分子生物学1绪论

MolecularBiology

分子生物学主讲教师王慧中课程简介遗传信息的传递与保持基因的表达与调控分子生物学技术教学内容讲授与讨论相结合2.课内与课外相结合3.座谈会教学方法主要参考书1.分子生物学教程（第三版），赵亚华编著科学出版社，2011年

2.现代分子生物学，朱玉贤李毅郑晓峰编著高等教育出版社，2007年3.分子生物学，主编陈启民王金忠耿运琪南开大学出版社2006年4.Molecularbiology,现代生物学丛书，科学出版社，2001年，第一版平时成绩40%（到课率10%+作业完成情况30%);*事先请假要有充分理由并由班长首先签字，事后不接受请假。期末考试60%。考核方式第一章绪论分子生物学的概念分子生物学研究的内容分子生物学与生物化学之间的关系分子生物学发展的历程21世纪分子生物学发展的趋势定义（广义）：是研究核酸、蛋白质等生物大分子的结构与功能

,并从分子水平上阐明生命现象和生物学规律的学科。从这个意义上说分子生物学包括了所有的生物学内容。是人类从分子水平上真正揭开生物世界的奥秘,由被动适应自然到主动改造自然的基础学科。一、分子生物学的概念一、分子生物学的概念分子生物学定义（狭义）：是研究基因或DNA的结构与功能(复制、转录、翻译和调控等过程)以及与这些过程相关的蛋白质和酶的结构与功能的学科。研究对象：生物大分子Molecularbiology

seekstoexplaintherelationshipsbetweenthe

structureandfunctionofbiologicalmolecules

andhowtheserelationshipscontributetotheoperationandcontrolofbiochemicalprocesses.InstantNotesin

MolecularBiology---Turneretal.Iconsidermolecularbiologytobethestudyofgenesandtheiractivitiesatthemolecularlevel,includingtranscription,translation,DNAreplication,recombinationandtranslocation.MolecularBiology(McGraw-Hill)---RobertWeaver

两个研究方向：①以化学家或物理学家为主，研究生物大分子的结构，特别是蛋白质的三维结构或构象称为构象学派；

②以生物学家为主，研究生物信息的复制和传递，称为信息学派。二、分子生物学的研究内容

20世纪50年代初期，两派汇合并与其它学科领域日益融合，形成了分子生物学。2.1基因与基因组的结构与功能基因的研究一直是分子生物学研究的主要内容。在不同的历史时期对基因的研究有不同的内容，主要包括从细胞染色体水平以及DNA大分子水平上的研究。近20年来，由于重组DNA技术的应用，使人们改变了传统研究基因的模式。能够直接从克隆基因出发，研究基因的功能及其与表型的关系，使基因的研究进入了反向生物学

阶段。二、分子生物学的研究内容

2.2DNA的复制、转录和翻译重点是DNA或基因怎样在酶和蛋白因子的作用下，按照中心法则的规定进行自我复制、转录和逆转录以及翻译。同时，对mRNA分子剪接、加工、编辑以及对新生多肽链折叠成为有功能的结构的研究。

二、分子生物学的研究内容

2.3基因表达调控的研究基因表达主要发生在转录水平和翻译水平。原核生物的基因组和染色体结构都比真核生物简单，转录和翻译在同一时间和空间内发生，基因表达的调控主要发生在转录水平。真核生物有细胞核结构，转录和翻译过程在时间和空间上都被隔开，转录和翻译后都有复杂的信息加工过程，其基因表达的调控可以发生在各种不同的水平上。二、分子生物学的研究内容

2.4DNA重组技术DNA重组技术是20世纪70年代初兴起的一门技术。利用该技术可以生产某些在正常细胞中产量很低的多肽，如激素、抗生素、白介素等；也可定向改造某些生物的基因组结构，使它们所具备的特殊功能更符合生存和生活的需要；DNA重组技术还被用来进行基础研究。

二、分子生物学的研究内容

2.5结构分子生物学任何一个生物大分子当它在发挥生物学功能时都必须具备两个前提：一是必须拥有特定的空间结构（三维结构）；二是在它发挥生物学功能的过程中必定存在着结构和构象的变化。结构分子生物学的发展就是研究生物大分子特定的空间结构以及结构的运动变化与其生物学功能关系的科学。它包括结构的测定、结构运动变化规律的探索和结构与功能相互关系三个方向的研究。二、分子生物学的研究内容

分子生物学：从分子水平上研究生命现象；生物化学：从分子水平上研究生命现象的化学本质；

学科范畴上:

分子生物学包括了生物化学。

三、分子生物学与生物化学之间的关系研究内容:

例如在遗传信息流从DNAmRNA蛋白质的代谢传递过程中，许多内容又属于生物化学的范围。因此，分子生物学与生物化学这两门学科是“你中有我，我中有你”。但这两门学科的研究方向、研究方法与手段有着明显的区别。三、分子生物学与生物化学之间的关系

研究方向：分子生物学主要是研究蛋白质、核酸和其他大分子的结构与功能，以及它们之间的相互作用，着重解决细胞中的信息传递和代谢调节等问题。生物化学主要研究大分子物质的组成、性质结构与功能及其在生命活动中的代谢转化等动态的过程，包括大量小分子的参与。三、分子生物学与生物化学之间的关系研究方法：分子生物学是以化学和物理学的方法研究大分子结构，采用生物化学与遗传学相结合的方法探索其功能，解决大分子结构与功能及其代谢调节的关系。生物化学主要采用生物学与化学以及生理学的方法，探索生命的化学过程，解决分子转化与能量转换的问题。三、分子生物学与生物化学之间的关系细胞生物学：从细胞水平理解生命活动；遗传学：从遗传角度理解生命活动；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+植物+微生物）：不同生物类型的特点；分子生物学：从分子水平理解生命活动，是生物学范畴内所有学科在分子水平上的统一。分子生物学与其他学科的关系四、分子生物学发展的历程人类对DNA和遗传信息传递的认识阶段重组DNA技术的建立和发展阶段重组DNA技术的应用和分子生物学的迅猛发展阶段1944年，⑴Avery等人在对肺炎双球菌的转化实验中证实了DNA是生物的遗传物质。

1950年，Chargaff以不同来源DNA碱基组成的数据推翻了四核苷酸论，提出了DNA碱基组成的共同规律，A=T，G=C。4.1人类对DNA和遗传信息传递的认识阶段1951年，Pauling和Corey应用X-射线衍射晶体学理论研究了氨基酸和多肽的精细空间结构，提出了α-螺旋和β-折叠理论。1952年，⑵Hershey和Chase用同位素示踪技术，将T2噬菌体侵染大肠杆菌细胞，证实了进入细菌细胞的是核酸而不是蛋白质。⑶烟草花叶病毒的重建实验也证明，病毒蛋白质的特性由RNA决定。至此，DNA作为遗传物质才被普遍地接受。4.1人类对DNA和遗传信息传递的认识阶段1953年，Watson和Crick“脱氧核糖核酸的结构”的著名论文。他们在Franklin和WilkinsX-射线衍射研究结果的基础上，推导出DNA双螺旋结构模型。1954年，Gamnow从理论上研究了遗传密码的编码规律。Crick在前人的工作基础上，提出了中心法则。4.1人类对DNA和遗传信息传递的认识阶段1956年，Volkin和Astrachan发现了mRNA。1957年，Kornberg在大肠杆菌中发现了DNA聚合酶I。这是能在试管中合成DNA的第一种核酸酶。1958年，Goagland等发现了tRNA在蛋白质合成中的作用；Meselson和Stahl应用同位素和超速离心法证明DNA的半保留复制。4.1人类对DNA和遗传信息传递的认识阶段1960年，Marmur和Dofy发现了DNA的复性作用，确定了核酸杂交反应的专一性和可靠性。1961年，Nirenberg等人应用合成的信使RNA分子poly(U)破译出了第一批遗传密码。

Jacob和Monod提出了调节原核基因表达的操纵子模型。4.1人类对DNA和遗传信息传递的认识阶段1967年，Gellert发现了DNA连接酶。1970年，Smith和Wilcox等分离到第一种限制性核酸内切酶。同年Temin和Baltimore在RNA肿瘤病毒中发现了反转录酶。证实了Temin1964年提出的“前病毒假说”。4.2重组DNA技术的建立和发展阶段1972-1973年，Boyer和Berg等人发明了重组DNA技术，并完成了第一个细菌基因的克隆，开创了基因工程的新纪元。1975年，Southern发明了DNA片段的印迹法。

Gruustein和Hogness建立了克隆特定基因的新方法。

Farrell发明了双向电泳分析蛋白质的方法。4.2重组DNA技术的建立和发展阶段1975-1977年，Sanger、Maxam和Gilbert发明了

DNA序列测定技术。1977年第一个全长5387bp的噬菌体φ174基因组序列测定完成。4.2重组DNA技术的建立和发展阶段1979年，Solomon和Bodmer最先提出至少200

个限制性片段长度多态性（RFLP）可作为连接人类整个基因组图谱的基础。1980年，Wigler等把非选择性基因（标记基因）导入哺乳动物细胞。1981年，Cech等发现四膜虫26SrRNA前体的自我剪接作用，具有催化作用RNA（ribozyme）的发现，促进RNA研究的飞速发展。同年，

Palmiter等获得转基因小鼠；Sprading等培育出转基因果蝇。

4.3重组DNA技术的应用和分子生物学的迅猛发展阶段

1982年，Prusiner等在感染瘙痒病的仓鼠脑中发现了朊病毒（Prion）；同年，第一个由基因工程生产的药物——胰岛素在美国和英国获准使用；Sanger及其合作者完成噬菌体全长48502bp的基因组DNA全序列测定。4.3重组DNA技术的应用和分子生物学的迅猛发展阶段1983年，Herrera-Estrella用Ti质粒作为转基因载体转化植物细胞获得成功。1984年，McGinnis等发现果蝇、非洲爪蟾等同源异形基因中同源异形盒（homobox）的核苷酸序列；

Schwartz和Cantor发明了脉冲梯度凝胶电泳法；Simon和Kleckner等发现了反义RNA。4.3重组DNA技术的应用和分子生物学的迅猛发展阶段通过对果蝇突变株的研究,发现一套在果蝇体节发育中起关键作用的基因群,称同源异型基因(Hoxgenes)。因其在基因表达调控中的主导作用又称homeoticselectorgene,亦称Hox基因。这些基因都含有一段高度保守的由180bp组成的DNA序列，称同源框。同源框编码的60个氨基酸又称同源异型结构域。

4.3重组DNA技术的应用和分子生物学的迅猛发展阶段1985年，Mullis/Saiki等发明了聚合酶链式反应(PCR)；

Sinsheimer首先提出人类基因组图谱制作计划设想；

Smith等报道了DNA测序中应用荧光标记取代同位素标记的方法；Miller等发现DNA结合蛋白的锌指结构。1986年，Dryja等发现成视网膜细胞瘤基因是一种抑癌基因；Robin等采用X-光晶相学，证实了DNA结合蛋白的螺旋-转角-螺旋结构。4.3重组DNA技术的应用和分子生物学的迅猛发展阶段1995年，美国科学家Mullis获得了诺贝尔化学奖，他所取得的成就是发明了PCR技术。1987年，Mirkin等发现了三链DNA；Burke等用酵母人工染色体（YAC）作载体克隆了大片段DNA；Hoffman等确定了Dnchenne肌肉萎缩病灶的蛋白产物是萎缩素。1990年，人类基因组计划全面启动。1992年，欧共体各国35个实验室发表第一个真核生物染色体（酵母3号染色体）DNA全序列共315kb。4.3重组DNA技术的应用和分子生物学的迅猛发展阶段1990-1992年，转基因玉米及转基因小麦诞生。1994年，日本科学家在NatureGenetics上发表了水稻基因组遗传图。1996年，Goffeau等完成了酵母基因组DNA全序列（1.25×107bp）的测定。4.3重组DNA技术的应用和分子生物学的迅猛发展阶段1997年，Willard等首次不经过受精，用成年母牛体细胞的遗传物质，成功地获得克隆羊

――多莉。1998年，Renard等用体细胞操作获得克隆牛----

----Marguerife，再次证明从体细胞可克隆出遗传上完全相同的哺乳动物。4.3重组DNA技术的应用和分子生物学的迅猛发展阶段4.3重组DNA技术的应用和分子生物学的迅猛发展阶段几个重要方面突破：●对人类基因组计划的实施已经取得了重大成果，建立了多种文库；●微生物基因组：噬菌体、大肠杆菌、酵母等的基因组计划。●动物基因组：果蝇、线虫、小鼠等的基因组计划。●植物基因组：水稻、拟南芥等基因组计划。●对肿瘤、艾滋病、心血管疾病、高血压、糖尿病等的防治已取得了可喜的成果。●农作物抗病虫害、品质改良、抗病毒等方面已逐步走向实用阶段。

人类科学史上的三大工程

人类基因组计划曼哈顿计划阿波罗登月计划

“What’sHumanGenomeProject?”“OnebaseOnedollar!”-byataxidriver(andataxpayer)humanArabidopsis拟南芥ThermotogamaritimaEscherichiacoli大肠杆菌Buchnerasp.APSRickettsiaprowazekiiUreaplasmaurealyticumBacillussubtilisDrosophilamelanogasterThermoplasmaacidophilumPlasmodiumfalciparumHelicobacterpylorimouseCaenorhabitiselegansratBorreliaburgorferiBorreliaburgorferiAquifexaeolicusNeisseriameningitidisZ2491Mycobacteriumtuberculosis全基因组已经测序的一些生物酵母大肠杆菌果蝇线虫小鼠又一次成功！

——水稻基因研究

总之，20世纪是以核酸的研究为核心，带动着分子生物学向纵深发展。50年代的DNA双螺旋模型60年代的操纵子学说70年代的DNA重组80年代的PCR技术90年代的DNA测序技术

以上工作都具有里程碑意义，将生命科学带向一个由宏观到微观再到宏观的时代。四、分子生物学的发展历程

人类基因组计划完成后，基因组研究的重点由结构向功能转移，一个以基因组功能研究为主要研究内容的“后基因组”(post-genome)时代已经到来。它的主要任务是研究细胞全部基因的表达图式和全部蛋白图式，或者说是“从基因组到蛋白质组”。分子生物学研究的重点又回到了蛋白质上来，生物信息学也应运而生。生命科学又进入了一个全新的时代。

五、21世纪分子生物学发展的趋势

5.1功能基因组学（FunctionalGenomics）●功能基因组学：依赖于对DNA序列的认识，应用基因组学的知识和工具去了解和认识影响整个生命过程的特定序列表达谱。主要包括以下方面内容：（1）鉴定DNA序列中的基因即对基因组序列进行“注释”，包括鉴定和描述所推测的基因、非基因序列及其功能。例如酿酒酵母(S.cerevislae)16条染色体全部序列已于1996年完成，基因组全长12086kb,含有5885个可能编码蛋白质的基因，140个编码rRNA基因，40个编码snRNA基因和275个tRNA基因，共计6340个基因。五、21世纪分子生物学发展的趋势（2）同源搜索分析和设计基因功能通过核苷酸或氨基酸序列的同源性比较，就可以推测基因组内相似功能的基因。（3）实验性设计和验证基因功能对基因进行缺失或剔除观察表型变化即可推测基因功能。目前，研究者已把酵母基因组作为研究真核生物基因组功能的模式，计划建立酵母基因组6000多个基因的单突变体文库(singlemutantlibrary)五、21世纪分子生物学发展的趋势（4）描述基因表达模式譬如酵母在孢子形成期，同时有多少基因协同表达才能完成这一发育过程，这就需要适应这一时期的全套基因表达谱(geneexpressionpattern)。解决如此复杂的问题必须在方法学上有重大的突破，创造出高效快速地同时测定基因组成千上万个基因活动的方法。五、21世纪分子生物学发展的趋势检测分化细胞基因表达谱方法：▲基因表达连续分析法(serial

analysisofgeneexpression，SAGE)▲微阵列法(microarray)▲有序差异显示(0rdereddifferentialdisplay，ODD)▲DNA芯片(DNAchips)

五、21世纪分子生物学发展的趋势5.2蛋白质组学(Proteomics)

1994年Wilkins等首先提出了蛋白质组(proteome)

的概念，随后，得到国际生物学界的广泛承认。蛋白质组（proteome）：—个基因组所表达的全部蛋白质(proteomeindicatestheproteinsexpressedbyagenome)；“proteome”由蛋白质一词的前几个字母“prote”和基因组一词的后几个字母“ome”拼接而成。五、21世纪分子生物学发展的趋势蛋白质组学（proteomics

）：是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。蛋白质组与基因组不同，基因组基本上是固定不变的，即同一生物不同细胞中基因组基本上是一样的，人类的基因总数约是3万个。单从DNA序列并不能回答某个基因的表达时间、表达量、蛋白质翻译后加工和修饰等情况以及它们的亚细胞分布等。五、21世纪分子生物学发展的趋势

这些问题可望在蛋白质组研究中找到答案。因为蛋白质组是动态的，有它的时空性、可调节性，进而能够在细胞和生命有机体的整体水平上阐明生命现象的本质和活动规律。蛋白质组研究的数据与基因组数据的整合，将对功能基因组的研究发挥重要的作用。五、21世纪分子生物学发展的趋势蛋白质组由原来的定义，即一个基因组所表达的蛋白质，改为细胞内的全部蛋白质，更为全面而准确。但要获得如此完整的蛋白质组，在实践中是及其困难的。因为蛋白质的种类和形态总是处在细胞新陈代谢的动态过程之中，每时每刻都在发生着变化，难以准确测定。五、21世纪分子生物学发展的趋势为了尽可能分辨细胞或组织内所有蛋白质，目前一般采用高分辨率的双向凝胶电泳。一种正常细胞的双向电泳图谱通过扫描仪扫描并数字化，运用二维分析软件可对数字化的图谱进行各种图像分析，包括分离蛋白在图谱上的定位，分离蛋白的计数、图谱间蛋白质差异表达的检测等。五、21世纪分子生物学发展的趋势五、21世纪分子生物学发展的趋势双向电泳：可从一种细胞或组织的蛋白质组，得到几千甚至上万种蛋白质。质谱：适合大规模的蛋白质分析，是蛋白质鉴定的核心技术。从质谱技术测得完整蛋白质的相对分子质量、肽质谱以及部分肽序列等数据，通过相应数据库的搜寻来鉴定蛋白质。再对蛋白质翻译后修饰的类型和程度进行分析，在蛋白质组定性和定量分析的基础上建立蛋白质组数据库。五、21世纪分子生物学发展的趋势19