分子生物学发展史

1、分子生物学发展史20102010级研究生级研究生张张 海海 军军一、分子生物学的基本含义一、分子生物学的基本含义 二、分子生物学的主要研究内容二、分子生物学的主要研究内容 三、分子生物学发展简史三、分子生物学发展简史 四、分子生物学的发展趋势四、分子生物学的发展趋势 1 1、定义、定义 从分子水平研究生命本质的一门新兴边缘学科从分子水平研究生命本质的一门新兴边缘学科2 2、研究对象、研究对象 核酸和蛋白质等生物大分子的结构及其在遗传核酸和蛋白质等生物大分子的结构及其在遗传 信息和细胞信息传递中的作用信息和细胞信息传递中的作用分子水平？分子水平？l分子量大分子量大l由简单的小分子组成由简单的小分

2、子组成l复杂的空间结构复杂的空间结构3 3、主要任务、主要任务 阐明生物大分子的结构及结构与功能的关系阐明生物大分子的结构及结构与功能的关系1 1、核酸的分子生物学、核酸的分子生物学 研究核酸的结构及其功能。研究核酸的结构及其功能。 中心法则是其理论体系的核心中心法则是其理论体系的核心2 2、蛋白质的分子生物学、蛋白质的分子生物学 蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能3 3、细胞信号转导的分子生物学、细胞信号转导的分子生物学 细胞内、细胞间信息传递的分子基础细胞内、细胞间信息传递的分子基础l生命是怎样起源的？生命是怎样起源的？l为什么为什么“有其父必有其子有其父必有其子”？l动、植物个体是怎样

3、从一个受精卵发育而来的？动、植物个体是怎样从一个受精卵发育而来的？ 施旺和施莱登的细胞学说施旺和施莱登的细胞学说达尔文的进化论达尔文的进化论孟德尔遗传定律孟德尔遗传定律摩根的染色体学说摩根的染色体学说 细胞学说细胞学说人人 物物主要著作及成就主要著作及成就达尔文达尔文(1809-(1809-1882)1882) 18591859年年物种起物种起源源一书的出版标一书的出版标志着生物进化论的志着生物进化论的诞生，提出诞生，提出“物竞物竞天择，适者生存天择，适者生存”。达尔文的进化论达尔文的进化论人人 物物主要著作及成就主要著作及成就孟德尔孟德尔(1822-1884)(1822-1884) 1857

4、1857年开始做豌豆杂交年开始做豌豆杂交遗传实验，遗传实验，18661866年出版年出版植物杂交的试验植物杂交的试验，提，提出生物形状是可以遗传的，出生物形状是可以遗传的，并且这些性状在后代可以并且这些性状在后代可以自由组合。自由组合。孟德尔的孟德尔的遗传定律遗传定律 豌豌 豆豆孟德尔选择了豌豆作为遗传试验材料孟德尔选择了豌豆作为遗传试验材料1.1.豌豆豌豆 自花传粉自花传粉闭花受粉闭花受粉自然状态下，自然状态下，一般是纯种一般是纯种2. 2. 具有易区分的性状具有易区分的性状 豌豆花大，易于做豌豆花大，易于做人工异花传粉实验人工异花传粉实验子房子房柱头柱头花柱花柱雌蕊雌蕊花药花药花丝花丝雄蕊

5、雄蕊人工异花授粉示意图人工异花授粉示意图1 1、去雄、去雄2 2、套袋隔离、套袋隔离3 3、人工授粉、人工授粉4 4、套袋隔离、套袋隔离花大，便于人工授粉花大，便于人工授粉5 5、采集种子栽培、采集种子栽培收集数据收集数据（未成熟时）（未成熟时）（成熟时）（成熟时）一种生物的同一性状的不同表现类型。一种生物的同一性状的不同表现类型。性状性状 ：指生物体的形态特征或生理特征。指生物体的形态特征或生理特征。 孟德尔在孟德尔在18571857年到年到18641864年间，用产生圆形种子年间，用产生圆形种子的豌豆同产生皱皮种子的植株杂交，得到几百粒全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

6、是圆形的F F1 1代种子。代种子。 第二年，他种植了第二年，他种植了253253粒粒F F1 1圆形种子并进行自交圆形种子并进行自交，得到，得到73247324粒粒F F2 2种子，其中种子，其中54745474粒圆形，粒圆形，18501850粒皱粒皱皮，圆皱比为皮，圆皱比为3:13:1。孟德尔的孟德尔的遗传定律遗传定律 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，

7、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F2代代=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，它们的下一代可第一，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，他把这一现象称为统一律。能与亲本之一完全相同，他把这一现象称为统一律。 孟德尔认为，生物的每一种性状都是由遗传因子孟德尔认为，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，代代相传。遗控制的，这些因子可以从亲代到子代，代代相传。遗传因子在体细胞

8、内是成对存在的，一个来自父本，一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，只有在形成配子时单独存在。个来自母本，只有在形成配子时单独存在。 有些遗传因子以显性（有些遗传因子以显性（dominantdominant）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（recessiverecessive）状态，只有当父、母本同时含有这一）状态，只有当父、母本同时含有这一因子时，才得到表现。因子时，才得到表现。 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F F1 1代种子再进代种子再进行杂交或自交时，下一代就会按照一定的比例

9、发行杂交或自交时，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，他把这一现象称生分离，因而具有不同的形式，他把这一现象称为分离规律。为分离规律。归纳综合，总结规律分析问题，提出假说观察实验，发现问题设计实验，验证假说年代年代人人 物物主要著作及成就主要著作及成就19151915摩尔根摩尔根(1866-1945)(1866-1945) 与他的学生等与他的学生等人发表人发表孟德尔遗传孟德尔遗传机 理机 理 ， 后 又 发 表， 后 又 发 表遗传的物质基础遗传的物质基础和和基因论基因论，系统，系统地阐述基因学说和染地阐述基因学说和染色体理论，论证了基色体理论，论证了基因是染色体上分立的因是

10、染色体上分立的遗传单位。遗传单位。正常的红眼果蝇正常的红眼果蝇突变的白眼果蝇突变的白眼果蝇在孟德尔遗传学基础上，在孟德尔遗传学基础上，MorganMorgan又提出了基又提出了基因学说。因学说。 19101910年，年，MorganMorgan和他的助手们发现了第一只和他的助手们发现了第一只白眼雄果蝇，称为白眼雄果蝇，称为突变型突变型。正常情况下，果蝇都。正常情况下，果蝇都是红眼的，称为是红眼的，称为野生型野生型。MorganMorgan将白眼雄果蝇与将白眼雄果蝇与红眼雌果蝇交配，所产生的红眼雌果蝇交配，所产生的F1F1代不论雌雄，全为代不论雌雄，全为红眼果蝇（孟德尔的统一规律！）。红眼果蝇（

11、孟德尔的统一规律！）。 这些这些F1F1果蝇互相交配所产生的果蝇互相交配所产生的F2F2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。 MorganMorgan的这一连锁遗传规律与孟德尔的遗传性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状独立分离规律是“背道而驰背道而驰”的！的！ 当所研究的两个基因位于同一染色体上而又距离当所研究的两个基因位于同一染色体上而又距离较近时，较近时，MorganMorgan的连锁遗传规律起主导作用。的连锁遗传规律起主导作用。 当所研究的两个基因位于不同染色体上时，孟德当所

12、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。尔的独立分离规律起主导作用。 达尔文的进化论，施旺和施莱登的细胞学说以及孟达尔文的进化论，施旺和施莱登的细胞学说以及孟德尔遗传定律和摩根的染色体学说奠定了当代生物德尔遗传定律和摩根的染色体学说奠定了当代生物学的基础，但是他们都只是从纯生物学的角度来阐学的基础，但是他们都只是从纯生物学的角度来阐述生命现象，而不能说明它的根本机理和原因。述生命现象，而不能说明它的根本机理和原因。(2)(2)确定了生物遗传的物质基础是确定了生物遗传的物质基础是DNADNA1 1、准备和酝酿阶段、准备和酝酿阶段(1)(1)确定了蛋白质是生命的主要基础物

13、质确定了蛋白质是生命的主要基础物质2 2、现代分子生物学的建立和发展阶段、现代分子生物学的建立和发展阶段(1)1953(1)1953年年WatsonWatson和和CrickCrick提出的提出的DNADNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型(2)(2)遗传信息传递中心法则的建立遗传信息传递中心法则的建立 DNA DNA复制机理复制机理 RNA RNA的转录的转录(3)(3)对蛋白质结构与功能的进一步认识对蛋白质结构与功能的进一步认识 蛋白质的翻译蛋白质的翻译 3 3、初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段(1)(1)重组重组DNADNA技术的建立和

14、发展技术的建立和发展 转基因动物转基因动物: : 转基因植物转基因植物 基因诊断与基因治疗基因诊断与基因治疗(2)(2)基因组研究的发展基因组研究的发展(3)(3)单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展(4)(4)基因表达调控机理基因表达调控机理(5)(5)细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域l18971897年，年，BuchnerBuchner兄弟证明酵母无细胞提取液能使糖发酵产生兄弟证明酵母无细胞提取液能使糖发酵产生酒精酒精l19021902年年EmilFisherEmilFisher证明蛋白质结构是多肽证明蛋白质结构是

15、多肽l19261926年，年，SumnerSumner结晶了尿素酶结晶了尿素酶l19301930年，年，NorthropNorthrop结晶了胰蛋白酶结晶了胰蛋白酶l19321932年，年，NorthropNorthrop及及KunitzKunitz等结晶了胃蛋白酶等结晶了胃蛋白酶l4040年代末，年代末，SangerSanger创立二硝基氟苯（创立二硝基氟苯（DNFBDNFB）法、）法、EdmanEdman发展异发展异硫氰酸苯酯法分析肽链硫氰酸苯酯法分析肽链N N端氨基酸端氨基酸l19501950年年PaulingPauling和和CoreyCorey提出了提出了-角蛋白的角蛋白的-螺旋结构

16、模型。螺旋结构模型。 l19531953年年SangerSanger和和ThompsonThompson完成了第一个多肽分子完成了第一个多肽分子-胰岛素胰岛素A A链链和和B B链的氨基全序列分析。链的氨基全序列分析。18681868年年F.MiescherF.Miescher就发现了核素（就发现了核素（nucleinnuclein）2020世纪世纪20-3020-30年代已确认自然界有年代已确认自然界有DNADNA和和RNARNA两类核酸并阐明了两类核酸并阐明了 核苷酸的组成。核苷酸的组成。19441944年年O.T.AveryO.T.Avery等证明了肺炎球菌转化因子是等证明了肺炎球菌转化

17、因子是DNADNA；19521952年年A.D.HersheyA.D.Hershey和和M.ChaseM.Chase用用T2T2噬菌体感染大肠杆菌；噬菌体感染大肠杆菌； Griffith, 1928lMice injected with S strain pneumococcus dielMice injected with R strain livelExtracts from S strain transform the R strain into virulent S strainlObservation gives a potential assay for the genetic m

18、aterialAvery, MacLeod, and McCarty, 1944Purified S strain extracts to characterize the transforming principle. Material was resistant to proteases; it contained no lipid or carbohydrate. If DNA in the extract is destroyed, the transforming principle is lost. Pure DNA isolated from the S strain extra

19、ct transforms R strain. Avery cautiously suggested that DNA was the genetic material.DNADNA是细菌的遗传物质是细菌的遗传物质 Hershey and Chase 1952 噬菌体侵染细菌的主要过程噬菌体侵染细菌的主要过程l噬菌体尾部的末端（基片、噬菌体尾部的末端（基片、尾丝）吸附在细菌表面；尾丝）吸附在细菌表面；l噬菌体通过尾轴把噬菌体通过尾轴把DNADNA全部全部注入细菌细胞内，噬菌体的注入细菌细胞内，噬菌体的蛋白质外壳则留在细胞外面；蛋白质外壳则留在细胞外面；l利用细菌的生命过程合成噬利用细菌的生命过

20、程合成噬菌体自身的菌体自身的DNADNA和蛋白质；和蛋白质；l用新合成的用新合成的DNADNA和蛋白质组和蛋白质组装成与亲代完全相同的子噬装成与亲代完全相同的子噬菌体；菌体；l细菌解体，释放子代噬菌体，细菌解体，释放子代噬菌体，侵染其他细菌。侵染其他细菌。DNA was the hereditary materialProtein was NOT the hereditary material DNADNA是病是病毒的遗传毒的遗传物质物质DNADNA是动物细胞的遗传物质是动物细胞的遗传物质当当DNADNA加入到某种在培养基中加入到某种在培养基中培养的真核单细胞生物群落培养的真核单细胞生物群落中

21、，核酸就会进入到细胞中中，核酸就会进入到细胞中去，其中有一部分就会合成去，其中有一部分就会合成出一些新的蛋白质。出一些新的蛋白质。导入导入DNADNA的表达将使细胞产生的表达将使细胞产生一些新的特性。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l1949-521949-52年年S.FurberyS.Furbery等的等的X-X-线衍射分析阐明了核苷线衍射分析阐明了核苷酸并非平面的空间构像，提出了酸并非平面的空间构像，提出了DNADNA是螺旋结构；是螺旋结构；l1948-19531948-1953年年ChargaffChargaff等用新的层析和电泳技术分等用新的层析和

22、电泳技术分析组成析组成DNADNA的硷基和核苷酸量，积累了大量的数据的硷基和核苷酸量，积累了大量的数据l同一生物的不同组织的同一生物的不同组织的DNADNA碱基组成相同碱基组成相同l一种生物一种生物DNADNA碱基组成不碱基组成不随生物体的年龄、营养状随生物体的年龄、营养状态或者环境变化而改变；态或者环境变化而改变；lA=TA=T，G=CG=C，A AG=CG=CT Tl不同生物来源不同生物来源A AT/GT/GC C比值不同比值不同l同一生物的不同组织的同一生物的不同组织的DNADNA碱基组成相同碱基组成相同l一种生物一种生物DNADNA碱基组成不随生物体的年龄、营养状态碱基组成不随生物体的

23、年龄、营养状态或者环境变化而改变；或者环境变化而改变；lA=TA=T，G=CG=C，A AG=CG=CT Tl不同生物来源不同生物来源A AT/GT/GC C比值不同比值不同Rosalind E. Franklin1920-1958衍射照片表明：衍射照片表明： DNADNA是由两条长链组成的双螺旋，宽度为是由两条长链组成的双螺旋，宽度为2020埃。埃。 WatsonWatson和和CrickCrick所提出的脱氧核糖酸双螺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旋模型，为充分揭示遗传信息的传递规律铺平了道路。律铺平了道路。l右手反平行双螺旋右手反平行双螺旋l主链位于螺旋外侧，碱

24、基位于内侧主链位于螺旋外侧，碱基位于内侧l两条链间存在碱基互补两条链间存在碱基互补l螺旋的螺距为螺旋的螺距为3.4nm，直径为，直径为2nml螺旋的稳定因素为氢键和碱基堆砌力螺旋的稳定因素为氢键和碱基堆砌力19621962年，年，WatsonWatson和和CrickCrick与与WilkinsWilkins共共获获NobleNoble生理医学奖。生理医学奖。lConservative replication lSemiconservative replication lDispersive replication Meselson and Stahl in 1957Conclusion- a

25、s predicted by Watson and Crick, DNA strands serve as templates for their own replication.Results show that after one generation, the double stranded DNA is 1/2 heavy (from the parent) and 1/2 light (newly synthesized). This result is predicted by semiconservative replication.中心法则中心法则CrickCrick于于195

26、41954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世纪后修正的世纪后修正的“中心法则中心法则” 分子遗传中心法则分子遗传中心法则 (centraldogma(centraldogma) ) 基因工程是其中最富生命力的基因工程是其中最富生命力的核心核心技术技术 基因工程是根据人们的意愿对不同生物的基基因工程是根据人们的意愿对不同生物的基因在体外进行切割、拼接和重新组合，然后再导因在体外进行切割、拼接和重新组合，然后再导入受体细胞内进行繁殖，使重组基因再受体细胞入受体细胞内进行繁殖

27、，使重组基因再受体细胞内表达，产生出人们所希望的基因产物，或创造内表达，产生出人们所希望的基因产物，或创造出具有新的遗传特征的生物类型。出具有新的遗传特征的生物类型。 一个完整的一个完整的DNADNA重组过程应包括：重组过程应包括： 目的基因的获取；目的基因的获取； 基因载体的选择与构建；基因载体的选择与构建； 目的基因与载体的拼接；目的基因与载体的拼接； 重组重组DNADNA分子导入受体细胞；分子导入受体细胞； 筛选并无性繁殖含重组分子的受体细胞。筛选并无性繁殖含重组分子的受体细胞。Transgenic plant producing the biodegradable plastic po

28、lyhydroxybutyrate (PHB). The PHB granules are visualised by epifluorescence microscopy as foci of red fluorescence.改变花色的转基因矮牵牛花改变花色的转基因矮牵牛花转入荧光素酶蛋白基因转入荧光素酶蛋白基因的发荧光烟草的发荧光烟草转转 基基 因因 甜甜 椒椒转转 基基 因因 西西 红红 柿柿蓝色玫瑰蓝色玫瑰Transgenic pigMicroinjection of genes into pig egg克隆羊克隆羊“多莉多莉 伊斯维姆伊斯维姆.穆特穆特 A羊羊 B羊羊 从雌性成年绵

29、羊从雌性成年绵羊 从从B羊取出卵子用电击羊取出卵子用电击 乳腺组织抽取细胞乳腺组织抽取细胞 法将细胞核除去法将细胞核除去 殖入载有殖入载有A绵羊绵羊 遗传信息的细胞核遗传信息的细胞核 卵子卵子 C绵羊绵羊 遗传特性上完全遗传特性上完全 与与A相同的小绵羊相同的小绵羊 “多莉多莉” 二十世纪人类的二十世纪人类的“三大计划三大计划”曼哈顿原子弹计划曼哈顿原子弹计划阿波罗登月计划阿波罗登月计划人类基因组计划人类基因组计划六国科学家公布人类基因组细节研究成果六国科学家公布人类基因组细节研究成果 20012001年年2 2月月1111日人类基因组计划、美国塞莱拉日人类基因组计划、美国塞莱拉遗传信息公司、

30、美国遗传信息公司、美国科学科学杂志和英国杂志和英国自然自然杂志联合宣布，继科学家去年绘制成功人类基因组杂志联合宣布，继科学家去年绘制成功人类基因组工作框架图之后，他们又绘制出了更加准确、清晰、工作框架图之后，他们又绘制出了更加准确、清晰、完整的人类基因组图谱，对人类基因的面貌有了新完整的人类基因组图谱，对人类基因的面貌有了新的发现。的发现。 基因数量少得惊人基因数量少得惊人 一些研究人员曾经预测人类约有一些研究人员曾经预测人类约有1414万个万个基因，但塞莱拉公司将人类基因总数定在基因，但塞莱拉公司将人类基因总数定在2.63832.6383万万到到3.91143.9114万个之间。如果最终确定

31、出的基因数在这万个之间。如果最终确定出的基因数在这个范围内，比如个范围内，比如3 3万个左右，那么，人类只比果蝇万个左右，那么，人类只比果蝇多大约多大约1.31.3万个基因。塞莱拉公司的科学家测出的万个基因。塞莱拉公司的科学家测出的序列准确地覆盖了基因组的序列准确地覆盖了基因组的95%95%，并已经确定了所，并已经确定了所有基因的有基因的2 23 3，平均测序精度为，平均测序精度为99.96%99.96%。 人类基因组中存在人类基因组中存在“热点热点”和大片和大片“荒漠荒漠” 人类基因组序列中所谓的人类基因组序列中所谓的“荒漠荒漠”就是包含极就是包含极少或根本不包含基因的部分，基因组上大约少或根本不包含基因的部分，基因组上大约1 14 4的的区域是长长的、没有基因的片段。基因密度在第区域是长长的、没有基因的片段。基因密度在第1717、第第1919和第和第2222号染色体上最高，在号染色体上最高，在X X染色体、第染色体、第4 4、第、第1818号和号和Y Y染色体上相对贫瘠。染色体上相对贫瘠。 35.3% 35.3%的基因组包含重复的序列的基因组包含重复的序列 这意味着所有这些重复序列，即原来被认这意味着所有这些重复序列，即原来被认为的为的“垃圾垃圾DNA”DNA”应该被进一步研究。事实上，第应该被进一步研究。事实上，第