1、1,现代分子生物学进展 绪 论,青岛大学医学院 病原生物学专业 Wang bin 医学博士 教授 2011年6月16日,2,18-19世纪-蒸汽时代跨入电磁时代,法 国 笛 卡 尔 创立了解析几何 德 国 莱布尼茨 发明微积分 英 国 牛 顿 发明微积分确立运动三大定律和万有引力 英 国 法 拉 第 发现电磁感应原理 英 国 道 尔 顿 创立了近代原子学说 俄 国 门捷列夫 制定了化学元素周期表 英 国 达 尔 文 创立了生物进化学说 法 国 巴 斯 德 开创了微生物学,3,经过近200年的研究，现代生命科学经历了几个重要的发展时期,1839年 细胞学说 1859年 进化论 1865年 现代遗
2、传学 1926年 基因学说 1953年 DNA双螺旋模型 1990年 HGP计划,4,现代生命科学研究的里程碑之一,1839年 细胞学说19世纪30年代，德国植物学家施莱登（Matthias Jacob Schleiden，1804-1881）首先指出，所有植物体都是由细胞构成的。他的这个观点被德国动物学家施旺（Theodor Schwann，1810-1882）在动物组织和细胞研究中证实，所有动物也是由细胞构成的。施旺指出：“细胞是有机体，整个动物或植物体乃是细胞的集合体。它们依照一定的规律排列在动物体内。”在此基础上他们创立了细胞学说。,5,细胞学说将植物学和动物学联系在一起，论证了整个生
3、物界在结构上的统一性，以及在进化上的共同起源，有力地推动了生物学向微观领域的发展。 尽管细胞学说的某些部分已成为历史的陈迹，然而其中心思想仍广泛而深刻地影响了后来生物学的发展，任何生物学的重要问题都必须从细胞中寻求最后的解答.,6,现代生命科学研究的里程碑之二,1859年 Darwin进化论：达尔文（Charles Darwin，1809-1882）发表物种起源指出生物变异的普遍性、变异与遗传的关系， 提出了生存竞争和自然选择学说，系统地论述了物种形成的机制。,7,达尔文在1859年出版的物种起源一书中系统地阐述了他的进化学说。其核心自然选择原理的大意如下：生物都有繁殖过剩的倾向，而生存空间和
4、食物是有限的，所以生物必须“为生存而斗争”。在同一种群中的个体存在着变异，那些具有能适应环境的有利变异的个体将存活下来，并繁殖后代，不具有有利变异的个体就被淘汰。如果自然条件的变化是有方向的，则在历史过程中，经过长期的自然选择，微小的变异就得到积累而成为显著的变异。由此可能导致亚种和新种的形成。,8,达尔文的进化理论还存在着若干明显的弱点：,他的自然选择原理是建立在当时流行的“融合遗传”假说之上的。按照融合遗传的概念 ，父、母亲体的遗传物质可以像血液那样发生融合；这样任何新产生的变异经过若干世代的融合就会消失，变异又怎能积累、自然选择又怎能发挥作用呢？达尔文过分强调了生物进化的渐变性；他深信“
5、自然界无跳跃”，用“中间类型绝灭”和“化石记录不全”来解释古生物资料所显示的跳跃性进化。他的这种观点近年正越来越受到间断平衡论者和新灾变论者的猛烈批评。,9,1871年，达尔文又发表了人类的由来及其性选择，描述了人类进化的过程。他的结论是：“人类和其他物种同是某一种古老、低级、早已灭绝了的生物类型的同时并存的子孙”。 伟大革命导师马克思对进化论给予了很高的评价，把它与能量守恒和转换定律、细胞学说并列为19世纪的三大自然科学发现。,10,现代生命科学研究的里程碑之三,1865年 孟德尔（Gregor Mendel，1822-1884）的遗传实验 1、分离定律： 基因作为独特的独立单位而代代相传。
6、基因对中的两个基因(等位基因)分别位于成对的两条同源染色体上，在亲本生物体产生性细胞过程中，上述等位基因分离，性细胞的一半具有某种形式的基因，另一半具有另一种形式的基因。,2、独立分配定律： 在一对染色体上的基因对中的等位基因能够独立遗传，与其他染色体对基因对中的等位基因无关；并且含不同对基因组合的性细胞能够同另一个亲本的性细胞进行随机的融合。,11,现代生命科学研究的里程碑之四,1910年 摩尔根(T.H.Morgan,18661945)证明基因存在于染色体，并于1926年 提出基因学说,认为基因是组成染色体的遗传单位,并且证明基因在染色体上占有一定的位置,而且呈直线排列。他还认为,在个体发
7、育中,一定的基因在一定的条件下,控制着一定的代谢过程,从而体现在一定的遗传特性和特征的表现上,基因还可以通过突变而发生变化。,12,定义：从分子水平研究生命现象、生命本质、生命活动及其规律的科学。 是涉及所有生命科学研究领域的尖端科学体系和最前沿学科。 是生物化学、生物物理、遗传、微生物学、细胞生物学、有机化学、物理化学、工程技术科学之集大成者。 目的：了解所有生物学现象的分子基础。,分子生物学,13,分子生物学研究的对象和基本研究内容,分子水平的生命活动主要通过核酸和蛋白质的活动 完成，核酸 （RNA DNA）蛋白质是研究的对象基本研究内容： （1）生物大分子的结构和功能 （2）基因组的结构
8、和功能 （3）基因的复制、表达、调控及生物学效应 （4）生物大分子之间的相互作用 （5）细胞间通讯和细胞内的信号转导 （6）基因结构、功能、表达调控 （7）基因制备、改造、应用所需的技术体系,14,分子生物学的定义分子生物学的诞生可以与细胞的发现，进化论的奠定媲美，它是20世纪自然科学伟大成就之一。经典观念认为，狭义的分子生物学是指分子遗传学，广义的包括分子遗传、细胞膜结构、代谢的调节机制，蛋白质与核酸结构分析与功能测定，生物大分子人工合成，遗传物质的重组等。,15,分子生物学和医学的关系基础医学是整个医学的基石，而分子生物学在整个医学中起到纽带作用，将基础医学各分枝学科及基础医学与临床医学联
9、系起来，成为浑然一体。由此可见分子生物学在现代医学研究中的重要性，它代表了人们对生命现象认识层次的深入，理所当然成为现代医学和生命科学的前沿学科和领域，在一定程度上起到牵动全局的作用。不论分子生物学，临床医学家或生物学家，在谈论现代医学和生命科学时，无不对分子生物学所取得的成就及发展动态予以特别的关注的重视。,16,未来的医学将把研究层次深入到量子水平， 分子生物学则可能把自己的“血液”熔化到医学的躯体之中，“化己为他”，“化整为零”，渗透到各个相关学科中，成为科学上的“蜡烛”。 分子生物学在医学上的价值和“灵魂”将永存。 分子生物学将成为现代生命科学的“共同语言”。,17,分子生物学在医学上
10、的应用,医学分子生物学：研究人体在正常和疾病状态下的生命活动及其规律、从分子水平研究人类疾病的发生发展机制、诊断、预防及治疗的科学。人体发育调控和人体功能调控的分子生物学基础（发育、分化、衰老、细胞增殖、神经功能、内分泌、免疫等） 基因与疾病 生物工程与生物制药 疾病的预防和监控,18,生命过程是一个多层次、连续的整合过程。基因和分子研究是认识生命过程的深入层次，这个层次的研究结果对于基因后生命现象如生理表现，病理表现，病生理表现，具有重要意义。生命科学中一些最重要的课题需要分子生物学渗入，如细胞生长、分化、衰老，凋亡，个体发育和神经活动等研究。分子生物学与这些研究活动结合在一起，形成新的生长
11、点和新的边缘学科，较为突出的者有：,19,分子细胞生物学细胞是一切生命活动结构和功能的基本单位。因此细胞生物学的研究应是全方位的，但概括起来有2个基本点：一是基因与基因产物如何控制细胞的重要生命活动，如生长、分化、衰老等，在此涉及与信号传递的关系；二是基因产物与其他生物分子如何构建与装配成细胞高度组织化的结构如染色体，细胞核、细胞器、生物膜、细胞骨架，并行使其在序的细胞生命活动。通过上述两方面的结合，可把分子生物学和细胞生物学连接起来。,20,发育分子生物学受精卵如何发育成结构和功能复杂的个体是未解决的发育生物学重大难题。分子生物学为解决这一难题提供了条件，并产生了发育分子生物学。发育分子生物
12、学要解决的基本问题是基因如何按一定的时空关系选择性地表达而控制细胞的分化和个体发育。发育程序是通过相关基因系统间一系列相互作用而逐次展开的，这是多基因在多层次上的联系和配合所形成的调控结果。基因选择性表达的时间取决于定时的信号和生物学时间的刺激，而其空间控制取决于细胞所处的位置（环境）和细胞间的相互作用，形态发生可能有细胞连接、识别、运动、生长的彼此配合来控制。,21,分子神经科学神经科学研究神经系统（主要是脑）的结构和功能，其研究层次包括分子水平、神经网络水平、整体水平和行为水平。分子神经科学为在分子水平研究神经系统的结构和功能，它的研究方向有：1、神经细胞的分化和神经系统发育的分子机理；2
13、、神经活动的基本过程（如神经冲动、信息处理、神 经递质和神经回路等）中离子通道，突触通讯，受 体及信号传导的变化和相关基因表达的变化。,22,3参入学习、记忆、行为过程的基因及其产物。 4一系列神经精神性疾病的分子基础，分离和鉴定其相关基 因，为其治疗和预防服务。科学家们一直遗憾，人脑可以指导自己去制造电脑和作任何精细的工作，都不能用以窥视自身的奥秘。由于神经科学极端重要性和特殊地位，近年来受到了极大重视。科学家们预言，进入下个世纪后神经科学将走在分子生物学前面，并将给医学带来新的光辉。,23,遗传学的发展是分子生物学发展的基础,遗传和变异是生物的一对重要概念。遗传赋于生物种的稳定，保证生物种
14、的延锦不断；变异则赋于生物种的进化，保证生物种对环境的适应。遗传和变异这一对矛盾在一个生物体内统一起来。遗传学要解决问题是生命科学和医学中极为关键的问题。分子水平技术手段一旦与遗传学研究相结合，就可在分子水平上解释遗传学的问题，促使分子遗传学的形成和发展。,24,遗传学作为一门独立的学科，对它的精确研究，即现代遗传学，是从孟德尔开始的 孟德尔选择了正确的试验材料-豌豆，并首次将数学统计方法应用到遗传分析中，成功揭示出遗传的两大定律：分离律和自由配合律。,25,从染色体到核酸,其实早在1868年瑞士化学家F米歇尔就从细胞核中发现了一种被他称之为“核素”的物质。1889年，与米歇尔同一实验室的生物
15、学家R阿特曼分离了“核素”中的蛋白质，得到了一种酸性物质。因为这种物质是从细胞核中提取出来的，因此他将其称为“核酸”。1924年，德国细胞学家福尔根（18841955）发现核酸中的戊糖有两种：核糖与脱氧核糖。根据含糖的不同，核酸就分为核糖核酸（RNA）与脱氧核糖核酸（DNA）。,26,生命的遗传物质是DNA,1944年，美国细菌学家艾弗里（18771955）等人在实验中 在世界上第一次证明遗传基因就在DNA上。 但当时遗传学界的主流观点是蛋白质承担着遗传信息载体的作用，大多数人并不接受艾弗里的发现。,27,20世纪50年代，DNA分子的双螺旋结构模型和蛋白质合成的中心法则诞生了，前者从遗传物质
16、结构变化的角度解释了遗传性状遗传与变异的原因，后者揭示了遗传物质如何构建生命的规律。它们的诞生，标志着生命科学由此进入了分子水平的新阶段，一个新的时代开始了。,28,1933年诺贝尔物理学奖获得者、奥地利物理学家薛定谔是量子力学理论的创建人之一。第二次世界大战期间，薛定谔逃离了德国纳粹统治下的祖国，来到爱尔兰首都都柏林从事教学和研究工作。他经常到各高等学府举办讲座，内容并不局限于学术领域，更多的是具有科普性质的内容。其中，生命科学的系列讲座特别受到听众的欢迎。1944年，薛定谔把讲稿整理成一本不到100页的小册子生命是什么活细胞的物理学观。书中，他预言了生命科学的理论与方法正面临着重大的突破，
17、生命科学的研究深度将从生命的表面现象和细胞的层次，深入到分子的水平。他还提出将物理学、化学的理论与方法引进生命科学的研究之中。,发动生物学革命的物理学家,29,生命是什么活细胞的物理学观一书产生了广泛的影响，一大批年轻的物理学家或物理学专业的大学生被它吸引到生命科学的学习与研究之中：因建立DNA双螺旋结构模型荣获1962年诺贝尔生理学或医学奖的沃森、克里克和威尔金斯，因发现噬菌体在细胞内增殖过程中的作用荣获1969年诺贝尔生理学或医学奖的卢里亚，因完成世界首次分子水平上的基因重组、创立现代基因工程技术而荣获1980年诺贝尔化学奖的伯格，因发现核糖核酸（RNA）的细胞催化功能而荣获1989年诺贝
18、尔化学奖的奥尔特曼等人。,因而，这本书被人们称为从思想上 “唤起生物学革命的小册子”。,30,1953年4月25日，英国著名的科学期刊自然杂志发表了沃森、克里克的一篇优美精炼的短文，宣告了DNA分子双螺旋结构模型的诞生。,在三组DNA结构研究人员中，沃森和克里克资历最浅，知识与经验最缺乏，也没有进行过相关的实验，而且DNA结构不是他们的本职研究课题，但他们却在这场科学竞赛中赢得了胜利。,31,这一年，沃森年仅25岁，克里克也只有37岁，尚未获得博士学位。这两个年轻人之所以超越了其他看似更具实力的竞争者，赢得了这场科学赛跑的胜利，是由于他们具有清醒的宏观洞察力、非凡的科学想像力和严密的逻辑思维能
19、力，选择了正确的研究路线，广泛借鉴他人的研究成果并加以综合性的科学思考。1962年，沃森、克里克与威尔金斯因研究DNA双螺旋结构模型的成果，共同荣获了诺贝尔生理学或医学奖。,32,基因是生物体的遗传物质基础,基因位于染色体上,并在染色体上呈线性排列。基因不仅可以通过复制把遗传信息传递给下一代，还可以使遗传信息得到表达。 人类只有1个基因组，约有2.9万个基因,现代遗传学家认为,基因是DNA(脱氧核糖核酸)分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称，是具有遗传效应的DNA分子片段。,33,基因控制物种的性状,基因（DNA）,信使RNA（mRNA）,蛋白质的表达 （物种的性状）,中心法则:,转录,翻
20、译,逆转录,34,分子生物学进入一个崭新的时期,1970年 Baltimore发现逆转录病毒，丰富了中心法则 1973年 基因重组技术 1975年 断裂基因揭示了原核和真核基因的差异 1977年 Sanger测序技术 1978年 胰岛素的原核表达 1981年 Cech的Ribozyme （四膜虫的自我拼接） 1985年 Mullis的PCR 1987年 Transgenic animal 1988年 gene therapy 1989年 HCV的发现 1990年 HGP,35,分子生物学进入一个崭新的时期,1992年，蛋白激酶 1993年，基因治疗 1994年，荧光鼠 1994年，蛋白质组学
21、1996年，克隆羊多利 1996年，生物反应器 90年代初，新功能基因陆续发现 1997年，基因芯片 1998年，大规模测序技术 1990s ， 多个生物基因组的序列测定,36,分子生物学进入一个崭新的时期,2000年3月 果蝇的基因图谱 2000年3月 人造物种-265个基因的生殖器支原体 2000年 干细胞移植 2001年 蛋白质组学计划提出 2001年 RNA干扰 2002年 HGP草图公布 2003年 SARS病毒的鉴定 2004年 人类基因的SNP分析,37,分子生物学进入一个崭新的时期,中国的工作 1949年以前 19491979年 1979年以后 人类基因组计划，中国1%的份额
22、中国的科学家：黄桢祥、朱既明、候云德、曾毅、 洪涛、陈竺、夏家辉和杨焕明。 中国的水稻基因图谱（2003年） 光合作用的机制（2004年）,38,近30年在我国发生流行的新传染病,病毒类：SARS、艾滋病、丙型肝炎、庚型肝炎、戊型肝炎病毒、汉坦病毒、B组轮状病毒腹泻、禽流感 细菌类：肠出血性大肠杆菌O157:H7、O139霍乱、军团菌病、空肠弯曲菌肠炎、猪链球菌 其他微生物：莱姆病、巴尔通体感染14种。,39,近30年在世界范围内新的致命病毒,马尔堡、埃博拉、拉沙、汉坦，都是进入20世纪以后从它们的天然宿主跳到人类身上的病毒，都具有对人类造成浩劫的潜能。众所周知，一种热带雨林病毒，HIV，已经
23、开始发挥这种潜能。,40,世界上最后一个天花病案例,在1979年这个疾病的就被疫苗所根除了，人类受到这个疾病的影响已经有几个世纪了。有60%的成年人和80%儿童感染天花病的都会死亡，幸免生存下来的不是被毁容就是变成盲人。世界上最后的受害者是孟加拉国Banu Rahima，在1975年的10月他两岁的时候感染疾病。,41,21世纪人类面临的巨大挑战,2000年，联合国大学的未来学家公布的一份有关人类社会未来发展前景的报告认为，人类在进入新千年后面临着15大挑战，国际社会需对此采取相应对策。 这份题为未来咨文在新千年之际的报告是联合国大学“千年计划”研究工作的成果。该项研究始于1996年，参与者包
24、括来自近18个国家的700多名学术界、工商界人士以及政府决策人员。近百名中国专家学者参加了这项跨国研究项目。,42,实现全球范围内的可持续发展； 人人都能获得充足的洁净水； 实现人口增长和有限资源之间的平衡； 政策制定更具有全球性的长远眼光； 促使全球化和信息与通信技术的融合为所有人服务； 缩小贫富差距； 降低新出现的以及卷土重来的疾病和病毒的威胁；,43,根据自然环境和社会体制的变化相应提高决策能力；通过价值共享和新的安全战略减少种族冲突、恐怖主义和大规模毁灭性武器的使用； 通过提高妇女地位促使人类整体状况得到改善； 制止有组织犯罪在全球蔓延； 安全有效地满足不断增长的能源需求； 加快利用科
25、学技术突破为人类造福； 把伦理道德问题纳入全球性事务决策的考虑内容，并使这一做法更加常规化等。,44,温室气体,地球的大气主要由78%的氮气和21%的氧气组成，剩下的1% 中大部分是氩气。阳光能够穿透这些透明的气体并加热地表温度。被加热的大地和海洋又能够反过来加热靠近地表的大气。某些热量会被辐射回太空中。 如果整个大气的热循环就仅此而已的话，地球的平均温度将是 -18C 而不是现在的 15C。产生这些额外热量的原因是因为大气中存在能够吸收能量的气体，热量在被辐射回太空的过程中这些气体吸收了其中的部分能量并又缓慢地将这些热量释放到大气中。这些能够产生“温室效应”的气体被称之为温室气体。,45,温
26、室气体的来源（1）,二氧化碳 当呼吸的时候，我们从空气中吸入氧气并释放出 CO2。这是呼吸作用的一个过程，通过呼吸作用植物和动物可以从中获取能量。森林火灾和火山同样释放出 CO2。人们燃烧木材、煤和石油的时候也会将 CO2释放到大气中。一氧化氮 NO 是由硝酸铵释放出来的气体，硝酸铵是一种广泛使用的化学肥料用于增加农作物的产量。,46,温室气体的来源（2）,甲烷 甲烷是由一种叫做产甲烷菌的细菌天然产生的，这种细菌以无氧环境中的植物和动物为食。产甲烷菌生活在沼泽中静止不动的水下，它们产生的甲烷气泡称为“沼气”。 产甲烷菌还存在于动物的消化系统中，它们能够帮助将草和其他有机质降解为营养成分。白蚁能
27、够产生大量的甲烷。每只白蚁每天只能产生大约半微克的沼气，但是世界上白蚁的数量如此巨大，以至于每年它们产生的沼气多达两千万吨。 某些农业活动也能产生甲烷。水稻通常在水田中生长，覆盖在土地上静止不动的水如沼泽地那样有助于产甲烷菌的生长。 驯养的家畜比野生动物产生更多的甲烷。母牛每天产生大约 50 升甲烷，全世界用作商业用途的牛和羊每年大约产生一亿吨甲烷。,47,温室气体的来源（3）,氟利昂 氟利昂是氯、氟、氢和碳的化合物，自然界中并不存在。1982 年首次人工合成了氟利昂，但当时并不知道它有什么用途。后来证明氟利昂可以用作气雾罐的推进剂和制冷剂。但同时也发现了一个问题，当氟利昂被释放到大气中后，它
28、们进入平流层将会破坏那里的臭氧分子。臭氧是氧的另一种存在形式，由三个氧原子组成一个 O3 分子。通常游离的氧只形成 O2 分子。 臭氧层能够降低紫外线的辐射穿透作用。紫外线的辐射对人体是有害的，能够引起皮肤癌和白内障，而且还会影响其他生物体的生长和繁殖。正因为如此，1987 年通过了一项国际公约，禁止使用氟利昂。虽然氟利昂是最厉害的温室气体，但它们在大气中的含量非常少。随着氟利昂被禁止使用，它们在大气中的含量还将进一步减少。,48,目前的大灭绝是非常完善的物种智人（现代人的学名）活动的结果。由于生境破坏破坏、环境污染、现代工业的恶果、迅速的人口增长，致使每天都有几十种动植物灭绝。也许在随之而来
29、的几百万年内，物种大灭绝为新物种的发展提供了余地。但是，正如达尔文所言，一个物种消逝后将决不再现”。今天的植物、昆虫等动物一旦灭绝，将永远不会再次出现。从1600年1800年间，地球上的鸟类和兽类物种灭绝25种；从1800年1950年地球上的鸟类和兽类物种灭绝了78种。,49,人类出现之前，动物的进化只有两个动力：自然选择和性选择；人类出现之后，第三个动力出现：人工选择。所以，人类出现后的物种灭绝，人类是有一部分责任的。人类已经开始充当上帝的角色了。,50,经过4年的艰苦努力，由世界70个国家1000多名科学家参与的首次海洋生物普查项目终于取得了令人心动的初步成果。22日公布的一份研究报告显示，这项耗资10亿美元的项目已经为我们发现了近300种海洋新物种。 继去年发现了178种新的海洋鱼类和数百种海洋植物和其他动物后，科学家们今年又发现了106种海洋鱼类，相当于每周发现两种。,
