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1、分子生物学Molecular Biology主讲人：李标 Autumn semester,2005Autumn semester,2005 一、什么是分子生物学？第一章 绪 论Instant Notes in Molecular Biology -Turner et al.bMolecular biology seeks to explain the relationships between the structure and function of biological molecules and how these relationships contribute to the oper
2、ation and control of biochemical processes.I consider molecular biology to be the study of genes and their activities at the molecular level, including transcription, translation, DNA replication, recombination and translocation.Molecular Biology (McGraw-Hill) - Robert Weaver现代分子生物学现代分子生物学 - 朱玉贤、李毅
3、2/E (2002)b分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学，是人类从分子水平上真正揭示生物世界的奥秘，由被动地适应自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学科。 什么是分子生物学 分子生物学是研究生物大分子结构与功能的一门学科。广义的讲，一切从分子水平研究生命奥秘的研究工作都是分子生物学。 “ 分子生物学 ”术语的来历： 1938年,Weaver在写给一个科学基金会(洛克菲勒基金会)的报告中，首次使用了分子生物学(Molecular Biology )一词 之后，研究蛋白质结构的Willian Astbury 使用了这一名词，当时他开始用X射
4、线分析纤维DNA的结构，并称自己是分子生物学家。 分子生物学的基本原理： 1.构成生物体的有机大分子的单体在不同生物体内都是相同的； 2.生物体内一切有机大分子的建成都遵循共同的规律； 3.某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质决定了生物的属性。The hierarchy of living world: Biological organizations at various levelsBiosphere (the sum of all Earths ecosystems) Ecosystem (biological community+environment) Biological commu
5、nity (different populations in same area) Population (localized group of organisms of same species) Organisms (Units of life) Organ systems Organs TissueCells （1-100 m,Units of organisms) Organelles (ribosomes ca. 20 nm) Macromolecule complex Molecules (atoms bonded chemically) Atoms (, chemical bui
6、lding blocks of all matter)研究对象：研究对象： 核酸核酸 遗传信息的载体，决定生物性状；遗传信息的载体，决定生物性状； 稳稳 定遗传，保证种的延续，母代定遗传，保证种的延续，母代 子代；子代； 易于保存，易于操作易于保存，易于操作 蛋白质蛋白质 GENETIC INFORMATION DNA RNA PROTEIN DNA 1. REPLICATION(DNA SYNTHESIS) 2. TRANSCRIPTION (RNA SYNTHESIS) 3. TRANSLATION(PROTEIN SYNTHESIS)分子生物学与生物化学之间的关系与区别：分子生物学与生物
7、化学之间的关系与区别： 分子生物学研究生物大分子的结构、功能及信息传递过程，从分子水平研究生命现象。 生物化学生物体内的化学运动，包括化学组成、变化、结构与功能，生物分子间的物质与能量转换过程。 现在通常将研究DNA的结构及其表达，了解生命现象的工作算作分子生物学的内容，将生命物质的组成及变化（代谢规律）归为生物化学的范畴。 分子生物学生物化学 分子生物学的相关学科：分子生物学的相关学科： 1.生物化学生物化学 生物化学是分子生物学的基础，学好生化便于分子生物学的基本原理和方法的理解。 2. 微生物学微生物学 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） 3.
8、遗传学遗传学 研究生物的遗传及变异规律，遗传变异的本质DNA 4. 细胞生物学细胞生物学 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。The relationship of Molecular Biology with other biological subjectsLife SciencesMedicalSciencesBiologyAgri.SciencesMacro(outdoor)Micro(indoor)Ecology, BehaviorEvolutionSystematicsMolecularBiologyBiochemMicrobiolCellB
9、iologyMolGeneticsDev BiolImmunolOthersCrop sciencesAnimal husbandryVeterinaryPathology, clinic medicinePreventive medicineetcMolNeurobiol 分子生物学的学科特征分子生物学的学科特征 是生命科学的一门基础学科, 它服务于生命科学的任何一门学科,它可为基础研究服务, 同时也是极有应用前景的学科。 是一种方法、技术和手段, 目的是了解生命的本质, 揭示生命规律, 最终解决人类生存和发展问题。二、分子生物学的目标及任务二、分子生物学的目标及任务 目标：目标：了解生命本
10、质，揭示生命运动的规律了解生命本质，揭示生命运动的规律 任务：任务： 1.分离克隆基因分离克隆基因 ；（；（clone） 基因克隆基因克隆把确定某一性状的基因（把确定某一性状的基因（DNA片段）从整个基因组中找出来。片段）从整个基因组中找出来。 2.确定基因的结构；确定基因的结构；(structure) 结构基因结构基因一级结构一级结构 调控基因调控基因高级结构高级结构3. 基因的功能研究基因的功能研究 (function) 生化功能：基因的直接活性及蛋白产物的活性生化功能：基因的直接活性及蛋白产物的活性 （例如（例如与与DNA的结合，信号因子，受体，运输蛋的结合，信号因子，受体，运输蛋白，酶
11、活性等）白，酶活性等） 生理功能：基因表现出来的性状，与生物个体生理功能：基因表现出来的性状，与生物个体的生的生 存的关系。存的关系。 生化功能是单个分子（基因）的作用或活性，生化功能是单个分子（基因）的作用或活性，生理功能是分子生理功能是分子 群的群的“集体集体”行为，是多个基因及行为，是多个基因及环境共同作用的行为。环境共同作用的行为。 生化功能是生理功能的基础，生理功能是表现，生化功能是生理功能的基础，生理功能是表现，由于生物体基因表达的组织和发育阶段的特异性等，由于生物体基因表达的组织和发育阶段的特异性等，生化功能相同生理功能并不一定相同。生化功能相同生理功能并不一定相同。 血红蛋白
12、生化功能：与O2和CO2结合； 生理功能：将O2从肺组织细胞， 将CO2从组织细胞肺；P53基因 生化功能：DNA结合蛋白，与特异的DNA序列结合； 生化功能：调节基因表达，阻止细胞过度增殖， 抑制肿瘤发生。 4.基因表达调控研究基因表达调控研究 (express control) 生物体内的基因是按一定程序、有序的表达，才有了生物的生长、发育、衰老、死亡。表达程序不同不同的性状，病变。基因表达存在时空差异，调控多彩的世界。 一个受精卵一个植株、个体分化出根、茎、叶、花。 基因表达调控的主要控制点基因转录（表达的第一步，转录与否及转录水平） 分子生物学的逻辑学方法： 1.效率论（能量节省原理，
13、存在即有用） 2.模型分析 3.强烈推理分子生物学的发展和方向： 1.进一步完善相关技术（分离、分析微量化、 自动化、高通量） 2.技术的产业化 3.学科的交叉 4.生物信息学 三、分子生物学发展史及展望1869Miescher 第一次分离了DNA；1941Astbury 获得了第一张DNA X衍射图谱；1944Avery 细菌转化实验成功，证实了DNA是遗传物质的 载体；1953Watson Crick 提出DNA双螺旋结构模型；1958Crick提出遗传信息传递的中心法则；1961Jacob和Monod 提出操纵子学说遗传调节机理；1962Arber证明限制性内切酶存在；1967Gelle
14、rt 发现DNA连接酶；1970发现反转录酶；19721973 创建了DNA克隆技术，DNA重组实验成功开创了基因工程新纪元；1982Prusiner 在仓鼠脑中发现了“朊病毒”（prion）；1985Saiki 发明了聚合酶链式反应（PCR技术）；1990人类基因组计划（HGP）全面正式启动；1994日本科学家发表了水稻基因组遗传图，Wilson完成了线虫3号染色体连续2.2Mb的测定；DNA序列测定时代到来1997Wilmut成功获得克隆羊Dolly诞生；1998Renard 克隆牛诞生（体细胞个体）； bb2000 ,6.26 2000 ,6.26 中、美、日、德、法、英中、美、日、德、
15、法、英6 6国，宣布人类基国，宣布人类基因组草图发表。因组草图发表。bb 2000 ,102000 ,10月月 科学家宣布将于科学家宣布将于20012001年年3 3月完月完 成河豚鱼的基成河豚鱼的基因组测序。因组测序。bb2000,122000,12月月1414日英美等国科学家宣布绘出拟南芥基因组日英美等国科学家宣布绘出拟南芥基因组的完整图谱。的完整图谱。bb2001,1,12 2001,1,12 中、美、日、德、法、英等国科学家中、美、日、德、法、英等国科学家Nature,15Nature,15日日) )和美国塞莱拉公司和美国塞莱拉公司(Science,16(Science,16日日) )
16、 各自公布各自公布人类基因组图谱和初步分析结果。约人类基因组图谱和初步分析结果。约3 3万基因。万基因。bb2002,4,5:2002,4,5:以杨焕明为首的中国科学家在以杨焕明为首的中国科学家在ScienceScience发表了发表了水稻全基因组框架序列图。水稻全基因组框架序列图。bb2002,12,122002,12,12以韩斌为首的中国科学家在以韩斌为首的中国科学家在NatureNature发表了水发表了水稻第四号染色体测序图。稻第四号染色体测序图。bb20032003年年4 4月月1414日六国科学家完成了人类基因组序列图的日六国科学家完成了人类基因组序列图的绘制，实现了人类基因组计划
17、的所有目标。绘制，实现了人类基因组计划的所有目标。 二十世纪是以核酸为研究核心，带动分子生物学向纵深发展： 50年代双螺旋结构 60年代操纵子学说 70年代DNA重组 80年代PCR技术 90年代DNA测序 生命科学从宏观微观宏观；由分析综合的时代。二十一世纪是分子生物学发展的世纪，生命科学将进入一个新的时代后基因组时代post-genomics二十一世纪分子生物学发展的趋势二十一世纪分子生物学发展的趋势：1.功能基因组学 functional genomics依附于对DNA序列的了解，应用基因组学的知识和工具去了解影响发育和整个生物体的特征序列表达谱。 酿酒酵母16条染色体的全部序列于199
18、6年完成。 基因组全长12，086Kb 140个编码 rRNA 6340个基因 5885个编码Protein 40个编码snRNA 275个编码tRNA 功能基因组学研究这6000多个基因，在一定条件下（如孢子形成期） 同时有多少基因协同表达（基因表达谱）。2.蛋白质组学 以蛋白质组为研究对象，研究细胞内所有蛋白质及其动态变化规律的科学。 功能蛋白质组学 function proteome 在特定时间、特定环境和实验条件下基因活跃表达的蛋白质。（细胞内与某种功能有关的或在某种条件下的一群蛋白质）3.生物信息学 Bioinformatics定义：对DNA和蛋白质序列资料中各种类型信息进行识别、存
19、储、分析、模拟和传输。由数据库、计算机网络、应用软件三大部分组成。目前，国际上有三大生物信息中心：美国生物工程信息中心 GenBank 美国基因组序列数据库 GSDB 欧洲分子生物学研究所 EMBL(TheEuropeanMolecularBiology Laboratory) 日本DNA数据库 DDBJ 可进行DNA分析、RNA分析、多序列比较、同源序列检索、蛋白质结构预测等分析。分子生物学授课大纲第一章 绪论 （2）第二章 染色体与DNA（8）第三章 转录（8）第四章 翻译（8）第五章 分子生物学的研究方法（8）第六章 原核生物基因表达调控（8）第七章 真核生物基因表达调控（6）第八章 癌
20、和病毒的分子生物学（4）第九章 发育与分子调控（6）第十章 基因组与比较基因组（4） 主要参考书 1. Molecular Biology， Robert F.Weaver, McGraw-Hill Companies, Inc. ，2000（影印版，科学出版社） 2. 现代分子生物学（第二版），朱玉贤、李毅编著，高等教育出版社，2002 3. 分子生物学基础，杨岐生编著，浙江大学出版社，1994 4. 分子生物学，武汉大学出版社 5. 分子生物学，南开大学出版社 6. 分子遗传学，孙乃恩等编著，南京大学出版社分子生物学实验参考书目1 . 1 . 分子克隆实验指南分子克隆实验指南2. 2. 精
21、编分子生物学实验指南精编分子生物学实验指南3. 3. PCRPCR技术实验指南技术实验指南4. 4. 分子生物学实验基础分子生物学实验基础5. 5. 细胞工程学实验方案细胞工程学实验方案6. 6. 现代分子生物学实验技术现代分子生物学实验技术7. 7. 分子生物学实验技术分子生物学实验技术8. 8. 分子生物学基础技术分子生物学基础技术分子生物学主要参考杂志Cell37.297Chinese Medical J. 0.127FASEB J.14.629J of Experimental Medicine14.384J of Natural Products 1.432J of Pharmaco
22、logical Science 1.543Nature27.368Nature Medicine28.114New England J of Medicine27.766Planta Medica 1.430Science24.676High-Biotech in China 加入加入WTO 各大制药和生物制品公司涌入中国市场各大制药和生物制品公司涌入中国市场 我国本土制药公司不得不参与国际竞争我国本土制药公司不得不参与国际竞争 Seek for High-Biotech persons in China Seek for potential products in ChinaHigh-Bio
23、tech personnel Basic personnel quality: 诚信、爱心、能力诚信、爱心、能力 诚信诚信是人与人交往、公司与个人或公司交往、国家与国家是人与人交往、公司与个人或公司交往、国家与国家交往的根本基础，是一个人或一个团体的尊严。交往的根本基础，是一个人或一个团体的尊严。 爱心爱心是任何两个以上人所组成的团体一起高效行事各种功是任何两个以上人所组成的团体一起高效行事各种功能时基本要素。能时基本要素。 能力能力：英语能力、学习能力、与人交往能力、解决问题的：英语能力、学习能力、与人交往能力、解决问题的能力、管理能力、洞察力和远见、科研能力等。能力、管理能力、洞察力和远见
24、、科研能力等。Academic positionsAcademic positionsbbVery competitive: Very competitive: 教学和科研能力教学和科研能力语言能力语言能力与人共事能力与人共事能力人品等人品等Your plan after undergraduate studyYour plan after undergraduate studybbGo abroad for graduate studyGo abroad for graduate studyGo abroad for graduate studyGo abroad for graduate
25、studybbGo to graduate school in ChinaGo to graduate school in ChinaGo to graduate school in ChinaGo to graduate school in ChinaPh.D. degreePh.D. degree and and post-doc experiencespost-doc experiences are are exclusively necessary for academic positions and exclusively necessary for academic positio
26、ns and research positions in companiesresearch positions in companiesMaster degree is usually required for manager, Master degree is usually required for manager, technician and salesman. Manager may need more technician and salesman. Manager may need more experiences/study at management and others.
27、 experiences/study at management and others. bbFind a job. Find a job. Find a job. Find a job. You may not get a good job in a well-known company, You may not get a good job in a well-known company, and you may need come back for further education and you may need come back for further education aft
28、er a few years of working . after a few years of working . Your preparation now Please do not waste your time. 加强专业背景加强专业背景 注意培养自己的学习能力（发现问注意培养自己的学习能力（发现问题，解决问题，辨别和总结提升等）题，解决问题，辨别和总结提升等） 提高自己的英文水平（读，说，写）提高自己的英文水平（读，说，写）Biology Course Provide an environment to enhance your language capability and ski
29、lls Provide a stage to enhance your learning capability and skills Tell you that being honest is not hard and extremely important for a healthy person. 学习平台学习平台bb自学能力bb使用各种学习资源的能力bb时间利用的能力bb与人相处的能力bb诚信的品质英语环境英语环境提高英语能力（听力、理解力、表述提高英语能力（听力、理解力、表述能力）的机遇能力）的机遇I am very happy to be the course instructor Lets work together to make this course a great experience in your lifeI am looking forward to have a wonderful semester with all of you. Hope that you all enjoy the course.课外作业：上网查阅分子生物学的研究概况与发展前景。Thank you !
