分子生物学理论20130301

1、 任课教师：张任课教师：张 绍绍 阳阳 研究兴趣：植物种质资源与遗传育种 电子邮箱： bright- 手机号码：课程讲授主要内容与学时分配 绪论 ( (共2学时) 第一部分 原核生物遗传信息传递分子机制 （共10学时） 第一章 原核生物基因组 DNA构成 （2 学时） 第二章 原核生物中心法则 （4 学时） 第三章 原核生物基因表达与调控 （4 学时） 第二部分 真核生物遗传信息传递分子机制 （共10学时） 第一章 真核生物基因组 DNA构成 （2 学时） 第二章 真核生物中心法则 （4 学时） 第三章 真核生物基因表达与调控（ 4 学时） 第三部分 遗传信息保持与生

2、物性状异变分子机制 （共4学时） 第一章 基因突变和修复 （2 学时） 第二章 基因组重组和转坐 （2 学时） 第四部分 部分分子生物学技术 （共8学时） 第一章 目标基因克隆与表达分析 （2 学时） 第二章 分子标记 （2 学时） 第三章 高通量测序与生物信息分析 （2 学时） 第四章 基因工程 （2 学时） 第五部分 结尾 (共2学时) 基因表达调控 基因工程 教材、参考书籍和部分相关外文期刊 ?教材：教材： 分子生物学， 陈启民和耿运琪编著，高等教育出版社，2010 ?参考书籍（暂定）： 现代分子生物学（第三版），朱玉贤、李毅编著，高等教育出版社，2007 生物化学简明教程（第三版），罗

3、纪盛等编著，高等教育出版社，1999 ?部分相关外文期刊： Nature Theoretical and Genetics Application Science BMC Genetics Nature Genetics BMC Biology Nuclear Acid Research Molecular breeding 考核方式 ?学习态度（满分 100） 基准分80分。加分情况: 按时按质完成作 业、无迟到/早退/旷课记录、能积极和老师沟通学习问题，则加分 20分。减分情况：迟到、早退、旷课、上课打扰他人学习（包括 上课说悄悄话和手机响等）、作业未交 ，每出现一次，则减去一 个10分，

4、直至减完80分为止。提醒：只要无故出现减分情况一次 ，学习态度成绩最多只能是 70分。对我讲课内容厌倦，可以睡觉 ?闭卷考核(满分100) 试题形式和分数构成：名词解释（ 12题选10 题，满分30分）、简答题（7题选5题，满分45分）和论述题（ 3题 选1题，满分25分）。 ?上报学校成绩（满分 100）= 闭卷考核卷面成绩（满分 100） 0.7 + 学习态度成绩（满分 100） 0.3。 绪论 1 分子生物学概念 1.1 “Molecular Biology” 一词来源 ? 1938年,Weaver在写给一个科学基金会(洛克菲勒基金会)的报告中， 首次使用了分子生物学 “Molecula

5、r Biology” 一词。 1941年，研究蛋 白质结构的 W. Astbury 使用了这一名词，当时他开始用X射线分析 纤维DNA的结构，并称自己是分子生物学家。 1.2 分子生物学概念 ? 广义概念：从分子水平研究生命现象及其规律的一门新兴学科 ? 狭义概念：是研究细胞内生物大分子（主要就是核酸和蛋白质）的 结构和其在生物遗传信息保存、维护和传递过程中所行 使的功能以及这些生物大分子物质相互作用特点和规律 进而来研究生命现象的一门新兴科学。 2 分子生物学产生和发展过程 2.1 分子生物学产生和发展过程阶段大致划分分子生物学产生和发展过程阶段大致划分 ?经典遗传学研究 （1866 到19

6、28） ?微生物遗传研究 （1928 到1953） ?分子遗传研究 （1953 到1972） ?基因重组研究 （1972 到 1990） ?基因组和蛋白质组学研究 （1990 ） 2.2 经典遗传学阶段相关重大研究进展经典遗传学阶段相关重大研究进展 ?1866年，G. Mendel提出生物性状由 “遗传因子 ”控制结论和两大遗 传定律（分离规律和自由组合规律）。（下左1图和左2图） ?1868-1872年， F. Miechescher （下左3图）提取出核酸（Nuclear acid） ?1885-1900年，证实核酸是由带有不同碱基的核苷酸组成，单个核苷酸 是由碱基-核糖-磷酸构成。192

7、9年，确定脱氧核糖核酸（DNA）和核糖 核酸（RNA）是核酸的两种类型 ?1909年，“遗传因子”被改命名为 “基因” ?1910年，Morgan（下右1图）证实基因就在染色体上，并提出第三条遗 传定律（连锁遗传规律） 2.3 微生物遗传阶段相关重大研究进展 2.3.1 DNA是遗传信息的主要载体 ?1944年，O. Avery利用F. Griffith 1928年所发现肺炎球菌使小鼠致病机 制，提出了“DNA是遗传信息的载体” 这一学说 ?1952年，A. D. Hershey 和M. Chase 用 35S和 32p分别标记T2噬菌体的蛋白 质和核酸，感染大肠杆菌, 确认了 “DNA是遗传

8、信息的载体”这一学说 ?1956年，A. Gierer和G. Schramm发 现烟草花叶病毒的遗传物质是RNA O. Avery 2.3.2 DNA2.3.2 DNA双螺旋模型建立双螺旋模型建立 ?1941年，W. Astbury 获得了第一张DNA X衍射图谱 ?1950年，Chargoff提出DNA碱基配对原则（A与T和G与C分别严格配对） ?1952年，R. Franklin和M. Wilkins制出高质量的DNA X-光衍射照片 （左下图） ?1953年，Watson和F. H. C. Crick（中间图）建立DNA双螺旋模型（右 下图）。该年，也通常被认为分子生物学的诞生年。 ?1

9、979年， A. H. J. Wang和A. Rich提出Z-DNA模型 2.4 2.4 分子遗传研究阶段相关重大研究进展 ? 中心法则提出与修正 ?1958年， F. H. C. Crick提出遗传信息传递的中心法则 ?1956年， E. VolKin和L. Astrachan发现T2噬菌体的mRNA ?1958年， M. Meselson和F. W. Stahl用同位素标记法证实DNA的半保留复 制。（1953年， Watson和F. H. C. Crick建立DNA双螺旋模型后，又预测 DNA复制具有半保留特点）。同年，F. H. C. Crick等证实了遗传密码为 三联体密码。 ?19

10、64年，M. W. Nirenberg破译全部有义密码子 ?1966年，F. H. C. Crick提出反密码子的摆动学说 ?约1971年，发现逆转录酶 ?1982年，仓鼠脑中发现朊病毒（Prion）,其具有遗传物质是蛋白质而非 核酸 ?1981年，发现核酶 2.5 DNA重组研究阶段相关重大研究进展重组研究阶段相关重大研究进展 ?1962年，Arber证明限制性内切酶(Restriction enzyme)存在 ?1967年，Gellert发现DNA 连接酶 （DNA Ligase） ?1968年， S. Cohen 发现质粒（Plasmid） ?1970年， H. Boyer 发现限制性内

11、切酶 ?1972年， P. Berg 创建了重组DNA（Recombinant DNA）技术 ?1978年，A. C. Y. Chang等首次将真核基因组（dhfr）在细菌中发表 ?1994年，在某少数几个国家，转基因番茄（下图）开始进入超市 S Cohen H. Boyer P. Berg 2.5.1 DNA重组技术建立与应用研究重组技术建立与应用研究 2.5.2 2.5.2 基因表达与调控研究基因表达与调控研究 ?1961年， Jacob和Monod 提出操纵子学说 （原核生物遗传信息表达一种调控机理） ?1977年，发现内含子 ?1981年，发现增强子 ?1998年， RNAi 技术（右

12、图） 出现 ?基因功能研究重要技术： 过量表达、转基因、Q-PCR、 基因沉默、基因敲出、瞬时表达等。 Spindle and cytokinesis defects after RNA interference 2.6.1 DNA测序技术及发展 ?1977年，F. Sanger（右图）建立双脱氧 末端终止DNA测序方法，并测定出了 X174 DNA全部5375bp核苷酸序列 ?同年，W. Gilbert和A. Maxam建立化学 裂解DNA测序方法 ?1978年，Fiers等测出环状SV40 DNA全 部5243bp核苷酸序列 ?1989年，人类基因组工程（ HGP）启动 ?1996年底，大

13、肠杆菌基因组 DNA的全部 序列长4106碱基对 ?1996年底，完成了真核生物酵母的基因 组全序列测定 ?1998年底，长达100Mb的线虫的基因组 序列测定 ?1999年， 鸟枪法测序（Shotgun sequencing） ?2000年，绘出拟南芥基因组的完整图谱 ?2001年， 国际两大最著名期刊 Nature 和Science同时公布人类基因组图谱 草图 ?2002年， 以杨焕明为首的中国科学家在 Science发表了水稻全基因组框架序列 ?近五六年，高通量测序技术迅猛发展 ， 掀起分子生物学更大的研究热潮 2.6 2.6 基因组和蛋白质组学研究阶段相关研究重大发展基因组和蛋白质组学

14、研究阶段相关研究重大发展 2.6.2 PCR技术发明与分子标记技术发明与分子标记 ?1980年， D. Bostein等 RFLP构建人类遗传学连锁图谱 ?1986 年，K. Mullis （右下图）建立聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction, PCR）技术 ?1989年，SSR被发现并开始分子标记应用研究 ?1990年， Williams等和Welsh等同时分别创建了RAPD标记技术 ?1993年，Paran和Michelmore 创建了SCAR标记技术 ?1993年，Konieczny和Ausubel创建了CAPS标记技术 ?1994年，Zietkiewiez等

15、创建了ISSR标记技术 ?1995年，P. Vos等 报道了AFLP标记技术 ?1997年， Waugh等创建了SSAP标记技术 ?2000年，Drenkard等创建了SNAP标记技术（即将 SNP转化SCAR标记的技术） 2.6.3 基因组和蛋白质组学研究阶段其他相关研究重大发展 ?1990年， 人类疾病第一例基因治疗（Gene therapy） 4岁的琳达患有ADA缺陷综合症 ADA：adenosine deaminase 腺苷脱氨酶 症状：T型白血球功能损伤 会导致致命的病菌感染 ?1996年，DNA芯片（右上图）进入商业化 ?1997年，动物克隆技术 （下左图） ?1997年，第一例人

16、工创造的人类染色体（下中图） ?1998年，干细胞研究重大突破 ? 近些年，生物信息学、功能基因组学及蛋白质学等多种新型相关技术体系 也应运而生 ?生物信息学：以计算机为工具对生物信息（主要是指 DNA、RNA和蛋白质的 序列、结构和功能信息）进行储存、检索（收集和筛选）、处理（编辑、整 理、管理和显示）及利用（计算、模拟）的一种技术体系。它是当今生命科 学和自然科学的重大前沿领域之一，同时也将是 21世纪自然科学的核心领域 之一。该研究工具主要由数据库、计算机网络和应用软件三大部分组成。 ?功能基因组学：通过对单个或多个生物全基因组上所有基因表达进行分析 和比较，以此研究基因组的多样性和进化

17、规律、全基因组基因的表达及其调 控模式等相关问题的一种技术体系。 ?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 规律的一种技术体系。 2.7 分子生物学发展总结分子生物学发展总结 二十世纪是以核酸为研究核心，带动分子生物学向纵深发展： ? 50年代双螺旋结构 ? 60年代操纵子学说 ? 70年代DNA重组 ? 80年代PCR技术 ? 90年代DNA测序 生命科学从宏观微观宏观；由分析综合的时代。 3 分子生物学主要研究内容与主要研究方法分子生物学主要研究内容与主要研究方法 3.1 基本原理 ?1.构成生物体的有机大分子的单体在不同生物体内都是相同的； ?2.生物体内一切有

18、机大分子的建成都遵循共同的规律； ?3.某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质决定了生物的属性。 3.2 主要研究内容 ?1 基因组DNA重组 ?2 基因表达与调控 ?3 生物大分子结构与功能 ?4 生物信息学与生物组学 3.3 主要研究方法 ?3.3.1 研究方向： （思维视角）衍生于其他相关生物学科，并用相应技术方法进入分子生 物学相关问题研究，获得结果可以为本学科和其他相关生物学科服务； 由宏观进入微观，再由微观拓展到宏观。 （研究对象）（研究对象）由生物性状到核酸与蛋白结构到其功能再到其功能调控。 ?3.3.2 采用的逻辑学方法： 模型分析、强烈推理和物质能量节省原则 ?3.3.3 常采用

19、的物理和生物化学方法： 物质分离纯化、离心、电泳、层析、X-衍射、同位素标记等。 ?3.3.4 常用的分子生物学技术方法： 基因克隆、基因表达、分子标记、基因重组、分子杂交、定点突变等。 3.4 整个学科进一步发展方向整个学科进一步发展方向 ? 1.进一步完善相关技术（分离、分析微量化、自动化、高通量） ? 2.技术的产业化 ? 3.学科的交叉 ? 4.生物信息学 4.1 分子生物学在生命科学所占位置 Life Sciences Medical Sciences Biology Agri. Sciences Macro (outdoor) Micro (indoor) Ecology, Beh

20、avior Evolution Systematics Molecular Biology Bioche m Microbio l Cell Biology Mol Genetics Dev Biol Immunol Others Crop sciences Animal husbandry Veterinary Pathology, clinic medicine Preventive medicine etc Mol Neurobiol 4 分子生物学与相关生物学科相关性分子生物学与相关生物学科相关性 4.2 与分子遗传学、生物化学、遗传学、细胞生物学和微生物学等区分与分子遗传学、生物化学、遗传学、细胞生物学和微生物学等区分 ?分子生物学是由多个传统生物学科交叉发展而形成的，其相关研究内容 与这些学科有重叠部分也有独立部分 。 ?生物化学所研究生物分子种类较多（还包括糖类、脂类等），其主要研 究不同生物物质的物质代谢和能量转化以及相