分子生物學(xué)：1IntroductionofMolecularBiology課件

ChapterOne:

IntroductionofMolecularBiology

DefinitionofMolecularBiology（*）

BriefhistoryofMolecularBiologyRelationshipbetweenMolecularBiologyandotherdisciplines（*）

ProspectsofMolecularBiologyKeyPoints:1DefinitionofMolecularBiologyTheattempttounderstandthebiologicalphenomenainmolecularterms.ThestudyontheprocessofDNAreplication,transcription,translationandexpressionregulationandrelatedproteinsorenzymes.Thestudyofgenestructureandfunctionatthemolecularlevel. --RobertWeaver

Molecularbiologyisahybriddiscipline,itgrewoutofthedisciplinesofgeneticsandbiochemistry.Fromlate1900stoearly1950s(19世紀(jì)后期到20世紀(jì)50年代初)

?Confirmedthatproteinisoneofthefundamentalmaterialsoflife.確定了蛋白質(zhì)是生命的主要基礎(chǔ)物質(zhì)(經(jīng)典生物化學(xué)的貢獻(xiàn))

?ConfirmedthatDNAisthenatureofgeneticmaterial.確定了生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA(經(jīng)典遺傳學(xué)的貢獻(xiàn))

Stage1:PreparationIn1989,Buchnerbrothersconfirmedthatyeastcell-freeextractscouldmakeglucosefermentationandproducealcoholIn1926,J.B.Sumnerobtainedurokinasecrystalfromjackbean從刀豆獲得了結(jié)晶的尿酶In1955,F.Sangersequencedtheaminoacidsofcalfinsulin牛胰島素的氨基酸序列分析Kendrew&perutsobtainedthestructureofwhalemusclehemoglobinandhorsehemoglobinbyx-raydiffractionanalysisorx-raycrystallography用X-射線分析得到鯨肌紅蛋白與馬血紅蛋白的空間結(jié)構(gòu)In1869,MiescherisolatedDNAfromusedpatientbadgesforthefirsttimeandnameditnuclein.In1910,KosselfromGermanyisolatedtheadenine,thymineandhistidine腺嘌呤、胸腺嘧啶和組氨酸。Inlate1890,biochemistsalreadyknewthecomponentsandthestructureofRNAHowMendel’sfirstlaw(independentsegregation)explainsthe3:1ratioofdominanttorecessivephenotypesamongtheF2progenyTheinheritanceofflowercolorinthesnapdragon.HowMendel’ssecondlaw(independentassortment)operates?ThomasHunt

MorganTheinheritanceofasex-linkedgeneinDrosophila.Thegeneticmapofchromosome2ofDrosophilamelanogaster.In1931,HarrietCreighton&BarbaraMcClintockfoundtheevidenceofgenerecombinationConclusion:thegeneticmaterialofbacteriaisDNA.Bydefinition,theearlyworkongenescannotbeconsideredmolecularbiology,orevenmoleculargenetics,becauseearlygeneticistsdidnotknowthemolecularnatureofgenes.Infact,thechemicalcompositionofgeneswasnotknowuntil1944.Atthatpoint,itbecamepossibletostudygenesasmolecules,andthedisciplineofmolecularbiologywasborn.Conclusion:thegeneticmaterialofphagealsoisDNA.DiscoveryofDNADoubleHelix

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)In1950，ErwinChargaff’rule：A=T；G=CIn1952，RosalindFranklin,MauriceWilkins’X-ray pictureofB-DNAIn1953，PaulingpublishedDNAtriplehelixstructureIn1953，Watson&Crickputforwardright-handeddoublehelixmodelofDNA.TheywontheNobelPrizeinPhysiologyandMedicinein1962withWilkins.“Asaboy,Crickwor-riedthattherewouldn’tbeanythingleftforhimtodiscoverbythetimehegrewupandbecameascientist.”

E.Edelson

(FrancisCrickandJamesWatson)對(duì)DNA復(fù)制的認(rèn)識(shí)1953年，在發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)同時(shí)，Watson和Crick就提出DNA復(fù)制的可能模型，1956年，A.Kornberg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(shí)驗(yàn)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(shí)了DNA復(fù)制開始需要RNA作為引物；70年代初，獲得DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶，并對(duì)真核DNA聚合酶特性做了分析研究；

對(duì)RNA的認(rèn)識(shí)

在研究DNA復(fù)制將遺傳信息傳給子代的同時(shí)，提出了RNA在遺傳信息傳到蛋白質(zhì)過(guò)程中起著中介作用的假說(shuō)；1958年，Weiss及Hurwitz等發(fā)現(xiàn)依賴于DNA的RNA聚合酶；1961年，SydneyBrenner,FrancisJacob,MatthewMeselson發(fā)現(xiàn)了messengerRNA；1961年，Hall和Spiege-lman用RNA-DNA雜交證明mRNA與DNA序列互補(bǔ)；逐步闡明了RNA轉(zhuǎn)錄合成的機(jī)理。對(duì)蛋白質(zhì)的認(rèn)識(shí)

50年代初，Zamecnik等在形態(tài)學(xué)和分離的亞細(xì)胞組分實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)微粒體（microsome）是細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成的部位；1957年，Hoagland、Zamecnik及Stephenson等分離出tRNA并對(duì)它們?cè)诤铣傻鞍踪|(zhì)中轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的功能提出了假設(shè)；1961年，Brenner及Gross等觀察了在蛋白質(zhì)合成過(guò)程中mRNA與核糖體的結(jié)合；1965年，Holley首次測(cè)出了酵母丙氨酸t(yī)RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)；60年代，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，隨后研究表明這套遺傳密碼在生物界具有通用性，從而認(rèn)識(shí)了蛋白質(zhì)翻譯合成的基本過(guò)程。In1970，HowardTemin&DavidBaltimorediscoveredreversetranscriptase-aRNA-dependentDNApolymerasefromretrovirusparticles.

DNARNAproteinreplicationStage3:Primaryunderstandingofthenatureoflifeandmodificationoflife-deepdevelopmentstageFromlate1970sto2000s70年代后至21世紀(jì)初●DNArecombination技術(shù)的建立和發(fā)展●Genomics基因組研究的進(jìn)展●Monoclonalantibody單克隆抗體及基因工程抗體的建立和發(fā)展●Regulationofgeneexpression基因表達(dá)調(diào)控機(jī)理●Mechanismsofsignaltransduction細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)理研究成為新的前沿領(lǐng)域重組DNA技術(shù)的建立和發(fā)展

1967-1970年，R.Yuan和H.O.Smith等發(fā)現(xiàn)的限制性核酸內(nèi)切酶為基因工程提供了有力的工具；

1972年，Berg等將SV-40病毒DNA與噬菌體P22DNA在體外重組成功，轉(zhuǎn)化大腸桿菌，使本來(lái)在真核細(xì)胞中合成的蛋白質(zhì)能在細(xì)菌中合成,打破了種屬界限；1977年，Boyer等首先將人工合成的生長(zhǎng)激素釋放抑制因子14肽的基因重組入質(zhì)粒，成功地在大腸桿菌中合成得到這14肽；1978年，Itakura（板倉(cāng)）等使人生長(zhǎng)激素191肽在大腸桿菌中表達(dá)成功；1979年，美國(guó)基因技術(shù)公司用人工合成的人胰島素基因重組轉(zhuǎn)入大腸桿菌中合成人胰島素。1982年，Palmiter等將克隆的生長(zhǎng)激素基因?qū)胄∈笫芫鸭?xì)胞核內(nèi)，培育得到比原小鼠個(gè)體大幾倍的“巨鼠”，激起了人們創(chuàng)造優(yōu)良品系家畜的熱情。1994年，能比普通西紅柿保鮮時(shí)間更長(zhǎng)的轉(zhuǎn)基因西紅柿投放市場(chǎng)。1996年，轉(zhuǎn)基因玉米、轉(zhuǎn)基因大豆相繼投入商品生產(chǎn)。2004年，全球轉(zhuǎn)基因抗蟲棉播種面積占植棉總面積的80%。基因組研究的進(jìn)展

1977年，Sanger測(cè)定了ΦX174-DNA全部5375個(gè)核苷酸的序列；1978年，F(xiàn)iers等測(cè)出SV-40DNA全部5224對(duì)堿基序列；80年代，λ噬菌體DNA全部48,502堿基對(duì)的序列全部測(cè)出；一些小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因組的全序列也陸續(xù)被測(cè)定；1996年底，許多科學(xué)家共同努力測(cè)出了大腸桿菌基因組DNA的全序列長(zhǎng)4x106堿基對(duì)。1990年，人類基因組計(jì)劃（HumanGenomeProject）開始實(shí)施，這是生命科學(xué)領(lǐng)域有史以來(lái)全球性最龐大的研究計(jì)劃，目前已測(cè)定出人基因組全部DNA3x109堿基對(duì)的序列、確定人類約2.5-3萬(wàn)個(gè)基因的一級(jí)結(jié)構(gòu)，這將使人類能夠更好掌握自己的命運(yùn)。單克隆抗體及基因工程抗體的建立和發(fā)展

1975年Kohler和Milstein首次用B淋巴細(xì)胞雜交瘤技術(shù)制備出單克隆抗體以來(lái)，人們利用這一細(xì)胞工程技術(shù)研制出多種單克隆抗體，為許多疾病的診斷和治療提供了有效的手段。80年代以后隨著基因工程抗體技術(shù)而相繼出現(xiàn)的單域抗體、單鏈抗體、嵌合抗體、重構(gòu)抗體、雙功能抗體等為廣泛和有效的應(yīng)用單克隆抗體提供了廣闊的前景?；虮磉_(dá)調(diào)控機(jī)理

Jacob和Monod最早提出的操縱元學(xué)說(shuō)打開了人類認(rèn)識(shí)基因表達(dá)調(diào)控的窗口；60年代，人們主要認(rèn)識(shí)了原核生物基因表達(dá)調(diào)控的一些規(guī)律；70年代，逐漸認(rèn)識(shí)了真核基因組結(jié)構(gòu)和調(diào)控的復(fù)雜性。1977年，最先發(fā)現(xiàn)猴SV40病毒和腺病毒中編碼蛋白質(zhì)的基因序列是不連續(xù)的，這種基因內(nèi)部的間隔區(qū)（內(nèi)含子）在真核基因組中是普遍存在的，揭開了認(rèn)識(shí)真核基因組結(jié)構(gòu)和調(diào)控的序幕。1981年，Cech等發(fā)現(xiàn)四膜蟲rRNA的自我剪接，從而發(fā)現(xiàn)核酶（ribozyme）。

80-90年代，使人們逐步認(rèn)識(shí)到真核基因的順式調(diào)控元件與反式轉(zhuǎn)錄因子、核酸與蛋白質(zhì)間的分子識(shí)別與相互作用是基因表達(dá)調(diào)控根本所在。細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)理研究成為新的前沿領(lǐng)域1957年，Sutherland發(fā)現(xiàn)cAMP1965年，提出第二信使學(xué)說(shuō)，是人們認(rèn)識(shí)受體介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的第一個(gè)里程碑。1977年，Ross等用重組實(shí)驗(yàn)證實(shí)G蛋白的存在和功能，將G蛋白與腺苷環(huán)化酶的作用相聯(lián)系起來(lái)，深化了對(duì)G蛋白偶聯(lián)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的認(rèn)識(shí)。70年代中期以后，癌基因和抑癌基因的發(fā)現(xiàn)、蛋白酪氨酸激酶的發(fā)現(xiàn)及其結(jié)構(gòu)與功能的深入研究、各種受體蛋白基因的克隆和結(jié)構(gòu)功能的探索等，使近10年來(lái)細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究更有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前，對(duì)于某些細(xì)胞中的一些信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑已經(jīng)有了初步的認(rèn)識(shí)，尤其是在免疫活性細(xì)胞對(duì)抗原的識(shí)別及其活化信號(hào)的傳遞途徑方面和細(xì)胞增殖控制方面等都形成了一些基本的概念。Stage4:Post-genomeera

基因組學(xué)(genomics)

結(jié)構(gòu)基因組學(xué)(structuralgenomics)

功能基因組學(xué)(functionalgenomics)

環(huán)境基因組學(xué)(environmentalgenomics)

營(yíng)養(yǎng)基因組學(xué)(nutritionalgenomics)

藥物基因組學(xué)(druggenomics)

癌癥基因組學(xué)(cancergenomics)

毒理基因組學(xué)(toxicologicalgenomics)

轉(zhuǎn)錄組學(xué)(transcriptomics)

蛋白質(zhì)組學(xué)(proteomics)

代謝組學(xué)(metabolomics)相當(dāng)于約三十個(gè)人的基因組3RelationshipbetweenMolecular

BiologyandotherdisciplinesRelationshipbetweenmolecularbiologyandotherdisciplines分子生物學(xué)Molecularbiology生物化學(xué)Biochemistry物理學(xué)Physics微生物學(xué)Microbiology細(xì)胞學(xué)Cytology遺傳學(xué)Genetics發(fā)育生物學(xué)DevelopmentalBiologyMolecularBiologyStructuralmolecularbiologyMoleculardevelopmentalbiologyMolecularneurobiologyMolecularbreedingMoleculartumorologyMolecularcellbiologyMolecularimmunologyMolecularvirologyMolecularphysiologyMoleculararchaeologyMoleculargeneticsMolecularquantitativegeneticsMolecularecologyMolecularevolutionarybiology…………….分子生物學(xué)ispenetratingintoalmostalldisciplinesrelatedtobiologyandbecomingthecommonlanguageofmodernlifesciencesExtensionofMolecularBiology半個(gè)世紀(jì)以來(lái)分子生物學(xué)中重大突破與成就者(NobelLaureates)

NobelPrizeMilestoneinbiologyandmainconceptsJoshuaLederberg1958JoshuaLederberg(33y)PhagetransductionGeorgeBeadle&E.L.TatumOnegene--oneenzymeSeveroOchoa(54y)SpainRichphosphatebondsofATP-------EnergyArthurKornberg(41y)DNAreplicationIsolationDNApolymeraseIBrooklyn1959JamesWatson(34y)FrancisCrick(46y)MauriceWilkins(46y)DNADoubleHelixmodel1962FrancoisJacob(44y)JacquesMonod(55y)(French)Lac.OperonTheory1965ConceptofmRNA1968R.HolleyH.GobindKhorana&MarshallNirenberg

pakistanH.GobindKhorana(46y)HowtosynthesizetripletRNAMarshallNirenberg(41y)GeneticcodenRobertHolley(46y)tRNAphecloverleafstructure1969MaxDelbruck(63y)AlfredHershey(61y)PhagegroupPhageinfectioncycleDNAasgeneticmaterialM.DelbruckA.Hershey

HowardTemin

(41y)DavidBaltimore(37y)ReversetranscriptionWalterGilbert(48y)FredenickSangerMechanismofproteinsynthesisIsolationofLac.Operonrepressor1980DNAsequencing

λDNA+SV40→RecombinationDNAPaulBerg1983.BarbaraMcClintock(86y)DNAtransposableelememtKohler&Milstein→Monoclonalantibody

Altman&Cech→RibozymeRoberts&Sharp→SplittinggeneMullis&Smith→PCRtechnique&genemutationinlocus

Gilman&Rodball→G-proteinsandtheroleoftheseproteinsinsignaltransductionincells

Lewis&Nusslein-Volhard→thegeneticcontrolofearlyembryonicdevelopment

1998Furchgott,Ignarro&Muradfortheirdiscoveriesconcerningnitricoxideasasasignallingmoleculeinthecardiovascularsystem1999GunterBlobelforforthediscoverythatproteinshaveintrinsicsignalsthatgoverntheirtransportandlocalizationinthecell2000ArvidCarlsson,PaulGreegard&EricKandelfortheirdiscoveriesconcerningsignaltransductioninthenervoussystem.2001LelandHartwell,R.TimothyHunt&PaulNursefortheirdiscoveriesof"keyregulatorsofthecellcycle."2002SydneyBrenner,JohnE.Sulston&H.RobertHorvitsfortheirdiscoveriesconcerninggeneticregulationoforgandevelopmentandprogrammedcelldeath2004RichardAxel&LindaB.Buckfortheirdiscoveriesofodorantreceptorsandtheorganizationoftheolfactorysystemorganization發(fā)現(xiàn)氣味受體和嗅覺(jué)系統(tǒng)組織方式2006Andrew

Z.

Fire&Craig

Mello,RNAinterferenceRNA干擾2007MarioCapecchi,SirMartinEvansandOliverSmithies:genetargetinginmice基因打靶技術(shù)4ProspectsofMolecularBiology生物大分子的高級(jí)三維結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一生物大分子之間的互作→基因的社會(huì)學(xué)

Geneexpression,geneinteractionOrganogenesisEmbyogenesisOntogenesis結(jié)構(gòu)生物學(xué)（StructuralBiology）

分子發(fā)育生物學(xué)（MolecularDevelopmentalBiology）individualcellmolecule還原論reductionism整體論Systemtheory細(xì)胞中的定位localization細(xì)胞分化Celldifferentiation神經(jīng)基質(zhì)神經(jīng)通道信息傳遞大分子克隆一級(jí)結(jié)構(gòu)分析三維結(jié)構(gòu)重建思維感情記憶科學(xué)解釋腦科學(xué)+計(jì)算機(jī)智能革命分子細(xì)胞生物學(xué)(MolecularCellBiology)分子神經(jīng)生物學(xué)（MolecularNeurobiology）199470個(gè)Scr,PCD（生長(zhǎng)因子，細(xì)胞周期等癌癥相關(guān)基因）1986.FriendRB1第一個(gè)抑制癌基因被克隆

(TumorSuppressorgene)11個(gè)抑癌基因被證實(shí)

（P53,P21,ERBA,WT1,NF1等）

1975.BishopM.Src(Sarcoma肉瘤)癌基因的證實(shí)分子腫瘤學(xué)（Molecular