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1、生物继教专题 生物学走进21世纪21StCenturyBiology 首先 给大家几个要领性的提示 从当前生物学看未来的发展 从20世纪的生物学到21世纪的生命科学 名称的转换已昭示出这一学科已经迈进到了一个崭新的阶段 生物学 以研究生物本身的特征和行为为主要 更现象 更具体一些 生命科学 生物是环境中的生命 更注重从生命的化学本质到生命的生存关系 更本质 更统摄一些 这是一个认识和概念的迁移 更是一个内升 1 二十世纪生物学的最大特点 生物学从单科发展到交叉学科的形成 研究的主线为 宏观到微观 整体到局部 结构到功能 细胞到分子 由认识到实践 由理论到应用 以孟德尔定律的新生开始了20世纪
2、摩尔根的理论推动了经典单科的发展 数理化的渗透使生物学摆脱了局限 DNA分子结构的发现把生物学领入分子时代 以基因工程为核心的生物技术开始了生物经济 分子生物学的融合范例提示着人们大生物学的融合趋势 生命科学带着重点进入了21世纪 2 未来生物学的发展方向 生命科学要继续向微观本质方面纵深发展 回采宏观 宏观生物学将在21世纪得到长足进展 发育生物学 神经科学 脑科学等将获重大进展 发育 遗传和进化理论将统一 生物技术高速发展 3B将开创生物世纪的未来 分子生物学继续是生命科学 甚至是NS的带头学科 21世纪的生物学将是一个更本质化的 统一的 真正的 名符其实的 系统化的综合性生物学 Gene
3、ralBiology 用系统论的认识方法 认识生命整体 用系统论的解决工具 解决生命问题 3 当前几个问题的重点提示 生物大分子的高级结构 结构与运动是生命现象的基础 分子运动是生命功能的本质 三维结构是解开生命奥秘的钥匙 没有生物大分子的三维结构及其运动 就没有生命现象 结构分子生物学将是21世纪生命科学发展的基础和动力 核酸与蛋白质的相互作用是重要问题 信息大分子的表达和调控是复杂问题 传递和表达是生物大分子的转化问题 中心法则是大分子间的信息流程问题 对与中心法则有关的重要问题的深入研究 仍然是未来生物学中的重中之重 生物大分子的相互作用是生命功能的体现 这是21世纪生命科学发展研究的重
4、要焦点 生物大分子的相互作用 今后25年 肿瘤分子生物学将会转入到应用方面 将癌基因 抑癌基因的作用机制的研究成果直接用来解决肿瘤的预测 诊断 规模预防和有效治疗上 自从上世纪60年代免疫学脱离微生物范畴而独立后 现在已完全进入了一个新的时代 分子免疫学 而进展最快的MHC 或HLA 将对生物学和医学产生巨大的影响 肿瘤分子生物学的医学应用 分子免疫学的医学应用 干细胞生物学的发展和应用将再审生命 生命再造 定向发育 器官再生 疾病根治 这是研究和应用连接最紧的一例 是技术和经济结合最好的一例 拓扑生物学是为遗传 发育和进化理论的综合统一而诞生 遗传是传递和表达的本身 发育是表达的程序 进化是
5、表达程序的时空差异 其本质都是DNA的时空调节造就了生命的四维构象 这样的学科整合一定是个必然 干细胞生物学的迅速发展 相关连理论由分聚合 建立神经肽 受体 离子通道 G蛋白及NGF的三维结构 一级结构已经通过cDNA克隆技术得到阐明 进一部完善神经信号转导的分子进程 基本成员 信号整合 调控等概念 阐明神经信号在生物体内快速传导的分子机制 尽快走出研究的初始阶段 阐明脑神经回路的结构和信息处理的机制问题 这是神经生物学中最复杂的问题 探究思维 情感 学习 记忆等活动的分子基础 加快脑科学与信息科学 微电子技术 生物技术的结合 引领一场新的信息革命 分子生物学与神经生物学 脑科学的结合 将导致
6、一场新的智能革命 大脑风暴将席卷全球 人体信息智能研究将高速发展 现在 给大家介绍几个发展点 一群神秘的可塑细胞 干细胞 3B与21世纪 还有技术人文 遗传 发育和进化理论的统一 中心法则的障碍及其疏通 遗传学要迎来新一轮的发展 染色体的结构将被重点回采 内容一揽 结语 我替大家列了几个21世纪生命科学的发展点 重不在掌握 而在关注 我们教书的 就是在关注着全局 以构成和调整着我们的教学新思想 最终是为了帮助我们的学生完成合意性的建构 知识和思维的应时性建构 再见 谢谢各位 欢迎指正 邮箱 laozhao56 关于 中心法则 生命科学的基本事件是传递和表达 中心法则 是传递和表达的分子体现 是
7、传递和表达的 分子表达式 是信息流的通道 因为生物是DNA性的 DNA的基本属性就是传递和表达 生命无不如此 活页集2 正常蛋白 朊粒是一种感染蛋白对它的增殖无法解释 疯牛病差点儿颠覆了 中心法则 DNAmRNA新生肽蛋白质 对 中心法则 的真正挑战是 新生肽是如何折叠成高级结构的 基因的数量比蛋白质少 如何对应解释 上百种的蛋白质修饰方式到底是如何进行的 真正的挑战是21世纪生物学研究的重大课题 发现有帮助新生肽折叠的蛋白质 分子伴侣MolecularChaperone是一类相互之间没有关系的蛋白 它们的功能是帮助多肽在体内进行非共价组装 但并不是其中的功能组分 Ellis1993最大的分子
8、伴侣是 热休克蛋白 研究最多的是 HSP60HSP70HSP90GrPE 折叠酶PDI二硫键异构酶 帮助二硫键的形成PPI肽基脯氨酸顺反异构酶 帮助顺反变构 特异识别 靶蛋白 复合物 抑制不正常的折叠 策应正常的折叠 第二遗传密码之说有人提出 蛋白质从一级结构到高级结构的定型折叠可能也存在着像三联体密码子一样的另一套密码 专门负责蛋白质的折叠 即所谓第二套遗传密码 关于 中心法则 确实有许多问题没有解决 人们普遍认为 分子伴侣 是解决这些问题的关键 是帮助畅通 中心法则 通道的 疏通机 也是21世纪生命科学发展前沿的一个重大课题 分子伴侣的研究成果必然会加深我们对生命现象的深层认识 由于分子伴
9、侣在生命活动的各个层次都具有重要作用 它的突变和损伤也必定会引起疾病 因此也会出现 分子伴侣病 的定名 另一方面 分子伴侣的研究成果将从根本上提高基因工程和蛋白工程的成功率和自然化 21世纪将形成分子伴侣热 遗传 发育和进化理论的统一 遗传 发育和进化是近关当代远连太古生命的时空问题 是生物学中最具连贯性的基本问题 早在19世纪末期 德国人魏斯曼就试图建立遗传 发育和进化的统一理论 但没有成功 留下了遗憾 也留下了思考 更点明了方向 即生物学理论需要大综合 遗传 发育和进化要首先要统一 活页集3 这是留给21世纪的一个重大的理论任务 学科发展问题 遗传学 胚胎学 发展不平衡 进化理论不顺利 所
10、以 迟迟不能殊途同归 理论问题 遗传如何控制发育 又如何反映进化 卵子生成时 发育信息如何储存其中 发育印记 受精后 如何让基因参差表达 调控印记 最重要的是 有一个什么样的遗传程序 即表达的顺序 而不是表达事件本身 核心问题是 这种遗传程序是以何种方式编码在DNA上的 这种一维的程序又是如何控制三维形态发育的 问题的焦点是 1 一个事实 多层次网络表达胚胎早期发育是受多个基因群形成的多层次网络控制的 同一层的基因群依次表达 上一层的基因产物对下一层的基因起诱导作用 纵控层次 横联网络的基因群表达 母体效应基因的产物造成不同的卵质 位于不同卵质中的基因有选择地被激活 体轴表达 体节表达 器官表
11、达 胚胎成形 顺序 要说的几个事儿 2 一种思想 昆虫体节的发育 要进一步研究的是 是基因顺序的改变影响了进化 还是进化改变了基因顺序 基因顺序本身就是信息 3 一个意识 发育的三维基因作用 不同的基因决定不同的轴线发育 向性 相同的基因在不同的区域有不同的活性 向速 基因有着严格的时空表达顺序向序 ZXY X Y Z 据1999 BaslerAndStruhl 发育轴的决定 基因作用的四维性 4 细胞凋亡与进化有关 消 细胞凋亡雕琢器官的发育 似一把刻刀 器官的大小是细胞增殖与凋亡的平衡 器官的形态建成被细胞凋亡所雕塑 细胞凋亡更替着新旧器官和组织 细胞凋亡清除迁移过程中的迷途细胞 运动神经
12、元的细胞凋亡可以精密明确肌肉的神经支配与运动调节 环境改变着基因 时光规定着基因 基因控制着凋亡 凋亡雕刻着形态 形态体现着进化 雕出不同的进化方向生物的进化是以形态为外在标志的 在不同的时间和空间改变相关的细胞凋亡的控制基因以改变凋亡的方向 是物种形态改变的重要途经 C1 C4 C2 C3 生殖进化 生殖腺细胞 C1群 C4群 生殖道细胞 C2群 C3群 生殖细胞系 不凋亡 C4凋亡 C3凋亡 据1988 P W Stemberg Topobiology 1988 G M Edelman任务 从发育中基因的遗传作用和细胞间相互作用来阐明形态发育和形态进化的空间机制 形态发育 形态进化 按基因
13、组即定的顺序纵向展开 卵子发生 卵质分区 图式形成 形态发生 器官发生 轴区决定 细胞运动 细胞亲合 细胞生长 细胞凋亡 组织发生 生长 吸收 迁移 基因群对发育和进化的多层次多级的网络控制 按严格的时空顺序参差表达 空间形态构成 形变 按即定程控 改变原程控 拓扑生物学为三学科的统一而诞生 进化是一种遗传程序的改变 程序就应该有遗录 有记录就应该能查到 要查就应比教种间基因组 形态进化是遗传程序的改变 这种变化的历史均记录在基因组的结构中 待破译 形态进化的奥秘最终将从不同进化阶段的动物基因组的结构比较中去寻找 目前 这种基因组结构的比较研究已经开始 进化一定有基因记录 1 HGP的DNA全
14、序列比较 将发现新的调控系列和进化保守区段 2 搞清楚多基因层次网络的相互作用 阐明遗传程序和进化的关系 3 完成从 遗传语言 到 进化语言 的破译 4 发展拓扑生物学 把基因 细胞 形态之间的鸿沟填平 5 智能 行为 本能的遗传和进化研究将有所发展 6 生命的起源 遗传物质的起源 由于RNA拟酶的发现 研究将有所突破 21世纪预期进展 关于染色体结构 新知识活页5 染色体结构新进展1 确定了H1的位置和功能 保护DNA 锁紧核小体 2 由三级结构到四级结构的幅射环模型 3 染色体的NHP骨架 2002年 结论性的实验表明 染色体骨架是一种真实结构 骨架的形态 NHP的纤维网络和网络中广布的N
15、HP颗粒 HNP的分子类型 纤维分子 直径8 15nM 长300 450nM 可聚合成多聚体 颗粒分子 直径 10 60nM不等 详细资料待发表 构成人类Chr NHP有30多种 单体的联结和分离与NHP骨架有关 着丝点里的动力 中心体 微管组织中心 级微管组成连续丝 动力微管组成牵引丝 星体微管组成星体丝 ATP驱动马达蛋白向内摆动 动力微管去组装 使牵引丝缩短 染色体移向两极 极微管在中心体组装 使连续丝伸长 把两级推远 马达蛋白 染色体 染色体的端粒 端粒是富G序列 并以特殊方式复制的染色体末端结构 DNA聚合酶的滑动不到底性 决定了端粒序列的渐短性 能终生维持分裂的细胞是因为有端粒酶表
16、达的结果 都说 多莉 是 披着小羊皮的老羊 其实是 装着老染色体的新细胞 RNA性的端粒酶以自身的一段RNA为模板 逆转录出一段DNA 交给染色体 连在末端上 以补足长度 继续搞清染色体在细胞中的运动行为及相关因素自动 染色质的凝集促染色体成熟因子MPF TopoII 染色体的解旋解旋蛋白单体的复制DNA合成酶系单体的断裂物化因素 内切酶单体的愈合连接酶互动 同源染色体的搜索微管蛋白同源染色体的联会重组节中的Rec 1 Zip染色体的整列微管蛋白 捕获蛋白同源染色体分离马达蛋白染色单体的分离分离蛋白 统称Separins染色单体的粘合单体粘连蛋白染色体 DNA 的修复修复酶系 3B与21世纪 新知识活页4 生物技术 Biotechnics BT生物产业 Bioindustry BI生物经济 Bioeconomy BE 3B是BC的支柱 关系 生物技术带动生物产业 生物产业推动生物经济 生物技术和生物产品在诸多领域的应用最终将服务于生物世纪的人类 核心 生物技术是以基因技术为核心和先导的 它是3B的起始 故此基因技术是3B的高端入口 所以又称基因世纪 1980年美国Genentech公司
