分子生物學(xué)與基因工程第一講

分子生物學(xué)與基因工程第一講第1頁，共29頁，2023年，2月20日，星期三第一講緒論第2頁，共29頁，2023年，2月20日，星期三主要內(nèi)容

分子生物學(xué)與基因工程含義分子生物學(xué)與基因工程發(fā)展簡史分子生物學(xué)與基因工程基本內(nèi)容與其他學(xué)科的關(guān)系幾個(gè)熱點(diǎn)問題其他第3頁，共29頁，2023年，2月20日，星期三

生物學(xué)經(jīng)歷了一個(gè)漫長的研究歷程。最早人們從研究動(dòng)物和植物的形態(tài)、解剖和分類開始，隨著細(xì)胞學(xué)、遺傳學(xué)、微生物學(xué)、生理學(xué)、生物化學(xué)的發(fā)展，研究進(jìn)入細(xì)胞水平。到20世紀(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)（MolecularBiology）開始形成了獨(dú)立的學(xué)科，這是對(duì)生物界的認(rèn)識(shí)不斷深入的過程。第4頁，共29頁，2023年，2月20日，星期三第5頁，共29頁，2023年，2月20日，星期三

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物學(xué)的范疇，也就是從分子水平闡明生命現(xiàn)象和生物學(xué)規(guī)律。例如，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)，膜蛋白結(jié)構(gòu)與功能及跨膜運(yùn)輸?shù)榷紝儆诜肿由飳W(xué)的研究內(nèi)容。1分子生物學(xué)與基因工程的含義第6頁，共29頁，2023年，2月20日，星期三

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)-基因或DNA的結(jié)構(gòu)及其復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、表達(dá)和調(diào)節(jié)控制等過程的科學(xué)。當(dāng)然，也涉及到與這些過程有關(guān)的蛋白質(zhì)和酶的結(jié)構(gòu)與功能的研究。第7頁，共29頁，2023年，2月20日，星期三

基因工程是指將一種或多種生物體(共體)的基因或基因組提取出來,或者人工合成的基因,按照人們的愿望,進(jìn)行嚴(yán)密的設(shè)計(jì),經(jīng)過體外加工重組,通過一定的方法,轉(zhuǎn)移到另一種生物體(受體)的細(xì)胞內(nèi),使之能在受體細(xì)胞遺傳并獲得新的遺傳性狀的技術(shù)。第8頁，共29頁，2023年，2月20日，星期三2分子生物學(xué)與基因工程發(fā)展簡史1944年，Avery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)，標(biāo)志著分子生物學(xué)的誕生；

1953年，Watson和Crick在Nature雜志（171：737～738）上提出了著名的DNA雙螺旋模型，為分子生物學(xué)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；

1956年，Kornberg在大腸桿菌的無細(xì)胞提取液中實(shí)現(xiàn)了DNA的合成；第9頁，共29頁，2023年，2月20日，星期三1958年，Crick提出了遺傳信息的傳遞規(guī)律，即著名的“中心法則”；同年，Meselson與Stahl用實(shí)驗(yàn)證明了DNA復(fù)制是一種半保留復(fù)制；

1959年，Uchoa發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌的多核苷酸磷酸化酶，成功地合成了RNA，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；

1961年，Nirenberg和Matthaei破譯了所有三聯(lián)體密碼子；同年，法國科學(xué)家Jacob和Monod提出了著名的乳糖操縱子模型；第10頁，共29頁，2023年，2月20日，星期三1962年，Arber首次發(fā)現(xiàn)DNA限制性內(nèi)切酶的存在；

1970年，Smith首次從大腸桿菌中分離到第一個(gè)限制性內(nèi)切酶；同年，Temin和Baltimore首次發(fā)現(xiàn)在病毒中存在以RNA為模板，逆轉(zhuǎn)錄成DNA的逆轉(zhuǎn)錄酶；

1972年，Berg構(gòu)建了世界上第一個(gè)重組DNA分子，開辟了生物學(xué)新領(lǐng)域-遺傳工程；

1977年，Robert和Sharp在研究腺病毒的mRNA合成時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)了斷裂基因的存在；

1977年，Sanger和Gilbert分別提出了兩種DNA測序技術(shù)-酶法（或雙脫氧鏈終止法）和化學(xué)修飾法；第11頁，共29頁，2023年，2月20日，星期三1981年，Cech和Altman首次發(fā)現(xiàn)RNA具有生物催化功能；

1983年，Mullis發(fā)明了聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PolymeraseChainReaction，PCR）技術(shù)，極大地推動(dòng)了分子生物學(xué)的發(fā)展；

1990年，人類基因組計(jì)劃啟動(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“基因組學(xué)”時(shí)代；

1994年，Wilkins和Williams等首次提出了蛋白質(zhì)組的概念；

1997年，Wilmut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基因組測序工作。生命科學(xué)研究進(jìn)入“蛋白質(zhì)組學(xué)”的新的發(fā)展階段。第12頁，共29頁，2023年，2月20日，星期三分子生物學(xué)與基因工程發(fā)展的幾個(gè)里程碑

上個(gè)世紀(jì)50年代，Watson和Crick提出了的DNA雙螺旋模型；

60年代，法國科學(xué)家Jacob和Monod提出了的乳糖操縱子模型；

70年代，Berg首先發(fā)現(xiàn)了DNA連接酶，并構(gòu)建了世界上第一個(gè)重組DNA分子；

80年代，Mullis發(fā)明了聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PolymeraseChainReaction，PCR）技術(shù)；

90年代，開展了“人類基因組計(jì)劃”和模式生物的基因組測序，分子生物學(xué)進(jìn)入“基因組時(shí)代”；目前，分子生物學(xué)進(jìn)入了“后基因組時(shí)代”或“蛋白質(zhì)組時(shí)代”。第13頁，共29頁，2023年，2月20日，星期三人名年份獲獎(jiǎng)內(nèi)容Kossel1910分離出腺嘌呤、胸腺嘧啶和組氨酸UchoaKornberg1959RNA的合成DNA的復(fù)制WatsonCrick1962提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)KendrewPerutz1962測定了肌紅蛋白和血紅蛋白的高級(jí)結(jié)構(gòu)JacobMonod1965提出了乳糖操縱子學(xué)說NirenbergHollyKhorana1969破譯DNA遺傳密碼闡明tRNA的結(jié)構(gòu)首次人工合成核酸分子分子生物學(xué)領(lǐng)域獲得諾貝爾獎(jiǎng)一覽表第14頁，共29頁，2023年，2月20日，星期三人名年份獲獎(jiǎng)內(nèi)容TeminBaltimore1975逆轉(zhuǎn)錄酶的發(fā)現(xiàn)Arber1978DNA限制性內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn)Sanger19581980測定了牛胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)提出DNA測序法-酶法Gilbert1980提出DNA測序法-化學(xué)修飾法Berg1980發(fā)現(xiàn)DNA連接酶并構(gòu)建了第一個(gè)重組分子KohlerMilsteinJerne1984提出了單克隆抗體技術(shù)McClintock1988跳躍基因的發(fā)現(xiàn)AltmanCech1989RNA具有生物催化功能第15頁，共29頁，2023年，2月20日，星期三人名年份獲獎(jiǎng)內(nèi)容BishopVarmus1989正常細(xì)胞同樣帶有原癌細(xì)胞RobertsSharp1993斷裂基因的發(fā)現(xiàn)Mullis1993發(fā)明了PCR儀Smith1993發(fā)明了寡聚核苷酸定點(diǎn)突變法GilmanRodbell1994G蛋白的發(fā)現(xiàn)LewisNussleinWieschaus1995鑒定了控制果蠅體節(jié)發(fā)育基因第16頁，共29頁，2023年，2月20日，星期三人名年份獲獎(jiǎng)內(nèi)容Stanley1997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)

HartwellHuntNurse2001發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞周期的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子AgreMacKinnon2003細(xì)胞膜離子通道的結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究ROSE等2004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)Andrew、Craig2006發(fā)現(xiàn)RNA干擾現(xiàn)象Smith等2007胚胎干細(xì)胞和哺乳動(dòng)物DNA重組

Hausen

等2008人乳頭狀瘤病毒(HPV)和HIV的發(fā)現(xiàn)

錢永健等2008綠色熒光蛋白的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用第17頁，共29頁，2023年，2月20日，星期三3.1分子生物學(xué)的研究內(nèi)容

核酸的結(jié)構(gòu)基因與基因組的結(jié)構(gòu)與序列特征

DNA生物合成（復(fù)制）

DNA損傷與修復(fù)

DNA重組

RNA生物合成（轉(zhuǎn)錄）蛋白質(zhì)的生物合成基因表達(dá)調(diào)控第18頁，共29頁，2023年，2月20日，星期三基因工程研究的主要內(nèi)容克隆載體研究:cloningvector受體系統(tǒng)的研究:hostcellsystem目的基因的研究:targetgene生物基因組學(xué)的研究:genomicresearch應(yīng)用研究:application3.2基因工程的主要研究內(nèi)容第19頁，共29頁，2023年，2月20日，星期三基因工程的基本操作程序分離獲得目的基因限制性核酸內(nèi)切酶將切割外源DNA和載體DNA連接酶將外源DNA和載體連接，組成重組DNA分子。將重組DNA分子引入受體細(xì)胞帶有重組體的細(xì)胞培養(yǎng)擴(kuò)增，獲得大量的細(xì)胞繁殖群體篩選和鑒定轉(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)第20頁，共29頁，2023年，2月20日，星期三發(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，如控制果蠅體節(jié)發(fā)育的Homeo基因、金魚草的的花瓣發(fā)育基因DEF等。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。4分子生物學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系第21頁，共29頁，2023年，2月20日，星期三

在植物生理學(xué)方面光合作用的研究已進(jìn)入分子水平。一些植物的葉綠體DNA的全序列測定已經(jīng)完成，光合作用有關(guān)的基因如光系統(tǒng)I和II、電子傳遞鏈、二磷酸核酮糖羧化/加氧酶等的表達(dá)調(diào)控研究都已基本完成，使光合作用研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段。植物生理學(xué)與分子生物學(xué)的關(guān)系第22頁，共29頁，2023年，2月20日，星期三神經(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)生物學(xué)的革命性變化。如乙酰膽堿受體的分離純化和基因克隆已經(jīng)完成。神經(jīng)通道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)生了分子神經(jīng)生物學(xué)。第23頁，共29頁，2023年，2月20日，星期三5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)展第24頁，共29頁，2023年，2月20日，星期三主要參考書《現(xiàn)代分子生物學(xué)》朱玉賢主編高等教育出版社《分子生物學(xué)基礎(chǔ)》楊歧生編著浙江大學(xué)出版社《分子生物學(xué)》閻隆飛主編中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社《分子生物學(xué)》楊榮武主編南京大學(xué)出版社《分子生物學(xué)》陳啟民等編著南開大學(xué)出版社《高級(jí)分子生物學(xué)要義》特懷曼編著科學(xué)出版社《分子生物學(xué)精要》Malacinski著化學(xué)工業(yè)出版社《

GenesⅧ》Lewin.Pearsonprenticehall.2004《Molecularbiologyofgene》

（fifthedition）Watson,etalGoldspringharborLaboratorypress.2004第25頁，共29頁，2023年，2月20日，星期三張惠展《基因工程》華東理工大學(xué)出版社2005閆新甫《轉(zhuǎn)基因植物》科學(xué)出版社2003王關(guān)林等《植物基因工程》（第二版）科學(xué)出版社2002吳乃虎《基因工程原理》（第二版）高等教育出版社1998AdrianSlater,etal《PlantBiotechnology-Thegeneticmanipulationofplant》Oxforduniverssitypress.2003第26頁，共29頁，2023年，2月20日，星期三相關(guān)學(xué)術(shù)性刊物1外文期刊Nature/ScienceCellPNASEMBOJGene&