1、分子生物學(xué)Molecular BiologyLecturer: Jun Wang主要內(nèi)容學(xué)習(xí)方法1. 注重理解，融會(huì)貫通 重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)知識(shí)體系的建立，掌握脈絡(luò)、主干和重點(diǎn)。2.勤學(xué)多問(wèn)，孜孜不倦 善于勤學(xué)多問(wèn)，與老師、同學(xué)多交流探討。3.跟蹤前沿，引深思維經(jīng)常查閱相關(guān)文獻(xiàn)4.舉一反三，溫故知新做好預(yù)習(xí)、經(jīng)常復(fù)習(xí)5. 勤做筆記第一章 緒 論教學(xué)目的、要求 掌握分子生物學(xué)的含義及分子生物學(xué)的研究?jī)?nèi)容，了解分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史、分子生物學(xué)在生命科學(xué)中的地位、分子生物學(xué)的現(xiàn)狀和展望。一、分子生物學(xué)定義1. 什么是分子生物學(xué)? 是研究核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能及其相互作用關(guān)系，以及基因表達(dá)調(diào)控機(jī)理的

2、學(xué)科。是人類從分子水平上真正揭開(kāi)生物世界的奧秘，由被動(dòng)地適應(yīng)自然界轉(zhuǎn)向主動(dòng)地改造和重組自然界的基礎(chǔ)學(xué)科。 廣義：包括對(duì)蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子結(jié)構(gòu)與功能的研究，以及從分子水平上闡明生命的現(xiàn)象和生物學(xué)規(guī)律。狹義：偏重于核酸(基因)的分子生物學(xué)，主要研究基因或DNA結(jié)構(gòu)與功能、復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、表達(dá)和調(diào)節(jié)控制等過(guò)程。一、分子生物學(xué)定義3. 研究目的闡明生物的產(chǎn)生、生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖、遺傳等生命活動(dòng)基本特征的分子機(jī)理。研究生命本質(zhì)一、分子生物學(xué)定義4. 研究方法生命科學(xué)研究的主導(dǎo)技術(shù)（DNA重組、PCR、雜交等） 生物技術(shù)5.分子生物學(xué)的3條基本原理：構(gòu)成生物體有機(jī)大分子的單體在不同生物中都是相同的； 生物

3、體內(nèi)一切有機(jī)大分子的建成都遵循著各自特定的規(guī)則； 某一特定生物體所擁有的核酸及蛋白質(zhì)分子決定了它的屬性。一、分子生物學(xué)定義基因與基因組的結(jié)構(gòu)與功能分子生物學(xué)發(fā)展的主線分子生物學(xué)研究?jī)?nèi)容最基礎(chǔ)最重要的部分?；虮磉_(dá)調(diào)控的研究基因表達(dá)實(shí)質(zhì)：遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯 時(shí)序調(diào)節(jié)表達(dá) 環(huán)境調(diào)控表達(dá)發(fā)育調(diào)控基因在這兩方面表現(xiàn)尤為突出。結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)研究生物大分子特定的空間結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)變化與其生物學(xué)功能關(guān)系的科學(xué)。 如：功能蛋白質(zhì)組研究;核糖體結(jié)構(gòu)與功能的研究2. 分子生物學(xué)與其他學(xué)科之間的關(guān)系分子生物學(xué)是由生物化學(xué)、生物物理學(xué)、遺傳學(xué)、微生物學(xué)、細(xì)胞學(xué)、以至信息科學(xué)等多學(xué)科相互滲透、綜合融匯而產(chǎn)生并發(fā)展起

4、來(lái)的，凝聚了不同學(xué)科專長(zhǎng)的科學(xué)家的共同努力。它雖產(chǎn)生于上述各個(gè)學(xué)科，但已形成它獨(dú)特的理論體系和研究手段，成為一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科。Life SciencesMedicalSciencesBiologyAgri.SciencesMacro(outdoor)Micro(indoor)Ecology, BehaviorEvolutionSystematicsMolecularBiologyBiochemMicrobiolCellBiologyGeneticsBioinformatics ImmunolNeurobiolOthersCrop sciencesAnimal husbandryVeterinar

5、yPathology, clinic medicinePreventive medicineetc分子生物學(xué)：從分子水平理解生命活動(dòng) 生物化學(xué)：從化學(xué)組成角度來(lái)理解生物大分子和生物代謝。 細(xì)胞生物學(xué)：從細(xì)胞水平 理解生命活動(dòng) 遺傳學(xué)：從遺傳角度理解生命活動(dòng)。 普通生物學(xué)（動(dòng)物&植物）& 微生物學(xué)：不同生物類型的特點(diǎn)與生物化學(xué)的關(guān)系最為密切但存在一定的差別與細(xì)胞生物學(xué)十分密切傳統(tǒng)的細(xì)胞生物學(xué)現(xiàn)代細(xì)胞生物學(xué)分子生物學(xué)（主要研究細(xì)胞和亞細(xì)胞器的形態(tài)、結(jié)構(gòu)與功能）（探討組成細(xì)胞的分子結(jié)構(gòu)）（進(jìn)一步研究各生物分子間的高層次組織和相互作用，尤其是細(xì)胞整體反應(yīng)的分子機(jī)理）兩個(gè)重大突破蛋白質(zhì)是生命的主要基礎(chǔ)物

6、質(zhì)確定了生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA19世紀(jì)末，Buchner兄弟證明酵母無(wú)細(xì)胞提取液能使糖發(fā)酵產(chǎn)生酒精第一次提出酶（enzyme）的名稱，酶是生物催化劑。20世紀(jì)20-40年代，證明酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)。隨后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)生命的許多基本現(xiàn)象都與酶和蛋白質(zhì)相聯(lián)系，可以用提純的酶或蛋白質(zhì)在體外實(shí)驗(yàn)中重復(fù)出來(lái)。在此期間對(duì)蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)也有了初步的認(rèn)識(shí)。 LINUS CARL PAULING 1954 Nobel Laureate in Chemistry “for his research into the nature of the chemical bond and its applicatio

7、n to the elucidation of the structure of complex substances” Background 1901-1994Residence: U.S.A.Affiliation: California Institute of Technology, Pasadena, CA Linus Pauling at the California Institute of Technology in Pasadena.FREDERICK SANGER 1958 Nobel Laureate in Chemistry “for his work on the s

8、tructure of proteins, especially that of insulin”Background Born: August 13, 1918Place of Birth: Rendcombe, Gloucestershire, EnglandResidence: Great BritainAffiliation: Cambridge University 1860至1870年Gregor Mendel :豌豆雜交 細(xì)胞內(nèi)的遺傳因子（element or unit）決定和控制著生物體的各種性狀1868至1871年F.Miescher ：從死亡的白細(xì)胞核中分離了DNA1909

9、年 W.Johannsen ：將遺傳因子更名為基因1910年 T. H. Morgan：果蠅（ Drosophila ） 證明基因是位于染色體上呈線性排列的遺傳單位，“一個(gè)基因控制一個(gè)性狀”（one gene-one trait）Father of Genetics At the monastery, he started investigations of variation, heredity and evolution of plants at the monasterys experimental garden. Because he knew other scientists had

10、 done experimental crossings between peas, he already knew that he could observe the traits of the different pea generations. Johann Gregor Mendel(18221884） E. Seysenegg Tschermak C. Correns H. De Vries (1848-1935) 這三位著名的生物學(xué)家在1900年同時(shí)發(fā)表論文宣揚(yáng)孟德?tīng)?，使孟德?tīng)柖珊芸煲鹆松飳W(xué)界的重視。生物學(xué)界掀起了驗(yàn)證孟德?tīng)柖傻臒岢薄?Wilhelm Ludwig Joha

11、nnsen18571927 1909年，丹麥生物學(xué)家約翰遜根據(jù)希臘文“給予生命”之義，創(chuàng)造了基因（gene）一詞，并用這個(gè)術(shù)語(yǔ)代替孟德?tīng)柕摹斑z傳因子”。不過(guò)他所說(shuō)的基因并不代表物質(zhì)實(shí)體，而是一種與細(xì)胞的任何可見(jiàn)形態(tài)結(jié)構(gòu)毫無(wú)關(guān)系的抽象單位。因此，那時(shí)所指的基因只是遺傳性狀的符號(hào)，還沒(méi)有具體涉及基因的物質(zhì)概念。 Thomas Hunt Morgan1941年 G. W. Beadle , E. L. Tetum : 鏈孢霉菌屬的孢子突變研究?！皁ne gene-one enzyme”。1944年 O. T. Avery ：肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗(yàn) 證明遺傳物質(zhì)是DNA 而不是當(dāng)時(shí)流行的蛋白質(zhì)，提出了DNA

12、是遺傳信息的載體 Oswald Theodore Avery18771955 肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)肺炎鏈球菌Alfred Day Hershey19081997 T2噬菌體轉(zhuǎn)染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)T2噬菌體1953年 F. H. C. Crick , J. D. Watson ,(M. H. F. Wilkins R. E. Franklin) : DNA雙螺旋模型開(kāi)創(chuàng)了分子遺傳學(xué)基本理論建立和發(fā)展的黃金時(shí)代。1958年 F. H. C. Crick ：分子生物學(xué)中心法則（central dogma of molecular biology）1966年 R. W. Holley ,H. G. Khoran

13、a, M. W. Nirenberg ：揭示遺傳密碼for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer in living material The Nobel Prize in Physiology or Medicine 19621956年A.Kornbery:DNA聚合酶1968年Okazaki:DNA不連續(xù)復(fù)制模型1972年證實(shí)DNA復(fù)制開(kāi)始需要RNA作為引物1958年Weiss及Hurwitz等:R

14、NA聚合酶1961年Hall和Spiege-lman:mRNA與DNA序列互補(bǔ)50年代初Zamecnik等:微粒體是細(xì)胞內(nèi) 蛋白質(zhì)合成的部位1957年Hoagland、Zamecnik、Stephenson 等:tRNA1961年Brenner、Gross等:mRNA與核糖體 的結(jié)合1965年Holley :首次測(cè)出酵母丙氨酸 tRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu) 三葉草型結(jié)構(gòu)1970年 D. Baltimore, R. Dulbecco, H. M. Temin ：發(fā)現(xiàn)反轉(zhuǎn)錄酶，分子生物學(xué)中心法則擴(kuò)充DNARNAProtein The Nobel Prize in Physiology or Medicine

15、 1968 for their interpretation of the genetic code and its function in protein synthesis 重組DNA技術(shù)的建立和發(fā)展基因組研究的發(fā)展 基因表達(dá)調(diào)控機(jī)理 70年代后，以基因工程技術(shù)的出現(xiàn)作為新的里程碑，標(biāo)志著人類深入認(rèn)識(shí)生命本質(zhì)并能動(dòng)改造生命的新時(shí)期開(kāi)始。 In 1973 American biochemist Herbert Boyer used restriction enzymes to produce a DNA molecule with genetic material from two diff

16、erent sources. This splicing technique is now known as recombinant DNA. Boyer inserted foreign genes into plasmids and observed that the plasmids could replicate to make many copies of the inserted genes. In subsequent experiments, Boyer, American biochemist Stanley Cohen, and other researchers demo

17、nstrated that inserting a recombinant DNA molecule into a host bacteria cell would lead to extremely rapid replication and the production of many identical copies of the recombinant DNA. This process, known as cloning, gave scientists the power to make many copies of desired DNA for molecular study.

18、Genetic EngineeringHerbert BoyerStanley Cohen Genetic engineering enables scientists to produce clones of cells or organisms that contain the same genes.1977年，Boyer等首先將人工合成的生長(zhǎng)激素釋放抑制因子14肽的基因重組入質(zhì)粒，成功地在大腸桿菌中合成得到這14肽；1978年，Itakura（板倉(cāng)）等使人生長(zhǎng)激素191肽在大腸桿菌中表達(dá)成功；1979年，美國(guó)基因技術(shù)公司用人工合成的人胰島素基因重組轉(zhuǎn)入大腸桿菌中合成人胰島素。DNA重組技

19、術(shù)的出現(xiàn)極大地推動(dòng)了DNA和RNA的研究。其三大關(guān)鍵技術(shù)即DNA切割技術(shù)、分子克隆技術(shù)和快速測(cè)序的不斷成熟，使人們可以通過(guò)DNA操作改造生物機(jī)體的性狀特征、改造基因、以至改造物種。 目前基因工程技術(shù)在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、食品、環(huán)保等都做出了有益的貢獻(xiàn)?；蚬こ碳夹g(shù)發(fā)展給人類帶來(lái)的成果轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物基因診斷與基因治療核酸的化學(xué)合成從手工發(fā)展到全自動(dòng)合成轉(zhuǎn)人生長(zhǎng)激素基因的白鼠（左）具有超凡嗅覺(jué)能力的轉(zhuǎn)基因?qū)嶒?yàn)鼠 轉(zhuǎn)基因魚(yú)生長(zhǎng)快、耐不良環(huán)境、肉質(zhì)好的轉(zhuǎn)基因魚(yú)(中國(guó))超級(jí)動(dòng)物導(dǎo)入貯藏蛋白基因的超級(jí)羊和超級(jí)小鼠特殊動(dòng)物導(dǎo)入人基因具特殊用途的豬和小鼠轉(zhuǎn)基因牛乳汁中含有人生長(zhǎng)激素的轉(zhuǎn)基因牛(阿根廷)產(chǎn)胰蛋白酶抑制劑的

20、羊，羊奶可用于治療慢性肺氣腫。普通棉花的棉鈴（左）與轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)棉的棉鈴（右）轉(zhuǎn)黃瓜抗青枯病基因的甜椒轉(zhuǎn)魚(yú)抗寒基因的番茄不會(huì)引起過(guò)敏的大豆普通棉花與“兔毛”棉花開(kāi)磚紅色花的矮牽牛富含脯氨酸的水稻轉(zhuǎn)基因煙草抗病毒的干擾素金色大米，轉(zhuǎn)胡蘿卜素合成酶基因，食用后能轉(zhuǎn)變成維生素A。時(shí)代周刊封面文章轉(zhuǎn)胡蘿卜素合成酶基因的甘薯普通甘薯富含脯氨酸的水稻彩色蠶繭普通棉花與“兔毛”棉花 1991年美國(guó)向一患先天性免疫缺陷?。ㄟz傳性腺苷脫氨酶ADA基因缺陷）的女孩體內(nèi)導(dǎo)入重組的ADA基因，獲得成功。我國(guó)也在1994年用導(dǎo)入人凝血因子基因的方法成功治療了乙型血友病的患者。在我國(guó)用作基因診斷的試劑盒已有近百種之多?；?/p>

21、診斷和基因治療正在發(fā)展之中。PCR (polymerase chain reaction) is a technique used to make numerous copies of i.e. amplify a specific segment of DNA. PCR makes it possible to quickly and accurately obtain large quantities of DNA needed in carrying out research in molecular biology, in clinical diagnosis, in criminal

22、 investigations requiring forensic analysis, and in virus infectious disease research, e.g. in the ongoing battle against AIDS.The 1993 Nobel Prize in Chemistry13 October 1993“for his invention of the polymerase chain reaction (PCR) method”half to Dr Kary B. Mullis, La Jolla, California, U.S.A., and

23、 half to Professor Michael Smith, University of British Columbia, Vancouver, Canada, for his fundamental contributions to the establishment of oligonucleotide- based, site-directed mutagenesis and its development for protein studies.Kary B. Mullis1945 - 基因組(genome)：生物機(jī)體一個(gè)細(xì)胞所有不同染色體上全部的DNA總和稱為基因組。 基因組

24、中不同區(qū)域具有不同的功能，有些是編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因，有些是復(fù)制及轉(zhuǎn)錄的調(diào)控信號(hào)，有些區(qū)域的功能尚不清楚。1977年 Sanger測(cè)定了x174-DNA全部5375個(gè)核苷酸的序列1978年Fiers等測(cè)出SV-40DNA全部5224對(duì)堿基序列80年代噬菌體DNA全部4850堿基對(duì)的序列全部測(cè)出1990.10：被譽(yù)為生命科學(xué)“阿波羅登月計(jì)劃”的人類基因組計(jì)劃（HGP） 啟動(dòng)。1998.5：美國(guó)科學(xué)家克里格文特創(chuàng)建的塞萊拉遺傳公司，目標(biāo)是投入億美元，到年繪制出完整的人體基因組圖譜，與國(guó)際HGP展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。1999.12.1：國(guó)際HGP聯(lián)合研究小組宣布，他們完整地破譯出人體第22對(duì)染色體的遺傳密碼。2

25、000.3.14：當(dāng)時(shí)的美國(guó)總統(tǒng)克林頓和英國(guó)首相布萊爾發(fā)表聯(lián)合聲明，呼吁將人類基因組研究成果公開(kāi)，以便世界各國(guó)科學(xué)家都能自由地使用這些成果。2000.5：國(guó)際HGP完成時(shí)間預(yù)計(jì)從原定的2003年6月提前至2001年6月。2000.6.26：科學(xué)家公布人類基因組“工作框架圖”。2001.2：國(guó)際HGP(美、英、日、德、法和中國(guó))的科學(xué)家和美國(guó)塞萊拉公司分別宣布完成繪制人類基因組測(cè)序草圖。分別在15日出版的Nature和16日的Science公布。人類基因組計(jì)劃(Human Genome Project)青山襯托之下，是一片金燦燦的中國(guó)水稻梯田。4月5日以中國(guó)梯田為封面的 Science雜志以14頁(yè)篇幅率先發(fā)表了一個(gè)重大成果中國(guó)人獨(dú)立完成的論文水稻（秈稻）基因組的工作框架序列，顯示對(duì)中國(guó)科學(xué)家成就充分肯定。COVER Photograph of the Honghe Hani rice terraces in Yunnan Province, China. In this issue, two separate research groups report dr