分子生物緒論課件

《分子生物學》

課程大綱：第一章緒論第二章染色體與DNA第三章生物信息的傳遞-----從DNA到RNA

第四章生物信息的傳遞——從mRNA到蛋白質(zhì)

第五章分子生物學研究方法

第六章基因表達的調(diào)控——原核基因表達調(diào)控模式

第七章基因表達的調(diào)控——真核基因表達調(diào)控模式第八章疾病與人類健康

第九章基因組與比較基因組學

一、分子生物學的產(chǎn)生及概念二、分子生物學的發(fā)展歷程三、分子生物學實際應(yīng)用的現(xiàn)狀和展望四、基因概念的演變與發(fā)展附注：課程說明及參考書目第一章緒論一、分子生物學的概念1、歷史背景：生物學的發(fā)展經(jīng)歷了一個漫長的研究歷程

（1）

進化論的確立生命是怎樣起源的？為什么“有其父必有其子”動、植物個體是怎樣由一個受精卵發(fā)育而來的？□

19世紀初葉以前宗教或迷信－－基督教上帝

□1859CharlesDarwin（英）

《物種起源》“進化論”－－生物科學史上最偉大的創(chuàng)舉“貝格爾號”歷時五年達爾文學說（2）

細胞學說的確立□

1702Leeuwenhoek（荷蘭）

自制顯微鏡觀察到雨水中的“微生物”同時代的Hooke

用“細胞”來形容軟木的最基本單元□1847

Schleiden

和Schwann（德動、植物）建立了“細胞學說”內(nèi)容……

成為Cytology、MolecularCellBiology的基礎(chǔ)（3）

遺傳學的發(fā)展□

GregorMendel（奧）經(jīng)典遺傳學創(chuàng)始人豌豆后代的性狀有一定的分離規(guī)律獨立分離規(guī)律“遺傳因子”

（3：19：3：3：1）

1865《植物雜交實驗》1900

“遺傳學的奠基人”□基因?qū)W說的提出

（4）

生物化學的發(fā)展

從開始就執(zhí)行著雙重使命分析細胞的組成成分弄清這些物質(zhì)與細胞內(nèi)生命現(xiàn)象的聯(lián)系

19～20世紀20種氨基酸肽鍵脂類、糖類和核酸

20世紀初Morgon及其助手（美）第一次將代表某一特定性狀的基因同某一特定染色體聯(lián)系起來－－－連鎖遺傳規(guī)律種質(zhì)必須由獨立的要素組成－－－遺傳因子或基因2、分子生物學的興起1953WatsonCrickDNADoubleHelixModel解釋了基因的兩個基本屬性基因的自我復制能力基因控制形狀表達的能力從此核酸的分子生物學得到了異乎尋常的發(fā)展廣義的分子生物學：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的范疇，即從分子水平闡明生命現(xiàn)象和生物學規(guī)律及隨后Crick提出的CentralDogma中心法則狹義的分子生物學：偏重于核酸（基因）的分子生物學，主要研究基因或DNA的復制、轉(zhuǎn)錄、表達和調(diào)控等過程，當然也涉及與這些過程相關(guān)的蛋白質(zhì)和酶的結(jié)構(gòu)與功能的研究基因的分子生物學MolecularBiologyMolecularbiology

seekstoexplaintherelationships

betweenthestructureandfunctionofbiologicalmoleculesandhowtheserelationshipscontributetotheoperationandcontrolofbiochemicalprocesses.

---Turneretal.WhatisMolecularBiology?

Molecularbiology

isthestudyofgenesandtheiractivitiesatthemolecularlevel,includingtranscription,translation,DNAreplication,recombinationandtranslocation.---RobertWeaver

3、分子生物學的三大原則

*

構(gòu)成生物大分子的單體是相同的

共同的核酸語言共同的蛋白質(zhì)語言

*

生物遺傳信息表達的中心法則相同DNARNApolypeptidesproteincharacterprotein

*

生物大分子單體的排列（核苷酸、氨基酸）的不同

不同的高級結(jié)構(gòu)不同的生物大分子之間的互作不同的物種特性

4、分子生物學研究的三大領(lǐng)域

*

基因的分子生物學：基因的概念、結(jié)構(gòu)、復制、表

達、重組、交換（狹義的分子生物學）

*

結(jié)構(gòu)生物學：生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能生物大分子之間的互作DNA－蛋白質(zhì)激素和受體酶和底物

*

生物技術(shù)理論與應(yīng)用

基因工程、細胞工程、酶工程、發(fā)酵工程、蛋白質(zhì)工程二、分子生物學的發(fā)展歷程二、分子生物學的發(fā)展簡史

1、DNA的發(fā)現(xiàn)*1928Griffith（英）肺炎鏈球菌（Pneumococcus）S型R型

☆結(jié)論：抽提液中含有一種轉(zhuǎn)化因子

*

轉(zhuǎn)化因子的證實1944Avery

（美微生物學家）

從S抽提液純化轉(zhuǎn)化因子因此：Avery是首先用實驗證明基因的化學本質(zhì)就是DNA的科學家*1952

D.Hershery

和M.Chase

再次用噬菌體標記實驗證實了

DNA是遺傳物質(zhì)的本質(zhì)

2、重要機制的發(fā)現(xiàn)

*1949Chargaff

測定出不同來源的A、T、G、C

四種核酸堿基

*

1950ChargaffMarkhamA=TG=C*1953Watson＆CrickDNADoubleHelixModel

隨著DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的提出和蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的解析開始了分子生物學時代,此后對遺傳信息的載體DNA和生物功能的體現(xiàn)者蛋白質(zhì)的研究的研究也成為生命科學研究的主要內(nèi)容

3、發(fā)展歷程分子生物學中重大成就與突破者－－－NobelPrize的獲得者－－－構(gòu)成了分子生物學發(fā)展的主要內(nèi)容－－－里程碑

1910A.Kossel

（德）蛋白質(zhì)、細胞及細胞核化學的研究（首先分離到A、T和組氨酸）

1958JoshuaLederberg（美）PhagetransductionBeadle&Tatum（美）Onegene-oneenzyme紅色面包霉突變體GeorgeWellsBeadleEdwardLawrieTatum

JoshuaLederberg

1959Ochoa(美籍西班牙裔)

Kornberg（美）SeveroOchoa

ArthurKornberg

細菌的多核苷酸磷酸化酶，成功地合成了RNA，基因（DNA）→RNA→蛋白質(zhì)

實現(xiàn)了DNA分子在試管內(nèi)（細菌無細胞提取液）的復制

1962Watson（美）＆Crick（英）

Wilkins（新西蘭）

通過對DNA分子的X射線衍射研究證實了DNADoubleHelixModel

其中Crick于1954年提出了中心法則

1962Kendrew

＆Perutz（英國）JohnC.Kendrew

MaxF.Perutz

測定了肌紅蛋白及血紅蛋白的高級結(jié)構(gòu)（三級）

成為研究生物大分子結(jié)構(gòu)的先驅(qū)

1965Jacob＆Monod

（法國）FrancisJacob

JacquesMonod

提出并證實了Operon作為調(diào)節(jié)細菌細胞代謝的分子機制首次提出mRNA分子的存在此外，1953年，Zamecnik發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的合成場所是核糖體（無細胞系統(tǒng)放射性同位素標記的氨基酸）

1969Nirenberg（美）Holly＆KhoranaMarshallW.Nirenberg

Har

Gobind

Khorana

RobertW.Holley

破譯了遺傳密碼酵母PhetRNA的核苷酸序列并證明了所有tRNA三級結(jié)構(gòu)的相似性第一個合成了核酸分子，并人工復制了酵母基因

1975Temin&Baltimore(美)HowardM.Temin

DavidBaltimore發(fā)現(xiàn)了逆轉(zhuǎn)錄酶（以RNA為模板，逆轉(zhuǎn)錄生成DNARNA腫瘤病毒）FrederickSangerWalterGilbertPaulBerg

1980Sanger（英）Gilbert&Berg（英）酶法核苷酸測序的設(shè)計者測定了牛胰島素的化學結(jié)構(gòu)而獲1958年的Nobel化學獎化學測序法的設(shè)計者DNA重組，在細菌中表達胰島素DNA重組技術(shù)的元老

1984Kohler（德）Milstein（美）Jerne（丹麥）GeorgesJ.F.KohlerCesarMilsteinNielsK.Jerne

發(fā)展了單克隆抗體(MonoclonalAntibodiesMcAb)技術(shù)，完善了極微量蛋白質(zhì)的檢測技術(shù)

1988McClintock(美)可移動的遺傳因子（jumpinggeneormobileelement）BarbaraMcClintock50年代初發(fā)現(xiàn)88年獲獎

1989Altman＆Cech（美）核酶即核糖核酸質(zhì)酶（Ribozyme）的發(fā)現(xiàn)者（即某些RNA具有酶的功能）SidneyAltman

ThomasR.Cech

1989Bishop＆Varmus（美）正常細胞同樣帶有原癌基因

1993Roberts＆Sharp（美）斷裂基因（splittinggene）

Mullis（美）PCR儀的發(fā)明者

Smith

基因定點突變

1994Gilman＆Rodbell

發(fā)現(xiàn)G蛋白在細胞信號傳導中的作用

1995Lewis（美）、Nusslein－Volhard（德）、Wieschaus（美）

20世紀40～70年代先后獨立鑒定了控制果蠅（Drosophila

）體節(jié)發(fā)育基因三、分子生物學實際應(yīng)用的現(xiàn)狀和展望

※促進了以基因工程為核心的生物技術(shù)的發(fā)展，從而影響經(jīng)濟發(fā)展的諸多領(lǐng)域

1、農(nóng)業(yè)方面

生物品種的改良速度更快、目標更準確，甚至創(chuàng)造新物種轉(zhuǎn)基因動物－－－－－豬、牛、羊、魚等植物－－－－－抗蟲棉（Bt毒素蛋白基因）、耐貯藏番茄等

2、醫(yī)藥方面

利用重組DNA產(chǎn)生的工程菌來大量高效地合成人體活性多肽（疾病的診斷、預防和治療），

基因工程疫苗（細菌疫苗、病毒疫苗、寄生蟲疫苗）以及正在研制的癌癥疫苗2、醫(yī)藥

3、工業(yè)方面

*

酶制劑工業(yè)用酶的生產(chǎn)、酶的定向改造

*

環(huán)保工業(yè)上：工程菌提高降解效率

擴大可降解污染物的種類

*

化學與能源工業(yè)上：

重組DNA技術(shù)生產(chǎn)丁醇，及用基因工程技術(shù)改善微生物發(fā)酵生產(chǎn)丙酮、酒精、醋酸等的轉(zhuǎn)化效率基因工程修飾過的淀粉及重組DNA技術(shù)生產(chǎn)酒精等石油替代品*食品工業(yè)上：谷氨酸、調(diào)味劑、酒類和油類

例：不含軟脂酸的大豆色拉油生物技術(shù)必將在世界人口問題、疾病問題、人的壽命問題、營養(yǎng)保健問題、農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展問題、資源再利用問題、大氣污染問題、世界公害問題、潔凈新能源問題等各方面問題的解決中起重要作用生物大分子的高級三維結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一生物大分子之間的互作→基因的社會學

(Nature雜志94年增設(shè)Naturaldevelopingbiology分冊)基因表達，基因互作器官發(fā)生胚胎形成個體發(fā)育

結(jié)構(gòu)生物學（StructuralBiology）

分子發(fā)育生物學（MolecularDevelopingBiology）

4、分子生物學的發(fā)展導致未來生物學的新熱點及領(lǐng)域PCD（programcelldeath）細胞凋亡

個體細胞分子還原論整體論細胞中的定位細胞分化神經(jīng)基質(zhì)神經(jīng)通道信息傳遞大分子克隆一級結(jié)構(gòu)分析三維結(jié)構(gòu)重建思維感情記憶科學解釋腦科學+計算機智能革命分子細胞生物學(MolecularCellBiology)分子神經(jīng)生物學（MolecularNeurobiology）1986.Friend

RB1第一個抑制癌基因被克隆

(TumorSuppressorgene)

11個抑癌基因被證實

（P53,P21,ERBA,WT1,NF1等）

1975.BishopM.Src(Sarcoma肉瘤)癌基因的證實分子腫瘤學（MolecularTumorology）人類基因組計劃（HGP）遺傳圖物理圖序列圖表達圖基因定位基因克隆基因轉(zhuǎn)移基因的分子生物學比較基因組研究水稻等作物基因組計劃豬，牛等家畜基因組計劃

中心法則的深入研究與發(fā)展----基因組學（Genomics)人與大鼠的基因90%是相同的基因的識別與鑒定基因功能信息的提取與證實基因表達譜的繪制(microarray)基因功能的改變（基因敲出knockout）蛋白質(zhì)水平上基因互作的探測功能基因組學(FunctionalGenomicsorpost—Genomics)

蛋白質(zhì)組（proteome）一詞，源于蛋白質(zhì)（protein）與基因組（genome）兩個詞的雜合，意指“一種基因組所表達的全套蛋白質(zhì)”,即包括一種細胞乃至一種生物所表達的全部蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)組的研究不僅能為生命活動規(guī)律提供物質(zhì)基礎(chǔ)，也能為眾多種疾病機理的闡明及攻克提供理論根據(jù)和解決途徑。通過對正常個體及病理個體間的蛋白質(zhì)組比較分析，我們可以找到某些“疾病特異性的蛋白質(zhì)分子”，它們可成為新藥物設(shè)計的分子靶點，或者也會為疾病的早期診斷提供分子標志。Proteomeisthetotalnumberofproteinsproducedbyanorganism.計算計語言

分辨，提取，分析，比較，預測生物信息

生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能信息

生物信息學(Bioinformatics)※生物芯片·DNA芯片·

蛋白質(zhì)芯片四、基因概念的演變與發(fā)展1、早期的基因概念（遺傳的認識）

a、融合遺傳理論Blendinginheritance

母本體液父本體液子代具有父母雙親的性狀

b、獲得性遺傳（Iheritanceofacquiredcharacters）

?

獲得的性狀是由環(huán)境影響

?

新性狀一旦獲得，便能遺傳給后代

c、泛生論假說（HypothesisofthePangenesis）

C.Darwin

?

生物體的每一個性狀由一個泛生力（panger）控制

d、種質(zhì)論（Theroyofgermplasm）

A.Weismann

著名的老鼠尾巴試驗

種質(zhì)?

種質(zhì)?

體質(zhì)

種質(zhì)?

體質(zhì)（根、莖、葉）否定……….

e、遺傳因子假說（Hypothesisoftheinheritedfactor）

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;B.b………)

?

遺傳因子在體細胞內(nèi)成雙(AA.aa)，在生殖細胞內(nèi)為單

?

雜合子后代體細胞內(nèi)具有成雙的遺傳因子

?

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

該假說徹地否定了泛生論、獲得性遺傳理論、融合遺傳理論

f、代表遺傳性狀的符號－－基因（gene）提出

1909W.L.Johannsen（丹麥）

但并不代表物質(zhì)實體，還沒有涉及到基因的物質(zhì)概念2、經(jīng)典的基因概念（Theoryofthegene）

1926T.H.Morgan1910年始做果蠅雜交試驗，發(fā)現(xiàn)“連鎖遺傳規(guī)律”,并概括提出“基因論”

?

基因是染色體上的實體（第一次把基因和染色體聯(lián)系起來）

?

基因象鏈珠（bead）一樣，孤立地成線狀排列在染色體上

?

基因是集功能、突變、交換三位一體的最小的、不可分割的基本單位（Threeinone）3、基因概念的發(fā)展

a、順反子理論（Theoryofcistron）

1955S.Benzer

其重要的理論基礎(chǔ)：①“一個基因一個酶”假說1941Beadle&Tatum

紅色面包酶Ingram修正為“一個基因一條多肽”對經(jīng)典基因概念的第一次重要修正與發(fā)展②基因的化學本質(zhì)就是DNA分子1944Avery.O.T互補試驗Mut.T4rII:rII107,rII105,rII51,rII47……(400)

T4Phage

E.coliBE.colik12噬菌斑（Plaque）W.tT4Mut.T4rII白,小,邊緣模糊白,小,邊緣模糊大,園,邊緣清晰rII47

0

0

rII102

0

0

rII47

rII104

E.coliB

planeE.coliB

印跡轉(zhuǎn)移planeE.coliK12

Three

inone!RIIregion

RII4710410110310510651102

重組分析Howmanygenes?

0

0

rII47

rII106

0

0

rII106

rII51

互補分析

planeE.coliK12

recombination?!功能互補functioncomplementaryrII

47

rII106rII106

rII51difficult繁殖propagation重組recombinationWhy?How?Ab1

Ab2

a1BAb2相依為命！依據(jù)；Onegene

oneenzyme

Mutant

Wildtype

無能為力！不同的非等位基因

同一等位基因

功能互補效應(yīng)的測驗體系具有

不具有

突變位點處于雜合二倍體內(nèi)，野生型基因?qū)ν蛔冃偷任换?，可以發(fā)生功能的補償.產(chǎn)生功能互補效應(yīng)帶有不同突變位點的噬菌體同時感染一個E.coli，構(gòu)成雙突變雜合二倍體，組成互補測驗體系，以測定各突變位點所在基因的等位性。

rII4710410110310510651102

●●●●●●●●Agene

Bgene

T4噬菌體的rⅡ區(qū)域包括兩個基因rIIofT4phageincludingtwogenes順反子假說（Theoryofcistron）

Cistron

是基因的同義詞

Cistronisthegeneticunitdefinedbythe

cis/trans

test;equivalenttogene.在一個順反子內(nèi)，有若干個交換單位交換子（recon）基因是一個具有特定功能的，完整的，不可分割的最小的遺傳單位基因內(nèi)可以較低頻率發(fā)生基因內(nèi)的重組，交換threeinoneoneinone

pseudoalleles(假基因)是基因內(nèi)的突變體

mut1Xmut2

W.t

是基因內(nèi)發(fā)生交換的結(jié)果

cistron

概念的提出是對經(jīng)典的基因概念的動搖是對pseudo