分子生物学课件绪论

1、Molecular Biology绪绪 论论 什么是分子生物学什么是分子生物学 ? ? 分子生物学是研究分子生物学是研究生物大分子结构与功能生物大分子结构与功能的一门学科。的一门学科。即在分子水平上阐述细胞在生长、发育、分化过程中，生物大分子即在分子水平上阐述细胞在生长、发育、分化过程中，生物大分子的相互作用、细胞传导、基因表达及调控的机制。的相互作用、细胞传导、基因表达及调控的机制。 广义的讲，一切从广义的讲，一切从分子水平分子水平研究生命现象及规律的学科。研究生命现象及规律的学科。 分子生物学的基本原理：分子生物学的基本原理： 1. 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

2、的；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. 2. 生物体内一切有机大分子的建成都遵循共同的规律；生物体内一切有机大分子的建成都遵循共同的规律； 3. 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。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。 GENETIC INFORMATION DNA RNA PROTEIN DNA 1. REPLICATION(DNA SYNTHESIS) 2. TRANSCRIPTION(RNA SYNTHESIS) 3. TRANSLATION(PROTEIN SYNTHESIS) 研究对象：研究对象： 核酸核酸 遗传信息的载

3、体，决定生物性状；遗传信息的载体，决定生物性状； 稳定遗传，保证种的延续，稳定遗传，保证种的延续， 母代母代子代；子代； 易于保存，易于操作。易于保存，易于操作。 蛋白质蛋白质 遗传物质的控制产物，功能的执遗传物质的控制产物，功能的执 行者，生物性状的表现形式。行者，生物性状的表现形式。分子生物学与生物化学之间的关系与区别：分子生物学与生物化学之间的关系与区别： 分子生物学分子生物学研究生物大分子的结构、功能及研究生物大分子的结构、功能及信息传递信息传递过程，从分过程，从分子水平研究生命现象。子水平研究生命现象。 生物化学生物化学生物体内的化学运动，包括化学组成、变化、结构与功生物体内的化学运

4、动，包括化学组成、变化、结构与功能，生物分子间的能，生物分子间的物质与能量转换过程。物质与能量转换过程。 现在通常将研究现在通常将研究DNADNA的结构及其表达，了解生命现象的工作算作分的结构及其表达，了解生命现象的工作算作分子生物学的内容，将生命物质的组成及变化（代谢规律）归为生物化学子生物学的内容，将生命物质的组成及变化（代谢规律）归为生物化学的范畴。的范畴。 分子生物学分子生物学生物化学生物化学 分子生物学分子生物学生物化学生物化学研究方向研究方向蛋白质、核酸的结构、功能蛋白质、核酸的结构、功能及其相互作用。及其相互作用。信息的传递与调节信息的传递与调节大分子的结构与功能大分子的结构与功

5、能生物体中大小分子在生命生物体中大小分子在生命活动中的代谢过程。（糖活动中的代谢过程。（糖酵解、酵解、TCA、脂肪氧化等）、脂肪氧化等）代谢转化代谢转化研究方法研究方法物理学（物理学（X-衍射）衍射）生物化学与遗传学方法（电生物化学与遗传学方法（电泳）泳）生物化学与化学的方法生物化学与化学的方法解决分子转化与能量转换解决分子转化与能量转换的问题的问题分子生物学的相关学科：分子生物学的相关学科： 1.1.生物化学生物化学 生物化学是分子生物学的基础，学好生化便于分子生物学生物化学是分子生物学的基础，学好生化便于分子生物学 的基本原理和方法的理解。的基本原理和方法的理解。 2. 2. 微生物学微生

6、物学 作为分子生物学研究的模型生物，作为分子生物学研究的模型生物， 分子生物学操作的一部分（基因扩增、克隆、表达）。分子生物学操作的一部分（基因扩增、克隆、表达）。 3. 3. 遗传学遗传学 研究生物的遗传及变异规律，遗传变异的本质研究生物的遗传及变异规律，遗传变异的本质DNADNA。 4. 4. 细胞生物学细胞生物学 细胞是生命的基本功能单位，基因功能必须通过细胞来表细胞是生命的基本功能单位，基因功能必须通过细胞来表 现，离开细胞，就没有生命。现，离开细胞，就没有生命。 分子生物学的学科特征分子生物学的学科特征 是生命科学的一门基础学科是生命科学的一门基础学科, , 它服务于生命科学的任何一

7、门学科它服务于生命科学的任何一门学科, ,它可为基础研究服务它可为基础研究服务, , 同时也是极有应用同时也是极有应用前景的学科。前景的学科。 是一种方法、技术和手段是一种方法、技术和手段, , 目的是了解生命的本质目的是了解生命的本质, , 揭示生命规律揭示生命规律, , 最终解决人类生存和发展问题。最终解决人类生存和发展问题。分子生物学的目标及任务分子生物学的目标及任务 目标：了解生命本质，揭示生命运动的规律目标：了解生命本质，揭示生命运动的规律 任务：任务： 1.1.分离克隆基因分离克隆基因 ；（；（cloneclone） 基因克隆基因克隆 把确定某一性状的基因（把确定某一性状的基因（D

8、NADNA片段）从整个基因组中找出来。片段）从整个基因组中找出来。 克隆（克隆（cloneclone）这个单词在英文中源于）这个单词在英文中源于kln,kln,希腊语里希腊语里“twigtwig”的意思。克隆就是的意思。克隆就是独立细胞繁殖系独立细胞繁殖系, ,指后代完全由指后代完全由一个细胞复制一个细胞复制, ,具有完全相同的遗传物质。具有完全相同的遗传物质。 在生物学上，克隆通常用于两个方面：在生物学上，克隆通常用于两个方面： 克隆一个基因克隆一个基因 克隆一个物种，一个个体克隆一个物种，一个个体 克隆一个基因是指从一个个体中获取一段基因（例如通过克隆一个基因是指从一个个体中获取一段基因（

9、例如通过PCRPCR的方的方法），然后将其插入另外一个个体法），然后将其插入另外一个个体( (通常是通过载体通常是通过载体) )，再加以研究或利，再加以研究或利用。用。 克隆有时候是指成功地鉴定出某种表现型的基因。所以当某个生物克隆有时候是指成功地鉴定出某种表现型的基因。所以当某个生物学家说某某疾病的基因被成功地克隆了，就是说这个基因的位置和学家说某某疾病的基因被成功地克隆了，就是说这个基因的位置和DNADNA序序列被确定。列被确定。2.2.确定基因的结构；确定基因的结构；(structure)(structure) 结构基因结构基因 一级结构一级结构 调控基因调控基因 高级结构高级结构3.

10、3. 基因的功能研究基因的功能研究 ；(function)(function) 生化功能：基因的直接活性及蛋白产物的活性生化功能：基因的直接活性及蛋白产物的活性 （例如（例如与与DNADNA的的结合，信号因子，受体，运输蛋白，酶活性等）结合，信号因子，受体，运输蛋白，酶活性等） 生理功能：基因表现出来的性状，与生物个体的生生理功能：基因表现出来的性状，与生物个体的生 存的关系。存的关系。 生化功能是单个分子（基因）的作用或活性，生理功能是分子生化功能是单个分子（基因）的作用或活性，生理功能是分子群的群的“集体集体”行为，是多个基因及环境共同作用的行为。行为，是多个基因及环境共同作用的行为。 生

11、化功能是生理功能的基础，生理功能是表现，由于生物体基生化功能是生理功能的基础，生理功能是表现，由于生物体基因表达的组织和发育阶段的特异性等，生化功能相同生理功能并不因表达的组织和发育阶段的特异性等，生化功能相同生理功能并不一定相同。（同工酶就是生化功能相同，而生理功能不同）一定相同。（同工酶就是生化功能相同，而生理功能不同）血红蛋白血红蛋白 生化功能：与生化功能：与O O2 2和和COCO2 2结合；结合； 生理功能：将生理功能：将O O2 2从肺从肺组织细胞，组织细胞， 将将COCO2 2从组织细胞从组织细胞肺；肺；P53P53基因基因 生化功能：生化功能：DNADNA结合蛋白，与特异的结合

12、蛋白，与特异的DNADNA序列结合；序列结合； 生理功能：调节基因表达，阻止细胞过度增殖，抑制肿瘤发生。生理功能：调节基因表达，阻止细胞过度增殖，抑制肿瘤发生。 p53 signaling pathway 4. 4.基因表达调控研究基因表达调控研究 (express control)(express control) 生物体内的基因是按一定程序、有序的表达，才有了生物的生长、生物体内的基因是按一定程序、有序的表达，才有了生物的生长、发育、衰老、死亡。表达程序不同发育、衰老、死亡。表达程序不同不同的性状，病变。基因表达存在不同的性状，病变。基因表达存在时空差异，调控时空差异，调控多彩的世界。多彩

13、的世界。 一个受精卵一个受精卵一个植株、个体一个植株、个体分化出根、茎、叶、花。分化出根、茎、叶、花。 基因表达调控的主要控制点基因表达调控的主要控制点基因转录（表达的第一步，转录已基因转录（表达的第一步，转录已否及转录水平）否及转录水平） 分子生物学的逻辑学方法：分子生物学的逻辑学方法： 1. 1. 效率论（能量节省原理，存在即有用）效率论（能量节省原理，存在即有用） 2. 2. 模型分析模型分析 3. 3. 强烈推理强烈推理 分子生物学的发展和方向：分子生物学的发展和方向： 1. 1. 进一步完善相关技术（分离、分析进一步完善相关技术（分离、分析微量化、自动化、微量化、自动化、高通量高通量

14、） 2. 2. 技术的产业化技术的产业化 3. 3. 学科的交叉学科的交叉 4. 4. 生物信息学生物信息学 Study Content 1. DNA Structure and Chemistry 2. Genomic DNA and Genes 3. DNA Replication, Mutation, Repair 4. Gene Transcription and Posttranscriptional Processes 5. Protein Synthesis and Protein Processing 6. Regulation of Gene Expression 7. DN

15、A Recombinant Technology The revised central dogmaRNA processingGene regulationDNA repair and recombination基基因因组组的的保保持持基基因因组组的的表表达达主要参考书：主要参考书： 1. 1. Molecular BiologyMolecular Biology， Robert F.Weaver, McGraw-Hill Robert F.Weaver, McGraw-Hill Companies, Inc. Companies, Inc. ，20002000（北京：科学出版社）（北京：科

16、学出版社） 2. 2. 分子生物学分子生物学，杨岐生编著，浙江大学出版社，杨岐生编著，浙江大学出版社，20042004 3. 3. 现代分子生物学现代分子生物学（第二版），朱玉贤、李毅编著，高等教（第二版），朱玉贤、李毅编著，高等教育出版社，育出版社，20022002 4. 4. 分子生物学分子生物学，武汉大学出版社，武汉大学出版社 5. 5. 分子生物学分子生物学，南开大学出版社，南开大学出版社 6. 6. 分子遗传学分子遗传学，孙乃恩等编著，南京大学出版社，孙乃恩等编著，南京大学出版社 I consider molecular biology to be the study of gene

17、s and their activities at the molecular level, including transcription, translation, DNA replication, recombination and translocation.Molecular Biology (McGraw-Hill) - Robert Weaver现代分子生物学 - 朱玉贤、李毅 2/E (2002)分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学，是人类从分子水平上真正揭示生物世界的奥秘，由被动地适应自然界转向主动地改造和重组自然界的基础

18、学科。考试特点多元化考核考试特点多元化考核1.1.平时成绩（平时成绩（1010）：考勤，作业，课间提问。）：考勤，作业，课间提问。2.2.文献阅读及报告（文献阅读及报告（2020）3.3.期末考试（期末考试（7070）：知识掌握和综合运用能力。）：知识掌握和综合运用能力。文献阅读及报告文献阅读及报告1.1.每人精读一篇研究论文（英文），写出中文提纲（摘每人精读一篇研究论文（英文），写出中文提纲（摘要，实验方法，实验结果，讨论，结论）（需附结果要，实验方法，实验结果，讨论，结论）（需附结果图）图）2.2.文献报告文献报告培养自信和交流能力培养自信和交流能力提高阅读文献的能力提高阅读文献的能力1.

19、知识架构知识架构（framework） 3.基本知识基本知识4.融会贯通融会贯通5.知识应用与综合知识应用与综合课程知识体系要求课程知识体系要求7030Exams cannot reflect all your abilities, but can help you to become more compatible.从大到小先：先抓西瓜后抓芝麻从大到小先：先抓西瓜后抓芝麻从整体到个体：从整体到个体：CellCellorganelleorganellemolecular molecular machinery-molecular events-molecule machinery-molecu

20、lar events-molecule structure and function/interaction with the structure and function/interaction with the othersothers。 即见点（深刻）又见面（系统）。即见点（深刻）又见面（系统）。从共性到个性，从一般到特殊。从共性到个性，从一般到特殊。学习小巧门学习小巧门 分子生物学发展史：分子生物学发展史：1869 Miescher 第一次分离了DNA；1941 Astbury 获得了第一张DNA X衍射图谱；1944 Avery 细菌转化实验成功，证实了DNA是遗传物质的 载体；19

21、53 Watson Crick 提出DNA双螺旋结构模型；1958 Crick提出遗传信息传递的中心法则；1961 Jacob和Monod 提出操纵子学说遗传调节机理；1962Arber证明限制性内切酶存在；1967 Gellert 发现DNA连接酶；1970 发现反转录酶；19721973 创建了DNA克隆技术，DNA重组实验成功开创了基因工程新纪元；1982 Prusiner 在仓鼠脑中发现了“朊病毒”（prion）；1985 Saiki 发明了聚合酶链式反应（PCR技术）；1990 人类基因组计划（HGP）全面正式启动；1994 日本科学家发表了水稻基因组遗传图，Wilson完成了线虫3

22、号染色体连续2.2Mb的测定；DNA序列测定时代到来1997 Wilmut成功获得克隆羊Dolly诞生；1998 Renard 克隆牛诞生（体细胞个体）； 2003 2003 人类基因组DNADNA测序完成；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： 5050年代双螺旋结构 6060年代操纵子学说 7070年代DNADNA重组 8080年代PCRPCR技术 9090年代DNADNA测序 生命科学从宏观微观宏观；由分析综合的时代。二十一世纪是分子生物学发展的世纪，生命科学将进入一个新的时二十一世纪是分子生物学发展的世纪，生命科学将进入一个新的时代代后基因组时代后基因组时代 post-

23、genomics二十一世纪分子生物学发展的趋势二十一世纪分子生物学发展的趋势：1.1.功能基因组学功能基因组学 functional genomicsfunctional genomics依附于对依附于对DNADNA序列的了解，应用基因组学的知识和工具去了解影响发育序列的了解，应用基因组学的知识和工具去了解影响发育和整个生物体的特征序列表达谱。和整个生物体的特征序列表达谱。 酿酒酵母酿酒酵母1616条染色体的全部序列于条染色体的全部序列于19961996年完成。年完成。 58855885个编码个编码ProteinProtein基因组全长基因组全长1212，086Kb 140086Kb 140个

24、编码个编码 rRNArRNA 6340 6340个基因个基因 4040个编码个编码snRNAsnRNA 275 275个编码个编码tRNAtRNA 功能基因组学研究这功能基因组学研究这60006000个基因，在一定条件下（如孢子形成期）个基因，在一定条件下（如孢子形成期） 同时有多少同时有多少基因协同表达（基因表达谱）。基因协同表达（基因表达谱）。种群物种基因组尺寸( (百万对) )基因数序列测定完成时间原核生物支原体MycoplasmaMycoplasma0.580.5847047019951995大肠杆菌E. coli k12E. coli k124.64.64,3004,30019971

25、997绿脓杆菌PseudomonasPseudomonasaeruginosaaeruginosa6.36.3 5,5005,50020012001真核生物( (单细胞) )酿酒酵母S. cerevisiaeS. cerevisiae12126,2006,20019961996裂变酵母S. pombiS. pombi14144,9004,90020012001幽门螺杆菌Helicobacter Helicobacter pyloripylori1.71.71,5001,50020012001多细胞线虫 C. elegansC. elegans10010018,40018,40019981998

26、果蝇 drosophiladrosophila14014013,60013,60020002000脊椎动物阵风鱼Fugu rubripesFugu rubripes40040030,000?30,000? ?人类3,0003,00040,000?40,000?20032003小鼠3,3003,30040,000?40,000?20072007植物拟南芥ArabidopsisArabidopsis12512525,00025,00020002000水稻56056030,00030,00020052005玉米5,0005,00030,000?30,000? ?小麦17,00017,00030,00

27、0?30,000? ?2.蛋白质组学 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。 蛋白质组与蛋白质组学蛋白质组与蛋白质组学蛋白质组蛋白质组（PROTEOMEPROTEOME：PROTEins expressed by a genOMEPROTEins expressed by a genOME）：）： 基因组表达的全部蛋白质基因组表达的全部蛋白质 在一种细胞在一种细胞/ /组织组织/ /机体内存在的全部蛋白质机体内存在的全部蛋白质蛋白质组学蛋白质组学（PROTEOMICSPROTEOMICS：The study of the proteomeThe study of t

28、he proteome）：）： 研究全部蛋白质的存在及存在形式的一门学科研究全部蛋白质的存在及存在形式的一门学科 “图谱图谱”的建立的建立 （ 蛋白质组学方法学）蛋白质组学方法学） 功能性研究功能性研究表达差异分析表达差异分析功能体或功能复合物功能体或功能复合物相互作用网络关系相互作用网络关系蛋白质组学的研究内容蛋白质组学的研究内容功能蛋白质组学功能蛋白质组学 function proteomefunction proteome 在特定时间、特定环境和实验条件下基因活跃表达在特定时间、特定环境和实验条件下基因活跃表达的蛋白质。（细胞内与某种功能有关的或在某种条件下的蛋白质。（细胞内与某种功能有

29、关的或在某种条件下的一群蛋白质的一群蛋白质）功能蛋白质组学功能蛋白质组学发育过程中细胞内蛋白质的差异性表达发育过程中细胞内蛋白质的差异性表达正常细胞与病理细胞内蛋白质的差异性表达正常细胞与病理细胞内蛋白质的差异性表达药物处理前后细胞内蛋白质的差异性表达药物处理前后细胞内蛋白质的差异性表达翻译后修饰翻译后修饰蛋白质相互作用网络、蛋白质相互作用网络、复合物复合物/ /功能体功能体的动态变化的动态变化等等等等特定时间特定时间特定空间特定空间特定生理条件特定生理条件相互作用相互作用 蛋白质复合体蛋白质复合体 蛋白质网络蛋白质网络翻译后修饰翻译后修饰蛋白质组学的研究内容蛋白质组学的研究内容Nature

30、Genetics (2003) 33, 311-3233.生物信息学 Bioinformatics 定义：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、模拟和传输。 由数据库、计算机网络、应用软件三大部分组成。 美国生物工程信息中心 GenBank 美国基因组序列数据库 GSDB欧洲分子生物学研究所 EMBL(TheEuropeanMolecularBiology Laboratory) 日本DNADNA数据库 DDBJ目前，国际上有三大生物信息中心：可进行DNADNA分析、RNARNA分析、多序列比较、同源序列检索、蛋白质结构预测等分析。 通讯作者 所在单位 杂志名称 年份 研

31、究内容1 夏家辉 中南大学 Nature Genetics 1998 疾病基因克隆2 沈 岩 中国医科院 Nature Genetics 2001 疾病基因克隆3 孔祥银 中国科学院 Nature Genetics 2001 疾病基因克隆4 贺 林 上海交通大学 Nature Genetics 2001 疾病基因克隆5 曾益新 中山大学 Nature Genetics 2002 肿瘤基因定位6 孔祥银 中国科学院 Nature Genetics 2002 疾病基因克隆7 韩 斌 中国科学院 Nature 2002 染色体精细图8 杨焕明 中国科学院 Science 2002 基因组测序9 赵国

32、屏 中国科学院 Nature 2003 基因组测序10 李家洋 中国科学院 Nature 2003 分蘖基因克隆11 陈义汉 同济大学 Science 2003 疾病基因克隆12 韩泽广 南方基因中心 Nature Genetics 2003 基因组测序13 杨焕明 中国科学院 Science 2004 基因组测序14 孟安明 清华大学 Science 2004 基因功能鉴定 Please do not waste your time. 加强专业背景 注意培养自己的学习能力（发现问题， 解决问题，辨别和总结提升等） 提高自己的英文水平（读，说，写）Biology Course Provide

33、an environment to enhance your language capability and skills Provide a stage to enhance your learning capability and skills Tell you that being honest is not hard and extremely important for a healthy person. Lets work together Lets work together to make this course a great experience in to make th

34、is course a great experience in your lifeyour lifeI am looking forward to have a wonderful I am looking forward to have a wonderful semester with all of you. Hope that you all semester with all of you. Hope that you all enjoy the course.enjoy the course.绪绪 论论 什么是分子生物学什么是分子生物学 ? ? 分子生物学是研究分子生物学是研究生物大

35、分子结构与功能生物大分子结构与功能的一门学科。的一门学科。即在分子水平上阐述细胞在生长、发育、分化过程中，生物大分子即在分子水平上阐述细胞在生长、发育、分化过程中，生物大分子的相互作用、细胞传导、基因表达及调控的机制。的相互作用、细胞传导、基因表达及调控的机制。 广义的讲，一切从广义的讲，一切从分子水平分子水平研究生命现象及规律的学科。研究生命现象及规律的学科。 绪绪 论论 什么是分子生物学什么是分子生物学 ? ? 分子生物学是研究分子生物学是研究生物大分子结构与功能生物大分子结构与功能的一门学科。的一门学科。即在分子水平上阐述细胞在生长、发育、分化过程中，生物大分子即在分子水平上阐述细胞在生

36、长、发育、分化过程中，生物大分子的相互作用、细胞传导、基因表达及调控的机制。的相互作用、细胞传导、基因表达及调控的机制。 广义的讲，一切从广义的讲，一切从分子水平分子水平研究生命现象及规律的学科。研究生命现象及规律的学科。 2.2.确定基因的结构；确定基因的结构；(structure)(structure) 结构基因结构基因 一级结构一级结构 调控基因调控基因 高级结构高级结构文献阅读及报告文献阅读及报告1.1.每人精读一篇研究论文（英文），写出中文提纲（摘每人精读一篇研究论文（英文），写出中文提纲（摘要，实验方法，实验结果，讨论，结论）（需附结果要，实验方法，实验结果，讨论，结论）（需附结果图）图）2.2.文献报告文献报告培养自信和交流能力培养自信和交流能力提高阅读文献的能力提高阅读文献的能力从大到小先：先抓西瓜后抓芝麻从大到小先：先抓西瓜后抓芝麻从整体到个体：从整体到个体：CellCellorgane