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1、分子生物学分子生物学 班级：生物系班级：生物系 教师：教师： 杨东英杨东英 教学大纲教学大纲绪论绪论DNADNA的结构的结构DNADNA的生物合成的生物合成RNARNA的生物合成的生物合成蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控真核生物的基因表达调控分子生物学基本技术分子生物学基本技术第一章第一章 绪绪 论论一、分子生物学的基本含义一、分子生物学的基本含义 二、分子生物学的主要研究内容二、分子生物学的主要研究内容 三、分子生物学发展简史三、分子生物学发展简史 四、分子生物学与其他学科的关系四、分子生物学与其他学科的关系 1 1、分子生物
2、学含义的理解、分子生物学含义的理解 教学重点：教学重点： 1 1、分子生物学的含义、分子生物学的含义 2 2、分子生物学的主要研究内容、分子生物学的主要研究内容 教学难点：教学难点：2 2、主要任务、主要任务 阐明生物大分子的结构及结构与功能的关系阐明生物大分子的结构及结构与功能的关系3 3、研究对象、研究对象 核酸和蛋白质等生物大分子的结构及其在遗传核酸和蛋白质等生物大分子的结构及其在遗传 信息和细胞信息传递中的作用信息和细胞信息传递中的作用1 1、定义、定义 从分子水平研究生命本质的一门新兴边缘学科从分子水平研究生命本质的一门新兴边缘学科一、分子生物学的基本含义一、分子生物学的基本含义4
3、4、分子生物学的主要研究内容、分子生物学的主要研究内容核酸的分子生物学核酸的分子生物学 分离克隆基因分离克隆基因 （cloneclone） 确定基因的结构确定基因的结构 (structure)(structure) 基因的功能研究基因的功能研究 (function)(function) 生化功能生化功能 生理功能生理功能 基因表达调控研究基因表达调控研究 (express control)(express control)蛋白质的分子生物学蛋白质的分子生物学细胞信号转导的分子生物学细胞信号转导的分子生物学二、分子生物学发展简史二、分子生物学发展简史1.1.准备和酝酿阶段准备和酝酿阶段 蛋白质蛋
4、白质 DNADNA 2.建立和发展阶段建立和发展阶段 中心法则中心法则 蛋白质结构与功能蛋白质结构与功能3.3.深入发展阶段深入发展阶段 重组重组DNADNA技术技术 基因组研究基因组研究 基因表达调控基因表达调控 细胞信号转导细胞信号转导 (1822 - 1884)分离定律分离定律自由组合定律自由组合定律遗传因子学说遗传因子学说 孟德尔分离律图示德弗里斯德弗里斯 荷兰荷兰柯灵斯柯灵斯 德国德国 契马克契马克澳大利亚澳大利亚“重新发现重新发现”孟德尔遗传定律孟德尔遗传定律18791879年年德国生物学家弗莱明发现细胞核内的染色体德国生物学家弗莱明发现细胞核内的染色体 19031903年年美国细
5、胞学家萨顿提出了遗传的染色体学说美国细胞学家萨顿提出了遗传的染色体学说 Friedrich Miescher (1844-1895) 18691869年年法国的米歇尔从白细胞核中分离出法国的米歇尔从白细胞核中分离出DNADNAWilhelm Ludwig Johannsen 1857192719091909年年丹麦生物学家约翰逊创造了基因（丹麦生物学家约翰逊创造了基因（genegene）一词）一词 Thomas Hunt Morgan 186619451910年创立遗传的染色体理论年创立遗传的染色体理论21913年A.H.Stutervant提出以交换值作为染色体上基因相对距离的想法1927年
6、 美国遗传学家缪勒发现X射线照射可人工诱使遗传基因发生突变1931Barbara McClintock和和 Harriet Creighton : 染色体重组染色体重组1902-1992 1941George Beadle 和和E. L. Tatum：一基因一酶学说：一基因一酶学说1944Oswald Avery1953James Watson and Francis Crick1958Matthew Meselson and Franklin Stahl1961Sidney Brenner, Franois Jacob & Matthew Meselson1966Marshall Niren
7、berg & Har Gobind Khorana1970Hamilton Smith1972Paul Berg 1973Herbert Boyer & Stanley Cohen 1977Walter Gilbert and Frederick Sanger1977Phillip Sharp, Richard Roberts 三十三年来有关分子生物学诺贝尔获奖名单三十三年来有关分子生物学诺贝尔获奖名单年份年份 获奖者获奖者 内容内容 所获的诺贝尔奖所获的诺贝尔奖19621962年年 J.D.WastenJ.D.Wasten， DNADNA双螺旋结构双螺旋结构 诺贝尔生理和医学奖诺贝尔生理和医
8、学奖 H.C.ClickH.C.Click19651965年年 F.Jacob F.Jacob 基因调控乳糖操纵子基因调控乳糖操纵子 诺贝尔生理和医学奖诺贝尔生理和医学奖 J.L.MonodJ.L.Monod19661966年年 F.P.Rous F.P.Rous 病毒致癌学说病毒致癌学说 诺贝尔生理和医学奖诺贝尔生理和医学奖19681968年年 R.W.Holley R.W.Holley 核糖核酸中心法则核糖核酸中心法则 诺贝尔生理和医学奖诺贝尔生理和医学奖 H.G.KhoranaH.G.Khorana M.W.Nurenberg M.W.Nurenberg19691969年年 M.Delb
9、ruck M.Delbruck 噬菌体基因研究噬菌体基因研究 诺贝尔生理和医学奖诺贝尔生理和医学奖 A.D.HersheyA.D.Hershey S.E.Luria S.E.Luria19721972年年 S.Moore S.Moore 核糖核酸三维结构核糖核酸三维结构 诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖 W.H.SteinW.H.Stein19741974年年 A.Claude A.Claude 分离细胞发现分离细胞发现RNARNA病毒病毒 诺贝尔生理和医学奖诺贝尔生理和医学奖 G.E.PaladeG.E.Palade19751975年年 D.Baltimore D.Baltimore 逆转录酶，逆转
10、录酶，DNADNA病毒病毒 诺贝尔生理和医学奖诺贝尔生理和医学奖 H.M.TeminH.M.Temin R.Dolbeco R.Dolbeco19781978年年 W.Arber DNAW.Arber DNA限制性内切酶限制性内切酶 诺贝尔生理和医学奖诺贝尔生理和医学奖 D.NathensD.Nathens H.O.Smith H.O.Smith19801980年年 P.Berg P.Berg 重组重组 DNA DNA 诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖 W.Gilbert DNAW.Gilbert DNA顺序分析顺序分析19821982年年 A.Klug A.Klug 核酸蛋白复合体核酸蛋白复合体 诺
11、贝尔化学奖诺贝尔化学奖19861986年年 R.L.Montalcini R.L.Montalcini 生长因子生长因子 诺贝尔生理和医学奖诺贝尔生理和医学奖 S.CohenS.Cohen19881988年年 G.Eline G.Eline 抗抗DNADNA合成类药物合成类药物 诺贝尔生理和医学奖诺贝尔生理和医学奖 G.HitchignsG.Hitchigns19891989年年 J.M.Bishop J.M.Bishop 癌基因学说癌基因学说 诺贝尔生理和医学奖诺贝尔生理和医学奖 H.E.armansH.E.armans T.CachRNA T.CachRNA 酶催化活性酶催化活性 诺贝尔化
12、学奖诺贝尔化学奖 S.Altman(Ribozyme)S.Altman(Ribozyme) 19931993年年 R.RobertsR.Roberts， 断裂基因断裂基因 诺贝尔生理和医学奖诺贝尔生理和医学奖 P.sharpP.sharp K.B.Mullis PCR K.B.Mullis PCR仪仪 诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖 M.Smith M.Smith 寡聚核苷酸介导基因突变法寡聚核苷酸介导基因突变法 诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖19941994年年 A.Gliman A.Gliman 信号传导和信号传导和G-G-蛋白蛋白 诺贝尔生理和医学奖诺贝尔生理和医学奖 M.RodbellM.Rodb
13、ell19951995年年 E.B.Lewis, CE.B.Lewis, C基因和果蝇突变关系探讨基因和果蝇突变关系探讨 诺贝尔生理和医学奖诺贝尔生理和医学奖 Nusslein-VolhardNusslein-Volhard， E.WieschausE.Wieschaus（一）理论上的三大发现（一）理论上的三大发现1.1.4040年代，发现了生物遗传物质的化学本质是年代，发现了生物遗传物质的化学本质是DNADNA2.2.5050年代，年代，Walson-crickWalson-crick提出了提出了DNADNA结构的双螺旋模结构的双螺旋模 型，搞清楚了生物遗传的分子机制型，搞清楚了生物遗传的分
14、子机制3. 603. 60年代，确定了遗传信息的传递方式：年代，确定了遗传信息的传递方式： DNARNAproteinDNARNAprotein1.DNAisthegeneticmaterialThe genetic material of phage T2 is DNA. DNAisthegeneticmaterial2.DNAisadoublehelixDNA is a double helix3.The central dogma定向基因改造设想 设想一设想一能否让禾本科的植物也能够固定空气中的氮？能否让禾本科的植物也能够固定空气中的氮？能否让禾本科的植物也能够固定空气中的氮？能否让禾本
15、科的植物也能够固定空气中的氮？能否让细菌能否让细菌能否让细菌能否让细菌“ “吐出吐出吐出吐出” ”蚕丝？蚕丝？蚕丝？蚕丝？设想二设想二能否让微生物产生出人的胰岛素、干扰素等珍贵能否让微生物产生出人的胰岛素、干扰素等珍贵能否让微生物产生出人的胰岛素、干扰素等珍贵能否让微生物产生出人的胰岛素、干扰素等珍贵的药物？的药物？的药物？的药物？设想三设想三经过多年的努力，科学家于经过多年的努力，科学家于经过多年的努力，科学家于经过多年的努力，科学家于20202020世纪世纪世纪世纪70707070年代创立了年代创立了年代创立了年代创立了可以定向改造生物的新技术可以定向改造生物的新技术可以定向改造生物的新技
16、术可以定向改造生物的新技术基因工程。基因工程。（二）技术上的四大发明（二）技术上的四大发明v基因的剪刀限制性内切酶v基因的针线DNA连接酶v基因的车子载体v逆转录酶限制性内切酶限制性内切酶能识别双链能识别双链DNA中特定碱基顺序的核酸水解酶中特定碱基顺序的核酸水解酶大都从原核生物中发现提取的大都从原核生物中发现提取的以内切方式水解核酸链中磷酸二酯键以内切方式水解核酸链中磷酸二酯键 5-P 3-OH分类：分类： 型型:复合功能酶复合功能酶,兼有修饰、切割两种特性，识别位点兼有修饰、切割两种特性，识别位点 和切割位点不一致，不能形成特异片段。和切割位点不一致，不能形成特异片段。 型：与型：与型相似
17、。型相似。 型：通常所说的限制性内切酶，识别序列为型：通常所说的限制性内切酶，识别序列为46个个bp。DNA连接酶v将互补配对的两个黏性末端连接起来，使之成为将互补配对的两个黏性末端连接起来，使之成为一个完整的一个完整的DNADNA分子。分子。v连接的部位：磷酸二酯键，不是氢键磷酸二酯键，不是氢键载体载体是携带靶是携带靶DNA片段进入宿主细胞进行扩增和表达的工具。片段进入宿主细胞进行扩增和表达的工具。质粒（质粒（plasmid)为最常用的载体。为最常用的载体。 可自主复制可自主复制 有遗传标记和筛选标记有遗传标记和筛选标记 具多克隆位点具多克隆位点逆转录酶逆转录酶1970年，年， Baltim
18、ore和和 Temin等同时各自发现了等同时各自发现了逆转录酶，打破了遗传学的中心法则，使真核基因的逆转录酶，打破了遗传学的中心法则，使真核基因的制备成为可能制备成为可能1973年年Cohen完成第一个基因工程实验完成第一个基因工程实验经体外重组获得杂合经体外重组获得杂合DNA杂合子转化入大肠杆菌杂合子转化入大肠杆菌所需元件：所需元件：限制性内切酶限制性内切酶连接酶连接酶载体载体受体细胞受体细胞基因工程过程示意图从细胞中分离从细胞中分离从细胞中分离从细胞中分离出出出出DNADNADNADNA限制酶截取限制酶截取限制酶截取限制酶截取DNADNADNADNA片断片断片断片断分离大肠杆菌分离大肠杆菌
19、分离大肠杆菌分离大肠杆菌中的质粒中的质粒中的质粒中的质粒 DNA DNA DNA DNA重组重组重组重组用重组质粒转用重组质粒转用重组质粒转用重组质粒转化大肠杆菌化大肠杆菌化大肠杆菌化大肠杆菌培养大肠杆菌克培养大肠杆菌克培养大肠杆菌克培养大肠杆菌克隆大量基因隆大量基因隆大量基因隆大量基因Two Methods for Delivering DNA into Plant Cells制备抗虫转基因植物。分离毒素蛋白基因将毒素基因插入到Ti质粒中1994Transgenic tomatoes sold in the shopsTwo methods of producing transgenic m
20、ice转基因动物的一般制备过程。转基因动物的一般制备过程（续）。1988Transgenic sheep1989a transgenic pig带有人生长激素基因的转基因小鼠正常小鼠Producing EnviropigsTransgenic pigMicroinjection of genes into pig egg转基因食品转基因食品 -想说爱你不容易想说爱你不容易克隆技术克隆技术克隆技术大事记 1938年年:德国科学家首次提出克隆设想。德国科学家首次提出克隆设想。 1952年年:科学家开始用青蛙进行克隆实验。科学家开始用青蛙进行克隆实验。1970年年:克隆青蛙实验取得突破克隆青蛙实验取
21、得突破,青蛙卵发育成了蝌蚪青蛙卵发育成了蝌蚪1981年年:科学家进行克隆鼠实验科学家进行克隆鼠实验,据称用鼠胚胎细胞培育出了正据称用鼠胚胎细胞培育出了正 常的鼠常的鼠1984年年:第一只胚胎克隆羊诞生。第一只胚胎克隆羊诞生。1997年年2月月24日日:英国罗斯林研究所宣布克隆羊培育成功英国罗斯林研究所宣布克隆羊培育成功1998年年2月月23日日:英国英国PPL医疗公司宣布，该公司克隆出一头牛犊医疗公司宣布，该公司克隆出一头牛犊“ 杰弗逊先生杰弗逊先生”。1998年年7月月5日日:日本科学家宣布，他们利用成年动物体细胞克隆日本科学家宣布，他们利用成年动物体细胞克隆 的两头牛犊诞生。的两头牛犊诞生
22、。1998年年7月月22日日:用成年鼠的体细用成年鼠的体细 胞成功地培育出了第三代共胞成功地培育出了第三代共50多只克隆鼠多只克隆鼠1999年年5月月31日日:美国夏威夷大学的科学家美国夏威夷大学的科学家,利用成年体细胞克利用成年体细胞克 隆出第一只雄性老鼠隆出第一只雄性老鼠 1999年年6月月17日日:美藉华人科学家杨向中克隆出小牛美藉华人科学家杨向中克隆出小牛 2000年年1月月3日日:美国著名华人杨向东克隆出美国著名华人杨向东克隆出6头牛犊。头牛犊。 2000年年1月月:美国科学家宣布克隆猴成功，这只恒河猴被命名美国科学家宣布克隆猴成功，这只恒河猴被命名“ 泰特拉泰特拉”。 2000年年
23、3月月14日日:曾参与克隆小羊曾参与克隆小羊“多利多利”的英国的英国PPL公司宣布成功培育出公司宣布成功培育出5头克隆猪。头克隆猪。 基因组一个生物的所有基因一个生物的所有基因一套完整单体的遗传物质总和一套完整单体的遗传物质总和人类基因组计划人类基因组计划 HumanGenomeProject,HGP 于于1990年正式启动年正式启动 识别人类识别人类DNA中所有基因中所有基因 测定人类测定人类DNA的的30亿碱基对的序列亿碱基对的序列 将这些信息储存到数据库中将这些信息储存到数据库中 开发出有关数据分析工具开发出有关数据分析工具 解决可能引发的伦理解决可能引发的伦理,法律和社会问题法律和社会
24、问题 物种 DNA数量HBV 3.2kb噬菌体 49kb大肠杆 4000kb酵母 17000kb果蝇 164000kb人 3000000kb对人类而言：对人类而言：22+X+Y+mtDNA22+X+Y+mtDNA人人类类基基因因组组100-200kb克隆片段克隆片段基因组测序基因组测序的一般流程的一般流程分级鸟枪测序法分级鸟枪测序法基因组基因组DNA细菌人工染色体文库细菌人工染色体文库DNA克隆的排序克隆的排序（物理作图）（物理作图）分段测序分段测序随机打断后克隆随机打断后克隆DNA测序测序DNA序列的组装序列的组装2001年为止已经测定了年为止已经测定了 599种病毒与类病毒种病毒与类病毒
25、205种自然存在的质粒种自然存在的质粒 185种细胞器种细胞器 31种真细菌种真细菌 7种古细菌种古细菌 1种真菌种真菌 2种动物种动物 1种植物种植物 2001年年10月中国杂交水稻（籼稻）基因组工作框架图完成月中国杂交水稻（籼稻）基因组工作框架图完成2003年年11月家蚕基因组月家蚕基因组“框架图框架图”绘制完成绘制完成2004年年3月完成红原鸡基因组序列图的测序和组装工作月完成红原鸡基因组序列图的测序和组装工作2004年年10月月21日日Mimivirus病毒的基因组图谱绘制病毒的基因组图谱绘制2005年年 1月木瓜全基因组测序启动。月木瓜全基因组测序启动。 （三）分子生物学的发展趋势（
26、三）分子生物学的发展趋势进一步完善相关技术进一步完善相关技术 微量化微量化 自动化自动化 产业化产业化 高通量高通量学科的学科的交叉、融合交叉、融合2 2、细胞生物学与分子生物学关系胞生物学与分子生物学关系 细胞是生命的基本功能单位， 基因功能必须通过细胞来表现， 离开细胞，就没有生命。四、分子生物学与其他学科的关系四、分子生物学与其他学科的关系1 1、生物化学与分子生物学关系、生物化学与分子生物学关系分子生物学：信息传递过程分子生物学：信息传递过程生生 物物 化化 学：物质与能量转换过程学：物质与能量转换过程生物化学是分子生物学的基础；分子生物学生物化学是分子生物学的基础；分子生物学生物化学
27、生物化学 4 4、遗传学与分子生物学关系学与分子生物学关系 研究生物的遗传及变异规律研究生物的遗传及变异规律 遗传变异的本质遗传变异的本质DNA3 3、微生物学与分子生物学关系、微生物学与分子生物学关系作为分子生物学研究的模型生物作为分子生物学研究的模型生物分子生物学操作的一部分（基因扩增、克隆、表达）分子生物学操作的一部分（基因扩增、克隆、表达） 、你对现代分子生物学的含义和包括的研究范围是怎、你对现代分子生物学的含义和包括的研究范围是怎 么理解的？么理解的？复复习思考思考题、你对分子生物学的现况和今后的发展有何看法？、你对分子生物学的现况和今后的发展有何看法？ Turner P.C. et
28、 al. Molecular Biology. Turner P.C. et al. Molecular Biology. 科学出版社科学出版社 20012001Weaver R. Molecular Biology. Weaver R. Molecular Biology. 科学出版社科学出版社 20012001Benjamin Lewin. Genes VI, Oxford Uni. Press, 1997Benjamin Lewin. Genes VI, Oxford Uni. Press, 1997阎隆飞阎隆飞 张玉麟。张玉麟。 分子生物学分子生物学，中国农业大学出版，中国农业大学出版
29、社，社，19971997朱玉贤朱玉贤 李毅。李毅。现代分子生物学现代分子生物学，高等教育出版社，高等教育出版社，19971997李振刚。李振刚。分子遗传学分子遗传学，科学出版社，科学出版社，20002000作者：朱玉贤，李毅，郑晓峰编著出 版 社：高等教育出版社出版时间： 2007-11-1印刷时间： 2007/11/01I S B N ： 9787040222142参考教材英文原版英文原版中文译本中文译本【作者】（美）J.D.沃森 同作者作品 作译者介绍 【译者】 吴家睿同译者作品 【出 版 社】 科学出版社 【书 号】 703015651X 【作者】保罗拉比诺 同作者作品 作译者介绍 【译
30、者】 朱玉贤同译者作品 【丛 书 名】 哲人石丛书当代科普名著系列 【出 版 社】 上海科技教育出版社 【书 号】 7542818805 中国生物信息：中国生物信息：http:/www.biosino.org/分子生物学信息网分子生物学信息网：http:/生命科学商务网：生命科学商务网：http:/生物生物软件网软件网http:/www.bio- . 分子克隆实验指南分子克隆实验指南2. 精编分子生物学实验指南精编分子生物学实验指南3. PCR技术实验指南技术实验指南4. 分子生物学实验基础分子生物学实验基础5. 现代分子生物学实验技术现代分子生物学实验技术7. 分子生物学实验技术分子生物学实验技术8. 分子生物学基础技术分子生物学基础技术习题集郜金荣 叶林柏.分子生物学习题及解答. 武汉大学出版社，2002王金发等. 分子生物学与基因工程习题集. 科学出版社，2000
