分子生物学第一章

生命科学学院 发育生物学学科 Tel：82191783 E-mail：,许志茹,分 子 生 物 学（Molecular Biology）,Lets work together to make this course a great experience in your life.,I am looking forward to have a wonderful semester with all of you. Hope that you all enjoy the course.,Its my pleasure to learn Molecular Biology with you.,Prerequisite: Biology, Biochemistry, Genetics, Cell Biology,Molecular Biology SyllabusAutumn semester, Sept 2010,Course Description: Structure and function of macromolecules (DNA, RNA). The synthesis of those macromolecules (DNA replication, transcription , translation, mutant) reviewed in detail. Regulation of gene expression will be discussed.,课程安排,第一章 绪论第二章基因概念的演变与发展 第三章 DNA的复制 第四章RNA的转录第五章蛋白质的翻译 第六章基因表达的调控 第七章基因突变和遗传重组的分子机制,课程目标：构建一个完整的分子生物学知识框架；了解分析基因结构与功能的现代技术方法；增强后继学习的能力；学会批判性学习，应用所学知识解决分子生物学领域中新的或感兴趣的问题。,出勤要求：缺课3次将取消出勤分。,Grades:,If you think I have said something that is incorrect, please point this out. When you ask me a question that I cannot answer, I will research it and get back to you. If you have tried to understand the material but just cant get it, then come talk to me either during my office hours or make an appointment. I am happy to work with you as much as is necessary.,I see, I do not know everything,The PowerPoint of course is presented in English，but also in Chinese to help understanding !,MOLECULAR BIOLOGY is a principal course for the undergraduate students of College of Life Sciences.,All things are easy to industry勤劳诸事易,教材基础分子生物学，郑用琏主编，高等教育出版社,主要参考书目录,孙乃恩等，分子遗传学，南京大学出版社，1990,Lewin,B, Genes Gene , Oxford University Press, 2003,James D. Watson et al,. Molecular Biology of Gene, 5E,Turner,PC et al, 分子生物学, 科学出版社,1998,Robert F. Weaver Molecular biology 2004. 3E,徐晋麟等 现代遗传学原理 (修订版 2003) 科学出版社,李明刚，高级分子遗传学，科学出版社，2004,CHAPTER ONEIntroduction,二十世纪生命科学的回顾,分子生物学的概念,二十一世纪分子生物学展望,1.1 近代的自然观与进化学说,神创论:世界是上帝有目的设计和创造的，由上帝制定的法则所主宰，是有序协调、安排合理、美妙完善且永恒不变的。,Holy Bible,Origins of Life,布丰进化学说：Questions two thousand years of dogma, all creatures have been created independently of one another by Ganic change. the environment acted directly on organisms through what he called organic particles.,物种是可变的，特别强调环境对生物的直接影响。物种生存环境的改变，尤其是气候与食物性质的变化，可引起生物机体的改变。是第一个提出广泛而具体的进化学说的博物学家。,George Buffon（1717-1788）,18世纪末到19世纪初 大量的各种形态的生物化石 既相似又不同 表明曾经上生存过现今不再存在的物种 为了解释此发现而又不违背圣经 有了灾变论。法国地质学家、古生物学家居维叶是“灾变论”最有影响的代表。认为，在整个地质发展的过程中，地球经常发生各种突如其来的灾害性变化，如，火山爆发、洪水泛滥、气候急剧变化等。当灾难发生时，许多生物遭到灭顶之灾。每当经过一次就会使几乎所有的生物灭绝。这些灭绝的生物就沉积在相应的地层，并变成化石而被保存下来。这时，造物主又重新创造出新的物种，使地球又重新恢复了生机。,Georses Cuvier （1769-1832）,均变论（Uniformitarianism ）Principles of Geology. The earth was shaped entirely by slow-moving forces acting over a very long period of time. the present is the key to the past均变论：莱伊尔 , 地质学原理 。地球表面的所有特征都是由难以觉察的、作用时间较长的自然过程形成的。这种“将今论古”的科学方法对达尔文的影响很大。,Lyell,Sir Charles( 1797-1875),Lyells work in turn profoundly influenced Charles Darwin.,Lamarcks evolutionary theory ：法国植物志（ 1778）、 无脊椎动物系统(1801)和动物学哲学(1809) 。生物种是可变的，所有现存的物种，包括人类都是从其他物种变化、传衍而来；生物本身存在由低级向高级连续发展的内在趋势；环境变化是物种变化的原因，并把动物进化的原因总结为“用进废退”和“获得性遗传”两个原则。,达尔文学说：1859年发表了物种起源 用大量的事实证明了生物变异的普遍性、变异与遗传的关系，提出了生存竞争和自然选择学说，系统地论述了物种形成的机制。 生命只有一个祖先，因为生命都起源于一个原始细胞的开端，生物是从简单到复杂、从低级到高级逐步发展而来的，生物在进化中不断地进行着生存斗争，进行着自然选择。,英国人霍尔丹和美籍苏联生物学家杜布赞斯基创立了“现代进化论”,生物进化的体现,可遗传的变异和不遗传的变异,生物进化的基本单位,自然选择的因素,魏斯曼的theory of continuity of germplasm ：种质连续论：种质在世代之间连续相继；支持选择理论； 否定后天获得性遗传。,22代后,1.2 细胞学说的提出,一切生物从单细胞到高等动植物都是由细胞组成的，细胞是生物形态结构和功能活动的基本单位。,1.3 孟德尔遗传定律的提出与经典遗传学的创立,孟德尔（Mendel G.J.,1822-1884）豌豆杂交试验（1856-1864），系统地研究了生物的遗传和变异：1866年发表植物杂交试验，提出了分离规律和独立分配规律；假定细胞中有它的物质基础“遗传因子”，认为遗传是受细胞里的遗传因子所控制的。,1900年，三位植物学家： 荷兰 修哥 弗里斯（Hugo de Vries） 奥地利 艾力世谢马克(Erich von Tschermak） 德国 卡尔柯伦斯（Carl Correns）1900年孟德尔遗传规律的被重新发现，标志着遗传学的建立和开始发展。,摩尔根提出“性状连锁遗传规律” 和“基因学说”： 种质(基因）是连续的遗传物质； 基因是染色体上的遗传单位，有很高稳定性，能自我复制和发生变异； 在个体发育中，基因在一定条件下，控制着一定的代谢过程，体现出相应的遗传特性和特征表现； 生物进化主要是基因及其突变。,Darwin 一夜间销售而空,1928 Fleming 发明青霉素 人类与病原微生物的生存斗争中取得了主动权,1973年 斯坦福大学 Cohn 加州大学 Boyer 重组DNA技术 一夜间生物技术企业股票猛涨,1997. 2 苏格兰科学家 Wilmut 绵羊“多利”的克隆为发育生物学研究开拓了更广阔的空间,2000年6月 HGP提前完成 功能基因组时代到来,人类对生命现象的认识,了解整个生命现象的本质仍然是零敲碎打研究策略 （ piece meal ）,人类对生命现象的认识,Genomics Structural Genomics Functional genomics,数、理、化相关学科,生物学实验技术,渗透 交叉,近代生物学,个性,共性,宏观生物学（生态学为核心）,微观生物学（分子生物学为核心）,细胞水平,分子水平,结构生物学，发育生物学，神经生物学等新兴学科发展,生物多样性研究,资源保护与利用,人类生态环境的保护工农业生产持续发展,现代生物学的发展,分子生物学,分子生物学的延伸,分子生物学已经渗透到生物学的几乎所有领域分子生物学已经成为生命科学领域的带头学科,21世纪生命科学发展的重要态势,对生命现象的认识从单基因水平向全基因组整体水平发展.,现代生命科学研究的理论与技术从较长期的积累走向应用.,2.1 What is Molecular biology ?,2 分 子 生 物 学 的 概 念,Define in broadly： understand biological phenomena in molecular terms (difficult to distinguish from biochemistry).,Define in restrictively：the study of gene structure and their activities in molecular level.,What is Molecular biology ?,Gene concept Gene structureGene replication Gene expression Gene recombinationGene mutation,Molecular Biology of Gene,What is the gene? Basic property： Replication Expression Mutation,J .Watson and F. Crick 1953,DNA Double Helix model,2.2 分子生物学诞生,分子生物学研究领域共同遵循,三大基本原则, 构成生物大分子的单体是相同的, 生物遗传信息的表达的中心法则相同,高级结构,生物大分子之间的互作,分子生物学的三大原则,共同的核酸语言 共同的蛋白质语言, 生物大分子单体的排列（核苷酸，氨基酸）,分子生物学研究领域的,三大主要领域,结构生物学,基因分子生物学,生物技术理论与应用,分子生物学研究的三大主要领域,狭义的分子生物学,分子生物学发展的,三大支持学科,1839-1847年 Matthias Schleiden & Theodor Schwann,细胞的化学组成，细胞器的结构，细胞骨架，生物大分子在细胞中的定位及功能,分子生物学发展的三大支撑学科,Cytology,Molecular Cell biology,Gregor Mendel 1864 年,Genetics,Molecular Genetics,Gene structure Gene duplication Gene expression Gene recombination Gene mutation,分子生物学发展的三大支撑学科,遗传因子假说,Genetics,Biochemistry,Nucleic Acid Chemistry,Protein Chemistry,Enzymatic nature of crystalline Protein,Biochemistry,2.3 分子生物学发展的历程,分子生物学的孕育时期,1941比德尔与塔特姆：“一个基因一种酶”,分子生物学的诞生和发展,查加夫：DNA分子嘌呤和嘧啶总分子数量相等威尔金斯和富兰克林、波林： DNA的晶体结构赫尔希：用同位素方法证明DNA是遗传信息的载体,,The Nobel Prize in Physiology or Medicine1910,发现核素是蛋白质和核酸的复合物。得到了组成核酸的基本成分。科塞尔发现有些物种的核酸与蛋白质结合比较紧密，有些则比较松散。科塞尔因其在核酸化学领域的开创性工作，荣获1910年的诺贝尔生理学或医学奖。,Albrecht Kossel(艾布瑞契科塞尔)（18531927）,Francis Crick (35y),1951,分子生物学的重要里程碑,James Watson (23y),丹麦 哥本哈根,剑桥大学 Cavendish Lab.,M. H. F. Wilkins & Rosalind Frankin,Xray photograph of DNA with high quality (核塘与磷酸连接成的扭曲绳子，每一节上都有配对的碱基),1951. Kings Lab. London University UK,英国科学家:马克斯佩鲁斯（19142002）,约翰肯德鲁（19171997）,The Nobel Prize in Chemistry 1962,for their studies of the structures of globular proteins测定了肌红蛋白及血红蛋白的高级结构,Lac. Operon Theory ; Concept of mRNA,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1965,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1968,罗伯特霍利 哈尔戈宾德科拉纳 马歇尔尼伦伯格,1969,Max Delbruck (63y)Alfred Hershey (61y),麦克斯德尔布吕克,阿尔弗雷德赫尔希,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969,Reverse transcription（在RNA肿瘤病毒中反转录，逆转录酶）,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1975,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1978,for the discovery of restriction enzymes and their application to problems of molecular genetics,沃纳阿尔伯,丹尼尔内森斯,汉密尔顿史密斯,Switzerland,Biozentrum der Universitt,Johns Hopkins University School of Medicine Baltimore, USA,Johns Hopkins University School of Medicine Baltimore, USA,1929 -,1928 - 1999,1931 -,The Nobel Prize in Chemistry 1980,Walter Gilbert沃尔特吉尔伯特,1932 -,for their contributions concerning the determination of base sequences in nucleic acids,Frederick Sanger弗雷德里克桑格,1918 -,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1984,for theirs concerning the specificity in development and control of the immune system and the discovery of the principle for production of monoclonal antibodies,Niels K. Jerne杰尼(19111994),Georges J.F. Khler科勒(19461995),Csar Milstein米尔斯坦 (19272002),The Nobel Prize in Chemistry 1989,for their discovery of catalytic properties of RNA Ribozyme,Sidney Altman西德尼奥尔特曼,Thomas R. Cech托马斯切赫,Yale University New Haven, CT, USA,University of Colorado Boulder, CO, USA,1939 -,1947,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1989,discovery of the cellular origin of retroviral oncogenes ，发现正常细胞同样带有原癌基因,J. Michael Bishop迈克尔毕晓普（1936),Harold E. Varmus哈罗德 . 瓦穆斯（1939),The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1994,for their discovery of G-proteins and the role of these proteins in signal transduction in cells,Alfred G. Gilman阿尔弗雷德吉尔曼（1941）,Martin Rodbell马丁罗德贝尔（19251998）,discovered Genetic control of early development in Drosophila先后独立鉴定了控制果蝇体节发育基因,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1995,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1996,阐明了T-淋巴细胞的免疫机制。他们发现，白血细胞只有同时识别入侵病原物和与之相伴的主要组织不相容抗原，才能准确识别受病原侵害的细胞并将其清除掉。,Peter C. Doherty彼得 多尔蒂（1940),Rolf M. Zinkernage青克纳格尔（1944）,Stanley B. Prusiner斯坦利普鲁西纳University of California,School of Medicine USA 1942 -,discovery of Prions - a new biological principleof infection发现了阮病毒是早老性痴呆症的病原，并且能够直接在寄主细胞中繁殖传播。,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1997,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1998,for their discoveries concerning nitric oxide as a signalling molecule in the cardiovascular system,Robert F. Furchgott罗伯特弗奇戈特（1916）,Louis J. Ignarro路易斯伊格纳罗（1941）,Ferid Murad弗里德穆拉德（1936）,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1999,阐述了蛋白质在细胞间的运转机制，明确了信号肽及信号识别复合物在蛋白质跨膜运转过程中的主导作用,Gnter Blobel冈特布洛贝尔（1936）,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2000,for their discoveries concerning signal transduction in the nervous system,Arvid Carlsson阿尔维德-卡尔森(1923),Paul Greengard保罗-格林加德(1925),Eric R. Kandel埃里克-坎德尔（1929）,discovered key regulators of the cell cycle,Leland H. Hartwell利兰哈特韦尔（1939）,R. Timothy (Tim) Hunt蒂莫西亨特（1943）,Sir Paul M. Nurse保罗纳斯 (1949）,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2001,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2002,For their discoveries concerning genetic regulation of organ development and programmed cell death,Sydney Brenner悉尼.布雷内(1927),H. Robert Horvitz罗伯特.霍维茨因(1947),John E. Sulston约翰苏尔斯顿(1942),The Nobel Prize in Chemistry 2003,for discoveries concerning water channels in cell membranes,for structural and mechanistic studies of ion channels,Peter Agre彼得阿格雷（1949）,Roderick MacKinnon罗德里克麦金农（1956）,两位科学家共同发现了人体“气味感受器”的大型基因家族The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2004,理查德阿克塞尔 美国哥伦比亚大学霍华德休斯医学研究所,琳达巴克,美国西雅图的弗雷德哈钦森癌症研究中心,for the discovery of ubiquitin-mediated protein degradation,Aaron Ciechanover 阿龙切哈诺沃,Avram Hershko 阿夫拉姆赫什科,Irwin Rose 欧文罗斯,The Nobel Prize in Chemistry 2004,for their discovery of the bacterium Helicobacter pylori and its role in gastritis and peptic ulcer disease导致胃炎和胃溃疡的细菌幽门螺杆菌,J. Robin Warren罗宾沃伦,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2005,Barry J. Marshall巴里马歇尔,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2006,以表彰他们发现了（核糖核酸）干扰机制。 安德鲁法尔 克雷格梅洛,2006年诺贝尔化学奖授予美国斯坦福大学的罗杰科恩伯格，为表彰他在真核转录的分子基础（RNA聚合酶的晶体结构）领域的突出贡献。他的父亲阿瑟科恩伯格获得过1959年诺贝尔生理学或医学奖。,英国科学家埃文斯 美国科学家史密斯 美国科学家卡佩奇,2007年诺贝尔生理学或医学奖奖励他们在干细胞研究领域所取得的非凡成就。他们利用小鼠胚胎干细胞进行基因打靶技术领域研究的认可。,基因打靶技术,基因打靶通常是指用含已知序列的DNA片段与受体细胞基因组中序列相同或相近的基因发生同源重组，整合至受体细胞基因组中并得以表达的一种外源DNA导入技术。建立在胚胎干细胞（embryonic stem cell，ES细胞）与同源重组技术基础之上的基因打靶技术(Gene targeting)是一种定向改变生物活体遗传信息的实验手段。通过对生物遗传信息的定向修饰，并使修饰后的遗传信息在生物活体内遗传，表达突变的性状，从而研究基因的功能，是后基因组时代基因功能研究的重要技术手段。,首先获得ES细胞系，利用同源重组技术获得带有研究者预先设计突变的中靶ES细胞。通过显微注射或者胚胎融合的方法将经过遗传修饰的ES细胞引入受体胚胎内。经过遗传修饰的ES细胞仍然保持分化的全能性，可以发育为嵌合体动物的生殖细胞，使得经过修饰的遗传信息经生殖系遗传。,有特定修饰的突变动物提供研究者一个特殊的研究体系，可以在生物活体中研究特定基因的功能。目前，ES细胞的同源重组己经成为对小鼠染色体组上任意位点