1、分子生物学 Molecular Biology,Lecturer: Liu Qing E,本课程的任务是介绍生物大分子的结构与功能；复制、转录、翻译的过程和基因表达调控的方式以及分子生物学的常用技术与应用。使学生了解有关分子生物学的基本理论知识和研究方法，为今后的学习、科研打下良好的分子生物学基础。,教学目的、任务,主要内容,教材及主要参考书,教材：赵亚华 基础分子生物学教程，科学出版社 P.C. Turner et al. 2009. Instant Notes in Molecular Biology(分子生物学精要速览)，3rd edition，Bios Scientific Publi
2、shers Limited. 朱玉贤 现代分子生物学，高等教育出版社 孙乃恩 分子遗传学，南京大学出版社。 阎隆飞 分子生物学，中国农业大学出版社， 李振刚 分子遗传学，科学出版社 Jame Watson等著. Molecular Biology of the Gene (第五版), Cold Spring Harbor Press出版，2004. Weaver R. Molecular Biology. 科学出版社,学习方法,1. 注重理解，融会贯通 重点强调知识体系的建立，掌握脉络、主干和重点。 2.勤学多问，孜孜不倦 善于勤学多问，与老师、同学多交流探讨。 3.跟踪前沿，引深思维 经常查
3、阅相关文献 4.举一反三，温故知新 做好预习、经常复习 5. 勤做笔记,考核方式:考试 1期末闭卷考试：50 2平时成绩：50% （考勤10%+课堂表现10%+作业成绩30%+期中考试成绩50%）,考 核,第一章 绪 论,教学目的、要求,掌握分子生物学的含义及分子生物学的研究内容，了解分子生物学发展简史、分子生物学在生命科学中的地位、分子生物学的现状和展望。,主要内容,一、分子生物学定义 二、分子生物学的主要研究内容以及与其它学科的关系 三、分子生物学的发展简史 四、分子生物学展望,一、分子生物学定义,1. 什么是分子生物学?是研究核酸、蛋白质等生物大分子的结构与功能及其相互作用关系，以及基因
4、表达调控机理的学科。是人类从分子水平上真正揭开生物世界的奥秘，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。,广义：包括对蛋白质和核酸等生物大分子结构与功能的研究，以及从分子水平上阐明生命的现象和生物学规律。 狭义：偏重于核酸(基因)的分子生物学，主要研究基因或DNA结构与功能、复制、转录、表达和调节控制等过程。,一、分子生物学定义,2.研究对象,Biomacromolecule (生物大分子),核酸、蛋白质、多糖等具有重要功能的较大分子量物质（分子水平）,一、分子生物学定义,3. 研究目的,阐明生物的产生、生长、发育、 繁殖、遗传等生命活动基本特征 的分子机理。,研究生命本质,一、
5、分子生物学定义,4. 研究方法,生命科学研究的主导技术 （DNA重组、PCR、杂交等）,生物技术,5.分子生物学的3条基本原理：,构成生物体有机大分子的单体在不同生物中都是相同的； 生物体内一切有机大分子的建成都遵循着各自特定的规则；某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子决定了它的属性。,一、分子生物学定义,二、分子生物学的主要研究内容以及与其它学科的关系,1.主要研究内容 (1)基因与基因组的结构与功能 (2)DNA的复制转录和翻译 (3)基因表达调控的研究 (4)DNA重组技术 (5)结构分子生物学,基因与基因组的结构与功能,分子生物学发展的主线分子生物学研究内容最基础最重要的部分。,基因
6、表达调控的研究,基因表达实质：遗传信息的转录和翻译时序调节表达环境调控表达 发育调控基因在这两方面表现尤为突出。,DNA重组技术,20世纪70年代初兴起的一门技术科学(基因工程) 目的 生产活性多肽 定向改造某些生物的基因结构 用于基础研究,结构分子生物学,研究生物大分子特定的空间结构以及结构运动变化与其生物学功能关系的科学。如：功能蛋白质组研究;核糖体结构与功能的研究,2. 分子生物学与其他学科之间的关系,分子生物学是由生物化学、生物物理学、遗传学、微生物学、细胞学、以至信息科学等多学科相互渗透、综合融汇而产生并发展起来的，凝聚了不同学科专长的科学家的共同努力。 它虽产生于上述各个学科，但已
7、形成它独特的理论体系和研究手段，成为一个独立的学科。,Life Sciences,Medical Sciences,Biology,Agri. Sciences,Macro (outdoor),Micro (indoor),Ecology, Behavior Evolution Systematics,Molecular Biology,Biochem,Microbiol,Cell Biology,Genetics,Bioinformatics,Immunol,Neurobiol,Others,Crop sciences Animal husbandry Veterinary,Patholog
8、y, clinic medicine Preventive medicine etc,分子生物学：从分子水平理解生命活动 生物化学：从化学组成角度来理解生物大分子和生物代谢。 细胞生物学：从细胞水平 理解生命活动 遗传学：从遗传角度理解生命活动。 普通生物学（动物&植物）& 微生物学：不同生物类型的特点,与生物化学的关系最为密切,但存在一定的差别,与细胞生物学十分密切,传统的细胞生物学,现代细胞生物学,分子生物学,（主要研究细胞和亚细胞器的形态、结构与功能）,（探讨组成细胞的分子结构）,（进一步研究各生物分子间的高层次组织和相互作用，尤其是细胞整体反应的分子机理）,三、分子生物学的发展简史,1
9、.准备和酝酿阶段（19世纪后期20世纪50年代）,2.现代分子生物学的建立和发展阶段（20世纪50年代70年代）,3.初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段（20世纪70年代后）,两个重大突破,蛋白质是生命的主要基础物质,确定了生物遗传的物质基础是DNA,19世纪末，Buchner兄弟证明酵母无细胞提取液能使糖发酵产生酒精第一次提出酶（enzyme）的名称，酶是生物催化剂。20世纪20-40年代，证明酶的本质是蛋白质。随后陆续发现生命的许多基本现象都与酶和蛋白质相联系，可以用提纯的酶或蛋白质在体外实验中重复出来。在此期间对蛋白质一级结构和空间结构也有了初步的认识。,1902年，EmilF
10、isher 证明蛋白质结构是多肽40年代末，Sanger 创立二硝基氟苯（DNFB）法、Edman 发展异硫氰酸苯酯法分析肽链N端氨基酸1951年，Pauling 和Corey ：-螺旋和折叠，确定了蛋白质的二级结构1953年，Sanger 和Thompson：确定了胰岛素的一级结构，这是第一个被确定一级结构的蛋白质。,LINUS CARL PAULING,1954 Nobel Laureate in Chemistry,“for his research into the nature of the chemical bond and its application to the eluci
11、dation of the structure of complex substances”,Background 1901-1994 Residence: U.S.A. Affiliation: California Institute of Technology, Pasadena, CA,Linus Pauling at the California Institute of Technology in Pasadena.,FREDERICK SANGER,1958 Nobel Laureate in Chemistry,“for his work on the structure of
12、 proteins, especially that of insulin”,Background Born: August 13, 1918 Place of Birth: Rendcombe, Gloucestershire, England Residence: Great Britain Affiliation: Cambridge University,1860至1870年Gregor Mendel :豌豆杂交细胞内的遗传因子（element or unit）决定和控制着生物体的各种性状1868至1871年F.Miescher ：从死亡的白细胞核中分离了DNA1909年 W.Joha
13、nnsen ：将遗传因子更名为基因1910年 T. H. Morgan：果蝇（ Drosophila ）证明基因是位于染色体上呈线性排列的遗传单位，“一个基因控制一个性状”（one gene-one trait）,“Father of Genetics“,At the monastery, he started investigations of variation, heredity and evolution of plants at the monasterys experimental garden. Because he knew other scientists had done
14、experimental crossings between peas, he already knew that he could observe the traits of the different pea generations.,Johann Gregor Mendel (18221884）,E. Seysenegg Tschermak,C. Correns,H. De Vries (1848-1935),这三位著名的生物学家在1900年同时发表论文宣扬孟德尔，使孟德尔定律很快引起了生物学界的重视。生物学界掀起了验证孟德尔定律的热潮。,Wilhelm Ludwig Johannsen
15、 18571927,1909年，丹麦生物学家约翰逊根据希腊文“给予生命”之义，创造了基因（gene）一词，并用这个术语代替孟德尔的“遗传因子”。不过他所说的基因并不代表物质实体，而是一种与细胞的任何可见形态结构毫无关系的抽象单位。因此，那时所指的基因只是遗传性状的符号，还没有具体涉及基因的物质概念。,Thomas Hunt Morgan,1941年 G. W. Beadle , E. L. Tetum : 链孢霉菌属的孢子突变研究。“one gene-one enzyme”。1944年 O. T. Avery ：肺炎球菌转化试验证明遗传物质是DNA 而不是当时流行的蛋白质，提出了DNA是遗传信
16、息的载体,Oswald Theodore Avery 18771955,肺炎链球菌转化的实验,肺炎链球菌,Alfred Day Hershey 19081997,T2噬菌体转染细菌实验,T2噬菌体,1953年 F. H. C. Crick , J. D. Watson ,(M. H. F. Wilkins R. E. Franklin) : DNA双螺旋模型开创了分子遗传学基本理论建立和发展的黄金时代。1958年 F. H. C. Crick ：分子生物学中心法则（central dogma of molecular biology）1966年 R. W. Holley ,H. G. Khor
17、ana, M. W. Nirenberg ：揭示遗传密码,“for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer in living material“,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962,1956年A.Kornbery:DNA聚合酶 1968年Okazaki:DNA不连续复制模型 1972年证实DNA复制开始需要RNA作为引物,1958年Weiss及H
18、urwitz等:RNA聚合酶 1961年Hall和Spiege-lman:mRNA与DNA序列互补,50年代初Zamecnik等:微粒体是细胞内蛋白质合成的部位 1957年Hoagland、Zamecnik、Stephenson等:tRNA 1961年Brenner、Gross等:mRNA与核糖体 的结合,1965年Holley :首次测出酵母丙氨酸tRNA的一级结构三叶草型结构,1970年 D. Baltimore, R. Dulbecco, H. M. Temin ：发现反转录酶，分子生物学中心法则扩充,DNA,RNA,Protein,The Nobel Prize in Physiolo
19、gy or Medicine 1968,“for their interpretation of the genetic code and its function in protein synthesis“,重组DNA技术的建立和发展,基因组研究的发展,基因表达调控机理,70年代后，以基因工程技术的出现作为新的里程碑，标志着人类深入认识生命本质并能动改造生命的新时期开始。,In 1973 American biochemist Herbert Boyer used restriction enzymes to produce a DNA molecule with genetic mater
20、ial from two different sources. This splicing technique is now known as recombinant DNA. Boyer inserted foreign genes into plasmids and observed that the plasmids could replicate to make many copies of the inserted genes. In subsequent experiments, Boyer, American biochemist Stanley Cohen, and other
21、 researchers demonstrated that inserting a recombinant DNA molecule into a host bacteria cell would lead to extremely rapid replication and the production of many identical copies of the recombinant DNA. This process, known as cloning, gave scientists the power to make many copies of desired DNA for
22、 molecular study.,Genetic Engineering,Herbert Boyer,Stanley Cohen,Genetic engineering enables scientists to produce clones of cells or organisms that contain the same genes.,1977年，Boyer等首先将人工合成的生长激素释放抑制因子14肽的基因重组入质粒，成功地在大肠杆菌中合成得到这14肽；1978年，Itakura（板仓）等使人生长激素191肽在大肠杆菌中表达成功；1979年，美国基因技术公司用人工合成的人胰岛素基因重
23、组转入大肠杆菌中合成人胰岛素。,DNA重组技术的出现极大地推动了DNA和RNA的研究。其三大关键技术即DNA切割技术、分子克隆技术和快速测序的不断成熟，使人们可以通过DNA操作改造生物机体的性状特征、改造基因、以至改造物种。 目前基因工程技术在农业、医药、食品、环保等都做出了有益的贡献。,基因工程技术发展给人类带来的成果,转基因动植物 基因诊断与基因治疗 核酸的化学合成从手工发展到全自动合成 ,转人生长激素基因的白鼠（左）,具有超凡嗅觉能力的转基因实验鼠,转基因鱼,生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼(中国),超级动物,导入贮藏蛋白基因的超级羊和超级小鼠,特殊动物,导入人基因具特殊用途的猪和小
24、鼠,转基因牛,乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷),产胰蛋白酶抑制剂的羊，羊奶可用于治疗慢性肺气肿。,普通棉花的棉铃（左）与转基因抗虫棉的棉铃（右）,转黄瓜抗青枯病基因的甜椒,转鱼抗寒基因的番茄,不会引起过敏的大豆,普通棉花与“兔毛”棉花,开砖红色花的矮牵牛,富含脯氨酸的水稻,转基因烟草,抗病毒的干扰素,金色大米，转胡萝卜素合成酶基因，食用后能转变成维生素A。,时代周刊封面文章,转胡萝卜素合成酶基因的甘薯,普通甘薯,富含脯氨酸的水稻,彩色蚕茧,普通棉花与“兔毛”棉花,1991年美国向一患先天性免疫缺陷病（遗传性腺苷脱氨酶ADA基因缺陷）的女孩体内导入重组的ADA基因，获得成功。我国也在19
25、94年用导入人凝血因子基因的方法成功治疗了乙型血友病的患者。在我国用作基因诊断的试剂盒已有近百种之多。基因诊断和基因治疗正在发展之中。,PCR (polymerase chain reaction) is a technique used to make numerous copies of i.e. amplify a specific segment of DNA. PCR makes it possible to quickly and accurately obtain large quantities of DNA needed in carrying out research in
26、 molecular biology, in clinical diagnosis, in criminal investigations requiring forensic analysis, and in virus infectious disease research, e.g. in the ongoing battle against AIDS.,The 1993 Nobel Prize in Chemistry 13 October 1993,“for his invention of the polymerase chain reaction (PCR) method”,ha
27、lf to Dr Kary B. Mullis, La Jolla, California, U.S.A., and half to Professor Michael Smith, University of British Columbia, Vancouver, Canada, for his fundamental contributions to the establishment of oligonucleotide-based, site-directed mutagenesis and its development for protein studies.,Kary B. M
28、ullis 1945 -,基因组(genome)：生物机体一个细胞所有不同染色体上全部的DNA总和称为基因组。基因组中不同区域具有不同的功能，有些是编码蛋白质的结构基因，有些是复制及转录的调控信号，有些区域的功能尚不清楚。,1977年 Sanger测定了x174-DNA全部5375个核苷酸的序列 1978年Fiers等测出SV-40DNA全部5224对碱基序列 80年代噬菌体DNA全部4850碱基对的序列全部测出,1990.10：被誉为生命科学“阿波罗登月计划”的人类基因组计划（HGP） 启动。 1998.5：美国科学家克里格文特创建的塞莱拉遗传公司，目标是投入亿美元，到年绘制出完整的人体基因
29、组图谱，与国际HGP展开竞争。 1999.12.1：国际HGP联合研究小组宣布，他们完整地破译出人体第22对染色体的遗传密码。 2000.3.14：当时的美国总统克林顿和英国首相布莱尔发表联合声明，呼吁将人类基因组研究成果公开，以便世界各国科学家都能自由地使用这些成果。 2000.5：国际HGP完成时间预计从原定的2003年6月提前至2001年6月。 2000.6.26：科学家公布人类基因组“工作框架图”。 2001.2：国际HGP(美、英、日、德、法和中国)的科学家和美国塞莱拉公司分别宣布完成绘制人类基因组测序草图。分别在15日出版的Nature和16日的Science公布。,人类基因组计划
30、(Human Genome Project),青山衬托之下，是一片金灿灿的中国水稻梯田。4月5日以中国梯田为封面的 Science杂志以14页篇幅率先发表了一个重大成果中国人独立完成的论文水稻（籼稻）基因组的工作框架序列，显示对中国科学家成就充分肯定。,COVER Photograph of the Honghe Hani rice terraces in Yunnan Province, China. In this issue, two separate research groups report draft sequences of two strains of rice-japoni
31、ca and indica. In addition, the Editorial, News Focus, Letters, and Perspectives highlight the significance of the rice genome to the worlds population. Image: Liwen Ma and Baoxing Qiu, Beijing Genomics Institute,1961年 F. Jacob, J.M.Monod :原核生物基因表达调控模型-乳糖操纵子学说，打开了人类认识基因表达调控的窗口。,1977年最先发现猴SV40病毒和腺病毒中
32、编码蛋白质的基因序列是不连续的，这种基因内部的间隔区（内含子）在真核基因组中是普遍存在的，揭开了认识真核基因组结构和调控的序幕。,SV40（simiiam virus-40）,Adenovirus,1981年Cech等发现四膜虫rRNA的自我剪接，从而发现核酶（ribozyme）。80-90年代，使人们逐步认识到真核基因的顺式调控元件与反式转录因子、核酸与蛋白质间的分子识别与相互作用是基因表达调控根本所在。,四、分子生物学展望,21世纪是生命科学世纪，生物经济时代. 结构基因组学、功能基因组学、蛋白质组学、生物信息学、信号跨膜转导成为新的热门领域。,功能基因组学,任务：对成千上万的基因表达进行分析比较，从基因组整体水平上阐述基因活动规律核心问题：基因组多样性和进化规律、基因组的表达及其调控、模式生物体基因组研究,蛋白质组学,蛋白质组：细胞内的全部蛋白质 蛋白质组学：是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：在特定事件、特定环境和实验条件下基因组活跃表达的蛋白质。,生物信息学,利用数据库、计算机网络和应用软件等对DNA和蛋白质序列资料中各类信息进行识别、存储、分析、模拟和传输的一门科学。,
