展包括：遗传信息传递中心法则的建立对蛋白质结构与功能的进一步认识遗传信息传递中心法则的建立在发现DNA双螺旋结构同时，Watson 和Crick 就提出DNA复制的可能模型1956年，A.Kornberg首先发现DNA聚合酶（DNA polymerase）1958年，Meselson及Stahl用同位素标记和超速离心分离实验证明了DNA半保留复制模型1968年，Okazaki（冈崎）提出DNA的半不连续复制模型1972年，证实了DNA复制开始需要RNA作为引物70年代初，发现了DNA拓扑异构酶，并对真核DNA聚合酶特性做了分析研究 逐渐完善了对DNA复制机理的认识在研究DNA复制将遗传信息传给子代的同时，提出了RNA在遗传信息从DNA传到蛋白质过程中起着中介作用的假说1958年，Weiss 及Hurwitz等发现依赖于DNA的RNA聚合酶1961年，Hall和Spiegelman用RNA-DNA杂交证明mRNA与DNA序列互补，阐明了 RNA转录合成的机理在此同时认识到：蛋白质是接受RNA的遗传信息而合成的50年代初，Zamecnik等在形态学和分离的亚细胞组分的实验中发现微粒体（ microsome ）是细胞内蛋白质合成的部位1957年，Hoagland 等分离出 tRNA；对 tRNA 在合成蛋白质中转运氨基酸的功能提出了假设1961年，Brenner及Gross等观察了在蛋白质合成过程中mRNA与核糖体的结合1965年，Holley首次测出了酵母丙氨酸tRNA的一级结构60年代，Nirenberg、Ochoa、Khorana等几组科学家的共同努力破译了mRNA上编码合成蛋白质的遗传密码随后研究表明：这套遗传密码在生物界具有通用性，从而认识了蛋白质翻译合成的基本过程上述重要发现共同建立了以中心法则为基础的分子遗传学基本理论体系1970年，Temin和Baltimore从 鸡肉瘤病毒 颗粒中发现以RNA为模板合成DNA的反转录酶，补充和完善了遗传信息传递的中心法则 对蛋白质结构与功能的进一步认识1956-58年，Anfinsen和White 提出了蛋白质的三维空间结构是由其氨基酸序列来确定的（牛胰核糖核酸酶的变性与复性实验）1958年，Ingram证明正常的血红蛋白与镰刀状红细胞贫血症病人的血红蛋白之间，在亚基的肽链上仅有一个氨基酸残基的差别。研究蛋白质的手段也有改进：1969年，Weber开始应用SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳测定蛋白质分子量60年代，先后分析了血红蛋白、核糖核酸酶A等一批蛋白质的一级结构1973年氨基酸序列自动测定仪问世中国科学家1965年人工合成了牛胰岛素1973年用1.8A X-线衍射法测定了牛胰岛素的空间结构初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段（70年代 ）70年代后，以基因工程技术的出现作为新的里程碑，标志着人类开始了深入认识生命本质并能动改造生命的新时期期间的重大成就包括： 重组DNA技术的建立和发展基因组研究的发展单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展基因表达调控机理细胞信号转导机理重组DNA技术的建立和发展1967-1970年，R Yuan和HO Smith等发现限制性核酸内切酶，为基因工程提供了有力工具1972年，Berg等将 SV40 病毒 DNA与噬菌体 P22 DNA 在体外重组成功，并转化了大肠杆菌，使本来在真核细胞中合成的蛋白质能在细菌中合成， 打破了种属界限1977年，Boyer 等首先将人工合成的生长激素释放抑制因子14肽的基因重组入质粒，成功地在大肠杆菌中合成得到这14肽。1978年，Itakura（板仓）等：人生长激素191肽在大肠杆菌中表达成功1979年，美国基因技术公司用人工合成的人胰岛素基因重组转入大肠杆菌中合成人胰岛素我国已有人干扰素、人白介素 2、人集落刺激因子、重组人乙型肝炎疫苗、基因工程幼畜腹泻疫苗等多种基因工程药物和疫苗进入生产或临床试用。世界上还有几百种基因工程药物及其它基因工程产品在研制中，成为当今农业和医药业发展的重要方向，将对医学和工农业发展作出新贡献转基因动植物和基因剔除动植物的成功是基因工程技术发展的结果： 1982年，Palmiter等将克隆的生长激素基因导入小鼠受精卵细胞核内，培育得到比原小鼠个体大几倍的“巨鼠”，激起了人们创造优良品系家畜的热情。 我国水生生物研究所将生长激素基因转入鱼受精卵，得到的转基因鱼的生长显著加快、个体增大。用转基因动物还能获取治疗人类疾病的重要蛋白质 例如：导入了凝血因子基因的转基因绵羊分泌的乳汁中含有丰富的凝血因子，能有效地用于血友病的治疗。在转基因植物方面1994年，转基因西红柿投放市场1996年，转基因玉米、转基因大豆相继投入商品生产我国科学家将自己发现的蛋白酶抑制剂基因转入棉花获得抗棉铃虫的棉花株1996年，全世界已有250万公顷土地种植转基因植物。基因诊断与基因治疗是基因工程在医学领域发展的一个重要方面。1990年，美国向一患先天性免疫缺陷病（遗传性腺苷脱氨酶ADA基因缺陷）的女孩体内导入重组的ADA基因，获得成功我国也在1994年用导入人凝血因子基因的方法成功治疗了乙型血友病的患者在我国，用作基因诊断的试剂盒已有近百种之多。基因诊断和基因治疗正在发展之中。美国医学家WF安德森等人对腺甘脱氨酶缺乏症（ADA缺乏症）的基因治疗，是世界上第一个基因治疗成功的范例。1990年9月14日，安德森对一例患ADA缺乏症的4岁女孩谢德尔进行基因治疗。这个4岁女孩由于遗传基因有缺陷，自身不能生产ADA，先天性免疫功能不全，只能生活在无菌的隔离帐里。他们将含有这个女孩自己的白血球的溶液输入她左臂的一条静脉血管中，这种白血球都已经过改造，有缺陷的基因已经被健康的基因所替代。在以后的10个月内她又接受了7次这样的治疗，同时也接受酶治疗。经治疗后，免疫功能日趋健全，能够走出隔离帐，过上了正常人的生活。深圳市赛百诺基因技术有限公司研制开发的抗癌新药 “重组人p53腺病毒注射液”（商品名“今又生”），2003年10月16日获得国家食品药品监督管理局颁发的新药证书。.基因工程的迅速进步得益于许多分子生物学新技术的不断涌现。1975-1977年，Sanger、Maxam和Gilbert先后发明了三种DNA序列的快速测定法90年代，全自动核酸序列测定仪的问世1985年，Cetus公司Mullis等发明的聚合酶链反应（PCR）体外核酸序列扩增技术。基因组研究的发展目前分子生物学已经从研究单个基因发展到研究生物整个基因组的结构与功能1977年，Sanger测定了X174-DNA全部5375个核苷酸的序列；1978年，Fiers等测出SV40 DNA全部5224对碱基序列80年代，噬菌体DNA序列全部测出（48,502 bp）一些小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因组的全序列也陆续被测定1996年底，测出了大肠杆菌基因组DNA的全序列（410 6 bp ）测定一个生物基因组核酸的全序列无疑对理解这一生物的生命信息及其功能有极大的意义。1990年，人类基因组计划（Human Genome Project，HGP）开始实施，这是生命科学领域有史以来全球性最庞大的研究计划2001年2月，人类基因组（3.16 10 9 bp）全部DNA序列已完成。后基因组（post-genome）计划、已经启动1996年，许多科学家共同努力测出了大肠杆菌基因组DNA的全序列长410 6 碱基对测定一个生物基因组核酸的全序列无疑对理解这一生物的生命信息及其功能有极大的意义转录组学（transcriptomics）研究细胞在某一功能状态下所含mRNA的类型和拷贝数。 RNA的生物学功能远超出遗传信息传递作用的范围，除mRNA、tRNA、rRNA外，一类小分子RNA受到广泛重视，已发现小分子RNA可参与基因表达调控，所有小分子RNA统称非mRNA小RNA(snmRNA)，由此产生RNA组学的概念，主要研究snmRNA的种类、结构和功能等，探讨同一生物不同组织细胞或同一细胞在不同时空状态下snmRNA的表达谱，及其功能的变化。代谢组学（metabolomics）研究的是生物体对外源性物质的刺激、环境变化或遗传修饰所做出的所有代谢应答的全貌和动态变化过程。 研究对象是完整的多细胞生物系统，包括生命个体与环境的相互作用。 代谢组学着重研究生物个体在疾病发生发展过程中和外源性物质如药物作用下代谢的整体变化。疾病代谢组学的研究着重于寻找疾病发生发展的生物标记与指纹信息。糖组学（glycomics）主要研究单个生物体所包含的所有聚糖的结构、功能等生物学作用。糖组学的出现使人类可以更深刻理解第三类生物信息大分子聚糖在生命活动中的作用。单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展1975年，Kohler和Milstein首次用B淋巴细胞杂交瘤技术制备出单克隆抗体以来，人们利用这一细胞工程技术研制出多种单克隆抗体80年代以后，随着基因工程抗体技术而相继出现的单域抗体、单链抗体、嵌合抗体、重构抗体、双功能抗体等为广泛和有效的应用单克隆抗体提供了广阔的前景。基因表达调控机理1961年，Jacob 和Monod提出操纵子学说。在分子遗传学基本理论建立的60年代，人们主要认识了原核生物基因表达调控的一些规律：操纵子机制。70年代以后，才逐渐认识了真核基因组结构和调控的复杂性。1977年，最先发现猴SV40和腺病毒中编码蛋白质的基因序列是不连续的。基因内部的间隔区（内含子）在真核基因组中普遍存在，揭开了认识真核基因组结构和调控的序幕。1981年，Cech等发现四膜虫rRNA的自我剪接功能，从而发现了核酶（ribozyme）80-90年代，人们逐步认识到真核基因的表达调控方式：顺式作用元件（cis acting element）反式作用因子（trans acting factor）核酸与蛋白质间的分子识别与相互作用是基因表达调控根本所在。细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域1957年，Sutherland 发现cAMP1965年，提出第二信使学说1977年Ross等证实G蛋白的存在和功能，将G蛋白与腺苷环化酶的作用相联系起来，深化了对G蛋白偶联信号转导途径的认识70年代中期以后，癌基因和抑癌基因的发现、蛋白酪氨酸激酶的发现及其结构与功能的深入研究、各种受体蛋白基因的克隆和结构功能的探索等，使近10年来细胞信号转导的研究更有了长足的进步。EH Fischer和EG Krebs发现可逆性的蛋白磷酸化过程是生物的自身调节机制，细胞内物质的不平衡可导致疾病的发生可逆性的蛋白磷酸化过程是蛋白质相互作用的一个重要调节机制，该过程需要很多酶作催化剂。一个细胞内有数千种蛋白质，它们是机体生命活动的基础。这些蛋白质之间是相互