分子生物学的发展简史与研究内容(ppt 50页).ppt

分子生物学,讲授孙亚楠,材料学院生物材料系,E-mail:.,主要参考书目,分子生物学(2ndEditionbyRobertF.Weaver)，清华大学出版社，2007,第1章分子生物学发展简史第2章基因的分子特性第3章基因功能简介第4章分子克隆法第5章研究基因及其活性的分子生物学方法第6章原核生物的转录装置第7章操纵子：原核生物转录的精细调控第8章原核生物转录的主要转换第9章原核生物的DNA蛋白质相互作用第10章真核生物RNA聚合酶及其启动子第11章真核生物通用转录因子第12章真核生物中的转录激活因子,第13章染色质结构及其对转录的影响第14章转录后事件：剪接第15章转录后事件：加帽与多聚腺苷酸化第16章转录后事件：其他事件第17章翻译的机制：起始第18章翻译的机制：延伸和终止第19章核糖体和转运RNA第20章DNA复制：基本机制与酶学第21章DNA复制：详细机制第22章同源重组第23章位点特异性重组与转座第24章基因组学,基因VIII（EditionbyB.Lewin），科学出版社，2005,主要参考书目,分子生物学实验参考书目,分子克隆实验指南美J.萨姆布鲁克，科学出版社，2002,上册第1章质粒及其在分子克隆中的应用第2章噬菌体及其载体第3章M13噬菌体载体第4章高容量载体的应用第5章DNA凝胶电泳和脉冲场琼脂糖凝胶电泳第6章真核基因组DNA的制备和分析第7章真核mRNA的提取、纯化和分析第8章聚合酶链式反应体外扩增DNA第9章放射性标记DNA探针与RNA探针的制备第10章合成寡核苷酸探针第11章cDNA文库制备及其基因鉴定下册第12章DNA测序第13章诱变第14章表达文库的筛选第15章在大肠杆菌中表达克隆化基因,第16章哺乳动物培养细胞中导入克隆化基因第17章哺乳动物培养细胞的基因表达分析第18章蛋白质相互作用研究技术附录1分子克隆中使用的缓冲液和试剂的配制附录2培养基附录3载体和细菌菌株附录4分子克隆所用的酶附录5酶的抑制物附录6核酸附录7密码子和氨基酸附录8分子克隆中的常用技术附录9检测系统附录10DNA陈列技术附录11生物信息学,课程考核,平时成绩：20%（文献报告）从第六周开始，一周两人，每人做一份文献报告，要求：选择一篇与本人研究课题有关的SCI，IF5应用到分子生物学的技术手段解释方法、阐述原理、证明结论期末考试：80%,课程大纲,第一章绪论第二章生物大分子的结构和性质第三章DNA的复制第四章DNA的损伤修复和基因突变第五章DNA重组第六章RNA转录第七章RNA转录后修饰第八章蛋白质翻译第九章原核生物基因表达调控第十章真核生物基因表达调控第十一章病毒的分子生物学第十二章基因组学到蛋白质组学第十三章分子生物学研究方法第十四章分子生物学进展第十五章分子生物学与材料学第十六章总结,第一章绪论,分子生物学的定义分子生物学的发展简史分子生物学的研究内容分子生物学的应用现状与展望,一、分子生物学的定义,生物科学的基本问题,生命现象的描述分类学生命特征的研究（生长、发育、繁衍）生理学、遗传学等生命的起源与进化进化论、进化生物学,不同水平上对生命现象的研究,从宏观到微观整体水平细胞水平分子水平,分子生物学微观生物学的前沿宏观生物学的基础现代生物学的带头学科,一、分子生物学的定义,分子生物学源于遗传学（基因学说）生物化学（生化手段和技术）,广义概念：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,狭义概念：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,二、分子生物学的发展简史,孕育阶段（1882-1950年代）,达尔文学说1859年，CharlesDarwin（英）“贝格尔号”历时五年科学考察，撰写了物种起源一书，提出了生物科学史上最伟大的学说“进化论”。1865年，孟德尔发表了他的植物杂交实验一文，首次阐述了生物界有规律的遗传现象。孟德尔被誉为遗传学的奠基人。基因学说的提出1910年，Morgan的染色体基因遗传理论，Gene存在于染色体上。进一步将“性状”与“基因”相耦联。,1944年，美国微生物学家Avery用实验证明基因的化学本质就是DNA，提出DNA是遗传信息的载体。,孕育阶段（1882-1950年代）,二、分子生物学的发展简史,二、分子生物学的发展简史,孕育阶段（1882-1950年代）,1952年，Hershery和Chase再次用噬菌体标记实验证实了DNA是遗传物质的本质,二、分子生物学的发展简史,2.创立阶段（19501970年代）,1953年，美国科学家Watson和英国科学家Crick提出DNADoubleHelixmodel,X光衍射实验数据表明DNA是一种规则螺旋结构：每3.4nm旋转一周，直径约为2nm。因为相邻核苷酸距离为0.34nm，因此每圈有10个核苷酸单位。DNA密度测量说明这种螺旋结构应有两条链不论碱基数目多少，G的含量总是与C一样，而A与T也是一样,二、分子生物学的发展简史,2.创立阶段（19501970年代）,1953年，Sanger完成了第一个蛋白质-胰岛素的氨基酸全序列分析，这项研究使他单独获得了1958年的诺贝尔化学奖。,1954年，Crick提出了中心法则,DNA,转录,RNA,翻译,蛋白质,二、分子生物学的发展简史,2.创立阶段（19501970年代）,1958年，Meselson和Stahl用同位素标记和超速离心分离实验证明DNA半保留复制。,15N,1961年，Brenner，Jacob和Meselson用同位素标记和超速离心分离实验发现mRNA。,二、分子生物学的发展简史,2.创立阶段（19501970年代）,1961年，法国科学家Jacob和Monod提出操纵子学说。莫诺与雅可布最初发现的是大肠杆菌的乳糖操纵子。1965年，莫诺与雅可布即荣获诺贝尔生理学与医学奖。,二、分子生物学的发展简史,2.创立阶段（19501970年代）,1966年，Nirenberg和Khorana解读了遗传密码,二、分子生物学的发展简史,3.发展阶段（1970年代以后）,1970年，Temin和Baltimore在RNA肿瘤病毒中发现逆转录酶，进一步完善了中心法则,1970年，Smith等分离得到第一个类型限制性内切酶,1967年，Gellert发现DNA连接酶,EcoRIrecognitionsites,phageDNA,EcoRIcutsDNAintofragments,Stickyend,SV40DNA,Thetwofragmentssticktogetherbybasepairing,DNAligase,RecombinantDNA,1972年，Berg将SV40DNA片段克隆到噬菌体中，建立了第一个体外DNA重组分子,二、分子生物学的发展简史,3.发展阶段（1970年代以后）,DNAligase,1973年，Boyer和Cohen等利用质粒获得第一个DNA重组体克隆,二、分子生物学的发展简史,3.发展阶段（1970年代以后）,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,二、分子生物学的发展简史,3.发展阶段（1970年代以后）,1977年，Gibert（化学断裂法）和Sanger（双脱氧终止技术）分别发明了不同的DNA测序技术,二、分子生物学的发展简史,3.发展阶段（1970年代以后）,化学断裂法,双脱氧链终止法,二、分子生物学的发展简史,3.发展阶段（1970年代以后）,1979年，美国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”。,同年，Sanger等完成了噬菌体全长48502bp的基因组DNA全序列测定,二、分子生物学的发展简史,3.发展阶段（1970年代以后）,1982年，Prusiner等在感染瘙痒病的仓鼠脑中发现了朊病毒（prion)，它只含有蛋白质的病毒。是否对中心法则提出质疑？,PrPc,PrPsc,1985年，Mullis等发明了聚合酶链式反应（PCR），1993年Mullis等因发明了PCR技术获得诺贝尔化学奖。,二、分子生物学的发展简史,3.发展阶段（1970年代以后）,二、分子生物学的发展简史,3.发展阶段（1970年代以后）,1990-1992年，转基因玉米及转基因小麦诞生1990年，人类基因组计划全面正式启动1990年，Simpson等发现了对mRNA前体编辑起指导作用的小分子RNA,1997年，Wilmut等首次不通过受精，用成年母羊体细胞的遗传物质，成功获得克隆羊-多莉,二、分子生物学的发展简史,3.发展阶段（1970年代以后）,2003年，美国、日本、英国、法国、德国、中国六国科学家共同宣布人类基因组计划的完成,二、分子生物学的发展简史,3.发展阶段（1970年代以后）,人们认为人类基因组计划是继“曼哈顿”原子弹计划、“阿波罗”登月计划之后自然科学史上的第三大计划。,中国从1993年开始正式启动了人类基因组计划，在国际人类基因组计划中承担了“1%项目”的测序工作，是参加人类基因组计划唯一的发展中国家。,二、分子生物学的发展简史,综上可以看出，分子生物学的快速发展每个里程碑,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,三、分子生物学研究内容,生物大分子的结构和功能研究,1.结构分子生物学,2.基因表达与调控,遗传信息的转录与翻译，主要表现在：上游调控序列信号转导转录因子以及RNA剪辑,3.DNA重组技术,三、分子生物学研究内容,可被用于大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低的多肽可用于定向改造某些生物的基因组结构可被用来进行基础研究,4.基因组与生物信息学,四、分子生物学的应用现状与展望,1.在农业上的应用,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、鱼（生长激素基因）,转基因动物牛、羊（生物反应器）,转基因植物抗虫棉（Bt毒素蛋白基因）、耐贮藏番茄等,四、分子生物学的应用现状与展望,1.在农业上的应用,利用重组DNA来大量高效地合成人体活性多肽（疾病的诊断、预防和治疗）,四、分子生物学的应用现状与展望,2.在医学上的应用,基因工程疫苗,四、分子生物学的应用现状与展望,2.在医学上的应用,病毒疫苗：HBV、HIV、流感病毒、HPV、Ebola天然免疫疾病疫苗：关节炎、系统性红斑狼疮、多发性硬化癌症疫苗：抗黑色素瘤、抗宫颈癌、抗乳腺癌、抗淋巴瘤、抗前列腺癌,单基因疾病的诊断：一般可在临床症状出现之前作出诊断，不依赖临床表型。有遗传倾向疾病的诊断：易感基因的筛查，如高血压，冠心病，肥胖等。外源性病源体诊断：如病毒、细菌、寄生虫等引起的传染病。,从广义上讲，大多数疾病都可以从遗传物质的变化中寻找出原因。而从技术上看，只要找到了与疾病相关的基因，基因诊断便立即可以实现。随着“人类基因组计划”的进程，将大大加快疾病相关基因的发现与克隆，基因诊断将成为疾病诊断的常规方法。,基因诊断,四、分子生物学的应用现状与展望,2.在医学上的应用,基因诊断方法,四、分子生物学的应用现状与展望,2.在医学上的应用,DNA诊断：关键是筛选出特异性的靶向DNA探针，目前已分离出100多种病原菌的特异性探针,PCR诊断：关键是设计合成待鉴定病原菌特异序列的引物，由于PCR的高度灵敏性，根据靶向基因序列设计多对引物进行套式PCR，能够增大检测的准确性。,基因诊断,四、分子生物学的应用现状与展望,2.在医学上的应用,PCR-酶解鉴定结合PCR技术和限制性内切酶技术,1949年Pauling发现镰刀型细胞贫血症（病人的红细胞为镰刀形）与珠蛋白基因突变相关。,基因诊断,四、分子生物学的应用现状与展望,2.在医学上的应用,其珠蛋白基因突变恰好是在CvnI限制性酶切位点，正常CCTGAGG突变成CCTGTGG，在CvnI酶位点两端设计引物PCR扩增后酶切由于酶切位点突变扩增的产物电泳发生变化,基因诊断,四、分子生物学的应用现状与展望,2.在医学上的应用,限制性酶解片段长度多态性也可以用于亲子鉴定,人类现有3000多种遗传病，已找到了200多个与遗传病有关的基因。人类中的遗传病大致可分为三大类。,基因治疗,四、分子生物学的应用现状与展望,2.在医学上的应用,单基因遗传病：只与一对基因有关，它主要是由基因突变引起的，如白化病、血友病、色盲等多基因遗传病：是指由几对基因的变化引起的疾病，例如，高血压、糖尿病、神经病等。染色体病：是由于染色体畸变所致的遗传病，如先天愚型、猫叫综合征、性腺发育不全症等。,医学统计学发现，约25的生理缺陷、30的儿童死亡和60的成年人疾病都是由遗传疾病引起的。,基因治疗,四、分子生物学的应用现状与展望,2.在医学上的应用,体外原位治疗：从患者体内取出带有缺陷的细胞，通过基因转移进行遗传修正。将经过遗传修正后的细胞转入患者的体内。体内基因治疗：是指将具有治疗功能的基因直接转入病人的某一特定组织中，通过正常表达，达到治疗功能。反义疗法：引入与目的mRNA相补的RNA（反义RNA），用于阻遏或降低某个基因的表达，达到治疗目的。,基因治疗,四、分子生物学的应用现状与展望,2.在医学上的应用,美国医学家安德森等人对腺苷脱氨酶缺乏症（ADA缺乏症）的基因治疗，是世界上第一个基因治疗成功的范例。,1990年9月14日，安德森对一例患ADA缺乏症的4岁女孩谢德尔进行基因治疗。这个4岁女孩由于遗传基因有缺陷，自身不能生产ADA，先天性免疫功能不全，只能生活在无菌的隔离帐里。他们对谢德尔白血球进行改造，用健康的基因替代有缺陷的基因，然后把经过改造的这个女孩的白血球输入她的静脉血管中。在以后的10个月内她又接受了7次这样的治疗，同时也接受酶