分子生物绪论课件

《分子生物学》

课程大纲：第一章绪论第二章染色体与DNA第三章生物信息的传递-----从DNA到RNA

第四章生物信息的传递——从mRNA到蛋白质

第五章分子生物学研究方法

第六章基因表达的调控——原核基因表达调控模式

第七章基因表达的调控——真核基因表达调控模式第八章疾病与人类健康

第九章基因组与比较基因组学

一、分子生物学的产生及概念二、分子生物学的发展历程三、分子生物学实际应用的现状和展望四、基因概念的演变与发展附注：课程说明及参考书目第一章绪论一、分子生物学的概念1、历史背景：生物学的发展经历了一个漫长的研究历程

（1）

进化论的确立生命是怎样起源的？为什么“有其父必有其子”动、植物个体是怎样由一个受精卵发育而来的？□

19世纪初叶以前宗教或迷信－－基督教上帝

□1859CharlesDarwin（英）

《物种起源》“进化论”－－生物科学史上最伟大的创举“贝格尔号”历时五年达尔文学说（2）

细胞学说的确立□

1702Leeuwenhoek（荷兰）

自制显微镜观察到雨水中的“微生物”同时代的Hooke

用“细胞”来形容软木的最基本单元□1847

Schleiden

和Schwann（德动、植物）建立了“细胞学说”内容……

成为Cytology、MolecularCellBiology的基础（3）

遗传学的发展□

GregorMendel（奥）经典遗传学创始人豌豆后代的性状有一定的分离规律独立分离规律“遗传因子”

（3：19：3：3：1）

1865《植物杂交实验》1900

“遗传学的奠基人”□基因学说的提出

（4）

生物化学的发展

从开始就执行着双重使命分析细胞的组成成分弄清这些物质与细胞内生命现象的联系

19～20世纪20种氨基酸肽键脂类、糖类和核酸

20世纪初Morgon及其助手（美）第一次将代表某一特定性状的基因同某一特定染色体联系起来－－－连锁遗传规律种质必须由独立的要素组成－－－遗传因子或基因2、分子生物学的兴起1953WatsonCrickDNADoubleHelixModel解释了基因的两个基本属性基因的自我复制能力基因控制形状表达的能力从此核酸的分子生物学得到了异乎寻常的发展广义的分子生物学：蛋白质及核酸等生物大分子结构和功能的研究都属于分子生物学的范畴，即从分子水平阐明生命现象和生物学规律及随后Crick提出的CentralDogma中心法则狭义的分子生物学：偏重于核酸（基因）的分子生物学，主要研究基因或DNA的复制、转录、表达和调控等过程，当然也涉及与这些过程相关的蛋白质和酶的结构与功能的研究基因的分子生物学MolecularBiologyMolecularbiology

seekstoexplaintherelationships

betweenthestructureandfunctionofbiologicalmoleculesandhowtheserelationshipscontributetotheoperationandcontrolofbiochemicalprocesses.

---Turneretal.WhatisMolecularBiology?

Molecularbiology

isthestudyofgenesandtheiractivitiesatthemolecularlevel,includingtranscription,translation,DNAreplication,recombinationandtranslocation.---RobertWeaver

3、分子生物学的三大原则

*

构成生物大分子的单体是相同的

共同的核酸语言共同的蛋白质语言

*

生物遗传信息表达的中心法则相同DNARNApolypeptidesproteincharacterprotein

*

生物大分子单体的排列（核苷酸、氨基酸）的不同

不同的高级结构不同的生物大分子之间的互作不同的物种特性

4、分子生物学研究的三大领域

*

基因的分子生物学：基因的概念、结构、复制、表

达、重组、交换（狭义的分子生物学）

*

结构生物学：生物大分子的结构与功能生物大分子之间的互作DNA－蛋白质激素和受体酶和底物

*

生物技术理论与应用

基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程二、分子生物学的发展历程二、分子生物学的发展简史

1、DNA的发现*1928Griffith（英）肺炎链球菌（Pneumococcus）S型R型

☆结论：抽提液中含有一种转化因子

*

转化因子的证实1944Avery

（美微生物学家）

从S抽提液纯化转化因子因此：Avery是首先用实验证明基因的化学本质就是DNA的科学家*1952

D.Hershery

和M.Chase

再次用噬菌体标记实验证实了

DNA是遗传物质的本质

2、重要机制的发现

*1949Chargaff

测定出不同来源的A、T、G、C

四种核酸碱基

*

1950ChargaffMarkhamA=TG=C*1953Watson＆CrickDNADoubleHelixModel

随着DNA双螺旋结构的提出和蛋白质空间结构的解析开始了分子生物学时代,此后对遗传信息的载体DNA和生物功能的体现者蛋白质的研究的研究也成为生命科学研究的主要内容

3、发展历程分子生物学中重大成就与突破者－－－NobelPrize的获得者－－－构成了分子生物学发展的主要内容－－－里程碑

1910A.Kossel

（德）蛋白质、细胞及细胞核化学的研究（首先分离到A、T和组氨酸）

1958JoshuaLederberg（美）PhagetransductionBeadle&Tatum（美）Onegene-oneenzyme红色面包霉突变体GeorgeWellsBeadleEdwardLawrieTatum

JoshuaLederberg

1959Ochoa(美籍西班牙裔)

Kornberg（美）SeveroOchoa

ArthurKornberg

细菌的多核苷酸磷酸化酶，成功地合成了RNA，基因（DNA）→RNA→蛋白质

实现了DNA分子在试管内（细菌无细胞提取液）的复制

1962Watson（美）＆Crick（英）

Wilkins（新西兰）

通过对DNA分子的X射线衍射研究证实了DNADoubleHelixModel

其中Crick于1954年提出了中心法则

1962Kendrew

＆Perutz（英国）JohnC.Kendrew

MaxF.Perutz

测定了肌红蛋白及血红蛋白的高级结构（三级）

成为研究生物大分子结构的先驱

1965Jacob＆Monod

（法国）FrancisJacob

JacquesMonod

提出并证实了Operon作为调节细菌细胞代谢的分子机制首次提出mRNA分子的存在此外，1953年，Zamecnik发现蛋白质的合成场所是核糖体（无细胞系统放射性同位素标记的氨基酸）

1969Nirenberg（美）Holly＆KhoranaMarshallW.Nirenberg

Har

Gobind

Khorana

RobertW.Holley

破译了遗传密码酵母PhetRNA的核苷酸序列并证明了所有tRNA三级结构的相似性第一个合成了核酸分子，并人工复制了酵母基因

1975Temin&Baltimore(美)HowardM.Temin

DavidBaltimore发现了逆转录酶（以RNA为模板，逆转录生成DNARNA肿瘤病毒）FrederickSangerWalterGilbertPaulBerg

1980Sanger（英）Gilbert&Berg（英）酶法核苷酸测序的设计者测定了牛胰岛素的化学结构而获1958年的Nobel化学奖化学测序法的设计者DNA重组，在细菌中表达胰岛素DNA重组技术的元老

1984Kohler（德）Milstein（美）Jerne（丹麦）GeorgesJ.F.KohlerCesarMilsteinNielsK.Jerne

发展了单克隆抗体(MonoclonalAntibodiesMcAb)技术，完善了极微量蛋白质的检测技术

1988McClintock(美)可移动的遗传因子（jumpinggeneormobileelement）BarbaraMcClintock50年代初发现88年获奖

1989Altman＆Cech（美）核酶即核糖核酸质酶（Ribozyme）的发现者（即某些RNA具有酶的功能）SidneyAltman

ThomasR.Cech

1989Bishop＆Varmus（美）正常细胞同样带有原癌基因

1993Roberts＆Sharp（美）断裂基因（splittinggene）

Mullis（美）PCR仪的发明者

Smith

基因定点突变

1994Gilman＆Rodbell

发现G蛋白在细胞信号传导中的作用

1995Lewis（美）、Nusslein－Volhard（德）、Wieschaus（美）

20世纪40～70年代先后独立鉴定了控制果蝇（Drosophila

）体节发育基因三、分子生物学实际应用的现状和展望

※促进了以基因工程为核心的生物技术的发展，从而影响经济发展的诸多领域

1、农业方面

生物品种的改良速度更快、目标更准确，甚至创造新物种转基因动物－－－－－猪、牛、羊、鱼等植物－－－－－抗虫棉（Bt毒素蛋白基因）、耐贮藏番茄等

2、医药方面

利用重组DNA产生的工程菌来大量高效地合成人体活性多肽（疾病的诊断、预防和治疗），

基因工程疫苗（细菌疫苗、病毒疫苗、寄生虫疫苗）以及正在研制的癌症疫苗2、医药

3、工业方面

*

酶制剂工业用酶的生产、酶的定向改造

*

环保工业上：工程菌提高降解效率

扩大可降解污染物的种类

*

化学与能源工业上：

重组DNA技术生产丁醇，及用基因工程技术改善微生物发酵生产丙酮、酒精、醋酸等的转化效率基因工程修饰过的淀粉及重组DNA技术生产酒精等石油替代品*食品工业上：谷氨酸、调味剂、酒类和油类

例：不含软脂酸的大豆色拉油生物技术必将在世界人口问题、疾病问题、人的寿命问题、营养保健问题、农业持续发展问题、资源再利用问题、大气污染问题、世界公害问题、洁净新能源问题等各方面问题的解决中起重要作用生物大分子的高级三维结构与功能的统一生物大分子之间的互作→基因的社会学

(Nature杂志94年增设Naturaldevelopingbiology分册)基因表达，基因互作器官发生胚胎形成个体发育

结构生物学（StructuralBiology）

分子发育生物学（MolecularDevelopingBiology）

4、分子生物学的发展导致未来生物学的新热点及领域PCD（programcelldeath）细胞凋亡

个体细胞分子还原论整体论细胞中的定位细胞分化神经基质神经通道信息传递大分子克隆一级结构分析三维结构重建思维感情记忆科学解释脑科学+计算机智能革命分子细胞生物学(MolecularCellBiology)分子神经生物学（MolecularNeurobiology）1986.Friend

RB1第一个抑制癌基因被克隆

(TumorSuppressorgene)

11个抑癌基因被证实

（P53,P21,ERBA,WT1,NF1等）

1975.BishopM.Src(Sarcoma肉瘤)癌基因的证实分子肿瘤学（MolecularTumorology）人类基因组计划（HGP）遗传图物理图序列图表达图基因定位基因克隆基因转移基因的分子生物学比较基因组研究水稻等作物基因组计划猪，牛等家畜基因组计划

中心法则的深入研究与发展----基因组学（Genomics)人与大鼠的基因90%是相同的基因的识别与鉴定基因功能信息的提取与证实基因表达谱的绘制(microarray)基因功能的改变（基因敲出knockout）蛋白质水平上基因互作的探测功能基因组学(FunctionalGenomicsorpost—Genomics)

蛋白质组（proteome）一词，源于蛋白质（protein）与基因组（genome）两个词的杂合，意指“一种基因组所表达的全套蛋白质”,即包括一种细胞乃至一种生物所表达的全部蛋白质。蛋白质组的研究不仅能为生命活动规律提供物质基础，也能为众多种疾病机理的阐明及攻克提供理论根据和解决途径。通过对正常个体及病理个体间的蛋白质组比较分析，我们可以找到某些“疾病特异性的蛋白质分子”，它们可成为新药物设计的分子靶点，或者也会为疾病的早期诊断提供分子标志。Proteomeisthetotalnumberofproteinsproducedbyanorganism.计算计语言

分辨，提取，分析，比较，预测生物信息

生物大分子的结构与功能信息

生物信息学(Bioinformatics)※生物芯片·DNA芯片·

蛋白质芯片四、基因概念的演变与发展1、早期的基因概念（遗传的认识）

a、融合遗传理论Blendinginheritance

母本体液父本体液子代具有父母双亲的性状

b、获得性遗传（Iheritanceofacquiredcharacters）

๏

获得的性状是由环境影响

๏

新性状一旦获得，便能遗传给后代

c、泛生论假说（HypothesisofthePangenesis）

C.Darwin

๏

生物体的每一个性状由一个泛生力（panger）控制

d、种质论（Theroyofgermplasm）

A.Weismann

著名的老鼠尾巴试验

种质๏

种质๏

体质

种质๏

体质（根、茎、叶）否定……….

e、遗传因子假说（Hypothesisoftheinheritedfactor）

Mendel1866

๏

生物性状由遗传因子控制

๏

亲代传给子代的是遗传因子(A.a;B.b………)

๏

遗传因子在体细胞内成双(AA.aa)，在生殖细胞内为单

๏

杂合子后代体细胞内具有成双的遗传因子

๏

等位的遗传因子独立分离，非等位遗传因子间自由组合地分配到配子中

该假说彻地否定了泛生论、获得性遗传理论、融合遗传理论

f、代表遗传性状的符号－－基因（gene）提出

1909W.L.Johannsen（丹麦）

但并不代表物质实体，还没有涉及到基因的物质概念2、经典的基因概念（Theoryofthegene）

1926T.H.Morgan1910年始做果蝇杂交试验，发现“连锁遗传规律”,并概括提出“基因论”

๏

基因是染色体上的实体（第一次把基因和染色体联系起来）

๏

基因象链珠（bead）一样，孤立地成线状排列在染色体上

๏

基因是集功能、突变、交换三位一体的最小的、不可分割的基本单位（Threeinone）3、基因概念的发展

a、顺反子理论（Theoryofcistron）

1955S.Benzer

其重要的理论基础：①“一个基因一个酶”假说1941Beadle&Tatum

红色面包酶Ingram修正为“一个基因一条多肽”对经典基因概念的第一次重要修正与发展②基因的化学本质就是DNA分子1944Avery.O.T互补试验Mut.T4rII:rII107,rII105,rII51,rII47……(400)

T4Phage

E.coliBE.colik12噬菌斑（Plaque）W.tT4Mut.T4rII白,小,边缘模糊白,小,边缘模糊大,园,边缘清晰rII47

0

0

rII102

0

0

rII47

rII104

E.coliB

planeE.coliB

印迹转移planeE.coliK12

Three

inone!RIIregion

RII4710410110310510651102

重组分析Howmanygenes?

0

0

rII47

rII106

0

0

rII106

rII51

互补分析

planeE.coliK12

recombination?!功能互补functioncomplementaryrII

47

rII106rII106

rII51difficult繁殖propagation重组recombinationWhy?How?Ab1

Ab2

a1BAb2相依为命！依据；Onegene

oneenzyme

Mutant

Wildtype

无能为力！不同的非等位基因

同一等位基因

功能互补效应的测验体系具有

不具有

突变位点处于杂合二倍体内，野生型基因对突变型等位基因，可以发生功能的补偿.产生功能互补效应带有不同突变位点的噬菌体同时感染一个E.coli，构成双突变杂合二倍体，组成互补测验体系，以测定各突变位点所在基因的等位性。

rII4710410110310510651102

●●●●●●●●Agene

Bgene

T4噬菌体的rⅡ区域包括两个基因rIIofT4phageincludingtwogenes顺反子假说（Theoryofcistron）

Cistron

是基因的同义词

Cistronisthegeneticunitdefinedbythe

cis/trans

test;equivalenttogene.在一个顺反子内，有若干个交换单位交换子（recon）基因是一个具有特定功能的，完整的，不可分割的最小的遗传单位基因内可以较低频率发生基因内的重组，交换threeinoneoneinone

pseudoalleles(假基因)是基因内的突变体

mut1Xmut2

W.t

是基因内发生交换的结果

cistron

概念的提出是对经典的基因概念的动摇是对pseudo