分子生物学导论课件

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1、第一章 分子生物学导论,第一节 分子生物学的概念、地位及意义 第二节 分子生物学与其他生物学科关系 第三节 分子生物学的主要研究领域,生命是什么？ Life is easier to recognize than define. 生命的基本特征：新阵代谢 生长、发育、衰亡 (生命现象） 遗传与变异 生物进化 结构与适应 生物多样性 生殖与死亡 稳定与发展 生命的物质性：生命(运动)是生物体特有的现象； 生物体构成的物质性 水和矿物质 组成生物体的元素有70多种， 简单有机物 均存在于自然界 复杂有机物 生命物质的独特之处在于由这些自然元素组成为各物质结构单元，再由其构成结构功能复的生物大分子,

2、从葡萄糖到淀粉,从氨基酸到蛋白质,、,从脱氧核苷酸到DNA,由脂质分子、蛋白质和多糖等构成的膜结构,生物体的结构与层次 生物体是一个复杂的系统，由各不同结构单元构成 每个结构单元是一个子系统，由更小的单元构成 细胞作为生物体结构单元，是基本结构与功能单位 任何能独立生活的生物体都是由单细胞（孢子、受精卵、培养细胞等）生长发育而来 由细胞进一步构成组织、器官乃至整个生物体 由生物体构成群体、群落乃至生态系统 细胞内有超微结构作为功能区域，主要是由生物大分子构成，细胞的结构与功能实际上是由各种不同的生物大分子来履行的。 生物大分子有特定的结构与其功能相适应。,第一节 分子生物学的概念、地位及意义,

3、1 分子生物学的提出 1938，Warren Weaver 首先提出 1939, Astbury 在论文中首先使用 1953, Watson and Crick DNA 双螺旋模型 1956, 剑桥大学医学会 lab on Molecular biology 1959, Journal of Molecular Biology 1963, European Molecular biology Organization Jacob Monod：Molecular biology was based on the idea that principal characters of life may

4、 be explained with their structures of macromolecules.,2 分子生物学发展的里程碑: (1) 确定了蛋白质是生命的主要物质基础 19世纪末Buchner兄弟证明酵母无细胞提取液能使糖发酵产生酒精，第一次提出酶 （enzyme）的名称，并证明酶的本质是蛋白质。1950年Pauling和Corey提出了-角蛋白的-螺旋结构模型。 1953年Sanger和Thompson完成了第一个多肽分子-胰岛素A链和B链的氨基酸全序列分析。1964年中国科学家成功地合成具有生物活性的结晶牛胰岛素。,(2) 确定了生物遗传物质是核酸而不是蛋白质 1927年，美

5、国遗传学家Muller用X射线处理红眼果蝇，在其后代中获得个别可遗传的白眼突变体。 1928年，美国微生物学家Avery用肺炎球菌感染小鼠，其后由Beadle证明转化因子是DNA；1952年，美国微生物学家Hershey用T2噬菌体感染大肠杆菌实验，也证明DNA是遗传物质。 1956年Conrat 用烟草花叶病毒做病毒重组实验，证明了RNA是烟草花叶病毒的遗传物质。 这个实验表明，在不含有DNA的生物中，RNA 是遗传物质,(3) 分子生物学的建立和发展 学科基础：1953年Watson and Crick提出双螺旋结构模型。1956年Kornberg 首先发现DNA聚合酶。1958年Mese

6、lson 及Stahl 证明DNA半保留式复制。1968年Okazaki 提出DNA不连续复制模型。1972年证实DNA复制开始需要RNA作为引物。由此，从理论上解决了遗传信息的贮存、复制与传递的机理。 技术基础：20世纪70年代Yuan 和Smith 发现限制性内切酶。1972年Bery等将SV40病毒DNA与噬菌体P22DNA在体外重组成功。1977年Boyer 等首先将人工合成的生长激素释放抑制因子14肽的基因重组入质粒。由此，从技术上解决了体外遗传操作。,产业基础：1979年美国基因技术公司用人工合成的人胰岛素基因重组体DNA转入E. coli 成功合成人胰岛素。1982年Palmit

7、er 等将克隆的生长激素基因导入小鼠受精卵核得到比原个体大几倍的“巨鼠”； 我国将生长激素基因转入鱼受精卵得到转基因鱼。1994年能比普通西红柿保鲜时间更长的转基因西红柿、1996年转基因玉米、转基因大豆等相继投入商品生产；我国将苏氏杆菌毒蛋白基因转入棉花获得抗虫棉。分子生物学生物技术生物技术产业 医疗卫生：1991年美国向一患先天性免疫缺陷病(腺苷脱氨酶ADA基因缺陷)女孩体内导入重组ADA基因获得成功；1994我国用导入人凝血因子基因的方法成功治疗了乙型血友病的患者。生物医学,3 分子生物学及其意义 3.1 分子生物学的概念 分子生物学是从分子水平研究生命本质为目的的一门新兴边缘学科。实质

8、上，就是研究核酸、蛋白质等 生物大分子的结构与功能及其相互关系的科学。 3.2 分子生物学的主要研究内容 (1) 结构分子生物学：研究构效关系的分支。 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。它包括结构的测定、结构运动变化规律的探索及结构与功能相互关系等3个主要研究方向。,(2) 基因表达与调控 基因表达实质上就是遗传信息的转录和翻译；在个体发育过程中生物遗传信息的表达按一定的时序发生变化(时序调控)，并随着内外环境的变化而不断的加以修正(环境调控)。 (3) DNA重组技术： 将不同的DNA片段(如基因或基因的一部分)按照人们的设计定向连接起来，在特定的受体细胞

9、中复制并得到表达，产生影响受体细胞的新的遗传性状。DNA重组技术也称为基因克隆或者分子克隆。,3.3 分子生物学的地位和意义 分子生物学是由生物化学、生物物理学、遗传学、 微生物学、细胞学、信息科学等多学科相互渗透、综合融会而产生并发展起来的，已形成它独特的理论体系和研究手段，成为一个独立的学科。生命活动一致性，使得生物学将是在生物学范围内所有学科在分子水平上的统一。 科学意义：生物科学的核心和热点 现代生物学研究的基本工具 当代科学发展的新平台 经济意义：生物技术产业 生物医学与生物制药 生物农业和生物能源 环境治理与生态经济,第二节 分子生物学与其他生物学科关系,1 分子生物学及相关学科

10、宏观 保育生物学 现代进化论 生态学进化论 形态学 细胞学 生理学 生物化学 分子 系统生物学 生物学 微观 遗传学 细胞学 技术 蛋白质工程 基因工程 分子遗传学 细胞 生物学,2 分子生物学前沿研究 基因组研究的发展 目前分子生物学已经从研究单个基因发展到研究生 物整个基因组的结构与功能。 1977年Sanger测定了X174全部5375个核苷酸的序列；1978年Fiers等测出SV40全部5224对碱基序列. 80年代噬菌体48,502碱基对的序列全部测出； 1996年测出了大肠杆菌4x106碱基对序列； 1990年人类基因组计划 (Human Genome Project) 开始实施；

11、2000年完成了人类基因组“工作框架图”；2003年人类基因组全测序完成，以后主要进行功能基因组学研究。,(2) 单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展 1975年Kohler和Milstein首次用B淋巴细胞杂交瘤技术制备出单克隆抗体。 1980年代以后随着基因工程抗体技术而相继出现的单域抗体、单链抗体、嵌合抗体、重构抗体、双功能抗体等为许多疾病的诊断和治疗提供了有效的手段。 (3) 细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域： Sutherland1957年发现cAMP、1965年提出第二信使学说。 1977年Ross等用重组实验证实G蛋白的存在和功能，将G蛋白与cAMP的作用相联系起来，对G蛋白

12、偶联信号转导途径有了新的认识。 随后蛋白酪氨酸激酶途径的发现、各种受体蛋白基因的克隆和结构功能的探索等，使近10年来细胞信号转导的研究有了长足的进步。,第三节 分子生物学的主要研究领域,1 基因工程 基因工程的基础是DNA重组技术，它建立在对核酸的结构、功能与理化特性深刻认识的基础上。基因工程的技术内容和范围包括建立重组DNA文库和cDNA文库、基因克隆、用限制性内切酶剪切DNA和重组DNA、基因转化、基因表达检测、分子杂交、DNA测序，基因敲除(knocking-out)、基因敲入(knocking-in)等方面。 基因工程还延伸到对基因表达的产物蛋白质的修饰和改造研究方面。这类工程又称为“

13、蛋白质工程”。由于改变蛋白质的氨基酸序列需要经过基因工程来实现，所以蛋白质工程可以包含在基因工程范畴之内，或称之为第二代的基因工程。,基因工程主要研究领域 动物、植物、微生物及其之间的基因转移 遗传改良 特殊产物的生产 基因结构功能研究：检测、测序、体外表达 基因敲除、基因敲入 基因文库及基因克隆 蛋白质结构及功能改造蛋白质工程,2 基因组学 基因组计划的实施已衍生出一系列崭新的生物技术。这些技术包括全自动核酸测序技术，结构和功能基因组分析技术，双向凝胶电泳和测序质谱，生物芯片技术，生物信息学技术等。为从整体上研究生物的结构与功能提供了可能性，在发现和鉴定新基因、分析基因功能表达谱、分析非编码

14、区信息结构、设计蛋白质分子和药物、基因诊断和基因治疗、动植物遗传改良、新品种培育等方面都有着重大意义。 基因组测序 功能基因组分析 基因的时空表达与调控 转录组学、蛋白质组学和代谢组学,在农业领域，欧美相继启动了猪、牛、羊、鸡等主要畜禽的基因组计划，其研究重点是重要经济性状基因的定位与分析。植物方面，在完成模式植物拟南芥和水稻基因组全序列测定的基础上，启动了玉米、大麦、小麦、油菜、棉花、大豆、番茄等一大批农作物基因组学的研究。在基因组测序的基础上，把基因序列与基因功能对应与结合起来，将使功能基因组学研究全面展开。 以基因组学为基础，相应发展了转录组学、蛋白质组学和代谢组学。,3 生物信息学 生

15、物信息学是因人类基因组研究而引发并兴起的跨学科、多学科交叉的科学。 生物信息学以计算机为主要工具开发各种软件，对急速增加的大量DNA和蛋白质资料进行收集、整理、储存、提取、加工和分析研究，以便鉴定新基因，拼接测序片段，确定基因和蛋白质功能，了解生命的起源、进化，遗传和发育的本质。 生物信息学技术的源头是基因组DNA序列信息，在获得蛋白质编码区的信息后，进行蛋白质空间结构模拟和预测，然后依据特定蛋白质的功能，可进行天然大分子的改性和基于受体结构的药物分子设计。 生物信息学的迅速发展，将对人类健康、农业和生态环境保护产生深远影响。使生物技术产业终将成为新兴技术产业。,4 系统生物学 各种组学与生物

16、信息学相互渗透催生系统生物学 系统生物学是研究生命系统复杂性的科学： 结构复杂性、功能复杂性、相互作用复杂性 系统生物学的研究思路和方法： 自上而下：分子行为组学分析网络与信息流生物机制 自下而上：功能产物组分变化相互作用网络生物机制 系统生物学是利用由各种组学获得的数据，在一个比传统生物学更高层次上分析活生物体的一门学科。系统生物学将使生命科学由描述式的科学转变为定量和预测的科学。 系统生物学将在基因组序列的基础上，完成由生命密码到生命过程的研究。,Atherosclerosis(动脉粥样硬化)生物标记关系网络,直肠癌调控网络,5 分子生物学在农业中的应用 改良作物品质：提高蛋白质含量和氨基酸组成； 提高植物的抗逆性：抗旱、抗寒、抗病、盐碱。