分子生物学绪论课件

分子生物学,MolecularBiology,1,PPT学习交流,主要内容,分子生物学的开端生物大分子DNA的复制和修复转录翻译分子生物学的研究方法,2,PPT学习交流,第一章分子生物学的开端,内容提要分子生物学开端的标志事件证明DNA就是遗传物质的主要历史事件分子生物学的学科特征,3,PPT学习交流,问题1：科学史上哪些事件和分子生物学的诞生关系密切？,4,PPT学习交流,一、分子生物学开端的标志事件,1953年,J.沃森（JamesWatson）和F.克里克（FrancisCrick）提出的DNA分子双螺旋结构模型。1953年4月25日，英国著名的科学期刊Nature杂志发表了沃森（25岁）和克里克（37岁）的一篇1000多字的文章脱氧核糖核酸的结构，宣告了DNA分子双螺旋结构模型的诞生。,5,PPT学习交流,在随后发表的论文中，沃森和克里克详细地说明了DNA双螺旋模型对遗传学研究的重大意义：1.它能够说明遗传物质的自我复制。这个“半保留复制”的设想后来被马修麦赛尔逊(MatthewMeselson)和富兰克林斯塔勒(FranklinW.Stahl)用同位素追踪实验证实。2.它能够说明遗传物质是如何携带遗传信息的。3.它能够说明基因是如何突变的。基因突变是由于碱基序列发生了变化，这样的变化可以通过复制而得到保留。,6,PPT学习交流,JamesD.Watson(1928)美国遗传学家FrancisCrick(19192004)英国物理学家,英国剑桥大学卡文迪什实验室,7,PPT学习交流,1950年，34岁的克里克考入剑桥大学物理系攻读研究生学位，想在著名的卡文迪什实验室研究基本粒子。1951年，23岁的生物学博士沃森来到卡文迪什实验室做博后。到剑桥之前，曾经做过用同位素标记追踪噬菌体DNA的实验，坚信DNA就是遗传物质。,8,PPT学习交流,素以世界物理学家的圣地“麦加”和培养人才的“苗圃”著称的英国剑桥大学卡文迪什实验室，由于面向世界广揽优秀的科学人才，在放射性、原子物理、核物理、分子生物学、射电天文学和凝聚态物理等方面，取得了大量举世关注的重大成就。一百多年来，全世界先后有530位科学家荣获诺贝尔科学奖，而英国剑桥大学的卡文迪什实验室和与卡文迪什实验室关系密切的就有30位科学家获诺贝尔科学奖，卡文迪什实验室也被人们誉为诺贝尔科学奖的摇篮。,关于卡文迪什实验室,9,PPT学习交流,当时主要有三个实验室几乎同时在研究DNA分子模型。第一个实验室是伦敦国王学院的威尔金斯、弗兰克林实验室，他们用X射线衍射法研究DNA的晶体结构。当X射线照射到生物大分子的晶体时，晶格中的原子或分子会使射线发生偏转，根据得到的衍射图像，可以推测分子大致的结构和形状。,10,PPT学习交流,第二个实验室是加州理工学院的大化学家莱纳斯鲍林(LinusPauling)实验室。在此之前，鲍林已发现了蛋白质的螺旋结构。,11,PPT学习交流,第三个则是个非正式的研究小组，沃森到剑桥大学做博士后时，虽然其真实意图是要研究DNA分子结构，挂着的课题项目却是研究烟草花叶病毒。比他年长12岁的克里克当时正在做博士论文，论文题目是“多肽和蛋白质：X射线研究”。,12,PPT学习交流,在同一期Nature上，还发表了弗兰克林和威尔金斯的两篇论文，以实验报告和数据分析支持了沃森、克里克的论文。威尔金斯(MauriceWilkins19162004)英国物理学家，剑桥大学弗兰克林（RosalindFranklin19201958）英国物理学家，剑桥大学分辨出了DNA的两种构型，并成功地拍摄了它的X射线衍射照片。,13,PPT学习交流,Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型部分基于MauriceWilkins实验室的RosalindFranklin的X-射线衍射分析的结果。,14,PPT学习交流,1962年，克里克、沃森和威尔金斯分享了诺贝尔医学和生理学奖,15,PPT学习交流,克里克,16,PPT学习交流,1958年，克里克提出了两个学说，奠定了分子遗传学的理论基础。第一个学说是“序列假说”，它认为一段核酸的特殊性完全由它的碱基序列所决定，碱基序列编码一个特定蛋白质的氨基酸序列，蛋白质的氨基酸序列决定了蛋白质的三维结构。第二个学说是“中心法则”，遗传信息只能从核酸传递给核酸，或核酸传递给蛋白质，而不能从蛋白质传递给蛋白质，或从蛋白质传回核酸。,17,PPT学习交流,18,PPT学习交流,沃森和克里克之所以超越了其他看似更具实力的竞争者，在于他们具有清醒的宏观洞察力、非凡的科学想像力和严密的逻辑思维能力，选择了正确的研究路线，广泛借鉴他人的研究成果并加以综合性的科学思考。,19,PPT学习交流,1962年诺贝尔化学奖获奖项目：X射线分析大分子蛋白质的结构获奖人：J.C肯德鲁和M.F.佩鲁兹,1962年诺贝尔生理医学奖和化学奖都出自卡文迪什实验室,20,PPT学习交流,J肯德鲁（J.C.kendrew）（1917-1992），英国生物化学与分子生物学家，长期研究蛋白质的结构，专心致力于肌红蛋白分子的X射线结构分析，1957年获得该分子的三维结构模型，1960年完成肌红蛋白分子结构的完全分析。还采用X射线衍射技术结合计算机技术描述了肌球蛋白螺旋结构中氨基酸单位的排列。肯德鲁与奥地利生化学家MF佩鲁兹（M.F.Perutz）（1914-2002）,共同研究了X射线衍射晶体照相术，还分工合作研究蛋白质和核酸的结构与功能。,21,PPT学习交流,DNA作为遗传物质的研究历史，包括三个层面，即：经典遗传学的研究染色体的研究DNA的研究,二、证明DNA就是遗传物质的主要历史事件,22,PPT学习交流,23,PPT学习交流,24,PPT学习交流,对性状遗传分子基础的认识,1857-1864年：Mendel提出遗传因子（hereditaryfactor）概念。1909年：Johannsen采用基因（gene）描述传递和表达特定生物性状的可遗传因子。1926年：Morgan提出的“遗传的染色体理论”将基因定位在染色体上。1944年：Avery的转化试验证明基因的化学本质是DNA，DNA是遗传信息的载体。1953年：Watson,Crick确立了DNA双螺旋模型，解决了DNA的自我复制问题，标志着对基因的研究进入分子生物学时代。,25,PPT学习交流,Abriefhistoryofgenetics,26,PPT学习交流,问题2：什么是分子生物学？,27,PPT学习交流,三、分子生物学的学科特征,广义的概念：分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学。,28,PPT学习交流,狭义的概念：从分子水平研究生物大分子的结构与功能从而阐明生命现象本质的科学，主要指遗传信息的传递（复制）、保持（损伤和修复）、基因的表达（转录和翻译）与调控等，也称之为基因的分子生物学。,29,PPT学习交流,分子生物学的研究内容,DNA重组技术（基因工程）分子生物学的核心技术基因表达调控生物大分子的结构功能（即结构分子生物学）基因组、蛋白质组以及系统生物学研究（基因组学、蛋白质组学和系统生物学）,30,PPT学习交流,1.DNA重组技术（基因工程）,目的是将不同DNA片段（如某个基因或基因的一部分）按照人们的设计定向连接起来，在特定的受体细胞中与载体同时复制并得到表达，产生影响受体细胞的新的遗传性状。限制性内切酶、DNA连接酶及其他工具酶的发现与应用是这一技术得以建立的关键。,31,PPT学习交流,通过DNA连接酶把不同的DNA片段连接成一个整体。a.DNA的粘性末端;b.DNA的平末端;c.化学合成的具有EcoRI粘性末端的DNA片段。,32,PPT学习交流,利用大肠杆菌-质粒系统进行的重组DNA操作过程示意图,质粒载体带有两种抗性筛选标志Amp抗性（抗氨苄青霉素）Tet抗性（抗四环素）,33,PPT学习交流,34,PPT学习交流,根癌土壤农杆菌（Agrobaoteriumtumefaciens）侵染植物细胞后能将其Ti（tumorinducing）质粒上的一段DNA（T-DNA）插入到被侵染细胞的基因组，并能稳定地遗传给后代，植物的遗传转化(植物基因工程)技术随之得到迅速发展。,35,PPT学习交流,36,PPT学习交流,37,PPT学习交流,DNA重组技术的应用价值:可用于定向改造某些生物基因组结构，使它们所具备的特殊经济价值或功能得以成百上千倍的地提高。,38,PPT学习交流,2.基因表达调控研究,蛋白质分子参与并控制了细胞的一切代谢活动，而决定蛋白质结构和合成时序的信息都由核酸（主要是脱氧核糖核酸）分子编码，表现为特定的核苷酸序列，所以基因表达实质上就是遗传信息的转录和翻译。,39,PPT学习交流,在个体生长发育过程中生物遗传信息的表达按一定的时序发生变化（时序调节），并随着内外环境的变化而不断加以修正（环境调控）。,40,PPT学习交流,原核生物的基因组和染色体结构都比真核生物简单，转录和翻译在同一时间和空间内发生，基因表达的调控主要发生在转录水平。,41,PPT学习交流,真核生物有细胞核结构，转录和翻译过程在时间和空间上都被分隔开，且在转录和翻译后都有复杂的信息加工过程，其基因表达的调控可以发生在各种不同的水平上。例如：转录前水平（DNA水平）、转录水平、转录后水平、翻译水平、翻译后水平等。,42,PPT学习交流,基因表达调控主要表现在信号传导研究转录因子研究RNA的相关研究剪接、编辑、ncRNA等,43,PPT学习交流,3.结构分子生物学,生物大分子在发挥生物学功能时，必须具备两个前提:(1)拥有特定的空间结构（三维结构）；(2)在发挥生物学功能的过程中必定存在着结构和构象的变化。结构分子生物学研究包括结构的测定、结构运动变化规律的探索及结构与功能相互关系的建立三个主要研究方向。,44,PPT学习交流,最常见的研究三维结构及其运动规律的手段是X射线衍射的晶体学（又称蛋白质晶体学），其次是用二维核磁共振和多维核磁研究液相结构，也有人用电镜三维重组、电子衍射、中子衍射和各种频谱学方法研究生物高分子的空间结构。,45,PPT学习交流,4.基因组、蛋白质组以及系统生物学研究,基因组（genome）是一个物种所包含的全部的遗传信息，包括核基因组和细胞质基因组，一般指的是核基因组。基因组学（genomics）是研究基因组的学科，包括结构基因组学和功能基因组学。,46,PPT学习交流,基因组学的研究内容：（1）构建遗传图谱、物理图谱，测定全序列；（2）构建转录图谱，研究全基因组的功能；（3）研究基因表达调控机制；（4）研究基因组和环境、进化的关系。,47,PPT学习交流,蛋白质组（proteome）指一个基因组、一种生物或一种细胞（组织）所表达的全套蛋白质。（3种含义）内涵：（1）对应基因组的所有蛋白质构成的整体；（2）同一基因组在不同的细胞、不同的组织的表达情况各不相同；（3）是在时间和空间上动态变化的整体。,48,PPT学习交流,蛋白质组学（proteomics）是应用各种技术手段研究蛋白质组的一门新兴科学。（1）整体角度分析细胞内动态变化的蛋白质组成成分、表达水平与修饰状态；（2）了解蛋白质之间的相互作用与联系；（3）揭示蛋白质功能与细胞生命活动规律。,49,PPT学习交流,系统生物学（systemsbiology）是在细胞、组织、器官和生物体水平上研究结构和功能各异的生物分子及其相互作用，并通过计算生物学定量阐明和预测生物功能、表型和行为的科学。,50,PPT学习交流,系统生物学的研究内容和特征：（1）研究所有的组成成分（基因、mRNA、蛋白质等），把系统内不同性质的构成要素（基因、mRNA、蛋白质、生物小分子等）整合在一起进行研究，研究特定条件下，这些组分的相互关系。（整合）（2）系统生物学的特点，则是要把水平型研究和垂直型研究整合起来，成为一种“三维”的研究。（立体）（3）系统生物学还是典型的多学科交叉研究，它需要生命科学、信息科学、数学、计算机科学等各种学科的共同参与。（多学科交叉）,51,PPT学习交流,分子生物学的基本原理：1.构成生物体的有机大分子的单体在不同生物体内都是相同的；2.生物体内一切有机大分子的建成都遵循共同的规律；3.某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质决定了生物的属性。,四、分子生物学的基本原理和研究策略,52,PPT学习交流,分子生物学的研究策略体内和体外实验的结合将遗传和DNA联系起来。体内（Invivo）实验在活体内进行的实验，包括在培养的细胞或组织。体外（Invitro）实验在细胞提取物中，或者是人工合成的细胞成分混合物中。,53,PPT学习交流,体内实验的经典例子,FrederickGriffith,1928,54,PPT学习交流,Griffith的遗传转化模型在当时遭遇了普遍的质疑，部分原因在于他没有有效的和科学界进行交流。,55,PPT学习交流,体外实验,Avery采用的是无细胞系统（cell-freesystem）,在注射小鼠之前，将来自死亡S型细菌的提取物加到活的R型菌中。提取物的成分被确定为DNA，因为这样的转化因子可以被降解DNA的酶破坏，而不会被蛋白酶或核酶破坏。,56,PPT学习交流,OswaldAvery,thenatureoftransformingfactor,1944,57,PPT学习交流,此时，虽然已知DNA是真核染色体的组分，人们还没有认识到细菌中含有DNA或者基因。此外，四核苷酸模型（tetranucleoridemodel）仍普遍被认可，因此DNA被认为太过简单，难以指导动植物的发育过程。,58,PPT学习交流,创造性的实验方法催生了一个基因一种酶假说,1941年，GeorgeBeadle和EdwardL.Tatum采用新方法，将基因和由酶催化的代谢步骤联系起来。采用筛选红色面包霉突变体的方法，而没有试图从揭示已知遗传差异的化学基础出发。,59,PPT学习交流,将遗传突变体和缺乏特定的酶一一对应起来,X-射线处理,分离突变体(营养缺陷型),一个基因一种酶假说,60,PPT学习交流,色氨酸,烟酸,孢子,子囊孢子,完全培养基,A：烟酸合成的途径，涉及7个步骤。B:在红色面包霉中筛选检测烟酸合成途径中某个酶缺陷的突变体。经射线照射的孢子与野生型杂交，在完全培养基上培养子囊孢子，再将培养物转接到极限培养基上，如果不能在上面生长就说明表明有某种缺陷，与培养基中未加入的物质对应就可以知道途径中哪一步有缺陷。,子实体,61,PPT学习交流,子囊孢子,C:将突变体与野生型杂交，进一步确定突变的遗传特征,62,PPT学习交流,“一个基因一种酶假说”后来被修订为“一个基因一条多肽假说”。对突变体的研究仍然是遗传学和现代分子生物学的重要驱动力。,63,PPT学习交流,分子生物学发展离不开技术进步,1952年，AlfredHershey和MarthaChase确定病毒的遗传物质是DNA，得益于同位素技术的运用。,64,PPT学习交流,透射电镜下观察T2侵染大肠杆菌,65,PPT学习交流,五、分子生物学和其他学科的关系,分子生物学是由生物化学、生物物理学、遗传学、微生物学、细胞学、以至信息科学等多学科相互渗透、综合融会而产生并发