现代分子生物学 课件

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1、第一章 绪论 一. 基本含义 一. 分子生物学的基本含义 是人类从分子水平上研究细胞活动的规 律，揭开生命本质的一门基础学科。 第一章 绪论 一. 基本含义 - 分子水平是指 携带遗传信息的核酸和在遗传信息传递及细胞内 、细胞间通讯过程中发挥着重要作用的蛋白质等生 物大分子。 - 分子水平上研究生命的本质主要是指 对遗传、生殖、生长和发育等生命基本特征的分 子机理的阐明, 从而为利用和改造生物奠定理论基 础和提供新的手段。 第一章 绪论 一. 基本含义 分子生物学： 是研究核酸等生物大分子的功能、 形态结构特 征及其重要性和规律性的学科，是人类从分子 水平上真正揭开生物世界的奥秘，由被动适应

2、自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学 科。 分子生物学是目前现代生物学领域里最具有活 力和发展最为迅速的学科之一。 第一章 绪论 二. 分子生物学发展简史 二. 分子生物学发展简史 分子生物学的发展大致可分为两个阶段 1. 准备和酝酿阶段 19世纪后期-20世纪50年代 产生了两点对生命本质的认识上的重大突破: 确定了生物遗传的物质基础是核酸, 解决了遗 传的物质基础问题。 确定了蛋白质是生命的主要基础物质。 第一章 绪论 二. 分子生物学发展简史 2. 分子生物学的建立和发展阶段 主要进展: 50年代提出了DNA分子的双螺旋结构模型和半保 留复制机制, 解决了遗传物质的自我复制和世代交替

3、 问题; 50年代末至60年代, 提出了“中心法则”和操纵子学 说, 成功地破译了遗传密码, 阐明了遗传信息的流动 与表达机制。 P. 11 第一章 绪论 二. 分子生物学发展简史 1957 年, A. Kornberg 在大肠杆菌中发现了 DNA 聚合酶; 1965 年, 证明了细菌的抗药性通常由“质粒”DNA所决定； 1967 年, 第一次发现 DNA 连接酶; 1970 年, Smith, Wilcox 和 Kelley 分离出第一种限制性核酸内切 酶, Temin 和Baltimore 从RNA肿瘤病毒中发现反转录 酶。 1972-73 年, Boyer, Berg等人发明了DNA重组

4、技术, 1972年获得第一个重组 DNA 分子； 1973年完成第一例细菌基因克隆。 1978年, 首次在大肠杆菌中生产由人工合成基因表达的人脑激 素和人胰岛素。 第一章 绪论 二. 分子生物学发展简史 1981年, Palmiter和Brinster 获得转基小鼠, Spradliing和Rubin得到转基因果蝇。 1982年, 美、英批准使用第一例基因工程药物胰岛素。 1983年, 获得第一例转基因植物。 1994年, 第一批基因工程西红柿在美国上市。 1996年, 完成了酵母基因组(1.25107bp)全序列测定。 1997年, 英国爱丁堡罗斯林研究所获得克隆羊。 2000年, 完成第一

5、个高等植物拟南芥的全序列测定 (3.2 108bp)。 2001年, 完成人类基因组全序列测定(3.5 109bp)。 第一章 绪论 二. 分子生物学发展简史 2002年, 英、美、德等国的上百位科学家在Nature 杂志上联合宣布他们成功破译了小鼠的基因组。 2004年，科学杂志发表了中国科学家的家蚕基因组框 架图。 2005年， 2005年8月11日中、美、日、法等10个国家和地区 的科学家在 Nature 杂志发表了水稻基因组“精细 图”，覆盖率达95.3。 我国对国际水稻基因组计划的贡献率达20。共定 位了37,500个基因，还率先在动植物中完成了对着 丝粒的测序 。 第一章 绪论 二

6、. 分子生物学发展简史 2009年， 由中国农科院蔬菜花卉研究所和深圳华大基因研 究院领衔、14国科学家组成的国际马铃薯基因组 测序协作组，分别在北京、阿姆斯特丹、伦敦、 纽约、利马等地同时宣布： 马铃薯基因组序列框架图完成 马铃薯基因组有12条染色体、8.4亿个碱基对 该框架图覆盖了: 马铃薯95以上的基因 共发现3.5万多个基因 第一章 绪论 二. 分子生物学发展简史 2009年， 中国颁发了具有自主知识产权的: 一个转植酸酶基因玉米品种 生产应用安全证书 两个转抗虫基因水稻品种 第一章 绪论 二. 分子生物学发展简史 转植酸酶基因玉米: 可以提高饲料的利用效率，减少饲料中磷酸氢 钙的添加

7、量，降低饲养成本；减少动物粪、尿中植 酸磷的排泄，减轻环境污染，有利于环境保护. 此外，利用农业种植方式生产植酸酶，还具有 节能、环保、低成本的优势。 植酸酶: 是催化植酸及其盐类水解为肌醇与磷酸（盐）的 一类酶的总称 第一章 绪论 二. 分子生物学发展简史 转抗虫基因水稻: 能有效控制螟虫等鳞翅目害虫危害，保障水 稻增产，还能减少80%的化学农药用量。 第一章 绪论 三. 分子生物学的主要研究内容 1. 分子生物学的基本原理 （p 11) (1) 构成生物体各类有机大分子的单体在不同生物中 都是相同的。 (2) 生物体内一切有机大分子的建成都遵循共同的规 则。 (3) 某一特定生物体所拥有的

8、核酸及蛋白质分子决定 了它的属性。 第一章 绪论 三. 主要研究内容 2. 主要研究内容 (1） DNA重组技术 （2）基因表达调控研究 （3）结构分子生物学 （4）基因组、功基因组与生物信息学研究 分子生物学的研究内容 DNA重组技术 （1）DNA 重组技术（基因工程/遗传工程/基因操作/基因克隆/分子克隆） 在体外将不同的 DNA 片段 (整个基因或基因的 一个部分) 按照人们的设计定向连接起来后，转入 特定的受体细胞，使重组基因在受体细胞中与载体 同时复制并得到表达，从而赋予生物体新的遗传特 性, 创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物 产品。 基因（gene）： 产生一条多肽链或功能

9、RNA所需要的全部DNA序列. G AATTC CTTAA G SV40 G AATTC CTTAA G SV40病毒DNA噬菌体DNA EcoR I DNA ligase 连接 SV40 GAATTC CTTAAG SV40 DNA GAATTC CTTAAG DNA VS40 GAATTC CTTAAG GAATTC CTTAAG SV40 5 3 5 3 切割 图: SV40 病毒DNA 和 噬菌体 DNA 的重组 例1: 例2: 分子生物学的研究内容 DNA重组技术 DNA重组操作主要包括: DNA (基因组和质粒DNA) 提取和纯化 PCR (聚合酶链反应) 基因扩增 DNA聚合酶

10、DNA分子切割 限制性内切酶 DNA片段与载体连接 DNA连接酶 DNA凝胶电泳 细胞转化及重组子的筛选与鉴定等 分子生物学的研究内容 DNA重组技术 三大基本工具: “分子手术刀” 限制性核酸内切酶 “分子缝合针” DNA连接酶 “分子运输车” 基因进入受体细胞的载体 分子生物学的研究内容 DNA重组技术 DNA 重组技术应用前景 可用来进行基因功能的研究。如利用 反义技术、 RNA干扰等技术。 可用于定向改造某些生物的基因组结构。如：转 基因Bt抗虫棉，将苏云金芽孢杆菌编码Bt毒蛋白 的抗虫基因转入棉花后获得的。 可用于大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低或 不能 产生的多肽，如激素、抗生

11、素、酶类和抗体 等，提高产量，降低成本。 分子生物学的研究内容 基因表达调控研究 基因表达 (gene expression): 从DNA到蛋白质或功能RNA的过程被称为基因表达。 实质上就是遗传信息的转录和翻译 基因表达调控(gene regulation)： 对基因表达过程的调节就称为基因表达的调控。 (2) 基因表达调控研究 分子生物学的研究内容 基因表达调控研究 DNA RNA 反馈 (?) 转录 复 制 翻译 蛋白质 生理功能 图: 遗传信息传递的“中心法则”示意图 （21世纪后修正的 ） tRNA和rRNA 小RNA （microRNAs） 非编码RNA （Non-codingRN

12、A） P.11 分子生物学的研究内容 基因表达调控研究 基因表达调控类型: 时序调控 (遗传特性) 区域调控 (遗传特性) 环境调控 (内外环境变化) 基因表达过程中的调控主要发生在： DNA的转录水平 ( 原核生物和真核生物) RNA的翻译水平 (此调控仅发生在真核生物的基因表 达中) 分子生物学的研究内容 结构分子生物学 （3）生物大分子的结构功能研究结构分子生物学 一个生物大分子，无论是核酸、蛋白质等在发挥其生物功 能时，必须具备两个提： 拥有特定的空间结构 （三维结构）； 发挥生物学功能的过程中必定存在着结构和构象的变 化。 分子生物学的研究内容 结构分子生物学 结构分子生物学就是研究

13、生物大分子特定的空间结 构及结构的运动变化与其生物学功能关系的科学。 主要包括三个研究方向： 结构的测定 采用X射线衍射、二维或多维核磁共振等方法 结构运动变化规律的探索 结构与功能相互关系的建立 分子生物学的研究内容 基因组、功能基因组与生物信息学研究 （4）基因组、功基因组与生物信息学研究 基因组（genome): 生物有机体的单倍体细胞中的所有DNA，包括 核中的染色体DNA和线粒体、叶绿体等亚细胞器中 的DNA。 P. 456 分子生物学的研究内容 基因组、功能基因组与生物信息学研究 基因组计划: 测定基因组序列。 - 人类基因组计划 目的是揭开人类所有的遗传结构, 包括所有的基因(尤

14、其是与疾病相关的基因)和基因外 序列的结构。1990年-2001年，美、英、法、德、 日、中 6 国的合作已完成人类基因的全部序列测定工 作。见表2-1, P. 19. - 小家鼠、果蝇、线虫、拟南芥、水稻、啤酒酵母，以 及多种真菌、细菌的基因组研究相继展开，其中拟南 芥基因组的全序列测定已完成。 分子生物学的研究内容 基因组、功能基因组与生物信息学研究 功能基因组计划 ( 蛋白组计划或后基因组计划): 揭 示基因产物和功能之间的关系。通过 利用各种模式植物体基因的剔除和转 基因来研究基因的功能。 生物信息学: 将基因的结构、蛋白质功能以及物种的 进化在基因信息的基础上统一起来。 p. 15 第一章 绪论 四. 课程学习目的和内容 1. 学习目的: