第一次课-《分子生物学》理论-课件-2013-03-01.ppt

分子生物学MolecularBiology,任课教师：张绍阳研究兴趣：植物种质资源与遗传育种电子邮箱：bright-sunshine手机号码课程讲授主要内容与学时分配,绪论(共2学时)第一部分原核生物遗传信息传递分子机制（共10学时）第一章原核生物基因组DNA构成（2学时）第二章原核生物中心法则（4学时）第三章原核生物基因表达与调控（4学时）第二部分真核生物遗传信息传递分子机制（共10学时）第一章真核生物基因组DNA构成（2学时）第二章真核生物中心法则（4学时）第三章真核生物基因表达与调控（4学时）第三部分遗传信息保持与生物性状异变分子机制（共4学时）第一章基因突变和修复（2学时）第二章基因组重组和转坐（2学时）第四部分部分分子生物学技术（共8学时）第一章目标基因克隆与表达分析（2学时）第二章分子标记（2学时）第三章高通量测序与生物信息分析（2学时）第四章基因工程（2学时）第五部分结尾(共2学时),基因表达调控,基因工程,教材、参考书籍和部分相关外文期刊,教材：分子生物学，陈启民和耿运琪编著，高等教育出版社，2010参考书籍（暂定）：现代分子生物学（第三版），朱玉贤、李毅编著，高等教育出版社，2007生物化学简明教程（第三版），罗纪盛等编著，高等教育出版社，1999部分相关外文期刊：,考核方式学习态度（满分100）基准分80分。加分情况:按时按质完成作业、无迟到/早退/旷课记录、能积极和老师沟通学习问题，则加分20分。减分情况：迟到、早退、旷课、上课打扰他人学习（包括上课说悄悄话和手机响等）、作业未交，每出现一次，则减去一个10分，直至减完80分为止。提醒：只要无故出现减分情况一次，学习态度成绩最多只能是70分。对我讲课内容厌倦，可以睡觉闭卷考核(满分100)试题形式和分数构成：名词解释（12题选10题，满分30分）、简答题（7题选5题，满分45分）和论述题（3题选1题，满分25分）。上报学校成绩（满分100）=闭卷考核卷面成绩（满分100）0.7+学习态度成绩（满分100）0.3。,绪论,1分子生物学概念1.1“MolecularBiology”一词来源1938年,Weaver在写给一个科学基金会(洛克菲勒基金会)的报告中，首次使用了分子生物学“MolecularBiology”一词。1941年，研究蛋白质结构的W.Astbury使用了这一名词，当时他开始用X射线分析纤维DNA的结构，并称自己是分子生物学家。1.2分子生物学概念广义概念：从分子水平研究生命现象及其规律的一门新兴学科狭义概念：是研究细胞内生物大分子（主要就是核酸和蛋白质）的结构和其在生物遗传信息保存、维护和传递过程中所行使的功能以及这些生物大分子物质相互作用特点和规律进而来研究生命现象的一门新兴科学。,2分子生物学产生和发展过程,2.1分子生物学产生和发展过程阶段大致划分经典遗传学研究（1866到1928）微生物遗传研究（1928到1953）分子遗传研究（1953到1972）基因重组研究（1972到1990）基因组和蛋白质组学研究（1990）,2.2经典遗传学阶段相关重大研究进展,1866年，G.Mendel提出生物性状由“遗传因子”控制结论和两大遗传定律（分离规律和自由组合规律）。（下左1图和左2图）1868-1872年，F.Miechescher（下左3图）提取出核酸（Nuclearacid）1885-1900年，证实核酸是由带有不同碱基的核苷酸组成，单个核苷酸是由碱基-核糖-磷酸构成。1929年，确定脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）是核酸的两种类型1909年，“遗传因子”被改命名为“基因”1910年，Morgan（下右1图）证实基因就在染色体上，并提出第三条遗传定律（连锁遗传规律）,2.3微生物遗传阶段相关重大研究进展,2.3.1DNA是遗传信息的主要载体1944年，O.Avery利用F.Griffith1928年所发现肺炎球菌使小鼠致病机制，提出了“DNA是遗传信息的载体”这一学说1952年，A.D.Hershey和M.Chase用35S和32p分别标记T2噬菌体的蛋白质和核酸，感染大肠杆菌,确认了“DNA是遗传信息的载体”这一学说1956年，A.Gierer和G.Schramm发现烟草花叶病毒的遗传物质是RNA,O.Avery,2.3.2DNA双螺旋模型建立,1941年，W.Astbury获得了第一张DNAX衍射图谱1950年，Chargoff提出DNA碱基配对原则（A与T和G与C分别严格配对）1952年，R.Franklin和M.Wilkins制出高质量的DNAX-光衍射照片（左下图）1953年，Watson和F.H.C.Crick（中间图）建立DNA双螺旋模型（右下图）。该年，也通常被认为分子生物学的诞生年。1979年，A.H.J.Wang和A.Rich提出Z-DNA模型,2.4分子遗传研究阶段相关重大研究进展,中心法则提出与修正1958年，F.H.C.Crick提出遗传信息传递的中心法则1956年，E.VolKin和L.Astrachan发现T2噬菌体的mRNA1958年，M.Meselson和F.W.Stahl用同位素标记法证实DNA的半保留复制。（1953年，Watson和F.H.C.Crick建立DNA双螺旋模型后，又预测DNA复制具有半保留特点）。同年，F.H.C.Crick等证实了遗传密码为三联体密码。1964年，M.W.Nirenberg破译全部有义密码子1966年，F.H.C.Crick提出反密码子的摆动学说约1971年，发现逆转录酶1982年，仓鼠脑中发现朊病毒（Prion）,其具有遗传物质是蛋白质而非核酸1981年，发现核酶,2.5DNA重组研究阶段相关重大研究进展,1962年，Arber证明限制性内切酶(Restrictionenzyme)存在1967年，Gellert发现DNA连接酶（DNALigase）1968年，S.Cohen发现质粒（Plasmid）1970年，H.Boyer发现限制性内切酶1972年，P.Berg创建了重组DNA（RecombinantDNA）技术1978年，A.C.Y.Chang等首次将真核基因组（dhfr）在细菌中发表1994年，在某少数几个国家，转基因番茄（下图）开始进入超市,2.5.1DNA重组技术建立与应用研究,2.5.2基因表达与调控研究,1961年，Jacob和Monod提出操纵子学说（原核生物遗传信息表达一种调控机理）1977年，发现内含子1981年，发现增强子1998年，RNAi技术（右图）出现基因功能研究重要技术：过量表达、转基因、Q-PCR、基因沉默、基因敲出、瞬时表达等。,SpindleandcytokinesisdefectsafterRNAinterference,2.6.1DNA测序技术及发展,1977年，F.Sanger（右图）建立双脱氧末端终止DNA测序方法，并测定出了X174DNA全部5375bp核苷酸序列同年，W.Gilbert和A.Maxam建立化学裂解DNA测序方法1978年，Fiers等测出环状SV40DNA全部5243bp核苷酸序列1989年，人类基因组工程（HGP）启动1996年底，大肠杆菌基因组DNA的全部序列长4106碱基对1996年底，完成了真核生物酵母的基因组全序列测定,1998年底，长达100Mb的线虫的基因组序列测定1999年，鸟枪法测序（Shotgunsequencing）2000年，绘出拟南芥基因组的完整图谱2001年，国际两大最著名期刊Nature和Science同时公布人类基因组图谱草图2002年，以杨焕明为首的中国科学家在Science发表了水稻全基因组框架序列近五六年，高通量测序技术迅猛发展，掀起分子生物学更大的研究热潮,2.6基因组和蛋白质组学研究阶段相关研究重大发展,2.6.2PCR技术发明与分子标记,1980年，D.Bostein等RFLP构建人类遗传学连锁图谱1986年，K.Mullis（右下图）建立聚合酶链式反应（PolymeraseChainReaction,PCR）技术1989年，SSR被发现并开始分子标记应用研究1990年，Williams等和Welsh等同时分别创建了RAPD标记技术1993年，Paran和Michelmore创建了SCAR标记技术1993年，Konieczny和Ausubel创建了CAPS标记技术1994年，Zietkiewiez等创建了ISSR标记技术1995年，P.Vos等报道了AFLP标记技术1997年，Waugh等创建了SSAP标记技术2000年，Drenkard等创建了SNAP标记技术（即将SNP转化SCAR标记的技术）,2.6.3基因组和蛋白质组学研究阶段其他相关研究重大发展,1990年，人类疾病第一例基因治疗（Genetherapy）,4岁的琳达患有ADA缺陷综合症ADA：adenosinedeaminase腺苷脱氨酶症状：T型白血球功能损伤会导致致命的病菌感染,1996年，DNA芯片（右上图）进入商业化1997年，动物克隆技术（下左图）1997年，第一例人工创造的人类染色体（下中图）1998年，干细胞研究重大突破,近些年，生物信息学、功能基因组学及蛋白质学等多种新型相关技术体系也应运而生生物信息学：以计算机为工具对生物信息（主要是指DNA、RNA和蛋白质的序列、结构和功能信息）进行储存、检索（收集和筛选）、处理（编辑、整理、管理和显示）及利用（计算、模拟）的一种技术体系。它是当今生命科学和自然科学的重大前沿领域之一，同时也将是21世纪自然科学的核心领域之一。该研究工具主要由数据库、计算机网络和应用软件三大部分组成。功能基因组学：通过对单个或多个生物全基因组上所有基因表达进行分析和比较，以此研究基因组的多样性和进化规律、全基因组基因的表达及其调控模式等相关问题的一种技术体系。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规律的一种技术体系。,2.7分子生物学发展总结,二十世纪是以核酸为研究核心，带动分子生物学向纵深发展：50年代双螺旋结构60年代操纵子学说70年代DNA重组80年代PCR技术90年代DNA测序生命科学从宏观微观宏观；由分析综合的时代。,3分子生物学主要研究内容与主要研究方法,3.1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。3.2主要研究内容1基因组DNA重组2基因表达与调控3生物大分子结构与功能4生物信息学与生物组学,3.3主要研究方法,3.3.1研究方向：（思维视角）衍生于其他相关生物学科，并用相应技术方法进入分子生物学相关问题研究，获得结果可以为本学科和其他相关生物学科服务；由宏观进入微观，再由微观拓展到宏观。（研究对象）由生物性状到核酸与蛋白结构到其功能再到其功能调控。3.3.2采用的逻辑学方法：模型分析、强烈推理和物质能量节省原则3.3.3常采用的物理和生物化学方法：物质分离纯化、离心、电泳、层析、X-衍射、同位素标记等。3.3.4常用的分子生物学技术方法：基因克隆、基因表达、分子标记、基因重组、分子杂交、定点突变等。,3.4整个学科进一步发展方向,1.进一步完善相关技术（分离、分析微量化、自动化、高通量）2.技术的产业化3.学科的交叉4.生物信息学,4.1分子生物学在生命科学所占位置,4分子生物学与相关生物学科相关性,4.2与分子遗传学、生物化学、遗传学、细胞生物学和微生物学等区分,分子生物学是由多个传统生物学科交叉发展而形成的，其相关研究内容与这些学科有重叠部分也有独立部分。生物化学所研究生物分子种类较多（还包括糖类、脂类等），其主要研究不同生物物质的物质代谢和能量转化以及相互关系细胞生物学微生物学遗传学其与分子遗传学可能是最难以区分了,4.3分子生物学是目前自然学科中的前沿核心学科和带头学科,分子生物学、细胞生物学和神经生物学被认为当代生物科学研究的三大主题，分子生物学则全面渗透到细胞生物学和神经生物学研究中并大大推动了它们的发展。对遗传学，大量的遗传学原理被分子生物学研究所证实或否定，大量遗传研究问题得到根本解决，许多遗传疾病得到有效控制或治愈生物分类和进化研究，由于注入了分