1、分子生物学,第一章 绪论,1.1 引言,哲学最TOP的三个问题我是谁？我来自哪里？我要去哪里？,1.1.1 创世说与进化论,在达尔文提出进化论前，西方社会普遍都接受创造论，相信上帝创造世界、并一次就创造出所有的生物，同时上帝也赋予每种生物各自的角色，而每个物种的设计都非常完美，所以物种是永恒固定不变的。,达尔文并不是最先提出进化观念的人,在达尔文之前，有一些学者已具有进化思想，包括他的祖父伊拉斯谟斯达尔文。法国生物学家拉马克在1809年发表了动物哲学一书，系统地阐述了他的进化理论，即通常所称的拉马克学说。书中提出了用进废退与获得性遗传两个法则，并认为这既是生物产生变异的原因，又是适应环境的过程
2、。但长久以来没有科学证据可以证明“用进废退”和“获得性特征可遗传”的假说，然而近来有研究表明，过往的生存经历会一定程度上改变修饰遗传基因，从而影响后代的神经系统。,1831年12月达尔文参加了海军舰艇小猎犬号前往南美洲从事自然调查研究工作，“天择”的概念逐渐在达尔文五年的考察过程中形成。在他的航行中，达尔文观察和收集了大量的生物，在南美沿岸和邻近的加拉帕戈斯群岛的各种形式的生命使达尔文非常感兴趣。12在1836年回到英国后，达尔文慢慢将他的看法写成文章，然而没有发表，原因之一就是担心引起教会势力的强烈反弹。1858年，达尔文接到在马来群岛调查的博物学者华莱士有关物种形成的文章；华莱士对于物种形
3、成的看法与他有很多相似之处，增加了达尔文对其学说的信心。于是两人在1858年的伦敦林奈学会中，以两人共同署名的方式，发表有关物种形成的看法。接着达尔文在1859年发表了物种原始。,不同的声音：物种分化变异说法,骤变说 生物学上的骤变（saltation）是指生物相邻的两个世代之间，具有显著差异。骤变说（saltationism）则认为生物的变异，是“非偶然”且“非渐进”的，甚至只需要一个步骤便能形成新物种。这种观念与后来的新达尔文主义相违背，在目前是属于非主流的进化思想。史蒂芬古尔德与艾崔奇提出的疾变平衡（punctuated equilibrium），经常受人误解为一种骤变理论。虽然这个理论
4、认为，物种形成的速度可能比原来所设想的更不平均，可能在某些时期相对更快，但是这是以地质时间而言，也就是仍然需要数十万年（而不是动辄百万年以上）。因此并不属于骤变说。中性理论 主条目：中性理论 中性理论全称为分子进化的中性理论。是日本遗传学家木村资生所提出。这个理论认为在分子遗传学的层次上，基因的变化大多数是中性突变。由于中性突变对生物个体既没有好处也没有坏处，因此并不受自然选择影响。现今的进化生物学家认为，自然选择理论与中性理论是能够并立且互补。拉马克学说法国生物学家拉马克于1809年发表的动物哲学著作中曾提出用进废退说，举例来说，只要生物功能长期使用者进化，不常用者退化，而会遗传给下一代。此
5、理论经不起古典遗传学（孟德尔遗传学）的推敲，也较不符合现代的遗传学，因而比较不被普遍的接受。,1.1.2 细胞学说,细胞学说是18381839年间由德国植物学家施莱登 (Matthias Jakob Schleiden) 和动物学家施旺(Theodor Schwann) 最早提出，直到1858年才较完善。它是关于生物有机体组成的学说。细胞学说论证了整个生物界在结构上的统一性，以及在进化上的共同起源。细胞学说揭示了细胞的统一性。这一学说的建立推动了生物学的发展，并为辩证唯物论提供了重要的自然科学依据。,1.1.3 经典生物化学与遗传学,孟德尔1822年出生于当时奥地利海森道夫地区的一个贫苦农民家
6、庭，他的父亲擅长于园艺技术，在父亲的直接熏陶和影响之下，孟德尔自幼就爱好园艺。1843年，他中学毕业后考入奥尔谬茨大学哲学院继续学习，但因家境贫寒，被迫中途辍学。1843年10月，因生活所迫，他步入奥地利布隆城的一所修道院当修道士。从1851年到1853年，孟德尔在维也纳大学学习了4个学期，系统学习了植物学、动物学、物理学和化学等课程。与此同时，他还受到了从事科学研究的良好训练，这些都为他后来从事植物杂交的科学研究奠定了坚实的理论基础。1854年孟德尔回到家乡，继续在修道院任职，并利用业余时间开始了长达12年的植物杂交试验。,1.1.4DNA的发现与基因学说的创立,罗莎琳德埃尔西富兰克林,到了
7、1951年11月，富兰克林提出了A型DNA的X射线衍射图，并进行了一场演讲。这时候沃森正好在剑桥大学中由威廉劳伦斯布拉格主持的卡文迪许实验室研究蛋白质结构。沃森与克里克得知了这些讯息之后，便开始尝试排列DNA的螺旋结构，当时他们的模型是三股螺旋。沃森与克里克曾经邀请富兰克林、威尔金斯与葛林斯参观他们的三股螺旋结构,Rosalind E. Franklin,1920-1958,1953年1月，威尔金斯由于以为沃森与克里克早已不做DNA结构的分析，因此将照片51号拿给沃森过目，并且详细的解释相关的研究结果。这使得沃森与克里克取得了布拉格的同意，并在2月4日重启对DNA结构模型的建构，以及在2月8日
8、请求威尔金斯同意他们也进行相同研究，此时威尔金斯才知道自己先前可能已经透露太多。同时卡文迪许实验室在MRC的代表，也是访问委员会的成员之一马克斯培鲁兹（Max Ferdinand Perutz），也在克里克的要求下，将MRC报告拿给沃森与克里克观看。虽然这篇报告并非机密，但是透露研究成果给竞争对手的行为却让蓝道尔大为光火。,关于诺贝尔奖,1962年沃森、克里克和威尔金斯获得诺贝尔生理学或医学奖的时候，富兰克林已经在4年前因为卵巢癌而去世。按照惯例，诺贝尔奖不授予已经去世的人。此外，同一奖项至多只能由3个人分享，假如富兰克林活着，她会得奖吗？性别差异是否会成为公平竞争的障碍？后人为了这个永远不能
9、有答案的问题进行过许多猜测与争论。,1.2 分子生物学简史,一、现代分子生物学史中的主要里程碑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，而Morgan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。,Gregor Mendel,(1822-1884).The Father of Genetics,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，美国科学家Uchoa第一次合成了核糖 核酸，实现了将基因内的遗传信息通过RNA 翻译成蛋白质的过程。,同年，Kornberg实现了试管内细菌细胞中 DNA的复制。,1962年
10、，Watson和Crick因为在1953年提出 DNA的反向平行双螺旋模型而与Wilkins共获 Noble生理医学奖，后者通过X射线衍射证实 了Watson-Crick模型。,Watson和Crick所提出的脱氧核糖酸双 螺旋模型，为充分揭示遗传信息的传递 规律铺平了道路。,1965年，法国科学家Jacob和Monod提出并,证实了操纵子（operon）作为调节细菌细胞代,谢的分子机制.,他们还推测存在一种与DNA序列相互补、能,将它所编码的遗传信息带到蛋白质合成场所并,翻译产生蛋白质的mRNA（信使核糖核酸）.,1972年，Paul Berg（美）第一次进行了DNA,重组.,1977年，S
11、anger和Gilbert（英）第一次进行,了DNA序列分析.,1987年，McClintock由于在50年代提出并 发现了可移动遗传因子（jumping gene或称 mobile element）而获得Nobel奖。,Barbra,McClintock,1993年，美国科学家Roberts和Sharp因发 现 断 裂 基 因 （ introns） 而 获 得 Nobel奖； Mullis由于发明PCR仪而与加拿大学者Smith （第一个设计基因定点突变）共享Nobel化学 奖。,此外，Griffith（1928）及Avery（1944） 等人关于致病力强的光滑型（S型）肺炎链球 菌DNA导
12、致致病力弱的粗糙型（R型）细菌发 生遗传转化的实验;,Hershey和Chase（1952）关于DNA是,遗传物质的实验;,Crick于1954年所提出的遗传信息传递,规律（即中心法则）；,Meselson和Stahl（1958）关于DNA半,保留复制的实验;,Yanofsky和Brener（1961）年关于遗 传密码三联子的设想都为分子生物学的发 展做出了重大贡献。,我国生物科学家吴宪20世纪20年代与汪猷、 张昌颖等人一道完成了蛋白质变性理论、血 液生化检测和免疫化学等一系列有重大影响 的研究。,20世纪中下叶，我国科学家相继实现了人工 全合成有生物学活性的结晶牛胰岛素，解出 了三方二锌猪
13、胰岛素的晶体结构，采用有机 合成与酶促相结合的方法完成了酵母丙氨酸 转移核糖核酸的人工全合成。,二、分子生物学的主要研究内容与基本定理,主要研究内容：,DNA重组技术 (基因工程),基因表达调控 (核酸生物学),生物大分子结构功能 (结构分子生物学),基因组、功能基因组与生物信息学研究,基本定理：,1.构成生物体有机大分子的单体在不同生,物中都是相同的；,2.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；,3.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。,1、DNA重组技术,是20世纪70年代初兴起的技术科学，目的是 将不同DNA片段（基因或基因的一部分）按 照人们的设计定
14、向连接起来，在特定的受体 细胞中与载体同时复制并得到表达，产生影 响受体细胞的新的遗传性状。,DNA重组技术是核酸化学、蛋白质化学、酶 工程及微生物学、遗传学、细胞学长期深入 研究的结晶，而限制性内切酶DNA连接酶及 其他工具酶的发现与应用则是这一技术得以 建立的关键。,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。,重组DNA操作过程示意图,根 癌 土 壤 农 杆 菌 （ Agrobaoterium tumefaciens） 侵 染 植 物 细 胞 后 能 将 其 Ti （tumor
15、 inducing）质粒上的一段DNA（T- DNA）插入到被侵染细胞的基因组，并能稳定 地遗传给后代，植物的遗传转化(植物基因工 程)技术随之得到迅速发展。,2、基因表达调控研究,蛋白质分子控制了细胞的一切代谢活动，而决 定蛋白质结构和合成时序的信息都由核酸（主 要是脱氧核糖核酸）分子编码，所以，基因表 达实质上就是遗传信息的转录和翻译过程。,3、结构分子生物学,研究三维结构及其运动规律，研究生物大分子 特定的空间结构及结构的运动变化与其生物学 功能的关系。,X射线衍射的晶体学（又称蛋白质晶体学）二维和多维核磁共振法液相结构,电镜三维重组、电子衍射、中子衍射和各种频谱学方法研究生物高分子的空
16、间结构。,一个生物大分子，无论是核酸、蛋白质或多 糖，在发挥生物学功能时，必须具备两个前 提：,1拥有特定的空间结构（三维结构）；,2在它发挥生物学功能的过程中必定存在着 结构和构象的变化。,1.3.4基因组、功能基因组与生物信息学研究,后基因组时代生物信息学的作用将更加举足轻重，要读懂“天书”，仅仅依靠传统的实验观察手段无济于事，必须借助高性能计算机和高效数据处理的算法语言。只有如此，“天书”才能发挥它应有的价值。 生命科学的革命性巨变已把生物信息学推到了前台，生物信息技术已成为后基因时代的核心技术之一，在蛋白质组学、功能基因组学、药物基因组学等领域必将更有用武之地，从而对生命科学(尤其是医学)的发展产生无法估计的巨大影响。,
