醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)緒論0309

1、醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)Medical Molecular Biology 第一章 緒論 Chapter 1 Introduction 9/21/202219/21/20222知識二 分子生物學(xué)的研究內(nèi)容知識一 分子生物學(xué)發(fā)展簡史知識三 分子生物學(xué)展望。內(nèi)容概要9/21/202239/21/20224知識一、分子生物學(xué)發(fā)展簡史一、準(zhǔn)備和醞釀階段（19世紀(jì)后期到20世紀(jì)50年代初）二、建立和發(fā)展階段（20世紀(jì)50年代初到70年代）三、深入發(fā)展階段（20世紀(jì)70年代后到至今）5一、準(zhǔn)備和醞釀階段（一）遺傳學(xué)三大定律和基因的發(fā)現(xiàn)摩爾根孟德爾9/21/20226一、準(zhǔn)備和醞釀階段（二）遺傳物質(zhì)的本質(zhì)是DNAIn

2、 1928, an experiment of Frederick Griffith using pneumonia bacteria and mice9/21/202279/21/20228赫爾希和蔡斯的實驗DNA的X光衍射照片1952年5月拍攝羅沙琳德弗蘭克林（Rosalind Franklin，19201958）英國 9/21/20229二、建立和發(fā)展階段（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)查哥夫規(guī)則，A=T G=CDNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立諾貝爾醫(yī)學(xué)與生理學(xué)獎 1962年9/21/202210Watson JD和Crick FHC的“雙螺旋結(jié)構(gòu)模型” 啟動了分子生物學(xué)及重組DNA技術(shù)的發(fā)展。確

3、立了核酸作為信息分子的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；提出了堿基配對是核酸復(fù)制、遺傳信息傳遞的基本方式，最終確定了核酸是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。9/21/2022119/21/202212二、建立和發(fā)展階段（二）中心法則的建立 1958年，Crick提出了分子生物學(xué)的中心法則（central dogma）。 中心法則是分子遺傳學(xué)基本理論體系。9/21/202213半保留復(fù)制9/21/2022141956年科恩伯格首先發(fā)現(xiàn)DNA聚合酶1968年岡崎提出DNA不連續(xù)復(fù)制模型。1972年T.Okazaki和R.Okazaki證實了DNA復(fù)制需要RNA引物。70年代初，J.C.Wang獲得拓撲異構(gòu)酶，并對DNA聚合酶特性分析研究1

4、957年，克里克提出的最初的中心法則DNA-RNA-蛋白質(zhì)，它說明遺傳信息在不同的大分子之間的轉(zhuǎn)移是單向的、不可逆的。1959年，美籍西班牙裔奧喬亞成功合成了核糖核酸20世紀(jì)50年代，扎米尼克利用同位素示蹤法發(fā)現(xiàn)核糖體是細胞內(nèi)合成蛋白質(zhì)的部位。1960年，雅可布和梅索森確定了蛋白質(zhì)合成場所1954年伽莫夫推測遺傳密碼的三聯(lián)體，尼倫伯格等開始用人工合成的核苷酸同聚物作為mRNA來破譯遺傳密碼9/21/2022151962年，尼倫伯格、霍利及柯拉納等幾組科學(xué)家經(jīng)過共同努力，破譯了RNA上編碼合成蛋白質(zhì)的遺傳密碼，隨后研究遺傳密碼在生物界具有通用性，1966年克里克繪制了密碼表1970年，特明和巴爾

5、的摩又同時從雞肉瘤病毒顆粒中發(fā)現(xiàn)以RNA為模板合成DNA的反轉(zhuǎn)錄酶，進一步補充和完善遺傳信息的中心法則。特明和巴爾的摩以及杜爾貝克共享了1975年的諾貝爾生理學(xué)或者醫(yī)學(xué)獎?？死锟嗽?970年提出了更為完整的中心法則的圖解形式。 1970年，Temin和Baltimore從雞Rous肉瘤病毒(Rous sarcoma virus，RSV)顆粒中發(fā)現(xiàn)了以RNA為模板合成DNA的逆轉(zhuǎn)錄酶，進一步補充了遺傳信息傳遞的中心法則。 9/21/2022169/21/202217三、深入發(fā)展階段（一）DNA重組技術(shù)的建立和發(fā)展 1970年史密斯分離純化限制性核酸內(nèi)切酶9/21/202218三、深入發(fā)展階段（一

6、）DNA重組技術(shù)的建立和發(fā)展美國學(xué)者內(nèi)森斯利用限制酶切割 了SV40的基因，并繪制成切割圖譜。9/21/2022191972年伯格利用限制酶切割SV40和噬菌體的DNA進行酶切，利用DNA連接酶將兩種片段連接形成重組DNA，標(biāo)志DNA重組技術(shù)的建立和基因工程的誕生。9/21/202220三、深入發(fā)展階段（一）DNA重組技術(shù)的建立和發(fā)展1973年，斯坦福大學(xué)的科恩證明了質(zhì)粒分子可以作為基因克隆的載體，能將外源DNA導(dǎo)入寄主細胞。74年，非洲爪蟾的DNA與質(zhì)粒拼接，首先實現(xiàn)了異源真核生物基因在大腸桿菌表達。9/21/202221三、深入發(fā)展階段（一）DNA重組技術(shù)的建立和發(fā)展1977年，DNA序列

7、的快速測定法被發(fā)明，1980年伯格與桑格、吉爾伯特獲得了諾貝爾化學(xué)獎。1981年中國科學(xué)院王德寶等人人工合成了酵母tRNA1982年帕爾米特等將克隆的生長激素基因?qū)胄∈蟮氖芫鸭毎?，“巨鼠”?/21/202222三、深入發(fā)展階段（一）DNA重組技術(shù)的建立和發(fā)展1985年，穆利斯等發(fā)明了特定核酸序列擴增技術(shù)，即PCR,1988年從溫泉中分離出DNA聚合酶，使得PCR技術(shù)成熟并得到廣泛的應(yīng)用。20世界90年代，全自動核酸序列測定儀問世，靈敏度高，特異性強。因此穆利斯和史密斯共享了1993年諾貝爾化學(xué)獎。9/21/202223三、深入發(fā)展階段（一）DNA重組技術(shù)的建立和發(fā)展1997年，威爾穆特等

8、在蘇格蘭利用一直6歲的綿陽的乳腺細胞核成功獲得多莉2003年2月，獸醫(yī)檢查發(fā)現(xiàn)多利患有嚴(yán)重的進行性肺病，多利的尸體被制成標(biāo)本，存放在蘇格蘭國家博物館。 綿羊通常能活12年左右，而多利只活了6歲，它的早夭再次引起了人們對克隆動物是否會早衰的擔(dān)憂?？寺游锏哪挲g到底是從0歲開始計算，還是從被克隆動物的年齡開始累積計算，還是 從兩者之間的某個年齡開始計算？就多利本身而言，它剛一出生時是6歲還是0歲或者是中間的某個歲數(shù)，這是一個很難回答的問題。9/21/2022241997年，美國，臺灣澳大利亞分別利用胚胎細胞成功克隆了猴子、豬和牛；1997年，羅斯林研究所和PPL公司宣稱克隆出第一頭帶有人類基因的轉(zhuǎn)

9、基因綿羊；1998年，利用小鼠卵丘細胞克隆了27只成活小鼠，這是多莉之后第二批哺乳動物體細胞核移植后代；9/21/2022251999年，美科學(xué)家利用牛卵細胞克隆出珍稀動物盤羊的胚胎，中國科學(xué)家也用兔卵子克隆了大熊貓的早期胚胎，拯救瀕危動物9/21/2022261999年底，全世界已經(jīng)有六種類型的細胞-胎兒成纖維細胞，輸卵管/子宮上皮細胞，肌肉細胞和耳部皮膚細胞的體細胞克隆后代成功誕生。2000年，西北農(nóng)林科技大學(xué)研究人員利用成年山羊的體細胞克隆出兩只克隆羊，其中一只因為呼吸系統(tǒng)的疾病夭折，其技術(shù)與多莉的技術(shù)完全不同，說明我國的科學(xué)家也掌握了體細胞克隆的技術(shù)。9/21/202227三、深入發(fā)展

10、階段（二）基因組研究的發(fā)展1990年美國科學(xué)家倡議，英國，日本，德國，法國，中國陸續(xù)加入的人類基因組計劃正式啟動人類基因組計劃，這是生命科學(xué)領(lǐng)域有史以來全球性最龐大的研究計劃。2000年6月，六國宣布人類基因組草圖繪制完成；2003年4月，六國完成人類基因組序列圖的繪制，實現(xiàn)了人類基因組計劃的所有目標(biāo)。9/21/202228三、深入發(fā)展階段（三）基因表達調(diào)控等研究的發(fā)展1977年羅伯茨和夏普發(fā)現(xiàn)基因在DNA的片段上是不連續(xù)的，即斷裂基因20世紀(jì)80年代初，切赫發(fā)現(xiàn)RNA能夠自我剪接，即核酶；1983年，美麥克林托克發(fā)現(xiàn)“可移動基因”；1989年，畢曉普和瓦姆斯在RNA病毒中首次發(fā)現(xiàn)原癌基因；1

11、999年，布洛貝爾發(fā)現(xiàn)新合成的蛋白質(zhì)中含有控制其運送到細胞內(nèi)特定位置的內(nèi)在信號；2002年，布雷內(nèi)等發(fā)現(xiàn)器官發(fā)育和程序性細胞死亡的調(diào)控機理；2007年，美卡佩基、史密斯和埃文斯為“基因打靶”技術(shù)奠定基礎(chǔ)，通過胚胎干細胞可以改造活體動物的特定基因。2009年，布萊克本、格雷德和紹斯塔克發(fā)現(xiàn)端粒和端粒酶。9/21/202229知識二 分子生物學(xué)概念和研究內(nèi)容 一、分子生物學(xué)的定義9/21/202230從整體水平到分子水平示意圖分子水平細胞水平整體水平 生命科學(xué)的發(fā)展過程：9/21/202231 生命科學(xué)的研究內(nèi)容： 生命物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能，生物與生物之間及生物與環(huán)境之間相互關(guān)系。 生命科學(xué)的前沿領(lǐng)域

12、： 分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)、細胞生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)，而分子生物學(xué)是生命科學(xué)的核心前沿。 生命科學(xué)是研究生命現(xiàn)象和生命活動規(guī)律的一門綜合性學(xué)科。9/21/202232 分子生物學(xué)從分子水平研究生命現(xiàn)象及其規(guī)律的一門新興學(xué)科。 它是生命科學(xué)中發(fā)展最快并且與其他學(xué)科廣泛交叉和滲透的前沿領(lǐng)域。9/21/202233 狹義即分子生物學(xué)的范疇局限于生物體的主要遺傳物質(zhì)，主要研究基因和基因組的結(jié)構(gòu)與功能、DNA復(fù)制及損傷修復(fù)、基因的重組和克隆、RNA的轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工、蛋白質(zhì)的生物合成及肽鏈合成后的加工、基因表達調(diào)控等內(nèi)容，其中也涉及與這些過程現(xiàn)骨干的蛋白質(zhì)和酶的結(jié)構(gòu)和功能。9/21/202

13、234二、分子生物學(xué)的研究內(nèi)容9/21/202235 核酸的分子生物學(xué)主要研究核酸的結(jié)構(gòu)及其功能。核酸的主要作用是攜帶和傳遞遺傳信息，因此形成了分子遺傳學(xué)。（一） 結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)： 分子遺傳學(xué)：形成了比較完整的理論體系和研究技術(shù)，它是目前分子生物學(xué)中內(nèi)容最豐富、研究最活躍的一個領(lǐng)域。9/21/2022361. 核酸的發(fā)現(xiàn) 早在1868年，Miescher從膿細胞中分離出細胞核，用稀堿抽提再加入酸，得到了一種含氮和磷特別豐富的物質(zhì)，當(dāng)時稱其為核素（nuclein）。 1872年，他又在鮭魚精子細胞核中發(fā)現(xiàn)了大量的這類物質(zhì)。由于這類物質(zhì)都是從細胞核中提取出來的，而且又是酸性，故稱其為核酸（nucl

14、eic acid）。Friedeich Miescher 9/21/202237 自核酸被發(fā)現(xiàn)以來的相當(dāng)長時期內(nèi)，對它的生物學(xué)功能幾乎毫無所知。 1928年(Frederick Griffith)以后，核酸功能研究取得了重大進展。9/21/202238 1952年， Hershey AD和 Chase M用 35S和 32p分別標(biāo)記T2噬菌體的蛋白質(zhì)和核酸，感染大腸桿菌。在大腸桿菌細胞內(nèi)增殖的噬菌體中都只含有32P而不含35S, 這表明噬菌體的增殖直接取決于DNA而不是蛋白質(zhì)。2. 核酸功能研究的重大進展 1944年，Avery OT等首次證明肺炎雙球菌的DNA與其轉(zhuǎn)化和遺傳有關(guān)。 9/21/

15、202239The Meselson-Stahl experiment （1958）showed that DNA is replicated semi-conservativelyDNA semi-conservative duplication 3. DNA復(fù)制模型9/21/202240DNA復(fù)制模型9/21/202241 1961年，Nirenberg、Ochoa以及Khorana等幾組科學(xué)家的共同努力，破譯了RNA上編碼合成蛋白質(zhì)的遺傳密碼，證明DNA分子中的遺傳信息是以三聯(lián)密碼的形式貯存。 遺傳密碼在生物界具有通用性。9/21/2022429/21/2022439/21/202244

16、4. 基因的人工合成 1978年體外首次成功地人工合成第一個完整基因。 直接證實了Mendel G在1865年發(fā)現(xiàn)的遺傳因子(基因)的化學(xué)本質(zhì)，就是 DNA分子。 DNA分子是多種多樣生命現(xiàn)象的物質(zhì)基礎(chǔ)。9/21/202245（二）基因和基因組研究的進展 基因組（genome）: 一個物種遺傳信息的總和。 基因結(jié)構(gòu)與功能研究已經(jīng)從單個基因發(fā)展到生物體整個基因組。基因組研究已從簡單的低等生物到真核生物，從多細胞生物到人類。9/21/202246 人類基因組計劃（human genome project, HGP） 美國科學(xué)家、諾貝爾獎獲得者Dulbecco R于1986年在美國 Science

17、雜志上發(fā)表的短文中率先提出，并認為這是加快癌癥研究進程的一條有效途徑。 主要的目標(biāo)是繪制遺傳連鎖圖、物理圖、轉(zhuǎn)錄圖，并完成人類基因組全部核苷酸序列測定。測出人體細胞中24條染色體上全部30億對核苷酸的序列，把所有人類基因都明確定位在染色體上，破譯人類的全部遺傳信息。 HGP是人類自然科學(xué)史上與曼哈頓原子彈計劃和阿波羅登月計劃相媲美的偉大科學(xué)工程。9/21/202247 研究結(jié)果表明，人類基因數(shù)量僅有3萬個左右，比此前估計的要少得多。通過研究還發(fā)現(xiàn)男女可能存在巨大遺傳差異，男性染色體減數(shù)分裂的突變率是女性的兩倍。在已經(jīng)分析的序列中，找到很多與遺傳病有關(guān)的基因，包括乳腺癌、遺傳性耳聾、中風(fēng)、癲癇癥

18、、糖尿病和各種骨骼異常的基因。9/21/202248（三）基因表達與調(diào)控機制 1961年，Jacob和Monod提出操縱子學(xué)說，認識了原核生物基因表達調(diào)控的一些規(guī)律。 80年代開始，人們逐步認識到真核基因組結(jié)構(gòu)和調(diào)控的復(fù)雜性。 真核基因的順式調(diào)控元件與反式作用因子、核酸與蛋白質(zhì)間的分子識別與相互作用。小分子反義RNA、核酶、siRNA等。9/21/202249 （四）分子生物學(xué)技術(shù) 例如：DNA及RNA的印跡轉(zhuǎn)移、核酸分子雜交、基因克隆、基因體外擴增、DNA 測序等，形成了獨特的重組DNA技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)。 由生物化學(xué)、生物物理學(xué)、細胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、應(yīng)用微生物學(xué)及免疫學(xué)等各專業(yè)技術(shù)的滲透、綜

19、合而成，并在此基礎(chǔ)上發(fā)明和創(chuàng)造了一系列新的技術(shù)。9/21/202250分子克隆 (molecular cloning) 重組DNA (recombinant DNA)技術(shù)是近代分子生物學(xué)技術(shù)的核心。 基因操作 (gene manipulation) 基因克隆 (gene cloning)基因工程 (gene engineering)9/21/202251 按照自己的意愿和社會需求改造基因，制備各種具有生物活性的大分子。 DNA、RNA 和蛋白質(zhì)成為人類治病、防病的一類新型的生物制品或藥物。 生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)上用于快速育種，改良品種，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量、質(zhì)量以及抗病蟲害，抗干旱等能力。9/21/20

20、2252一、動物克隆技術(shù)的發(fā)展9/21/202253知識三 分子生物學(xué)的展望 用轉(zhuǎn)基因動物獲取治療人類疾病的重要蛋白質(zhì)。如，導(dǎo)入了凝血因子基因的轉(zhuǎn)基因綿羊分泌的乳汁中含有豐富的凝血因子，能有效地用于血友病的治療。 轉(zhuǎn)基因動物和基因剔除動物9/21/202254 在轉(zhuǎn)基因植物方面取得重大進展，比普通西紅柿保鮮時間更長的轉(zhuǎn)基因西紅柿投放市場。 轉(zhuǎn)基因玉米、轉(zhuǎn)基因大豆相繼投入商品生產(chǎn)。 我國科學(xué)家將蛋白酶抑制劑基因轉(zhuǎn)入棉花，獲得抗棉鈴蟲的棉花株。 轉(zhuǎn)基因植物和轉(zhuǎn)基因食品9/21/202255二、基因工程制藥的發(fā)展9/21/202256通過基因工程可以產(chǎn)生一些蛋白質(zhì)藥物，比如：9/21/202257三、分子生物學(xué)在醫(yī)學(xué)其他作用9/21/202258 在法醫(yī)學(xué)中利用DNA指紋圖譜技術(shù)進行刑事偵破和親子鑒定。 臨床上對遺傳病、傳染病及常見疾?。ㄈ缒[瘤、心血管疾病等）的診斷。 基因分型。 基因診斷是通過直接檢測目的基因（或該基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物）的存在狀態(tài)對疾病作出診斷的方法。（一）基因診斷的用途9/21/202259 基因診斷技術(shù)不僅用于出生后人群的疾病診斷,而且還應(yīng)用于產(chǎn)前基因診斷和著床前診斷，這