1、2018/8/19,1,分子生物学基础 Molecular Biology,主讲人： 杨竹泰州市病毒研究所,2018/8/19,2,2.分子生物学的研究内容,1.分子生物学的定义,3.分子生物学与生物技术,内容概要,2018/8/19,3,一、分子生物学的定义,2018/8/19,4,从整体水平到分子水平示意图,分子水平,细胞水平,整体水平,生命科学的发展过程：,分子生物学的概念,分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子的结构与功能，并从分子水平上阐明蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸之间的互作及其基因表达调控机理的学科 广义上，分子生物学包括对蛋白质和核酸等生物大分子结构与功能的研究，以及从分子水
2、平上阐明生命现象和生物规律，但目前主要研究基因的结构与功能、复制、转录、表达和调控，确切地应称为分子遗传学,DNA-遗传密码的携带者,引自Neil Campbell著Biology第4版,1996,胰岛素,蛋白酶,蜘蛛毒素,光合作用受体,金属硫蛋白,分子生物学的研究内容,基因与基因组的结构与功能 DNA的复制、转录和翻译 基因表达调控的研究 DNA重组技术 结构分子生物学,分子生物学的发展历程,19441966年，人类对DNA和遗传信息传递的认识阶段 19671978年，重组DNA技术的建立和发展阶段 1979年至今，重组DNA技术的应用和分子生物学迅速发展阶段,分子生物学的发展历程,1944
3、年，Avery 证明DNA是遗传物质 1950年，Chargaff 提出Chargaff定则 1953年，Watson & Crick 成功解析了DNA分子二级结构 1961年，Jacob & Monod 提出了调节基因表达的操纵子模型,分子生物学的发展历程,1970年，Smith & Wilcox 分离到第一种限制性核酸内切酶 19721973年，Boyer & Berg 发展了重组DNA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 1975年，Southern 发明了DNA片段的印迹法,分子生物学的发展历程,1981年，Cech 发现了ribozyme 1982年，Prusin
4、er 发现了朊病毒prion 1985年，Karry Mullis 发明了PCR反应 1988年，人类基因组计划启动 1998年，克隆羊多利诞生，同年GenBank 公布了最新的人类基因图谱,Gregor Mendel (1822-1884). The Father of Genetics,孟德尔的 遗传学规律 最先使人们对 性状遗传 产生了理性认识,孟德尔（奥地利）的遗传学规律最先使人们对性状遗传产生了理性认识； Morgan（美）的基因学说则进一步将“性状”与“基因”相耦联，成为分子遗传学的奠基石。,1910年，德国科学家Kossel第一个分离了腺嘌呤，胸腺嘧啶和组氨酸。1959年，美国科
5、学家Ochoa 因为酶学方面的杰出贡献（第一次合成核糖核酸），与实现试管内细菌细胞中DNA的复制的Arthur Kornberg共享当年诺贝尔生理与医学奖。,2018/8/19,16,1. 核酸的发现,早在1868年，Miescher从脓细胞中分离出细胞核，用稀碱抽提再加入酸，得到了一种含氮和磷特别丰富的物质，当时称其为核素（nuclein）。 1872年，他又在鲑鱼精子细胞核中发现了大量的这类物质。由于这类物质都是从细胞核中提取出来的，而且又是酸性，故称其为核酸（nucleic acid）。,Friedeich Miescher,2018/8/19,17,自核酸被发现以来的相当长时期内，对它
6、的生物学功能几乎毫无所知。 1928年(Frederick Griffith)以后，核酸功能研究取得了重大进展。,2018/8/19,18,In 1928, an experiment of Frederick Griffith using pneumonia bacteria and mice,2018/8/19,19,1952年， Hershey AD和 Chase M用 35S和 32p分别标记T2噬菌体的蛋白质和核酸，感染大肠杆菌。在大肠杆菌细胞内增殖的噬菌体中都只含有32P而不含35S, 这表明噬菌体的增殖直接取决于DNA而不是蛋白质。,2. 核酸功能研究的重大进展,1944年，Av
7、ery OT等首次证明肺炎双球菌的DNA与其转化和遗传有关。,2018/8/19,20,In 1952, Alfred Hershey and Martha Chase did an experiment which is so significant, it has been nicknamed the “Hershey-Chase Experiment”.,2018/8/19,21,In 1952, Alfred Hershey and Martha Chase did an experiment which is so significant, it has been nicknamed
8、 the “Hershey-Chase Experiment”.,2018/8/19,22,DNA的X光衍射照片 1952年5月拍摄,罗沙琳德弗兰克林 （Rosalind Franklin，19201958）英国,DNA双螺旋结构模型的建立,Wilkins通过对DNA分子的X射线衍射研究证实了该模型。Rosalind E. Franklin 1920-1958,2018/8/19,24,DNA双螺旋结构模型的建立,诺贝尔医学与生理学奖 1962年,2018/8/19,25,Watson JD和Crick FHC的“双螺旋结构模型” 启动了分子生物学及重组DNA技术的发展。确立了核酸作为信息分子
9、的结构基础；提出了碱基配对是核酸复制、遗传信息传递的基本方式，最终确定了核酸是遗传的物质基础。,2018/8/19,26,The Meselson-Stahl experiment （1958） showed that DNA is replicated semi-conservatively,DNA semi-conservative duplication,3. DNA复制模型,2018/8/19,27,DNA复制模型,2018/8/19,28,1961年，Nirenberg、Ochoa以及Khorana等几组科学家的共同努力，破译了RNA上编码合成蛋白质的遗传密码，证明DNA分子中的遗传
10、信息是以三联密码的形式贮存。,遗传密码在生物界具有通用性。,2018/8/19,29,2018/8/19,30,2018/8/19,31,4. 中心法则的建立1958年，Crick提出了分子生物学的中心法则（central dogma）。中心法则是分子遗传学基本理论体系。,2018/8/19,32,2018/8/19,33,1970年，Temin和Baltimore从鸡Rous肉瘤病毒(Rous sarcoma virus，RSV)颗粒中发现了以RNA为模板合成DNA的逆转录酶，进一步补充了遗传信息传递的中心法则。,2018/8/19,34,6. 基因的人工合成1978年体外首次成功地人工合成
11、第一个完整基因。直接证实了Mendel G在1865年发现的遗传因子(基因)的化学本质，就是 DNA分子。DNA分子是多种多样生命现象的物质基础。,2018/8/19,35,7.基因组研究的进展,基因组（genome）: 一个物种遗传信息的总和。基因结构与功能研究已经从单个基因发展到生物体整个基因组。基因组研究已从简单的低等生物到真核生物，从多细胞生物到人类。,2018/8/19,36,1977年:Sanger测定了X174 DNA全部5375bp核苷酸序列；,1978年:Fiers等测出环状SV40 DNA全部5243bp核苷酸序列；,1980年代:噬菌体DNA全部48502碱基对的序列被测
12、出；一些 小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因组的全 序列也陆续被测定;,1996年底:大肠杆菌基因组DNA的全部序列长4106碱基对；,1996年底:完成了真核生物酵母（Saccharomyces erevisiae）的基因组全序列测定；,1998年底:长达100Mb的线虫的基因组序列测定也已全部完成。 这是第一个完成的多细胞生物体的全基因组序列测定。,2018/8/19,37,人类基因组计划（human genome project, HGP）美国科学家、诺贝尔奖获得者Dulbecco R于1986年在美国 Science 杂志上发表的短文中率先提出，并认为这是加快癌症研究进程的一条有
13、效途径。主要的目标是绘制遗传连锁图、物理图、转录图，并完成人类基因组全部核苷酸序列测定。测出人体细胞中24条染色体上全部30亿对核苷酸的序列，把所有人类基因都明确定位在染色体上，破译人类的全部遗传信息。 HGP是人类自然科学史上与曼哈顿原子弹计划和阿波罗登月计划相媲美的伟大科学工程。,“Whats Human Genome Project?” “One base One dollar!” - by a taxi driver (and a tax payer),2018/8/19,39,研究结果表明，人类基因数量仅有3万个左右，比此前估计的要少得多。通过研究还发现男女可能存在巨大遗传差异，男性
14、染色体减数分裂的突变率是女性的两倍。在已经分析的序列中，找到很多与遗传病有关的基因，包括乳腺癌、遗传性耳聋、中风、癫痫症、糖尿病和各种骨骼异常的基因。,全基因组已经测序的一些生物,2018/8/19,41,（二）蛋白质分子生物学：,DNA 储存生命活动的各种信息。蛋白质生命活动的执行者。蛋白质的分子生物学主要研究蛋白质的结构与功能。,2018/8/19,42,蛋白质结构与功能的研究进展,1956年，Anfinsen和 White根据对酶蛋白的变性和复性实验，提出蛋白质的三维空间结构是由其氨基酸序列来确定的。,1958年，Ingram证明正常的血红蛋白与镰状细胞溶血症病人的血红蛋白之间，在其亚基
15、的肽链上仅有一个氨基酸残基的差别。,1969年，Weber开始应用 SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳测定蛋白质分子量；20世纪60年代先后分析了血红蛋白、核糖核酸酶A等一批蛋白质的一级结构。,中国科学家在1965年人工合成了牛胰岛素； 1973年又用1.8A X射线衍射分析法测定了牛胰岛素的空间结构。,2018/8/19,43,三、分子生物学与生物技术,2018/8/19,44,分子生物学技术：,例如：DNA及RNA的印迹转移、核酸分子杂交、基因克隆、基因体外扩增、DNA 测序等，形成了独特的重组DNA技术及其相关技术。,由生物化学、生物物理学、细胞生物学、遗传学、应用微生物学及免疫学等各专业技术的
16、渗透、综合而成，并在此基础上发明和创造了一系列新的技术。,2018/8/19,45,分子克隆 (molecular cloning),重组DNA (recombinant DNA)技术是近代分子生物学技术的核心。,基因操作 (gene manipulation),基因克隆 (gene cloning),基因工程 (gene engineering),通过DNA连接酶把不同的DNA片段连接成一个整体。a. DNA的粘性末端; b. DNA的平末端; c. 化学合成的具有EcoRI粘性末端的DNA片段。,工具酶 限制性核酸内切酶能够识别DNA上的特定碱基序列并从这个位点切开DNA分子。 第一个核酸
17、内切酶EcoRI是Boyer实验室在1972年发现的，它能特异性识别GAATTC序列，将双链DNA分子在这个位点切开并产生具有粘性末端的小片段。,几种主要DNA内切酶所识别的序列及其酶切末端.,基因克隆的载体 仅仅能在体外利用限制性核酸内切酶和DNA连接酶进行DNA的切割和重组，还不能满足基因工程的要求，只有将它们连接到具备自主复制能力的DNA分子上，才能在寄主细胞中进行繁殖。具备自主复制能力的DNA分子就是分子克隆的载体（vector）。病毒、噬菌体和质粒等小分子量复制子都可以作为基因导入的载体。,重组DNA操作过程示意图,2018/8/19,52,20世纪以来，分子生物学的发展，产生了重组
18、DNA技术，推动生物技术深入发展，而导致现代生物技术作为一门交叉学科的产生。转基因细胞、转基因动物和基因剔除动物的出现，是现代分子生物学技术在生物技术领域的应用与发展。,2018/8/19,53,用转基因动物获取治疗人类疾病的重要蛋白质。如，导入了凝血因子基因的转基因绵羊分泌的乳汁中含有丰富的凝血因子，能有效地用于血友病的治疗。,转基因动物和基因剔除动物,2018/8/19,54,在转基因植物方面取得重大进展，比普通西红柿保鲜时间更长的转基因西红柿投放市场。转基因玉米、转基因大豆相继投入商品生产。我国科学家将蛋白酶抑制剂基因转入棉花，获得抗棉铃虫的棉花株。,转基因植物和转基因食品,2018/8
19、/19,55,DNA序列分析技术：,双脱氧末端终止法:1977年，剑桥大学Sanger F等发明。,化学裂解法:美国Maxam I和Gilbert W发明。,2018/8/19,56,2018/8/19,57,(polymerase chain reaction, PCR) ：,1985年，Mullis K首创。体外模拟细胞内DNA复制过程，进行体外基因扩增。,2018/8/19,58,基因芯片（Gene chips）技术：,基因芯片技术: 将大量探针固定于支持物上，与标记的样品进行杂交。可一次性对样品中大量序列进行检测和分析。解决了传统核酸杂交技术操作繁杂、检测效率低的问题。,通过设计不同的
20、探针阵列和使用特定的分析方法，使该技术具有多种不同的应用价值。如基因表达谱分析、基因突变检测、多态性分析、基因诊断等。,2018/8/19,59,叠加图：绿色代表下调；红色代表上调 ；黄色无差异。,正常样品 Cy3标记,待测样品 Cy5标记,叠加,石奕武，胡维新等：多发性骨髓瘤的基因表达谱分析， 湖南医科大学学报，2003，28（3）：201205,2018/8/19,60,基因治疗(gene therapy),基因治疗是分子生物学理论与技术的飞速发展给医学带来新的希望和新的治疗手段，开辟了治疗学(therapeutics)的新纪元。基因治疗是临床医学中发展起来的新领域，发展十分迅速。,201
21、8/8/19,61,基因治疗技术的发展与整个医学科学的发展以及许多分子生物学新理论、新技术、新方法的应用密切相关。,临床基因治疗研究已经得到了迅速发展，基因治疗的范围从单基因缺陷遗传病扩大到多基因遗传病（恶性肿瘤、心血管病、免疫性疾病等）以及传染性疾病（如肝炎、艾滋病等）。,2018/8/19,62,狭义基因治疗：目的基因导入靶细胞后与宿主细胞内的基因发生整合、成为宿主基因组的一部分，目的基因表达产物起治疗疾病的作用。,广义基因治疗：包括通过基因转移技术，使目的基因得到表达，封闭、剪切致病基因的mRNA，或自杀基因产物催化药物前体转化为细胞毒性物质，杀死肿瘤细胞，从而达到治疗疾病的目的。,2018/8/19,63,随着人类基因组遗传信息的全部破译和基因功能的澄清，临床医生有可能根据病人的需要，将外源基因导入患病的细胞，替换有缺陷的基因以治疗疾病。在新的世纪，可以预期基因治疗将会有一个更大的发展。,2018/8/19,64,谢谢！,
