第一部分分子生物学绪论

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1、分子生物学 上课教材 现代分子生物学 版 朱玉贤等 高教社 2007年出 版 参考教材 Lehningerprinciplesofbiochemistry part 英文和中文版 Genes 英文和中文版 讲课 郑权 zhengquan 82339872 办公室312 13522996242 第一章 分子生物学绪论 1 分子生物学的概念 2 分子生物学的研究内容 3 分子生物学的发展历程 4 分子生物学发展的趋势 本章要求 1 了解分子生物学广义与狭义的定义 2 了解分子生物学研究的主要内容 3 理解分子生物学发展历程中重要发现及其理论意义 4 熟悉当今分子生物学发展的趋势 1 分子生物学的概

2、念 1 定义 研究核酸和蛋白质等生物大分子的结构与功能 并从分 子水平上阐述核酸与蛋白质 蛋白质与蛋白质之间相互作用 的关系及其基因表达调控机理的学科 2 分子生物学的范畴 广义的分子生物学 核酸和蛋白质等生物大分子结构与 功能的研究 以及从分子水平上阐明生命的现象和生物学规 律 例如 蛋白质的结构和功能 酶的作用机理和动力学 膜蛋白结构与功能以及跨膜运输 核酸的结构与功能等 狭义的分子生物学 偏重于核酸 基因 的分子生物 学 主要研究 基因或DNA结构与功能 复制 第二 章 转录 第三章 表达 第四章 和调节控制 第 六七章 等过程 重点是遗传中心法则 见图 和基因 的解析 见图 2 分子生

3、物学的研究内容 按照狭义的分子生物学 现代分子生物学的研究内容包括5 个大的方面 1 基因与基因组的结构与功能 分子生物学发展的主线 基因的研究 经典的分子生物学 研究染色体和DNA的结构与功能 现代的分子生物学 研究基因与基因组的精细和高级的结构 与功能 2 DNA的复制 转录和翻译 教材第二三四章 包含两个方面 研究DNA或基因怎样在各组相关的酶与 蛋白因子的作用下 按照中心法则的规定进行自我复制 转录 和反转录以及翻译 研究 mRNA分子剪接 加工 编辑以及 对新生多肽链折叠成为有功能的结构 3 基因表达调控的研究 基因表达的实质是遗传信息的转录和翻译 基因表达的 调控主要发生在转录水平

4、和翻译水平上 原核生物的基因表达调控 教材第七章 原核生物的 基因组和染色体结构都比真核生物简单 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 真核生物的基因表达调控 第八章 真核生物有细 胞核结构 转录和翻译过程在不同的时间和空间 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 基因表达调控主要表现在上游调 控序列 信号传导 转录因子以及RNA剪辑等方面 4 DNA重组技术 DNA重组技术是分子生物学的应用 包括基因工程和蛋白 质工程 教材第五章 在 生物技术 课程详细讨论 DNA重组技术的应用 最主要的用于大量生产一些在正常细

5、胞中产量很低而价 值很高的多肽和蛋白质 提高产量 降低成本 常见的基因工 程药物 胰岛素 干扰素 白介素 促红细胞生成素 乙肝基 因工程疫苗等 用于定向改造某些生物的基因结构 属于蛋白质工程范 畴 使它们所具备的特殊功能更符合人类生存和生活的需要 能成倍地提高其经济价值 用于分子生物学领域的基础研究 例如 启动子 转录 因子的克隆与分析等 5 结构分子生物学 结构分子生物学 研究生物大分子特定的空间结构以及结 构变化与其生物学功能关系的科学 内容 结构的测定 结构变化规律的探索和结构与功能 相互关系 基础 生物化学 物理学 化学 计算机和工程学 研究手段 X 射线衍射的晶体学 例子 DNA双螺

6、旋结构的发现 结晶牛胰岛素 药物开发应用 寻找药物设计 开发的靶点 寻找 HIV HBV和SARS等各种病毒的感染和复制等生 命过程的蛋白酶的活性部位 4 分子生物学发展的历程 经历50多年的发展 分子生物学现在能从分子水平 上认识核酸的结构与功能以及复制 转录 翻译 剪接 加工 修饰等的详尽过程 而且已经测知了许多重要 生物的基因组及其结构与功能 真正从分子水平上对这 些基因控制的生长 发育 变异等一系列生物学问题有 了更深入的了解 分子生物学的发展过程可简单地概括为三个阶段 1 人类对DNA和遗传信息传递的认识阶段 1864 1884年 孟德尔发现遗传定律 1868年 瑞士 Miesche

7、r从伤口的脓细胞核中提取到一种富含磷元素的酸 性化合物 称为核素 nuclein 1869年他又从鲑鱼精子中分离出类似的物质 并指出它是由一种碱性蛋 白质与一种酸性物质组成 此酸性物质即是现在的nucleic acid 1900年 孟德尔的遗传定律得到认可 1909年 丹麦Johnnsen首先使用gene一词 1910年 德国Kossel第一次分离获得单核苷酸 1910年 摩尔根发现了遗传连锁定律 使得基因在染色体上的假说有了 坚实的基础 1944年 Avery等人在对肺炎双球菌的转化实验中证实了DNA是生物的遗 传物质 打破了长期以来许多生物学家认为蛋白质是细胞遗传物质的观点 确立了DNA是

8、遗传信息载体的理论 1951年 McClintock提出并发现了可移动动的遗传遗传 因子 mobile element controlling elements 或jumping gene 1983年 获奖 打破了孟德尔关于基因固定排列于染色体上的概念 P56 McClintock B Chromosome Organization and Gene Expression Cold Spring Harbor Symp Quant Biol 1951 16 13 47 McClintock B Controlling elements and the gene Cold Spring Harb

9、or Symposia on Quant Biol 21 197 216 1956 1953年 在Franklin和Wilkins X 射线衍射研究结果的基础 上 Watson和Crick推导出DNA双螺旋结构模型 Nature April 25 1953 1962年 Watson Crick 和Wilkins获奖 生物学由经典的染色体遗传进入到分子生物学的新时代 同年 Sanger在历经8年之后 完成了第一个蛋白质 胰 岛素的氨基酸全序列分析 1958年奖 1954年 Crick在前人研究工作基础上 提出了遗传中心法 则理论 1957年 Kornberg在大肠杆菌中发现了DNA聚合酶 这 是

10、能在试管中合成DNA的第一种核酸酶 1959年 Kornberg获 奖 贡献在于实现了DNA分子在体外试管内的复制 1958年 Meselson和Stahl应用同位素和超速离心法证明 DNA的半保留复制 1961年 Nivenberg等人用合成的信使RNA分子poly U 破译 了第一批遗传密码 同年 Jacob和Monod提出了调节基因表达 的操纵子模型 打开了人类认识基因表达调控的窗口 2 重组DNA技术的建立和发展阶段 1962年 Arber第一个证明在大肠杆菌中限制性内切核酸酶 的存在 8年后Smith等分离到第一种限制性内切核酸酶 限制性内切酶能识别特定的DNA序列并在这个特定位置进

11、 行切割 生物学意义 如在大肠杆菌中 限制性内切酶保护自 己免受外来的DNA的 入侵 限制性内切酶现被广泛用于基 因工程 基因工程反过来大大推动了分子生物学的研究 1967年 Gellert发现了DNA连接酶 1970年 Temin和Baltimore在RNA肿瘤病毒中发现了反转 录酶 1972 1973年 全球重组DNA时代到来 Boyer和Berg等人 发展了重组DNA技术 并完成了第一个细菌基因的克隆 开创 了基因工程的新纪元 1980年获奖 1975年 Blobel等发现了信号肽 1999年获奖 阐述蛋白质 在细胞间的运转机制 明确信号肽及信号识别复合物在蛋白质 跨膜运转过程中的主导作

12、用 1975 1977年 Sanger Maxam和Gilbert发明了DNA序列测定 技术 1980年获奖 1977年 Sharp等人发现了不连续基因 interrupted gene 又 名断裂基因split gene 1993年获奖 打破了基因在染色体上必须 连续排列的传统观念 P93 3 重组DNA技术的应用和 分子生物学的迅猛发展阶段 1981年 Cech发现四膜虫rRNA前体的自我剪接作用 发现 具有催化作用的RNA ribozyme 核酶 1989年获奖 打破了 酶必定是蛋白质的传统观念 P102 105 1982年 第一个基因工程药物 胰岛素在美国和英国获 准使用 同年 Pru

13、siner发现了朊病毒 prion 1997年获奖 朊病 毒作为羊瘙痒症 疯牛病和人克雅氏病的病原体 朊病毒又名 蛋白质感染因子 本身是一种蛋白质 但能直接在寄主细胞中 繁殖传播 具有遗传性和传染性 打破了核酸是遗传信息的 唯一载体的传统观念 1985年 Mullis首创聚合酶链式反应 PCR 技术 1993年获奖 实现了体外试管中大量复制DNA 1990 1992年 转基因玉米及转基因小麦诞生 农作物基因工程开始变 为现实 1990年 人类基因组计划全面正式启动 1997年 Wilmut等首次不经过受精 用成年母羊体细胞的遗传物质 成 功获得克隆羊多莉 开创哺乳动物体细胞无性繁殖的先河 但受

14、伦理道德 的争议和谴责以及最近干细胞的重大技术突破 Wilmut 等在2007年底宣布 放弃克隆人类胚胎研究 2000年 人类基因组计划测序草图完成 综上所述 20世纪以核酸研究为核心 带动着分子生物学向纵深发展 50年代的双螺旋结构 60年代的操纵子学说 70年代的DNA重组 80年代 的PCR技术 90年代的DNA测序都是分子生物学发展的里程碑 将生命科学 带向一个由宏观到微观 再到宏观的时代 5 21世纪分子生物学发展的趋势 1990年 人类基因组计划 human genome project HGP 启动 由美英日 中德法等六国参与 原计划用15年 花30亿美元来完成 人类体细胞共有

15、24条不同的染色体 单倍体基因组DNA约3 109bp 2000年已基本完成人 类基因组的测序工作 结果 Nature 2001 02 15 六国科学家 Science 2001 02 16 Celera 塞莱拉基因公司 目前 人类基因组研究的重点正在由基因结构向基因功能转移 一个以 基因组功能为主要研究内容的 后基因组 post genome 时代已经到来 后基因组 post genome 时代的主要任务是研究细胞全部基因的表达图 式和全部蛋白图式 亦即 从基因组到蛋白质组 分子生物学研究的重点又回到蛋白质 生物信息学等新兴学科也应运 而生 人体细胞单倍体基因组DNA约3 109bp 约3

16、4万个基因 蕴藏生老病 死的全部信息 是一本 天书 目前焦点 寻找6000余种单基因遗传病和多基因遗传病的致病基因和 相关基因 这场 抢基因 的 世纪之战 已白热化 通过设计专利基因以保护 自己利益 见图 目前已找到与遗传病有关的基因 包括乳腺癌 遗传 性耳聋 中风 癫痫症 糖尿病的基因 1 功能基因组学 functional genomics 基因组 是指细胞或生物体中 一套完整单体的遗传物质 的总和 或指原核生物染色体 质粒 真核生物的单倍染色体 组 细胞器 病毒中 所含有的一整套基因 原核生物基因组是指原核生物染色体基因组 有的原核生 物还含有染色体外的质粒基因组 真核生物基因组是指真核生物核基因组 包括染色体基因 组和核内的染色体外基因 以及细胞质的线粒体 叶绿体基因 组等 功能基因组学 functional genomics 在基因组水平上阐明 DNA序列的功能 一些已经完成测序的生物的经验表明 许多基因和基因组 的功能元件只有在整个DNA序列已知的情况下才能得以发现 例如啤酒酵母 S cerevisiae 16条染色体全部序列已于1996年 完成 基因组全长12086kb