分子生物学绪论-研究生.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,*,Welcome to,Molecular Biology!,人类对自身认识的历史,人类了解自己的历史,整体水平,细胞水平,分子水平,器官水平,重点掌握,分子生物学的基本概念和基本理论,。,重点掌握分子生物学的技术，为学位论文服务。,考核方式：考试学位课，,70,分，,考查,60,分。,平时成绩,(,考查迟到、早退，课堂提问、讨论、遵守课堂纪律等方面,),占,10%,，期末考试占,90%,。,农业与园林学院,分子生物学概论,课程要求,授课教师：,陈昌杰教授,夏俊教授,杨清玲教授,绪 论,分子生物学定义,分子生物学发展简史,分子生物学教学内容,参考书目,生物化学与分子生物学关系最为密切。两者同在我国教委和科委颁布的一个二级学科中，称为“生物化学与分子生物学”，但两者还是区别的。,1,生物化学与分子生物学关系最为密切,生物化学是从,化学,角度研究生命现象，着重研究生物体内各种生物分子的结构、转变与新陈代谢。,分子生物学着重阐明生命的,本质,-,主要研究生物大分子核酸与蛋白质的结构与功能、生命信息的传递和调控。,2,细胞生物学与分子生物学关系,也十分密切,传统的细胞生物学主要研究细胞和,亚细胞器,的形态、结构与功能。,分子生物学则是从各个生物大分子的结构入手，进一步研究各生物分子间的高层次组织和相互作用，尤其是细胞整体反应的,分子机理,。,分子生物学：从,分子,水平理解生命活动,细胞生物学：从,细胞,水平理解生命活动,遗传学：从,遗传,角度理解生命活动,生物化学：从,化学,组成,角度来理解生物大分子和生物代谢。,普通生物学（动物,&,植物）,&,微生物学：不同,生,物类型,的特点。,生物物理学：从,物理学,角度理解生物大分子结构和功能。,分子结构生物学,分子发育生物学,分子神经生物学,分子育种学,分子肿瘤学,分子细胞生物学,分子免疫学,分子病毒学,分子生理学,分子考古学,分子数量遗传学,分子生态学,分子进化学,.,分子生物学的延伸,分子生物学已经渗透到生物学的几乎,所有领域,分子生物学已经成为生命科学领域的,带头学科,二、分子生物学发展简史,3,分子生物学的,发展历程,20,世纪以核酸研究为核心，带动着分子生物学向纵深发展,DNA,双螺旋结构,50s,操纵子学说,60s,DNA,重组,70s,PCR,技术,Add Your Text,DNA,测序,80s,90s,1、孕育阶段,（18201950年代）,1865年,，,孟德尔,发表了植物杂交实验，首次阐述了生物界有规律的遗传现象。,“遗传因子”,1900年,，孟德尔遗传规律被证实，成为近代遗传学基础。,孟德尔,(,Gregor Mendel)(1822-1884):,奥地利科学家，经典遗传学的奠基人,1909,年，,约翰逊,根据希腊文“给予生命”之意,，,创造了,基因（,gene）,一词。,约翰逊,（,Wilhelm Ludwig Johannsen，18571927）,丹麦生物学家,摩尔根,(,T.H.Morgan,1866-1945),:,美国的实验胚胎学家，遗传学家,1910年,，,Morgan,的,染色体基因遗传理论,第一次将基因定位于染色体上,。进一步将“性状”与“基因”相耦联，成为现代遗传学的奠基石。,1、,Avery,的,肺炎双球菌转化实验,DNA,是遗传信息的载体；,2、,Hershey,和,Chase,的,噬菌体侵染细菌实验,DNA,是可以进入寄主细胞的转染因子。,证明,DNA,是遗传物质的两个著名实验：,1944年,，,Avery,的,肺炎双球菌转化实验,，证明基因就是,DNA,分子，提出,DNA,是遗传信息的载体,。,艾弗里,（,Oswald Theodore Avery，18771955）,1952,年,，,Hershey,和,Chase,的,噬菌体侵染细菌实验,DNA,是可以进入寄主细胞的转染因子,赫尔希,（,Alfred Day Hershey，19081997）,美国微生物学家,30%有,32,P,标记，,子代仅含不足1%的原噬菌体蛋白质,1957年,，,Heinz Fraenkel-Conrat,和,B.Singre,的,杂合病毒实验,证实,RNA,也是重要的遗传物质,烟草花叶病毒的感染和繁殖过程,2、创立阶段,（19501970年代）,1953年,，美国科学家,Watson,和英国科学家,Crick,提出,DNA Double Helix model,沃森,（,James Dewey Watson，1928）,美国生物化学家,克里克,（,Francis Harry Compton Crick，1916）,英国生物物理学家,威尔金斯,（,Maurice Wilkins，1916）,弗兰克林,（,Rosalind Franklin，19201958）,Wilkins,通过对,DNA,分子的,X,射线衍射研究,证实了前两者提出的,DNA,的模型。,1962,年,Watson、Crick,与,Wilkins,共享,诺贝尔生理医学奖,。,1958,年,Crick,提出,中心法则,1958,年，,Meselson,和,Stahl,证明,DNA,半保留复制,。,Stahl,Meselson,1959年,，美籍西班牙裔科学家,Uchoa,和美国,Kornberg,发现了,DNA,和,RNA,的生物合成机理而分享了,诺贝尔生理医学奖,。,1961年,，法国科学家,Jacob,（,雅各布）和,Monod,（,莫诺）提出,操纵子,(,operon),学说.,1965,年获得,诺贝尔生理医学奖,1968年，,Nirenberg、Holley,和,Khorana,解读了遗传密码及其在蛋白质合成方面的技能.,1968,年获得,诺贝尔生理医学奖,1970年,，,Temin,和,Baltimore,在,RNA,肿瘤病毒中发现,逆转录酶,。,3、发展阶段,（1970年代以后）,1975年，获诺贝尔生理医学奖,1977年,，,Sanger,等人发明了一种测定,DNA,分子内核苷酸序列的方法（,双脱氧链终止法,）。,桑格(,Sanger）,吉尔伯特(,Gilbert）,伯格（,Berg）,1980年，与,Gilbert,和,Berg,共享,诺贝尔化学奖,1983年,，美国遗传学家,McClintoc,发现,可移动的遗传因子,(,mobile element),。,诺贝尔生理医学奖,皇家卡罗林医学研究院,1989年,Altman、Cech,因发现,核酶,（,Ribozyme,）获,Nobel,化学奖。,1982,年，,Cech,等,四膜虫细胞大核期间,26,SrRNA,前体具有自我剪接功能,。,1984年，,Altman,等,RNaseP,核酸组分,M1RNA,有该酶的活性,，,蛋白质部分,C5,并无酶活性。,Roberts&Sharp,Splitting gene,PCR technique,&,gene mutation in locus,Mullis&Smith,Gilman&,Rodball,G-protein as a signal molecular in cell,Lewis&,Nusslein-Volhard,&,Wieschaus,Control gene of body developing in Drosophila,Nusslein-Volhard,1997,年，,普鲁西纳,发现了,朊病毒(,prion),盖达塞克,普鲁西纳,1997年，诺贝尔生理医学奖,1997,，,Wilmut,成功获得克隆羊,Dolly,诞生,2000年,，,人类基因组草图绘制,完成,美国国家人类基因组研究所所长,弗朗西斯,柯林斯,在介绍情况。,年月日,，人类基因组序列图亦称“完成图”（,99.99%,），提前绘制成功。,分子生物学教学内容,基因和基因组,原核基因表达调控,真核基因表达调控,分子生物学技术,细胞信号传导,原癌基因和抑癌基因,基因工程,必须掌握的基础理论,细胞中的遗传物质构成,DNA,的结构、复制、中心法则,1.,细胞中的遗传物质构成,原核生物,核,DNA,质粒,DNA,真核生物,核基因组,细胞质基因组,线粒体,DNA,质体,DNA,真核生物染色体结构,DNA,双螺旋,“串珠”,“螺旋管”,“袢环”,“放射环”,中期染色体,一级结构,二级结构,三级结构,“超螺旋管”,四级结构,真核生物的染色体组,2.,DNA,的结构、复制、中心法则,DNA,结构,基本构成单位是,核苷酸,核苷酸由,脱氧核糖、碱基和磷酸,构成,碱基分别是,腺嘌呤,(A),、鸟嘌呤,(G),、胸腺嘧啶,(T),和胞嘧啶,(C),两个核苷酸以,磷酸二酯键,相连,进一步盘旋、折叠，形成,三级,或四级结构,RNA,：,核糖、尿嘧啶,(U),DNA(,或,RNA),是,水溶性的,含有磷酸基因、羟基和氨基,在核酸提取中，,保留水相,核酸是,两性电离,既带正电荷，又带负电荷,等电点,(PI),为,2,2.5,在中性溶液中带负电荷,核酸,电泳时，点样时应点在负极,杂交时，最好,选择带正电荷的尼龙膜,DNA(,或,RNA),结构的启示,在,解旋酶,的作用下，打开,DNA,双链,在特定的,复制起始点,以每条,DNA,链为,模板,在,DNA,聚合酶,的催化下,以,4,种脱氧核苷酸,为前体物，合成一条互补,DNA,链,DNA,的复制,半保留半不连续复制,DNA,半 保 留 复 制,合成新链的,方向为,5-3,端,前导链,是连续的,后随链,的合成是不连续的,先合成,RNA,引物,再合成不连续的小片段,(,冈崎片段,，,100,1000,核苷酸长度,),最后在,DNA,连接酶,作用下，将小片段连接起，形成完整的,DNA,链,DNA,的半不连续复制,DNA,半 不 连 续 复 制,PCR,技术：,DNA,的体外复制,体外无解旋酶，要靠温度,(90,以上,),解开双链,以,DNA,为模板，需要引物，需,DNA,聚合酶，需要,dNTP,为前体,PCR,与体内,DNA,复制的最大差异是温度,DNA,复制的启示,中心法则理论：,遗传信息的传递是：,DNARNA,多肽,(,蛋白质,),在逆转录酶的作用下，,RNA,可形成,cDNA,，,然后再由,RNA,蛋白质,中心法则,RT,中 心 法 则,有意义链,(,sense/coding strand,),：,非模板链、信息链,反意义链,(,antisense/template strand,),：,转录模板链,以,DNA,一条链为,模板,，,RNA,聚合酶活性诱导,RNA,聚合酶识别,并结合在转录起始位点,以,ATP,、,GTP,、,CTP,和,UTP,为前体,合成,(,转录,)RNA,当遇到转录,终止信号时，转录即停止,转录,(transcription),以,DNA,分子中的一条链为模板，合成,RNA,的过程,转录的过程,间接：,剪切掉内含子,，将外显子连接,同一转录本，在不同的组织，因剪接差异可产生不同的,mRNA.,戴帽：,在,5-,端加一特殊核苷酸：,7-,甲基鸟嘌呤核苷酸,穿靴,(,多聚腺苷酸化，,3-,加尾,),：,3-,端加上一串腺苷酸,(,AMP)poly(A,),RNA,编辑,(RNA Edit),某些,mRNA,的核苷酸序列,在生成转录产物后还需,插入、删除或取代一些核苷酸残基,方能生成具有正确翻译功能的模板,遗传信息在,mRNA,水平上的改变过程，称为,RNA,编辑,转录后的加工,(,真核生物,mRNA,),只有,mRNA,才翻译成蛋白质,基因,(DNA),上三个相邻碱基组成一个密码子,在转录过程中，基因上的三联密码子转录成,mRNA,上的三联密码子,mRNA,由核内转移至细胞浆中的核糖体上，以,三联密码子指导合成蛋白质,翻译后的,蛋白质需要加工修饰,翻译（,Transtation,）,由,RNA,蛋白质的过程,中心法则的启示,遗传信息由,DNA,上的基因决定,mRNA,更能准确反映,DNA,所携带的遗传信息,RT-PCR,：以,RNA,为模板，在逆转录酶作用下形成,cDNA,反转录时,可以,mRNA3 poly(A),为模板设计引物,可以利用,poly(A),对,mRNA,进行纯化,基因的表达有组织特异性,，且受许多因素的影响，,mRNA,的表达增强、降低甚至关闭，会影响机体正常生理功能，因此，可通过,检测,mRNA,的丰度,检测基因的表达,3.,基因的结构,调节基因 结构基因,I,P,O,抑制基因,(I),：是阻遏物编码区,启动基因,(P),：,有,cAMP,受体蛋白,(CRP),和,RNA,聚合酶的结合位点,操纵基因,(O),：是阻遏物结合位点,：,-,半乳糖苷酶结构基因,：透过酶结构基因,：转乙酰酶的结构基因,乳糖操纵子：,原核生物,转录调控的典型,真核生物基因的结构,多数基因是单独调控的,DNA,结构,断裂基因（,split gene,）,编码序列称,外显子,(,exon,),，编码多肽链；非编码序列称为,内含子,(,Intron,),侧翼序列,（,Flanking sequence,）,：,第一个和最后一个外显子的外侧,不被转录,的区域；是基因的调控序列，包括启动子、增强子、终止子等,真核生物mRNA的结构,mRNA,结构,5,帽子结构,5 UTR,CDS,3 UTR,3,poly(A,),注意：,启动子启始密码子,终止子终止密码子,DNA,重组的三个工具：,内切酶,能特异地识别,DNA,的碱基序列，并在,DNA,链当中将,DNA,切开,重组载体,，质粒、噬菌体、病毒,表达载体,，细菌、细胞、组织,4.,DNA,重组,DNA,重组的一般步骤,小结,深入、清楚的理解基础理论，在以后学习才能够分析、理解、解决所遇到的问题,遗传物质,DNA,、,RNA,Is it really clear,？,基因与基因组的结构与功能,分子生物学研究内容最基础最重要的部分,20,世纪,50,年代以前：,基因的染色体遗传学,；,20,世纪,50,年代以后：,基因的分子生物学研究,；,近,20,年来，重组,DNA,技术的完善应用，从克隆目的基因出发，,直接研究基因的功能与表型的关系,，基因的研究进入,反向生物学阶段,。,1928,年,摩尔根,证实了染色体是遗传基因的载体，从而获得了生理医学诺贝尔奖。,基因表达调控的研,究,转录,水平,的调控,翻译,水平,的调控,-,真核生物尤为复杂。,上游调控序列；信号转导；,转录因子；,RNA,剪辑,DNA,重组技,术,（基因工程）,用于,大量生产,某些在正常细胞代谢中产量很低的多肽，如激素、抗体等，降低成本；,用于,定向改造,某些生物的基因组结构，使得其具备的特殊功能更符合人类生活的需要；,是分子生物学,基础研究,不可缺少的手段之一。,分子生物学技术,PCR,测序,核酸杂交,RNAi,miRNA,结构分子生物,学,概念：研究生物大分子特定的空间结构以及结构的运动变化与其生物学功能关系的科学。,结构的测定,结构运动变化规律的探索,结构与功能的相互关系,研究方向,基因诊断与基因治疗是基因工程在医学领域发展的一个重要方面。,1991,年美国向一患先天性免疫缺陷病（遗传性腺苷脱氨酶,ADA,基因缺陷）的女孩体内导入重组的,ADA,基因。,我国也在,1994,年用导入人凝血因子,IX,基因的方法成功治疗了乙型血友病的患者。在我国用作基因诊断的,试剂,盒已有近百种之多。基因诊断和基因治疗正在发展之中。,参 考 书 目,Lewin,B,Oxford University Press,一些网站和论坛,中国期刊全文数据库,维普中文科技期刊,爱思维尔(,Elsevier Science),www.ncbi.nlm.nih.gov,丁香园论坛(,基因的社会学,基因,表达，基因互作,器官发生,胚胎形成,个体发育,结构生物学（,Structural Biology,）,分子发育生物学（,Molecular Developing Biology,）,4,分子生物学的发展导致未来生物学的新热点及领域,个体,细胞,分子,还原论,整体论,细胞中的定位,细胞分化,神经基质,神经通道,信息传递,大分子克隆,一级结构分析,三维结构重建,思维,感情,记忆,科学解释,分子细胞生物学,(Molecular Cell Biology),分子神经生物学（,Molecular Neurobiology,）,1986.,Friend,RB1,第一个抑制癌基因被克隆,(Tumor Suppressor gene),11,个抑癌基因被证实,（,P53,P21,ERBA,WT1,NF1,等）,1975.,Bishop M,.,Src(Sarcoma,肉瘤,),癌基因的证实,分子肿瘤学（,Molecular Tumorology,）,人类基因组计划（,HGP,）,遗传图,物理图,序列图,表达图,基因定位,基因克隆,基因转移,基因的分子生物学,比较基因组研究,水稻等作物基因组计划,猪，牛等家畜基因组计划,中心法则的深入研究与发展,-,基因组学,（,Genomics),功能基因组学,(Functional Genomics or postGenomics),研究内容包括基因功能发现、基因表达分析及突变检测。,大规模水平上研究蛋白质的特征，包括蛋白质的表达水平，翻译后的修饰，蛋白与蛋白相互等，由此获得蛋白质水平上的关于疾病发生，细胞代谢等过程的整体而全面的认识。,蛋白质组学（,Proteome,）,分子生物学的,发展趋势,I,功能基因组学,functional genomics,II,蛋白质组学,proteomics,III,生物信息学,bioinformatics,发 展 趋 势,概念：利用结构基因组学提供的信息，以,大规模,实验方法及统计与计算机分析，,全面系统地,分析,全部基因,功能的学科。,分子生物学的,发展趋势,功能基因组学,functional genomics,思考：一个或少数几个基因功能分析方法？,分子生物学的,发展趋势,批量的,(,高通量,),的基因表达分析：,3,同源性分析,(,homology searching,),1 DNA,芯片,(,DNA chips,),2,基因表达系统分析,(,serial analysis of gene expression,SAGE,),功能基因组学,functional genomics,概念：研究某一基因组在某一特定细胞、特定时间内所表达的全部蛋白质的集合体，以及所有蛋白质修饰后的各种形态。,1,对蛋白质组的分离：双向电泳,2,对蛋白质组的鉴定：氨基酸组成分析、质谱技术等,分子生物学的,发展趋势,蛋白质组学,proteomics,蛋白质组学分析研究技术：,20,世纪,80,年代 新兴交叉学科,生物学,计算机科学,数学,信息科学等,概念：它包含了生物信息的获取、处理、存储、分发、分析和解释等在内的所有方面，它综合运用数学、计算机科学和生物学的各种工具，来阐明和理解大量数据所包含的生物学意义。,分子生物学的,发展趋势,生物信息学,bioinformatics,基因组相关信息的收集、储存、管理与检索（数据库的建立与管理,）,序列比对及,新基因的发现、鉴定（相似性及同源性分析）,计算机辅助基因识别（基因预测或基因注释）,分子进化和比较基因组学,非编码区分析和,DNA,语言研究,蛋白质结构预测,基于结构的药物设计,其他,分子生物学的,发展趋势,生物信息学,bioinformatics,研究内容,生物信息数据库种类繁多。,4,个大类：,基因组数据库,核酸和蛋白质一级结构序列数据库,生物大分子,(,主要是蛋白质,),三维空间结构数据库,以上述,3,类数据库和文献资料为基础构建的,二次数据库,分子生物学的,发展趋势,生物信息学,bioinformatics,更加深刻,更为明确,阐明生物大系统,生长发育,遗传变异,繁殖死亡,生命本质,更加主动,更为有效,利用生物技术,改造生物,创造生物,新兴产业,推动工，农，医 的 发 展,学习分子生物学的意义,“烤”试,If you have any questions,dont hesitate to contact me:,E-mail:,tochenchangjie,Office：,F,座,四楼,The end!,