分子生物学：第一章-绪论(2学时).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,*,*,*,第一章 绪论,本章我们讨论4个问题：一、现代科学技术发展的基本特点。二、现代生物学面临的挑战和机遇。三、分子生物学和医学的关系 四、分子生物学回顾、发展现状与展望,1,第一节 现代科学技术发展的基本特点,一、科学技术加速发展和急剧变革,（一）当代科技发展呈指数增长趋势，,全世界每天发表科,技论文60008000篇，平均篇/10.8秒问世。,（二）人类科技知识，19世纪是每50年增加1倍，当前是,每35年增加1倍。工程师知识半衰期是5年。,（,三）1973年，Cohen Group,利用重组DNA技术第一次实现了细菌遗传性状转移（ter,r,+Ne,s,ter,r,Ne,r,）,导致 了基因工程技术诞生。至今不到30年，人类已拥有克隆羊、克隆猪的技术，可以复制1个生命体。,2,二、科学技术发展的综合化,（一）19世纪中叶以前，科学技术是分离的，它们各自独立发挥社会作,用,它们都有自己独特的文化传统，它们的发展往往是脱节的。,（二）科学回答的“是什么”，“为什么”，技术回答的是“做什么”、“怎么 做”。当今科技发展已经密不可分，科学里面有技术，技术里有科学。（三）当代科学技发展有2种形式：一是突破，二是融合。突破是线性,的，即从研究开发新一代科技成果取代原有一代的科技成果。,融 合是非线性的，,即混合原有不同领域科技，进而发展新产品，造 成革命性市场，它们是互补和合作的结果。,（四）基因工程技术既是突破，也是融合，既是科学，也是技术。,它们 是分子生物学，生物化学，遗传学、细胞生物学和组织学等相关 学科科学技术突破和融合的结果。,3,三、科学发展必须和人文社会科学发展相结合,（一）当代各种全球性问题的出现，从一定意义上来说，是由于 科学技术广泛应用于社会而引发的，如NMD ，TMD。（二）科学技术是第一生产力，,是提高劳动生产率的最重要的 手段和社会生产力发展的主要力量，而文化水平是是衡 量人类发展的一个特殊尺度，也是标志人类的把握科学技 术的一个程度。,（三）科学技术是一把双刃剑。原子核技术,可以给人类带来福 音，也可以给人类带来灾难。原子能发电站给人类带来 了光明，原子弹可以把长崎，广岛夷为平地。,克隆技术可以挽,救濒临灭绝动物，也可动摇人类自然以性 爱为基础生育方式等。,4,第二节 分子生物学带动生命科学的前沿学科,一子生物学的定义,分子生物学的诞生可以与细胞的发现，进化论的奠定媲美，它是20世纪自然科学伟大成就之一。经典观念认为，,狭义的分子生物学是指分子遗传学，广义的包括分子遗传、细胞膜结构、代谢的调节机制，蛋白质与核酸结构分析与功能测定，生物大分子人工合成，遗传物质的重组等。,5,二分子生物学和医学的关系,基础医学是整个医学的基石，,而分子生物学在整个医学中起到纽带作用，将基础医学各分枝学科及基础医学与临床医学联系起来，成为浑然一体。,由此可见分子生物学在现代医学研究中的重要性，它代表了人们对生命现象认识层次的深入，理所当然成为现代医学和生命科学的前沿学科和领域，在一定程度上起到牵动全局的作用。不论分子生物学，临床医学家或生物学家，在谈论现代医学和生命科学时，无不对分子生物学所取得的成就及发展动态予以特别的关注的重视。,6,未来的医学将把研究层次深入到量子水平，,分子生物学则可能把自己的“血液”熔化到医学的躯体之中，“化己为他”，“化整为零”，渗透到各个相关学科中，成为科学上的“蜡烛”，燃烧自己，照亮别人。分子生物学在医学上的价值和“灵魂”将永存。分子生物学将成为现代生命科学的“共同语言”。,7,生命过程是一个多层次、连续的整合过程。基因和分子研究是认识生命过程的深入层次，这个层次的研究结果对于基因后生命现象如生理表现，病理表现，病生理表现，具有重要意义。,生命科学中一些最重要的课题需要分子生物学渗入，如细胞生长、分化、衰老，凋亡，个体发育和神经活动等研究。分子生物学与这些研究活动结合在一起，形成新的生长点和新的边缘学科，较为突出的者有：,8,（,三）分子神经科学,神经科学研究神经系统（主要是脑）的结构和功能，其研究层次包括分子水平、神经网络水平、整体水平和行为水平。分子神经科学为在分子水平研究神经系统的结构和功能，它的,研究方向有,：,1、神经细胞的分化和神经系统发育的分子机理；,2、神经活动的基本过程（如神经冲动、信息处理、神,经递质和神经回路等）中离子通道，突触通讯，受,体及信号传导的变化和相关基因表达的变化。,11,3参入学习、记忆、行为过程的基因及其产物。,4一系列神经精神性疾病的分子基础，分离和鉴定其相关基,因，为其治疗和预防服务。,科学家们一直遗憾，人脑可以指导自己去制造电脑和作任何,精细的工作，都不能用以窥视自身的奥秘。由于神经科学极端重,要性和特殊地位，近年来受到了极大重视。科学家们预言，进入,下个世纪后神经科学将走在分子生物学前面，并将给医学带来新,的光辉。,12,三、分子生物学的历史回顾,遗传和变异是生物的一对重要概念。遗传赋于生物种的稳定，保证生物种的延锦不断；变异则赋于生物种的进化，保证生物种对环境的适应。遗传和变异这一对矛盾在一个生物体内统一起来。,遗传学要解决问题是生命科学和医学中极为关键的问题。分子水平技术手段一旦与遗传学研究相结合，就可在分子水平上解释遗传学的问题，促使分子遗传学的形成和发展。分子生物学的形成和掘起，归功能数十年无数科学家智慧的结晶，成果的融汇，从40年代起，在理论和技术方面奠定了雄厚的基础。,13,（,一）理论上的三大发现,1.40年代，Avery发现了生物遗传物质的化学本质是DNA,2.50年代，Walson-crick提出了DNA结构的双螺旋模型，搞清楚了生物遗传的分子机制,3.60年代，确定了遗传信息的传递方式：DNARNAprotein,14,（二）技术上的3大发明,1.“基因剪刀”限制性核酸内切酶发明,从4060年代，科学家们就为基因工程设计好了美丽的蓝图，但是而对庞大ds DNA，束手无策，无从下手把它切成单个的基因片段，当时酶学知识已有相当的发展，但没有1个已发现的酶能够完成这样的使命。,1970年,，Smith Wilcox在流感嗜血杆菌(Haemophilus influenzae),中分离纯化了Hind II，取得了突破，打破了基因工程的禁固，迎来了改造生物，为基因工程技术，为分子生物学技术奠定了最为主要的技术基础。,15,2.,载体（“车子”）基因工程（技术）诞生的第2个技术准备有了切割与缝合（连接酶）基因DNA，还没一个“车子”，将重组DNA送到主细胞中去。,从1946年起，Lederberg就研究细菌性因子，即F因子，5060年代相继发现了R因子（抗药性因子）、COE（大肠杆菌因子）等质粒。,直到1973年，Cohen才将质粒作为基因工程载体使用，这是基因工程的第2个技术准备。,16,3.,1970年，Baltimore和 Temin等同时各自发现了逆转录酶，打破了遗传学的中心法则，使真核基因的制备成为可能。有了这些理论和技术武装，分子生物学迎来了飞速发展的春天，分子生物学最重要的技术基因工程，也于1973年，由 Berg和 Chen两位科学的“助产士”接到了人间。,17,四、分子生物学研究现状和发展趋势,（一）,分子生物学的研究和发展轨迹基本上遵循,两个大方向：,1.不断把本学科理论和技术引向深入。目前及今后相当长时 期内，将在基因研究、基因表达调控研究、结构分子生物 学研究、信号传导等四大前沿领域开展深入持久的工作，并由此开拓新的前沿领域和新的生长点。2.不断与其他学科进入深入的横向联系和交叉融合，以期分 子，细胞，整体水平研究和得到和谐的统一，使表型和基 因型的关系得到客观准确的解释。在这一方面，,细胞分子 生物学,、,发育分子生物学,和,神经分子生物学,作为生物医 学中最具有重要和生命力的“三驾马车”，将率先组合，启动 和快速向前奔跑，并将取得突破性成果。,18,（二）结构分子生物学,生物功能由结构所决定。生物大分子在表现其生理功能过程中，必须具备特定的空间立体结构（即三维结构）。现已知道，,在DNA，基因或RNA水平，存在各种体现功能的结构或，结构或本身结构特点和形态以及它们所处的空间大分子的空间结构形态都直接影响DNA、基因或RNA的功能发挥。在蛋白质水平，由于它们是直接体现生理功能的物质,其空间结构对其功能影响更直接。因此，蛋白质空间结构与功能的关系的研究是结构分子生物学研究的主体。,19,研究生物大分子结构的新技术、新方法和新仪器不断改进和涌现，如DNA重组技术、,基因自动合成和测序技术、计算机技术、酶逐步降解技术、X线晶体学分析技术，以及不同技术组合，使获得清晰度的结构图，了解生物学过程蛋白质构象的动态变化以及对大分子结构进行贮存，比较和结构一功能预测成为可能。,20,生物大分子的空间结构的阐明对于某些相关疾病发生机理的研究及设计诊断、治疗和预防方案具有重要意义，特别对于新药的分子设计与模拟，具有实际应用的指导意义，它可把基础研究与应用、开发结合起来。,21,（三）人类基因组研究,人类的全部遗传信息包含在23对染色体上，每个DNA分子由3.310,9,核苷酸组成,编码510万个基因。人类基因组研究的对象是人类基因组，因此也称为“基因组学”。“人类基因组计划”（Human Genomic Project.HGP）是人类科学史上与阿波罗登月计划及曼哈顿原子弹计划相媲美的伟大科学工程，于1990年正式出台和实施，该计划的主要科学目标是绘制遗传连销图、物理图、序列图和转录图。,22,遗传图,（genetic map）,又称连锁图(inkage map)。它是以具有遗传多态性（在1个遗传“位点”上具有1个以上的等位基因，在群体中出现频率皆高于1%）的遗传标记“路标”，以遗传学距离（在减数分裂事件中，两个位点之间进行交换，重组的百分率，1%的重组率称cM）为“图距”的“基因组图”。,23,物理图,是指以一段已知核苷酸序列的DNA片段，(STS,sequence tagged site序列标记位置)为“路标”，以Mb或kb作为图距的基因组图。,转录图,把mRNA（或据mRNA人工合成的cDNA）分离、定位，绘制出的图谱称之，也称为cDNA 图。所有的生物性状，包括疾病，都是由结构功能或蛋白质决定的，而已知的所有蛋白质都是RNA聚合酶II指导的mRNA依据“遗传密码”编码的抓住了（RNA）转录图，抓住了基因的主要特点与主要部分（可转录的部分）。,24,序列图,：测定总长度约为1半，由30亿核苷酸组成的序列图是人类基因组计划最为艰巨的任务，预计在2005年完成。一般说来，“基因组学”主要解决的问题是基因组的“结构”，即上述4张结构图，当HGP完成的日子临近到来，下一步该做什么？下步是将重心逐步由“结构”向“功能”转移，人们提出1个新的名词，称“后基因组学”(post-genomics)。,25,（四）后基因组学大致包含下述内容,1.人类基因的识别和鉴定 2.基因功能信息的提取和鉴定 1)人类基因突变体的系统鉴定 2)基因表达图谱的绘制 3)“基因改变一功能改变”的鉴定 4)蛋白质水平，修饰状态和相互作用的探测 3.基因表达的调控 4.信号传导,26,