分子生物学：1IntroductionofMolecularBiology.ppt

ChapterOne IntroductionofMolecularBiology DefinitionofMolecularBiology BriefhistoryofMolecularBiologyRelationshipbetweenMolecularBiologyandotherdisciplines ProspectsofMolecularBiology KeyPoints 1DefinitionofMolecularBiology Theattempttounderstandthebiologicalphenomenainmolecularterms ThestudyontheprocessofDNAreplication transcription translationandexpressionregulationandrelatedproteinsorenzymes Thestudyofgenestructureandfunctionatthemolecularlevel RobertWeaver Stage1 Preparation准备和酝酿阶段Stage2 EstablishinganddevelopingofcontemporaryMolecularBiology现代分子生物学的建立和发展阶段Stage3 Primaryunderstandingofthenatureoflifeandmodificationoflife deepdevelopmentstage初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段Stage4 Post genomeera后基因组时代 BriefHistoryofMolecularBiology Molecularbiologyisahybriddiscipline itgrewoutofthedisciplinesofgeneticsandbiochemistry Fromlate1900stoearly1950s 19世纪后期到20世纪50年代初 Confirmedthatproteinisoneofthefundamentalmaterialsoflife 确定了蛋白质是生命的主要基础物质 经典生物化学的贡献 ConfirmedthatDNAisthenatureofgeneticmaterial 确定了生物遗传的物质基础是DNA 经典遗传学的贡献 Stage1 Preparation In1989 Buchnerbrothersconfirmedthatyeastcell freeextractscouldmakeglucosefermentationandproducealcoholIn1926 J B Sumnerobtainedurokinasecrystalfromjackbean从刀豆获得了结晶的尿酶In1955 F Sangersequencedtheaminoacidsofcalfinsulin牛胰岛素的氨基酸序列分析Kendrew perutsobtainedthestructureofwhalemusclehemoglobinandhorsehemoglobinbyx raydiffractionanalysisorx raycrystallography用X 射线分析得到鲸肌红蛋白与马血红蛋白的空间结构 In1869 MiescherisolatedDNAfromusedpatientbadgesforthefirsttimeandnameditnuclein In1910 KosselfromGermanyisolatedtheadenine thymineandhistidine腺嘌呤 胸腺嘧啶和组氨酸 Inlate1890 biochemistsalreadyknewthecomponentsandthestructureofRNA In1865 AustrianscientistsGregorMendelpublishedapaperentitledExperimentsonPlantHybrids andputforwardtwolaws PrinciplesofIndependentSegregationandIndependentAssortment HowMendel sfirstlaw independentsegregation explainsthe3 1ratioofdominanttorecessivephenotypesamongtheF2progeny Theinheritanceofflowercolorinthesnapdragon HowMendel ssecondlaw independentassortment operates In1900 HugodeVries CarlCorrens ErichvonTschermakrediscoveredMendelianinheritancelaw In1909 丹麦geneticistsW Johannsendubbed Gene tosubstituteMendel sgeneticunit Bytheendof1900 chromosometheoryofinheritancewasputforwarded In1910 AmericanscientistsThomasH Morganconfirmedgeneislocatedonchromosomeanddiscoveredgeneticrecombinationphenomenon ThomasHuntMorgan Theinheritanceofasex linkedgeneinDrosophila Thegeneticmapofchromosome2ofDrosophilamelanogaster In1931 HarrietCreighton BarbaraMcClintockfoundtheevidenceofgenerecombination What sthenatureofgeneticmaterial 1928 FrederickGriffith transformationinbacteria Streptococcuspneumoniae1944 OswaldAvery ColinMacLeod andMaclynMcCartyconfirmedthat DNA thetransformingmaterial Conclusion thegeneticmaterialofbacteriaisDNA In1952 A D Hershey MarthaChaseusedlabelssulfur 35 35S forproteinandphosphorus 32 32P forDNA Bydefinition theearlyworkongenescannotbeconsideredmolecularbiology orevenmoleculargenetics becauseearlygeneticistsdidnotknowthemolecularnatureofgenes Infact thechemicalcompositionofgeneswasnotknowuntil1944 Atthatpoint itbecamepossibletostudygenesasmolecules andthedisciplineofmolecularbiologywasborn Conclusion thegeneticmaterialofphagealsoisDNA Stage2 EstablishinganddevelopingofcontemporaryMolecularBiology Fromearly1950stoearly1970s从50年代初到70年代初 CentralDogma Furtherunderstandingonproteinstructureandfunction对蛋白质结构和功能的进一步认识 DiscoveryofDNADoubleHelixDNA双螺旋结构的发现In1950 ErwinChargaff rule A T G CIn1952 RosalindFranklin MauriceWilkins X raypictureofB DNAIn1953 PaulingpublishedDNAtriplehelixstructureIn1953 Watson Crickputforwardright handeddoublehelixmodelofDNA TheywontheNobelPrizeinPhysiologyandMedicinein1962withWilkins DNAdoublehelix Asaboy Crickwor riedthattherewouldn tbeanythingleftforhimtodiscoverbythetimehegrewupandbecameascientist E Edelson FrancisCrickandJamesWatson 对DNA复制的认识 1953年 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 1958年 Meselson及Stahl用同位素标记和超速离心分离实验为DNA半保留模型提出了证明 1968年 Okazaki 冈畸 提出DNA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 获得DNA拓扑异构酶 并对真核DNA聚合酶特性做了分析研究 对RNA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 SydneyBrenner FrancisJacob MatthewMeselson发现了messengerRNA 1961年 Hall和Spiege lman用RNA DNA杂交证明mRNA与DNA序列互补 逐步阐明了RNA转录合成的机理 对蛋白质的认识50年代初 Zamecnik等在形态学和分离的亚细胞组分实验中发现微粒体 microsome 是细胞内蛋白质合成的部位 1957年 Hoagland Zamecnik及Stephenson等分离出tRNA并对它们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以及Khorana等几组科学家的共同努力破译了RNA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 In1970 HowardTemin DavidBaltimorediscoveredreversetranscriptase aRNA dependentDNApolymerasefromretrovirusparticles Stage3 Primaryunderstandingofthenatureoflifeandmodificationoflife deepdevelopmentstage Fromlate1970sto2000s70年代后至21世纪初 DNArecombination技术的建立和发展 Genomics基因组研究的进展 Monoclonalantibody单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展 Regulationofgeneexpression基因表达调控机理 Mechanismsofsignaltransduction细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域 重组DNA技术的建立和发展 1967 1970年 R Yuan和H O Smith等发现的限制性核酸内切酶为基因工程提供了有力的工具 1972年 Berg等将SV 40病毒DNA与噬菌体P22DNA在体外重组成功 转化大肠杆菌 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 等使人生长激素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 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 1994年 能比普通西红柿保鲜时间更长的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 2004年 全球转基因抗虫棉播种面积占植棉总面积的80 基因组研究的进展 1977年 Sanger测定了 X174 DNA全部5375个核苷酸的序列 1978年 Fiers等测出SV 40DNA全部5224对碱基序列 80年代 噬菌体DNA全部48 502碱基对的序列全部测出 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 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4x106碱基对 1990年 人类基因组计划 HumanGenomeProject 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 目前已测定出人基因组全部DNA3x109碱基对的序列 确定人类约2 5 3万个基因的一级结构 这将使人类能够更好掌握自己的命运 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 为许多疾病的诊断和治疗提供了有效的手段 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 Jacob和Monod最早提出的操纵元学说打开了人类认识基因表达调控的窗口 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 70年代 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病毒和腺病毒中编码蛋白质的基因序列是不连续的 这种基因内部的间隔区 内含子 在真核基因组中是普遍存在的 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 从而发现核酶 ribozyme 80 90年代 使人们逐步认识到真核基因的顺式调控元件与反式转录因子 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 是人们认识受体介导的细胞信号转导的第一个里程碑 1977年 Ross等用重组实验证实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 目前 对于某些细胞中的一些信号转导途径已经有了初步的认识 尤其是在免疫活性细胞对抗原的识别及其活化信号的传递途径方面和细胞增殖控制方面等都形成了一些基本的概念 Stage4 Post genomeera基因组学 genomics 结构基因组学 structuralgenomics 功能基因组学 functionalgenomics 环境基因组学 environmentalgenomics 营养基因组学 nutritionalgenomics 药物基因组学 druggenomics 癌症基因组学 cancergenomics 毒理基因组学 toxicologicalgenomics 转录组学 transcriptomics 蛋白质组学 proteomics 代谢组学 metabolomics 相当于约三十个人的基因组 3RelationshipbetweenMolecularBiologyandotherdisciplines 分子生物学Molecularbiology 生物化学Biochemistry 物理学Physics 微生物学Microbiology 细胞学Cytology 遗传学Genetics 发育生物学DevelopmentalBiology MolecularBiology ExtensionofMolecularBiology JoshuaLederberg 1959 JamesWatson 34y FrancisCrick 46y MauriceWilkins 46y 1962 FrancoisJacob 44y JacquesMonod 55y French Lac OperonTheory 1965 ConceptofmRNA 1968 R HolleyH GobindKhorana MarshallNirenbergpakistan 1969 MaxDelbruck 63y AlfredHershey 61y M Delbruck A Hershey Reversetranscription WalterGilbert 48y FredenickSanger MechanismofproteinsynthesisIsolationofLac Operonrepressor 1980 DNAsequencing DNA SV40 RecombinationDNA PaulBerg 1983 BarbaraMcClintock 86y DNAtransposableelememt 1998Furchgott Ignarro Muradfortheirdiscoveriesconcerningnitricoxideasasasignallingmoleculeinthecardiovascularsystem1999GunterBlobelforforthediscoverythatproteinshaveintrinsicsignalsthatgoverntheirtransportandlocalizationinthecell2000ArvidCarlsson PaulGreegard EricKandelfortheirdiscoveriesconcerningsignaltransductioninthenervoussystem 2001LelandHartwell R TimothyHunt PaulNursefortheirdiscoveriesof keyregulatorsofthecellcycle 2002SydneyBrenner JohnE Sulston H RobertHorvitsfortheirdiscoveriesconcerninggeneticregulationoforgandevelopmentandprogrammedcelldeath 2004RichardAxel LindaB Buckfortheirdiscoveriesofodorantreceptorsandtheorganizationoftheolfactorysystemorganization发现气味受体和嗅觉系统组织方式2006AndrewZ Fire CraigMello RNAinterferenceRNA干扰2007MarioCapecchi SirMartinEvansandOliverSmithies g