0-分子生物学绪论

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分子生物学顾玉超中国海洋大学医药学院糖生物学研究室Tel-mail:guych@126.com什么是分子生物学？分子生物学发展简史分子生物学的研究内容为什么要研究分子生物学？分子生物学的教学大纲如何学好分子生物学分子生物学考试课堂内容

生物化学是从化学角度研究生命现象的科学，它着重研究生物体内各种生物分子的结构、转变与新陈代谢。传统生物化学的中心内容是代谢，包括糖、脂类、氨基酸、核苷酸、以及能量代谢等与生理功能的联系。分子生物学则着重阐明生命的本质－－主要研究生物大分子核酸与蛋白质的结构与功能、生命信息的传递和调控。

生物化学与分子生物学的区别

（广义）从分子水平上研究生命现象、阐明生物学规律的科学，其核心内容是通过生物的物质基础－－核酸、蛋白质等生物大分子的结构、功能及其相互作用等运动规律的研究来阐明生命分子基础，从而探索生命的奥秘。（狭义）偏重于核酸的分子生物学，主要研究基因或DNA的复制、转录、翻译及其调节控制的过程，当然也涉及与这些过程相关的蛋白质、酶的结构与功能的研究。也叫分子遗传学一、什么是“分子生物学”？二、分子生物学的发展简史孕育阶段（1820~1950年代）；创立阶段（1950~1970年代）；发展阶段（1970年代以后）；孕育阶段（1820~1950年代）1、创世说与进化论上帝是创造主，一切生物均为上帝所创造，地球上的各种生物从造物主那里获得永恒不变的构造与功能，包括生活习性；达尔文、1859年《物种起源》，确立了进化论的概念。假说？真理？证据是什么？孟德尔GregorMendel(1822-1884),奥地利科学家，经典遗传学的奠基人。他在圣汤玛斯修道院后院开始进行长达8年的豌豆杂交实验。1865年，孟德尔根据豌豆杂交实验的结果，发表了著名的论文《植物杂交试验》，阐述了他所发现的显性、隐性遗传现象和两个重要遗传学规律---分离定律和自由组合定律。但是，是什么东西在生物体内决定了这些遗传规律呢？孟德尔提出了一种假说：生物的遗传性状是通过被他称为“遗传因子”的物质进行传递的。2、遗传学规律的诞生3、遗传因子在哪里？

1909年，美国生物学家摩尔根（1866～1945）开始通过果蝇实验研究遗传现象。第二年，他在一群红眼果蝇中发现了一只白眼雄果蝇。当他用这只白眼雄果蝇同红眼雌果蝇交配后，第二代白果蝇竟全都是雄性的。当时其他科学家已经证明了性别是由染色体决定的，因此白眼基因一定是与雄性基因同在一条染色体上。这是人类获得的染色体是基因载体的第一个实验证据。摩尔根的进一步实验表明，一条染色体上可以有许多个基因。摩尔根荣获了1933年诺贝尔生理学或医学奖。他是因遗传学研究成果荣获诺贝尔生理学或医学奖的第一人。4、生命的遗传物质是DNA

1928年，英国细菌学家格里菲思（1877－1944）对两种S型和R型肺炎球菌进行研究，少量的S型菌就会使小鼠患肺炎而死亡，而R型菌则不会。一次，格里菲思把加热杀死的S型菌和活的R型菌混合注射到小鼠身上，小鼠竟然也患病死亡了。这是怎么回事呢？这就是著名的“格里菲思之谜”。

1944年，美国细菌学家艾弗里（1877－1955）等人在实验中发现：死去的S型菌并未复活，而是S型菌的DNA进入了R型菌，使其转化为新的S型致病肺炎双球菌。艾弗里等人的实验不仅揭开了“格里菲思之谜”，并且在世界上第一次证明遗传基因就在DNA上。

格里菲思之谜艾弗里5、RNA也是重要的遗传物质1957年，HeinzFraenkel-Conrat和B.Singre

的杂合病毒实验：

创立阶段（1950~1970年代）DNA双螺旋结构的确立

人们已普遍承认DNA是最重要的遗传物质，遗传信息就存储在DNA分子多核苷酸链上的4种碱基的特定序列上；

鲍林（1901－1994）是美国著名化学家，1931年就将量子力学用于化学领域，阐明了化学键的本质，这使他后来获得了1954年诺贝尔化学奖。1950年，他首先阐明并发现了氨基酸链的α螺旋状结构。此后，鲍林又投入了DNA结构的研究。他是最早认定DNA分子具有与氨基酸链类似的螺旋结构的科学家，而且研究的环境最优越，但他错误地认为DNA分子是由三股螺旋组成的，这使他误入歧途。英国女生物学家富兰克琳（1920～1958）是最早认定DNA具有双螺旋结构的科学家，并且运用X射线衍射技术拍摄到了清晰而优美的DNA照片，为探明其结构提供了重要依据，她还精确地计算出DNA分子内部结构的轴向与距离。而英国生物物理学家威尔金斯（1916～）则计算出DNA分子螺旋的直径与长度。他们二人还对DNA分子的结构作出了确切而关键性的描述：磷酸根在螺旋的外侧，碱基在螺旋内侧。英国剑桥大学国王学院1946年就设立了DNA结构研究室，富兰克琳与威尔金斯拥有充足的经费和先进的技术设备，他们与成功地建立DNA双螺旋结构模型只有咫尺之遥，但却未能跨出最后也是最关键的一步。这一方面是因为他们认为探索DNA结构的惟一途径是使用晶体学和数学计算的方法，拒绝采用建立结构模型的方法。

克里克，1916年6月8日出生在英格兰北汉普顿。1937年获得伦敦大学学院物理学学士，毕业后攻读物理学研究生。第二次世界大战爆发后，他中断学业参军。战后，他受薛定谔的《生命是什么？》一书的影响，转而学习生物学，1949年进入剑桥大学卡文迪什实验室，在英国著名分子生物学家佩鲁茨指导下完成《多肽和蛋白质的X射线分析研究》博士论文。

沃森，1928年4月6日出生在美国芝加哥，1947年获得芝加哥大学动物学学士，1950年获得印第安纳州立大学博士学位后，在一次国际大分子结构研讨会上聆听了威尔金斯关于DNA的X射线衍射研究的报告，引发了他对这一研究的兴趣。他也来到卡文迪什实验室，在英国著名分子生物学家肯德鲁（1917～1997）的手下进行博士后研究。当时，佩鲁茨与肯德鲁正在合作运用X射线衍射技术研究血红蛋白和肌红蛋白的分子结构。作为他们的学生和助手，克里克与沃森被安排共用一间办公室。两个年轻人都是《生命是什么？》的忠实读者，又都对从分子生物学的角度研究遗传基因感兴趣，于是结成了事业上的合作伙伴。他们决定进行DNA结构的研究。在三组DNA结构研究人员中，沃森和克里克资历最浅，知识与经验最缺乏，也没有进行过相关的实验，而且DNA结构不是他们的本职研究课题，但他们却在这场科学竞赛中赢得了胜利。克里克与沃森认为：当时的X射线晶体衍射技术水平尚不足以清晰显示生物大分子较为复杂的三维图像，仅靠数学计算，难以确定大分子中所有原子的准确位置。如果设想DNA分子呈螺旋状，则不妨依据X射线衍射图上的几组数据，先构建出分子模型的大模样，再不断调整其中原子排列的细节，直到其与真实分子的衍射图十分接近为止，此时得到的即应是DNA的实际立体结构。不久，克里克、沃森得知美国化学家鲍林正是依据结构化学的简单原理，通过构建分子模型的途径，发现了蛋白质多肽链的α螺旋结构。这更使他们确信：解决DNA分子结构之路在于构建模型。1953年4月25日，《Nature》发表了沃森、克里克的一篇“核酸分子结构

”的精炼论文，宣告了DNA分子双螺旋结构模型的诞生。这一期杂志还发表了富兰克琳和威尔金斯的两篇论文，以实验报告和数据分析支持了沃森、克里克的论文。这一年，沃森年仅25岁，克里克也只有37岁，尚未获得博士学位。这两个年轻人之所以超越了其他看似更具实力的竞争者，赢得了这场科学赛跑的胜利，是由于他们具有清醒的宏观洞察力、非凡的科学想像力和严密的逻辑思维能力，选择了正确的研究路线，广泛借鉴他人的研究成果并加以综合性的科学思考。1962年，沃森、克里克与威尔金斯因研究DNA双螺旋结构模型的成果，共同荣获了诺贝尔生理学或医学奖。

DNA双螺旋结构模型标志现代分子生物学诞生。DNA双螺旋发现的最深刻意义在于：确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；从而最后确定了核酸是遗传的物质基础，为认识核酸与蛋白质的关系及其在生命中的作用打下了最重要的基础。遗传信息传递---中心法则1957年，克里克首次提出了蛋白质合成的“中心法则”，即遗传信息的走向是由DNA传递给RNA（核糖核酸），再由RNA传递给蛋白质。●

1958年，梅塞尔森（M·Meselson）和斯塔尔（F·W·Stahl）证明DNA半保留复制。半保留复制是遗传消息能准确传代的保证。是物质稳性的分子基础。DNA半保留复制1961年，法国科学家Jacob（雅各布）

和Monod（莫诺）提出操纵子学说（基因表达的调控机制）操纵子学说破译生命遗传的密码4种不同的碱基怎样排列组合才能编码出20种不同的氨基酸。三个碱基组成密码有43=64种，比较合适1969年64种遗传密码的含意全部得到了解答，至此，“遗传密码辞典”问世了。发展阶段（1970年代以后）逆转录酶的发现1970年，Temin和Baltimore在RNA肿瘤病毒中发现逆转录酶。DNA测序技术的诞生1975年，英国生物化学家桑格（F.Sanger）建立DNA测序的“加减法”技术；1977年他发明了双脱氧测序法；近30年来，DNA测序由半自动化发展到全部由仪器自动测序。桑格因建立DNA测序方法而获得1980年诺贝尔化学奖。PCR技术的诞生1985年，美国生物化学家马利斯（K.B.Mullis）建立了“聚合酶链反应”（polymerasechainreaction,PCR）技术。最初使用DNA多聚酶不耐热，在90℃以上即失活。因此，反应过程中要不断添加新的DNA多聚酶，不利于实现反应的自动化。1969年，从美国黄石国家公园温泉中的水生栖热菌体内分离纯化出了耐热的DNA多聚酶，后来的商品名叫Taq酶。成为基因克隆、基因定位、DNA测序、DNA重组与表达、基因结构分析和功能检测、古DNA分析、法医DNA鉴定等等领域中应用最为广泛的分子遗传学实验技术。马利斯也因此获得1993年诺贝尔化学奖。美国生物化学家、现代基因工程的创始人伯格（1926－）在1960年以敏锐的科学预见力提出一个大胆的设想：是否可以创造出一种人工方法，把外界的遗传基因引入动物体内，实现DNA重组，以达到改变遗传性状和治疗某些疾病的需要呢？1972年，伯格把两种病毒的DNA用同一种限制性内切酶切割后，再用DNA连接酶把这两种DNA分子连接起来，于是产生了一种新的重组DNA分子，首次实现两种不同生物的DNA体外连接，获得了第一批重组DNA分子，这标志着基因工程技术的诞生。伯格因此获得了1980年诺贝尔化学奖。基因工程的诞生

1973年，美国斯坦福大学的科恩和加利福尼亚大学的博耶将两个不同的质粒（一个是抗四环素质粒，另一个是抗链霉素质粒）拼接在一起，组成嵌合质粒，并将其导入大肠杆菌。当该重组质粒进入大肠杆菌体内后，这些大肠杆菌能抵抗两种药物，而且这种大肠杆菌的后代都具有双重抗药性。这表明“杂合质粒”在大肠杆菌的细胞分裂时也能自我复制。科恩向美国专利局申报了世界上第一个基因工程的技术专利。这标志着自然界不同物种间在亿万年中形成的天然屏障被打破了，人类可以根据自己的意愿定向地改造生物的遗传特性，甚至创造新的生命类型。人类基因组计划美、英、日、中、德、法等国参加进行了人体基因作图，测定人体23对染色体由3×109核苷酸组成的全部DNA序列，于2000年完成了人类基因组“工作框架图”。2001年公布了人类基因组图谱及初步分析结果。破译生命密码的人类基因组计划有助于人们对基因的表达调控有更深入的了解；获得人类全部基因序列将有助于人类认识许多遗传疾病以及癌症等疾病的致病机理，为分子诊断、基因治疗等新方法提供理论依据。克隆技术的旋风1986年英国科学家魏拉德森首次利用细胞核移植法克隆出一只羊，以后又有人相继克隆出牛、羊、鼠、兔、猴等。但在多利诞生前，所有的克隆动物都是用胚胎细胞作为供体细胞进行细胞核移植而获得成功的。Anudderwayofmakinglambs诱导性多能干细胞（IPS）转基因动物、植物转基因动物：药用蛋白；提高肉质；抗病性….转基因植物：抗病；抗旱；抗除草剂；增产…..

转基因安全性？？？环境安全？食品安全？microRNAmiRNAs起源于内源性表达转录本，是长约21-25nt的双链RNA分子，其典型特征是具有发卡结构。1993年，Lee，Feinbaum和Ambros等人发现在线虫体内存在一种RNA（lin-4）miRNA参与基因的表达调控，在发育和疾病的发生过程中发挥重要作用芯片技术基因芯片（寡核苷酸芯片、cDNA芯片、microRNA芯片等）；蛋白质芯片（抗体芯片）；组织芯片；糖芯片；分子生物学领域获得诺贝尔生理学或医学奖情况1946年H.J.马勒(美国人)用X射线使基因人工诱变1958年G.W.比德尔，E.L.塔特姆(美国人)发现一切生物体内的生化反应都是由基因逐步控制的，J.莱德伯格(美国人)从事基因重组以及细菌遗传物质方面的研究1959年S.奥乔亚，A.科恩伯格（美国人)从事合成RNA和DNA的研究1962年J.D.沃森(美国人)，F.H.C.克里克，M.H.F.威尔金斯(英国人)发现核酸的分子结构及其对信息传递的重要性1965年F.雅各布，J.L.莫诺，A.M.雷沃夫(法国人)研究有关酶和细菌合成中的遗传调节机构1968年R.W.霍利，H.G.霍拉纳，M.W.尼伦伯格（美国人)研究遗传信息的破译及其在蛋白质合成中的作用1969年M.德尔布吕克，A.D.赫尔希，S.E.卢里亚(美国人)发现病毒的复制机制、遗传结构1975年H.Temin，D.Baltimore

发现反转录酶1978年W.阿尔伯(瑞士人)，H.O.史密斯，D.内森斯(美国人)发现限制性内切酶以及在分子遗传学方面的应用1980年P.Berg，W.Gilbet，F.SangerDNA重组和DNA序列分析1983年B.麦克林托克(美国人)发现移动的基因1989年J.M.毕晓普，H.E.瓦慕斯(美国人)发现了动物肿瘤病毒的致癌基因源出于细胞基因1993年P.A.夏普，R.J.罗伯茨(美国人)发现断裂基因2001年里兰德·哈特维尔（美国人）、蒂姆·亨特（英国人）及保罗·尼尔斯（英国人）在肿瘤诊断方面做出了卓有成效的工作，有望对癌症治疗起到长期指导作用.他们发现了导致细胞分裂的关键性调节机制，这一发现为研究治疗癌症的新方法开辟了途径。2002年，英国科学家悉尼·布雷内、约翰·苏尔斯顿和美国科学家罗伯特·霍维茨。他们为研究器官发育和程序性细胞死亡过程中的基因调节作用作出了重大贡献。2004年理查德·阿克塞尔，琳达·巴克（美国人）发现了包括约1000种不同基因的一个基因大家族，以及这些基因对应着的相同数目的气味受体种类，从分子层面到细胞组织层面清楚地阐明了嗅觉系统的工作原理。2006年安德鲁·法尔，克雷格·梅洛（美国人）发现RNA干扰机制罗杰·科恩伯格（美国人）揭示真核生物转录过程（化学奖）2007年MarioR.Capecchi（美国）OliverSmithies（美国）MartinJ.Evans（英国）胚胎干细胞和哺乳动物的DNA重组，产生了基因打靶技术。2008年生理学或医学奖哈拉尔德-楚尔-豪森（德国）发现人类乳头瘤病毒(HPV)引发子宫颈癌弗朗索瓦丝-巴尔-西诺西和吕克-蒙塔尼（法国）发现人类免疫缺陷病毒(HIV)2008年化学奖钱永健（美国）、马丁·沙尔菲（美国）、下村修（日本）发现和改造绿色荧光蛋白2009年生理学或医学奖ElizabethBlackburn（美国）CarolGreider（美国）JackSzostak（美国）发现端粒和端粒酶是如何保护染色体的，解决了生物学上的一个重大问题。2009年化学奖Venkatraman

Ramakrishnan（美国）ThomasA.Steitz（美国）AdaE.Yonath（以色列）他们都用Ｘ光晶体学展示了核糖体的结构以及它们是怎样在原子水平上发挥作用的。首次由两名女性同时摘得这一奖项三、分子生物学的研究内容1、遗传信息的传递研究内容包括核酸/基因组的结构、遗传信息的复制、转录与翻译，核酸存储的信息修复与突变等。中心法则（centraldogma）是其理论体系的核心。2、基因表达调控的研究在个体生长发育过程中遗传信息的表达按一定的时序发生变化，并随着内外环境的变化而不断加以修正。目前基因表达调控的研究主要集中在：信号传导

转录因子

RNA剪辑

miRNADNA甲基化3、生物大分子的结构功能研究一个生物大分子，无论核酸、蛋白质或多糖，在发挥生物学功能时必须具备一定的空间结构，并且在发生作用的过程中存在着结构和构象的变化。①生物大分子结构的测定②结构运动变化规律的探索③结构与功能的相互关系4、DNA重组技术（又称基因工程）：将不同的DNA片段按照人们的设计定向连接起来，在特定的受体细胞中稳定遗传并表达，产生影响受体细胞的新的遗传性状。它是核酸化学、蛋白质化学、酶工程学、遗传学、细胞学及微生物学等长期深入研究的结晶，有广泛的应用前景。

①生物体内表达量很低的活性物质（包括蛋白质、小分子化合物等）的产业化②培育高产、优质及抗逆优良品种四、分子生物学在医药科学中的应用（一）发病机制1、遗传性疾病：寻找突变基因2、病原微生物：从分子水平确定其致病机理3、肿瘤、肥胖等疾病（二）疾病诊断

PCR技术、核酸杂交、基因芯片等（三）疾病治疗基因治疗（四）医药工业1、DNA重组技术与新药研究（1）小分子代谢产物（维生素、氨基酸、抗生素、染料、生物多聚体的前体等）（2）亚单位疫苗、合成肽疫苗（3）细胞因子、血液因子、激素（4）糖（糖肽＋有机小分子化合物）、核酸（反义核酸、肽核酸）、脂类等（5）新型反应器（动物、植物等）2、药物基因组学、药物蛋白质组学与现代药物研究（1）药物疗效与基因多态性相关，个体差异大（如非典型抗精神病药氯氮平）（