分子生物學(xué)導(dǎo)論課件

分子生物學(xué)分子生物學(xué)1課程內(nèi)容細(xì)胞與大分子蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)核酸的性質(zhì)原核與真核生物的染色體結(jié)構(gòu)DNA復(fù)制DNA損傷、修復(fù)與重組基因操作課程內(nèi)容細(xì)胞與大分子2克隆載體基因文庫(kù)與篩選克隆DNA的分析與應(yīng)用原核生物的轉(zhuǎn)錄原核生物的轉(zhuǎn)錄調(diào)控真核生物的轉(zhuǎn)錄真核生物的轉(zhuǎn)錄調(diào)控克隆載體3RNA加工與核糖核蛋白復(fù)合體遺傳密碼與tRNA蛋白質(zhì)合成噬菌體與真核生物病毒腫瘤病毒與癌基因RNA加工與核糖核蛋白復(fù)合體4第一章

緒論第一節(jié)分子生物學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)（一）創(chuàng)世說(shuō)和進(jìn)化論三個(gè)與生命現(xiàn)象相關(guān)的基本問(wèn)題生命是怎樣起源的？為什么“有其父必有其子”？動(dòng)、植物個(gè)體是怎樣從一個(gè)受精卵發(fā)育而來(lái)的？創(chuàng)世說(shuō)上帝創(chuàng)造了世間萬(wàn)物，包括人類(lèi)。第一章緒論第一節(jié)分子生物學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)5什么是生命？生命如何定義？從生物學(xué)角度的定義從物理學(xué)角度的定義從生物物理學(xué)角度的定義“生命”的完整的、系統(tǒng)的定義什么是生命？生命如何定義？從生物學(xué)角度的定義6從生物學(xué)角度

“生命”被定義為：由核酸和蛋白質(zhì)等物質(zhì)組成的多分子體系，它具有不斷自我更新、繁殖后代以及對(duì)外界產(chǎn)生反應(yīng)的能力。從生物學(xué)角度7從物理學(xué)角度的定義:“生命”=“負(fù)熵”

熱力學(xué)第二定律指出，任何自發(fā)過(guò)程總是朝著使體系越來(lái)越混亂、越來(lái)越無(wú)序的方向，即朝著熵增加的方向變化。

生命的演化過(guò)程總是朝著熵減少的方向進(jìn)行，一旦負(fù)熵的增加趨近于零，生命將趨向終結(jié)，走向死亡。從物理學(xué)角度的定義:“生命”=“負(fù)熵”8從生物物理學(xué)角度的定義

生命有三要素：物質(zhì)、能量、信息

在生物體的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，貫穿了物質(zhì)、能量、信息三者的變化、協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。從生物物理學(xué)角度的定義

生命有三要素：物質(zhì)、能量、信息9其他說(shuō)法生理學(xué)的定義：生命體是具有進(jìn)食、代謝、排泄、呼吸、運(yùn)動(dòng)、生長(zhǎng)、生殖和反應(yīng)性功能的系統(tǒng)；新陳代謝的定義：生命系統(tǒng)具有界面，與外界經(jīng)常交換物質(zhì)、但不改變自其身性質(zhì)；生物化學(xué)的定義：生命系統(tǒng)包含著儲(chǔ)藏遺傳信息的核酸和調(diào)節(jié)代謝的酶蛋白；遺傳學(xué)的定義：生命系統(tǒng)是通過(guò)基因復(fù)制、突變和自然選擇而進(jìn)化的系統(tǒng)；熱力學(xué)的定義：生命系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)，它通過(guò)能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)而不斷增加內(nèi)部秩序。其他說(shuō)法生理學(xué)的定義：生命體是具有進(jìn)食、代謝、排泄、呼吸、運(yùn)10（二）達(dá)爾文學(xué)說(shuō)1859年達(dá)爾文發(fā)表了著名的《物種起源》一書(shū)，提出了進(jìn)化論學(xué)說(shuō)。其進(jìn)化論思想的精髓可概括為“物競(jìng)天擇，適者生存”幾個(gè)字。他認(rèn)為世界上的一切生物都是可變的，物種的變異是由于大自然的環(huán)境和生物群體的生存競(jìng)爭(zhēng)造成的。（二）達(dá)爾文學(xué)說(shuō)11（三）細(xì)胞學(xué)說(shuō)的建立十七世紀(jì)末十八世紀(jì)初，荷蘭的Leeuwenhoek制作了世界上第一臺(tái)顯微鏡，并觀察了諸多生物樣本。大約與其同時(shí)代的Hooke第一個(gè)提出“細(xì)胞”一詞。（三）細(xì)胞學(xué)說(shuō)的建立十七世紀(jì)末十八世紀(jì)初，荷蘭的Leeuwe12十九世紀(jì)，德國(guó)植物學(xué)家Schleiden和動(dòng)物學(xué)家Schwann建立了細(xì)胞學(xué)說(shuō)。他們認(rèn)為：所有組織的最基本單元是形狀非常相似而又高度分化的細(xì)胞。細(xì)胞的發(fā)生和形成是生物界普遍和永久的規(guī)律。十九世紀(jì)，德國(guó)植物學(xué)家Schleiden和動(dòng)物學(xué)家Schwa13（四）經(jīng)典的生物化學(xué)和遺傳學(xué)進(jìn)化論和細(xì)胞學(xué)說(shuō)的結(jié)合，產(chǎn)生了現(xiàn)代生物學(xué)。而以研究動(dòng)、植物遺傳變異規(guī)律為目標(biāo)的遺傳學(xué)和以分離純化、鑒定細(xì)胞內(nèi)含物質(zhì)為目標(biāo)的生物化學(xué)則是這一學(xué)科的兩大支柱。（四）經(jīng)典的生物化學(xué)和遺傳學(xué)14經(jīng)典的生物化學(xué)的成就十九世紀(jì)，人們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)。到二十世紀(jì)初，組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸被相繼發(fā)現(xiàn)。Fisher還論證了連接相鄰氨基酸的“肽鍵”的形成。細(xì)胞的其他成分，如脂類(lèi)、糖類(lèi)和核酸也相繼被認(rèn)識(shí)和部分純化。經(jīng)典的生物化學(xué)的成就151869年，Misescher首次從萊茵河鮭魚(yú)精子中分離到DNA。1910年，德國(guó)科學(xué)家Kossel首先分離得到了腺嘌呤、胸腺嘧啶和組氨酸。1869年，Misescher首次從萊茵河鮭魚(yú)精子中分離到D16經(jīng)典遺傳學(xué)的建立和發(fā)展1865年，奧地利科學(xué)家孟德?tīng)枺℅regorMendel）發(fā)表了《植物雜交試驗(yàn)》一書(shū)，提出了遺傳學(xué)的兩條基本規(guī)律：統(tǒng)一律和分離律。他認(rèn)為：生物的每一種性狀都是由遺傳因子控制的，這些因子可以從親代到子代，代代相傳。經(jīng)典遺傳學(xué)的建立和發(fā)展171909年，丹麥遺傳學(xué)家W.Johannsen首先使用“基因”一詞。1909年，丹麥遺傳學(xué)家W.Johannsen首先使用“基18二十世紀(jì)初，美國(guó)遺傳學(xué)家Morgan提出了基因?qū)W說(shuō)。他指出：種質(zhì)必須由獨(dú)立的要素組成，我們把這些要素稱(chēng)為遺傳因子，或者簡(jiǎn)單地稱(chēng)為基因。二十世紀(jì)初，美國(guó)遺傳學(xué)家Morgan提出了基因?qū)W說(shuō)。他指出：19Morgan及其助手發(fā)現(xiàn)了連鎖遺傳規(guī)律，并且第一次將代表某一性狀的基因，同某一特定的染色體聯(lián)系起來(lái)。Morgan及其助手發(fā)現(xiàn)了連鎖遺傳規(guī)律，并且第一次將代表某一20第二節(jié)分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史

分子生物學(xué)的定義：

是研究核酸、蛋白質(zhì)等所有生物大分子的形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征及其重要性、規(guī)律性和相互關(guān)系的科學(xué)。第二節(jié)分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史分子生物學(xué)的定義：211928年英國(guó)科學(xué)家Griffith等人發(fā)現(xiàn)肺炎鏈球菌可以引起肺炎，導(dǎo)致小鼠死亡。1944年美國(guó)微生物學(xué)家Avery通過(guò)肺炎鏈球菌對(duì)小鼠的感染實(shí)驗(yàn)，證明DNA是遺傳信息的載體。1928年英國(guó)科學(xué)家Griffith等人發(fā)現(xiàn)肺炎鏈球菌可以引221953年Watson和Crick提出DNA右手雙螺旋模型，于1962年和Wilkins共享諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。同年，Sanger首次闡明了胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)，開(kāi)創(chuàng)了蛋白質(zhì)序列分析的先河，他于1958年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1953年Watson和Crick提出DNA右手雙螺旋模型，231954年Crick提出遺傳信息傳遞的中心法則。1958年，Meselson和Stahl提出了DNA的半保留復(fù)制。1954年Crick提出遺傳信息傳遞的中心法則。241961年，法國(guó)科學(xué)家Jacob和Monod提出了調(diào)節(jié)基因表達(dá)的操縱元（operon）模型，1965年獲得諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。他們還首次提出了信使核糖酸（mRNA）的存在及作用。同年，Nirenberg等人應(yīng)用合成的mRNA分子[poly(U)]破譯出第一批遺傳密碼。1961年，法國(guó)科學(xué)家Jacob和Monod提出了調(diào)節(jié)基因表251966年，美國(guó)科學(xué)家Nirenberg等人破譯了全部的DNA遺傳密碼，1969年與Holley和Khorana分享了諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1967年發(fā)現(xiàn)了可將DNA連接起來(lái)的DNA連接酶。1966年，美國(guó)科學(xué)家Nirenberg等人破譯了全部的DN261970年Smith、Qilcox及Kelley分離到第一種可以在DNA特定位點(diǎn)將DNA分子切開(kāi)的限制性核酸內(nèi)切酶。同年，美國(guó)的Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)RNA腫瘤病毒中存在逆轉(zhuǎn)錄酶，他們于1975年共享諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)。1970年Smith、Qilcox及Kelley分離到第一種271972年，Berg、Boyer等人第一次成功地完成了DNA重組實(shí)驗(yàn)。1974年，首次實(shí)現(xiàn)了異源真核生物的基因在大腸桿菌中的表達(dá)。1972年，Berg、Boyer等人第一次成功地完成了DNA281975~1977年，美國(guó)人Sanger和Gilbert發(fā)明了快速DNA序列測(cè)定技術(shù)，并于1977年完成了噬菌體ΦX174基因組（5386bp）的序列測(cè)定。1980年Sanger和Gilbert與Berg分享了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1975~1977年，美國(guó)人Sanger和Gilbert發(fā)明291982年P(guān)rusiner提出“感染性蛋白質(zhì)顆?！钡拇嬖?；次年將這種蛋白顆粒命名為朊病毒蛋白（prionprotein,PrP）。1997年，Prusiner因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)朊病毒而獲得諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1982年P(guān)rusiner提出“感染性蛋白質(zhì)顆?！钡拇嬖?；次301984年，德國(guó)人Kohler、美國(guó)人Milstein和丹麥科學(xué)家Jern由于發(fā)展了單克隆抗體技術(shù)而分享了諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1984年，德國(guó)人Kohler、美國(guó)人Milstein和丹麥311986年，Mullis發(fā)明了PCR技術(shù)。1993年Mullis與第一個(gè)設(shè)計(jì)定點(diǎn)突變的Smith共享了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1986年，Mullis發(fā)明了PCR技術(shù)。1993年Mull321988年Waston出任“人類(lèi)基因組計(jì)劃”首席科學(xué)家，舉世矚目的人類(lèi)基因組測(cè)序工作開(kāi)始啟動(dòng)。1988年Waston出任“人類(lèi)基因組計(jì)劃”首席科學(xué)家，舉世331993年，美國(guó)科學(xué)家Roberts和Sharp由于在不連續(xù)基因方面的工作而獲得諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1993年，美國(guó)科學(xué)家Roberts和Sharp由于在不連續(xù)341996年，酵母基因組DNA的全部序列測(cè)定工作完成。2000年6月26日，人類(lèi)基因組工作框架圖繪制完成1996年，酵母基因組DNA的全部序列測(cè)定工作完成。35第三節(jié)分子生物學(xué)的研究?jī)?nèi)容DNA重組技術(shù)（基因工程）（一）DNA重組技術(shù)的含義：

指在體外將核酸分子插入病毒、質(zhì)?；蚱渌d體分子，構(gòu)成遺傳物質(zhì)的新組合，并將之導(dǎo)入到原先沒(méi)有這類(lèi)分子的寄主細(xì)胞內(nèi)，從而使接受者產(chǎn)生新的遺傳性狀的技術(shù)。第三節(jié)分子生物學(xué)的研究?jī)?nèi)容DNA重組技術(shù)（基因工程）36（二）DNA重組技術(shù)的建立關(guān)鍵技術(shù)：限制性內(nèi)切酶、DNA連接酶及其他工具酶的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。（二）DNA重組技術(shù)的建立37（三）DNA重組技術(shù)的應(yīng)用可用于大量生產(chǎn)某些在正常細(xì)胞代謝中產(chǎn)量很低的多肽；可用于定向改造某些生物基因組結(jié)構(gòu)可用于基礎(chǔ)研究（三）DNA重組技術(shù)的應(yīng)用38基因表達(dá)調(diào)控研究

生物個(gè)體在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，基因表達(dá)是按一定的時(shí)序發(fā)生變化（時(shí)序調(diào)節(jié)），并隨著內(nèi)外環(huán)境的變化而不斷加以修正（環(huán)境調(diào)控）的?；虮磉_(dá)調(diào)控研究的主要方面有：基因表達(dá)調(diào)控研究39（一）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)（singnaltransduction)

信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)：指外部信號(hào)通過(guò)細(xì)胞膜上的受體傳到細(xì)胞內(nèi)部，并激發(fā)諸如離子通透性、細(xì)胞形狀或其他細(xì)胞功能方面的應(yīng)答過(guò)程。（一）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)（singnaltransduction)40（二）轉(zhuǎn)錄因子研究轉(zhuǎn)錄因子：是指一群能與基因5’端上游特定序列專(zhuān)一結(jié)合，從而保證目的基因以特定的強(qiáng)度在特定的時(shí)間與空間表達(dá)的蛋白質(zhì)分子。（三）RNA剪接研究（二）轉(zhuǎn)錄因子研究41生物大分子結(jié)構(gòu)功能研究（又稱(chēng)結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)）（一）概念：是研究生物大分子特定的空間結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)變化與其生物學(xué)功能關(guān)系的科學(xué)。生物大分子結(jié)構(gòu)功能研究（又稱(chēng)結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)）42（二）結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)的研究方向：結(jié)構(gòu)測(cè)定；結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律；結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的建立。（二）結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)的研究方向：43（三）結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)的研究手段物理和化學(xué)手段：Ｘ射線衍射的晶體學(xué)（蛋白質(zhì)晶體學(xué)）；二維和多維核磁共振；電鏡三維重組、電子衍射、中子衍射和各種頻譜學(xué)方法；化學(xué)合成；分子生物學(xué)手段（三）結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)的研究手段44人類(lèi)基因組計(jì)劃簡(jiǎn)介

HumanGenomeProject，HGP問(wèn)題的提出70年代對(duì)人類(lèi)基因組的研究已具有一定的雛形；1986年著名遺傳學(xué)家MckusickV提出從整個(gè)基因組的層次研究遺傳學(xué)的科學(xué)稱(chēng)“基因組學(xué)”；人類(lèi)基因組計(jì)劃簡(jiǎn)介

HumanGenomeProjec45同年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者DulbeccoR在Science雜志上發(fā)表了題為“癌癥研究的轉(zhuǎn)折點(diǎn)——人類(lèi)基因組的全序列分析”，得到了世界范圍的響應(yīng)；1986年美國(guó)能源部宣布實(shí)施這一草案；同年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者DulbeccoR在Science雜志461987年美國(guó)能源部（DOE）和國(guó)家健康研究院（NIH）為HGP下拔了經(jīng)費(fèi)1.66億美元，開(kāi)始籌建HGP實(shí)驗(yàn)室；1987年美國(guó)能源部（DOE）和國(guó)家健康研究院（NIH）為H471988美國(guó)成立了“國(guó)家人類(lèi)基因組研究中心”由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者WatsonJ出任第一任主任。1988美國(guó)成立了“國(guó)家人類(lèi)基因組研究中心”由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者48世界的行動(dòng)1987年，意大利的國(guó)家研究委員會(huì)（NRC）組織了15個(gè)（后來(lái)發(fā)展到30個(gè)）實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)始HGP的研究；1989年2月，英國(guó)的HGP開(kāi)始啟動(dòng);世界的行動(dòng)491990年6月，法國(guó)的國(guó)家HGP開(kāi)始啟動(dòng)；同月，歐共體通過(guò)了“歐洲HGP研究計(jì)劃”，主要資助23個(gè)實(shí)驗(yàn)室；1990年10月1日美國(guó)國(guó)會(huì)正式批準(zhǔn)美國(guó)的“HGP”啟動(dòng)，計(jì)劃在15年內(nèi)投入至少30億美元進(jìn)行人類(lèi)全基因組的分析；1990年6月，法國(guó)的國(guó)家HGP開(kāi)始啟動(dòng)；501994年初，在吳旻、強(qiáng)伯勤、陳竺院士和楊煥明教授的倡導(dǎo)下，中國(guó)的HGP開(kāi)始啟動(dòng)；1998國(guó)家科技部在上海成立了中國(guó)南方基因中心，由陳竺院士掛帥；1998年~1999年成立了中國(guó)科學(xué)院北京人類(lèi)基因組中心和北方人類(lèi)基因組中心，由中科院遺傳所的楊煥明教授，強(qiáng)伯勤院士等人牽頭；1994年初，在吳旻、強(qiáng)伯勤、陳竺院士和楊煥明教授的倡導(dǎo)下，511995年6月，德國(guó)正式開(kāi)始HGP。1995年6月，德國(guó)正式開(kāi)始HGP。52任務(wù)與進(jìn)展遺傳圖譜（geneticmap)：定義又稱(chēng)連鎖圖譜（linkagemap)或遺傳連鎖圖譜（geneticlinkagemap)，是指人類(lèi)基因組內(nèi)基因以及專(zhuān)一的多態(tài)性DNA標(biāo)記(marker)相對(duì)位置的圖譜，其研究經(jīng)歷了從經(jīng)典的遺傳圖譜到現(xiàn)代遺傳圖譜的過(guò)程。任務(wù)與進(jìn)展53經(jīng)典的遺傳圖譜（以基因表型為標(biāo)記）現(xiàn)代遺傳圖譜（以DNA為標(biāo)記）第一代多態(tài)性標(biāo)記：限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性（restrictionfragmentlengthpolymorphism,RFLP)，位點(diǎn)數(shù)目可達(dá)105以上。經(jīng)典的遺傳圖譜（以基因表型為標(biāo)記）54第二代多態(tài)性標(biāo)記：小衛(wèi)星/可變數(shù)量串聯(lián)重復(fù)（minisatellite/variablenumbertandemrepeat,VNTR)及微衛(wèi)星/簡(jiǎn)短串聯(lián)重復(fù)（microsatellite/simpletandemrepeat,STR)。個(gè)數(shù)在6000個(gè)以上。其中STR具高度多態(tài)性，有的可形成幾十種等位片段，是目前在基因定位的研究中應(yīng)用最多的標(biāo)記系統(tǒng)。第二代多態(tài)性標(biāo)記：小衛(wèi)星/可變數(shù)量串聯(lián)重復(fù)（minisate55第三代多態(tài)性標(biāo)記：?jiǎn)魏塑账岫鄳B(tài)性（singlenucleotidepolymorphism,SNP)。這種標(biāo)記在人類(lèi)基因組中多達(dá)300萬(wàn)個(gè)。第三代多態(tài)性標(biāo)記：?jiǎn)魏塑账岫鄳B(tài)性（singlenucleo56構(gòu)建遺傳圖譜的基本原理：真核生物在減數(shù)分裂過(guò)程中染色體進(jìn)行重組和交換，染色體上任意兩點(diǎn)之間發(fā)生重組和交換的概率隨著兩點(diǎn)之間相對(duì)距離的遠(yuǎn)近而發(fā)生變化。構(gòu)建遺傳圖譜的基本原理：57構(gòu)建遺傳圖譜的意義：