分子生物学ppt课件.ppt

1 MolecularBiology 2013 03 2013 06 当代生命科学的发展动力 分子生物学 2 Self 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 3 Tel Email Office Room216 ChemistryBuildingPhoneNumber 7Lab Room218 ChemistryBuildingPhoneNumber Email 4 分子生物学常用参考书目 RobertF Weaver MolecularBiology FifthEds McGraw HillCompanies 2012TuenerPC MxLennanAG BatesADandWhiteRH InstantNotesinMolecularBiology 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 2007 5 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 aLaboratoryManualPCR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 6 7 实验参考书目封面 8 MolecularBiologicalJournalSCIImpactFactor 9 MarineandFreshwaterBiologySCIImpactFactor 1 FISHFISHERIES6 4342 FISHSHELLFISHIMMUN3 163 JPHYCOL2 824 BIOFOULING2 7295 FRESHWATERBIOL2 656 MARINEECOLOGY PROGRESSSERIES2 5467 REVIEWSINFISHBIOLOGYANDFISHERIES2 5318 MARBIOTECHNOL2 5039 MARINEPOLLUTIONBULLETIN2 33410 MARBIOL2 21511 JOURNALOFPHYCOLOGY1 84712 AQUACULTURE1 73513 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 16 DNA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 17 18 19 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 23 24 25 26 27 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 28 2011年世界十大科学进展 29 30 Breakdownoftheyear2006 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 FirstisolationofDNA1879WalterFlemming Thewholeprocessofmitosisofanimalcellwasdescribed includingchromosomedoublingtotheirevenpartitioningintothetworesultingcells 1900HugoDeVries CarlCorrensandErichvonTschennak independentlyrediscoverMendel swork 33 CharlesDarwinBritishNaturalist1809 1882Ihavecalledthisprinciple bywhicheachslightvariation ifuseful ispreserved bythetermNaturalSelection CharlesDarwinfrom TheOriginofSpecies 34 JohannGregorMendel22 7 1822inHyncice 6 1 1884inBrno 35 GregorMendel anAustrianmonkwhoexperimentedwithbreedingexperimentsinthegardenpea Pisumsativum iscreditedwithbeingthe father ofthescienceofgenetics heredity HedidnotknowaboutchromosomesorDNA nordidheknowaboutgenesaswedotoday However heperformedmanyexperimentsinwhichhecontrolledthebreedingofhispeaplants ByobservingthenumberandtypesofphenotypesintheoffspringplantshedevelopedtherulesofinheritanceknownasMendel slawstoday 36 37 38 植物杂交试验 布隆自然史学会会刊 ProceedingsoftheNaturalHistorySocietyofBrunn 1866 39 Mytimewillcome JohannGregorMendel墓志铭 40 FriedrichMiescher 41 HugodeVries1848 1935 CarlCorrens1864 1933 ErichvonTschermak1871 1962 42 二十世纪上半叶的研究成果 1902WalterSutton Theprocessofmeiosiswasobserved DiscoveringthatthesegregationpatternofchromosomesduringmeiosismatchedthesegregationpatternsofMendel sgenes 1909WilhelmJohannsen Coinedtheword GENE todescribetheMendelianunitsofheredity1911ThomesHuntMorgan Usingfruitfliesasmodelorganismshowedthatgenes strungonchromosome aretheunitsofheredity 1941GeorgeBeadle EdwardTatum Settingup onegene oneenzyme hypothesis1943WilliamAstbury ObtainedthefirstX raydiffractionpatternofDNA1944OswaldAvery ColinMacLeodandMaclynMcCarty showedthatDNAcantransformthepropertiesofcells clarifyingthechemicalnatureofgenes BarbaraMcClintock discoveredthatgenescanjumparoundonchromosomes 1952AlfredHershey MarthaChase FoundthatonlytheDNAofavirusisneedtoenterabacteriumforinfection 43 ThomasHuntMorgan 1866 1945 USATheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1933 forhisdiscoveriesconcerningtheroleplayedbythechromosomeinheredity 44 TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1983 forherdiscoveryofmobilegeneticelements 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 1953FrancisCrick JamesWatson describedthedoublehelixstructureofDNA 1955ArthurKornberg isolatedDNApolymerase1956FrancisCrick GeorgeGamov workedout Centraldogma toexplaingeneticinformationflowonedirection fromDNAtomRNAtoprotein1958Matthew Meselson FranklinStahl demonstratedthatDNAreplicatessemiconservatively1960FrancoisJacob JacquesMonod geneticregulationmodel lacrepressorandoperon 1961SydneyBrenner FrancisJacob MatthewMeselson discoveredthatmRNAisthemoleculartakinginformationfromDNAinthenucleustotheprotein 1966MarshallNirenberg HarKhorana SeveroOchoa elucidatethegeneticcode1968M 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 1972PaulBerg producedthefirstrecombinantDNAmolecule 1975 77Sanger sgroupandMaxam Gilbert developedrapidDNAsequencingmethod1977RichardRobert sandPhilSharp slabs Showedthateukaryoticgenescontainmanyinterruptions calledintron1978MichaelSmith managetoinduceasite directedmutationinabacteriophageDNAmolecule 1981 82 Firsttransgenicmice fruitflies1985KaryB Mullis PCR Polymerasechainreaction wasinvented 47 JamesWatson left andFrancisCrick TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1962 fortheirdiscoveriesconcerningthemolecularstructureofnucleicacidsanditssignificanceforinformationtransferinlivingmaterial 48 TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1959 forhisdiscoveryofthemechanismsinthebiologicalsynthesisofribonucleicacidanddeoxyribonucleicacid TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1968 fortheirinterpretationofthegeneticcodeanditsfunctioninproteinsynthesis 49 TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1978 forthediscoveryofrestrictionenzymesandtheirapplicationtoproblemsofmoleculargenetics TheNobelPrizeinChemistry1980 forhisfundamentalstudiesofthebiochemistryofnucleicacids withparticularregardtorecombinant DNA PaulBerg 50 WalterGilbertFrederickSangerTheNobelPrizeinChemistry1980 fortheircontributionsconcerningthedeterminationofbasesequencesinnucleicacids 51 TheNobelPrizeinChemistry1993 forhisfundamentalcontributionstotheestablishmentofoligonucleiotide based site directedmutagenesisanditsdevelopmentforproteinstudies TheNobelPrizeinChemistry1993 forhisinventionofthepolymerasechainreaction PCR method KaryB Mullis 52 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 fold1990 HumanGenomeProjectlaunched 1992 MelSimonofCaltechandcolleaguesdevelopBACsforcloning1995 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 54 2002completedthesequencingofchrosomeNo 4andNo 1ofrice2004completedsequencingmapofricegenome2005completedsequencingofchimpanzeegenome2005developedtheRoche454GenomeSequencerFLXsystem2006developedTheIllumina Solexa GenomeAnalyzercompletedfinesequencingofsilkworm2010completeddraftsequencingofthegiantpandagenome 55 1 000PlantandAnimalProject 56 10 000MicrobialGenomesProject 57 1 000MendelianDisordersProject 58 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 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functionalgenomics 61 SubtractedcDNALibrariesDifferentialDisplayRepresentationalDifferenceAnalysisSuppressionSubtractiveHybridizationcDNAMicroarraysSerialAnalysisofGeneExpression2 DGelElectrophoresisDigitalGeneExpression FunctionalGenomicsHunt Livesey eds 62 芯片技术流程 63 数字化基因表达谱 64 2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