第1章分子生物学.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,分 子 生 物 学,(Molecular Biology),上海大学生命学院 宋红生,E621 66134332,hssong,第,1,章,绪 论,1,、分子生物学的概念,分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子的结构与功能，并从分子水平上阐述蛋白质与核酸、蛋白质与蛋白质之间相互作用的关系及其基因表达机理的学科。,广义的概念,：分子生物学包括对蛋白质和核酸等生物大分子的结构与功能的研究，以及从分子水平上阐明生命的现象和生物学规律,狭义的概念,：研究基因或,DNA,结构与功能、复制、转录表达和调节控制等过程（即偏重于基因的范畴）,2.,分子生物学的研究内容,2.1,、基因与基因组的结构与功能,基因：是合成一种功能蛋白或,RNA,分子所必须的全部,DNA,序列，即,DNA,分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。,基因组：指特定生物体的整套（单倍体）遗传物质的总合,功能基因组：由表达基因构成的基因组,基因组结构：不同功能区域在整个,DNA,分子中的分布情况,基因的研究一直是影响整个分子生物学发展的主线,2.2,、,DNA,的复制、转录和翻译,DNA,或基因怎样在各组相关的酶与蛋白因子的作用下，按照中心法则的规定进行自我复制、转录和反转录以及翻译,对,mRNA,分子剪接、加工、编辑以及对新生多肽链折叠成为有功能的结构的研究,复制,（,replication,）：,以原来的,DNA,分子为模板合成,出相同分子的过程。,转录（,transcription,）,与反转录,（,reverse-transcription),：,在,DNA,分子上，合成出与其核苷酸顺序相对应,RNA,过程，或在,RNA,分子上，合成出与其核苷酸顺序相,对应的,DNA,过程,翻译（,translation,）：在,RNA,控制下，根据核苷酸链上,每三个核苷酸决定氨基酸的三联体密码规则，合成出,具有特定氨基酸顺序的蛋白质肽链的过程。,中,心,法,则,2.3,、基因表达调控的研究,基因表达的实质是遗传信息的转录和翻译,在生物个体的生长、发育和繁殖过程中，遗传信息的表达按照一定的时序发生变化,(,时序调节的表达,),，并且随着内外环境的变化而不断地加以修正,(,环境调控表达,),。,2.4,、,DNA,重组技术,作为分子生物学研究的内容之一，它的主要目的是：,用于大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低的多肽,用于定向改造某些生物的基因组结构，使它们所具备的特殊功能更符合人类生存和生活的需要，能成百上千倍地提高其经济价值。,DNA,重组技术还被用来进行基础研究。分子生物学研究的核心是遗传信息的结构、传递和控制，在这个,过程中,DNA,重组技术是不可缺少的手段之一。,2.5,、,结构分子生物学,结构分子生物学是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，是生命科学发展的基础学科,包括结构的测定、结构运动变化规律的探索和结构与功能相互关系三个方向的研究,3,、分子生物学发展简史,从,1847,年,Schleiden,和,Schwann,提出“细胞学说”，证明动、植物都是由细胞组成的到今天，虽然不过短短一百多年时间我们对生物大分子,-,细胞的化学组成却有了深刻的认识,孟德尔的遗传学规律最先使人们对性状遗传产生了理性认识,Morgan,的基因学说则进一步将“性状”与“基因”相耦联，成为分子遗传学的奠基石,Watson,和,Crick,所提出的脱氧核糖酸双螺旋模型，为充分揭示遗传信息的传递规律铺平了道路,是生命科学及分子生物学发展的里程碑,3.1.,人类对,DNA,和遗传信息传递的认识阶段,1944,年：,Avery,提供了在细菌的转化中，携带遗传信息的是,DNA,，而不是蛋白质的证据。实验证明，使无毒的,R,型肺炎双球菌转变成致病的,S,型，,DNA,是转化的基本要素。,8,年后，,1952,年，,Hershey,和,Chase,又用同位素示踪技术证明,T2,噬菌体感染大肠杆菌，主要是核酸进入细菌内，而病毒外壳蛋白留在细胞外。烟草花叶病毒的重建实验证明，病毒蛋白质的特性由,RNA,决定，即遗传物质是核酸而不是蛋白质。至此，,DNA,作为遗传物质才被普遍地接受。,1950,年：,Chargaff,以不同来源,DNA,碱基组成的精确数据推翻了四核苷酸论，提出了,Chargaff,规则，即,DNA,的碱基组成有一个共同的规律，胸腺嘧啶的摩尔含量总是等于腺嘌呤的摩尔含量，胞嘧啶的摩尔含量总是等于鸟嘌呤的摩尔含量，即,A,T,和,G,C,。,1951,年：,Pauling,和,Corey,应用,X-,射线衍射晶体学理论研究了氨基酸和多肽的精细空间结构，提出了两种有周期规律性的多肽结构学说，即,alpha,螺旋和,B-,折叠理论。,1953,年：,这是开创生命科学新时代的第一年,，具有里程碑意义的是,Watson,和,Crick,发表了“脱氧核糖核酸的结构”的著名论文，他们在,Franklin,和,Wilkins X-,射线衍射研究结果的基础上，推导出,DNA,双螺旋结构模式，开创了生物科学的新纪元。,同年，,Sanger,历经,8,年的研究，完成了第一个蛋白质一胰岛素的氨基酸全序列分析。,1954,年,Gamnow,从理论上研究了遗传密码的编码规律；,1956,年,Volkin,和,Astrachan,发现了,mRNA(,当时尚未用此名,),；,1958,年，,Hoagland,等发现了,tRNA,在蛋白质合成中的作用；,Meselson,和,Stahl,应用同位素和超离心法证明,DNA,的半保留复制；,Crick,提出遗传信息传递的中心法则。,1960,年：,Marmur,和,Dory,发现了,DNA,的复性作用，确定了核酸杂交反应的专一性和可靠性；,Rich,证明,DNA-RNA,杂交分子与核酸间的信息传递有关，开创了核酸实际应用的先河。与此同时，在蛋白质结构研究方面，,Kendrew,等得到了肌红蛋白,0.2nm,分辨率的结构，,Perutz,等得到了血红蛋白,0.55nm,分辨率的结构。,1961,年：,这是分子生物学发展不平凡的一年,。,Jacob,和,Monod,提出操纵子学说，发表了蛋白质合成中遗传调节机理的论文，此论文被誉为是分子生物学中文笔优美的经典论文之一。同年，,Brenner,等获得,mRNA,的证据；,Hall,和,Spiegelman,证明,T2 DNA,和,T2,专一性,RNA,的序列互补；,Crick,等证明了遗传密码的通用性。,1962,年：,Arber,提出第一个证据，证明限制性核酸内切酶的存在，导致以后对该类酶的纯化，并由,Nathans,和,Smith,应用于,DNA,图谱和序列分析。,1965,年：,Holley,等采用重叠法首先测定了酵母丙氨酰,-,tRNA,的一级结构，为广泛、深入地研究,tRNA,的高级结构奠定了基础。,3.2.,重组,DNA,技术的建立和发展,1967,年：,Gellert,发现了,DNA,连接酶，该酶将具有相同粘末端或者平末端的,DNA,片段连接在一起。同年，,Philips,及其同事确定了溶菌酶,0.2nm,分辨率的三维结构。,1970,年：,Temin,和,Baltimore,几乎同时发现了反转录酶，证实了,Temin 1964,年提出的“前病毒假说”。在劳氏肉瘤病毒,(RSV),感染以后，首先产生的是含有,RNA,病毒基因组全部遗传信息的,DNA,前病毒，子代病毒的,RNA,是以前病毒的,DNA,为模板进行合成的。反转录酶已成为目前分子生物学研究中的一个重要工具。,1972,年,1973,年：重组,DNA,时代到来。,Berg,、,Boyer,和,Cohen,等创建了,DNA,克隆化技术，在体外构建成具有生物学功能的细菌质粒，,开创了基因工程新纪元,。,与此同时，,Singer,和,Nicolson,提出生物膜结构的液态镶嵌模型。,1975,年：,Southern,发明了凝胶电泳分离,DNA,片段的印迹法；,Gruustein,和,Hogness,建立了克隆特定基因的新方法；,OFarrell,发明了双向电泳分析蛋白质的方法，为分子生物学的深入发展创造了重要的技术条件；,Blobel,等报导了信号肽。,1976,年：,Bishop,和,Varmus,发现动物肿瘤病毒的癌基因来源于细胞基因,(,即原癌基因,),。,1977,年：,Berget,等发现了“断裂”基因；,Sanger,、,Maxam,和,Gilbert,创立了“酶法”“化学法”测定,DNA,序列的方法，标志着分子生物学研究新时代的到来。,3.3.,重组,DNA,技术的应用和分子生物学的迅猛发展,1979,年：,Solomon,和,Bodmer,最先提出至少,200,个限制性片段长度多态性,(RFLP),可作为连接人整个基因组图谱之基础。,1980,年：,Wigler,等通过与某个选择性标志物共感染，从而把非选择性基因导入哺乳动物细胞；,Cohen,和,Boyer,获得一项克隆技术的美国专利。,1981,年：,Cech,等发现四膜虫,26S,rRNA,前体的自我剪接作用，随后又证明前体中的居间序列,(intervening sequence,，,IVS),有五种酶的活力。几乎在同时，,Altman,从纯化的,RNase,P,中，证明催化,tRNA,前体成熟的催化剂是,RNase,P,中的,RNA,。具有催化作用,RNA(ribozyme,),的发现，促进了,RNA,研究的飞速发展。,1982,年：,Prusiner,等在感染搔痒病的仓鼠脑中发现了朊病毒,(,prion,),1983,年：,Herrera-,Estrella,等用,Ti,质粒作为转基因载体转化植物细胞获得成功。,1984,年：,McGinnis,等发现果蝇、非洲爪蟾等同源异形基因中的同源异形盒,(,homeobox,),的核苷酸序列；,Schwartz,和,Cantor,发明了脉冲梯度凝胶电泳法；,Simons,和,Kleckner,等发现了反义,RNA,。,1986,年：,Dryja,等发现成视网膜细胞瘤,(,Rb,),基因是一种抑癌基因；,Robin,等采用,X-,光晶相学，证实了,DNA,结合蛋白的螺旋,-,转角,-,螺旋结构。,1987,年：,Mirkin,等在酸性溶液的质粒中发现三链,DNA,；,Burke,等用酵母人工染色体,(YAC),作载体克隆了大片段,DNA,；,Hoffman,等确定了,Dnchenne,肌肉萎缩病灶的蛋白产物是萎缩素,(,dystrophin,),；,Hooper,等和,Kuehn,等分别用胚基细胞进行哺乳动物胚的转基因操作，取得重大进展。,1988,年：,Landsehalz,等在对,CyC3(,细胞色素,C,基因调节蛋白,),、癌基因产物,(,MyC,、,V-,jun,、,V-,fos,)CBP(CCAAT,盒结合蛋白,),的研究过程中，发现了结合区亮氨酸序列的周期性，提出,DNA,结合蛋白的亮氨酸拉链结构模型；同年，,Whyfe,等证明癌的发生是癌基因的激活和抑癌基因失活的结果。,1989,年：,Greider,等首先在纤毛原生动物中发现了端粒酶,(telomerase),是以内源性,RNA,为模板的反转录酶；,Hiatt,等首次报导了在植物中亦可产生单克隆抗体。,1990,年：人类基因组计划,(HGP),全面正式启动；,Simpson,等发现了对,mRNA,前体编辑起指导作用的小分子,RNA(guide,RNA),；,Sinclair,等在人类,Y,染色体上发现了新的性别决定基因,-SRY,基因。,1991,年：由欧洲共同体,(EC),组织,17,个国家,35,个实验室的,147,位科学家，以手工测序为主要手段，首先完成了第一条完整染色体,(,酵母,3,号染色体,),的,315kb,的测序工作；,Hake,等首次报导在植物中发现含有同源异形盒基因；,Blackburn,等提出调节聚合序列,通式为,(T/,A)mGn,，,m,124,，,n,18,的单链,DNA,可形成分子内或分子间的四螺旋结构，起着稳定染色体的作用。,1993,年：,Jurnak,等在研究果胶酸裂解酶时，发现一种新的蛋白质结构,-,平行,B,螺旋,(parallel B helix),；,Yuan,等在哺乳类细胞内发现一种参与调节细胞凋亡并具有剪切作用的蛋白质,-IL-1B,转换酶,(interlukin-1B-convertingenzyme,，,ICE),。,1994,年：日本科学家在,上发表了水稻基因组遗传图；,Wilson,等用,3,年时间完成了线虫,(Celegans)3,号染色体连续的,2.2Mb,的测定，预示着百万碱基规模的,DNA,序列测定时代的到来。,1995,年：,Cuenoud,等发现了具有酶活性的,DNA,；,Tu,等在,E.coli,中发现了具有转运与信使双功能的,RNA-10 Sa RNA,。,1996,年：,Lee,等首次报导了酵母转录因子,GCN4,中的氨基酸片段能自动催化合成自我复制的肽；洪国藩等采用“指纹,-,锚标”战略构建了高分辨率的水稻基因组物理图谱，,DNA,片段的长度为,120kb,；,Goffeau,等完成了酵母基因组,DNA,全序列,(1.25X10 7bp),的测定。,1997,年：,Wilmut,等首次不经过受精，用成年母羊体细胞的遗传物质，成功地获得克隆羊,-,多莉,(Dolly),；,Willard,等首次构建了人染色体,(,HACs,),；,Salishury,等发现,DNA,一种新的结构形式,-,四显性组合，这可能是基因交换期间,DNA,联结的一种方式。,1998,年：,Renard,等用体细胞操作获得克隆牛,-,Marguerife,，再次证明从体细胞可克隆出遗传上完全相同的哺乳动物；,GeneBank,公布了最新人的“基因图谱,98,，代表了,30181,条基因定位的信息；,Venter,对人类基因组计划提出新的战略,-,全基因组随机测序，毛细管电泳测序仪启动。,从以上所述分子生物学的发展中，可以看出,20,世纪是以核酸的研究为核心，带动着分子生物学向纵深发展。,50,年代的双螺旋结构，,60,年代的操纵子学说，,70,年代的,DNA,重组，,80,年代的,PCR,技术，,90,年代的,DNA,测序,都具有里程碑的意义，将生命科学带向一个由宏观到微观再到宏观，由分析到综合的时代。,4,、分子生物学发展的趋势,4.1,、当前分子生物学研究的重要问题,1,）结构分子生物学,生物大分子的三维结构及其运动，大分,子相互作用的结构基础。,2,）基因选择性表达和调控,在同一个个体中，形成如此众多的不同类型细胞，这些细胞在不同的时间空间位置上发挥不同的功能效应。,3,）神经系统网络与化学信号的传导,化学信使（神经递质、多肽、蛋白激素、生长因子和细胞因子等）的传递系统。,4,）肿瘤发生、发展、恶化的机制,癌基因与抑癌基因的作用机理。,5,）免疫识别的分子基础,免疫应答的调控,。,4.2,、基因的明天,（,1,）举世瞩目的人类基因组研究计划,（,2,）后基因组,(post-genome),时代,研究细胞全部基因的表达图式和全部蛋白图式，或者说是“从基因组到蛋白质组”,由此，分子生物学研究的重点又回到了蛋白质上来，生物信息学也应运而生。生命科学又进入了一个全新的时代。,（,）功能基因组学,(functional genomics),依赖于对,DNA,序列的认识，应用基因组学的知识和工具人们能够了解和认识影响整个生命过程的特定序列表达谱,功能基因组学的任务，是对成千上万的基因表达进行分析和比较，从基因组整体水平上阐述基因活动的规律。,核心问题是基因组的多样性和进化规律，基因组的表达及其调控，模式生物体基因组研究等,（,）,蛋白质组学,(proteome),蛋白质组,指的是一个基因组所表达的全部蛋,白质,(,改为,细胞内的全部蛋白质,),“proteome,由蛋白质一词的前几个字母“,prote,和基因组一词的后几个字母“,ome,拼接而成。,蛋白质组学是以蛋白质组为研究对象，研究细胞内所有蛋白质及其动态变化规律的科学,蛋白质组研究的数据与基因组数据的整合，将对功能基因组的研究发挥重要的作用,功能蛋白质组,(functional proteome),：,指在特定时间、特定环境和实验条件下基因组活跃表达的蛋白质,功能蛋白质组学,(functional,protemics,),：,把研究定位在细胞内与某种功能有关或在某种条件下的一群蛋白质。,（,）生物信息学,(bioinformatics),人类基因组计划大量序列信息的积累，导致了生物信息学这门全新学科的产生,对,DNA,和蛋白质序列资料中各种类型信息进行识别、存储、分析、模拟和转输,。它由数据库、计算机网络和应用软件三大部分组成。,当今生命科学的潮流是利用生物信息学研究基因产物,蛋白质的性质与功能并推测基因的功能,国际上现有,4,个大的生物信息中心：,美国生物工程信息中心,(,GenBank,),基因组序列数据库,(GSDB),欧洲分子生物学研究所,(EMBL),日本,DNA,数据库,(DDBJ),4.3.,基因经济,农业经济,工业经济,信息经济,基因经济,什么是基因经济：用“基因”这种物质形式，进行生产、销售等经济活动。简言之，用基因产品赚钱。是现代知识经济的一个组成部分。,基因是一个巨大的金矿,人类自身的基因,植物和农作物的基因产品,基因产品的形式 动物的基因产品,基因相关的产品和技术,基因的价值,生长激素基因,的专利费,2,亿，美国国内市场用于矮小儿童的销售预计为,875,亿美元。,促红细胞生长素（,EPO,）,1999,年当年的销售就达,18,亿美元，全世界每年的需求量在,50,亿美元。,基因产品在医学上的市场,癌症治疗,遗传病的治疗,基因药物，全球市场的产值为,200,亿美元，现有产品,53,种。,基因的诊断技术,基因保健产品,基因美容产品,转基因产品（转基因动物与转基因植物）,转,基因动物,是将外源性基因转到受体动物细胞内，形成个体，这些个体可携带外源基因稳定的遗传，并表达出外源基因来。,这种转基因动物也叫动物反应器，用于生产外源基因的表达产物。,如：转基因山羊,表达人凝血因子,IX,转基因牛,乳计中表达人白蛋白,“生物钢”山羊,蜘蛛产丝的基因植入山羊,巨大的产业,转基因猪,转基因猪,人异种器官的主要来源,转基因食品,（,Genetically modified food,GM,）或（,Grene,-transferred food,）,指通过基因工程（而非传统育种方法）改进了植物（作物）的遗传成份。用这些物质制作的食品。,最早的最基础植物,抗除草剂转基因烟草。,5,、本课程的内容,本课程的内容：,DNA,的复制、转录、翻译过程以及调控机制,教材及参考书：,分子生物学教程,赵亚华 编著（科学出版社）,