分子生物學發(fā)展歷程課件

1.3.分子生物學發(fā)展的歷程

MILESTONE近半個世紀以來

Nobelmedal

Halfapoundof23-karalgold.2.5inchesacross近半個世紀以來進化論

物竟天擇

適者生存從根基上動搖

了上帝創(chuàng)造萬

物的“創(chuàng)世說”1859CharlesDarwin”物種起源”自然選擇

生存斗爭生物體由細胞組成所有組織的最基本單元---形狀相似，高度分化的細胞細胞的發(fā)生與形成是生物界普遍和永久的規(guī)律Cytology

1839-1847MatthiasSchleidenTheodorSchwann

身世不同志同道合“進化論”＋“細胞學”實驗性的生命科學觀察、比較、鑒定的描述性生物學

遺傳因子假說

(HypothesisoftheinheritedfactorG.J.Mendel1866.)

生物性狀由遺傳因子控制

親代傳給子代的是遺傳因子(A,a….)

遺傳因子在體細胞內(nèi)成雙(AA,aa)

在生殖細胞內(nèi)為單（A,a）

雜合子體細胞內(nèi)具有成雙的遺傳因子(Aa)

等位的遺傳因子獨立分離

非等位遺傳因子間自由組合地分配到配子中"forhisdiscoveriesconcerningtheroleplayedbytheChromosomeinheredity,demonstratedthatgenesareonthechromosome"ThomasHuntMorgan1933二十世紀中葉的遺傳學家們不再滿足于基因的抽象觀念!將研究的前沿聚焦到揭示基因的本質(zhì)和它們的作用機制!組成蛋白質(zhì)的20種基本氨基酸被揭示蛋白質(zhì)中連接氨基酸的“肽鍵”被證實糖酵解途徑、尿素循環(huán)、三羧酸循環(huán)的發(fā)現(xiàn)“pH”概念，“緩沖”系統(tǒng)，“膠體”理論大分子之間以氫鍵和離子鍵互作重要性的揭示

十九世紀末到二十世紀初生物化學的重要發(fā)展時期

"fortheirpreparationofenzymesandvirusproteinsinapureform"JamesBatchellerSumner

JohnHowardNorthrop

WendellMeredithStanley

CornellUniversityRockefellerInstituteUSARockefellerInstituteUSATheNobelPrizeinChemistry1946"forhisdiscoverythatenzymescanbecrystallized"TheNobelPrizeinChemistry19581958J.Lederberg(33y)Phagetransduction"forhisworkonthestructureofproteins,especiallythatofinsulin"FrederickSanger

RichphosphatebondsofATP---EnergyS.Ochoa(54y)A.Kornberg(41y)Isolationof

DNApolymeraseITheNobelPrize1959遺傳學和生物化學是分子生物學發(fā)展的根基分子生物學是遺傳學和生物化學融合的結(jié)果研究遺傳物質(zhì)－基因的本質(zhì)理解基因調(diào)控生化代謝過程進入1941年，GeorgeBeadle和EdwardTatumNeurosporacrassa（粉色面包霉菌）提出的“onegene─oneenzyme”的假說（獲得1958年Nobel獎）說明了基因的生化作用本質(zhì)是控制酶的合成G.Beadle&E.Tatum

生物化學和遺傳學之間的聯(lián)合邁出的第一步，也是分子生物學的第一個重要發(fā)現(xiàn)

1.3.3.奧斯瓦德·埃弗里OswaldAvery的歷史貢獻

1948.retired,TheNobelcommitteehasbeencriticizedfornotrecognizingAvery’sachievementbeforehisdeath(1877-1955)分子生物學領(lǐng)域里的孟德爾1952年（8年后）M.Delbruck，S.E.Luria，A.Hershey對噬菌體繁殖過程開展了深入的研究證明了DNA是主要的遺傳物質(zhì)盡管Avery的實驗未引起概念的革命但他的研究工作引起了ErwinChargaff的極大興趣為提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型起到了非常重要的作用medalDelbruck1969NobelHersheyLuria1.3.4.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的揭示分子生物學的重要里程碑1951.JamesWatson

（Luria的第一個研究生

23y)丹麥

哥本哈根KalckarLab.Post-Do訪問意大利的那不勒斯動物研究所時King’sLab.LondonUniv.MauriceWilkins35yFrancisCrick23yJamesWatson1951CavendishLab.CambridgeUniversityUK性格不同，專業(yè)互補緊密合作，鎖定目標開創(chuàng)了一種研究風格“對文章和實驗進行討論交流是重中之重，理論和討論比實驗和觀察更為重要”。在確定DNA分子結(jié)構(gòu)的研究中，沒有用DNA分子做任何一個實驗！“研究與討論，分析與推論是建立在大量實驗數(shù)據(jù)和科學論文的基礎(chǔ)上的”“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)”故事如果缺少了對RosalindFranklin悲劇命運的描述那么這個故事將是不完整的!

King’sLab.LondonUniversityUKRosalindFranklin核糖與磷酸連接成的扭曲繩子，每一節(jié)上都有配對的堿基優(yōu)秀女科學家在雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)幾年后，因癌癥而病逝，對揭示DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)作出過重要貢獻，但卻受到歧視和不公待遇

助手！待遇！背景！交流！

X~rayphotographofDNAwithhighquality

JamesWatson(34y)FrancisCrick(46y)MauriceWilkins(46y)DNADoubleHelixmodel195319621.3.5.遺傳密碼的破譯破解遺傳密碼DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)揭示之后的又一研究熱點遺傳學家：根據(jù)DNA的結(jié)構(gòu)和基因在細胞中的作用進行推斷

生物化學家：建立體外的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)生物化學家在破解遺傳密碼中所作出的貢獻成為分子生物學中最卓越的發(fā)現(xiàn)之一同在美國華盛頓國家關(guān)節(jié)炎和代謝疾病研究所工作的兩位名不見經(jīng)傳的德國生物學家約翰·馬太(JohannHeinrichMatthaei）和馬歇爾·尼倫伯格(MarshallNirenberg）的成功完全是靠運氣！MarshallNirenberg1968NP22/May/1961，MonJ.Matthaei:

細菌提取物、可溶性RNA組分（tRNA）、20種(其中16種被標記)ATP、緩沖液、polyU

混合，35℃下，1hr，結(jié)果表明：polyU存在時，被標記的aa進入到蛋白質(zhì)中27/May/1961，Sat

答案：polyU存在時，合成了Phe－Phe－Phe….肽鏈1周時間內(nèi)：J.Matthaei破譯了第一個遺傳密碼Aug/1961,Nov/1961(3個月內(nèi))

兩篇文章投稿<美國國家科學院進展PNAS>遺傳密碼的破譯找到了突破口Ser-C14….

Leu-C14….

Lys-C14….

Gly-C14….

MarshallNirenberg體外蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)方法進行改進利用不同polyNt指導蛋白質(zhì)的合成

Nirenberg

15分鐘的分組報告到會者寥寥無幾，但內(nèi)容被傳向Crick

Crick意識到Nirenberg和Matthaei工作的重要價值

Nirenberg被再次邀請大會報告與會者被震驚，并成為大會的學術(shù)焦點在文章發(fā)表之前，兩人有幸參加1961年8月第五屆國際生物化學大會他們的成功不僅在于他們的努力和才智而且也得益于機遇和對機遇的把握GobindKhorana建立了合成具有特定堿基序列的oligodNt的有效方法簡便快速……..促進了在隨后內(nèi)5年所有密碼的破譯R.HolleyH.G.KhoranaM.Nirenberg

H.GobindKhorana(46y)

HowtosynthesizetripletRNAMarshallNirenberg(41y)

GeneticcodenRobertHolley(46y)tRNAphecloverleafstructure1968NP1.3.6.mRNA的發(fā)現(xiàn)operon的提出

直到1960年：DNA－RNA－蛋白質(zhì)之間的關(guān)系仍未獲得有力的實驗證據(jù)仍未提出明確的科學闡明證明“遺傳密碼的攜帶者－mRNA的存在”關(guān)鍵：

FrancoisJacob

JacquesMonod基因通過RNA嚴格地控制著蛋白質(zhì)的合成

Namingas“messengerRNA”ArthurPardeeFrancoisJacob

JacquesMonod通過(Pa-Ja-Mo)大量實驗最終證明F.Jacob(44y)J.Monod(55y)A.Lwoff(63y)Lac.OperonConceptofmRNA暗示了“三聯(lián)體遺傳密碼”以外的“空間調(diào)控密碼”的存在，為分子生物學的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)NP1965centraldogma

1.3.7中心法則的發(fā)展

1975NP豐富和發(fā)展了“中心法則”為遺傳工程提供了最重要的工具酶1970年DavidBaltimore分離到ReverseTranscriptase8年后，科學界才確信“中心法則”被“逆轉(zhuǎn)”了1962年HowardTemin發(fā)現(xiàn)了ReverseTranscriptioncentraldogma

1.3.8

科學技術(shù)互促共進科學為技術(shù)的發(fā)明與提升提供理論依據(jù)技術(shù)為科學的發(fā)現(xiàn)與研究提供方法手段DNA分子的克隆技術(shù)基因的定點誘變技術(shù)PCR的DNA擴增技術(shù)細胞與組織培養(yǎng)技術(shù)使分子生物學從觀察性-驗證性的科學發(fā)展成干涉性-創(chuàng)造性的科學遺傳工程引發(fā)了一場分子生物學革命不僅能將目標基因定向引入到其他物種中去而且可以利用細菌對目的DNA分子進行克隆基于“遺傳重組”技術(shù)的生物學的理論不斷創(chuàng)新基于“遺傳工程”技術(shù)的生物遺傳改良成效明顯有關(guān)基因工程技術(shù)發(fā)明獲得Nobel獎

TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1978forthediscoveryofrestrictionenzymesandtheirapplicationtoproblemsofmoleculargeneticsWernerArber

DanielNathans

HamiltonO.Smith

discoveryapplicationidentify雖然，沒有任何一項技術(shù)具有原創(chuàng)性但是，利用已報道的多項技術(shù)，創(chuàng)造性地實現(xiàn)了不同DNA分子的體外重組SV40

λDNA＋EcoRIRecombinationDNA“遺傳工程”的奠基工作為分子生物學的研究和遺傳改造展示了一個清晰而又美好的前景具有與沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型同樣的開拓性價值NP1980PaulBerg

TheNobelPrizeinChemistry1980thedeterminationofbasesequencesinnucleicacidsWalterGilbert

FrederickSanger1958NPForstructureofproteinsespeciallythatofinsulinTheNobelPrizeinChemistry

1993"forhisinventionofthepolymerasechainreaction(PCR)method"KaryB.Mullis

生物化學博士學位1979年受雇于Cetus生物技術(shù)公司，專門制備用作探針的寡聚核苷酸,在1983年4月的一個周五晚上,當他在加利福尼亞的山坡上開車前往度周末的小屋時他突發(fā)其想。加速分子生物學發(fā)展進程的一項“晚熟卻簡單”技術(shù)“晚熟”的技術(shù)“DNA聚合酶”的酶學性質(zhì)早在1955年就被A.Kornberg

證明，分離和鑒定。它應(yīng)該在60年代后被建立起來?。《耶敃rJ.Lederberg和A.Kornberg就已經(jīng)討論過用“DNA聚合酶獲取大量DNA的可能性”。并且

Kornberg利用高純度的酶，能夠使DNA在體外進行20倍的復制。經(jīng)過幾個月的準備后，實驗立刻獲得了成功。TaqPol的成功提取又推進了擴增反應(yīng)的自動化進程。

“簡單”的技術(shù)引物設(shè)計－模板變性－引物配對－子鏈延伸－重復往返但當他詢問他人這種過于簡單的想法時，卻遇到了禮貌但不熱情的反應(yīng)。"SpecificsynthesisofDNAinvitroviapolymerase-catalyzedchainreaction")投稿《Nature》和《Science》

結(jié)果統(tǒng)統(tǒng)被拒，直到1987年才發(fā)表在

（MethodsinEnzymology)IF=1.904作為一項“擴增”DNA的技術(shù)，盡管它本身并未開辟分子生物學新的研究領(lǐng)域，但這項簡單而又晚熟的發(fā)明對分子生物學家研究工作的影響程度超過了其他任何技術(shù)，它的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎超過了其他任何技術(shù)。幾年內(nèi)以PCR為技術(shù)基礎(chǔ)的科技論文數(shù)如同該技術(shù)本身的特征一樣，以幾何級數(shù)的方式增長。TheNobelPrizeinChemistry1993forsite-directedmutagenesisanditsdevelopmentforproteinstudiesMichaelSmithUniversityofBritishColumbia

Vancouver,Canada1932-20001.3.9現(xiàn)代分子生物學的發(fā)展研究對象的變換研究策略的創(chuàng)新研究內(nèi)容的拓展現(xiàn)代分子生物學發(fā)展史的三大轉(zhuǎn)折研究對象的變換以果蠅，豌豆為揭示生命奧秘的材料系統(tǒng)

高等真核生物宏觀與微觀的結(jié)合Phagegroup40年代以病毒，細菌原核生物系統(tǒng)為試材，Cistron，onegene–oneenzyme，operon,等新理論不斷被發(fā)現(xiàn)，新概念不斷被提出，生物學開始騰飛.

1969NobelmedalDelbruck1969NobelmedalHersheyLuria高等真核生物進化水平，細胞分化組織特化，個體發(fā)育重復序列，基因概念人類健康，農(nóng)業(yè)生態(tài)已成為分子生物學家狂熱追蹤的學科前沿DNAtransposableelement1983.TheNobelPrize

BarbaraMcClintock(81y)1902-1992

TheNobelPrizeinChemistry1989

TheRoyalSwedishAcademyofScienceshasawardedthisyear's

NobelPrizeinChemistryjointlyto

SidneyAltmanandThomasR.Cech

fortheirdiscoveryofcatalyticpropertiesofRNA

SidneyAltman

YaleUniversity

NewHaven,CT,USAThomasR.Cech

UniversityofColorado

atBoulder,USA

Contents:

Introduction

Thechemistryoflifeanditscentraldogma

Enzymes–biologicalcatalysts

Ribonucleicacid(RNA)–thebiomoleculewhichcandoitall

Thehistoryofbiocatalysis

Whathappensnext?

Furtherreading

Basedonmaterialsfromthe1989NobelPosterforChemistry.

Creditsandreferencesfortheposter

LastmodifiedMay10,2001

Copyright?2001TheNobelFoundationTheOfficialWebSiteofTheNobelFoundation

LastmodifiedMay10,2001

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TheNobelPrizeinChemistry1989"fortheirdiscoveryofcatalyticpropertiesofRNARibozyme"SidneyAltman

ThomasR.Cech

YaleUniversity

NewHaven,CT,USAUniversityofColorado

Boulder,CO,USA1939-1947TheNP1993splitgenesIn1978RichardJ.RobertsPhillipA.SharpminirevolutiondiscoveredGeneticcontrolofearlydevelopmentinDrosophilaEdwardB.ewisChristianeNüsslein-Volhard

EricF.WieschausTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1995StanleyB.PrusinerUniversityofCalifornia,SchoolofMedicine

USA1942-forhisdiscoveryofPrions–---anewbiologicalprincipleofinfection1997NPdiscoveredkeyregulatorsofthecellcycleLelandH.HartwellR.Timothy(Tim)HuntSirPaulM.NurseNP2001ProgrammedCellDeath(PCD)anddevelopmentS.Brenner(75y)H.R.Horvitz(55y)J.E.Sul