分子生物学绪论-研究生.ppt

1、,Welcome to Molecular Biology!,人类对自身认识的历史,人类了解自己的历史,重点掌握分子生物学的基本概念和基本理论。 重点掌握分子生物学的技术，为学位论文服务。,考核方式：考试学位课，70分，考查60分。平时成绩(考查迟到、早退，课堂提问、讨论、遵守课堂纪律等方面)占10%，期末考试占90%。,农业与园林学院 分子生物学概论,课程要求,授课教师： 陈昌杰教授 夏俊教授 杨清玲教授,绪 论,分子生物学定义 分子生物学发展简史 分子生物学教学内容 参考书目,一、分子生物学定义,从分子水平研究生物大分子的结构与功能从而阐明生命现象本质的科学 ，主要指遗传信息的传递（复制）

2、、保持（损伤和修复）、基因的表达（转录和翻译）与调控。,分子生物学与其他学科的关系 分子生物学是由生物化学、生物物理学、遗传学、微生物学、细胞学、以及信息科学等多学科相互渗透、综合融会而产生并发展起来的，凝聚了不同专长的科学家的共同努力。它虽产生于上述各个学科，但已形成它独特的理论体系和研究手段，成为一个独立的学科。,生物化学与分子生物学关系最为密切。两者同在我国教委和科委颁布的一个二级学科中，称为“生物化学与分子生物学”，但两者还是区别的。,1 生物化学与分子生物学关系最为密切 生物化学是从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

3、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。,2 细胞生物学与分子生物学关系也十分密切 传统的细胞生物学主要研究细胞和亚细胞器的形态、结构与功能。 分子生物学则是从各个生物大分子的结构入手，进一步研究各生物分子间的高层次组织和相互作用，尤其是细胞整体反应的分子机理。,分子生物学：从分子水平理解生命活动 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）& 微生物学：不同生物类型的特点。 生物物理学：从物理学角度理解生物大分子结构和功能。,分子生物学的延伸,分子生物学已经渗

4、透到生物学的几乎所有领域 分子生物学已经成为生命科学领域的带头学科,二、分子生物学发展简史,3 分子生物学的发展历程,20世纪以核酸研究为核心，带动着分子生物学向纵深发展,DNA双螺旋结构,操纵子学说,DNA重组,PCR技术,Add Your Text,DNA测序,80s,90s,1、孕育阶段（18201950年代）,1865年，孟德尔发表了植物杂交实验，首次阐述了生物界有规律的遗传现象。“遗传因子 ” 1900年，孟德尔遗传规律被证实，成为近代遗传学基础。,孟德尔(Gregor Mendel) (1822-1884): 奥地利科学家，经典遗传学的奠基人,1909年，约翰逊根据希腊文“给予生命

5、”之意，创造了基因（gene）一词。,约翰逊（Wilhelm Ludwig Johannsen，18571927）丹麦生物学家,摩尔根(T.H.Morgan,1866-1945): 美国的实验胚胎学家，遗传学家,1910年，Morgan的染色体基因遗传理论 第一次将基因定位于染色体上。进一步将“性状”与“基因”相耦联，成为现代遗传学的奠基石。,1、Avery的肺炎双球菌转化实验DNA是遗传信息的载体； 2、Hershey和Chase的噬菌体侵染细菌实验DNA是可以进入寄主细胞的转染因子。,证明DNA是遗传物质的两个著名实验：,1944年，Avery的肺炎双球菌转化实验，证明基因就是DNA分子，

6、提出 DNA是遗传信息的载体。,艾弗里（Oswald Theodore Avery，18771955 ）,1952年，Hershey和Chase的噬菌体侵染细菌实验DNA是可以进入寄主细胞的转染因子,赫尔希（Alfred Day Hershey，19081997）美国微生物学家,1957年，Heinz Fraenkel-Conrat和B. Singre的杂合病毒实验证实RNA也是重要的遗传物质,烟草花叶病毒的感染和繁殖过程,2、创立阶段（19501970年代）,1953年， 美国科学家Watson 和英国科学家Crick提出 DNA Double Helix model,沃森（James De

7、wey Watson，1928）美国生物化学家,克里克（Francis Harry Compton Crick，1916）英国生物物理学家,Wilkins通过对DNA分子的X射线衍射研究证实了前两者提出的DNA的模型。,1962年Watson、 Crick与Wilkins共享诺贝尔生理医学奖。,1958年Crick提出中心法则,1958年，Meselson 和Stahl证明 DNA半保留复制。,1959年，美籍西班牙裔科学家Uchoa和美国Kornberg发现了DNA和RNA的生物合成机理而分享了诺贝尔生理医学奖。,1961年，法国科学家Jacob（雅各布） 和Monod（莫诺）提出操纵子(o

8、peron)学说.,1965年获得诺贝尔生理医学奖,1968年，Nirenberg、Holley和Khorana解读了遗传密码及其在蛋白质合成方面的技能.,1968年获得诺贝尔生理医学奖,1970年，Temin 和Baltimore在RNA肿瘤病毒中发现逆转录酶。,3、发展阶段（1970年代以后）,1975年，获诺贝尔生理医学奖,1977年，Sanger等人发明了一种测定DNA分子内核苷酸序列的方法（双脱氧链终止法）。,1980年，与Gilbert和Berg共享诺贝尔化学奖,1983年，美国遗传学家McClintoc发现可移动的遗传因子(mobile element)。,诺贝尔生理医学奖,皇家

9、卡罗林医学研究院,1989年Altman、 Cech因发现核酶（ Ribozyme）获Nobel化学奖。,1982年，Cech等 四膜虫细胞大核期间 26SrRNA前体具有自我剪接功能。,1984年，Altman等 RNaseP 核酸组分M1RNA有该酶的活性， 蛋白质部分C5并无酶活性。,Nusslein-Volhard,1997年，普鲁西纳发现了朊病毒(prion),1997年，诺贝尔生理医学奖,1997，Wilmut成功获得克隆羊Dolly诞生,2000年，人类基因组草图绘制完成,美国国家人类基因组研究所所长弗朗西斯柯林斯在介绍情况。,年月日，人类基因组序列图亦称“完成图”（99.99%

10、），提前绘制成功。,分子生物学教学内容,基因和基因组 原核基因表达调控 真核基因表达调控 分子生物学技术 细胞信号传导 原癌基因和抑癌基因 基因工程,必须掌握的基础理论,细胞中的遗传物质构成 DNA的结构、复制、中心法则,1.细胞中的遗传物质构成,原核生物 核DNA 质粒DNA 真核生物 核基因组 细胞质基因组 线粒体DNA 质体DNA,真核生物染色体结构,真核生物的染色体组,2. DNA的结构、复制、中心法则,DNA结构 基本构成单位是核苷酸 核苷酸由脱氧核糖、碱基和磷酸构成 碱基分别是腺嘌呤 (A)、鸟嘌呤 (G)、胸腺嘧啶 (T)和胞嘧啶(C) 两个核苷酸以磷酸二酯键相连 进一步盘旋、折

11、叠，形成三级 或四级结构 RNA：核糖、尿嘧啶(U),DNA(或RNA)是水溶性的 含有磷酸基因、羟基和氨基 在核酸提取中，保留水相 核酸是两性电离,既带正电荷，又带负电荷 等电点(PI)为22.5,在中性溶液中带负电荷 核酸电泳时，点样时应点在负极 杂交时，最好选择带正电荷的尼龙膜,DNA(或RNA) 结构的启示,在解旋酶的作用下，打开DNA双链 在特定的复制起始点 以每条DNA链为模板 在DNA聚合酶的催化下 以4种脱氧核苷酸为前体物，合成一条互补DNA链,DNA的复制,半保留半不连续复制,DNA 半 保 留 复 制,合成新链的方向为5-3端 前导链是连续的 后随链的合成是不连续的 先合成

12、RNA引物 再合成不连续的小片段(冈崎片段，1001000核苷酸长度) 最后在DNA连接酶作用下，将小片段连接起，形成完整的DNA链,DNA的半不连续复制,DNA 半 不 连 续 复 制,PCR技术：DNA的体外复制 体外无解旋酶，要靠温度(90以上)解开双链 以DNA为模板，需要引物，需DNA聚合酶，需要dNTP为前体 PCR与体内DNA复制的最大差异是温度,DNA复制的启示,中心法则理论： 遗传信息的传递是： DNARNA多肽(蛋白质) 在逆转录酶的作用下，RNA可形成cDNA，然后再由RNA蛋白质,中心法则,RT,中 心 法 则,有意义链(sense/coding strand)：非模板

13、链、信息链 反意义链(antisense/template strand)：转录模板链 以DNA一条链为模板， RNA聚合酶活性诱导 RNA聚合酶识别并结合在转录起始位点 以ATP、GTP、CTP和UTP为前体 合成(转录)RNA 当遇到转录终止信号时，转录即停止,转录(transcription),以DNA分子中的一条链为模板，合成RNA的过程,转录的过程,间接：剪切掉内含子，将外显子连接 同一转录本，在不同的组织，因剪接差异可产生不同的mRNA. 戴帽： 在5-端加一特殊核苷酸：7-甲基鸟嘌呤核苷酸 穿靴(多聚腺苷酸化，3-加尾)： 3-端加上一串腺苷酸(AMP)poly(A) RNA编辑

14、(RNA Edit) 某些mRNA的核苷酸序列,在生成转录产物后还需插入、删除或取代一些核苷酸残基,方能生成具有正确翻译功能的模板,遗传信息在mRNA水平上的改变过程，称为RNA编辑,转录后的加工(真核生物mRNA),只有mRNA才翻译成蛋白质 基因(DNA)上三个相邻碱基组成一个密码子 在转录过程中，基因上的三联密码子转录成mRNA上的三联密码子 mRNA由核内转移至细胞浆中的核糖体上，以三联密码子指导合成蛋白质 翻译后的蛋白质需要加工修饰,翻译（Transtation）,由RNA 蛋白质的过程,中心法则的启示,遗传信息由DNA上的基因决定 mRNA更能准确反映DNA所携带的遗传信息 RT-

15、PCR：以RNA为模板，在逆转录酶作用下形成cDNA 反转录时可以mRNA3 poly(A)为模板设计引物 可以利用poly(A)对mRNA进行纯化 基因的表达有组织特异性，且受许多因素的影响，mRNA的表达增强、降低甚至关闭，会影响机体正常生理功能，因此，可通过检测mRNA的丰度检测基因的表达,3.基因的结构,调节基因 结构基因 I P O ,抑制基因(I) ：是阻遏物编码区 启动基因(P) ：有cAMP受体蛋白(CRP) 和RNA聚合酶的结合位点 操纵基因(O)：是阻遏物结合位点, ：-半乳糖苷酶结构基因 ：透过酶结构基因 ：转乙酰酶的结构基因,乳糖操纵子：原核生物转录调控的典型,真核生物

16、基因的结构,多数基因是单独调控的,DNA结构 断裂基因（split gene） 编码序列称外显子(exon)，编码多肽链；非编码序列称为内含子(Intron) 侧翼序列（Flanking sequence） ：第一个和最后一个外显子的外侧不被转录的区域；是基因的调控序列，包括启动子、增强子、终止子等,真核生物mRNA的结构,mRNA结构 5 帽子结构 5 UTR CDS 3 UTR 3 poly(A),注意： 启动子启始密码子 终止子终止密码子,DNA重组的三个工具： 内切酶 能特异地识别DNA的碱基序列，并在DNA链当中将DNA切开 重组载体，质粒、噬菌体、病毒 表达载体，细菌、细胞、组织,

17、4.DNA重组,DNA重组的一般步骤,小结,深入、清楚的理解基础理论，在以后学习才能够分析、理解、解决所遇到的问题 遗传物质 DNA、RNA,Is it really clear？, 基因与基因组的结构与功能,分子生物学研究内容最基础最重要的部分,20世纪50年代以前：基因的染色体遗传学；,20世纪50年代以后：基因的分子生物学研究；,近20年来，重组DNA技术的完善应用，从克隆目的基因出发，直接研究基因的功能与表型的关系，基因的研究进入反向生物学阶段。,1928年摩尔根证实了染色体是遗传基因的载体，从而获得了生理医学诺贝尔奖。,基因表达调控的研究,转录水平的调控 翻译水平的调控,-真核生物尤

18、为复杂。,上游调控序列；信号转导； 转录因子；RNA剪辑,DNA重组技术（基因工程）,用于大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低的多肽，如激素、抗体等，降低成本； 用于定向改造某些生物的基因组结构，使得其具备的特殊功能更符合人类生活的需要； 是分子生物学基础研究不可缺少的手段之一。,分子生物学技术 PCR 测序 核酸杂交 RNAi miRNA,结构分子生物学,概念：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。,结构的测定 结构运动变化规律的探索 结构与功能的相互关系,研究方向,基因诊断与基因治疗是基因工程在医学领域发展的一个重要方面。 1991年美国向一患先天性免疫缺

19、陷病（遗传性腺苷脱氨酶ADA基因缺陷）的女孩体内导入重组的ADA基因。 我国也在1994年用导入人凝血因子IX基因的方法成功治疗了乙型血友病的患者。在我国用作基因诊断的试剂盒已有近百种之多。基因诊断和基因治疗正在发展之中。,参 考 书 目,Lewin,B, Oxford University Press,一些网站和论坛,中国期刊全文数据库 维普中文科技期刊 爱思维尔(Elsevier Science) ,丁香园论坛( 中国生命科学论坛(),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,4 分子生物学的发展导致未来生物学的新热点

20、及领域,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,11个抑癌基因被证实 （P53, P21, ERBA, WT1,NF1 等）,人类基因组计划（HGP）,遗传图 物理图 序列图 表达图,基因定位,比较基因组研究,中心法则的深入研究与发展-基因组学（Genomics ),研究内容包括基因功能发现、基因表达分析及突变检测。,大规模水平上研究蛋白质的特征，包括蛋白质的表达水平，翻译后的修饰，蛋白与蛋白相互等，由此获得蛋白质水平上的关于疾病发生，细胞代谢等过程的整体而全面的认识。,蛋白质组学（Proteome）,分子生物学的发展趋势,发 展 趋 势,概念：利用结构基因组学提供的信息，以大规模实验方法及统计与计算机分析，全面系统地分析全部基因功能的学科。,分子生物学的发展趋势,功能基因组学 functional genomics,思考：一个或少数几个基因功能分析方法？,分子生物学的发展趋势,批量的(高通量)的基因表达分析：,3 同源性分析(homology searching),1 DNA芯片(DNA chips),2 基因表达系统分析(serial analysis of gene expression, SAGE),功能基因组