分子生物学第一章 绪论

分子生物学,主讲：姜寒玉 生命科学技术学院,第一章 绪论,分子生物学发展简述分子生物学主要内容如何学好分子生物学,分子生物学发展简述,人类对生命现象的认识过程生命是怎样起源的？为什么“有其父必有其子”？动植物个体是怎样从一个受精卵发育而来的？种瓜得瓜，种豆得豆?,？,细胞学说的确立1702 Leeuwenhoek（荷兰） 自制显微镜观察到雨水中的“微生物”同时代Hooke 用“细胞”来形容软木的最基本单元,细胞学说的建立（The cell theory） 德国植物学家施莱登 （ Schleiden ）和德国动物学家施旺（Schwann）共同提出著名的“细胞学说”。,Recognizing the beauty of science: Mendels discovery,遗传因子在生物性状世代间传递遵循分离和独立分配两个基本规律。,“遗传学的奠基人”,大致分为三个阶段：准备和酝酿阶段：人类对DNA和遗传信息传递的认识阶段现代分子生物学的建立和发展阶段：重组DNA技术的建立和发展初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段：重组DNA技术的应用和分子生物学的迅猛发展阶段,准备和酝酿阶段19世纪后期到20世纪50年代初,1944年，著名微生物学家Avery证实DNA是遗传信息载体的理论；,1952年，Hershey用搅拌实验最终确定核酸是遗传物质,The Double Helix (1953)DNA双螺旋结构,遗传信息传递的中心法则（1954）,1944年，著名微生物学家Avery证实DNA是遗传信息载体的理论；,确定DNA是遗传物质是分子生物学发展的重大里程碑，DNA双螺旋结构模型的建立是分子生物学发展的又一重大里程碑（分子生物学诞生的标志）,DNA,RNA,James D. Watson,Francis H. Crick,Replication,Transcription,DNA,RNA,Protein,Translation,The Central Dogma (1953-1956),reverse transcription,从此核酸的分子生物学得到了飞速发展,广义的分子生物学：蛋白质及核酸等生物大分子结构和功能的研究都属于分子生物学的范畴，即从分子水平阐明生命现象和生物学规律,狭义的分子生物学：偏重于核酸（基因）的分子生物学， 主要研究基因或DNA的复制、转录、 表达和调控等过程，当然也涉及与这 些过程相关的蛋白质和酶的结构与功 能的研究 基因的分子生物学（核酸生物学） Molecular Biology,Molecular biology seeks to explain the relationships between the structure and function of biological molecules and how these relationships contribute to the operation and control of biochemical processes. -Turner et al.,What is Molecular Biology?,Molecular biology is the study of genes and their activities at the molecular level, including transcription, translation, DNA replication, recombination and translocation.- Robert Weaver,构成生物大分子的单体是相同的 核酸 蛋白质 脂质 糖类,* 生物大分子单体的排列（核苷酸、氨基酸）的不同,不同的物种特性,现代分子生物学的建立和发展阶段,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（完成了第一个细菌克隆，开创了基因工程新纪元）；1975-1977年，Sanger、Maxam和Gilbert发明了DNA序列测定技术；,近半个世纪以来 医学，化学中重大突破与成就者,Nobel Prize,分子生物学发展的 里程碑与主要内容,分子生物学中重大成就与突破者Nobel Prize的获得者构成了分子生物学发展的主要内容里程碑了解具有卓越成就的科学家，了解分子生物学发展的发展历程,1910，蛋白质、细胞及细胞核化学的研究（首先分离到A、T和组氨酸）,A.Kossel （德）,1958 Joshua Lederberg（美） Phage transduction,Beadle & Tatum（美）One gene-one enzyme红色面包霉突变体,Joshua Lederberg,1959 Ochoa(美籍西班牙裔) Kornberg（美）,Severo Ochoa,Arthur Kornberg,细菌的多核苷酸磷酸化酶，成功地合成了RNA，DNARNA蛋白质,实现了DNA分子在试管内（细菌无细胞提取液）的复制,1962 Watson（美） Crick（英） Wilkins（新西兰）,其中 Crick于1954年提出了中心法则,1962 Kendrew Perutz（英国）,John C. Kendrew,Max F. Perutz,测定了肌红蛋白及血红蛋白的高级结构（三级）,成为研究生物大分子结构的先驱,1965 Jacob Monod （法国）,提出并证实了Operon作为调节细菌细胞代谢的分子机制首次提出mRNA分子的存在,1969 Nirenberg（美） Holly Khorana,Marshall W. Nirenberg,Har Gobind Khorana,Robert W. Holley,破译了遗传密码,酵母phetRNA的核苷酸序列并证明了所有tRNA三级结构的相似性,第一个合成了核酸分子，并人工复制了酵母基因,1975 Temin & Baltimore(美),Howard M. Temin,David Baltimore,发现了逆转录酶（以RNA为模板，逆转录生成DNA RNA肿瘤病毒）,Frederick Sanger,Walter Gilbert,Paul Berg,1980 Sanger （英） Gilbert & Berg（英）,酶法核苷酸测序的设计者,测定了牛胰岛素的化学结构而获 1958 年的 Nobel 化学奖,化学测序法的设计者,DNA重组技术的元老,1984 Kohler（德） Milstein（美） Jerne（丹麦）,Georges J.F.Kohler,Cesar Milstein,Niels K. Jerne,发展了单克隆抗体(Monoclonal Antibodies McAb)技术，完善了极微量蛋白质的检测技术,1989 Altman Cech（美）,核酶即核糖核酸质酶（Ribozyme）的发现者（即某些RNA具有酶的功能）,1989 BishopVarmus（美）,正常细胞同样带有原癌基因,1993 Roberts Sharp（美）,断裂基因（splitting gene）的发现,Kary Mullis,Michael Smith,PCR仪的发明者,基因定点突变,1994 Gilman Rodbell,发现G蛋白在细胞信号传导中的作用,1998年，美国药理学家.Furchgott（1916-）、.Ignrro（1941-）和.Murad（1936-）因发现“作为信号传递分子”而获奖。他们的研究首次表明气体分子可以穿过细胞膜而发挥信使作用，提出了生物信号传递的新理论。,1999年度诺贝尔生理学奖授予给了Gunter Bolbdl,因为他的重大成果-发现蛋白质有内部信号决定蛋白质在细胞内的转移和定位。,2000年度诺贝尔生理学或医学奖颁发给瑞典人阿尔维德-卡尔森、美国人保罗-格林加德和埃里克-坎德尔，以表彰他们三人在人类“神经系统信号传递”领域做出的突出贡献。,2001年诺贝尔生理或医学奖授予美国的利兰哈特韦尔、英国的保罗纳斯和蒂莫西亨特，三名科学家所作出的重大贡献在于发现了具有调节包括酵母、植物、动物和人类等所有真核有机体中控制细胞周期的关键分子，这些基础性研究对研究细胞发育具有重要意义。,2002年，英国人悉尼布雷诺尔、美国人罗伯特霍维茨和英国人约翰苏尔斯顿，因在器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡方面的研究 ，获诺贝尔生理与医学奖。,2004年诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家理查德阿克塞尔和琳达巴克，以表彰两人在气味受体和嗅觉系统组织方式研究中作出的杰出贡献。,2005年诺贝尔生理学或医学奖授予两名澳大利亚科学家罗宾沃伦和巴里马歇尔。,以表彰他们发现了导致人类罹患胃炎、胃溃疡和十二指肠溃疡的罪魁幽门螺杆菌。,以上图片文字均摘自973,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2006for their discovery of RNA interference - gene silencing by double-stranded RNA,2007年度诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家马里奥卡佩基（Mario R.Capecchiand）和奥利弗史密斯（Oliver Smithies）、英国科学家马丁埃文斯（Martin J. Evans），以表彰他们在干细胞研究方面所作的贡献。,2008年10月6日,诺贝尔生理学或医学奖授予了德国科学家哈拉尔德楚尔豪森、法国科学家弗朗索瓦丝巴尔西诺西和吕克蒙塔尼,以表彰他们对揭示病毒感染在肿瘤、传染病等人类重大疾病中的致病机制所做出的突出贡献.,2009,三位美国科学家伊丽莎白布兰克波恩(Elizabeth H. Blackburn)、卡罗尔格雷德(Carol W. Greider)以及杰克绍斯塔克(Jack W. Szostak)共同获得该奖项。他们发现了由染色体根冠制造的端粒酶(telomerase)，这种染色体的自然脱落物将引发衰老和癌症。,2010年，英国生理学家罗伯特爱德华兹因为在试管婴儿方面的研究获得2010年诺贝尔生理学或医学奖。,初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段,综合分子生物学发展历程：20世纪以核酸为研究核心，带动分子生物学向纵深发展。20世纪50年代的双螺旋结构，60年代的操纵子学说，70年代的DNA重组，80年代的PCR技术，90年代的DNA测序都是分子生物学发展的里程碑，将生命科学带向一个由宏观到微观，再到宏观的过程。,分子生物学的主要内容,分子生物学概念： Molecular biology is the study of genes and their activities at the molecular level, including transcription, translation, DNA replication, recombination and translocation. Molecular Biology-Robert F. Weaver (Version 2) 分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学，是人类从分子水平上真正揭示生物世界的奥秘，由被动地适应自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学科。 现代分子生物学- 朱玉贤、李毅 （第二版）,分子生物学研究的三大主要领域,21 世 纪 分 子 生 物 学 展 望,未来生物学形成的新热点及领域,生物大分子的高级三维结构与功能的统一,计算机语言,分辨，提取，分析， 比较， 预测生物信息,生物大分子的结构与功能信息,基因的识别与鉴定,基因功能信息的提取与证实,基因表达谱的绘制 (microarray),蛋白质水平上基因互作的探测,应用生物学发展,生物技术,诊断试剂 治疗药物植物品种 环境工程食品加工 生物塑料废物处理 再生能源,分子生物学实际应用的现状和展望, 促进了以基因工程为核心的生物技术的发展，从而 影响经济发展的诸多领域,1、农业方面 生物品种的改良速度更快、目标更准确，甚至创造 新物种 转基因动物猪、牛、羊、鱼等 植物抗虫棉（Bt毒素蛋白基因）、 耐贮藏番茄等,2、 医药方面 利用重组DNA产生的工程菌来大量高效地合成人体 活性多肽（疾病的诊断、预防和治疗），,基因工程疫苗（细菌疫苗、病毒疫苗、寄生虫疫苗） 以及正在研制的癌症疫苗,工业方面 * 酶制剂工业用酶的生产、酶的定向改造,环保工业上：工程菌 提高降解效率 扩大可降解污染物的种类,* 化学与能源工业上： 重组DNA技术生产丁醇，及用基因工程技术改善微生 物发酵生产丙酮、酒精、醋酸等的转化效率 基因工程修饰过的淀粉及重组DNA技术生产酒精等石 油替代品,* 食品工业上：谷氨酸、调味剂、酒类和油类 例：不含软脂酸的大豆色拉油,生物技术必将在世界人口问题、 疾病问题、人的寿命问题、营养保健问题、农业持续发展问题、资源再利用问题、大气污染问题、世界公害问题、洁净新能源问题等各方面问题的解决中起重要作用,21世纪生命科学的世纪,人类基因组计划（HGP）,遗传图物理图序列图表达图,基因定位,比较基因组研究,Comparative genomics (molecular marker) ( DNA sequence),进化理论研究 同源基因克隆,人与大鼠的基因90%是相同的,现代分子生物学的研究成功还包括以下几个方面的重要突破：对人类基因组计划的实施已经取得了重要成果，建立了多种文库微生物基因组：噬菌体、大肠杆菌、酵母等的基因组计划动物基因组：果蝇、线虫、小鼠等的基因组计划植物：水稻、拟南芥等的基因组计划对肿瘤、艾滋病、心血管疾病、高血压、糖尿病等的防治已经取得了可喜的成果农作物抗病虫害、品质改良、