现代分子生物学第一章 绪论（2学时） ppt课件

现代分子生物学 Modern Molecular Biology 1 Welcome Each of You to My Molecular Biology Class！ -Chen Qi-long 2 第一章 绪论 n 第一节 现代科学技术发展的基本特点 n 一、科学技术加速发展和急剧变革 n （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 6000 8000篇，平均篇 /10.8秒问世。 n （二）人类科技知识， 19世纪是每 50年增加 1倍，当前是 每 3 5年增加 1倍。工程师知识半衰期是 5年。 3 （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（ terr+NerSr terrNer） , 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 。 4 n 二、科学技术发展的综合化 n （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。 n （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。 5 （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。 6 第二节 分子生物学在生命科学中的研究 一分子生物学的定义 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 。 7 二、分子生物学与其它学科的交叉 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 （一）分子细胞生物学 细胞是一切生命活动结构和功能的基本单位。因此细 胞生物学的研究应是全方位的： 一、基因与基因产物如何控制细胞的重要生命活动，如生 长、分化、衰老等，在此涉及与信号传递的关系。 二、基因产物与其他生物分子如何构建与装配成细胞高度 组织化的结构如染色体，细胞核、细胞器、生物膜、细胞 骨架，并行使其在序的细胞生命活动。通过上述两方面的 结合，可把分子生物学和细胞生物学连接起来。 9 （二）发育分子生物学 受精卵如何发育成结构和功能复杂的个体是未解决 的发育生物学重大难题。分子生物学为解决这一难题提 供了条件，并产生了发育分子生物学。发育分子生物学 要解决的基本问题是基因如何按一定的时空关系选择性 地表达而控制细胞的分化和个体发育。发育程序是通过 相关基因系统间一系列相互作用而逐次展开的，这是多 基因在多层次上的联系和配合所形成的调控结果。基因 选择性表达的时间取决于定时的信号和生物学时间的刺 激，而其空间控制取决于细胞所处的位置（环境）和细 胞间的相互作用，形态发生可能有细胞连接、识别、运 动、生长的彼此配合来控制。 10 （ 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。 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， Walsoncrick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： DNA RNA protein 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 40 60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， 50 60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。 18 n 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。 19 （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。 20 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。 21 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。 22 （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 3.3109核苷酸组成 ,编码 5 10万个基因。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。 23 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 ”。 24 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，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）。 25 序列图 ：核苷酸组成的序列图。 一般说来， “基因组学 ”主要解决的问题是基因组的 “结构 ”，即上