分子生物學-第1章 緒論

1、第一章第一章 緒論緒論 一一. 基本含義基本含義 一一. 分子生物學的基本含義分子生物學的基本含義 是人類從分子水平上研究細胞活動的規(guī)是人類從分子水平上研究細胞活動的規(guī)律，揭開生命本質(zhì)的一門基礎學科。律，揭開生命本質(zhì)的一門基礎學科。 第一章第一章 緒論緒論 一一. 基本含義基本含義 - 分子水平分子水平是是指指 攜帶遺傳信息的核酸和在遺傳信息傳遞及細胞內(nèi)、攜帶遺傳信息的核酸和在遺傳信息傳遞及細胞內(nèi)、細胞間通訊過程中發(fā)揮著重要作用的蛋白質(zhì)等生物細胞間通訊過程中發(fā)揮著重要作用的蛋白質(zhì)等生物大分子。大分子。- 分子水平上研究分子水平上研究生命的本質(zhì)生命的本質(zhì)主要是指主要是指 對遺傳、生殖、生長和發(fā)育

2、等生命基本特征的分對遺傳、生殖、生長和發(fā)育等生命基本特征的分子機理的闡明子機理的闡明, 從而為利用和改造生物奠定理論基從而為利用和改造生物奠定理論基礎和提供新的手段。礎和提供新的手段。第一章第一章 緒論緒論 一一. 基本含義基本含義 分子生物學：分子生物學： 是研究核酸等生物大分子的功能、是研究核酸等生物大分子的功能、 形態(tài)結(jié)構(gòu)特形態(tài)結(jié)構(gòu)特 征及其重要性和規(guī)律性的學科，是人類從分子征及其重要性和規(guī)律性的學科，是人類從分子 水平上真正揭開生物世界的奧秘，由被動適應水平上真正揭開生物世界的奧秘，由被動適應 自然界轉(zhuǎn)向主動地改造和重組自然界的基礎學自然界轉(zhuǎn)向主動地改造和重組自然界的基礎學 科。科。

3、分子生物學是目前現(xiàn)代生物學領(lǐng)域里最具有活分子生物學是目前現(xiàn)代生物學領(lǐng)域里最具有活 力和發(fā)展最為迅速的學科之一。力和發(fā)展最為迅速的學科之一。第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學發(fā)展簡史分子生物學發(fā)展簡史 二二. . 分子生物學發(fā)展簡史分子生物學發(fā)展簡史 分子生物學的發(fā)展大致可分為兩個階段分子生物學的發(fā)展大致可分為兩個階段 1. 1. 準備和醞釀階段準備和醞釀階段 1919世紀后期世紀后期-20-20世紀世紀5050年代年代 產(chǎn)生了兩點對生命本質(zhì)的認識上的重大突破產(chǎn)生了兩點對生命本質(zhì)的認識上的重大突破: : 確定了生物遺傳的物質(zhì)基礎是核酸確定了生物遺傳的物質(zhì)基礎是核酸, 解決了遺解決了遺 傳

4、的物質(zhì)基礎問題。傳的物質(zhì)基礎問題。 確定了蛋白質(zhì)是生命的主要基礎物質(zhì)。確定了蛋白質(zhì)是生命的主要基礎物質(zhì)。第一章第一章 緒論緒論 一一. 基本含義基本含義 多少年來，人們反復提出的幾個與一切生命現(xiàn)象有關(guān)的問題：1.生命是怎樣起源的？2.為什么“有其父必有其子”？3.動、植物個體是怎樣從一個受精卵發(fā)育而來的？證明DNA就是遺傳物質(zhì)的主要歷史事件第一章第一章 緒論緒論 一一. 基本含義基本含義 物競天擇，適者生存物競天擇，適者生存達爾文的進化論達爾文的進化論達爾文的進化論是生物科學史上最偉大的創(chuàng)舉之一，具有不可磨滅的貢獻。第一章第一章 緒論緒論 一一. 基本含義基本含義 Leeuwenhoek: 世

5、界上第一架顯微鏡世界上第一架顯微鏡 德國植物學家德國植物學家Schleiden,動物學家動物學家Schwann: 細胞學說細胞學說所有組織的最基本單元都是形狀非常相似而又高度分化的細胞所有組織的最基本單元都是形狀非常相似而又高度分化的細胞細胞學說細胞學說第一章第一章 緒論緒論 一一. 基本含義基本含義 經(jīng)典生物化學和遺傳學經(jīng)典生物化學和遺傳學3:19:3:3:1第一章第一章 緒論緒論 一一. 基本含義基本含義 孟德爾總結(jié)出生物遺傳的兩條基本規(guī)律：第一，當兩種不同植物雜交時，它們的下一代可能與親本之一完全相同，他把這一現(xiàn)象稱為統(tǒng)一律。孟德爾認為，生物的每一種性狀都是由遺傳因子控制的，這些因子可以

6、從親代到子代，代代相傳。第二，將不同植物品種雜交后的F1代種子再進行雜交或自交時，下一代就會按照一定的比例發(fā)生分離，因而具有不同的形式，他把這一現(xiàn)象稱為分離規(guī)律。第一章第一章 緒論緒論 一一. 基本含義基本含義 遺傳性狀的連鎖規(guī)律： 托馬斯.摩爾根白眼雄果蠅第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學發(fā)展簡史分子生物學發(fā)展簡史 DNA是遺傳信息的載體是遺傳信息的載體1：Griffith :肺炎鏈球菌實驗，肺炎鏈球菌實驗，1928。 P4th-p0072：Avery: DNA是轉(zhuǎn)化源實驗是轉(zhuǎn)化源實驗.3: Hershey: 噬菌體侵染細菌實驗噬菌體侵染細菌實驗，19521928年，英國科學家Gri

7、ffith等人發(fā)現(xiàn)，具有光滑外表的S型肺炎鏈球菌能使小鼠發(fā)病，具有粗糙外表的R型細菌沒有致病力。莢膜多糖能保護細菌免受動物白細胞的攻擊。首先用實驗證明基因就是DNA分子的是美國著名的微生物學家Avery。他首先將光滑型致病菌（S型）燒煮殺滅活性以后再侵染小鼠，發(fā)現(xiàn)這些死細菌自然喪失了致病能力。美國冷泉港卡內(nèi)基遺傳學實驗室科學家Hershey和他的學生Chase在1952年從事噬菌體侵染細菌的實驗。噬菌體專門寄生在細菌體內(nèi)，它的頭、尾外部都是由蛋白質(zhì)組成的外殼，頭內(nèi)主要是DNA。第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學發(fā)展簡史分子生物學發(fā)展簡史 2. 分子生物學的建立和發(fā)展階段分子生物學的建立

8、和發(fā)展階段 主要進展主要進展: 50年代提出了年代提出了DNA分子的分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型雙螺旋結(jié)構(gòu)模型和和半保半保留復制機制留復制機制, 解決了解決了遺傳物質(zhì)的自我復制和世代交遺傳物質(zhì)的自我復制和世代交替問題替問題; 50年代末至年代末至60年代年代, 提出了提出了“中心法則中心法則”和操縱和操縱子學說子學說, 成功地破譯了遺傳密碼成功地破譯了遺傳密碼, 闡明了遺傳信息的闡明了遺傳信息的流動與表達機制。流動與表達機制。 P. 12第一章第一章 緒論緒論 一一. 基本含義基本含義 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型Watson和Crick所提出的脫氧核糖酸雙螺旋模型，為充分揭示遺傳信息的傳遞規(guī)律鋪平了道路。第

9、一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學發(fā)展簡史分子生物學發(fā)展簡史 1957 年年, A. Kornberg 在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)了在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)了 DNA 聚合酶聚合酶;1965 年年, 證明了細菌的抗藥性通常由證明了細菌的抗藥性通常由“質(zhì)粒質(zhì)?！盌NA所決定；所決定；1967 年年, 第一次發(fā)現(xiàn)第一次發(fā)現(xiàn) DNA 連接酶連接酶; 1970 年年, Smith, Wilcox 和和 Kelley 分離出第一種限制性核酸內(nèi)切分離出第一種限制性核酸內(nèi)切 酶酶, Temin 和和Baltimore 從從RNA腫瘤病毒中發(fā)現(xiàn)反轉(zhuǎn)錄腫瘤病毒中發(fā)現(xiàn)反轉(zhuǎn)錄 酶。酶。1972-73 年年, Boyer, Be

10、rg等人發(fā)等人發(fā)明了明了DNA重組技術(shù)重組技術(shù), 1972年獲得第一個重組年獲得第一個重組 DNA 分子；分子； 1973年完成第一例細菌基因克隆。年完成第一例細菌基因克隆。1978年年, 首次在大腸桿菌中生產(chǎn)由人工合成基因表達的人腦激首次在大腸桿菌中生產(chǎn)由人工合成基因表達的人腦激 素和人胰島素。素和人胰島素。第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學發(fā)展簡史分子生物學發(fā)展簡史 1981年年, Palmiter和和Brinster 獲得轉(zhuǎn)基小鼠獲得轉(zhuǎn)基小鼠, Spradliing和和Rubin得到轉(zhuǎn)基因果蠅。得到轉(zhuǎn)基因果蠅。1982年年, 美、英批準使用第一例基因工程藥物美、英批準使用第一例基

11、因工程藥物胰島素。胰島素。1983年年, 獲得第一例轉(zhuǎn)基因植物。獲得第一例轉(zhuǎn)基因植物。1994年年, 第一批基因工程西紅柿在美國上市。第一批基因工程西紅柿在美國上市。1996年年, 完成了酵母基因組完成了酵母基因組(1.25 107bp)全序列測定。全序列測定。1997年年, 英國愛丁堡羅斯林研究所獲得克隆羊。英國愛丁堡羅斯林研究所獲得克隆羊。2000年年, 完成第一個高等植物擬南芥的全序列測定完成第一個高等植物擬南芥的全序列測定 (3.2 108bp)。2001年年, 完成人類基因組全序列測定完成人類基因組全序列測定(3.5 109bp)。第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學發(fā)展簡史分

12、子生物學發(fā)展簡史 2002年年, 英、美、德等國的上百位科學家在英、美、德等國的上百位科學家在Nature 雜志上聯(lián)合宣布他們成功破譯了小鼠的基因組。雜志上聯(lián)合宣布他們成功破譯了小鼠的基因組。 2004年，年，科學科學雜志發(fā)表了中國科學家的雜志發(fā)表了中國科學家的家蠶基因組框家蠶基因組框 架圖架圖。 2005年，年， 2005年年8月月11日中、美、日、法等日中、美、日、法等10個國家和地區(qū)個國家和地區(qū) 的科學家在的科學家在 Nature 雜志發(fā)表了水稻基因組雜志發(fā)表了水稻基因組“精細精細 圖圖”，覆蓋率達，覆蓋率達95.3。 我國對國際水稻基因組計劃的貢獻率達我國對國際水稻基因組計劃的貢獻率達

13、20。共定。共定 位了位了37,500個基因，還率先在動植物中完成了對著個基因，還率先在動植物中完成了對著 絲粒的測序絲粒的測序 。第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學發(fā)展簡史分子生物學發(fā)展簡史 2009年，年， 由中國農(nóng)科院蔬菜花卉研究所和深圳華大基因研由中國農(nóng)科院蔬菜花卉研究所和深圳華大基因研 究院領(lǐng)銜、究院領(lǐng)銜、14國科學家組成的國際馬鈴薯基因組國科學家組成的國際馬鈴薯基因組 測序協(xié)作組，分別在北京、阿姆斯特丹、倫敦、測序協(xié)作組，分別在北京、阿姆斯特丹、倫敦、 紐約、利馬等地同時宣布：紐約、利馬等地同時宣布： 馬鈴薯基因組序列框架圖完成馬鈴薯基因組序列框架圖完成 馬鈴薯基因組有馬鈴

14、薯基因組有12條染色體、條染色體、8.4億個堿基對億個堿基對 該框架圖覆蓋了該框架圖覆蓋了: 馬鈴薯馬鈴薯95以上的基因以上的基因 共發(fā)現(xiàn)共發(fā)現(xiàn)3.5萬多個基因萬多個基因 第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學發(fā)展簡史分子生物學發(fā)展簡史 2009年，年， 中國頒發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中國頒發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的: 一個轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米品種一個轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米品種 生產(chǎn)應用安全證書生產(chǎn)應用安全證書 兩個轉(zhuǎn)抗蟲基因水稻品種兩個轉(zhuǎn)抗蟲基因水稻品種 第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學發(fā)展簡史分子生物學發(fā)展簡史 轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米: 可以提高飼料的利用效率，減少飼料中磷酸氫可以

15、提高飼料的利用效率，減少飼料中磷酸氫 鈣的添加量，降低飼養(yǎng)成本；減少動物糞、尿中植鈣的添加量，降低飼養(yǎng)成本；減少動物糞、尿中植 酸磷的排泄，減輕環(huán)境污染，有利于環(huán)境保護酸磷的排泄，減輕環(huán)境污染，有利于環(huán)境保護. 此外，利用農(nóng)業(yè)種植方式生產(chǎn)植酸酶，還具有此外，利用農(nóng)業(yè)種植方式生產(chǎn)植酸酶，還具有 節(jié)能、環(huán)保、低成本的優(yōu)勢。節(jié)能、環(huán)保、低成本的優(yōu)勢。 植酸酶植酸酶: 是催化植酸及其鹽類水解為肌醇與磷酸（鹽）的是催化植酸及其鹽類水解為肌醇與磷酸（鹽）的 一類酶的總稱一類酶的總稱 第一章第一章 緒論緒論 二二. 分子生物學發(fā)展簡史分子生物學發(fā)展簡史 轉(zhuǎn)抗蟲基因水稻轉(zhuǎn)抗蟲基因水稻: 能有效控制螟蟲等鱗翅目

16、害蟲危害，保障水能有效控制螟蟲等鱗翅目害蟲危害，保障水 稻增產(chǎn)，還能減少稻增產(chǎn)，還能減少80%的化學農(nóng)藥用量。的化學農(nóng)藥用量。 專基因水稻面面觀?；蛩久婷嬗^第一章第一章 緒論緒論 三三. 分子生物學的主要研究內(nèi)容分子生物學的主要研究內(nèi)容 分子生物學的基本原理分子生物學的基本原理 （p 11) 構(gòu)成生物體各類有機大分子的單體在不同生物中構(gòu)成生物體各類有機大分子的單體在不同生物中 都是相同的。都是相同的。(2) (2) 生物體內(nèi)一切有機大分子的建成都遵循共同的規(guī)生物體內(nèi)一切有機大分子的建成都遵循共同的規(guī) 則。則。 (3) (3) 某一特定生物體所擁有的核酸及蛋白質(zhì)分子決定某一特定生物體所擁有的

17、核酸及蛋白質(zhì)分子決定 了它的屬性。了它的屬性。第一章第一章 緒論緒論 三三. 主要研究內(nèi)容主要研究內(nèi)容 2.2. 主要研究內(nèi)容主要研究內(nèi)容 (1(1） DNA重組技術(shù)重組技術(shù) （2）基因表達調(diào)控研究）基因表達調(diào)控研究 （3 3）結(jié)構(gòu)分子生物學）結(jié)構(gòu)分子生物學 （4）基因組、功基因組與生物信息學研究）基因組、功基因組與生物信息學研究 分子生物學的研究內(nèi)容分子生物學的研究內(nèi)容 DNA重組技術(shù)重組技術(shù) （1）DNA 重組技術(shù)重組技術(shù)（基因工程基因工程/遺傳工程遺傳工程/基因操作基因操作/基因克隆基因克隆/分子克隆分子克隆） 在體外將不同的在體外將不同的 DNA 片段片段 (整個基因或基因的整個基因或

18、基因的 一個部分一個部分) 按照人們的設計定向連接起來后，轉(zhuǎn)入按照人們的設計定向連接起來后，轉(zhuǎn)入 特定的受體細胞，使重組基因在受體細胞中與載體特定的受體細胞，使重組基因在受體細胞中與載體 同時復制并得到表達，從而賦予生物體新的遺傳特同時復制并得到表達，從而賦予生物體新的遺傳特 性性, 創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類型和生物創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類型和生物 產(chǎn)品。產(chǎn)品。 基因（基因（gene）：）： 產(chǎn)生一條多肽鏈或功能產(chǎn)生一條多肽鏈或功能RNA所需要的全部所需要的全部DNA序列序列.G AATTCCTTAA GSV40G AATTCCTTAA GSV40病毒病毒DNA 噬菌體噬菌體D

19、NAEcoR IDNA ligase連接連接SV40GAATTCCTTAAGSV40 DNAGAATTCCTTAAG DNAVS40GAATTCCTTAAGGAATTCCTTAAGSV405353切割切割圖圖: SV40 病毒病毒DNA 和和 噬菌體噬菌體 DNA 的重組的重組例1:例2:分子生物學的研究內(nèi)容分子生物學的研究內(nèi)容 DNA重組技術(shù)重組技術(shù) DNA重組操作主要包括重組操作主要包括: DNA (基因組和質(zhì)粒DNA) 提取和純化 PCR (聚合酶鏈反應) 基因擴增 DNA聚合酶 DNA分子切割 限制性內(nèi)切酶限制性內(nèi)切酶 DNA片段與載體載體連接 DNA連接酶連接酶 DNA凝膠電泳 細胞

20、轉(zhuǎn)化及重組子的篩選與鑒定等 分子生物學的研究內(nèi)容分子生物學的研究內(nèi)容 DNA重組技術(shù)重組技術(shù) 三大基本工具三大基本工具: “分子手術(shù)刀” 限制性核酸內(nèi)切酶 “分子縫合針” DNA連接酶 “分子運輸車” 基因進入受體細胞的載體 分子生物學的研究內(nèi)容分子生物學的研究內(nèi)容 DNA重組技術(shù)重組技術(shù) DNA重組技術(shù)重組技術(shù)應用前景應用前景 可用來進行基因功能的研究。如利用 反義技術(shù)、 RNA干擾等技術(shù)。 可用于定向改造某些生物的基因組結(jié)構(gòu)。如：轉(zhuǎn) 基因Bt抗蟲棉，將蘇云金芽孢桿菌編碼Bt毒蛋白 的抗蟲基因轉(zhuǎn)入棉花后獲得的。 可用于大量生產(chǎn)某些在正常細胞代謝中產(chǎn)量很低或 不能 產(chǎn)生的多肽，如激素、抗生素、

21、酶類和抗體 等，提高產(chǎn)量，降低成本。分子生物學的研究內(nèi)容分子生物學的研究內(nèi)容 基因表達調(diào)控研究 基因表達基因表達 (gene expression): 從從DNA到蛋白質(zhì)或功能到蛋白質(zhì)或功能RNA的過程被稱為基因表達。的過程被稱為基因表達。 實質(zhì)上就是遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯實質(zhì)上就是遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯 基因表達調(diào)控基因表達調(diào)控(gene regulation)： 對基因表達過程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達的調(diào)控。對基因表達過程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達的調(diào)控。 (2) 基因表達調(diào)控研究基因表達調(diào)控研究分子生物學的研究內(nèi)容分子生物學的研究內(nèi)容 基因表達調(diào)控研究 DNA RNA反饋(?)轉(zhuǎn)錄復制 翻譯 蛋白質(zhì)生

22、理功能圖圖: 遺傳信息傳遞的遺傳信息傳遞的“中心法則中心法則”示意圖示意圖 （21世紀后修正的世紀后修正的 ）tRNA和rRNA 小RNA（microRNAs） 非編碼RNA（Non-codingRNA）P.11分子生物學的研究內(nèi)容分子生物學的研究內(nèi)容 基因表達調(diào)控研究 基因表達調(diào)控類型基因表達調(diào)控類型: 時序調(diào)控 (遺傳特性) 區(qū)域調(diào)控 (遺傳特性) 環(huán)境調(diào)控 (內(nèi)外環(huán)境變化)基因表達過程中的調(diào)控主要發(fā)生在：基因表達過程中的調(diào)控主要發(fā)生在： DNA的轉(zhuǎn)錄水平 ( 原核生物和真核生物) RNA的翻譯水平 (此調(diào)控僅發(fā)生在真核生物的基因表 達中)分子生物學的研究內(nèi)容分子生物學的研究內(nèi)容 結(jié)構(gòu)分子

23、生物學結(jié)構(gòu)分子生物學 （3）生物大分子的結(jié)構(gòu)功能研究）生物大分子的結(jié)構(gòu)功能研究結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu)分子生生物學物學 一個生物大分子，無論是核酸、蛋白質(zhì)等在發(fā)揮其生物功一個生物大分子，無論是核酸、蛋白質(zhì)等在發(fā)揮其生物功能時，必須具備兩個提：能時，必須具備兩個提： 擁有特定的空間結(jié)構(gòu)擁有特定的空間結(jié)構(gòu) （三維結(jié)構(gòu)）；（三維結(jié)構(gòu)）； 發(fā)揮生物學功能的過程中必定存在著結(jié)構(gòu)和構(gòu)象的變發(fā)揮生物學功能的過程中必定存在著結(jié)構(gòu)和構(gòu)象的變 化?；７肿由飳W的研究內(nèi)容分子生物學的研究內(nèi)容 結(jié)構(gòu)分子生物學結(jié)構(gòu)分子生物學 結(jié)構(gòu)分子生物學結(jié)構(gòu)分子生物學就是研究生物大分子特定的空間結(jié)就是研究生物大分子特定的空間結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的運動變

24、化與其生物學功能關(guān)系的科學。構(gòu)及結(jié)構(gòu)的運動變化與其生物學功能關(guān)系的科學。 主要包括三個研究方向：主要包括三個研究方向： 結(jié)構(gòu)的測定結(jié)構(gòu)的測定 采采用用X射線衍射、二維或多維核磁共振等方法射線衍射、二維或多維核磁共振等方法 結(jié)構(gòu)運動變化規(guī)律的探索結(jié)構(gòu)運動變化規(guī)律的探索 結(jié)構(gòu)與功能相互關(guān)系的建立結(jié)構(gòu)與功能相互關(guān)系的建立分子生物學的研究內(nèi)容分子生物學的研究內(nèi)容 基因組、功能基因組與生物信息學研究 （4）基因組、功基因組與生物信息學研究）基因組、功基因組與生物信息學研究 基因組（基因組（genome): 生物有機體的單倍體細胞中的所有DNA，包括 核中的染色體DNA和線粒體、葉綠體等亞細胞器中 的DNA。 P. 456 分子生物學的研究內(nèi)容分子生物學的研究內(nèi)容 基因組、功能基因組與生物信息學研究 基因組計劃基因組計劃: 測定基因組序列。 - 人類基因組計劃 目的是揭開人類所有的遺傳結(jié)構(gòu), 包括所有的基因(尤其是與疾病相關(guān)的基因)和基因外 序列的結(jié)構(gòu)。1990年-2001年，美、英、法、德、 日、中 6 國的合作已完成人類基因的全部序列測定工 作。 - 小家鼠、果蠅、線蟲、擬南芥、水稻、啤酒酵母，以 及多種真菌、細菌的基因組研究相繼展開