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1、医学分子生物学医学分子生物学概概论论分子生物学：指在分子水平研究生命现象、生命本质、分子生物学：指在分子水平研究生命现象、生命本质、 生命活动及其规律科学生命活动及其规律科学 医学分子生物学是分子生物学的分支，医学分子生物学是分子生物学的分支，从分子水平研究人体在正常及疾病状态下从分子水平研究人体在正常及疾病状态下的生命活动及其规律，从分子水平开展人的生命活动及其规律，从分子水平开展人类疾病的预防、诊断和治疗研究的一门科类疾病的预防、诊断和治疗研究的一门科学。学。一、医学分子生物学定义一、医学分子生物学定义分子水平：分子水平： 核酸、蛋白质核酸、蛋白质二、医学分子生物学发展简介二、医学分子生物
2、学发展简介 1 1、孕育阶段（、孕育阶段（1869-19521869-1952）18691869年年 ， 德德 国国 ， MiescherMiescher, ,发发 现现 核核 素素(chromatin)(chromatin)19281928年，英国，年，英国，Griffith, Griffith, 发现转化现象发现转化现象19441944年，美国，年，美国，AveryAvery，肺炎双球菌肺炎双球菌( (离体实验离体实验) )19521952年年，Hershey&Chase,Hershey&Chase,噬噬菌菌体体T2T2的的感感染染实实验验 DNA DNA是遗传物质是遗传物质 德国生化学家
3、Friedrich Miescher 美国生物学家OswaldAvery确认确认DNA是遗传物质：肺炎双球菌转化实验是遗传物质：肺炎双球菌转化实验,Griffith肺炎双球菌肺炎双球菌:天然感受态细菌天然感受态细菌Avery，肺炎双球菌，肺炎双球菌(离体实验离体实验)1952年，年，Hershey和和Chase以以32P标记标记DNA，以，以35S标记蛋白标记蛋白质外鞘，证明了噬菌体的遗传物质是质外鞘，证明了噬菌体的遗传物质是DNA，从而进一步证，从而进一步证实了，实了，DNA是具有连续性的遗传物质。是具有连续性的遗传物质。噬菌体侵噬菌体侵染细菌时染细菌时仅仅DNA进入细菌，进入细菌，而蛋白质
4、而蛋白质没有进入没有进入19531953年，年，Watson & Crick,DNAWatson & Crick,DNA双螺旋双螺旋19581958年，年，MeselsonMeselson & Stahl & Stahl，半保留复制半保留复制19611961年年, Jacob & , Jacob & MonodMonod，乳糖操纵子乳糖操纵子1961-661961-66年，年，NirenbergNirenberg & Crick & Crick，遗传密码遗传密码19701970年，年，Smith Smith ，限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶19721972年，年，Mertz-DavisMer
5、tz-Davis，连接酶，连接酶2、创立阶段（、创立阶段（1953-1972） 重组重组DNADNA理论和技术准备理论和技术准备1953, JamesWatson and Frances Crick1962，Nobel PrizeRosalind Franklin1970 1970 年年，美美国国约约翰翰霍霍布布金金斯斯大大学学的的 h. h. smith smith 于于偶偶然然中中发发现现，流流感感嗜嗜血血杆杆菌菌 （haemophilushaemophilus influenzaeinfluenzae）能能迅迅速速降降解解外外源源的的噬噬菌菌体体 dnadna ，其其细细胞胞提提取取液液
6、可可降降解解 e.colie.coli dnadna ，但但不不能能降降解解自自身身 dnadna ，从从而而找找到到 hind hind 限制性内切酶。限制性内切酶。3 3、发展阶段（、发展阶段（1973-1973-）19721972年年美美国国斯斯坦坦福福大大学学的的Berg Berg P P等等用用限限制制性性内内切切酶酶EcoREcoR在在体体外外切切割割猴猴病病毒毒SV40SV40和和噬噬菌菌体体DNADNA，再再用用T4DNAT4DNA连连接接酶酶把把两两种种不不同同来来源源的的DNADNA片片段段连连接接成成一一个个片片段，完成了世界上第一个段，完成了世界上第一个DNADNA体外
7、重组。体外重组。 DNA DNA重组及其它重组及其它19731973年年CohenCohen等等人人不不仅仅完完成成了了体体外外DNADNA重重组组，而而且且还还将将这这种种重重组组DNADNA分分子子成成功功地地转转化化到到大大肠肠杆杆菌菌中中，成成功功地地进进行行了了第第一一次次基基因因克克隆隆。建建立立了了质质粒粒大大肠肠杆杆菌菌这这种种第第一一个个基基因因克克隆隆系系统统，为为利利用用体体外外重重组组DNADNA技术开展基因工程研究开辟了道路。技术开展基因工程研究开辟了道路。19751975年年，Bishop Bishop & & VarmusVarmus 在在RousRous 肉肉瘤
8、瘤病病毒毒（RSVRSV）中中发发现现第第一一个个癌癌基基因因V-V-srcsrc，获获19891989年年诺诺贝贝尔尔医医学学和和生生理学奖理学奖VarmusVarmus与与自自己己长长期期的的合合作作伙伙伴伴J.J.MichaelMichaelBishopBishop一一道道，共共同同提提出出了了一一种种癌癌症症发发生生的的新新理理论论：癌癌症症这这种种疾疾病病的的产产生生是是由由于于我我们们人人体体正正常常基基因因中中的的某某些些基基因因发发生生了了变变异异的的结结果果，这这些些变变异异或或者者由由外外来来致致癌癌因因子子引引起起，或或者者是因人体细胞在分裂和是因人体细胞在分裂和DNAD
9、NA复制过程中出现的差错所致。复制过程中出现的差错所致。 19761976年年, ,KamKam用用重重组组DNADNA技技术术首首次次成成功功进进行行-地地中中海海贫贫血纯合子（即胎儿水肿）的产前诊断。血纯合子（即胎儿水肿）的产前诊断。19771977年年SangerSanger等等创创造造了了双双脱脱氧氧链链末末端端终终止止法法测测定定DNADNA序序列列，同时美国，同时美国MaxamMaxam和和Gilbert Gilbert 发明了化学裂解法。发明了化学裂解法。19781978年，人类基因文库建立。年，人类基因文库建立。19811981年年CechCech T T 和和 Altman
10、Altman 从从四四膜膜虫虫中中发发现现具具有有催催化化活活性性RNARNA，称为核酶，称为核酶( (RibozymeRibozyme) 1989) 1989年获诺贝尔化学奖。年获诺贝尔化学奖。19851985年年Mullis Mullis 首创首创PCRPCR。19931993年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖19891989年年经经美美国国FDAFDA和和NIHNIH批批准准，BlaeseBlaese Anderson Anderson 首首次次在在一一患患严严重重复复合合免免疫疫缺缺陷陷的的四四岁岁病病儿儿进进行行腺腺苷苷脱脱氧氧酶酶基因导入，标志基因导入，标志人类基因治疗人类基因治疗的开始。的
11、开始。19901990年，美国启动人类基因组计划年，美国启动人类基因组计划中国：中国：人、鸡、水稻、表皮葡萄球菌、人、鸡、水稻、表皮葡萄球菌、痢疾杆菌、赖氏钩端螺旋体痢疾杆菌、赖氏钩端螺旋体20002000年，年，后基因组计划后基因组计划（蛋白质组计划）（蛋白质组计划）三、医学分子生物学研究领域三、医学分子生物学研究领域1、人体发育调控和功能调控、人体发育调控和功能调控发育、分化与衰老发育、分化与衰老细胞增殖细胞增殖神经内分泌和免疫调控神经内分泌和免疫调控2、基因与疾病、基因与疾病基因诊断基因诊断基因治疗基因治疗3、生物工程与生物制药、生物工程与生物制药基因工程基因工程转基因动转基因动/植物植
12、物4、预防医学、预防医学疫苗：基因工程疫苗、疫苗：基因工程疫苗、DNA疫苗疫苗环境监测与净化环境监测与净化医学分子生物学研究的基本技术医学分子生物学研究的基本技术核酸基本操作核酸基本操作基因文库构建及基因筛选基因文库构建及基因筛选DNA/DNA/cDNAcDNA文库文库 基因表达文库基因表达文库 核酸杂交筛选核酸杂交筛选 免疫筛选免疫筛选基因获取及克隆基因获取及克隆RT/PCR RT/PCR 基因合成基因合成 定向克隆定向克隆 A-TA-T克隆克隆基因鉴定基因鉴定Southern/Northern Southern/Northern 杂交杂交 测序测序 多态性多态性/ /变异分析（变异分析（S
13、SCPSSCP、RFLPRFLP、SNPSNP等）等）基因功能研究基因功能研究基因敲除基因敲除 转基因动物转基因动物 反义反义/ /反基因技术反基因技术 SiRNASiRNA 酵母单酵母单/ /双双/ /三杂交三杂交 基因芯片基因芯片 定点突变定点突变蛋白基本操作蛋白基本操作蛋白表达：蛋白表达：原核系统（大肠杆菌、枯草杆菌）原核系统（大肠杆菌、枯草杆菌）酵母酵母 杆状病毒杆状病毒 哺乳动物细胞哺乳动物细胞蛋白纯化：蛋白纯化：层析（排阻层析（排阻/ /离子交换离子交换/ /亲和）亲和） 高压液相高压液相 毛细管电泳毛细管电泳蛋白鉴定：蛋白鉴定：二维电泳二维电泳 Western-blot West
14、ern-blot 蛋白晶体蛋白晶体X X光衍射光衍射 质谱分析质谱分析 蛋白芯片蛋白芯片基基 因因基因是遗传的基本单位基因是遗传的基本单位基因基因(Gene)(Gene) 18691869年，年，MiescherMiescher, ,发现发现核素核素(chromatin)(chromatin) 1909,W.Johannsen. Gene 1909,W.Johannsen. Gene遗传因子遗传因子（MendelMendel） 1926, T.H.Morgan:1926, T.H.Morgan:基因在染色体上直线排列基因在染色体上直线排列 1944,O.T.Avery: 1944,O.T.Av
15、ery: 基因的本质是基因的本质是DNADNA 1955, 1955, S.BenzerS.Benzer: : 顺反顺反子（子（CistronCistron）, ,一个顺反子就一个顺反子就 是一个基是一个基因，或编码蛋白，或编码因，或编码蛋白，或编码RNARNA1961, F.Jacob & J 1961, F.Jacob & J MonodMonod: : 操纵子，原核基因调控操纵子，原核基因调控基因：基因：能够表达和产生蛋白质或能够表达和产生蛋白质或RNARNA的的DNADNA序列，是决定序列，是决定遗传性状的功能单位。遗传性状的功能单位。Gene:Gene: The basic unit
16、 of heredity. Contains the The basic unit of heredity. Contains the information for making one RNA and, in information for making one RNA and, in most cases, one polypeptide most cases, one polypeptide结构基因结构基因基因中编码基因中编码RNA或蛋白质的或蛋白质的DNA序列序列原核生物原核生物:连续连续真核生物真核生物:断裂断裂;外显子外显子+内含子内含子;RNA剪接剪接,GT-AG法则法则一个结
17、构基因，其一个结构基因，其53链为编码链链为编码链(codingstrand)，可编码氨基酸，可编码氨基酸，35链链为反编码链，其碱基顺序与编码链互补，为反编码链，其碱基顺序与编码链互补，是是mRNA合成的模板。合成的模板。原核生物的基因是一个连续编码的原核生物的基因是一个连续编码的DNA分子的分子的一个片段。一个片段。真核生物包括人类基因，真核生物包括人类基因，DNA顺序包括编码顺顺序包括编码顺序和非编码顺序两部分。编码顺序在序和非编码顺序两部分。编码顺序在DNA分子分子中是不连续的，被非编码顺序隔开，形成镶嵌中是不连续的，被非编码顺序隔开，形成镶嵌排列的断裂形式，因此称为排列的断裂形式，因
18、此称为断裂基因断裂基因。真核细胞的结构基因中含有的编码顺序，称为真核细胞的结构基因中含有的编码顺序，称为外显子外显子(exon)。两个外显子之间的顺序无编码。两个外显子之间的顺序无编码功能，称为功能，称为内含子内含子(intron)。不同结构基因所。不同结构基因所含内含子数目和大小也不同。含内含子数目和大小也不同。在每个外显子和内含子的接头区存在高度保守在每个外显子和内含子的接头区存在高度保守的一致顺序，称为的一致顺序，称为外显子外显子-内含子接头内含子接头，即在，即在每个内含子的每个内含子的5端开始的两个核苷酸为端开始的两个核苷酸为GT，3端末尾是端末尾是AG，这种接头形式即为通常所称的，这
19、种接头形式即为通常所称的GT-AG法则法则。一般来说，真核生物的结构基因多为断裂基因，一般来说，真核生物的结构基因多为断裂基因，断裂基因中内含子和外显子的关系并非是固定断裂基因中内含子和外显子的关系并非是固定不变的。有时可以见到这样的情况：在同一条不变的。有时可以见到这样的情况：在同一条DNA分子上的某一段分子上的某一段DNA顺序，在作为编码某顺序，在作为编码某一条多肽链基因时是外显子，但作为编码另一一条多肽链基因时是外显子，但作为编码另一条多肽链基因时是内含子，结果造成同一段条多肽链基因时是内含子，结果造成同一段DNA顺序顺序(或结构基因区域的或结构基因区域的DNA顺序顺序)可以转可以转录两
20、条或两条以上的录两条或两条以上的mRNA链，此为真核生物链，此为真核生物基因结构及其表达的重要特点。基因结构及其表达的重要特点。调控序列调控序列原核生物原核生物:启动子启动子,终止子终止子,操纵子操纵子真核生物真核生物顺式作用元件顺式作用元件:启动子和上游启动子元件启动子和上游启动子元件增强子增强子Ploy(A)加尾信号加尾信号每个断裂基因中第一外显子和最末一个外显子的外侧每个断裂基因中第一外显子和最末一个外显子的外侧都有一段不被转录的非编码区，称为都有一段不被转录的非编码区，称为侧翼序列侧翼序列，其上，其上有一系列调控顺序，对基因的有效表达起着调控作用。有一系列调控顺序，对基因的有效表达起着
21、调控作用。这些结构包括这些结构包括启动子、增强子和终止子启动子、增强子和终止子等。等。 顺式作用元件（顺式作用元件（CisCis-acting element-acting element） 与结构基因相串联的特定与结构基因相串联的特定DNADNA顺序，能够基因调控蛋顺序，能够基因调控蛋白特异性识别和结合，与基因表达调控相关。根据白特异性识别和结合，与基因表达调控相关。根据这些顺式作用元件的位置、转录激活中的作用及发这些顺式作用元件的位置、转录激活中的作用及发挥作用的方式，可将这些顺式作用元件区分为挥作用的方式，可将这些顺式作用元件区分为启动启动子、上游启动子元件、增强子和沉寂子、加尾信号、子
22、、上游启动子元件、增强子和沉寂子、加尾信号、反应元件。反应元件。启动子启动子 DNA链上被RNA聚合酶识别、结合并启动转录的部位，位于被转录基因的5端上游-100-200bp，有方向性。TATATATA盒：盒：转录起始点上游 -25-30bp 核心序列TATA（A/T）A（A/T） 转录因子TFD的结合位点，启动转录上游启动子元件上游启动子元件 CAATCAAT盒：盒： -70-80bp 保守序列GGNCAATCT，N=C或 T 转录因子CTF的结合位点，决定启动子 启动转录的效率 GCGC盒：盒： -35bp 富含GC的序列GGCGG 与转录因子Sp1结合，增强转录效率启动子结构启动子结构
23、增强子增强子 是位于真核基因中远离转录起始点，能明显增加启动子转录效率的特殊DNA序列。它可位于被增强的转录基因的上游或下游，也可以相距靶基因较远。增强子作用特点增强子作用特点：增强子可极大地提高目标基因的转录效率，增加幅度可达上百倍甚至上千倍。远距离（3kb或更远）影响启动的转录调控元件，必须先与蛋白质因子结合，才能发挥增强转录的作用。增强子作用对方向和定位没有依赖性。增强子一般具有组织特异性或细胞特异性。 沉寂子沉寂子在真核基因中，和起正调控作用的增强子相对应的是起负调控作用的静息子。它所具有的特性与增强子类似，即静息子的功能不受定位和方向的限制。反应元件反应元件能与能与激活后的信息分子受
24、体结合的特异激活后的信息分子受体结合的特异DNADNA序列，能序列，能介导基因对细胞外的某种信号产生反应，通常位于介导基因对细胞外的某种信号产生反应，通常位于启动子附近和增强子内启动子附近和增强子内HSEHSE（Heat Shock Response Element Heat Shock Response Element ）热休克反应元件）热休克反应元件GRE (GRE (GlucocorticoidGlucocorticoid Response Element ) Response Element )糖皮质激素反应元糖皮质激素反应元件件加尾信号加尾信号结构基因最后一个外显子的结构基因最后一个外显子的AATAAAAATAAA序列序列及下游的一段及下游的一段GTGT丰富区或丰富区或T T丰富区丰富区AATAAAGT丰富区丰富区AATAAAAAAAAAAAAAAAAAAAGT丰富区丰富区遗传信息按照中心法则有序传递遗传信息按照中心法则有序传递DNARNAPROTEINTranscriptionTranslationReplicationreversetranscription
