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1、基因工程2024/7/302024/7/301 1目 录第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 染色体与染色体与DNADNA第三章第三章 生物信息的传递（上）生物信息的传递（上）从从DNADNA到到RNARNA第四章第四章 生物信息的传递（下）生物信息的传递（下）从从mRNAmRNA到蛋白质到蛋白质第五章第五章 分子生物学研究方法（上）分子生物学研究方法（上）生物大分子操作技生物大分子操作技术术第六章第六章 分子生物学研究方法（上）分子生物学研究方法（上）基因功能研究技术基因功能研究技术第七章第七章 基因的表达与调控（上）基因的表达与调控（上）原核基因表达调控模原核基因表达调控模式式第八章第八章
2、基因的表达与调控（下）基因的表达与调控（下）真核基因表达调控模真核基因表达调控模式式第一章 绪 论引言引言分子生物学简史分子生物学简史分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容分子生物学展望分子生物学展望1234创世说与进化论l l18591859年，达尔文发表年，达尔文发表物种起源物种起源确立进化论的概念。确立进化论的概念。细胞学说l l1717世纪末叶，世纪末叶，LeeuwenhoekLeeuwenhoek与与HookeHooke的放大镜和细胞。的放大镜和细胞。l l18471847年，年，SchleidenSchleiden和和SchwannSchwann提出细胞学说。提出细胞学说。经典的
3、生物化学与遗传学l l孟德尔遗传学孟德尔遗传学l lMorganMorgan在孟德尔遗传学的基础上提出基因学说。在孟德尔遗传学的基础上提出基因学说。第一节 引 言DNA的发现l lAveryAvery的肺炎双球菌转化的肺炎双球菌转化实验实验l lHersheyHershey和和ChaseChase的噬菌的噬菌体侵染细菌试验体侵染细菌试验第一节 引 言第一节 引 言分子生物学的概念l l分分子子生生物物学学是是研研究究核核酸酸、蛋蛋白白质质等等生生物物大大分分子子的的结结构构与与功功能能，并并从从分分子子水水平平上上阐阐明明蛋蛋白白质质与与蛋蛋白白质质、蛋蛋白白质质与与核核酸酸之之间间的的互互作
4、作及及其其基因表达基因表达调控机理调控机理的学科。的学科。l l广广义义上上，分分子子生生物物学学包包括括对对蛋蛋白白质质和和核核酸酸等等生生物物大大分分子子结结构构与与功功能能的的研研究究，以以及及从从分分子子水水平平上上阐阐明明生生命命现现象象和和生生物物规规律律，但但目目前前主主要要研研究究基基因因的的结结构构与与功功能能、复复制制、转转录录、表表达达和和调调控控，确确切切地地应应称称为为分分子遗传学。子遗传学。第一节 引 言生物大分子胰岛素蛋白酶蜘蛛毒素光合作用受体金属硫蛋白DNAtRNA16S rRNAmRNA第一节 引 言分子生物学的基本原理：vv构成构成构成构成生物体各类有机大分
5、子的单体在不同生物中都是相同的。生物体各类有机大分子的单体在不同生物中都是相同的。生物体各类有机大分子的单体在不同生物中都是相同的。生物体各类有机大分子的单体在不同生物中都是相同的。vv生物体内一切有机大分子的建成都遵循一定的规则。生物体内一切有机大分子的建成都遵循一定的规则。生物体内一切有机大分子的建成都遵循一定的规则。生物体内一切有机大分子的建成都遵循一定的规则。vv某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子决定了它的属性某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子决定了它的属性某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子决定了它的属性某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子决定了它的属性。vv分子生物学与
6、生物化学之间的关系分子生物学与生物化学之间的关系vv分子生物学与生物化学之间的关系密不可分。分子生物学与生物化学之间的关系密不可分。分子生物学与生物化学之间的关系密不可分。分子生物学与生物化学之间的关系密不可分。vv分子生物学从分子水平研究生命现象，生物化学研究从分子水分子生物学从分子水平研究生命现象，生物化学研究从分子水分子生物学从分子水平研究生命现象，生物化学研究从分子水分子生物学从分子水平研究生命现象，生物化学研究从分子水平研究生命现象的本质。平研究生命现象的本质。平研究生命现象的本质。平研究生命现象的本质。第二节 分子生物学简史19441944年，年，AveryAvery 证明证明DN
7、ADNA是遗传物质。是遗传物质。19501950年，年，ChargaffChargaff 提出提出ChargaffChargaff定则。定则。19531953年，年，Watson & CrickWatson & Crick 成功解析了成功解析了DNADNA分子二级结构。分子二级结构。19611961年，年，Jacob & Monod Jacob & Monod 提出了调节基因表达的操纵子模型。提出了调节基因表达的操纵子模型。19701970年，年，SmithSmith & & WilcoxWilcox 分离到第一种限制性核酸内切酶。分离到第一种限制性核酸内切酶。1972197319721973
8、年，年，BoyerBoyer & & BergBerg 发展了重组发展了重组DNADNA技术，并完成了技术，并完成了第一个细菌基因的克隆，开创基因工程的新纪元。第一个细菌基因的克隆，开创基因工程的新纪元。19751975年，年，SouthernSouthern 发明了发明了DNADNA片段的印迹法。片段的印迹法。19811981年，年，Cech Cech 发现了发现了ribozymeribozyme。19821982年，年，PrusinerPrusiner 发现了朊病毒发现了朊病毒prionprion。19851985年，年，Karry Mullis Karry Mullis 发明了发明了PC
9、RPCR反应。反应。19881988年，人类基因组计划启动。年，人类基因组计划启动。19981998年，克隆羊多利诞生，同年年，克隆羊多利诞生，同年GenBank GenBank 公布了最新的人类基公布了最新的人类基因图谱。因图谱。vNature 171, 737-734 (1953) (C) Macmillan Publishers Ltd. vMolecular structure of Nucleic AcidsvWATSON, J. D. & CRICK, F. H. C.vMedical Research Council Unit for the Study of Molecular
10、 Structure of Biological Systems, Cavendish Laboratory, Cambridge. A Structure for Deoxyribose Nucleic AcidWe wish to suggest a structure for the salt of deoxyribose nucleic acid (D.N.A.). This structure has novel features which are of considerable biological interest. Figure 1This figure is purely
11、diagrammatic. The two ribbons symbolize the two phophate-sugar chains, and the horizonal rods the pairs of bases holding the chains together. The vertical line marks the fibre axis.Initial sequencing and analysis of the human genomeNature 409, 860 - 921 (2001), 15 February 2001 International Human G
12、enome Sequencing Consortium“Whats Human Genome Project?”“One base One dollar!” - by a taxi driver (and a tax payer)humanArabidopsisThermotoga maritimaEscherichia coliBuchnerasp. APSRickettsia prowazekiiUreaplasma urealyticumBacillus subtilisDrosophila melanogasterThermoplasma acidophilumPlasmodium f
13、alciparumHelicobacter pylori mouseCaenorhabitis elegansratBorrelia burgorferiBorrelia burgorferiAquifex aeolicusNeisseria meningitidis Z2491Mycobacterium tuberculosis 全基因组已经测序的一些生物全基因组已经测序的一些生物第三节 分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容：l lDNADNA重组技术重组技术l l基因表达调控研究基因表达调控研究l l结构分子生物学结构分子生物学l l基因组、功能基因组与生物信息学研究基因组、功能基因组
14、与生物信息学研究第三节 分子生物学的研究内容DNA重组技术l l这这是是2020世世纪纪7070年年代代初初兴兴起起的的技技术术科科学学，目目的的是是将将不不同同DNADNA片片段段（如如某某个个基基因因或或基基因因的的一一部部分分）按按照照人人们们的的设设计计定定向向连连接接起起来来，在在特特定定的的受受体体细细胞胞中中与与载载体体同同时时复复制制并并得得到到表表达达，产产生影响受体细胞的新的遗传性状。生影响受体细胞的新的遗传性状。l lDNADNA重重组组技技术术可可用用于于定定向向改改造造某某些些生生物物基基因因组组结结构构，使使它它们们所具备的特殊经济价值或功能得以成百所具备的特殊经济
15、价值或功能得以成百 上千倍的地提高。上千倍的地提高。l lDNADNA重重组组技技术术还还被被用用来来进进行行基基础础研研究究。无无论论是是对对启启动动子子的的研研究究（包包括括调调控控元元件件或或称称顺顺式式作作用用元元件件），还还是是对对转转录录因因子子的的克隆及分析，都离不开重组克隆及分析，都离不开重组DNADNA技术的应用。技术的应用。第三节 分子生物学的研究内容基因表达调控研究l l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定时序发生变化（时序调节），过程中生物遗传信息的表达按一定时序发生变
16、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）。并随着内外环境的变化而不断加以修正（环境调控）。l l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。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。l l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
17、现在信号传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、转录因子研究及导研究、转录因子研究及RNARNA剪辑剪辑3 3个方面。个方面。结构分子生物学l l一一个个生生物物大大分分子子，无无论论是是核核酸酸、蛋蛋白白质质或或多多糖糖，在在发发挥挥生物学功能时，必须具备两个前提：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）；拥有特定的空间结构（三维结构）；拥有特定的空间结构（三维结构）；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。发挥生物学功能的过程中必定存在着结构和构象的变化。发挥生物学功能的过程中必定存在着结构和构象的
18、变化。发挥生物学功能的过程中必定存在着结构和构象的变化。l l结结构构分分子子生生物物学学就就是是研研究究生生物物大大分分子子特特定定的的空空间间结结构构及及结结构构的的运运动动变变化化与与其其生生物物学学功功能能关关系系的的科科学学。它它包包括括3 3个个主要研究方向：主要研究方向： 结构的测定结构的测定结构的测定结构的测定 结构运动变化规律的探索结构运动变化规律的探索结构运动变化规律的探索结构运动变化规律的探索 结构与功能相互关系结构与功能相互关系结构与功能相互关系结构与功能相互关系第三节 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l l20012001年，年，NatureNa
19、ture和和ScienceScience同时发表人类基因组全序列。同时发表人类基因组全序列。l l功功能能基基因因组组学学又又往往往往被被称称为为后后基基因因组组学学，它它利利用用结结构构基基因因组组所所提提供供的的信信息息和和产产物物，发发展展和和应应用用新新的的实实验验手手段段，通通过过在在基基因因组组或或系系统统水水平平上上全全面面分分析析基基因因的的功功能能，使使得得生生物物学学研研究究从从对对单单一一基基因因或或蛋蛋白白质质得得研研究究转转向向多多个个基基因因或蛋白质同时进行系统的研究。或蛋白质同时进行系统的研究。l l生生物物信信息息学学从从事事对对基基因因组组研研究究相相关关生生
20、物物信信息息的的获获取取、加加工工、储储存存、分分配配、分分析析和和解解释释。包包括括了了两两层层含含义义，一一是是对对海海量量数数据据的的收收集集、整整理理与与服服务务，也也就就是是管管好好这这些些数数据据；另一个是从中发现新的规律，也就是用好这些数据。另一个是从中发现新的规律，也就是用好这些数据。第三节 分子生物学的研究内容分分子子生生物物学学的的发发展展揭揭示示了了生生命命本本质质的的高高度度有有序序性性和和一一致致性性，是是人人类类认认识识论论上上的的重重大大飞飞跃跃。生生命命活活动动的的一一致致性性，决决定定了了二二十十一一世世纪纪的的生生物物学学将将是是真真正正的的系系统统生生物物
21、学学，是是生生物物学学范范围围内内所所有有学学科在分子水平上的统一。科在分子水平上的统一。以以基基因因组组学学、转转录录组组学学、蛋蛋白白质质组组学学以以及及代代谢谢组组学学等等不不同同层层次次“ “组组学学” ”的的最最新新成成果果为为基基础础的的系系统统生生物物学学，是是研研究究一一个个生生物物系系统统中中所所有有组组成成成成分分（基基因因、mRNAmRNA、蛋蛋白白质质等等）的的变变化化规规律律以以及在特定遗传或环境条件下相互关系的学科。及在特定遗传或环境条件下相互关系的学科。分分子子生生物物学学是是目目前前自自然然学学科科中中进进展展最最迅迅速速、最最具具活活力力和和生生气气的的领域，也是新世纪的带头学科。领域，也是新世纪的带头学科。1818第四节 分子生物学展望
