分子生物学 绪论课件

1、Spring semester, 2009Molecular Biology绪 论 什么是分子生物学 ? 分子生物学是研究生物大分子结构与功能的一门学科。即在分子水平上阐述细胞在生长、发育、分化过程中，生物大分子的相互作用、细胞传导、基因表达及调控的机制。 广义的讲，一切从分子水平研究生命现象及规律的学科。 分子生物学的基本原理： 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。 GENETIC INFORMATION DNA RNA PROTEIN DNA 1. RE

2、PLICATION(DNA SYNTHESIS) 2. TRANSCRIPTION(RNA SYNTHESIS) 3. TRANSLATION(PROTEIN SYNTHESIS) 研究对象： 核酸 遗传信息的载体，决定生物性状； 稳定遗传，保证种的延续， 母代子代； 易于保存，易于操作。 蛋白质 遗传物质的控制产物，功能的执 行者，生物性状的表现形式。分子生物学生物化学研究方向蛋白质、核酸的结构、功能及其相互作用。信息的传递与调节大分子的结构与功能生物体中大小分子在生命活动中的代谢过程。（糖酵解、TCA、脂肪氧化等）代谢转化研究方法物理学（X-衍射）生物化学与遗传学方法（电泳）生物化学与化学

3、的方法解决分子转化与能量转换的问题分子生物学的相关学科： 1.生物化学 生物化学是分子生物学的基础，学好生化便于分子生物学 的基本原理和方法的理解。 2. 微生物学 作为分子生物学研究的模型生物， 分子生物学操作的一部分（基因扩增、克隆、表达）。 3. 遗传学 研究生物的遗传及变异规律，遗传变异的本质DNA。 4. 细胞生物学 细胞是生命的基本功能单位，基因功能必须通过细胞来表 现，离开细胞，就没有生命。分子生物学的目标及任务 目标：了解生命本质，揭示生命运动的规律 任务： 1.分离克隆基因 ；（clone） 基因克隆 把确定某一性状的基因（DNA片段）从整个基因组中找出来。 克隆（clone

4、）这个单词在英文中源于kln,希腊语里“twig”的意思。克隆就是独立细胞繁殖系,指后代完全由一个细胞复制,具有完全相同的遗传物质。 在生物学上，克隆通常用于两个方面： 克隆一个基因 克隆一个物种，一个个体 克隆一个基因是指从一个个体中获取一段基因（例如通过PCR的方法），然后将其插入另外一个个体(通常是通过载体)，再加以研究或利用。 克隆有时候是指成功地鉴定出某种表现型的基因。所以当某个生物学家说某某疾病的基因被成功地克隆了，就是说这个基因的位置和DNA序列被确定。3. 基因的功能研究 ；(function) 生化功能：基因的直接活性及蛋白产物的活性 （例如与DNA的结合，信号因子，受体，运

5、输蛋白，酶活性等） 生理功能：基因表现出来的性状，与生物个体的生 存的关系。 生化功能是单个分子（基因）的作用或活性，生理功能是分子群的“集体”行为，是多个基因及环境共同作用的行为。 生化功能是生理功能的基础，生理功能是表现，由于生物体基因表达的组织和发育阶段的特异性等，生化功能相同生理功能并不一定相同。（同工酶就是生化功能相同，而生理功能不同） p53 signaling pathway 4.基因表达调控研究 (express control) 生物体内的基因是按一定程序、有序的表达，才有了生物的生长、发育、衰老、死亡。表达程序不同不同的性状，病变。基因表达存在时空差异，调控多彩的世界。 一

6、个受精卵一个植株、个体分化出根、茎、叶、花。 基因表达调控的主要控制点基因转录（表达的第一步，转录已否及转录水平） 分子生物学的逻辑学方法： 1. 效率论（能量节省原理，存在即有用） 2. 模型分析 3. 强烈推理 分子生物学的发展和方向： 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 Study Content 1. DNA Structure and Chemistry 2. Genomic DNA and Genes 3. DNA Replication, Mutation, Repair 4. Gene Trans

7、cription and Posttranscriptional Processes 5. Protein Synthesis and Protein Processing 6. Regulation of Gene Expression 7. DNA Recombinant Technology The revised central dogmaRNA processingGene regulationDNA repair and recombination基因组的保持基因组的表达 I consider molecular biology to be the study of genes a

8、nd their activities at the molecular level, including transcription, translation, DNA replication, recombination and translocation.Molecular Biology (McGraw-Hill) - Robert Weaver现代分子生物学 - 朱玉贤、李毅 2/E (2002)分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学，是人类从分子水平上真正揭示生物世界的奥秘，由被动地适应自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学科。

9、文献阅读及报告每人精读一篇研究论文（英文），写出中文提纲（摘要，实验方法，实验结果，讨论，结论）（需附结果图）文献报告培养自信和交流能力提高阅读文献的能力知识架构（framework） 基本知识融会贯通知识应用与综合课程知识体系要求7030Exams cannot reflect all your abilities, but can help you to become more compatible.从大到小先：先抓西瓜后抓芝麻从整体到个体：Cellorganellemolecular machinery-molecular events-molecule structure and fu

10、nction/interaction with the others。 即见点（深刻）又见面（系统）。从共性到个性，从一般到特殊。学习小巧门 分子生物学发展史：1869Miescher 第一次分离了DNA；1941Astbury 获得了第一张DNA X衍射图谱；1944Avery 细菌转化实验成功，证实了DNA是遗传物质的 载体；1953Watson Crick 提出DNA双螺旋结构模型；1958Crick提出遗传信息传递的中心法则；1961Jacob和Monod 提出操纵子学说遗传调节机理；1962Arber证明限制性内切酶存在；1967Gellert 发现DNA连接酶；1970发现反转录酶

11、；19721973 创建了DNA克隆技术，DNA重组实验成功开创了基因工程新纪元；1982Prusiner 在仓鼠脑中发现了“朊病毒”（prion）；1985Saiki 发明了聚合酶链式反应（PCR技术）；1990人类基因组计划（HGP）全面正式启动；1994日本科学家发表了水稻基因组遗传图，Wilson完成了线虫3号染色体连续2.2Mb的测定；DNA序列测定时代到来1997Wilmut成功获得克隆羊Dolly诞生；1998Renard 克隆牛诞生（体细胞个体）； 2003 人类基因组DNA测序完成；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

12、 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。二十一世纪是分子生物学发展的世纪，生命科学将进入一个新的时代后基因组时代 post-genomics二十一世纪分子生物学发展的趋势：1.功能基因组学 functional genomics依附于对DNA序列的了解，应用基因组学的知识和工具去了解影响发育和整个生物体的特征序列表达谱。 酿酒酵母16条染色体的全部序列于1996年完成。 5885个编码Protein基因组全长12，086Kb 140个编码 rRNA 6340个基因 40个编码snRNA 275个编码tRNA 功能基因组学研究这60

13、00个基因，在一定条件下（如孢子形成期） 同时有多少基因协同表达（基因表达谱）。种群物种基因组尺寸(百万对)基因数序列测定完成时间原核生物支原体Mycoplasma0.584701995大肠杆菌E. coli k124.64,3001997绿脓杆菌Pseudomonasaeruginosa6.35,5002001真核生物(单细胞)酿酒酵母S. cerevisiae126,2001996裂变酵母S. pombi144,9002001幽门螺杆菌Helicobacter pylori1.71,5002001多细胞线虫 C. elegans10018,4001998果蝇 drosophila14013

14、,6002000脊椎动物阵风鱼Fugu rubripes40030,000?人类3,00040,000?2003小鼠3,30040,000?2007植物拟南芥Arabidopsis12525,0002000水稻56030,0002005玉米5,00030,000?小麦17,00030,000?2.蛋白质组学 以蛋白质组为研究对象，研究细胞内所有蛋白质及其动态变化规律的科学。 蛋白质组与蛋白质组学蛋白质组（PROTEOME：PROTEins expressed by a genOME）： 基因组表达的全部蛋白质 在一种细胞/组织/机体内存在的全部蛋白质蛋白质组学（PROTEOMICS：The s

15、tudy of the proteome）： 研究全部蛋白质的存在及存在形式的一门学科 “图谱”的建立 （ 蛋白质组学方法学） 功能性研究表达差异分析功能体或功能复合物相互作用网络关系蛋白质组学的研究内容功能蛋白质组学 function proteome 在特定时间、特定环境和实验条件下基因活跃表达的蛋白质。（细胞内与某种功能有关的或在某种条件下的一群蛋白质）功能蛋白质组学发育过程中细胞内蛋白质的差异性表达正常细胞与病理细胞内蛋白质的差异性表达药物处理前后细胞内蛋白质的差异性表达翻译后修饰蛋白质相互作用网络、复合物/功能体的动态变化等等特定时间特定空间特定生理条件相互作用 蛋白质复合体 蛋白质

16、网络翻译后修饰蛋白质组学的研究内容Nature Genetics (2003) 33, 311-3233.生物信息学 Bioinformatics 定义：对DNA和蛋白质序列资料中各种类型信息进行识别、存储、分析、模拟和传输。 由数据库、计算机网络、应用软件三大部分组成。 美国生物工程信息中心 GenBank 美国基因组序列数据库 GSDB欧洲分子生物学研究所 EMBL(TheEuropeanMolecularBiology Laboratory) 日本DNA数据库 DDBJ目前，国际上有三大生物信息中心：可进行DNA分析、RNA分析、多序列比较、同源序列检索、蛋白质结构预测等分析。 通讯作者

17、 所在单位 杂志名称 年份 研究内容1 夏家辉 中南大学 Nature Genetics 1998 疾病基因克隆2 沈 岩 中国医科院 Nature Genetics 2001 疾病基因克隆3 孔祥银 中国科学院 Nature Genetics 2001 疾病基因克隆4 贺 林 上海交通大学 Nature Genetics 2001 疾病基因克隆5 曾益新 中山大学 Nature Genetics 2002 肿瘤基因定位6 孔祥银 中国科学院 Nature Genetics 2002 疾病基因克隆7 韩 斌 中国科学院 Nature 2002 染色体精细图8 杨焕明 中国科学院 Science

18、 2002 基因组测序9 赵国屏 中国科学院 Nature 2003 基因组测序10 李家洋 中国科学院 Nature 2003 分蘖基因克隆11 陈义汉 同济大学 Science 2003 疾病基因克隆12 韩泽广 南方基因中心 Nature Genetics 2003 基因组测序13 杨焕明 中国科学院 Science 2004 基因组测序14 孟安明 清华大学 Science 2004 基因功能鉴定 Please do not waste your time. 加强专业背景 注意培养自己的学习能力（发现问题， 解决问题，辨别和总结提升等） 提高自己的英文水平（读，说，写）Biology Course Provide an environment to enhance your language capability and skills Provide a stage to enhance your