分子生物学一绪论

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1、 分子生物学 化学与生命科学系 姚飞虹 课程通过课堂讲授和实验使同学们掌握有关 分子生物学的基本知识，并对该科学有一 个基本的整体的认识。了解核酸的基本生 物化学特性；熟知生物信息的储存与表达 过程；掌握DNA、RNA和蛋白质的基本代 谢过程，特别是基因的一般结构与生物功 能，基因活性的修饰与调节以及基因与发 育的有关基础知识；掌握分子克隆与DNA 重组的基本技术与原理，了解现代分子生 物学基本研究方法，了解基因治疗等的新 成果、新进展。目的是使同学们对该学科 产生兴趣，为今后投身到生命科学的研究 奠定基础。 讲授的内容介绍：讲授的内容介绍： 1、绪论 2、染色体与DNA 3、生物信息的传递（

2、上）从DNA到RNA 4、生物信息的传递（下）从mRNA到蛋白质 5、分子生物学研究方法（上） DNA、RNA及蛋白 操作技术 6、分子生物学研究方法（下） 基因功能研究技 术 7、基因的表达与调控（上）原核 8、基因的表达与调控（下）真核 9、疾病与人类健康 10、基因与发育 11、基因组与比较基因组学 第一章 绪论 引言 分子生物学定义 分子生物学发展简史 分子生物学研究内容 分子生物学展望 一、引言 1、创世说与进化论 达尔文、1859年物种起源，确立了进化论的概念 2、细胞学说（1847） 德国 Schleiden (19世纪） 德国 Schwann （19世纪） 荷兰 Leeuwen

3、hoek （17世纪） 列文虎克 细胞学说的主要内容有： 细胞是有机体， 一切动植物都是由单细 胞发育而来， 即生物是由细胞和细胞的产 物所组成； 所有细胞在结构和组成上基本相似； 新细胞是由已存在的细胞分裂而来； 生物的疾病是因为其细胞机能失常。 3、经典的生物化学和遗传学 经典生物化学 19世纪中叶，蛋白质的发现 Buchner 证明蛋白质是生活细胞中所有化学反 应的执行者和催化剂 19世纪中叶到20世纪初，组成蛋白质的20种基 本氨基酸被相继发现（ 1935年，苏氨酸） 著名生物化学家Fisher还论证了连接相邻氨基 酸的“肽键”的形成。 经典遗传学 孟德尔Gregor Mendel (

4、1822- 1884),奥地利科 学家，经典遗传 学的奠基人 1857-1864的7年中，进行了豌豆的杂交研究 ，1865 年发表了他的划时代的论文植物 杂交试验 在论文中提出了“遗传因子”的概念，并得出 了二条规律： 统一律（P5）：F1=3：1分离 分离规律： F2=9：3：3：1的分离 在孟德尔遗传学的基础上，美国著名的遗传学 家Morgan又提出了基因学说。连锁遗传规律 F1 F2 4、DNA的发现 1944年， 美国著名微生物学家 Avery证 明 gene就是DNA分子，DNA才是遗传信息 的载体，蛋白质不是。 Avery的肺炎双球菌转化实验 Hershey和Chase的 噬菌体侵

5、染细菌试验 第一章 绪论 引言 分子生物学定义 分子生物学发展简史 分子生物学研究内容 分子生物学展望 二、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）、保 持（损伤和修复）、基因的表达（转录和翻译）与调控。 强调以上各种生命活动（Biochemical processes） ：1 是什么（what，生物学重要性和具体过程）， 2所涉及的 生物大分子（DNA、RNA、蛋白质) 是如何相互作用使之 发生的（how）。 第一章 绪论 引言 分子生物学定义 分子生物学发展简史 分子生物学研究内容 分子生物学展望 近半个多世纪以来 医

6、学，化学中重大突破与成就者 Nobel Prize 分子生物学发展的 里程碑与主要内容 现代分子生物学的发展简史 三、分子生物学发展简史 1、孕育阶段（18201950年代） 1865年，孟德尔发表了他的植物杂交实验一文， 首次阐述了生物界有规律的遗传现象。 1900年，孟德尔遗传规律被证实，成为近代遗传学基 础。 1910年，Morgan的染色体基因遗传理论 ， Gene 存在于染色体上。进一步将“性状”与“基因”相耦联， 成为现代遗传学的奠基石。 1944年，美国微生物学家Avery证明基因就是DNA分 子，提出 DNA是遗传信息的载体。 2、创立阶段（19501970年代） 1953年，

7、 美国科学家Watson 和英国科 学家Crick提出 DNA Double Helix model 1962年Watson、 Crick与Wilkins共享诺 贝尔生理医学奖 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 1958年Crick提出中心法则。 1958年，Meselson 和Stahl证明 DNA半保留 复制。 半保留复制（Semiconservative replication） 是描述DNA的复制方式，目前已知的所有细胞 皆以此方式进行复制。也是唯一确认存在于自 然界中的模型。 Stahl Meselson 1959年，美籍西班牙裔科学家Uchoa和美

8、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）提出操纵子学说（第七章 ） 并首次提出了mRNA的概念 1965年获得诺贝尔生理医学奖 1968年获得诺贝尔生理医学奖 3、发展阶段（1970年代以后） 1970年，Temin 和Baltimore在RNA肿瘤 病毒中发现逆转录酶。 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。 桑格 (Sanger） 吉尔伯特( Gilbert） 伯格（Berg） 1980年，与Gilbert和Ber

9、g共享诺贝尔化学奖 Sanger还由于测定了牛胰岛素的一级 结构而获得1958年诺贝尔化学奖。 1983. Barbara McClintock (86y) DNA transposable elememt 1983年，美国遗传学家McClintock因发现可移动 的遗传因子而获得诺贝尔生理医学奖。 she is the only woman to receive an unshared Nobel Prize in that category 1997年，美国科学家 Prusiner(普鲁希内尔) 发现朊病毒 是阿尔次海默病（早老性痴呆症）等疾病的病原 获得诺贝尔生理医学奖 1999年,美国

10、科学家Blobel 发现蛋白质有内部信号决 定蛋白质在细胞内的转移 和定位.信号肽和信号识别 复合物(SRPS)在蛋白质跨 膜运转过程中的主导作用. 1999年，诺贝尔生理医学奖 。Leland H. Hartwell, R. Timothy (Tim) Hunt 以及 Paul M. Nurse等三人，多年的研究发现细胞周期的 关键因子与调控机制，细胞周期蛋白依赖激酶 (CDK)与细胞周期蛋白（cyclins）-调节CDK功能 的蛋白质,促进世人对细胞周期的了解，进而开启癌 症的生成与不正常细胞周期调控的研究方向。 2001年，获诺贝尔生理医学奖 罗杰科恩伯格 真核生物如果想应用存储在基因里

11、的 信息，必须先将信息备份并传送至细 胞外层，细胞再利用这些信息生产蛋 白质，这个备份过程被称作转录。美 国科学家罗杰科恩伯格正是因为揭 示了这一过程而获得了本年度诺贝尔 化学奖。 2006年，诺贝尔化学奖 2006年诺贝 尔生理医学 奖 RNA干扰现象 -控制遗传 信息流动的 基本机制 安德鲁法尔 AndrewZ.Fire 美国 美国麻省理工学院 1959 雷格梅洛 Craig C.Mello 美国 哈佛大学 1960 2007年诺贝尔生理医学奖 在涉及胚胎干细胞和哺乳动物DNA重组方面的一系列突破性 发现基因打靶技术 2009年诺贝尔生理医学奖 2009年诺贝尔化学奖 我国参与第3号染色体

12、研究，计3000万个碱基对，约占 人类基因组全部序列1%（中科院遗传所人类基因组中 心杨焕明教授负责，1999年9月加入这一研究计划）。 人类基因组“工作框架图”在 2000年6月26日宣布完成绘 制， 2003年4月14日美英日 法德中等国的科学家宣布 完成人类基因组的测序工作 国际际水稻（粳稻）基因组组计计划始于1998年，日美中法等 10个国家和地区参加，我国的贡贡献率为为20% 。 2005年8月10日， Nature 宣布历时历时 6年半的水稻全基 因组测组测 序完成 明确12条染色体上37544个基因的精确位置， 误误差率0.01% 第一个完成着丝丝点测测序高等植物。 第一章 绪论

13、 回顾所学知识点 分子生物学定义 分子生物学发展简史 分子生物学研究内容 分子生物学展望 四 、分子生物学研究内容 DNA重组技术（基因工程） 基因的表达调控 生物大分子的结构和功能研究(结构分子生物学） 基因组、功能基因组与生物信息学研究 所有生物体中的有机大分子都是以C为核心以共价键 的形式与H、O、N、P以不同的方式构成的 一切生命体中的各类有机大分子都是由完全相同的单 体，如 Pr （20aa）、DNA/RNA中的8种碱基所组成的 ，由此产生了分子生物学的三条基本原理： 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（无物种特异性）; 2. 生物体内一切有机大分子的建成都

14、遵循共同的规则; 3. 某一特定生物体所拥有的核酸和蛋白质分子决定了它 的属性. 分子生物学的三条基本原理 DNA重组技术 将不同的DNA片段 （如某个基因or 基 因的一部分）按照 人们的设计方向连 接起来，在特定的 受体细胞中与载体 同时复制并得到表 达，产生影响受体 细胞的新的遗传性 状。(首创者P.伯格 ) DNA重组技术有着广阔的应用前景 1、可被用于大量生产某些在正常细胞代谢中产 量很低的多肽 ; 2、可用于定向改造某些生物的基因组结构 ; 3、可被用来进行基础研究 基因的表达调控（第7&8章） 基因表达实质上就是遗传信息的转录和翻译。 在个体生长发育过程中生物遗传信息的表达按一

15、定时序发生变化（时序调节），并随着内外环境 的变化而不断加以修正（环境调控）。 原核生物的基因组和染色体结构都比较简单， 转录和翻译在同一时间和空间内发生，基因表 达的调控主要发生在转录水平。（第7章） 真核生物转录和翻译过程在时间和空间上都被 分隔开，且在转录和翻译后都有复杂的信息加 工过程，其基因表达的调控可以发生在各种不 同的水平上。其基因表达调控主要表现在信号 传导研究、转录因子研究及RNA剪辑3个方面 。（第8章） 一个生物大分子，无论是核酸、蛋白质或多糖，在发挥 生物学功能时，必须具备两个前提： 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。

16、 结构分子生物学就是研究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。它包括3个 主要研究方向： 结构的测定 结构运动变化规律的探索 结构与功能相互关系 结构分子生物学 基因组、功能基因组与生物信息学研究 2001年，Nature和Science同时发表人类基因组全序 列。 功能基因组学又往往被称为后基因组学，它利用结构基 因组所提供的信息和产物，发展和应用新的实验手段， 通过在基因组或系统水平上全面分析基因的功能，使得 生物学研究从对单一基因或蛋白质得研究转向多个基因 或蛋白质同时进行系统的研究。 生物信息学从事对基因组研究相关生物信息的获取、加 工、储存、分配、分析和解释。包括了两层含