朱玉贤现代分子生物学第四版第一章绪论

1、现代分子生物学现代分子生物学课程基本要求课程基本要求 熟知核酸的基本生物化学特性；熟知核酸的基本生物化学特性； 熟知生物信息的储存与表达过程；熟知生物信息的储存与表达过程； 掌握掌握dna、rna和蛋白质的基本代谢过程，特别和蛋白质的基本代谢过程，特别是基因的一般结构与生物功能，基因活性的修饰是基因的一般结构与生物功能，基因活性的修饰与调节；与调节； 掌握分子克隆与掌握分子克隆与dna重组的基本技术与原理，了重组的基本技术与原理，了解现代分子生物学基本研究方法，了解基因治疗解现代分子生物学基本研究方法，了解基因治疗与基因组学的新成果，新进展。与基因组学的新成果，新进展。生物学：研究生命现象、生

2、命本质、生命活动生物学：研究生命现象、生命本质、生命活动及其规律的科学。及其规律的科学。细胞水平细胞水平整体水平整体水平分子水平分子水平分子生物学是生物学研究的一个分支分子生物学是生物学研究的一个分支细胞生物学细胞生物学：从细胞水平理解生命活动遗传学遗传学：从遗传角度理解生命活动 生物化学生物化学：从化学组成角度来理解生物大分子和生物代谢。普通生物学（动物普通生物学（动物& &植物）植物）& & 微生物学微生物学：不同生物类型的特点分子生物学分子生物学：从分子水平理解生命活动4 4通过研究通过研究“基因敲基因敲除除”的小鼠将帮助研究的小鼠将帮助研究人类的癌症、糖

3、尿病和人类的癌症、糖尿病和高血压等慢性疾病与遗高血压等慢性疾病与遗传的关系。传的关系。 转基因羊转基因羊具有生长快、毛具有生长快、毛质、肉质好、疾病少质、肉质好、疾病少及耐粗饲料等优点。及耐粗饲料等优点。在猴子的未受精卵中加入在猴子的未受精卵中加入附加基因，并利用它成功培育附加基因，并利用它成功培育出健康活泼的小猴出健康活泼的小猴“安迪安迪”。通过对通过对“安迪安迪”的研究我的研究我们可以简单地引进如老年性痴们可以简单地引进如老年性痴呆病的基因、帕金森病基因等，呆病的基因、帕金森病基因等，加快针对这类疾病疫苗的开发加快针对这类疾病疫苗的开发研究。研究。 教材教材: 朱玉贤等，现代分子生物学朱玉

4、贤等，现代分子生物学 ，第四版，第四版 references: sambrook j, et al. molecular cloning-a laboratory manual. 3rd ed. 2001, cold spring harbor laboratory press technology press 此书被誉为分子生物学的此书被誉为分子生物学的“圣经圣经”7 7主要参考书主要参考书1. genes viii (ix). benjamin lewin 2. molecular biology of the gene james d. watson, et al. 2004 第五版第五

5、版 3.现代遗传学原理现代遗传学原理 徐晋麟等，科学出版社，徐晋麟等，科学出版社，20014. lehninger principles of biochemistry, 2005 第五版第五版 第一章第一章 绪论绪论 多少年来，人们反复提出的几个与一切生命多少年来，人们反复提出的几个与一切生命现象有关的问题：现象有关的问题：1.生命是怎样起源的？生命是怎样起源的？2.为什么为什么“有其父必有其子有其父必有其子”？3.动、植物个体是怎样从一个受精卵发育而动、植物个体是怎样从一个受精卵发育而来的？来的？ 1.1 1.1 引言引言1.1.1 1.1.1 创世说与进化论创世说与进化论达尔文 1859

6、年物种起源，确立了进化论的概念分子进化论1.1.2 1.1.2 细胞学说（细胞学说（18471847）德国 植物学家schleiden德国 动物学家schwann早期生物学家的另一大贡献是提出了细胞理论。动植物的基本单元是细胞，这是细胞学说的核心。1.1.3 1.1.3 经典的生物化学和遗传学经典的生物化学和遗传学 19世纪中叶，蛋白质（发现动植物细胞提取液中主要是一些能受热或酸变性形成纤维状沉淀的物质）19世纪中叶到20世纪初，组成蛋白质的20种基本氨基酸被相继发现（ 1935年，苏氨酸）著名生物化学家fisher还论证了连接相邻氨基酸的“肽键”的形成。gregor mendel(1822-

7、1884).the father of genetics孟德尔孟德尔的的遗传学规律遗传学规律最先使人们对最先使人们对性状遗传性状遗传产生了理性认识产生了理性认识在孟德尔遗传学的基础上，美国著名的遗传学家morgan又提出了基因学说。连锁遗传规律1515摩尔根(t. h. morgan, 1866-1945) 孟德尔孟德尔（奥地利）的（奥地利）的遗传学规律遗传学规律最先使人们最先使人们对性状遗传产生了理性认识；对性状遗传产生了理性认识； morgan（美）的（美）的基因学说基因学说则进一步将则进一步将“性性状状”与与“基因基因”相耦联，成为分子遗传学的相耦联，成为分子遗传学的奠基石。奠基石。 1

8、910年，德国科学家年，德国科学家kossel第一个第一个分离了分离了腺嘌呤，胸腺嘧啶和组氨酸腺嘌呤，胸腺嘧啶和组氨酸, 获诺贝尔生理医获诺贝尔生理医学奖。学奖。 1959年，美国科学家年，美国科学家uchoa第一次第一次合成了合成了核糖核酸核糖核酸，实现了将基因内的遗传信息通过，实现了将基因内的遗传信息通过rna翻译成蛋白质的过程。翻译成蛋白质的过程。 1959年，年，kornberg实现了实现了试管内细菌细胞试管内细菌细胞中中dna的复制的复制。1.1.4 dna1.1.4 dna的发现与基因学说的创立的发现与基因学说的创立证明证明dna就是遗传物质的就是遗传物质的具有重要意义的实验具有重

9、要意义的实验 griffith（1928）及）及avery（1944）等人关）等人关于致病力强的光滑型（于致病力强的光滑型（s型）肺炎链球菌型）肺炎链球菌dna导致致病力弱的粗糙型（导致致病力弱的粗糙型（r型）细菌型）细菌发生遗传转化的实验发生遗传转化的实验; hershey和和chase（1952）关于）关于dna是遗是遗传物质的实验传物质的实验;dna是细菌的遗传物质是细菌的遗传物质. 解剖死鼠，发现有大量活的解剖死鼠，发现有大量活的s型细菌。他们推测，死细型细菌。他们推测，死细菌中的某一成分菌中的某一成分转化源转化源(transforming principle）将）将无致病力的细菌转化

10、成病原无致病力的细菌转化成病原细菌。细菌。 10年后的实验表明，年后的实验表明，dna就是转化源。死细菌就是转化源。死细菌dna指导了这一可遗传的转化，指导了这一可遗传的转化，从而导致了小鼠死亡。从而导致了小鼠死亡。dna是细菌的遗传物质是细菌的遗传物质avery等人的工作树立了遗传学理论上全新的观点等人的工作树立了遗传学理论上全新的观点dna是遗传信息的载体。是遗传信息的载体。美国冷泉港卡内基遗传 学 实 验 室 科 学 家美国冷泉港卡内基遗传 学 实 验 室 科 学 家hershey和他的学生和他的学生chase在在1952年从事噬菌年从事噬菌体侵染细菌的实验。体侵染细菌的实验。噬菌体专门

11、寄生在细菌体内，其头、尾外部都噬菌体专门寄生在细菌体内，其头、尾外部都是由蛋白质组成的外壳，头内主要是是由蛋白质组成的外壳，头内主要是dna。dna也是病毒的遗传物质也是病毒的遗传物质dna是动物细胞的遗传物质是动物细胞的遗传物质当当dna加入到某种在培养加入到某种在培养基中培养的真核单细胞生基中培养的真核单细胞生物群落中，核酸就会进入物群落中，核酸就会进入到细胞中去，其中有一部到细胞中去，其中有一部分就会合成出一些新的蛋分就会合成出一些新的蛋白质。白质。导入导入dna的表达将使细胞的表达将使细胞产生一些新的特性。产生一些新的特性。图图. 胸腺嘧啶核苷激酶的合成胸腺嘧啶核苷激酶的合成dna到底

12、是什么样的呢？到底是什么样的呢？ avery在在1944年的报告中这样写道：当溶液中年的报告中这样写道：当溶液中酒精的体积达到酒精的体积达到9/10时，有纤维状物质析出；如时，有纤维状物质析出；如稍加搅动，这种物质便会像棉线绕在线轴上一样稍加搅动，这种物质便会像棉线绕在线轴上一样绕在硬棒上，溶液中的其他成分则以颗粒状沉淀绕在硬棒上，溶液中的其他成分则以颗粒状沉淀留在下面。溶解纤维状物质并重复沉淀数次，可留在下面。溶解纤维状物质并重复沉淀数次，可提高其纯度。这一物质具有很强的生物学活性，提高其纯度。这一物质具有很强的生物学活性，初步实验证实它很可能就是初步实验证实它很可能就是dna。watson

13、和和crick所提出的脱氧核糖酸双螺旋所提出的脱氧核糖酸双螺旋模型，为充分揭示遗传信息的传递规律铺平模型，为充分揭示遗传信息的传递规律铺平了道路。了道路。rosalind e. franklin1920-19581953, watson & crick提出提出dna的反向平的反向平行双螺旋模型行双螺旋模型; wilkins通过对通过对dna分子的分子的x射线射线衍射研究证实了该衍射研究证实了该模型。模型。1.2 1.2 分子生物学简史分子生物学简史 一、一、1944196619441966年，人类对年，人类对dnadna和遗传信息传和遗传信息传递的认识阶段递的认识阶段 二、二、1967

14、197819671978年，重组年，重组dnadna技术的建立和发技术的建立和发展阶段展阶段 三、三、19791979年至今，重组年至今，重组dnadna技术的应用和分技术的应用和分子生物学迅速发展阶段子生物学迅速发展阶段一、认识阶段一、认识阶段 19441944年，年，avery avery 证明证明dnadna是遗传物质是遗传物质 19501950年，年，chargaff chargaff 提出提出chargaffchargaff定则定则 19531953年，年，watson & crick watson & crick 成功解析了成功解析了dnadna分子二分子二级结构级

15、结构 19581958年，年，dnadna半保留复制半保留复制 19611961年，年，jacob & monod jacob & monod 提出了调节基因表达的操提出了调节基因表达的操纵子模型纵子模型突然之间，一切都变得很清楚冥思苦想3030二、建立和发展阶段二、建立和发展阶段 19701970年，年，smith & wilcox smith & wilcox 分离到第一种限制性分离到第一种限制性核酸内切酶核酸内切酶 1972197319721973年，年，boyer & berg boyer & berg 发展了重组发展了重组dnadna技

16、术，并完成了第一个细菌基因的克隆，开创技术，并完成了第一个细菌基因的克隆，开创基因工程的新纪元基因工程的新纪元 19751975年，年，southern southern 发明了发明了dnadna片段的印迹法片段的印迹法 19771977年，年，sangersanger双脱氧链终止法双脱氧链终止法中心法则中心法则crick于于1954年所提出的遗传信息传递规律年所提出的遗传信息传递规律1954年首次年首次提出的提出的“中心法则中心法则” 1970-1980年年的的“中心法则中心法则” 21世纪后修正世纪后修正的的“中心法则中心法则” 三、快速发展阶段三、快速发展阶段 19811981年，年，c

17、echcech 发现了发现了ribozymeribozyme 19821982年，年，prusinerprusiner 发现了朊病毒发现了朊病毒prionprion 19851985年，年，karrykarry mullis mullis 发明了发明了pcrpcr反应反应 19901990年，人类基因组计划正式启动年，人类基因组计划正式启动 19971997年，克隆羊多利诞生，同年年，克隆羊多利诞生，同年genbankgenbank 公布公布了最新的人类基因图谱了最新的人类基因图谱 20012001年，人类基因组计划草图公布年，人类基因组计划草图公布中国科学家的贡中国科学家的贡献献 吴宪吴宪2

18、0世纪世纪20年代与汪猷、张昌颖等人一道完年代与汪猷、张昌颖等人一道完成了蛋白质变性理论、血液生化检测和免疫化成了蛋白质变性理论、血液生化检测和免疫化学等一系列有重大影响的研究。学等一系列有重大影响的研究。 20世纪中下叶，我国科学家相继实现了人工全世纪中下叶，我国科学家相继实现了人工全合成有生物学活性的结晶牛胰岛素，解出了三合成有生物学活性的结晶牛胰岛素，解出了三方二锌猪胰岛素的晶体结构，采用有机合成与方二锌猪胰岛素的晶体结构，采用有机合成与酶促相结合的方法完成了酵母丙氨酸转移核糖酶促相结合的方法完成了酵母丙氨酸转移核糖核酸的人工全合成。核酸的人工全合成。1.3 1.3 分子生物学的主要研究

19、内容分子生物学的主要研究内容 一切生物体中的各类有机大分子都是一切生物体中的各类有机大分子都是由完全相同的单体，如蛋白质分子中的由完全相同的单体，如蛋白质分子中的20种氨基酸、种氨基酸、dna及及rna中的中的8种碱基所组合种碱基所组合而成的。而成的。分子生物学研究的基本定理分子生物学研究的基本定理：1.构成生物体有机大分子的单体在不同生物构成生物体有机大分子的单体在不同生物中都是相同的；中都是相同的；2.生物体内一切有机大分子的构成都遵循共生物体内一切有机大分子的构成都遵循共同的规则同的规则 ；3.某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子决定了它的属性。子决

20、定了它的属性。 生物体内各种大分子、亚细胞结构的大小生物体内各种大分子、亚细胞结构的大小 dna重组技术重组技术 (基因工程基因工程) 基因表达调控基因表达调控 生物大分子结构功能生物大分子结构功能 (结构分子生物学结构分子生物学) 基因组、功能基因组与生物信息学基因组、功能基因组与生物信息学分子生物学研究主要包括：分子生物学研究主要包括：重组重组dna操作过程示意图操作过程示意图彩棉图片彩棉图片西湖绽放第一朵基因变异荷花曲院风荷基因表达调控研究基因表达调控研究 蛋白质分子控制了细胞的一切代谢活动，而蛋白质分子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决定蛋白质结构和合成

21、时序的信息都由核酸分子编码。酸分子编码。 基因表达实质上就是遗传信息的转录和翻译基因表达实质上就是遗传信息的转录和翻译过程。过程。基因表达调控研究基因表达调控研究的主要内容的主要内容 信号转导研究信号转导研究 转录因子研究转录因子研究 rna剪接研究剪接研究生物大分子的结构功能研究生物大分子的结构功能研究(结构分子生物学结构分子生物学)是研究生物大分子特定的空间结构及结构的运是研究生物大分子特定的空间结构及结构的运动变化与其生物学功能关系的科学动变化与其生物学功能关系的科学,主要研究主要研究方向方向: (1)结构的测定结构的测定; (2)结构运动变化规律的探索结构运动变化规律的探索; (3)结构与功能相互关系的建立。结构与功能相互关系的建立。 基因组、功能基因组与生物信息学基因组、功能基因组与生物信息学 对人类等基因组全序列测序的完成，为确定基因对对人类等基因组全序列测序的完成，为确定基因对人类生长发育和疾病的预防治疗提供了一个前所未人类生长发育和疾病的预防治疗提供了一个前所未有的大舞台；有的大舞台； 蛋白组