分子生物學基礎課件第一頁，編輯于星期六：十三點十八分。第1頁，共64頁。2.分子生物學的研究內(nèi)容1.分子生物學的定義3.分子生物學與生物技術內(nèi)容概要2023/5/112第二頁，編輯于星期六：十三點十八分。第2頁，共64頁。

一、分子生物學的定義2023/5/113第三頁，編輯于星期六：十三點十八分。第3頁，共64頁。從整體水平到分子水平示意圖分子水平細胞水平整體水平

生命科學的發(fā)展過程：2023/5/114第四頁，編輯于星期六：十三點十八分。第4頁，共64頁。分子生物學的概念分子生物學是研究核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子的結構與功能，并從分子水平上闡明蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)與核酸之間的互作及其基因表達調(diào)控機理的學科廣義上，分子生物學包括對蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子結構與功能的研究，以及從分子水平上闡明生命現(xiàn)象和生物規(guī)律，但目前主要研究基因的結構與功能、復制、轉(zhuǎn)錄、表達和調(diào)控，確切地應稱為分子遺傳學第五頁，編輯于星期六：十三點十八分。第5頁，共64頁。DNA-遺傳密碼的攜帶者第六頁，編輯于星期六：十三點十八分。第6頁，共64頁。引自NeilCampbell著Biology第4版,1996胰島素蛋白酶蜘蛛毒素光合作用受體金屬硫蛋白第七頁，編輯于星期六：十三點十八分。第7頁，共64頁。分子生物學的研究內(nèi)容基因與基因組的結構與功能DNA的復制、轉(zhuǎn)錄和翻譯基因表達調(diào)控的研究DNA重組技術結構分子生物學第八頁，編輯于星期六：十三點十八分。第8頁，共64頁。分子生物學的發(fā)展歷程1944~1966年，人類對DNA和遺傳信息傳遞的認識階段1967~1978年，重組DNA技術的建立和發(fā)展階段1979年至今，重組DNA技術的應用和分子生物學迅速發(fā)展階段第九頁，編輯于星期六：十三點十八分。第9頁，共64頁。分子生物學的發(fā)展歷程1944年，Avery

證明DNA是遺傳物質(zhì)1950年，Chargaff提出Chargaff定則1953年，Watson&Crick

成功解析了DNA分子二級結構1961年，Jacob&Monod

提出了調(diào)節(jié)基因表達的操縱子模型第十頁，編輯于星期六：十三點十八分。第10頁，共64頁。分子生物學的發(fā)展歷程1970年，Smith&Wilcox

分離到第一種限制性核酸內(nèi)切酶1972~1973年，Boyer&Berg

發(fā)展了重組DNA技術，并完成了第一個細菌基因的克隆，開創(chuàng)基因工程的新紀元1975年，Southern

發(fā)明了DNA片段的印跡法第十一頁，編輯于星期六：十三點十八分。第11頁，共64頁。分子生物學的發(fā)展歷程1981年，Cech發(fā)現(xiàn)了ribozyme1982年，Prusiner

發(fā)現(xiàn)了朊病毒prion1985年，KarryMullis

發(fā)明了PCR反應1988年，人類基因組計劃啟動1998年，克隆羊多利誕生，同年GenBank公布了最新的人類基因圖譜第十二頁，編輯于星期六：十三點十八分。第12頁，共64頁。GregorMendel(1822-1884).TheFatherofGenetics孟德爾的遺傳學規(guī)律最先使人們對性狀遺傳產(chǎn)生了理性認識第十三頁，編輯于星期六：十三點十八分。第13頁，共64頁。孟德爾（奧地利）的遺傳學規(guī)律最先使人們對性狀遺傳產(chǎn)生了理性認識；Morgan（美）的基因?qū)W說則進一步將“性狀”與“基因”相耦聯(lián)，成為分子遺傳學的奠基石。第十四頁，編輯于星期六：十三點十八分。第14頁，共64頁。1910年，德國科學家Kossel第一個分離了腺嘌呤，胸腺嘧啶和組氨酸。

1959年，美國科學家Ochoa因為酶學方面的杰出貢獻（第一次合成核糖核酸），與實現(xiàn)試管內(nèi)細菌細胞中DNA的復制的ArthurKornberg共享當年諾貝爾生理與醫(yī)學獎。第十五頁，編輯于星期六：十三點十八分。第15頁，共64頁。1.核酸的發(fā)現(xiàn)

早在1868年，Miescher從膿細胞中分離出細胞核，用稀堿抽提再加入酸，得到了一種含氮和磷特別豐富的物質(zhì)，當時稱其為核素（nuclein）。

1872年，他又在鮭魚精子細胞核中發(fā)現(xiàn)了大量的這類物質(zhì)。由于這類物質(zhì)都是從細胞核中提取出來的，而且又是酸性，故稱其為核酸（nucleicacid）。FriedeichMiescher2023/5/1116第十六頁，編輯于星期六：十三點十八分。第16頁，共64頁。

自核酸被發(fā)現(xiàn)以來的相當長時期內(nèi)，對它的生物學功能幾乎毫無所知。

1928年(FrederickGriffith)以后，核酸功能研究取得了重大進展。2023/5/1117第十七頁，編輯于星期六：十三點十八分。第17頁，共64頁。In1928,anexperimentofFrederickGriffithusingpneumoniabacteriaandmice2023/5/1118第十八頁，編輯于星期六：十三點十八分。第18頁，共64頁。1952年，HersheyAD和ChaseM用35S和32p分別標記T2噬菌體的蛋白質(zhì)和核酸，感染大腸桿菌。在大腸桿菌細胞內(nèi)增殖的噬菌體中都只含有32P而不含35S,這表明噬菌體的增殖直接取決于DNA而不是蛋白質(zhì)。2.核酸功能研究的重大進展1944年，AveryOT等首次證明肺炎雙球菌的DNA與其轉(zhuǎn)化和遺傳有關。2023/5/1119第十九頁，編輯于星期六：十三點十八分。第19頁，共64頁。In1952,AlfredHersheyandMarthaChasedidanexperimentwhichissosignificant,ithasbeennicknamedthe“Hershey-ChaseExperiment”.2023/5/1120第二十頁，編輯于星期六：十三點十八分。第20頁，共64頁。In1952,AlfredHersheyandMarthaChasedidanexperimentwhichissosignificant,ithasbeennicknamedthe“Hershey-ChaseExperiment”.2023/5/1121第二十一頁，編輯于星期六：十三點十八分。第21頁，共64頁。DNA的X光衍射照片1952年5月拍攝羅沙琳德·弗蘭克林（RosalindFranklin，1920－1958）英國DNA雙螺旋結構模型的建立2023/5/1122第二十二頁，編輯于星期六：十三點十八分。第22頁，共64頁。Wilkins通過對DNA分子的X射線衍射研究證實了該模型。RosalindE.Franklin1920-1958第二十三頁，編輯于星期六：十三點十八分。第23頁，共64頁。DNA雙螺旋結構模型的建立諾貝爾醫(yī)學與生理學獎1962年2023/5/1124第二十四頁，編輯于星期六：十三點十八分。第24頁，共64頁。WatsonJD和CrickFHC的“雙螺旋結構模型”啟動了分子生物學及重組DNA技術的發(fā)展。確立了核酸作為信息分子的結構基礎；提出了堿基配對是核酸復制、遺傳信息傳遞的基本方式，最終確定了核酸是遺傳的物質(zhì)基礎。2023/5/1125第二十五頁，編輯于星期六：十三點十八分。第25頁，共64頁。TheMeselson-Stahlexperiment（1958）showedthatDNAisreplicatedsemi-conservativelyDNAsemi-conservativeduplication3.DNA復制模型2023/5/1126第二十六頁，編輯于星期六：十三點十八分。第26頁，共64頁。DNA復制模型2023/5/1127第二十七頁，編輯于星期六：十三點十八分。第27頁，共64頁。1961年，Nirenberg、Ochoa以及Khorana等幾組科學家的共同努力，破譯了RNA上編碼合成蛋白質(zhì)的遺傳密碼，證明DNA分子中的遺傳信息是以三聯(lián)密碼的形式貯存。

遺傳密碼在生物界具有通用性。2023/5/1128第二十八頁，編輯于星期六：十三點十八分。第28頁，共64頁。2023/5/1129第二十九頁，編輯于星期六：十三點十八分。第29頁，共64頁。2023/5/1130第三十頁，編輯于星期六：十三點十八分。第30頁，共64頁。4.

中心法則的建立

1958年，Crick提出了分子生物學的中心法則（centraldogma）。

中心法則是分子遺傳學基本理論體系。2023/5/1131第三十一頁，編輯于星期六：十三點十八分。第31頁，共64頁。2023/5/1132第三十二頁，編輯于星期六：十三點十八分。第32頁，共64頁。

1970年，Temin和Baltimore從雞Rous肉瘤病毒(Roussarcomavirus，RSV)顆粒中發(fā)現(xiàn)了以RNA為模板合成DNA的逆轉(zhuǎn)錄酶，進一步補充了遺傳信息傳遞的中心法則。2023/5/1133第三十三頁，編輯于星期六：十三點十八分。第33頁，共64頁。6.基因的人工合成

1978年體外首次成功地人工合成第一個完整基因。直接證實了MendelG在1865年發(fā)現(xiàn)的遺傳因子(基因)的化學本質(zhì)，就是DNA分子。

DNA分子是多種多樣生命現(xiàn)象的物質(zhì)基礎。2023/5/1134第三十四頁，編輯于星期六：十三點十八分。第34頁，共64頁。7.基因組研究的進展

基因組（genome）:一個物種遺傳信息的總和?；蚪Y構與功能研究已經(jīng)從單個基因發(fā)展到生物體整個基因組?；蚪M研究已從簡單的低等生物到真核生物，從多細胞生物到人類。2023/5/1135第三十五頁，編輯于星期六：十三點十八分。第35頁，共64頁。

1977年:Sanger測定了ΦX174DNA全部5375bp核苷酸序列；

1978年:Fiers等測出環(huán)狀SV40DNA全部5243bp核苷酸序列；1980年代:λ噬菌體DNA全部48502堿基對的序列被測出；一些小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因組的全序列也陸續(xù)被測定;1996年底:大腸桿菌基因組DNA的全部序列長4×106堿基對；

1996年底:完成了真核生物酵母（Saccharomyceserevisiae）的基因組全序列測定；1998年底:長達100Mb的線蟲的基因組序列測定也已全部完成。這是第一個完成的多細胞生物體的全基因組序列測定。2023/5/1136第三十六頁，編輯于星期六：十三點十八分。第36頁，共64頁。

人類基因組計劃（humangenomeproject,HGP）美國科學家、諾貝爾獎獲得者DulbeccoR于1986年在美國《Science》雜志上發(fā)表的短文中率先提出，并認為這是加快癌癥研究進程的一條有效途徑。主要的目標是繪制遺傳連鎖圖、物理圖、轉(zhuǎn)錄圖，并完成人類基因組全部核苷酸序列測定。測出人體細胞中24條染色體上全部30億對核苷酸的序列，把所有人類基因都明確定位在染色體上，破譯人類的全部遺傳信息。

HGP是人類自然科學史上與曼哈頓原子彈計劃和阿波羅登月計劃相媲美的偉大科學工程。2023/5/1137第三十七頁，編輯于星期六：十三點十八分。第37頁，共64頁。“What’sHumanGenomeProject?”“OnebaseOnedollar!”-byataxidriver(andataxpayer)第三十八頁，編輯于星期六：十三點十八分。第38頁，共64頁。

研究結果表明，人類基因數(shù)量僅有3萬個左右，比此前估計的要少得多。通過研究還發(fā)現(xiàn)男女可能存在巨大遺傳差異，男性染色體減數(shù)分裂的突變率是女性的兩倍。在已經(jīng)分析的序列中，找到很多與遺傳病有關的基因，包括乳腺癌、遺傳性耳聾、中風、癲癇癥、糖尿病和各種骨骼異常的基因。2023/5/1139第三十九頁，編輯于星期六：十三點十八分。第39頁，共64頁。humanArabidopsis擬南芥ThermotogamaritimaEscherichiacoli大腸桿菌Buchnerasp.APSRickettsiaprowazekiiUreaplasmaurealyticumBacillussubtilisDrosophilamelanogasterThermoplasmaacidophilumPlasmodiumfalciparumHelicobacterpylorimouseCaenorhabitiselegansratBorreliaburgorferiBorreliaburgorferiAquifexaeolicusNeisseriameningitidisZ2491Mycobacteriumtuberculosis全基因組已經(jīng)測序的一些生物第四十頁，編輯于星期六：十三點十八分。第40頁，共64頁。（二）蛋白質(zhì)分子生物學：

DNA→儲存生命活動的各種信息。

蛋白質(zhì)→生命活動的執(zhí)行者。蛋白質(zhì)的分子生物學主要研究蛋白質(zhì)的結構與功能。2023/5/1141第四十一頁，編輯于星期六：十三點十八分。第41頁，共64頁。

蛋白質(zhì)結構與功能的研究進展

1956年，Anfinsen和White根據(jù)對酶蛋白的變性和復性實驗，提出蛋白質(zhì)的三維空間結構是由其氨基酸序列來確定的。1958年，Ingram證明正常的血紅蛋白與鐮狀細胞溶血癥病人的血紅蛋白之間，在其亞基的肽鏈上僅有一個氨基酸殘基的差別。1969年，Weber開始應用SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳測定蛋白質(zhì)分子量；20世紀60年代先后分析了血紅蛋白、核糖核酸酶A等一批蛋白質(zhì)的一級結構。

中國科學家在1965年人工合成了牛胰島素；1973年又用1.8AX射線衍射分析法測定了牛胰島素的空間結構。2023/5/1142第四十二頁，編輯于星期六：十三點十八分。第42頁，共64頁。三、分子生物學與生物技術2023/5/1143第四十三頁，編輯于星期六：十三點十八分。第43頁，共64頁。

分子生物學技術：

例如：DNA及RNA的印跡轉(zhuǎn)移、核酸分子雜交、基因克隆、基因體外擴增、DNA測序等，形成了獨特的重組DNA技術及其相關技術。

由生物化學、生物物理學、細胞生物學、遺傳學、應用微生物學及免疫學等各專業(yè)技術的滲透、綜合而成，并在此基礎上發(fā)明和創(chuàng)造了一系列新的技術。2023/5/1144第四十四頁，編輯于星期六：十三點十八分。第44頁，共64頁。分子克隆(molecularcloning)

重組DNA(recombinantDNA)技術是近代分子生物學技術的核心。

基因操作(genemanipulation)

基因克隆(genecloning)基因工程(geneengineering)2023/5/1145第四十五頁，編輯于星期六：十三點十八分。第45頁，共64頁。

通過DNA連接酶把不同的DNA片段連接成一個整體。a.DNA的粘性末端;b.DNA的平末端;c.化學合成的具有EcoRI粘性末端的DNA片段。第四十六頁，編輯于星期六：十三點十八分。第46頁，共64頁。工具酶限制性核酸內(nèi)切酶能夠識別DNA上的特定堿基序列并從這個位點切開DNA分子。第一個核酸內(nèi)切酶EcoRI是Boyer實驗室在1972年發(fā)現(xiàn)的，它能特異性識別GAATTC序列，將雙鏈DNA分子在這個位點切開并產(chǎn)生具有粘性末端的小片段。

第四十七頁，編輯于星期六：十三點十八分。第47頁，共64頁。幾種主要DNA內(nèi)切酶所識別的序列及其酶切末端.第四十八頁，編輯于星期六：十三點十八分。第48頁，共64頁。基因克隆的載體僅僅能在體外利用限制性核酸內(nèi)切酶和DNA連接酶進行DNA的切割和重組，還不能滿足基因工程的要求，只有將它們連接到具備自主復制能力的DNA分子上，才能在寄主細胞中進行繁殖。具備自主復制能力的DNA分子就是分子克隆的載體（vector）。病毒、噬菌體和質(zhì)粒等小分子量復制子都可以作為基因?qū)氲妮d體。第四十九頁，編輯于星期六：十三點十八分。第49頁，共64頁。重組DNA操作過程示意圖第五十頁，編輯于星期六：十三點十八分。第50頁，共64頁。第五十一頁，編輯于星期六：十三點十八分。第51頁，共64頁。20世紀以來，分子生物學的發(fā)展，產(chǎn)生了重組DNA技術，推動生物技術深入發(fā)展，而導致現(xiàn)代生物技術作為一門交叉學科的產(chǎn)生。轉(zhuǎn)基因細胞、轉(zhuǎn)基因動物和基因剔除動物的出現(xiàn)，是現(xiàn)代分子生物學技術在生物技術領域的應用與發(fā)展。2023/5/1152第五十二頁，編輯于星期六：十三點十八分。第52頁，共64頁。

用轉(zhuǎn)基因動物獲取治療人類疾病的重要蛋白質(zhì)。如，導入了凝血因子Ⅸ基因的轉(zhuǎn)基因綿羊分泌的乳汁中含有豐富的凝血因子Ⅸ，能有效地用于血友病的治療。

轉(zhuǎn)基因動物和基因剔除動物2023/5/1153第五十三頁，編輯于星期六：十三點十八分。第53頁，共64頁。

在轉(zhuǎn)基因植物方面取得重大進展，比普通西紅柿保鮮時間更長的轉(zhuǎn)基因西紅柿投放市場。轉(zhuǎn)基因玉米、轉(zhuǎn)基因大豆相繼投入商品生產(chǎn)。我國科學家將蛋白酶抑制劑基因轉(zhuǎn)入棉花，獲得抗棉鈴蟲的棉花株。

轉(zhuǎn)基因植物和轉(zhuǎn)基因食品2023/5/1154第五十四頁，編輯于星期六：十三點十八分。第54頁，共64頁。DNA序列分析技術：

雙脫氧末端終止法:1977年，劍橋大學SangerF等發(fā)明。

化學裂解法:

美國MaxamI和GilbertW發(fā)明。2023/5/1155第五十五頁，編輯于星期六：十三點十八分。第55頁，共64頁。2023/5/1156第五十六頁，編輯于星期六：十三點十八分。第56頁，共64頁。(polymerasechainreaction,PCR)：1985年，MullisK首創(chuàng)。體外模擬細胞內(nèi)DNA復制過程，進行體外基因擴增。2023/5/1157第五十七頁，編輯于星期六：十三點十八分。第57頁，共64頁?；蛐酒℅enechips）技術：

基因芯片技術:將大量探針固定于支持物上，與標記的樣品進行雜交?？梢淮涡詫悠分写罅啃蛄羞M行檢測和分析。解決了傳統(tǒng)核酸雜交技術操作繁雜、檢測效率低的問題。

通過設計不同的探針陣列和使用特定的分析方法，使該技術具有多種不同的應用價值。如基因表達譜分析、基因突變檢測、多