分子生物学演义

1、分子生物学演义分子生物学演义蛋白质工程及植物基因工程国家重点实验室蛋白质工程及植物基因工程国家重点实验室北京大学生命科学学院北京大学生命科学学院朱玉贤朱玉贤网站网站一、现代分子生物学史中的主要里程碑一、现代分子生物学史中的主要里程碑二、证明二、证明DNA就是遗传物质的主要历史事件就是遗传物质的主要历史事件三、三、DNA重组技术重组技术四、四、DNA微阵列技术微阵列技术一、现代分子生物学史中的主要里程碑一、现代分子生物学史中的主要里程碑孟德尔的遗传学规律最先使人们对性状遗传产孟德尔的遗传学规律最先使人们对性状遗传产生了理性认识，而生了理性认识，而Morgan的基因学说则进一的基因学说则进一步将步

2、将“性状性状”与与“基因基因”相耦联，成为分子遗相耦联，成为分子遗传学的奠基石。传学的奠基石。Gregor Mendel(1822-1884).The Father of Genetics 1910年，德国科学家年，德国科学家Kossel第一个分离了腺第一个分离了腺嘌呤，胸腺嘧啶和组氨酸。嘌呤，胸腺嘧啶和组氨酸。1959年，美国科学家年，美国科学家Uchoa第一次合成了核糖第一次合成了核糖核酸，实现了将基因内的遗传信息通过核酸，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。同年，同年，Kornberg实现了试管内细菌细胞中实现了试管内细菌细胞中DNA的复制。的复制。

3、1962年，年，Watson和和Crick因为在因为在1953年提出年提出DNA的反向平行双螺旋模型而与的反向平行双螺旋模型而与Wilkins共获共获Noble生理医学奖，后者通过生理医学奖，后者通过X射线衍射证实射线衍射证实了了Watson-Crick模型。模型。Rosalind E. Franklin1920-1958Watson和和Crick所提出的脱氧核糖酸双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螺旋模型，为充分揭示遗传信息的传递规律铺平了道路。规律铺平了道路。Rosalind E. Franklin对对 DNA晶体结构晶体结构的研究为的研究为Wilkins的获奖奠定了

4、基础。的获奖奠定了基础。 1965年，法国科学家年，法国科学家Jacob和和Monod提出并提出并证实了操纵子（证实了操纵子（operon）作为调节细菌细胞代作为调节细菌细胞代谢的分子机制谢的分子机制. 他们还推测存在一种与他们还推测存在一种与DNA序列相互补、能序列相互补、能将它所编码的遗传信息带到蛋白质合成场所并将它所编码的遗传信息带到蛋白质合成场所并翻译产生蛋白质的翻译产生蛋白质的mRNA（信使核糖核酸）信使核糖核酸）.19721972年，年，Paul BergPaul Berg（美）第一次进行了美）第一次进行了DNADNA重组重组. .19771977年，年，SangerSanger和

5、和GilbertGilbert（英）第一次进行英）第一次进行了了DNADNA序列分析序列分析. . 1985年，年，McClintock由于在由于在50年代提出并年代提出并发现了可移动遗传因子（发现了可移动遗传因子（jumping gene或称或称mobile element）而获得而获得Nobel奖。奖。Barbra McClintock 1993年，美国科学家年，美国科学家Roberts和和Sharp因发因发现断裂基因（现断裂基因（introns）而获得而获得Nobel奖；奖；Mullis由于发明由于发明PCR仪而与加拿大学者仪而与加拿大学者Smith（第一个设计基因定点突变）共享第一个设

6、计基因定点突变）共享Nobel化学化学奖。奖。 此外，此外，Griffith（1928）及及Avery（1944）等人关于致病力强的光滑型（等人关于致病力强的光滑型（S型）肺炎链球型）肺炎链球菌菌DNA导致致病力弱的粗糙型（导致致病力弱的粗糙型（R型）细菌发型）细菌发生遗传转化的实验生遗传转化的实验;Hershey和和Chase（1952）关于关于DNA是是遗传物质的实验遗传物质的实验;Crick于于1954年所提出的遗传信息传递年所提出的遗传信息传递规律（即中心法则）；规律（即中心法则）；Meselson和和Stahl（1958）关于关于DNA半半保留复制的实验保留复制的实验;Yanofsk

7、y和和Brener（1961）年关于遗传年关于遗传密码三联子的设想都为分子生物学的发展密码三联子的设想都为分子生物学的发展做出了重大贡献。做出了重大贡献。二、证明二、证明DNADNA就是遗传物质的主要历史事就是遗传物质的主要历史事件件 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”？ 3.3.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？ 1847年，年，Schleiden和和Schwann提出提出“细细

8、胞学说胞学说”，证明动、植物都由细胞组成。，证明动、植物都由细胞组成。 孟德尔在孟德尔在1857年到年到1864年间，用产生圆形年间，用产生圆形种子的豌豆同产生皱皮种子的植株杂交，得到种子的豌豆同产生皱皮种子的植株杂交，得到几百粒全是圆形的几百粒全是圆形的F1代种子。代种子。 第二年，他种植了第二年，他种植了253粒粒F1圆形种子并进行自圆形种子并进行自交，得到交，得到7324粒粒F2种子，其中种子，其中5474粒圆形，粒圆形，1850粒皱皮，圆皱比为粒皱皮，圆皱比为3:1。 用黄色圆形豌豆与绿色皱皮豌豆做杂交，发用黄色圆形豌豆与绿色皱皮豌豆做杂交，发现现F F1 1种子全是黄色圆形的。种子全

9、是黄色圆形的。 自交产生自交产生556556粒粒F F2 2代种子中，黄色圆形代种子中，黄色圆形315315粒粒，黄色皱皮，黄色皱皮121121，绿色圆形，绿色圆形108108，绿色皱皮，绿色皱皮3232。 四种类型接近于四种类型接近于9:3:3:19:3:3:1。绿绿 黄黄 圆圆 皱皱F2F2代代=9:3:3:1=9:3:3:1 孟德尔总结出生物遗传的两条基本规律：孟德尔总结出生物遗传的两条基本规律： 第一，当两种不同植物杂交时，它们的下一第一，当两种不同植物杂交时，它们的下一代可能与亲本之一完全相同，他把这一现象称代可能与亲本之一完全相同，他把这一现象称为统一律。为统一律。孟德尔认为，生物

10、的每一种性状都是由遗传因孟德尔认为，生物的每一种性状都是由遗传因子控制的，这些因子可以从亲代到子代，代代子控制的，这些因子可以从亲代到子代，代代相传。相传。遗传因子在体细胞内是成对存在的，一个来遗传因子在体细胞内是成对存在的，一个来自父本，一个来自母本，只有在形成配子时自父本，一个来自母本，只有在形成配子时单独存在。单独存在。有些遗传因子以显性（有些遗传因子以显性（dominant）形式存在形式存在，能在杂种一代得到表达；有些因子呈隐性，能在杂种一代得到表达；有些因子呈隐性（recessive）状态，只有当父、母本同时含有状态，只有当父、母本同时含有这一因子时，才得到表现。这一因子时，才得到表

11、现。 第二，将不同植物品种杂交后的第二，将不同植物品种杂交后的F1代种子代种子再进行杂交或自交时，下一代就会按照一定的再进行杂交或自交时，下一代就会按照一定的比例发生分离，因而具有不同的形式，他把这比例发生分离，因而具有不同的形式，他把这一现象称为分离规律。一现象称为分离规律。 在孟德尔遗传学基础上，在孟德尔遗传学基础上，Morgan又提出了又提出了基因学说。基因学说。 1910年，年，Morgan和他的助手们发现了第一和他的助手们发现了第一只白眼雄果蝇，称为突变型。正常情况下，果只白眼雄果蝇，称为突变型。正常情况下，果蝇都是红眼的，称为野生型。蝇都是红眼的，称为野生型。Morgan将白眼雄将

12、白眼雄果蝇与红眼雌果蝇交配，所产生的果蝇与红眼雌果蝇交配，所产生的F1代不论雌代不论雌雄，全为红眼果蝇（孟德尔的统一规律！）。雄，全为红眼果蝇（孟德尔的统一规律！）。这些这些F1果蝇互相交配所产生的果蝇互相交配所产生的F2有红眼也有白有红眼也有白眼，但所有白眼果蝇都是雄性的，说明该性状眼，但所有白眼果蝇都是雄性的，说明该性状与性别有联系。与性别有联系。Morgan的这一连锁遗传规律与孟德尔的遗传的这一连锁遗传规律与孟德尔的遗传性状独立分离规律是背道而驰的！性状独立分离规律是背道而驰的！当所研究的两个基因位于同一染色体上而又距当所研究的两个基因位于同一染色体上而又距离较近时，离较近时，Morga

13、n的连锁遗传规律起主导作的连锁遗传规律起主导作用。用。当所研究的两个基因位于不同染色体上时，孟当所研究的两个基因位于不同染色体上时，孟德尔的独立分离规律起主导作用。德尔的独立分离规律起主导作用。 1928年，英国科学家年，英国科学家Griffith等人发现，具等人发现，具有光滑外表的有光滑外表的S型肺炎链球菌能使小鼠发病，型肺炎链球菌能使小鼠发病，具有粗糙外表的具有粗糙外表的R型细菌没有致病力。荚膜多型细菌没有致病力。荚膜多糖能保护细菌免受动物白细胞的攻击。糖能保护细菌免受动物白细胞的攻击。首先用实验证明基因就是首先用实验证明基因就是DNA分子的是美分子的是美国著名的微生物学家国著名的微生物学

14、家Avery。他首先将光滑型他首先将光滑型致病菌（致病菌（S型）烧煮杀灭活性以后再侵染小鼠型）烧煮杀灭活性以后再侵染小鼠，发现这些死细菌自然丧失了致病能力。，发现这些死细菌自然丧失了致病能力。 图1-1 DNA是“转化源” 解剖死鼠，发现有大量活的解剖死鼠，发现有大量活的S S型细菌。他们推型细菌。他们推测 ， 死 细 菌 中 的 某 一 成 分测 ， 死 细 菌 中 的 某 一 成 分 转 化 源 （转 化 源 （transforming principletransforming principle）将无致病力的细菌将无致病力的细菌转化成病原细菌。转化成病原细菌。进一步的实验表明，进一步的

15、实验表明，DNADNA就是转化源。死细菌就是转化源。死细菌DNADNA指导了这一可遗传的转化，从而导致了小指导了这一可遗传的转化，从而导致了小鼠死亡。鼠死亡。AveryAvery等人的工作树立了遗传学理论等人的工作树立了遗传学理论上全新的观点上全新的观点DNADNA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。噬菌体专门寄生在细菌体侵染细菌的实验。噬菌体专门寄生在细菌体内，它的头、尾外部都是由蛋白质组成的体内，它的头、尾外部都是由蛋白质组成的外

16、壳，头内主要是外壳，头内主要是DNA。 噬菌体侵染细菌的主要过程如下：噬菌体侵染细菌的主要过程如下：噬菌体尾部的末端（基片、尾丝）吸附在细噬菌体尾部的末端（基片、尾丝）吸附在细菌表面；菌表面；噬菌体通过尾轴把噬菌体通过尾轴把DNA全部注入细菌细胞内全部注入细菌细胞内，噬菌体的蛋白质外壳则留在细胞外面；，噬菌体的蛋白质外壳则留在细胞外面；利用细菌的生命过程合成噬菌体自身的利用细菌的生命过程合成噬菌体自身的DNA和蛋白质；和蛋白质；用新合成的用新合成的DNA和蛋白质组装成与亲代完全和蛋白质组装成与亲代完全相同的子噬菌体；相同的子噬菌体；细菌解体，释放子代噬菌体，侵染其他细菌细菌解体，释放子代噬菌体

17、，侵染其他细菌。T2T2噬菌体噬菌体用用3232P P标记标记DNADNA用用3535S S标记蛋白标记蛋白侵染细菌后立即收侵染细菌后立即收集噬菌体，可得到集噬菌体，可得到70%70%3232P P标记的标记的DNADNA，但只能得到但只能得到20%20%标记的蛋白质。标记的蛋白质。如果侵染细菌后让噬如果侵染细菌后让噬菌体复制一代，那么菌体复制一代，那么，新生 代噬 菌 体 中，新生 代噬 菌 体 中50%50%的的DNADNA链上带有链上带有3232P P标记，而噬菌体总蛋标记，而噬菌体总蛋白中只有不到白中只有不到1%1%仍带仍带有有3535S S标记。标记。 那么，那么，DNADNA到底是

18、什么样的呢？到底是什么样的呢？ Avery Avery在在19441944年的报告中这样写道：当溶液年的报告中这样写道：当溶液中酒精的体积达到中酒精的体积达到9/109/10时，有纤维状物质析出时，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；如稍加搅动，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上一样绕在硬棒上，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粒状沉淀留在下面。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淀数次，可提高其纯度。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生物学活性，初步实验证实它很可

19、能就是DNADNA（谁能想到！）。谁能想到！）。 对对DNADNA分子的物理化学研究导致了现代生物分子的物理化学研究导致了现代生物学翻天覆地的革命，这更是学翻天覆地的革命，这更是AveryAvery所没有想到所没有想到的！的！ 三、三、DNA重组技术重组技术是是20世纪世纪70年代初兴起的技术科学，目的是年代初兴起的技术科学，目的是将不同将不同DNA片段（基因或基因的一部分）按片段（基因或基因的一部分）按照人们的设计定向连接起来，在特定的受体照人们的设计定向连接起来，在特定的受体细胞中与载体同时复制并得到表达，产生影细胞中与载体同时复制并得到表达，产生影响受体细胞的新的遗传性状。响受体细胞的新

20、的遗传性状。限制性内切酶、限制性内切酶、DNA连接酶及其他工具酶的连接酶及其他工具酶的发现与应用是这一技术得以建立的关键。发现与应用是这一技术得以建立的关键。 通过通过DNA连接酶把不同的连接酶把不同的DNA片段连接成一个整体。片段连接成一个整体。a. DNA的粘性末端的粘性末端; b. DNA的平末端的平末端; c. 化学合成的具有化学合成的具有EcoRI粘性末粘性末端的端的DNA片段。片段。重组重组DNADNA操作过程示意图操作过程示意图根癌土壤农杆菌（根癌土壤农杆菌（Agrobaoterium tumefaciens）侵染植物细胞后能将其侵染植物细胞后能将其Ti（tumor inducing）质粒上的一段质粒上的一段DNA（T-DNA）插入到被侵染细插入到被侵染细胞的基因组，并能稳定地遗传给后代，植物的胞的基因组，并能稳定地遗传给后代，植物的遗传转化遗传转化(植物基因工程植物基因工程)技术随之得到迅速发技术随之得到迅速发展。展。产生细胞分裂素基因产生细胞分裂素基因