医学分子生物学绪论0309

1、医学分子生物学Medical Molecular Biology 第一章 绪论 Chapter 1 Introduction 9/21/202219/21/20222知识二 分子生物学的研究内容知识一 分子生物学发展简史知识三 分子生物学展望。内容概要9/21/202239/21/20224知识一、分子生物学发展简史一、准备和酝酿阶段（19世纪后期到20世纪50年代初）二、建立和发展阶段（20世纪50年代初到70年代）三、深入发展阶段（20世纪70年代后到至今）5一、准备和酝酿阶段（一）遗传学三大定律和基因的发现摩尔根孟德尔9/21/20226一、准备和酝酿阶段（二）遗传物质的本质是DNAIn

2、 1928, an experiment of Frederick Griffith using pneumonia bacteria and mice9/21/202279/21/20228赫尔希和蔡斯的实验DNA的X光衍射照片1952年5月拍摄罗沙琳德弗兰克林（Rosalind Franklin，19201958）英国 9/21/20229二、建立和发展阶段（一）DNA双螺旋结构的发现查哥夫规则，A=T G=CDNA双螺旋结构模型的建立诺贝尔医学与生理学奖 1962年9/21/202210Watson JD和Crick FHC的“双螺旋结构模型” 启动了分子生物学及重组DNA技术的发展。确

3、立了核酸作为信息分子的结构基础；提出了碱基配对是核酸复制、遗传信息传递的基本方式，最终确定了核酸是遗传的物质基础。9/21/2022119/21/202212二、建立和发展阶段（二）中心法则的建立 1958年，Crick提出了分子生物学的中心法则（central dogma）。 中心法则是分子遗传学基本理论体系。9/21/202213半保留复制9/21/2022141956年科恩伯格首先发现DNA聚合酶1968年冈崎提出DNA不连续复制模型。1972年T.Okazaki和R.Okazaki证实了DNA复制需要RNA引物。70年代初，J.C.Wang获得拓扑异构酶，并对DNA聚合酶特性分析研究1

4、957年，克里克提出的最初的中心法则DNA-RNA-蛋白质，它说明遗传信息在不同的大分子之间的转移是单向的、不可逆的。1959年，美籍西班牙裔奥乔亚成功合成了核糖核酸20世纪50年代，扎米尼克利用同位素示踪法发现核糖体是细胞内合成蛋白质的部位。1960年，雅可布和梅索森确定了蛋白质合成场所1954年伽莫夫推测遗传密码的三联体，尼伦伯格等开始用人工合成的核苷酸同聚物作为mRNA来破译遗传密码9/21/2022151962年，尼伦伯格、霍利及柯拉纳等几组科学家经过共同努力，破译了RNA上编码合成蛋白质的遗传密码，随后研究遗传密码在生物界具有通用性，1966年克里克绘制了密码表1970年，特明和巴尔

5、的摩又同时从鸡肉瘤病毒颗粒中发现以RNA为模板合成DNA的反转录酶，进一步补充和完善遗传信息的中心法则。特明和巴尔的摩以及杜尔贝克共享了1975年的诺贝尔生理学或者医学奖。克里克在1970年提出了更为完整的中心法则的图解形式。 1970年，Temin和Baltimore从鸡Rous肉瘤病毒(Rous sarcoma virus，RSV)颗粒中发现了以RNA为模板合成DNA的逆转录酶，进一步补充了遗传信息传递的中心法则。 9/21/2022169/21/202217三、深入发展阶段（一）DNA重组技术的建立和发展 1970年史密斯分离纯化限制性核酸内切酶9/21/202218三、深入发展阶段（一

6、）DNA重组技术的建立和发展美国学者内森斯利用限制酶切割 了SV40的基因，并绘制成切割图谱。9/21/2022191972年伯格利用限制酶切割SV40和噬菌体的DNA进行酶切，利用DNA连接酶将两种片段连接形成重组DNA，标志DNA重组技术的建立和基因工程的诞生。9/21/202220三、深入发展阶段（一）DNA重组技术的建立和发展1973年，斯坦福大学的科恩证明了质粒分子可以作为基因克隆的载体，能将外源DNA导入寄主细胞。74年，非洲爪蟾的DNA与质粒拼接，首先实现了异源真核生物基因在大肠杆菌表达。9/21/202221三、深入发展阶段（一）DNA重组技术的建立和发展1977年，DNA序列

7、的快速测定法被发明，1980年伯格与桑格、吉尔伯特获得了诺贝尔化学奖。1981年中国科学院王德宝等人人工合成了酵母tRNA1982年帕尔米特等将克隆的生长激素基因导入小鼠的受精卵细胞，“巨鼠”。9/21/202222三、深入发展阶段（一）DNA重组技术的建立和发展1985年，穆利斯等发明了特定核酸序列扩增技术，即PCR,1988年从温泉中分离出DNA聚合酶，使得PCR技术成熟并得到广泛的应用。20世界90年代，全自动核酸序列测定仪问世，灵敏度高，特异性强。因此穆利斯和史密斯共享了1993年诺贝尔化学奖。9/21/202223三、深入发展阶段（一）DNA重组技术的建立和发展1997年，威尔穆特等

8、在苏格兰利用一直6岁的绵阳的乳腺细胞核成功获得多莉2003年2月，兽医检查发现多利患有严重的进行性肺病，多利的尸体被制成标本，存放在苏格兰国家博物馆。 绵羊通常能活12年左右，而多利只活了6岁，它的早夭再次引起了人们对克隆动物是否会早衰的担忧。克隆动物的年龄到底是从0岁开始计算，还是从被克隆动物的年龄开始累积计算，还是 从两者之间的某个年龄开始计算？就多利本身而言，它刚一出生时是6岁还是0岁或者是中间的某个岁数，这是一个很难回答的问题。9/21/2022241997年，美国，台湾澳大利亚分别利用胚胎细胞成功克隆了猴子、猪和牛；1997年，罗斯林研究所和PPL公司宣称克隆出第一头带有人类基因的转

9、基因绵羊；1998年，利用小鼠卵丘细胞克隆了27只成活小鼠，这是多莉之后第二批哺乳动物体细胞核移植后代；9/21/2022251999年，美科学家利用牛卵细胞克隆出珍稀动物盘羊的胚胎，中国科学家也用兔卵子克隆了大熊猫的早期胚胎，拯救濒危动物9/21/2022261999年底，全世界已经有六种类型的细胞-胎儿成纤维细胞，输卵管/子宫上皮细胞，肌肉细胞和耳部皮肤细胞的体细胞克隆后代成功诞生。2000年，西北农林科技大学研究人员利用成年山羊的体细胞克隆出两只克隆羊，其中一只因为呼吸系统的疾病夭折，其技术与多莉的技术完全不同，说明我国的科学家也掌握了体细胞克隆的技术。9/21/202227三、深入发展

10、阶段（二）基因组研究的发展1990年美国科学家倡议，英国，日本，德国，法国，中国陆续加入的人类基因组计划正式启动人类基因组计划，这是生命科学领域有史以来全球性最庞大的研究计划。2000年6月，六国宣布人类基因组草图绘制完成；2003年4月，六国完成人类基因组序列图的绘制，实现了人类基因组计划的所有目标。9/21/202228三、深入发展阶段（三）基因表达调控等研究的发展1977年罗伯茨和夏普发现基因在DNA的片段上是不连续的，即断裂基因20世纪80年代初，切赫发现RNA能够自我剪接，即核酶；1983年，美麦克林托克发现“可移动基因”；1989年，毕晓普和瓦姆斯在RNA病毒中首次发现原癌基因；1

11、999年，布洛贝尔发现新合成的蛋白质中含有控制其运送到细胞内特定位置的内在信号；2002年，布雷内等发现器官发育和程序性细胞死亡的调控机理；2007年，美卡佩基、史密斯和埃文斯为“基因打靶”技术奠定基础，通过胚胎干细胞可以改造活体动物的特定基因。2009年，布莱克本、格雷德和绍斯塔克发现端粒和端粒酶。9/21/202229知识二 分子生物学概念和研究内容 一、分子生物学的定义9/21/202230从整体水平到分子水平示意图分子水平细胞水平整体水平 生命科学的发展过程：9/21/202231 生命科学的研究内容： 生命物质的结构与功能，生物与生物之间及生物与环境之间相互关系。 生命科学的前沿领域

12、： 分子生物学、分子遗传学、细胞生物学、发育生物学和神经生物学，而分子生物学是生命科学的核心前沿。 生命科学是研究生命现象和生命活动规律的一门综合性学科。9/21/202232 分子生物学从分子水平研究生命现象及其规律的一门新兴学科。 它是生命科学中发展最快并且与其他学科广泛交叉和渗透的前沿领域。9/21/202233 狭义即分子生物学的范畴局限于生物体的主要遗传物质，主要研究基因和基因组的结构与功能、DNA复制及损伤修复、基因的重组和克隆、RNA的转录及转录产物的加工、蛋白质的生物合成及肽链合成后的加工、基因表达调控等内容，其中也涉及与这些过程现骨干的蛋白质和酶的结构和功能。9/21/202

13、234二、分子生物学的研究内容9/21/202235 核酸的分子生物学主要研究核酸的结构及其功能。核酸的主要作用是携带和传递遗传信息，因此形成了分子遗传学。（一） 结构分子生物学： 分子遗传学：形成了比较完整的理论体系和研究技术，它是目前分子生物学中内容最丰富、研究最活跃的一个领域。9/21/2022361. 核酸的发现 早在1868年，Miescher从脓细胞中分离出细胞核，用稀碱抽提再加入酸，得到了一种含氮和磷特别丰富的物质，当时称其为核素（nuclein）。 1872年，他又在鲑鱼精子细胞核中发现了大量的这类物质。由于这类物质都是从细胞核中提取出来的，而且又是酸性，故称其为核酸（nucl

14、eic acid）。Friedeich Miescher 9/21/202237 自核酸被发现以来的相当长时期内，对它的生物学功能几乎毫无所知。 1928年(Frederick Griffith)以后，核酸功能研究取得了重大进展。9/21/202238 1952年， Hershey AD和 Chase M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。在大肠杆菌细胞内增殖的噬菌体中都只含有32P而不含35S, 这表明噬菌体的增殖直接取决于DNA而不是蛋白质。2. 核酸功能研究的重大进展 1944年，Avery OT等首次证明肺炎双球菌的DNA与其转化和遗传有关。 9/21/

15、202239The Meselson-Stahl experiment （1958）showed that DNA is replicated semi-conservativelyDNA semi-conservative duplication 3. DNA复制模型9/21/202240DNA复制模型9/21/202241 1961年，Nirenberg、Ochoa以及Khorana等几组科学家的共同努力，破译了RNA上编码合成蛋白质的遗传密码，证明DNA分子中的遗传信息是以三联密码的形式贮存。 遗传密码在生物界具有通用性。9/21/2022429/21/2022439/21/202244

16、4. 基因的人工合成 1978年体外首次成功地人工合成第一个完整基因。 直接证实了Mendel G在1865年发现的遗传因子(基因)的化学本质，就是 DNA分子。 DNA分子是多种多样生命现象的物质基础。9/21/202245（二）基因和基因组研究的进展 基因组（genome）: 一个物种遗传信息的总和。 基因结构与功能研究已经从单个基因发展到生物体整个基因组。基因组研究已从简单的低等生物到真核生物，从多细胞生物到人类。9/21/202246 人类基因组计划（human genome project, HGP） 美国科学家、诺贝尔奖获得者Dulbecco R于1986年在美国 Science

17、杂志上发表的短文中率先提出，并认为这是加快癌症研究进程的一条有效途径。 主要的目标是绘制遗传连锁图、物理图、转录图，并完成人类基因组全部核苷酸序列测定。测出人体细胞中24条染色体上全部30亿对核苷酸的序列，把所有人类基因都明确定位在染色体上，破译人类的全部遗传信息。 HGP是人类自然科学史上与曼哈顿原子弹计划和阿波罗登月计划相媲美的伟大科学工程。9/21/202247 研究结果表明，人类基因数量仅有3万个左右，比此前估计的要少得多。通过研究还发现男女可能存在巨大遗传差异，男性染色体减数分裂的突变率是女性的两倍。在已经分析的序列中，找到很多与遗传病有关的基因，包括乳腺癌、遗传性耳聋、中风、癫痫症

18、、糖尿病和各种骨骼异常的基因。9/21/202248（三）基因表达与调控机制 1961年，Jacob和Monod提出操纵子学说，认识了原核生物基因表达调控的一些规律。 80年代开始，人们逐步认识到真核基因组结构和调控的复杂性。 真核基因的顺式调控元件与反式作用因子、核酸与蛋白质间的分子识别与相互作用。小分子反义RNA、核酶、siRNA等。9/21/202249 （四）分子生物学技术 例如：DNA及RNA的印迹转移、核酸分子杂交、基因克隆、基因体外扩增、DNA 测序等，形成了独特的重组DNA技术及其相关技术。 由生物化学、生物物理学、细胞生物学、遗传学、应用微生物学及免疫学等各专业技术的渗透、综

19、合而成，并在此基础上发明和创造了一系列新的技术。9/21/202250分子克隆 (molecular cloning) 重组DNA (recombinant DNA)技术是近代分子生物学技术的核心。 基因操作 (gene manipulation) 基因克隆 (gene cloning)基因工程 (gene engineering)9/21/202251 按照自己的意愿和社会需求改造基因，制备各种具有生物活性的大分子。 DNA、RNA 和蛋白质成为人类治病、防病的一类新型的生物制品或药物。 生物技术在农业上用于快速育种，改良品种，提高农作物的产量、质量以及抗病虫害，抗干旱等能力。9/21/20

20、2252一、动物克隆技术的发展9/21/202253知识三 分子生物学的展望 用转基因动物获取治疗人类疾病的重要蛋白质。如，导入了凝血因子基因的转基因绵羊分泌的乳汁中含有丰富的凝血因子，能有效地用于血友病的治疗。 转基因动物和基因剔除动物9/21/202254 在转基因植物方面取得重大进展，比普通西红柿保鲜时间更长的转基因西红柿投放市场。 转基因玉米、转基因大豆相继投入商品生产。 我国科学家将蛋白酶抑制剂基因转入棉花，获得抗棉铃虫的棉花株。 转基因植物和转基因食品9/21/202255二、基因工程制药的发展9/21/202256通过基因工程可以产生一些蛋白质药物，比如：9/21/202257三、分子生物学在医学其他作用9/21/202258 在法医学中利用DNA指纹图谱技术进行刑事侦破和亲子鉴定。 临床上对遗传病、传染病及常见疾病（如肿瘤、心血管疾病等）的诊断。 基因分型。 基因诊断是通过直接检测目的基因（或该基因的转录产物）的存在状态对疾病作出诊断的方法。（一）基因诊断的用途9/21/202259 基因诊断技术不仅用于出生后人群的疾病诊断,而且还应用于产前基因诊断和着床前诊断，这