簡述分子生物學(xué)發(fā)展史以及其發(fā)展趨向

1、簡述分子生物學(xué)發(fā)展史1.從廣義上講，蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能的研究都屬于分子生物學(xué)研究的范疇。也就是說從分子水平闡明生命現(xiàn)象和生物學(xué)規(guī)律的科學(xué)就叫分子生物學(xué)。（如蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、運動和功能，酶的作用機制和動力學(xué)，膜蛋白的結(jié)構(gòu)及物質(zhì)的跨膜運輸?shù)榷紝儆诜肿由飳W(xué)研究的范圍）2.目前人們常采用狹義的概念，將分子生物學(xué)范疇偏重于核酸（或基因）的分子生物學(xué)，主要研究DNA或基因的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、表達(dá)和調(diào)控等過程，也涉及到與這些過程有關(guān)的酶和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的研究。分子生物學(xué)的發(fā)展大致可以分為三個階段，第一個是準(zhǔn)備和醞釀階段，第二個是現(xiàn)代分子生物學(xué)的建立和發(fā)展階段，第三個是初步認(rèn)識生命本質(zhì)并改造生

2、命的深入發(fā)展階段。下面將就這三個階段的主要任務(wù)和功績做簡單的介紹。第一階段：在上世紀(jì)的后期，巴斯德由于發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌而在自然科學(xué)史上留下豐功偉績，但是他的“活力論”觀點，即認(rèn)為細(xì)菌的代謝活動必須依賴完整細(xì)胞的看法，卻阻礙了生物化學(xué)的進一步發(fā)展。直至18901900年問suchner兄弟證明酵母提出液可使糖發(fā)酵之后,科學(xué)家們才認(rèn)識到細(xì)胞的活動原來可以再拆分為更細(xì)的成分加以研究。此后相繼結(jié)晶了許多酶，如腺酶（Sumne，1926）、胰蛋白酶（Northrop，1930）及胃蛋白酶（Northrop及Kunitz，1932）等，并且證實了這些物質(zhì)都是蛋白質(zhì)。這些成果開辟了近代生物化學(xué)的新紀(jì)元。事實上，分

3、子生物學(xué)正是在科學(xué)家們打破了細(xì)胞界限之日誕生的。在這以后的幾十年間，科學(xué)界普遍認(rèn)為，蛋白質(zhì)是生命的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。與此同時，被湮沒達(dá)35年之久的孟德爾遺傳定律（1865），又被重新發(fā)現(xiàn)，摩根等在這個定律基礎(chǔ)上建立了染色體學(xué)說，使遺傳學(xué)的研究引起了科學(xué)界的重視。這個時期，尤其是在第一次世界大戰(zhàn)之后，正是物理學(xué)空前發(fā)達(dá)的年代，量子理論和原子物理學(xué)的研究表明，盡管自然界的物質(zhì)變化萬千，但是組成物質(zhì)的基本粒子相同，它們的運動都遵循共同的規(guī)律。那么，是否可以應(yīng)用物理學(xué)的基本定律來探討和解釋生命現(xiàn)象呢？不少科學(xué)家抱著這個信念投身到生命科學(xué)的研究中，從而開始了由物理學(xué)家、生化學(xué)家、遺傳學(xué)家

4、和微生物學(xué)家等協(xié)同作戰(zhàn)的新時期，在這個時期里，科學(xué)家們各自沿著兩條并行不悖的路線進行研究。一派是以英國的Astbury等為代表的所謂結(jié)構(gòu)學(xué)派（structurists），他們主要用x射線衍射技術(shù)研究蛋白質(zhì)和核酸的空間結(jié)構(gòu)，認(rèn)為只有搞清生物大分子的三維結(jié)構(gòu)，才能闡明生命活動的本質(zhì)，分子生物學(xué)一詞正是Astbury在1950年根據(jù)他的這一思想首先提出來的。另一學(xué)派稱為信息學(xué)派，他們著眼于遺傳信息的研究。它的創(chuàng)始始人之一，德國的Delbruck，本來是原子物理學(xué)家，由于矢志于遺傳學(xué)的研究，由德國來到美國摩根的遺傳學(xué)實驗室。當(dāng)他無法用數(shù)學(xué)表達(dá)果蠅的遺傳規(guī)律時，轉(zhuǎn)而以噬菌體為研究對象，把噬菌體看成為最小

5、的遺傳單位，研究其遺傳信息的表達(dá)和調(diào)控。所以這一派也稱為噬菌體學(xué)派。在這個時期，分子生物學(xué)研究的最重要成果是證明了遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA而不是蛋臼質(zhì)，Avery等（1944）證明了使肺炎雙球菌由粗糙型轉(zhuǎn)成為光滑型的轉(zhuǎn)化因子是DNA隨后，噬菌體學(xué)派的Hershey和chase進一步提出了更加令人信服的證據(jù)，他們用蛋白質(zhì)上標(biāo)記了放射性硫的噬菌體感染細(xì)菌，發(fā)現(xiàn)只有噬菌體的DNA被“注射”到細(xì)菌體內(nèi)去并在其中繁殖，而蛋白質(zhì)則留在細(xì)胞之外。但在當(dāng)時，由于科學(xué)界對DNA勺結(jié)構(gòu)尚少研究，所以還無從知道何以DNA能成為遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。分子生物學(xué)發(fā)展的第二階段是以DNA雙螺旋的發(fā)現(xiàn)為標(biāo)記的，這個劃時代的發(fā)現(xiàn)正是

6、結(jié)構(gòu)學(xué)派和信息學(xué)派匯合所結(jié)出勺碩果，從此以后，關(guān)于生物大分子結(jié)構(gòu)和信息的研究才緊密地結(jié)合起來，Watson和Crick的DNA雙螺旋學(xué)說破天荒地用分子結(jié)構(gòu)的特征解釋生命現(xiàn)象的最基本問題之一基因復(fù)制的機理，從而使生物學(xué)真正進入分子生物學(xué)的新時代。在發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)同時，Watson和Crick就提出DNA復(fù)制的可能模型。其后在1956年A.Kornbery首先發(fā)現(xiàn)DNA聚合酶；1958年Meselson及Stahl用同位素標(biāo)記和超速離心分離實驗為DNA半保留模型提出了證明；1968年Okazaki(岡畸)提出DNA不連續(xù)復(fù)制模型；1972年證實了DNA復(fù)制開始需要RNA乍為引物；70年代初獲

7、得DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶，并對真核DNA聚合酶特性做了分析研究；這些都逐漸完善了對DNA復(fù)制機理的認(rèn)識。1956-58年Anfinsen和White根據(jù)對酶蛋白的變性和復(fù)性實驗，提出蛋白質(zhì)的三維空間結(jié)構(gòu)是由其氨基酸序列來確定的。1958年Ingram證明正常的血紅蛋白與鐮刀狀細(xì)胞溶血癥病人的血紅蛋白之間，亞基的肽鏈上僅有一個氨基酸殘基的差別，使人們對蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)影響功能有了深刻的印象。與此同時，對蛋白質(zhì)研究的手段也有改進，1969年Weber開始應(yīng)用SDS聚丙烯酰胺凝膠電泳測定蛋白質(zhì)分子量；60年代先后分析得血紅蛋白、核糖核酸酶A等一批蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)；1973年氨基酸序列自動測定儀問世。中國科學(xué)

8、家在1965年人工合成了牛胰島素；在1973年用1.8AX-線衍射分析法測定了牛胰島素的空間結(jié)構(gòu)，為認(rèn)識蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)做出了重要貢獻(xiàn)。在這以后的年代里，DNA勺研究始終占據(jù)著分子生物學(xué)的中心地位。在短短的20年里，mRN舶發(fā)現(xiàn)和遺傳密碼的破譯，以及DNA聚合酶、RNA聚合酶、限制性核酸內(nèi)切酶、連接酶，質(zhì)粒等一系列重大發(fā)現(xiàn)，終于導(dǎo)致70年代初重組DNA技術(shù)的問世。這標(biāo)志著分子生物學(xué)發(fā)展到了更高階段，即第三階段。這項技術(shù)使分子生物學(xué)家能夠在體外按照主觀愿望切割和拼接DNA分子，借助細(xì)菌制造大量所需的DNA片段，極大地促進了DNA本身結(jié)構(gòu)和功能的研究，單克隆抗體及基因工程抗體的建立和發(fā)展、基因表達(dá)調(diào)控

9、機理、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機理研究成為新的前沿領(lǐng)域。更有甚者，這項技術(shù)標(biāo)志著分子生物學(xué)家從認(rèn)識和利用生物的時代進入了改造和創(chuàng)建物種的新時期。以上簡要介紹了分子生物學(xué)的發(fā)展過程，可以看到在近半個世紀(jì)中它是生命科學(xué)范圍發(fā)展最為迅速的一個前沿領(lǐng)域，推動著整個生命科學(xué)的發(fā)展。至今分子生物學(xué)仍在迅速發(fā)展中，新成果、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，這也從另一方面說明分子生物學(xué)發(fā)展還處在初級階段。分子生物學(xué)已建立的基本規(guī)律給人們認(rèn)識生命的本質(zhì)指出了光明的前景，但分子生物學(xué)的歷史還短，積累的資料還不夠，例如：在地球上千姿萬態(tài)的生物攜帶龐大的生命信息，迄今人類所了解的只是極少的一部分，還未認(rèn)識核酸、蛋白質(zhì)組成生命的許多基本規(guī)律；又如原定于2005年我們將獲得人類基因組DNA3x109bp的全序列，確定人的5-10萬個基因的一級結(jié)構(gòu)，如今看來已是提前五年就完成了,但是要徹底搞清楚這些基因產(chǎn)物的功能、調(diào)控、基因間的相互關(guān)系和協(xié)調(diào)，要理解80%以上不為蛋白質(zhì)編碼的序列的乍用等等，都還要經(jīng)歷漫長的研究道路?？梢哉f分子生物學(xué)的發(fā)展前景光輝燦爛，道路還會艱難曲折。然而，當(dāng)前，人類基因組研究的重點也正在由“結(jié)構(gòu)”向功能轉(zhuǎn)