分子生物學(xué)01緒論

分子生物學(xué)進(jìn)展FangZHENG,MD.Ph.D.Prof.ClinicalImmunology1Outline

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IntroductionHistoryofMolecularBiologyContentsofMolecularBiologyProspectsofMolecularBiology2

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IntroductionHistoryofMolecularBiologyContentsofMolecularBiologyProspectsofMolecularBiology31.GeneralIntroductionIfyougetthegene,youwillgettheprotein.Ifyouwantaprotein,getitsgene!4DNA雙螺旋模型，使人們對(duì)基因理解由抽象化、概念化轉(zhuǎn)為有準(zhǔn)確的物質(zhì)內(nèi)容。這是分子生物學(xué)的核心。1.GeneralIntroduction520世紀(jì)90年代，“TheInternationalUnionofBiochemistry”更名為“TheInternationalUnionofBiochemistryandMolecularBiology”；“中國(guó)生物化學(xué)學(xué)會(huì)”更名為“中國(guó)生物化學(xué)與分子生物學(xué)學(xué)會(huì)”；各省的也跟著更名。分子生物學(xué)分化于生物化學(xué)。1.GeneralIntroduction6分子生物學(xué)是在分子水平上研究生物的結(jié)構(gòu)、組織和功能的科學(xué)。主要涉及的內(nèi)容有:蛋白的結(jié)構(gòu)、酶、抗體、生物膜、核酸等等。1.GeneralIntroduction7分子生物學(xué)從分子水平深入探索生命與自然的奧秘，全面改造和改良生存環(huán)境與生存質(zhì)量。

有了強(qiáng)大的分子生物學(xué)基礎(chǔ)研究，才可能在生物工程這個(gè)21世紀(jì)的龍頭產(chǎn)業(yè)中占有一席之地，才可能與世界列強(qiáng)平等對(duì)話。

1.GeneralIntroduction8

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HistoryofMolecularBiologyContentsofMolecularBiologyProspectsofMolecularBiology9Mendel的遺傳學(xué)規(guī)律最先使人們對(duì)性狀遺傳產(chǎn)生了理性認(rèn)識(shí)Morgan的基因?qū)W說(shuō)將“性狀”與“基因”相偶聯(lián)，成為現(xiàn)代遺傳學(xué)的奠基石Watson和Crick的脫氧核糖核酸的雙螺旋模型Sumner在1936年證實(shí)酶是蛋白質(zhì)Sanger1953年首次闡明胰島素一級(jí)結(jié)構(gòu)2.HistoryofMolecularBiology101910年，Kossel獲得生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，他首先分離出腺嘌嶺、胸腺嘧啶和組氨酸。1959年，Uchoa多核苷酸磷酸化酶的發(fā)現(xiàn)，成功地合成了核糖核酸，研究并重建了將基因內(nèi)的遺傳信息通過(guò)RNA中間體翻譯成蛋白質(zhì)的過(guò)程。2.HistoryofMolecularBiology111962年，Watson和Crick因?yàn)樵?953年提出DNA的反向平行雙螺旋模型而獲諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。2.HistoryofMolecularBiology12J.D.WatsonandF.H.C.Crick(1953)DiscoveryofDNAStructure13J.D.WatsonandF.H.C.Crick(1953)Astructurefordeoxyribosenucleicacid.Nature171:737“Wewishtosuggestastructureforthesaltofdeoxyribosenucleicacid(D.N.A.).Thisstructurehasnovelfeatureswhichareofconsiderablebiologicalinterest.”

DiscoveryofDNAStructureOneofthemostimportantbiologicaldiscoveryinthe20thcentury14DiscoveryofDNAStructureRosalindE.Franklin1920–1958ThestructureofDNAwasdeterminedusingX-raydiffractiontechniques.MuchoftheoriginalX-raydiffractiondatawasgeneratedbyRosalindE.Franklin.15

J.Watson&F.Crick:DNAstructure

MaxPerutz&JohnKendrew:ProteinsequenceFrederick

Sanger:Insulinsequence

Frederick

Sanger:DNAsequencingCesarMilstein&GeorgesKohler:MonoclonalAb……DiscoveryofDNAStructureLaboratoryofMolecular

Biology，(LMB)(Cavendish

Laboratory)1955-12scientistsreceivedNoblePrize161965年，Jacob和Monod提出并證實(shí)了操縱子理論獲生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1968年，Nirenberg破譯DNA遺傳密碼，獲生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。Holley闡明了酵母丙氨酸t(yī)RNA的核苷酸序列，證實(shí)所有tRNA具有結(jié)構(gòu)上的相似性。1975年，DulbeccoTemin和Baltimore發(fā)現(xiàn)在RNA腫瘤病毒中存在以RNA為模板，逆轉(zhuǎn)錄生成DNA的逆轉(zhuǎn)錄酶共享諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。2.HistoryofMolecularBiology171980年，Sanger和Gilbert設(shè)計(jì)出一種測(cè)定DNA分子內(nèi)核甘酸序列的方法獲化學(xué)獎(jiǎng)。1989年，Altman和Cech發(fā)現(xiàn)某些RNA具有酶的功能(稱為核酶)而共享化學(xué)獎(jiǎng)。1993年，Mullis發(fā)明PCR儀與第一個(gè)設(shè)計(jì)基因定點(diǎn)突變的Smith共享化學(xué)獎(jiǎng)。2.HistoryofMolecularBiology18ThePCRRevolutionKaryMullis198541yInventionofPCR199349yReceivedtheNoblePrize2.HistoryofMolecularBiology192.HistoryofMolecularDiagnosticsThePCRRevolution

PCRhasgreatlyfacilitatedandrevolutionizedmoleculardiagnostics.Itsmostpowerfulfeature-largeamountofcopiesofthetargetsequencegeneratedbyitsexponentialamplification,whichallowstheidentificationofaknownmutationwithinasingleday.202.HistoryofMolecularDiagnosticsThePCRRevolution

PCRmarkedlydecreasedneedforradioactivity,allowedmoleculardiagnosticstoentertheclinicallaboratory.PCReitherisusedforthegenerationofDNAfragmentstobeanalyzed,orispartofthedetectionmethods21

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IntroductionHistoryofMolecularBiology

ContentsofMolecularBiologyProspectsofMolecularBiology22分子生物學(xué)的基本原理:構(gòu)成生物體各類有機(jī)大分子的單體在不同生物中都是相同的；生物體內(nèi)一切有機(jī)大分子的建成都遵循共同的規(guī)則；某一特定生物體所擁有的核酸及蛋白質(zhì)分子決定了它的屬性。3.ContentsofMolecularBiology23分子生物學(xué)研究以下方面：DNA重組技術(shù)基因表達(dá)調(diào)控生物大分子的結(jié)構(gòu)功能基因組、功能基因組與生物信息學(xué)蛋白組學(xué)3.ContentsofMolecularBiology24DNA重組技術(shù)是20世紀(jì)70年代初興起的分子生物學(xué)技術(shù)，目的是將DNA片段按照人們的設(shè)計(jì)定向連接起來(lái)，在特定的受體細(xì)胞中復(fù)制并得到表達(dá)，產(chǎn)生影響受體細(xì)胞的新的遺傳性狀。3.ContentsofMolecularBiologyRecombinantDNATechnology25DNA重組技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊。它可被用于大量生產(chǎn)某些多肽；定向改造某些生物的基因組結(jié)構(gòu)，使它們所具備的特殊經(jīng)濟(jì)價(jià)值或功能得以成百上千倍地提高；是研究分子生物學(xué)的重要手段。3.ContentsofMolecularBiologyRecombinantDNATechnology26蛋白質(zhì)控制細(xì)胞的代謝活動(dòng)，而決定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和合成時(shí)序的信息卻由核酸編碼，基因表達(dá)實(shí)質(zhì)上是遺傳信息的轉(zhuǎn)錄翻譯。原核生物—轉(zhuǎn)錄翻譯在同一時(shí)間空間發(fā)生，基因表達(dá)調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平。真核生物有細(xì)胞核，轉(zhuǎn)錄和翻譯過(guò)程在時(shí)間和空間被隔開(kāi)，基因表達(dá)的調(diào)控可以發(fā)生在各種不同的水平。3.ContentsofMolecularBiologyRegulationofgeneexpression27生物大分子擁有特定的空間結(jié)構(gòu)；在它發(fā)揮生物學(xué)功能的過(guò)程中結(jié)構(gòu)構(gòu)象發(fā)生變化。結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)是研究生物大分子特定空間結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)變化與其生物學(xué)功能關(guān)系的科學(xué)。3.ContentsofMolecularBiologyStructuralmolecularbiology28結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)研究?jī)?nèi)容包括：結(jié)構(gòu)的測(cè)定結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律的探索結(jié)構(gòu)與功能相互關(guān)系常見(jiàn)研究的手段是x射線衍射晶體學(xué)二維或多維核磁共振研究液相結(jié)構(gòu)3.ContentsofMolecularBiologyStructuralmolecularbiology29基因組學(xué)Genomics功能基因組學(xué)FunctionalGenomics

生物信息學(xué)Bioinformatics3.ContentsofMolecularBiologyGenomics,FunctionalGenomics

bioinformatics30基因組計(jì)劃－－測(cè)定基因組序列。功能基因組：為闡明基因的功能、預(yù)測(cè)基因所編碼蛋白的功能與活性、利用這些基因的產(chǎn)物，旨在快速、高效、大規(guī)模鑒定基因的產(chǎn)物和功能。生物信息學(xué)：依靠計(jì)算機(jī)快速高效運(yùn)算并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類和結(jié)構(gòu)功能預(yù)測(cè)。3.ContentsofMolecularBiologyGenomics,FunctionalGenomics

bioinformatics31基因組學(xué)Genomics研究生物基因組的組成,組內(nèi)各基因的精確結(jié)構(gòu)、相互關(guān)系及表達(dá)調(diào)控的科學(xué)

。該學(xué)科提供基因組信息以及相關(guān)數(shù)據(jù)系統(tǒng)利用，試圖解決生物，醫(yī)學(xué)，和工業(yè)領(lǐng)域的重大問(wèn)題主要方法包括：生物信息學(xué)，遺傳分析基因表達(dá)測(cè)量和基因功能鑒定基因組學(xué)出現(xiàn)于1980年代，1990年代隨著幾個(gè)物種基因組計(jì)劃的啟動(dòng)，基因組學(xué)取得長(zhǎng)足發(fā)展。3.ContentsofMolecularBiologyGenomics,FunctionalGenomics

bioinformatics32? U.S.GovernmentprojectcoordinatedbytheDept.ofEnergyandNIH? GoalsoftheHumanGenomeProject (1990–2006)–ToidentifyallofthegenesinhumanDNA;–Todeterminethesequencesofthe3billionbasesthatmakeuphumanDNA;–Tocreatedatabases;–Todeveloptoolsfordataanalysis;and–Toaddresstheethical,legal,andsocialissuesthatarisefromgenomeresearchHumanGenomeProject33２００３年４月１４日，國(guó)際人類基因組測(cè)序組宣布：人類基因組序列圖--“完成圖”提前繪制成功。人類基因組計(jì)劃成果可以揭示人類生命活動(dòng)的奧秘?；蜻z傳性疾病、嚴(yán)重危害人類健康的易感性疾病的致病機(jī)理有望得到徹底闡明。3.ContentsofMolecularBiologyGenomics,FunctionalGenomics

bioinformatics343.ContentsofMolecularBiologyProteomics人類基因組計(jì)劃(HGP)全部基因測(cè)定的完成,標(biāo)志著分子生物學(xué)已跨入后基因時(shí)代。由于基因組學(xué)不能闡明蛋白質(zhì)表達(dá)的水平與時(shí)間、翻譯后修飾、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用等眾多問(wèn)題,人們于是提出了蛋白質(zhì)組學(xué)概念,并以此來(lái)探討細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能以及生命活動(dòng)的本質(zhì)和規(guī)律。353.ContentsofMolecularBiologyProteomics1995年WasingerVC等人提出了蛋白質(zhì)組學(xué)(proteomics)的科學(xué)概念,其主要任務(wù)是研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能。蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的最終體現(xiàn)者。蛋白質(zhì)組學(xué)（Proteomics

）是從整體的角度出發(fā)來(lái)研究細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的組成及其活動(dòng)規(guī)律的一門(mén)科學(xué)。363.ContentsofMolecularBiology蛋白質(zhì)組學(xué)不同于傳統(tǒng)蛋白質(zhì)學(xué)科之處:研究的目的是闡明生物體全部蛋白質(zhì)的表達(dá)模式與功能模式研究的內(nèi)容十分廣泛,涵蓋了某個(gè)機(jī)體或某個(gè)細(xì)胞全部的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能,包括鑒定蛋白質(zhì)的表達(dá)、存在方式(化學(xué)修飾)、結(jié)構(gòu)與功能的相互依賴關(guān)系,從某個(gè)生物體或某個(gè)細(xì)胞全部蛋白質(zhì)(現(xiàn)已知單個(gè)細(xì)胞可容納2萬(wàn)種蛋白質(zhì))整體活動(dòng)角度揭示與闡明生命活動(dòng)的基本規(guī)律373.ContentsofMolecularBiologyProteomics蛋白質(zhì)組學(xué)可分為三種類型:蛋白表達(dá)蛋白質(zhì)組學(xué)(protein

expressionproteomics)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)(structural

proteomics)功能蛋白質(zhì)組學(xué)(functionalproteomics)383.ContentsofMolecularBiologyProteomics蛋白表達(dá)蛋白質(zhì)組學(xué)proteinexpressionproteomics

是定量研究蛋白質(zhì)表達(dá)的技術(shù),如鑒定某種疾病的特異性標(biāo)志蛋白,應(yīng)用它已從乙型肝炎病毒(HBV)感染者血清,原發(fā)性口舌鱗狀上皮癌細(xì)胞組織中鑒定出生物標(biāo)志蛋白。393.ContentsofMolecularBiologyProteomics結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)structuralproteomics其主要任務(wù)是闡明蛋白質(zhì)復(fù)合體或一個(gè)細(xì)胞器內(nèi)的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),例如闡明存在于線粒體、葉綠體、細(xì)胞核內(nèi)的全部結(jié)構(gòu)蛋白以及轉(zhuǎn)錄組中蛋白質(zhì)—蛋白質(zhì)的相互作用。403.ContentsofMolecularBiologyProteomics功能蛋白質(zhì)組學(xué)functionalproteomics其主要任務(wù)是從分子水平分析亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中蛋白質(zhì)在功能上的組織構(gòu)成及蛋白質(zhì)表達(dá)譜,如研究線粒體外膜、內(nèi)膜、胞液、基質(zhì)間隙的各種蛋白質(zhì)定位,并進(jìn)行其功能分析。413.ContentsofMolecularBiologyProteomics與研究核酸分子生物學(xué)相比,完成以上三類蛋白質(zhì)組學(xué)的研究任務(wù),需要更為復(fù)雜的高端技術(shù),并需要通過(guò)生物學(xué)、分子生物學(xué)、生物物理學(xué)、生物醫(yī)學(xué)與生物信息學(xué)多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)才可望實(shí)現(xiàn)這個(gè)宏偉的目標(biāo)。42

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IntroductionHistoryofMolecularBiologyContentsofMolecularBiology

ProspectsofMolecularBiology43

從20世紀(jì)50年代Watson和Crick提出DNA雙螺旋模型至今，生物學(xué)領(lǐng)域發(fā)生了巨變。核苷酸序列測(cè)定技術(shù)的進(jìn)步，使人類基因組30億個(gè)堿基對(duì)全部被測(cè)定。X射線衍射及其他高分子研究技術(shù)建立生物大分子三維構(gòu)象庫(kù)的夢(mèng)想成真DNA重組技術(shù)的應(yīng)用，使得基因克隆分析日益成為“常規(guī)武器”到2000年，全球范圍內(nèi)己有200多種植物被轉(zhuǎn)化成功。4.ProspectsofMolecularBiology44生物學(xué)在各個(gè)學(xué)科之間廣泛滲透，相互促進(jìn)，不斷深入和發(fā)展?？茖W(xué)家從宏觀