分子遗传学-第一章.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Xiaopeng Wen,Guizhou University,分 子 遗 传 学,（,Molecular Genetics,）,分子遗传学,是研究遗传信息大分子的结构与功能的科学，又称,狭义的分子生物学,。,它依据物理、化学的原理来解释遗传现象，并在分子水平研究遗传机制及遗传物质对代谢过程的调控。,数、,理、化相关学科,生物学实验技术,渗透 交叉,近代生物学,生物学,个性,共性,宏观生物学,（生态学为核心）,微观生物学,（分子生物学为核心）,细胞水平,分子水平,结构生物学，发育生物学，神经生物学等新兴学科发展,生物多样性,研究,资源保护与,利用,人类生态环境的保护,工农业生产持续发展,现代生物学的发展,还原论,20,世纪,人类对生命现象的认识,个体,染色体 基因,DNA dNt,基因的概念,基因的本质,基因的功能,逐步深刻认识,人类对生命现象的认识,还原论,20,世纪,生命科学的飞跃,了解整个生命现象的本质,仍然是零敲碎打研究策略,（,piece meal,）,人类对生命现象的认识,还原论,20,世纪,生命科学的飞跃,生物类群之间的本质差异？,生物学还原成简单的化学！,Maddox J.,(main editor of“Nature”),Is molecular biology yet a science,?,Nature 1992(335):201,现在有那么一群叫做分子生物学家的人，他们的文章无视整体的植物与动物，也很少言及生理学。对于这些人来说，实验资料大部分来自所谓凝胶,-,人类对生命现象的认识,整体论,揭示生命的奥秘,21,世纪,Genome,Transcriptome,Proteome,Gene concept,Gene structure,Gene replication,Gene expression,Gene recombination,Gene mutation,Molecular Biology of Gene,What is the gene?Basic property,Replication,Expression,Mutation,DNA Double Helix Model,1952,J.Watson and F.Crick,分子遗传学领域共同遵循,三大基本原则,Crick,：,.,我本人的思想是基于两个基本原理，我称之为序列假说,（,sequence hypothesis,）,和中心法则,（,central dogma,),sequence hypothesis,：,核酸片段的特异性完全由其碱基序列所决定，而且这种序列是某一蛋白质氨基酸序列的密码。,central dogma,：,信息一旦进入蛋白质，它就不可能再输出,构成生物大分子的单体是相同的,生物遗传信息的表达的中心法则相同,DNA,RNA,polypeptides,protein,character,高级结构,生物大分子之间的互作,个性,分子遗传学的三大原则,共同的核酸语言 共同的蛋白质语言,生物大分子单体的排列（核苷酸，氨基酸）,分子生物学研究领域的,三大主要领域,基因分子生物学,生物技术理论,与应用,分子生物学研究的三大主要领域,生物大分子的结构与功能,生物大分子之间的互作,DNAprotein,Hormonereceptor,Enzyme,substrate,基因的概念,基因的结构,基因的复制,基因的表达,基因的重组,基因的突变,基因工程,细胞工程,酶工程,发酵工程,蛋白质工程,狭义的分子生物学,分子遗传学,三大理论发现和三大技术发明,三大理论发现,：,DNA,是遗传物质；,DNA,双螺旋；中心法则。,三大技术发明,：限制性内切酶；载体；反转录酶。,1.3.,分子遗传学发展的历程,进化论,物竟天择,适者生存,从根基上动摇 了上帝创造万 物的“创世说”,1859Charles Darwin,”,物种起源”,自然选择,生存斗争,1.3.1.,“,创世说”的动摇,Biochemistry,Genetics,Cytology,Molecular,Biology,研究细胞的结构与功能的细胞学,研究基因的遗传与变异的遗传学,研究活性物质代谢规律的生物化学,1.3.2.,分子生物学的,三大支撑学科,1839-1847,Matthias Schleiden&Theodor Schwann,身世不同 志同道合,生物体由细胞组成,所有组织的最基本单元,-,形状相似，高度分化的细胞,细胞的发生与形成是生物界普遍和永久的规律,Cytology,“,进化论”“细胞学”,实验性的生命科学,观察、比较、鉴定的描述性生物学,遗传因子假说,(Hypothesis of the inherited factor,G.J.Mendel,1866.,),生物性状由遗传因子控制,亲代传给子代的是遗传因子,(,A,a,.),遗传因子在体细胞内成双,(,AA,aa,),在生殖细胞内为单（,A,a,）,杂合子体细胞内具有成双的遗传因子,(,Aa,),等位的遗传因子独立分离,非等位遗传因子间自由组合地分配到配子中,分析突变体在世代间的传递规律,研究基因的特性和染色体的定位,描述基因突变和染色体变异效应,早期的遗传学家们研究基因,Forward Genetics,在不知基因化学本质的前提下,遗传学是依靠逻辑分析,的推理性科学,Biochemistry,的双重使命：,分析细胞的组成成分（静态生化）,研究物质的代谢规律（动态生化）,组成蛋白质的,20,种基本氨基酸被揭示,蛋白质中连接氨基酸的“肽键”被证实,糖酵解途径、尿素循环、三羧酸循环的发现,“,pH”,概念，“缓冲”系统，“胶体”理论，大分子之间以氢键和离子键发生互作重要性的揭示,十九世纪末到二十世纪初,生物化学的重要发展时期,for their preparation of enzymes and virus proteins in a pure form,James Batcheller Sumner,John Howard Northrop,Wendell Meredith Stanley,Cornell University,Rockefeller Institute USA,Rockefeller Institute USA,The Nobel Prize in Chemistry 1946,for his discovery that enzymes can be crystallized,1958,J.Lederberg,(33y),Phage transduction,The Nobel Prize in Chemistry 1958,for his work on the structure of proteins,especially that of insulin,Frederick Sanger,Rich phosphate bonds,of ATP -Energy,S.Ochoa (54y),A.Kornberg(41y),Isolation of,DNA,polymerase I,The Nobel Prize 1959,1.3.3.,分子生物学史的,第一个重要发现,One gene,One enzyme,1941,年，,George Beadle,和,Edward Tatum,提出的“一个基因一个酶”的假说,（获得,1958,年,Nobel,奖）,说明了基因的生化作用本质是控制着酶的合成,G.Beadle&E.Tatum,生物化学和遗传学之间的联合迈出的第一步，也是分子生物学的第一个重要发现,1.3.4.,奥斯瓦德,埃弗里,Oswald Avery,的历史贡献,1948.retired,The Nobel committee has been criticized for not recognizing Averys achievement before his death(1877-1955),分子生物学领域里的孟德尔,1928-1944,进行,16,年的肺炎链球菌遗传转化研究,证明,DNA,是转化因子,The lifelong pity was due to.,科学家对核酸的了解还知之甚少,DNA,分子的功能也就更不为人知,蛋白质可能是遗传专一性的决定分子,DNase,失活实验中未能完全排除对蛋白酶的失活,第一个动摇了“蛋白质是基因”的理念奠定了“,DNA,是遗传物质”的理论基础,1952,年（,8,年后）,M.Delbruck,，,S.E.Luria,，,A.Hershey,对噬菌体繁殖过程开展了深入的研究,证明了,DNA,是主要的遗传物质,尽管,Avery,的实验未引起概念的革命,但他的研究工作引起了,Erwin Chargaff,的极大兴趣,为提出,DNA,双螺旋结构模型起到了非常重要的作用,D.H.L,成功的因素,人们已经认识到,DNA,可能在遗传过程中重要作用,他们的科学论文几乎与沃森和克里克的论文同时,发表，从而得到了媒体的广泛宣传,.,埃弗里是孤立的研究者，较少参加学术交流与科,学讨论，研究结果未能引起人们的注意,D.H.L.,的结果通过“噬菌体研究组”的学术关系,和网络，得到了迅速传播和广泛理解。,1.3.5.,DNA,双螺旋结构的揭示,分子生物学的重要里程碑,1951.James Watson,（,Luria,的第一个研究生,23y),丹麦 哥本哈根,Kalckar Lab.,Post-Do,访问意大利的那不勒斯动物研究所时,Kings Lab.London Univ.,Maurice Wilkins,1951 Cavendish Lab.,Cambridge,University UK,35y Francis Crick,23y James Watson,性格不同，专业互补,紧密合作，锁定目标,开创了一种研究风格,“对文章和实验进行讨论交流是重中之重，理论和讨论比实验和观察更为重要”。,“研究与讨论，分析与推论是建立在大量实验数据和科学论文的基础上的”,在确定,DNA,分子结构的研究中，没有用,DNA,分子做任何一个实验！,Kings Lab.London University UK,Rosalind Franklin,核糖与磷酸连接成的扭曲绳子，每一节上都有配对的碱基,优秀女科学家,在双螺旋结构发现几年后，因癌症而病逝，,对揭示,DNA,双螺旋结构作出过重要贡献，但却受到歧视和不公待遇,助手！待遇！,背景！交流！,Xray photograph of DNA with high quality,Rosalind Franklin,的工作,在,DNA,双螺旋结构的发现过程中，,Franklin,的研究至关重要，她首先意识到，当初沃森和克里克的,DNA“,三链”结构是错误的。,1958,，她因癌症去世，与诺贝尔奖失之交臂！虽然,Franklin,得到了一些关键的实验结果，但她并没有能、或者说没有正确地解释这些实验结果。,一个重要的现象，可能会因为处理它的学者的思维和见识，而产生不同的结果。,思 考：,1,）对,Franklin,和她在,DNA,结构的发现过程中，女性科学家的地位有些感叹！,2,）思想的价值 没有做实验的人，是否也能做出重要的发现？,3,）交流和讨论,4,）成果及时发表，不要等到完美，也不可能等到完美。,5,）尊重别人的工作，没有必要把一个发现的所有功劳都算在自己的名下。,James Watson(34y),Francis Crick(46y),Maurice Wilkins(46y),DNA Double Helix model 1953,1962,1.3.6.,遗传密码的破译,破解遗传密码,DNA,双螺旋结构揭示之后的又一研究热点,遗传学家：根据,DNA,的结构和基因在细胞中的作用进行推断。,生物化学家：建立体外蛋白质合成系统,生物化学家在破解遗传密码中所作出的贡献，成为分子生物学中最卓越的发现之一,尼伦伯格并被安排有,15,分钟的时间在分组会上报告；,尽管听他报告的人寥寥无几，但报告内容被传向克里克；,克里克意识到尼伦伯格和马太的工作可能具有重要的价值；,克里克邀请尼伦伯格到主会议厅向全体代表再作一次报告；,与会者都被他们的结果所震惊，并成为大会的学术焦点。,在文章发表之前，两人有幸参加,1961,年,8,月第五届国际生物化学大会,他们的成功不仅在于他们的努力和才智，而且也得益于机遇和对机遇的把握,Gobind Khorana,建立了合成具有特定碱基序列的,oligoNt,的有效方法,简便快速,.,促进了在随后内,5,年所有密码的破译,R.Holley H.G.Khorana M.Nirenberg,H.Gobind Khorana(46y),How to synthesize triplet RNA,Marshall Nirenberg(41y),Genetic coden,Robert Holley(46y),tRNA,phe,cloverleaf structure,1968,NP,Francois Jacob,退役军医。被,A.Lwoff,招聘,对原噬菌体在细菌染色体上的整合位点进行了非常准确的定位。,出生于一个传统的教徒家庭,在,Andre Lwoff,的带领下，开始了“微生物营养的研究,生涯,发现了细菌的“二度生长”,(diauxy),现象,Jacques Monod,1.3.7,信使,RNA,的发现,我本人的思想是基于两个基本原理,sequence hypothesis,：,核酸片段的特异性完全由其碱基序列所决定，,而且这种序列是某一蛋白质氨基酸序列的密码,central dogma,：,信息一旦进入蛋白质，它就不可能再输出,Crick,(1957,）,在英国实验生物学学会演讲,第一次论述了“中心法则”和“序列假说”,直到,1960,年：,DNA,蛋白质,RNA,之间的关系,仍未获得有力的实验证据,仍未提出明确的科学阐明,证明“遗传密码的携带者,mRNA,的存在”,关键：,1960,年,Jacob&Monod,发现了,glactosidase,是,Lac,的“诱导酶”,并获得,LacZ,C,和,LacZ,S,突变体,采用细菌的“接合式”中断杂交实验发现：,在供体菌未将核糖体转移给受体菌的前提下，一旦,LacZ,C,DNA,进入受体菌后，,glactosidase,就获得组成型表达,证明：指导,glactosidase,的合成与,rRNA,没有直接的联系,基因通过,RNA,严格地控制着蛋白质的合成,Naming as“,messenger RNA,”,Arthur Pardee,Francois Jacob,Jacques Monod,通过,(Pa-Ja-Mo),大量实验最终证明,1.3.8.,操纵子模型开辟了分子生物学研究新天地,Lac.Operon,Concept of mRNA,NP 1965,F.Jacob (44y),J.Monod (55y),A.Lwoff (63y),暗示了“三联体遗传密码”以外的“空间调控密码”的存在，为分子生物学的发展奠定了基础,1970,年,David Baltimore,分离到,Reverse,Transcriptase,8,年后，科学界才确信“中心法则”被“逆转”了,1962,年,Howard Temin,发现了,Reverse,Transcription,1975 NP,丰富和发展了“中心法则”,为遗传工程提供了最重要的工具酶,1.3.9,中心法则的发展,科学为技术的发明与提升提供理论依据,技术为科学的发现与研究提供方法手段,DNA,分子的克隆技术,基因的定点诱变技术,PCR,的,DNA,扩增技术,细胞与组织培养技术,使分子遗传学从“,观察性,”和“,验证性,”的科学，发展成“,干涉性,”和“,创造性,”的科学。,1.3.10,科学技术 互促共进,遗传工程引发了一场分子遗传学革命,不仅能将目标基因定向引入到其他物种中去，而且可以利用细菌对目的,DNA,分子进行克隆，基于“遗传重组”技术的生物学的理论不断创新，基于“遗传工程”技术的生物遗传改良成效明显。,有关基因工程技术发明获得,Nobel,奖,虽然，没有任何一项技术具有原创性，但是，利用已报道的多项技术，创造性地实现了不同,DNA,分子的体外重组。,SV40,DNA,EcoR,I,Recombination DNA,1972.PNAS,David Jackson Robert Symons Paul Berg,“,遗传工程”的奠基工作,加速分子生物学发展进程的一项“晚熟却简单”技术,“,晚熟”的技术,“,DNA,聚合酶”的酶学性质早在,1955,年就被,Kornberg,证明，分离和鉴定。而且实现这一发现所需的所有工具在,60,年代就已经存在。它应该,1960S,后的任何时候被建立起来，,Lederberg,和,Kornberg,就已讨论过用“,DNA,聚合酶获取大量,DNA,的可能性”。并且,Kornberg,利用高纯度的酶，能够使,DNA,在体外进行,20,倍的复制，然而研究中的困难使得众多的涉足者以失败而宣告止步。,经过几个月的准备后，实验立刻获得了成功。,Taq,DNA Polymerase,的成功提取，又最终导致了整个扩增反应的自动化。,“,简单”的技术,引物设计模板变性引物配对子链延伸重复往返，,Mullis,不敢相信这种过于简单的想法，别人可能早已想到！但当他广泛询问他人时，却没有任何人曾听说过任何类似的想法。也找不出这个设想不可行的任何理由，同时也遇到了礼貌但不热情的反应。,作为一项“,扩增,”,DNA,的技术，尽管它本身并未开辟分子生物学新的研究领域，但这项,简单而又晚熟,的发明，对分子生物学家研究工作的影响程度超过了其他任何技术，它的应用领域几乎超过了其他任何技术。各种以引物设计为特征的,PCR,技术应运而生，,基因定位，基因扩增，芯片制备，种质评价，病害检测，法医鉴定,等研究与应用领域迅速扩展。几年内以,PCR,为技术基础的科技论文数如同该技术本身的特征一样，以几何级数的方式增长。,1.3.11,现代分子遗传学的发展,研究对象的变换,研究策略的转变,研究内容的拓展,现代分子生物学发展史的三大转折,研究对象的变换,以果蝇，豌豆为揭示生命奥秘的材料系统感到失望,Phage group,40,年代以病毒，细菌原核生物系统为试材，顺反子理论，遗传密码，基因表达调控模型等新理论不断被发现，新概念不断被提出，生物学开始腾飞，分子生物学从此诞生,高等真核生物,高等真核生物,进化水平，细胞分化,组织特化，个体发育,重复序列，基因概念,人类健康，农业生态,已成为分子遗传学家,狂热追踪的学科前沿,1990.10.1.HGP,还原论,20,世纪,整体论,21,世纪,Genomics,（,strategy change,）,Genomics,Gene+,ome,+ics,Transcript,ome,Prote,ome,Metabol,ome,Phenotyp,ome,揭示生命现象的本质,研究内容的拓展,1940,1965,分子生物学的核心问题：,DNA,作为遗传物质的三大基本属性问题得以基本的阐明,分子生物学发展史上划了个阶段性的句号,分子生物学研究在已建立的基本理论框架中进行全方位的“解谜”,生命现象的“,分子观,”迅速向其他生物学领域渗透“,分子化,”的生物学学科逐渐形成,计算计语言,分辨，提取，分析，预测,比较 基因组学,生物大分子的结构与功能信息,生物信息学,(Bioinformatics),Epigenetic and mechanism,表观遗传学,育成“聪明鼠”,“,继多利羊成功克隆后的又一次科学奇迹”,“为了解人类脑基因活动开启了一扇天窗”,将,NR2B,基因置入老鼠胚胎,38,岁的华裔学者钱卓,分子遗传学的发展,基因的概念；,真核生物的基因调控；,遗传与发育；,遗传工程；,蛋白质遗传；,RNA,干涉；,基因组计划。,