分子生物学概述

1、分子生物学概述,郑晓飞 放射与辐射医学研究所,Overview of Molecular Biology,定义：从分子水平研究作为生命活动主要物质基础的生物 大分子结构与功能，从而阐明生命现象本质的科学。,分子生物学(molecular biology),广义：蛋白质及核酸等生物大分子的结构与功能研究都属于分子生物学的范畴，也就是从分子水平阐明生命现象与生物学规律。如蛋白质的结构、运动和功能，酶的作用机理，膜蛋白的结构功能，跨膜运输等。 狭义：侧重于核酸(或基因)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，同时涉及与这些过程有关的蛋白质和酶的结构与功能研究。,生物化学：从

2、化学角度研究生命现象，着重研究生物体内各种生物分子的结构、转变与新陈代谢。 分子生物学：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。,分子生物学与生物化学,生物化学与分子生物学关系最为密切,核酸的结构和功能，包括遗传信息的传递 蛋白质(包括酶)的结构和功能 生物膜的结构和功能 生物调控的分子基础 生物进化,分子生物学重点研究领域,分子生物学相关学科,分子生物学已经渗透到生物学的所有领域,分子生物学,分子生物学发展简史,1865年达尔文On the Origin of Species：性状可遗传。 1865年孟德尔发表植物杂交实验，首次阐述了生物界有规律

3、的遗传现象。“遗传因子 ”。 1869年Miescher首次从莱茵河鲑鱼精子中分离到DNA. 1869 Friedrich Miescher从被丢弃的外科绷带上的脓细胞分离出核酸，初命名为核素(nuclein)后发现是酸性的，重命名为核酸. 1879年Flemming 发现了染色体. 1902年Sutton 提出了染色体遗传学说并认为基因是染色体的一部分.,拉马克，法国博物学家。生物学伟大的奠基人之一，生物学一词是他发明的，最先提出生物进化的学说，是进化论的倡导者和先驱。他还是一个分类学家，林奈(Carl von linne 17071778)的继承人。主要著作有法国全境植物志、无脊椎动物的系

4、统、动物学哲学等。,拉马克学说：一个是用进废退；一个是获得性遗传。,达尔文学说：天择说。,分子生物学发展简史,1869年Miescher 从被丢弃的外科绷带上的脓细胞分离出核酸，初命名为核素(nuclein)后发现是酸性的，重命名为核酸。 1879年弗莱明(Walter Flemming)发现染色体，并描述了细胞分裂过程中染色体的行为。 1888 Waldeyer创造染色体(Chromosome)一词。 1900年孟德尔的成果被重新发现。,24岁的瑞士医生,Friedrich Miescher,分子生物学发展简史,1902年萨顿(Walter Sutton)发现染色体是成对的，并携带遗传信息。

5、 1909年丹麦生物学家Wilhelm Johannsen(18571927)创造“基因”（gene）一词，用来表达一个可遗传的因子。 1911年摩尔根(Thomas Hunt Morgan)提出基因学说，阐释基因在染色体上的分布，以及繁殖过程中染色体重组形成独特新个体过程。,分子生物学发展简史,1911年荷兰植物学家遗传学家H.DeVries(1848-1935)根据月见草的遗传试验结果, 发表突变学说,认为生物的进化起因于突变(mutation)。 1912年英国布喇格父子建立了X射线晶体学，成功地测定了一些复杂的分子以及蛋白质的结构。 1913年斯特提万特(Alfred Henry St

6、urtevant) 绘制出第一张线式基因图谱。,分子生物学发展简史,1927年H.J.Muller测定了果蝇中的自发突变率，并证明突变可被X线诱导；C.Auerbach、J.M.Robson及F.Oehlkers分别于1941、1943先后独立观察到某些化学物质亦能诱导突变，但是突变本质为何仍不清楚。 1928年格里菲斯(Frederick Griffith) 报道了两株肺炎球菌有毒株(S)注射小鼠可致死,而无毒株(R)不致死小鼠。将热处理杀死的有毒株和不经处理的无毒株分别注射,不致死小鼠;但一起注射则导致小鼠死亡。死去的毒性菌株如何将致死因子传到无毒株上?格里菲斯发现了一种可以在细菌之间转移

7、的遗传分子。,分子生物学发展简史,1929年列文(Phoebus Levene)提出DNA 化学成分和基本结构。 1931年麦克林托克（McClintock）指导 她的女博士生克莱顿（Creighton, B） 证实重组是由交换引起的。,分子生物学发展简史,1941年 Beadle 和 Tatum “一基因一酶学说”在链孢霉中被证明,使遗传学与生物化学之间的关系得以阐明。,The One Gene - One Enzyme Theory,分子生物学发展简史,1943 年Oswald Avery等在用了约76升的细菌后终于得到了不含其他物质的纯化DNA,并证明只有DNA在转化中起作用。,1944

8、年，三名科学家：Oswald T. Avery, Colin MacLeod 与 Maclyn McCarty联名发表了一篇划时代的论文，他们通过一系列用肺炎病毒进行的实验，推导出了一个与长久以来的假说相悖的结论：DNA，而非蛋白质，是遗传信息的物质载体！Avery OT, MacLeod CM, McCarty M (1944)Studies of the chemical nature of the substance inducing transformation ofpneumococcal types. Induction of transformation by a desoxyr

9、ibonucleic acidfraction isolated from Pneumococcus Type III. J Exp Med 79:137158,分子生物学发展简史,1944年麦克林托克（19021992）在玉米中发现并提出了“可移动基因学说”转座子。,1983年度诺贝尔生理学医学奖。,真核生物中的转座因子颇为广泛，如玉米色斑的产生，果蝇复眼颜色的变异等现象都与转座因子的移动有关。转座的效应是多种多样的。诸如引发基因突变；或造成碱基的缺失或重组；或导致启动或关闭其他基因等。而这些均与个体发育、进化和个体的抗药性的变化等相关。,分子生物学发展简史,1948年鲍林(Linus Pa

10、uling)提出蛋白质为螺旋形的理论。 1949年E.Chargaff 定则的提出，A=TG=C (AT)(GC) 的比值因生物来源不同而不同。 1951年富兰克林(Rosalind Franklin)拍摄到了核酸的X射线衍射照片。,分子生物学发展简史,1952年Alfred Hershey和Martha Chase 利用病毒证实，传递遗传信息的是DNA而不是蛋白质。 1952 Alfred Hershey doi:10.1073/pnas.1308885110,伊利诺斯大学厄本那香槟分校研究人员开发一种新奇的方法：把石墨烯纳米带（GNR）夹在两层有纳米孔（内径约1纳米）的固体膜中间，再让 D

11、NA 分子穿过这种“三明治”设备，以此来感知辨认所通过的 DNA 碱基对。,测序技术发展路线,分子生物学发展简史,1994年美国一公司推出新的转基因西红柿罐头，其保质期比普通西红柿更长，成为人类历史上第一个转基因食品。 1995年7美国人类基因组研究所绘出了流感嗜血杆菌的基因图谱；3个月后，科学家又绘制出了生殖器支原体的基因图谱。 1996年酵母基因组测序完成。,分子生物学发展简史,1997年苏格兰罗斯林研究所培育出世界上第一例体细胞克隆动物小羊“多利”。,分子生物学发展简史,1997年大肠杆菌基因组测序完成。 1997年参加人类基因组计划的科学家决定将研究成果无偿向全世界公开。 1998年结

12、核性分枝杆菌以及梅毒螺旋体基因组测序完成。 1998年线虫基因组测序完成。 1998年日本科学家用一头成年牛的体细胞克隆出8头克隆牛犊。 1999年人类第22号染色体测序完成，这是第一个完成测序的人类染色体。2000年果蝇和拟南芥的基因组测序完成。 2000年Craig Venter和Celera公司和人类基因组计划相继宣布，人类基因组草图完成。 2001年Craig Venter公布了绘制人类蛋白质组图谱的计划。 2002年水稻、小鼠、疟原虫和按蚊基因组测序完成。,分子生物学发展简史,2003年人类基因组计划宣布，人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现。,2003年4月1

13、4日，中、美、日、德、法、英等6国科学家宣布人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现。已完成的序列图覆盖人类基因组所含基因区域的99，精确率达到99.99，这一进度比原计划提前两年多。,Human Genome Project, HGP 首先由R.Dulbecco（1914）在1985年提出。用15年时间（19902005）30亿USD，测定32亿碱基对序列。2000年6月完成框架图，中国测定了3#染色体三千万碱基序列，精确度达99.99%,成为参与该计划的六大国之一。,人类基因组计划,编码蛋白质基因数,人类基因组中有31000个蛋白质编码基因 Celera公司发现了约260

14、00个基因 一个酵母细胞有6000个 一个苍蝇有13000个 一个蠕虫有18000个 一种植物有26000个编码基因 这些多细胞生物的基因数受基因搜索程序的限制，没有一个是高度精确的。Genes VIII估计人类基因组含有30,000-40,000条基因。,ELISI计划,人类基因组计划的设计师们已认识到在对人类基因组进行测序的过程中，一方面致力于发展科技目标，另一方面必须强调这一新科学对个人、家庭和社会的影响。 1990年设立了伦理、法律和社会影响研究项目（ELISI, Ethical,Legal,and Social Implications）得到美国能源部和国家人类基因组研究所人类基因组

15、计划年度预算的3%5%，这是世界上最大的生物伦理学计划。,关于ELISI的信息可从国家人类基因组研究所和能源部的网站获得： 或/hgmias,科学家正朝着破解每个染色体遗传信息的目标而努力。 2003年元旦法国基因测序中心科学家破译了人类第14号染色体的遗传密码。 2003 年4月美国华盛顿大学医学院的科研小组又破译了人类第7号染色体,这一成果有助于对囊状纤维化、遗传性耳聋和癌症等多种疾病的研究。 2003 年美国科学家6月完成了人类Y染色体的测序工作。基因测序发现,Y染色体包含约78个基因。重要的是Y染色体的5000万个硷基对中, 约有600

16、万个处于回文结构(Palindrome)中,这种结构有修复基因的作用。 2003年10月23日, 英国威康信托桑格研究所的科学家经过8年的努力,破译了人类第6号染色体。继第22、21、20、14、7和Y染色体之后, 6号染色体成为第7个被排序的人类染色体。在已发现的2190个基因结构中, 有1557个功能基因,约占人类基因总数的6%；另有633个处于休眠状态,属非功能基因。这些基因约半数以前从未描述过。6号染色体中包含了一些与免疫反应相关的基因, 统称为“主要组织相容性复合体（MHC）”,染色体遗传信息的破解,一号染色体基因测序完成,2006年5月17日：英国Nature杂志今天公布了1号染色

17、体的基因测序，这是破解人类遗传密码的“生命之书”中最长也是最后的一章。确定了1号染色体中3141个基因，这些基因发生缺陷与350种疾病有关，其中包括癌症、帕金森氏病、早老性痴呆、高胆固醇血症、弱智和噗啉症等。1号染色体中共有2.23亿个碱基，占人基因组中30亿个碱基对的8。 人类有22对常染色体，最大者为1号染色体，最小的是22号染色体。另外还有X或Y染色体决定人的性别。公布1号染色体的基因测序结果为人类基因组计划16年来的努力划上了句号。,人类基因组计划16年努力终成正果,ENCODE Project Writes Eulogy For Junk DNA,SCIENCE,2012,337:1

18、159-1160,Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE),ENCODE网址（/）,DNA元件百科全书计划 (encode) encyclopediaofDNAelements,Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE),2003年启动，主要目的是建立人类基因组中生物功能关键性元素目录。,美国国家基因组研究院NHGRI，欧洲生物信息学研究所EMBL-EBI领导的研究，32个实验室中442名科学家，获得并分析超过15兆兆字节（15万亿字节）原始数据，花费约300年的计算机时间，

19、对147个组织类型进行了分析，公布了一份详细的基因组功能图谱，包含有四百万基因的“开关”，以确定哪些能打开和关闭特定的基因，以及不同类型细胞之间的“开关”存在什么差异。这一重要的参考数据将有助于研究人员找到与人类疾病密切相关的区域。,人类基因组计划HGP证明基因组中2%包含有基因，ENCODE表明基因组中剩余的80%的区域调控了蛋白何时和何地生成。,ENCODE网址（/）,分子生物学发展简史,2006年美国科学家安德鲁法尔和克雷格梅洛获诺贝尔生理或医学奖，以表彰他们发现了（核糖核酸）干扰机制。,分子生物学发展简史,2007年美国科学家马里奥

20、-卡佩奇和奥利弗-史密西斯、英国科学家马丁-埃文斯获诺贝尔生理学或医学奖，以表彰他们在干细胞研究方面所作的贡献。,2013年诺贝尔生理学或医学奖,美国科学家詹姆斯罗思曼、兰迪谢克曼以及德国科学家托马斯祖德霍夫，以表彰他们发现细胞的囊泡运输调控机制。,他们让经典物理学与迥然不同的量子物理学在化学研究中“并肩作战”。以前，化学家必须二选其一。依靠用塑料棒和杆创建模型的经典物理学方法的优势在于计算简单且能为大分子建模，但其无法模拟化学反应。而如果化学家选择使用量子物理学计算化学反应过程，但巨大的计算量使得其只能应付小分子。为此，在20世纪70年代，这三位科学家设计出这种多尺度模型，让传统的化学实验走

21、上了信息化的快车道。,2013年诺贝尔化学奖,“他们让经典物理学与迥然不同的量子物理学在化学研究中“并肩作战”。以前，化学家必须二选其一。依靠用塑料棒和杆创建模型的经典物理学方法的优势在于计算简单且能为大分子建模，但其无法模拟化学反应。而如果化学家选择使用量子物理学计算化学反应过程，但巨大的计算量使得其只能应付小分子。为此，在20世纪70年代，这三位科学家设计出这种多尺度模型，让传统的化学实验走上了信息化的快车道。”,美国三位科学家Martin Karplus, Michael Levitt和Arieh Warshel获奖。获奖理由是“为复杂化学系统创立了多尺度模型”。,nocoding RN

22、A,DNA,RNA,protein,DNA,RNA,蛋白质,基因组学,RNA组学,蛋白质组学,RNA组学-非编码RNA,siRNA作用机制,miRNA作用机制,siRNA,miRNA,RNA分类,Protein,Genes Dev. 2007,21:1190-1203,ncRNA的作用,细胞RNA机器,Science.2008, 319:1787-1789,RNA catalysis through compartmentalization,NATURE CHEMISTRY. 14 OCTOBER 2012 | DOI: 10.1038/NCHEM.1466,RNA链（蓝色）和RNA酶（红色）

23、在葡聚糖滴中聚合在一起.,Hammerhead ribozyme and its rate acceleration through compartmentalization.,Nature：携带RNA的第一个生命如何诞生,Small RNAs snoRNA,smRNA,piRNA and others,ncRNAs,Long noncoding RNAs,200-10000nt or more DNA imprinting; X-inactivation; DNA demethylation; Gene transcription; Generation of other,20-200nt

24、Modification of target RNAs; Synthesis of telomeric DNA; Chromatin structure dynamics; Transcription modulation; Structural role; Gametogenesis?,Unkown examples,microRNAs,18-25nt PTGS and RNA interference,Knockdown,Functional studies,Over-expression,RNA interference Knockout mice,New functional ncRN

25、As,长链非编码RNA,Molecular Cancer.2011,10:38,长非编码RNA发现,Genes Dev. 2007 21: 11-42,非编码RNA与疾病,Genes Dev.2007,21:11-42,非编码RNA与疾病,各种癌症 心脑血管疾病 衰老 免疫系统疾病 糖尿病 神经系统疾病 病毒性疾病,lncRNA 功能,Genes Dev. 2009 23: 1494-1504,长非编码RNA,lncRNA作用模式,Nature.2012,482:339-346,Mol Cell. 2011.43(6):904-14,ncRNACCND1 negatively regulate

26、s CCND1 transcription by recruiting TLS to the CCND1 promoter.,Nature.2008,454:126-130,ncRNACCND1,Current Opinion in Genetics (6) CAGE tags identifying TSS (exact location can vary) and may overlap PALRs (7) PASRs (green) and tiny 18 nt long RNAs (tiRNAs, arrowhead only) (8) antisense transcription

27、events detected by CAGE (9) bidirectionally transcribed RNAs from core promoters (10) ncRNA splicing isoforms only partially overlapping to coding mRNA sequences (11) PALRs (12) PROMPTs, unstable transcripts on upstream regulatory regions (13) miRNAs and endogenous (14) other sRNAs associated to exo

28、nic-capped long transcripts,癌症,癌症大多数是由于体细胞突变使细胞生长和分裂失控而引起的。癌症是由于多个基因而不是一个基因中的突变的积累而造成的。 起初一个细胞的单个突变通过有丝分裂传递给所有的子细胞。在后来分裂的一些细胞中产生了第二个突变并且也传给了子细胞。依次类推，在一个细胞中就积累了多个突变。 致癌突变主要是使细胞获得了相对于正常细胞的“生长优势”，使它能够更快速的分裂。所以下列三类基因的突变常会引发疾病：原癌基因促进细胞的生长和分裂，肿瘤抑制基因（如p53 基因）确保细胞正常分裂，DNA修复基因修复损伤的基因。,P53信号通路,p53与miRNA,癌症,世界

29、卫生组织预测，恶性肿瘤将成为21世纪人类的第一杀手。中国人口众多，每年新发肿瘤病例居世界首位。 我国癌症患者发病率为0.5%-1% 全国现有癌症患者超过600万人 年发病例160万，死亡人数达130万 北京年发病例1.2万，死亡人数1万 癌症患者每年3.1的速度在增长。,新的抗癌疗法,肿瘤呼吸测试仪工作原理图,癌症基因治疗,基因治疗的基本策略：取决于肿瘤的类型，概括起来有下列五种： 基因置换：用正常的外源基因置换产生疾病的基因，使致病基因得到永久的更正。此为最理想的基因疗法。 基因修正：单基因遗传病在多数情况下是由于基因内部单个碱基发生突变所致，而其他核苷酸序列均正常，因此只要将突变的单个碱基

30、予以更正就能达到基因治疗的目的，而不必将整个基因进行置换。,癌症基因治疗,基因修饰：将目的基因导入病变细胞或其他细胞，目的基因的表达产物可以补偿病变基因的功能，而病变基因本身并未改变。由于已经发展了许多有效的方法可以将目的基因导入真核细胞，并获得表达，因而是目前较为成熟的方法。 基因抑制：导入外源基因去干扰、抑制有害基因的表达。,表观基因组,DNA甲基化修饰模式,表观遗传学修饰机制与表观遗传学修饰因子相互作用关系,20世纪生命科学的方法论是还原论,经典分子生物学,基因表达和功能研究 思路：序列结构功能 模式：“一次一个基因”,生物,复杂系统,星云,地球,星云,宇宙,生物系统是典型的复杂系统,细

31、胞,生命科学和认知科学中大量的关键科学问题属于复杂系统问题，在传统的以线性和还原论思想为主导的科学理论框架中难以解决。,生命系统耗散结构,远离平衡态 非线性 开放系统 涨落 突变,生命体复杂性,生命体组成成分不是简单的堆积，而是彼此间有广泛的相互作用，越是高级生命作用越广泛。 组成成分之间的相互作用不是简单直线性关系，而是交错编织成网络，网络使生命体复杂性具有层次性特征。 生命体存在于多因素、多变化的环境中，随时要接受外界的刺激和干扰，是一种远离平衡态的开放系统。,生命科学发展趋势,整体化：复杂生命系统的研究注重整体性分析。就目前世界发展现状而言，基因组学和功能基因组学已经比较成熟，难点是在研

32、究蛋白质的蛋白质组学和研究小分子的代谢组学。 集群化：表现在生物技术与其他高技术的融合，形成了生物芯片、生物信息、生物材料、生物能源、生物光电、生物传感器等高技术领域，产生了特有的生物技术集群。 定量化：生命科学正在迅速由定性研究的科学变为定量研究的科学，这种趋势在今后二十年间会变得更加突出。,蛋白质,DNA RNA 蛋白质 小分子,糖,脂,空间效应,时间效应,环境效应,定量效应,反馈效应,生物系统的复杂性细胞信号网络分子功能及其调控,能量 效应,Nature Biotechnology,2004,22:1249-1253,从分子生物学到系统生物学一颗日渐明朗的新星,系统生物学,系统生物学：以整体性研究为特征的一种大科学，是在细胞、组织、器官和生物体整体水平研究结构和功能各异的各种分子及其相互作用，并通过计算生物学来定量描述和预测生物功能、表型和行为。,系统生物学 systems biology,20世纪生命科学的方法论是还原论，而21世纪生命科学的方法论是大 规模平行分析、分析与综合的相结合。还原论认为生命遵循基本的物 理和化学规律；而复杂性科学认为生命涉及网络、层次和非线性。,树木,森林,大生物学 ( bigbiology),生命科学迈入“大科学”时代,关键词一：系统生物学