分子生物學(xué)與基因工程

1、會計學(xué)1分子生物學(xué)與基因工程分子生物學(xué)與基因工程第1頁/共38頁第2頁/共38頁 生物學(xué)經(jīng)歷了一個漫長的研究生物學(xué)經(jīng)歷了一個漫長的研究歷程。最早人們從研究歷程。最早人們從研究動物和植物動物和植物的形態(tài)、解剖和分類的形態(tài)、解剖和分類開始，隨著開始，隨著細(xì)細(xì)胞學(xué)、遺傳學(xué)、微生物學(xué)、生理學(xué)、胞學(xué)、遺傳學(xué)、微生物學(xué)、生理學(xué)、生物化學(xué)生物化學(xué)的發(fā)展，研究進入細(xì)胞水的發(fā)展，研究進入細(xì)胞水平。到平。到20世紀(jì)中葉以來，生物學(xué)以世紀(jì)中葉以來，生物學(xué)以生物大分子為研究目標(biāo)，生物大分子為研究目標(biāo)，分子生物分子生物學(xué)（學(xué)（Molecular Biology）開始形成開始形成了獨立的學(xué)科，這是對生物界的認(rèn)了獨立的學(xué)科

2、，這是對生物界的認(rèn)識不斷深入的過程。識不斷深入的過程。第3頁/共38頁第4頁/共38頁 從廣義來講，蛋白質(zhì)及核酸從廣義來講，蛋白質(zhì)及核酸等生物大分子結(jié)構(gòu)和功能的研究等生物大分子結(jié)構(gòu)和功能的研究都屬于分子生物學(xué)的范疇，也就都屬于分子生物學(xué)的范疇，也就是從是從分子水平闡明生命現(xiàn)象和生分子水平闡明生命現(xiàn)象和生物學(xué)規(guī)律物學(xué)規(guī)律。例如，。例如，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、運動和功能運動和功能，酶的作用機理和動酶的作用機理和動力學(xué)力學(xué)，膜蛋白結(jié)構(gòu)與功能及跨膜膜蛋白結(jié)構(gòu)與功能及跨膜運輸運輸?shù)榷紝儆诜肿由飳W(xué)的研究等都屬于分子生物學(xué)的研究內(nèi)容。內(nèi)容。1 1 分子生物學(xué)與基因工程的分子生物學(xué)與基因工程的含義含義

3、第5頁/共38頁 從狹義上講，分子生從狹義上講，分子生物學(xué)主要是研究生物體主物學(xué)主要是研究生物體主要遺傳物質(zhì)要遺傳物質(zhì)-基因或基因或DNA的的結(jié)構(gòu)及其復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、表結(jié)構(gòu)及其復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、表達(dá)和調(diào)節(jié)控制達(dá)和調(diào)節(jié)控制等過程的科等過程的科學(xué)。當(dāng)然，也涉及到與這學(xué)。當(dāng)然，也涉及到與這些過程有關(guān)的些過程有關(guān)的蛋白質(zhì)和酶蛋白質(zhì)和酶的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能的研究。的研究。第6頁/共38頁 基因工程是指將一種或多基因工程是指將一種或多種生物體種生物體 (共體共體) 的基因或基因的基因或基因組提取出來組提取出來, 或者人工合成的基或者人工合成的基因因, 按照人們的愿望按照人們的愿望, 進行嚴(yán)密進行嚴(yán)密的設(shè)計的設(shè)計

4、, 經(jīng)過體外加工重組經(jīng)過體外加工重組, 通通過一定的方法過一定的方法, 轉(zhuǎn)移到另一種生轉(zhuǎn)移到另一種生物體物體 (受體受體) 的細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞內(nèi), 使之能在使之能在受體細(xì)胞遺傳并獲得新的遺傳受體細(xì)胞遺傳并獲得新的遺傳性狀的技術(shù)。性狀的技術(shù)。第7頁/共38頁2 2 分子生物學(xué)與基因工程分子生物學(xué)與基因工程發(fā)展簡史發(fā)展簡史 1944年，年，Avery在肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗在肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗中證實了中證實了DNA是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，標(biāo)志，標(biāo)志著分子生物學(xué)的誕生；著分子生物學(xué)的誕生； 1953年，年，Watson和和Crick在在Nature雜雜志（志（171：737738）上提出了著名的）

5、上提出了著名的DNA雙螺旋模型雙螺旋模型，為分子生物學(xué)的發(fā)展，為分子生物學(xué)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)；奠定了堅實的基礎(chǔ)； 1956年，年， Kornberg在大腸桿菌的無細(xì)在大腸桿菌的無細(xì)胞提取液中實現(xiàn)了胞提取液中實現(xiàn)了DNA的合成的合成；第8頁/共38頁 1958年，年， Crick提出了遺傳信息的傳遞提出了遺傳信息的傳遞規(guī)律，即著名的規(guī)律，即著名的“中心法則中心法則”； 同年，同年， Meselson與與Stahl 用實驗證明了用實驗證明了DNA復(fù)制是一種半保留復(fù)制復(fù)制是一種半保留復(fù)制； 1959年，年，Uchoa發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌的多核苷酸多核苷酸磷酸化酶磷酸化酶，成功地合成了，成功地合

6、成了RNA，研究并重，研究并重建了將基因內(nèi)的遺傳信息通過建了將基因內(nèi)的遺傳信息通過RNA中間體中間體翻譯成蛋白質(zhì)的過程；翻譯成蛋白質(zhì)的過程； 1961年，年， NirenbergNirenberg和和MatthaeiMatthaei破譯了破譯了所有所有三聯(lián)體密碼子三聯(lián)體密碼子； 同年，法國科學(xué)家同年，法國科學(xué)家Jacob和和Monod提出提出了了著名的乳糖操縱子模型著名的乳糖操縱子模型；第9頁/共38頁 1962年，年，Arber首次發(fā)現(xiàn)首次發(fā)現(xiàn)DNA限制性內(nèi)切限制性內(nèi)切酶酶的存在；的存在； 1970年，年， Smith首次從大腸桿菌中分離首次從大腸桿菌中分離到第一個限制性內(nèi)切酶；同年，到第一

7、個限制性內(nèi)切酶；同年，Temin和和Baltimore首次發(fā)現(xiàn)在病毒中存在以首次發(fā)現(xiàn)在病毒中存在以RNA為模為模板，逆轉(zhuǎn)錄成板，逆轉(zhuǎn)錄成DNA的的逆轉(zhuǎn)錄酶逆轉(zhuǎn)錄酶； 1972年，年，Berg構(gòu)建了世界上第一個構(gòu)建了世界上第一個重組重組DNA分子分子，開辟了生物學(xué)新領(lǐng)域，開辟了生物學(xué)新領(lǐng)域-遺傳工程遺傳工程； 1977年，年，Robert和和Sharp在研究腺病毒的在研究腺病毒的mRNA合成時，首次發(fā)現(xiàn)了合成時，首次發(fā)現(xiàn)了斷裂基因斷裂基因的存在；的存在； 1977年，年， Sanger和和Gilbert分別提出了兩分別提出了兩種種DNA測序技術(shù)測序技術(shù)-酶法（或酶法（或雙脫氧鏈終止法雙脫氧鏈終止

8、法）和和化學(xué)修飾法化學(xué)修飾法；第10頁/共38頁 1981年，年，Cech和和Altman首次發(fā)現(xiàn)首次發(fā)現(xiàn)RNA具有具有生物催化功能生物催化功能； 1983年，年，Mullis發(fā)明了發(fā)明了聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（Polymerase Chain Reaction，PCR）技術(shù)）技術(shù)，極大地推動了分子生物學(xué)的發(fā)展；極大地推動了分子生物學(xué)的發(fā)展； 1990年，年，人類基因組計劃人類基因組計劃啟動，同時先后啟動，同時先后開展多種模式生物的基因組測序。標(biāo)志著生命開展多種模式生物的基因組測序。標(biāo)志著生命科學(xué)研究進入科學(xué)研究進入“基因組學(xué)基因組學(xué)”時代；時代； 1994年，年，Wilkins和和Wi

9、lliams等首次提出了等首次提出了蛋白質(zhì)組蛋白質(zhì)組的概念；的概念； 1997年，年，Wilmut等首次成功地從體細(xì)胞中等首次成功地從體細(xì)胞中克隆出羊克隆出羊-Dolly； 到目前為止，人們已完成包括人和水稻等到目前為止，人們已完成包括人和水稻等重要模式生物的基因組測序工作。生命科學(xué)研重要模式生物的基因組測序工作。生命科學(xué)研究進入究進入“蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)”的新的發(fā)展階段。的新的發(fā)展階段。第11頁/共38頁分子生物學(xué)與基因工程發(fā)展的分子生物學(xué)與基因工程發(fā)展的幾個里程碑幾個里程碑 上個世紀(jì)上個世紀(jì)50年代，年代，Watson和和Crick提出提出了的了的DNA雙螺旋模型；雙螺旋模型； 60年代

10、，年代， 法國科學(xué)家法國科學(xué)家Jacob和和Monod提提出了的乳糖操縱子模型；出了的乳糖操縱子模型； 70年代，年代， Berg首先發(fā)現(xiàn)了首先發(fā)現(xiàn)了DNA連接酶，連接酶，并構(gòu)建了世界上第一個重組并構(gòu)建了世界上第一個重組DNA分子；分子； 80年代，年代，Mullis發(fā)明了聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)明了聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（Polymerase Chain Reaction，PCR）技術(shù)；）技術(shù)； 90年代，開展了年代，開展了“人類基因組計劃人類基因組計劃”和模式生物的基因組測序，分子生物學(xué)進入和模式生物的基因組測序，分子生物學(xué)進入“基因組時代基因組時代”； 目前，分子生物學(xué)進入了目前，分子生物學(xué)進入了“后基

11、因組時代后基因組時代”或或“蛋白質(zhì)組時代蛋白質(zhì)組時代”。第12頁/共38頁人人 名名年年 份份獲獲 獎獎 內(nèi)內(nèi) 容容Kossel1910分離出分離出腺嘌呤、胸腺嘧啶和組腺嘌呤、胸腺嘧啶和組氨酸氨酸UchoaKornberg1959RNA的合成的合成DNA的復(fù)制的復(fù)制WatsonCrick1962提出提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)雙螺旋結(jié)構(gòu)KendrewPerutz1962測定了測定了肌紅蛋白和血紅蛋白的肌紅蛋白和血紅蛋白的高級結(jié)構(gòu)高級結(jié)構(gòu)JacobMonod1965提出了提出了乳糖操縱子學(xué)說乳糖操縱子學(xué)說NirenbergHollyKhorana1969破譯破譯DNA遺傳密碼遺傳密碼闡明闡明tRNA的結(jié)

12、構(gòu)的結(jié)構(gòu)首次首次人工合成核酸分子人工合成核酸分子分子生物學(xué)領(lǐng)域獲得諾貝爾獎一分子生物學(xué)領(lǐng)域獲得諾貝爾獎一覽表覽表第13頁/共38頁人人 名名年年 份份獲獲 獎獎 內(nèi)內(nèi) 容容TeminBaltimore1975逆轉(zhuǎn)錄酶逆轉(zhuǎn)錄酶的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)Arber1978DNA限制性內(nèi)切酶限制性內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)Sanger19581980測定了測定了牛胰島素的一級結(jié)構(gòu)牛胰島素的一級結(jié)構(gòu)提出提出DNA測序法測序法-酶法酶法Gilbert1980提出提出DNA測序法測序法-化學(xué)修飾法化學(xué)修飾法Berg1980發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)DNA連接酶連接酶并構(gòu)建了第一并構(gòu)建了第一個重組分子個重組分子KohlerMilsteinJern

13、e1984提出了提出了單克隆抗體技術(shù)單克隆抗體技術(shù)McClintock1988跳躍基因跳躍基因的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)AltmanCech1989RNA具有生物催化功能具有生物催化功能第14頁/共38頁人人 名名年年 份份獲獲 獎獎 內(nèi)內(nèi) 容容BishopVarmus1989正常細(xì)胞同樣帶有正常細(xì)胞同樣帶有原癌細(xì)胞原癌細(xì)胞RobertsSharp1993斷裂基因斷裂基因的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)Mullis1993發(fā)明了發(fā)明了PCR儀儀Smith1993發(fā)明了發(fā)明了寡聚核苷酸定點突變法寡聚核苷酸定點突變法GilmanRodbell1994G蛋白蛋白的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)LewisNussleinWieschaus1995鑒定了控

14、制鑒定了控制果蠅體節(jié)發(fā)育基因果蠅體節(jié)發(fā)育基因第15頁/共38頁人人 名名年年 份份獲獲 獎獎 內(nèi)內(nèi) 容容Stanley1997蛋白致病因子朊蛋白的發(fā)蛋白致病因子朊蛋白的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)Gunter1999蛋白質(zhì)具有控制其運輸和定位的蛋白質(zhì)具有控制其運輸和定位的內(nèi)在信號內(nèi)在信號 HartwellHunt Nurse2001發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞周期的關(guān)鍵調(diào)節(jié)發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞周期的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子因子Agre MacKinnon2003細(xì)胞膜離子通道的結(jié)構(gòu)和機細(xì)胞膜離子通道的結(jié)構(gòu)和機理研究理研究 ROSE等等2004泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解Kornberg2006發(fā)現(xiàn)真核生物轉(zhuǎn)錄的分子基發(fā)現(xiàn)真核生物轉(zhuǎn)錄的分子基礎(chǔ)

15、礎(chǔ)Andrew、 Craig 2006發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)RNA干擾現(xiàn)象干擾現(xiàn)象Smith等等2007胚胎干細(xì)胞和哺乳動物胚胎干細(xì)胞和哺乳動物DNA重組重組 第16頁/共38頁3 .1 3 .1 分子生物學(xué)的研究內(nèi)容分子生物學(xué)的研究內(nèi)容 核酸的結(jié)構(gòu)核酸的結(jié)構(gòu) 基因與基因組的結(jié)構(gòu)與序列基因與基因組的結(jié)構(gòu)與序列特征特征 DNA生物合成（復(fù)制）生物合成（復(fù)制） DNA損傷與修復(fù)損傷與修復(fù) DNA重組重組 RNA生物合成（轉(zhuǎn)錄）生物合成（轉(zhuǎn)錄） 蛋白質(zhì)的生物合成蛋白質(zhì)的生物合成 基因表達(dá)調(diào)控基因表達(dá)調(diào)控第17頁/共38頁3.2 3.2 基因工程的主要研究內(nèi)基因工程的主要研究內(nèi)容容第18頁/共38頁第19頁/共38

16、頁發(fā)育生物學(xué)與分子生物學(xué)的關(guān)發(fā)育生物學(xué)與分子生物學(xué)的關(guān)系系 許多發(fā)育相關(guān)基因紛紛克隆成許多發(fā)育相關(guān)基因紛紛克隆成功，如控制果蠅體節(jié)發(fā)育的功，如控制果蠅體節(jié)發(fā)育的Homeo基因、金魚草的的花瓣發(fā)育基因基因、金魚草的的花瓣發(fā)育基因DEF等。等。 上述基因的克隆已開辟了發(fā)育上述基因的克隆已開辟了發(fā)育分子生物學(xué)的嶄新研究領(lǐng)域，并在分子生物學(xué)的嶄新研究領(lǐng)域，并在近年來獲得較大進展。近年來獲得較大進展。第20頁/共38頁 在植物生理學(xué)方面光合作在植物生理學(xué)方面光合作用的研究已進入分子水平。一用的研究已進入分子水平。一些植物的些植物的葉綠體葉綠體DNA的全序列的全序列測定已經(jīng)完成，測定已經(jīng)完成，光合作用有關(guān)

17、光合作用有關(guān)的基因如光系統(tǒng)的基因如光系統(tǒng)I和和II、電子傳、電子傳遞鏈、二磷酸核酮糖羧化遞鏈、二磷酸核酮糖羧化/加氧加氧酶等酶等的表達(dá)調(diào)控研究都已基本的表達(dá)調(diào)控研究都已基本完成，使光合作用研究進入了完成，使光合作用研究進入了一個新的階段。一個新的階段。植物生理學(xué)與分子生物植物生理學(xué)與分子生物學(xué)的關(guān)系學(xué)的關(guān)系第21頁/共38頁神經(jīng)科學(xué)與分子生物學(xué)的神經(jīng)科學(xué)與分子生物學(xué)的關(guān)系關(guān)系 神經(jīng)系統(tǒng)分子生物學(xué)的研神經(jīng)系統(tǒng)分子生物學(xué)的研究造成神經(jīng)生物學(xué)的革命性變究造成神經(jīng)生物學(xué)的革命性變化。如化。如乙酰膽堿受體的分離純乙酰膽堿受體的分離純化和基因克隆化和基因克隆已經(jīng)完成。已經(jīng)完成。神經(jīng)神經(jīng)通道通道也已得到純化

18、和基因克隆，也已得到純化和基因克隆，分子生物學(xué)滲入神經(jīng)科學(xué)已產(chǎn)分子生物學(xué)滲入神經(jīng)科學(xué)已產(chǎn)生了生了分子神經(jīng)生物學(xué)分子神經(jīng)生物學(xué)。第22頁/共38頁5 當(dāng)前分子生物學(xué)與基因工程的幾當(dāng)前分子生物學(xué)與基因工程的幾個熱點問題個熱點問題 一些重大疾病的致病分子機理研究（如癌癥、HIV、SARS和禽流感等）； 基因與發(fā)育的關(guān)系； 抗病分子作用機制研究； 分子育種技術(shù)的建立與發(fā)展第23頁/共38頁 Genes Lewin. Pearson prentice hall. 2004 Molecular biology of gene （fifth edition）Watson, et al Gold spring

19、 harbor Laboratory press. 2004第24頁/共38頁 張惠展張惠展 基因工程基因工程 華東理工大學(xué)出華東理工大學(xué)出版社版社 2005 2005 閆新甫閆新甫 轉(zhuǎn)基因植物轉(zhuǎn)基因植物 科學(xué)出版社科學(xué)出版社 20032003 王關(guān)林等王關(guān)林等 植物基因工程植物基因工程（第二版）（第二版） 科學(xué)出版社科學(xué)出版社20022002 吳乃虎吳乃虎 基因工程原理基因工程原理（第二版）（第二版） 高等教育出版社高等教育出版社1998 1998 Adrian Slater, et al Plant Biotechnology-The genetic manipulation of pla

20、nt Oxford universsity press. 2003第25頁/共38頁相關(guān)學(xué)術(shù)性刊物相關(guān)學(xué)術(shù)性刊物n1 外文期刊外文期刊nNature/Science nCellnPNASnEMBO JnGene & DevelopmentnPlant Cell/Plant JournalnPlant Molecular BiologynBiotechnology and Genetic Engineering ReviewsnBiotechnology & BioengineeringnTrends in Biotechnology第26頁/共38頁 Nature 自然自然 出

21、版：英國出版：英國MacMillan.Ltd 創(chuàng)刊：創(chuàng)刊：1869年年 刊期：周刊刊期：周刊 定位：兼顧學(xué)術(shù)期刊和科學(xué)雜志，即科學(xué)論文具較高的定位：兼顧學(xué)術(shù)期刊和科學(xué)雜志，即科學(xué)論文具較高的新聞性和廣泛的讀者群。論文不僅要求具有新聞性和廣泛的讀者群。論文不僅要求具有“突出的科突出的科學(xué)貢獻學(xué)貢獻”，還必須，還必須“令交叉學(xué)科的讀者感興趣令交叉學(xué)科的讀者感興趣”。第27頁/共38頁英文名：英文名：Science Magazine科學(xué)科學(xué)是發(fā)表最好的原始研究論文、以及綜述和分是發(fā)表最好的原始研究論文、以及綜述和分析當(dāng)前研究和科學(xué)政策的同行評議的期刊。析當(dāng)前研究和科學(xué)政策的同行評議的期刊。該雜志于該

22、雜志于1880年由愛迪生投資年由愛迪生投資1萬美元創(chuàng)辦，于萬美元創(chuàng)辦，于1894年成為美國最大的科學(xué)團體年成為美國最大的科學(xué)團體“美國科學(xué)促進會美國科學(xué)促進會”American Association for the Advancement of Science (AAAS)的官方刊物。全年共的官方刊物。全年共51期，為周刊，期，為周刊，全球發(fā)行量超過全球發(fā)行量超過150萬份。萬份。第28頁/共38頁l 中國科學(xué)l 科學(xué)通報l 植物學(xué)報l 遺傳學(xué)報l 分子生物學(xué)與生物化學(xué)學(xué)報l 植物分子生物學(xué)與生理學(xué)報l 生物工程學(xué)報2 中文期中文期刊刊第29頁/共38頁（1）分子生物學(xué)的發(fā)展史給我們帶來什么樣的啟示？（2）分子生物學(xué)熱點問題的解決將為人類未來帶來什么樣的影響？思思 考考 題題第30頁/共38頁Thanks for your attention!第31頁/共38頁第32頁/共38頁第33頁/共38頁 基因工程是指將一種或多基因工程是指將一種或多種生物體種生物體 (共體共體) 的基因或基因的基因或基因組提取出來組提取出來, 或者人工合成的基或者人工合成的基因因, 按照人們的愿望按照人們的愿望, 進行嚴(yán)密進行嚴(yán)密的設(shè)計的設(shè)計, 經(jīng)過體外加工重組經(jīng)