分子生物學(xué)與基因工程第一講

1、分子生物學(xué)與基因工程分子生物學(xué)與基因工程Molecular Biology and Gene Engineering王王 忠忠 華華 2012.5.72012.5.7Tel：620043 QQ ：576128448辦公室：辦公室：64號(hào)樓305室第一講第一講 緒論緒論主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容 分子生物學(xué)與基因工程含義分子生物學(xué)與基因工程含義 分子生物學(xué)與基因工程發(fā)展簡史分子生物學(xué)與基因工程發(fā)展簡史 分子生物學(xué)與基因工程基本內(nèi)容分子生物學(xué)與基因工程基本內(nèi)容 與其他學(xué)科的關(guān)系與其他學(xué)科的關(guān)系 幾個(gè)熱點(diǎn)問題幾個(gè)熱點(diǎn)問題 其他其他 生物學(xué)經(jīng)歷了一個(gè)漫長的研究歷程。最早生物學(xué)經(jīng)歷了一個(gè)漫長的研究歷程。最早

2、人們從研究人們從研究動(dòng)物和植物的形態(tài)、解剖和分類動(dòng)物和植物的形態(tài)、解剖和分類開開始，隨著始，隨著細(xì)胞學(xué)、遺傳學(xué)、微生物學(xué)、生理學(xué)、細(xì)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(jìn)入細(xì)胞水平。到的發(fā)展，研究進(jìn)入細(xì)胞水平。到20世世紀(jì)中葉以來，生物學(xué)以生物大分子為研究目標(biāo)，紀(jì)中葉以來，生物學(xué)以生物大分子為研究目標(biāo)，分子生物學(xué)（分子生物學(xué)（Molecular Biology）開始形成了開始形成了獨(dú)立的學(xué)科，這是對生物界的認(rèn)識(shí)不斷深入的獨(dú)立的學(xué)科，這是對生物界的認(rèn)識(shí)不斷深入的過程。過程。 從廣義來講，蛋白質(zhì)及核酸等生物大分從廣義來講，蛋白質(zhì)及核酸等生物大分子結(jié)構(gòu)和功能的研究都屬于分子生

3、物學(xué)的范子結(jié)構(gòu)和功能的研究都屬于分子生物學(xué)的范疇，也就是從疇，也就是從分子水平闡明生命現(xiàn)象和生物分子水平闡明生命現(xiàn)象和生物學(xué)規(guī)律學(xué)規(guī)律。例如，。例如，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和功能蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和功能，酶的作用機(jī)理和動(dòng)力學(xué)酶的作用機(jī)理和動(dòng)力學(xué)，膜蛋白結(jié)構(gòu)與功能膜蛋白結(jié)構(gòu)與功能及跨膜運(yùn)輸及跨膜運(yùn)輸?shù)榷紝儆诜肿由飳W(xué)的研究內(nèi)容。等都屬于分子生物學(xué)的研究內(nèi)容。1 1 分子生物學(xué)與基因工程的含義分子生物學(xué)與基因工程的含義 從狹義上講，分子生物學(xué)主要從狹義上講，分子生物學(xué)主要是研究生物體主要遺傳物質(zhì)是研究生物體主要遺傳物質(zhì)-基因或基因或DNA的結(jié)構(gòu)及其復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、表達(dá)的結(jié)構(gòu)及其復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、表達(dá)和調(diào)節(jié)控制和

4、調(diào)節(jié)控制等過程的科學(xué)。當(dāng)然，等過程的科學(xué)。當(dāng)然，也涉及到與這些過程有關(guān)的也涉及到與這些過程有關(guān)的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)和酶的結(jié)構(gòu)與功能和酶的結(jié)構(gòu)與功能的研究。的研究。 基因工程是指將一種或多種生物體基因工程是指將一種或多種生物體 (共共體體) 的基因或基因組提取出來的基因或基因組提取出來, 或者人工合或者人工合成的基因成的基因, 按照人們的愿望按照人們的愿望, 進(jìn)行嚴(yán)密的設(shè)進(jìn)行嚴(yán)密的設(shè)計(jì)計(jì), 經(jīng)過體外加工重組經(jīng)過體外加工重組, 通過一定的方法通過一定的方法, 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移到另一種生物體移到另一種生物體 (受體受體) 的細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞內(nèi), 使之能使之能在受體細(xì)胞遺傳并獲得新的遺傳性狀的技在受體細(xì)胞遺傳并獲得新的遺

5、傳性狀的技術(shù)。術(shù)。2 2 分子生物學(xué)與基因工程發(fā)展簡史分子生物學(xué)與基因工程發(fā)展簡史 1944年，年，Avery在肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了在肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了DNA是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，標(biāo)志著分子生物學(xué)的誕生；，標(biāo)志著分子生物學(xué)的誕生； 1953年，年，Watson和和Crick在在Nature雜志（雜志（171：737738）上提出了著名的）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)，為分子生物學(xué)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)； 1956年，年， Kornberg在大腸桿菌的無細(xì)胞提取液中實(shí)在大腸桿菌的無細(xì)胞提取液中實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)了DNA的合成的合成

6、； 1958年，年， Crick提出了遺傳信息的傳遞規(guī)律，即著名的提出了遺傳信息的傳遞規(guī)律，即著名的“中心法則中心法則”； 同年，同年， Meselson與與Stahl 用實(shí)驗(yàn)證明了用實(shí)驗(yàn)證明了DNA復(fù)制是一復(fù)制是一種半保留復(fù)制種半保留復(fù)制； 1959年，年，Uchoa發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌的多核苷酸磷酸化酶多核苷酸磷酸化酶，成功，成功地合成了地合成了RNA，研究并重建了將基因內(nèi)的遺傳信息通過，研究并重建了將基因內(nèi)的遺傳信息通過RNA中間體翻譯成蛋白質(zhì)的過程；中間體翻譯成蛋白質(zhì)的過程； 1961年，年， NirenbergNirenberg和和MatthaeiMatthaei破譯了所有破譯了所

7、有三聯(lián)體密碼三聯(lián)體密碼子子； 同年，法國科學(xué)家同年，法國科學(xué)家Jacob和和Monod提出了提出了著名的乳糖著名的乳糖操縱子模型操縱子模型； 1962年，年，Arber首次發(fā)現(xiàn)首次發(fā)現(xiàn)DNA限制性內(nèi)切酶限制性內(nèi)切酶的存在；的存在； 1970年，年， Smith首次從大腸桿菌中分離到第一個(gè)限制性首次從大腸桿菌中分離到第一個(gè)限制性內(nèi)切酶；同年，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為模板，逆轉(zhuǎn)錄成為模板，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(gè)構(gòu)建了世界上第一個(gè)重組重組DNA分子分子，開辟，開辟了生物

8、學(xué)新領(lǐng)域了生物學(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(shí)，合成時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)了首次發(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分別提出了兩種分別提出了兩種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法）和）和化學(xué)修飾法化學(xué)修飾法； 1981年，年，Cech和和Altman首次發(fā)現(xiàn)首次發(fā)現(xiàn)RNA具有生物催化功能具有生物催化功能； 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

9、術(shù)）技術(shù)，極大地推動(dòng)了分子生物學(xué)的發(fā)展；，極大地推動(dòng)了分子生物學(xué)的發(fā)展； 1990年，年，人類基因組計(jì)劃人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)，同時(shí)先后開展多種模式生啟動(dòng)，同時(shí)先后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(jìn)入物的基因組測序。標(biāo)志著生命科學(xué)研究進(jìn)入“基因組學(xué)基因組學(xué)”時(shí)代；時(shí)代； 1994年，年，Wilkins和和Williams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)胞中克隆出羊等首次成功地從體細(xì)胞中克隆出羊-Dolly； 到目前為止，人們已完成包括人和水稻等重要模式生物的到目前為止，人們已完成包括人和水稻等重要模式生物的基因

10、組測序工作。生命科學(xué)研究進(jìn)入基因組測序工作。生命科學(xué)研究進(jìn)入“蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)”的新的發(fā)的新的發(fā)展階段。展階段。分子生物學(xué)與基因工程發(fā)展的幾個(gè)里程碑分子生物學(xué)與基因工程發(fā)展的幾個(gè)里程碑 上個(gè)世紀(jì)上個(gè)世紀(jì)50年代，年代，Watson和和Crick提出了的提出了的DNA雙螺旋雙螺旋模型；模型； 60年代，年代， 法國科學(xué)家法國科學(xué)家Jacob和和Monod提出了的乳糖操縱提出了的乳糖操縱子模型；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，并構(gòu)建了世界連接酶，并構(gòu)建了世界上第一個(gè)重組上第一個(gè)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

11、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(jì)劃人類基因組計(jì)劃”和模式生物的基和模式生物的基因組測序，分子生物學(xué)進(jìn)入因組測序，分子生物學(xué)進(jìn)入“基因組時(shí)代基因組時(shí)代”； 目前，分子生物學(xué)進(jìn)入了目前，分子生物學(xué)進(jìn)入了“后基因組時(shí)代后基因組時(shí)代”或或“蛋白質(zhì)組蛋白質(zhì)組時(shí)代時(shí)代”。人人 名名年年 份份獲獲 獎(jiǎng)獎(jiǎng) 內(nèi)內(nèi) 容容Kossel1910分離出分離出腺嘌呤、胸腺嘧啶和組氨酸腺嘌呤、胸腺嘧啶和組氨酸UchoaKornberg1959RNA的合成的合成DNA的復(fù)制的復(fù)制WatsonCrick1962提出提出DNA雙

12、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高級(jí)結(jié)構(gòu)肌紅蛋白和血紅蛋白的高級(jí)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)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(jiǎng)一覽表分子生物學(xué)領(lǐng)域獲得諾貝爾獎(jiǎng)一覽表人人 名名年年 份份獲獲 獎(jiǎng)獎(jiǎng) 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

13、測定了牛胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)牛胰島素的一級(jí)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)建了第一個(gè)重組分子并構(gòu)建了第一個(gè)重組分子KohlerMilsteinJerne1984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人人 名名年年 份份獲獲 獎(jiǎng)獎(jiǎng) 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

14、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(diǎn)突變法寡聚核苷酸定點(diǎn)突變法GilmanRodbell1994G蛋白蛋白的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)LewisNussleinWieschaus1995鑒定了控制鑒定了控制果蠅體節(jié)發(fā)育基因果蠅體節(jié)發(fā)育基因人人 名名年年 份份獲獲 獎(jiǎng)獎(jiǎng) 內(nèi)內(nèi) 容容Stanley1997蛋白致病因子朊蛋白的發(fā)現(xiàn)蛋白致病因子朊蛋白的發(fā)現(xiàn)Gunter1999蛋白質(zhì)具有控制其運(yùn)輸和定位的內(nèi)在信號(hào)蛋白質(zhì)具有控制其運(yùn)輸和定位的內(nèi)在信號(hào) HartwellHunt Nurse2001發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞周期的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞周期的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因

15、子Agre MacKinnon2003細(xì)胞膜離子通道的結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究細(xì)胞膜離子通道的結(jié)構(gòu)和機(jī)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)錄的分子基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)真核生物轉(zhuǎn)錄的分子基礎(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(dòng)物胚胎干細(xì)胞和哺乳動(dòng)物DNA重組重組 Hausen 等2008人乳頭狀瘤病毒人乳頭狀瘤病毒(HPV)和和HIV的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn) 錢永健等錢永健等2008綠色熒光蛋白的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用綠色熒光蛋白的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用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

16、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)與序列特征基因與基因組的結(jié)構(gòu)與序列特征 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 基因工程研究的主要內(nèi)容克隆載體研究: cloning vector受體系統(tǒng)的研究: host cell system 目的基因的研究: target gene 生物基因組學(xué)的研究: genomic research 應(yīng)用研究: application3.2 3.2 基因工程的主要研究內(nèi)容基因工程的主要研究內(nèi)容 基因工程的基本操作程序基

17、因工程的基本操作程序分離獲得目的基因分離獲得目的基因限制性核酸內(nèi)切酶將切割外源限制性核酸內(nèi)切酶將切割外源DNADNA和載體和載體DNADNA連接酶將外源連接酶將外源DNADNA和載體連接，組成重和載體連接，組成重組組DNADNA分子。分子。將重組將重組DNADNA分子引入受體細(xì)胞分子引入受體細(xì)胞帶有重組體的細(xì)胞培養(yǎng)擴(kuò)增，獲得大量的帶有重組體的細(xì)胞培養(yǎng)擴(kuò)增，獲得大量的細(xì)胞繁殖群體細(xì)胞繁殖群體篩選和鑒定轉(zhuǎn)化細(xì)胞篩選和鑒定轉(zhuǎn)化細(xì)胞進(jìn)一步研究分析，實(shí)現(xiàn)功能蛋白的表達(dá)進(jìn)一步研究分析，實(shí)現(xiàn)功能蛋白的表達(dá)發(fā)育生物學(xué)與分子生物學(xué)的關(guān)系發(fā)育生物學(xué)與分子生物學(xué)的關(guān)系 許多發(fā)育相關(guān)基因紛紛克隆成功，如控制果許多發(fā)育

18、相關(guān)基因紛紛克隆成功，如控制果蠅體節(jié)發(fā)育的蠅體節(jié)發(fā)育的Homeo基因、金魚草的的花瓣發(fā)育基因、金魚草的的花瓣發(fā)育基因基因DEF等。等。 上述基因的克隆已開辟了發(fā)育分子生物學(xué)的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，并在近年來獲得較大進(jìn)展。嶄新研究領(lǐng)域，并在近年來獲得較大進(jìn)展。4 分子生物學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系分子生物學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系 在植物生理學(xué)方面光合作用的研究已在植物生理學(xué)方面光合作用的研究已進(jìn)入分子水平。一些植物的進(jìn)入分子水平。一些植物的葉綠體葉綠體DNA的全序列測定已經(jīng)完成，的全序列測定已經(jīng)完成，光合作用有關(guān)的光合作用有關(guān)的基因如光系統(tǒng)基因如光系統(tǒng)I和和II、電子傳遞鏈、二磷

19、、電子傳遞鏈、二磷酸核酮糖羧化酸核酮糖羧化/加氧酶等加氧酶等的表達(dá)調(diào)控研究的表達(dá)調(diào)控研究都已基本完成，使光合作用研究進(jìn)入了一都已基本完成，使光合作用研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段。個(gè)新的階段。植物生理學(xué)與分子生物學(xué)的關(guān)系植物生理學(xué)與分子生物學(xué)的關(guān)系神經(jīng)科學(xué)與分子生物學(xué)的關(guān)系神經(jīng)科學(xué)與分子生物學(xué)的關(guān)系 神經(jīng)系統(tǒng)分子生物學(xué)的研究造成神經(jīng)神經(jīng)系統(tǒng)分子生物學(xué)的研究造成神經(jīng)生物學(xué)的革命性變化。如生物學(xué)的革命性變化。如乙酰膽堿受體的乙酰膽堿受體的分離純化和基因克隆分離純化和基因克隆已經(jīng)完成。已經(jīng)完成。神經(jīng)通道神經(jīng)通道也已得到純化和基因克隆，分子生物學(xué)滲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)生了入神經(jīng)科

20、學(xué)已產(chǎn)生了分子神經(jīng)生物學(xué)分子神經(jīng)生物學(xué)。5 當(dāng)前分子生物學(xué)與基因工程的幾個(gè)熱點(diǎn)問題當(dāng)前分子生物學(xué)與基因工程的幾個(gè)熱點(diǎn)問題 一些重大疾病的致病分子機(jī)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(jī)制研究； 分子育種技術(shù)的建立與發(fā)展主要參考書主要參考書 現(xiàn)代分子生物學(xué)現(xiàn)代分子生物學(xué)朱玉賢主編朱玉賢主編 高等教育出版社高等教育出版社 分子生物學(xué)基礎(chǔ)分子生物學(xué)基礎(chǔ) 楊歧生楊歧生 編著編著 浙江大學(xué)出版社浙江大學(xué)出版社 分子生物學(xué)分子生物學(xué)閻隆飛主編閻隆飛主編 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社 分子生物學(xué)分子生物學(xué)楊榮武主編楊榮武主編 南京大學(xué)出版社南京大學(xué)出版社

21、分子生物學(xué)分子生物學(xué) 陳啟民等陳啟民等 編著編著 南開大學(xué)出版社南開大學(xué)出版社 高級(jí)分子生物學(xué)要義高級(jí)分子生物學(xué)要義 特懷曼特懷曼 編著編著 科學(xué)出版社科學(xué)出版社 分子生物學(xué)精要分子生物學(xué)精要 Malacinski著著 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 Genes Lewin. Pearson prentice hall. 2004 Molecular biology of gene （fifth edition） Watson, et al Gold spring harbor Laboratory press. 2004 張惠展張惠展 基因工程基因工程 華東理工大學(xué)出版社華東理工大學(xué)出版社 2

22、005 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 plant Oxford universsity press. 2003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 an