分子生物學(xué)發(fā)展史第1頁/共71頁一、分子生物學(xué)的基本含義

二、分子生物學(xué)的主要研究內(nèi)容

三、分子生物學(xué)發(fā)展簡史

四、分子生物學(xué)的發(fā)展趨勢

主要內(nèi)容第2頁/共71頁1、定義從分子水平研究生命本質(zhì)的一門新興邊緣學(xué)科一、分子生物學(xué)的基本含義2、研究對象核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)及其在遺傳信息和細(xì)胞信息傳遞中的作用分子水平？分子量大由簡單的小分子組成復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)3、主要任務(wù)闡明生物大分子的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系第3頁/共71頁1、核酸的分子生物學(xué)

研究核酸的結(jié)構(gòu)及其功能。中心法則是其理論體系的核心2、蛋白質(zhì)的分子生物學(xué)

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能3、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子生物學(xué)

細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞間信息傳遞的分子基礎(chǔ)二、分子生物學(xué)的主要研究內(nèi)容第4頁/共71頁生命是怎樣起源的？為什么“有其父必有其子”？動、植物個體是怎樣從一個受精卵發(fā)育而來的？施旺和施萊登的細(xì)胞學(xué)說達(dá)爾文的進化論孟德爾遺傳定律摩根的染色體學(xué)說第5頁/共71頁

細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)和細(xì)胞學(xué)說（1665—1875）1665年，英國物理學(xué)家羅伯特·胡克(RobertHooke)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞第6頁/共71頁1677年，荷蘭科學(xué)家列文·虎克(Leeuwenhoek)發(fā)現(xiàn)活的細(xì)胞

列文·虎克觀察到了血細(xì)胞、水生原生動物、人類和哺乳類動物的精子，這是人類第一次觀察到完整的活細(xì)胞。第7頁/共71頁1838–1839年，德國植物學(xué)家施萊登(Schleiden)和動物學(xué)家施旺(Schwann)提出細(xì)胞學(xué)說（celltheory）。德國植物學(xué)家施萊登(Schleiden)德國動物學(xué)家施旺(Schwann)第8頁/共71頁人物主要著作及成就達(dá)爾文(1809-1882)1859年《物種起源》一書的出版標(biāo)志著生物進化論的誕生，提出“物競天擇，適者生存”。達(dá)爾文的進化論第9頁/共71頁人物主要著作及成就孟德爾(1822-1884)1857年開始做豌豆雜交遺傳實驗，1866年出版《植物雜交的試驗》，提出生物形狀是可以遺傳的，并且這些性狀在后代可以自由組合。孟德爾的遺傳定律第10頁/共71頁豌豆孟德爾選擇了豌豆作為遺傳試驗材料第11頁/共71頁為什么用豌豆做遺傳實驗易成功?1.豌豆{自花傳粉閉花受粉自然狀態(tài)下，一般是純種2.具有易區(qū)分的性狀

豌豆花大，易于做人工異花傳粉實驗子房柱頭花柱雌蕊花藥花絲雄蕊第12頁/共71頁人工異花授粉示意圖1、去雄2、套袋隔離3、人工授粉4、套袋隔離花大，便于人工授粉5、采集種子栽培收集數(shù)據(jù)（未成熟時）（成熟時）第13頁/共71頁相對性狀:一種生物的同一性狀的不同表現(xiàn)類型。性狀

：指生物體的形態(tài)特征或生理特征。第14頁/共71頁

孟德爾在1857年到1864年間，用產(chǎn)生圓形種子的豌豆同產(chǎn)生皺皮種子的植株雜交，得到幾百粒全是圓形的F1代種子。第二年，他種植了253粒F1圓形種子并進行自交，得到7324粒F2種子，其中5474粒圓形，1850粒皺皮，圓皺比為3:1。孟德爾的遺傳定律第15頁/共71頁

用黃色圓形豌豆與綠色皺皮豌豆做雜交，發(fā)現(xiàn)F1種子全是黃色圓形的。自交產(chǎn)生556粒F2代種子中，黃色圓形315粒，黃色皺皮121，綠色圓形108，綠色皺皮32。四種類型接近于9:3:3:1。第16頁/共71頁綠黃圓皺F2代=9:3:3:1第17頁/共71頁

孟德爾總結(jié)出生物遺傳的兩條基本規(guī)律：第一，當(dāng)兩種不同植物雜交時，它們的下一代可能與親本之一完全相同，他把這一現(xiàn)象稱為統(tǒng)一律。孟德爾認(rèn)為，生物的每一種性狀都是由遺傳因子控制的，這些因子可以從親代到子代，代代相傳。遺傳因子在體細(xì)胞內(nèi)是成對存在的，一個來自父本，一個來自母本，只有在形成配子時單獨存在。有些遺傳因子以顯性（dominant）形式存在，能在雜種一代得到表達(dá)；有些因子呈隱性（recessive）狀態(tài)，只有當(dāng)父、母本同時含有這一因子時，才得到表現(xiàn)。第18頁/共71頁

第二，將不同植物品種雜交后的F1代種子再進行雜交或自交時，下一代就會按照一定的比例發(fā)生分離，因而具有不同的形式，他把這一現(xiàn)象稱為分離規(guī)律。第19頁/共71頁科學(xué)的實驗程序—

“假說-演繹法”歸納綜合，總結(jié)規(guī)律分析問題，提出假說觀察實驗，發(fā)現(xiàn)問題設(shè)計實驗，驗證假說第20頁/共71頁年代人物主要著作及成就1915摩爾根(1866-1945)

與他的學(xué)生等人發(fā)表《孟德爾遺傳機理》，后又發(fā)表《遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)》和《基因論》，系統(tǒng)地闡述基因?qū)W說和染色體理論，論證了基因是染色體上分立的遺傳單位。第21頁/共71頁正常的紅眼果蠅突變的白眼果蠅第22頁/共71頁在孟德爾遺傳學(xué)基礎(chǔ)上，Morgan又提出了基因?qū)W說。

1910年，Morgan和他的助手們發(fā)現(xiàn)了第一只白眼雄果蠅，稱為突變型。正常情況下，果蠅都是紅眼的，稱為野生型。Morgan將白眼雄果蠅與紅眼雌果蠅交配，所產(chǎn)生的F1代不論雌雄，全為紅眼果蠅（孟德爾的統(tǒng)一規(guī)律?。５?3頁/共71頁這些F1果蠅互相交配所產(chǎn)生的F2有紅眼也有白眼，但所有白眼果蠅都是雄性的，說明該性狀與性別有聯(lián)系。Morgan的這一連鎖遺傳規(guī)律與孟德爾的遺傳性狀獨立分離規(guī)律是“背道而馳”的！第24頁/共71頁當(dāng)所研究的兩個基因位于同一染色體上而又距離較近時，Morgan的連鎖遺傳規(guī)律起主導(dǎo)作用。當(dāng)所研究的兩個基因位于不同染色體上時，孟德爾的獨立分離規(guī)律起主導(dǎo)作用。第25頁/共71頁達(dá)爾文的進化論，施旺和施萊登的細(xì)胞學(xué)說以及孟德爾遺傳定律和摩根的染色體學(xué)說奠定了當(dāng)代生物學(xué)的基礎(chǔ)，但是他們都只是從純生物學(xué)的角度來闡述生命現(xiàn)象，而不能說明它的根本機理和原因。第26頁/共71頁(2)確定了生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA1、準(zhǔn)備和醞釀階段(1)確定了蛋白質(zhì)是生命的主要基礎(chǔ)物質(zhì)2、現(xiàn)代分子生物學(xué)的建立和發(fā)展階段(1)1953年Watson和Crick提出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型(2)遺傳信息傳遞中心法則的建立DNA復(fù)制機理RNA的轉(zhuǎn)錄(3)對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的進一步認(rèn)識

蛋白質(zhì)的翻譯三、分子生物學(xué)發(fā)展簡史第27頁/共71頁3、初步認(rèn)識生命本質(zhì)并開始改造生命的深入發(fā)展階段(1)重組DNA技術(shù)的建立和發(fā)展

轉(zhuǎn)基因動物:

轉(zhuǎn)基因植物

基因診斷與基因治療(2)基因組研究的發(fā)展(3)單克隆抗體及基因工程抗體的建立和發(fā)展(4)基因表達(dá)調(diào)控機理(5)細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機理研究成為新的前沿領(lǐng)域第28頁/共71頁蛋白質(zhì)是生命的主要基礎(chǔ)物質(zhì)1897年，Buchner兄弟證明酵母無細(xì)胞提取液能使糖發(fā)酵產(chǎn)生酒精1902年EmilFisher證明蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)是多肽1926年，Sumner結(jié)晶了尿素酶1930年，Northrop結(jié)晶了胰蛋白酶1932年，Northrop及Kunitz等結(jié)晶了胃蛋白酶40年代末，Sanger創(chuàng)立二硝基氟苯（DNFB）法、Edman發(fā)展異硫氰酸苯酯法分析肽鏈N端氨基酸1950年P(guān)auling和Corey提出了α-角蛋白的α-螺旋結(jié)構(gòu)模型。1953年Sanger和Thompson完成了第一個多肽分子--胰島素A鏈和B鏈的氨基全序列分析。第29頁/共71頁生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA1868年F.Miescher就發(fā)現(xiàn)了核素（nuclein）20世紀(jì)20-30年代已確認(rèn)自然界有DNA和RNA兩類核酸并闡明了核苷酸的組成。1944年O.T.Avery等證明了肺炎球菌轉(zhuǎn)化因子是DNA；1952年A.D.Hershey和M.Chase用T2噬菌體感染大腸桿菌；第30頁/共71頁Griffith,1928DNAis

theGeneticMaterialMiceinjectedwithSstrainpneumococcusdieMiceinjectedwithRstrainliveExtractsfromSstraintransformtheRstrainintovirulentSstrainObservationgivesapotentialassayforthegeneticmaterial第31頁/共71頁Avery,MacLeod,andMcCarty,1944PurifiedSstrainextractstocharacterizethetransformingprinciple.Materialwasresistanttoproteases;itcontainednolipidorcarbohydrate.IfDNAintheextractisdestroyed,thetransformingprincipleislost.PureDNAisolatedfromtheSstrainextracttransformsRstrain.AverycautiouslysuggestedthatDNAwasthegeneticmaterial.DNA是細(xì)菌的遺傳物質(zhì)第32頁/共71頁HersheyandChase1952

噬菌體侵染細(xì)菌的主要過程噬菌體尾部的末端（基片、尾絲）吸附在細(xì)菌表面；噬菌體通過尾軸把DNA全部注入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，噬菌體的蛋白質(zhì)外殼則留在細(xì)胞外面；利用細(xì)菌的生命過程合成噬菌體自身的DNA和蛋白質(zhì)；用新合成的DNA和蛋白質(zhì)組裝成與親代完全相同的子噬菌體；細(xì)菌解體，釋放子代噬菌體，侵染其他細(xì)菌。第33頁/共71頁DNAwasthehereditarymaterialProteinwasNOTthehereditarymaterialDNA是病毒的遺傳物質(zhì)第34頁/共71頁DNA是動物細(xì)胞的遺傳物質(zhì)當(dāng)DNA加入到某種在培養(yǎng)基中培養(yǎng)的真核單細(xì)胞生物群落中，核酸就會進入到細(xì)胞中去，其中有一部分就會合成出一些新的蛋白質(zhì)。導(dǎo)入DNA的表達(dá)將使細(xì)胞產(chǎn)生一些新的特性。圖.胸腺嘧啶核苷激酶的合成第35頁/共71頁1949-52年S.Furbery等的X-線衍射分析闡明了核苷酸并非平面的空間構(gòu)像，提出了DNA是螺旋結(jié)構(gòu)；1948-1953年Chargaff等用新的層析和電泳技術(shù)分析組成DNA的鹼基和核苷酸量，積累了大量的數(shù)據(jù)同一生物的不同組織的DNA堿基組成相同一種生物DNA堿基組成不隨生物體的年齡、營養(yǎng)狀態(tài)或者環(huán)境變化而改變；A=T，G=C，A＋G=C＋T不同生物來源A＋T/G＋C比值不同第36頁/共71頁同一生物的不同組織的DNA堿基組成相同一種生物DNA堿基組成不隨生物體的年齡、營養(yǎng)狀態(tài)或者環(huán)境變化而改變；A=T，G=C，A＋G=C＋T不同生物來源A＋T/G＋C比值不同第37頁/共71頁RosalindE.Franklin1920-1958衍射照片表明：

DNA是由兩條長鏈組成的雙螺旋，寬度為20埃。第38頁/共71頁Watson和Crick所提出的脫氧核糖酸雙螺旋模型，為充分揭示遺傳信息的傳遞規(guī)律鋪平了道路。第39頁/共71頁雙螺旋DNA的結(jié)構(gòu)特點右手反平行雙螺旋主鏈位于螺旋外側(cè)，堿基位于內(nèi)側(cè)兩條鏈間存在堿基互補螺旋的螺距為3.4nm，直徑為2nm螺旋的穩(wěn)定因素為氫鍵和堿基堆砌力第40頁/共71頁1962年，Watson和Crick與Wilkins共獲Noble生理醫(yī)學(xué)獎。第41頁/共71頁DNA的復(fù)制Conservativereplication

Semiconservativereplication

Dispersivereplication

第42頁/共71頁semi-conservativereplicationMeselsonandStahlin1957第43頁/共71頁第44頁/共71頁Conclusion-aspredictedbyWatsonandCrick,DNAstrandsserveastemplatesfortheirownreplication.Resultsshowthatafteronegeneration,thedoublestrandedDNAis1/2heavy(fromtheparent)and1/2light(newlysynthesized).Thisresultispredictedbysemiconservativereplication.第45頁/共71頁中心法則

Crick于1954年所提出的遺傳信息傳遞規(guī)律1954年首次提出的“中心法則”1970-1980年的“中心法則”21世紀(jì)后修正的“中心法則”第46頁/共71頁

分子遺傳中心法則

(centraldogma)第47頁/共71頁

基因工程是其中最富生命力的核心技術(shù)基因工程是根據(jù)人們的意愿對不同生物的基因在體外進行切割、拼接和重新組合，然后再導(dǎo)入受體細(xì)胞內(nèi)進行繁殖，使重組基因再受體細(xì)胞內(nèi)表達(dá)，產(chǎn)生出人們所希望的基因產(chǎn)物，或創(chuàng)造出具有新的遺傳特征的生物類型。第48頁/共71頁一個完整的DNA重組過程應(yīng)包括：①目的基因的獲?。虎诨蜉d體的選擇與構(gòu)建；③目的基因與載體的拼接；④重組DNA分子導(dǎo)入受體細(xì)胞；⑤篩選并無性繁殖含重組分子的受體細(xì)胞。第49頁/共71頁TwoMethodsforDeliveringDNAintoPlantCellsTransgenicplantproducingthebiodegradableplasticpolyhydroxybutyrate(PHB).ThePHBgranulesarevisualisedbyepifluorescencemicroscopyasfociofredfluorescence.第50頁/共71頁改變花色的轉(zhuǎn)基因矮牽?；ǖ?1頁/共71頁轉(zhuǎn)入熒光素酶蛋白基因的發(fā)熒光煙草第52頁/共71頁轉(zhuǎn)基因甜椒第53頁/共71頁轉(zhuǎn)基因西紅柿第54頁/共71頁藍(lán)色玫瑰第55頁/共71頁Twomethodsofproducingtransgenicmice第56頁/共71頁ProducingEnviropigsTransgenicpigMicroinjectionofgenesintopigegg第57頁/共71頁TransgenicMice第58頁/共71頁DollysheepborninRoslinInstitute,Scottland.1996年7月5日，世界上第一只克隆羊“多利”在英國蘇格蘭盧斯林研究所的

試驗基地誕生。成為世紀(jì)末的重大新聞。第59頁/共71頁克隆羊“多莉伊斯維姆.穆特第60頁/共71頁

A羊B羊從雌性成年綿羊從B羊取出卵子用電擊乳腺組織抽取細(xì)胞法將細(xì)胞核除去殖入載有A綿羊遺傳信息的細(xì)胞核卵子

C綿羊遺傳特性上完全與A相同的小綿羊

“多莉”

第61頁/共71頁

二十世紀(jì)人類的“三大計劃”曼哈頓原子彈計劃阿波羅登月計劃人類基因組計劃第62頁/共71頁1990年，人類基因組計劃啟動2000,6.26中、美、日、德、法、英6國，宣布人類基因組草圖發(fā)表。2000,10月科學(xué)家宣布將于2001年3月完成河豚魚的基因組測序。2000,12月14日英美等國科學(xué)家宣布繪出擬南芥基因組的完整圖譜。2001,1,12中、美、日、德、法、英等國科學(xué)家Nature,15日)和美國塞萊拉公司(Science,16日)各自公布人類基因組圖譜和初步分析結(jié)果。約3萬基因。第63頁/共71頁六國科學(xué)家公布人類基因組細(xì)節(jié)研究成果

2001年2月11日人類基因組計劃、美國塞萊拉遺傳信息公司、美國《科學(xué)》雜志和英國《自然》雜志聯(lián)合宣布，繼科學(xué)家去年繪制成功人類基因組工作框架圖之后，他們又繪制出了更加準(zhǔn)確、清晰、完整的人類基因組圖譜，對人類基因的面貌有了新的發(fā)現(xiàn)。第64頁/共71頁

基因數(shù)量少得驚人

一些研究人員曾經(jīng)預(yù)測人類約有14萬個基因，但塞萊拉公司將人類基因總數(shù)定在2.6383萬到3.9114萬個之間。如果最終確定出的基因數(shù)在這個范圍內(nèi)，比如3萬個左右，那么，人類只比果蠅多大約1.3萬個基因。塞萊拉公司的科學(xué)家測出的序列準(zhǔn)確地覆蓋了基因組的95%，并已經(jīng)確定了所有基因的2／3，平均測序精度為99.96%。第65頁/共71頁

人類基因組中存在“熱點”和大片“荒漠”