分子生物学前沿PPT课件

1、湖南科技大学生命科学院 QQ:305581899,主讲人：严明理,分子生物学前沿动态,2011年国培计划,2,1 引言,分子生物学(molecular Biology)是一门带动整个生命科 学的学科，是生物化学、遗传学、徽生物学、细胞学、生物物理学等学科相结合的基础上发展起来的学科。 分子生物学是生命科学的前沿和最活跃的学科。近年来由于分子生物学的技术和方法不断为生命科学其他领域广泛运用，使本学科越来越侧重于蛋白质等生物大分子及其复合物的三维结构与功能研究方面。,3,研究趋势的预测,DNA、RNA等作为遗传信息分子，研究其本身的结构及与蛋白质的相互作用。 功能基因组学研究将是今后相当长时间内是

2、本领域中的一个重点。 基因的表达调控规律，特别是基因的调控网络机制。 方法和技术手段对分子生物大分子的研究尤为重要，是本学科突破性进展的重要支持。,4,分子生物学的发展的历程,“分子生物学”一词最早于1945年在Harvey Lecture上出现。 一开始就将研究对象主要集中于生物大分子一核酸(DNA和RNA)的研究，并己经成为现代生命科学的“共同语言”。 分子生物学的出现使人类在认识上由宏观向微观转变技术方法由粗放向精细准确转变。,5,1838年，Schwann、 Schleiden 细胞理论; 1859年， Darwin 进化论; 1865年， Mendel 经典遗传学； 1915年， M

3、organ提出基因学说; 1940年，Beadle和Yatum提出“一个基因一种酶” 1953年， Watson和Crick提出DNA双螺旋模型; 1958年，Crick提出中心法则; 1969，年全部 (三联密码子)遗传密码被破译.,6,随着分子生物学的发展，促使生物化学、遗传学以及整个生物学科发生了深刻的革命。 人类进入21世纪10多年了，分子生物学也进入了“基因组后时代”。 分子生物学的发展前沿，如哺乳动物克隆、基因组计划、遗传与进化、生物计算机、生物芯片、生物材料、蛋白质组、天然药物、干细胞、脑科学以及转基因等，无一不是多学科的交叉与融合、基础研究与应用的统一。人们由单一分析转向综合分

4、析，去研究生物的多样性与生命本质的一致性，各个层次、各个领域的研究都和分子水平上生物大分子的研究相关连。 促进了思维方法学上的研究：整体，统一等,7,2 分子生物学的部分前沿问题,2.1动物克隆与意义 “克隆是指生命体、纯种细胞或生物大分子的无性繁殖、增殖或复制。 1）促进人类了解生物生长发育的机理，特别是发现影响生长和衰老的因素; 2）“治疗性克隆”提取胚胎干细胞，为移植手术生产合适的器官;（干细胞美容的应用） 3）生产转基因动物，大批量制造某些药物的生物原料; 4）为科学研究提供更适合的实验动物; 5)培育优良家畜鱼禽品种; 6)复制濒危的动物物种，保存和传播动物物种资源。,8,2.2基因

5、组计划,基因组含有生物生、老、病、死的全部遗传信息，这些遗传信息通过转录和翻译等分子生物学过程，以密码形式先mRNA，而后再变成蛋白质。 1990年实施“人类基因组计划”( human genomic project)是人类认识自我一揭开人类的奥秘、追求健康、战胜疾病的伟大科学工程。 已完成的“基因组计划” ：家猪基因组水稻、鸡，猪，马铃薯，白菜等。 以研究基因组结构为主要内容的“基因组学”( genomics)和以研究基因组功能为主要内容的“后基因组学”( post-genomics) 成为研究热点。,9,2.3遗传与进化,基因遗传机理的提出促成了DNA双螺旋结构模型和“中心法则”的创立，并

6、在此基础上发现遗传与某些基因的表达相关。 基因表达是一个在时空上有序的生物学过程，而且基因表达的时空有序性。基因因调控存在着多重调控和调控网络。 随着分子生物学的发展，一系列的遗传、发育与进化的问题被阐明:卵子的发生和成熟、受精过程、基因表达的时空次序、细胞分化、个体三维形态发育、物种间的亲缘关系、分子进化速度和分子进化方式等。,10,与数学家、逻辑学家、非线性物理学家和计算机科学家合作，在对浩如烟海的资料进行分析和综合的基础上，将可能破译记载在基因组DNA上的“遗传语言”，从而阐明控制发育的遗传程序在染色体上的构建和操作规则，以及在进化过程中发生的变化，最终将在分子水平上实现遗传、发育和进化

7、的理论大综合。,11,2.4 生物计算机,我国唐代发明了算盘，1642年法国制成第一台机械计算机，1946年出现了第一台“二进制”电子计算机。 生物计算机 bio-computer)是以生物界处理问题的方式为模型的计算机。 目前主要有:生物分子或超分子芯片、自动机模型、仿生算法、生物化学反应算法等几种类型。 1995年发明的DNA计算机(DNA computer)是目前最有发展前景的计算机之一。,12,生物计算机的特点,依靠生物化学反应、能自我管理和自我修复； 运算速度快； 元件密度高； 传递信息的速度快； 可直接受人脑的指挥，为人脑的外延或扩充部分; 能以从人体细胞吸收营养的方式来补充能量

8、能自我发展并不断完普其智能中心，可以彻底实现现有计算机所无法真正实现的模糊推理功能和神经网络运算功能(如思维、推理、识别、理解等).（弥补现代计算机的不足。）,13,2.5 生物芯片,生物芯片(biochip)是根据分子间特异性相互作用的原理，将生命科学领域中不连续的分析过程利用微电子、微机械、化学、物理及计算机技术集成于芯片表面，构建微流体生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、核酸及其它生物组分的准确、快速、大信息量的检侧和分析，并实现过程连续化、集成化、微型化。,14,生物芯片分基因芯片(gene chip) 、蛋白质芯片(protein chip)和芯片实验室(lab-on-a-chi

9、p)等； 最先实现商品化的产品是基因芯片。基因芯片(gene chip )，又称DNA阵列(DNAarray )，信息时代的主角计算机芯片有着非常相似的地方-高度的集成化； 生物芯片可广泛应用于基因差异表达分析、DNA侧序、基因突变及多态性扫描、基因组DNA突变及染色体变异检侧、肿瘤与传染病的诊断、环保监测、药物筛选、食品监督、商品检验、司法鉴定及军事等方面。,15,2.6生物材料,生物材料，也称仿生材料。 是一门介于生物和材料之间的学科。 生物材料的研究主要包括2个方面: (1)生物医用材料，它主要用于诊断、治疗、修复人体器官或组织更换; (2)仿生材料，天然生物材料的形成及其性能是由具有定

10、向生长能力的纳米微粒构成。生物材料分为生物聚合物材料、生物陶瓷材料、生物金属材料。,16,生物材料的表面改造技术,植入材料与生物的相互作用仅在表面的几个原子层处，故表面改性技术应运而生。 表面改性技术是通过对金属材料的表面改性，从而达到改善材料性能的目的。 表面改性技术主要分为三大类:物理化学、形态学、生物化学方法。生化方法是将具有生物活性的物质，如大分子蛋白质或酶等有机高分子直接附着在金属基体，使其具有更优良的生物活性。生物材料发展至今，已经解决了诸多生物医学问题，如毒副作用、刺激性、组织粘结、凝血、溶血等，并且在人造血浆、人工脏器等。,17,2.7蛋白质组,蛋白质是体现生命体生理功能最重要

11、的物质。蛋白质作为一种“表型”必定有其决定它们的物质基础(基因)。 蛋白质组(proteome)是指一个基因组(genome )、一种生物或一种细胞/组织所表达的全套蛋白质，也就是所能编码产生的所有类型的蛋白质。,18,蛋白质组学(proteomics)是分析一个基因组或一个细胞或组织类型所有蛋白的表达。 最近发展了几种计算机识别蛋白质功能的新方法，这些方法的依据是相同特征的蛋白质之间具有功能上的关联或直接作用，如系统发生模式、mRNA表达模式及结构域融合模式等。,19,2.8天然药物,天然药物是从植物、动物和微生物等天然资源中开发出来的药物。 在中国，天然药物又称为中草药，药用植物及中药材种

12、类繁多，与中医一起构成了中华民族文化的瑰宝、国粹。 天然药物按照来源可分为动植物药物、生物技术药物及化学合成的天然药物。其中，生物工程药物是采用基因重组、生物转化、细胞或组织培养等技术研制的药物，又有基因工程药物、细胞工程药物、酶工程药物及微生物药物之分。 本学科为开发生物工程药物提供了一个崭新的技术。,20,2.9干细胞,干细胞(stem cell， SC)是一种具有多种分化潜能(多能性或全能性)、能自我更新和高度增殖能力的早期未分化细胞。它不仅能产生出与自己完全相同的子细胞，同时还能分化成为祖细胞，也能在人体内分化成任何细胞类型。 干细胞分为类全能干细胞(胚胎干细胞，ES)、多能干细胞(成

13、体干细胞)、造血干细胞(HSC)、神经干细胞、角膜缘干细胞等。干细胞的研究医学和生物学领域中最引人注目的热点之一，有可能是近几年诺贝尔奖的候选成果。,21,干细胞的意义,揭示许多有关细胞生长和发育的基础理论难题； 可望将其用于创伤修复、神经再生和抗衰老等临床医学研究，（干细胞美容）。 再造组织和器官，治疗神经系统疾病，使应用生物学进人一个崭新的领域。 从1970小鼠胚囊中分离出小鼠胚胎干细胞，到目前通过核移植技术获得第一例人胚胎干细胞，人们已经充分认识到:现在将是生命再生医学年代，而干细胞研究将在此领域内起到重大推动作用（器官移植源的获得）。,22,2.10 脑科学,脑是地球生命进化的尺度。

14、脑或者它的任意一部分是一片有序的物质结构，具有与有序物质结构相关联的所有性质:温度、压力、化学电位、电场等; 脑表现出新的性质，并且这些性质是不能在较低的组织水平上(如分子、细胞、突触等组织水平)观察到的。 感知与识别、学习与记忆、运动与控制、语言与思维、情感与意识、智能与创造等是大脑的高级功能相关联的集体体现。,23,脑科学和神经科学的发展，模型与实验之间的辩证关系已变得明显起来。 计算模型在作出关于神经系统如何工作的特定预测上已变得较成熟。而关于脑的生理学知识又反过来修正模型，使它们与生物学真实更加一致。 科学使命是:揭示人脑的奥秘;防治神经系统疾病;发展神经计算机。,24,2.11转基因

15、,转基因(transgenosis， gene modified)是以物理、化学或生物方法将外源克隆化遗传物质(DNA)直接转移给实验受体细胞，并发育成生命个体或后代的过程。 包括基因转移、基因保存、转录、翻译以及代谢功能的表达等。外源基因导入受体细胞主要有显微注射、电脉冲(电穿孔)、精子携带、磷酸钙共沉淀、脂质体融合、逆转录病毒转染、微弹轰击、激光介导、基因枪(粒子枪)等方法。,25,转基因生物不仅要顾及生产方式、社会伦理和生活习惯对这种革命性变革的认可程度和承受能力，转基因生物使用的外源基因更直接关系到转基因生物的环境安全、理论意义和实际价值. 从1981年第一只转基因(transgeni

16、c)小鼠诞生开始，1985年第一例转基因家畜诞生，1986年第一个转基因作物被释放到环境中进行田间实验。2010年全球转基因植物的产值达3000亿美元。,26,小结：,客观事物具有统一性，因而不同学科之间存在着一定的共性和相似性。科学作为一个有机的整体，在各学科、各方向存在着相互渗透、相互交叉和相互支撑的密切关系。 现代科学的细致分工，使一个学科的研究方法得以发展得十分细致，其他学科直接或间接地加以借鉴运用，实际上是一种思维方法的拷贝。,27,“他山之石，可以攻玉”，借鉴和运用其他学科的科学方法及研究新进展，可以在本学科体系内部从头发展类似的方法，从而事半功倍。科学发展史表明，各学科之间的相互

17、作用可以获得巨大的成果。 科学方法的跨学科运用，将各自然科学、社会科学和技术科学逐步联系起来，使得每一门学科都和整个科学的大系统密切相连，任何一个结构层次上的重大科学突破，都可能迅速通过研究方法的跨学科运用等多种方式扩散开来，直到物化为改造世界的技术与产品，深刻地影响着整个科学世界和现实世界的图景。,28,分子生物学是一门新兴的学科，具有强大的生命力和改变大自然的力量，正对生物科学各个领域，包括医学和农学、医药工业和生物技术产业进行广泛渗透和影响。 分子生物学的发展得益于物理、化学和计算机等学科的理论、方法与研究手段向生物学的渗透，借助于这些学科的成果使分子生物学逐渐向精密科学过渡，并跃居到现

18、代自然科学的前沿。分子生物学的发展不仅是科技进步、农业发展、医疗先进的物质基础，同时也改变着人类社会的思维方式和实践方式，推动着社会的进步。,29,世界面临的环境污染、资源锐减、人口剧增三大危机。 这些问题是要依靠生物学的发展来解决。 科学的发展，已出现越来越多的生态环境、伦理道德、社会和法律上的问题。本学科作为目前的带头学科，将对社会生产力发展产生深远的影响，并有可能从根本上解决目前人类所面临的一系列问题，如环境、粮食、能源、疾病等极其重大的问题。 对分子生物学发展前沿的问题不仅需要从环境、生态、资源、人口等方面来考虑，还需要从道德、伦理、法律和社会等方面来考虑，从而最终达到辩证统一。,30

19、,对转基因的认识： 引用：许智宏院士对转基因作物的观点,31,介绍 2个分子生物学前沿的内容 。,基因的人为控制的方法- RNA干扰 基因的人为控制的方法： 英文名称：RNA interference;RNAi 定义：与靶基因同源的双链RNA诱导的特异转录后基因沉默现象。其作用机制是双链RNA被特异的核酸酶降解，产生干扰小RNA(siRNA)，这些siRNA与同源的靶RNA互补结合，特异性酶降解靶RNA，从而抑制、下调基因表达。已经发展成为基因治疗、基因结构功能研究的快速而有效的方法。（具体内容见文档 ）,32,表观遗传学,据科学网报道，Science有一期专刊详细介绍了表观遗传学研究进展。这

20、虽然是一个非常前沿的专业领域，但我还是强调社会科学工作者、非专业人士都要了解一点表观遗传学，这是因为我们日常生活中的许多事情都与表观遗传学有关！ 我先列举生活中常见的几种现象来帮助大家了解表观遗传学的概念：双胞胎有着共同的遗传基础，同卵双生子的基因几乎完全相同，异卵双生子的基因的相似度也极高。但是，随着年龄的增长，在同一种环境下生活的双胞胎中一个正常，另一个却患上基因异常引起的老年痴呆症。,33,一般人都喜欢吃家乡菜，而且最喜欢小时候的口味。父母的口味往往跟子女很相近。这是为什么？现在有句话这么说：“老奶奶的口味可以传给小孙子”！ 以上两种现象都无法用经典遗传学理论来解释，因为按遗传学观点双胞胎的基因相同，要得病也是都得病，要正常应该都正常！同样，口味只是一种“环境因素”，它对基因