分子生物学-第1章 绪论

1、第一章第一章 绪论绪论 一一. 基本含义基本含义 一一. 分子生物学的基本含义分子生物学的基本含义 是人类从分子水平上研究细胞活动的规是人类从分子水平上研究细胞活动的规律，揭开生命本质的一门基础学科。律，揭开生命本质的一门基础学科。 第一章第一章 绪论绪论 一一. 基本含义基本含义 - 分子水平分子水平是是指指 携带遗传信息的核酸和在遗传信息传递及细胞内、携带遗传信息的核酸和在遗传信息传递及细胞内、细胞间通讯过程中发挥着重要作用的蛋白质等生物细胞间通讯过程中发挥着重要作用的蛋白质等生物大分子。大分子。- 分子水平上研究分子水平上研究生命的本质生命的本质主要是指主要是指 对遗传、生殖、生长和发育

2、等生命基本特征的分对遗传、生殖、生长和发育等生命基本特征的分子机理的阐明子机理的阐明, 从而为利用和改造生物奠定理论基从而为利用和改造生物奠定理论基础和提供新的手段。础和提供新的手段。第一章第一章 绪论绪论 一一. 基本含义基本含义 分子生物学：分子生物学： 是研究核酸等生物大分子的功能、是研究核酸等生物大分子的功能、 形态结构特形态结构特 征及其重要性和规律性的学科，是人类从分子征及其重要性和规律性的学科，是人类从分子 水平上真正揭开生物世界的奥秘，由被动适应水平上真正揭开生物世界的奥秘，由被动适应 自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学 科。科。

3、分子生物学是目前现代生物学领域里最具有活分子生物学是目前现代生物学领域里最具有活 力和发展最为迅速的学科之一。力和发展最为迅速的学科之一。第一章第一章 绪论绪论 二二. 分子生物学发展简史分子生物学发展简史 二二. . 分子生物学发展简史分子生物学发展简史 分子生物学的发展大致可分为两个阶段分子生物学的发展大致可分为两个阶段 1. 1. 准备和酝酿阶段准备和酝酿阶段 1919世纪后期世纪后期-20-20世纪世纪5050年代年代 产生了两点对生命本质的认识上的重大突破产生了两点对生命本质的认识上的重大突破: : 确定了生物遗传的物质基础是核酸确定了生物遗传的物质基础是核酸, 解决了遗解决了遗 传

4、的物质基础问题。传的物质基础问题。 确定了蛋白质是生命的主要基础物质。确定了蛋白质是生命的主要基础物质。第一章第一章 绪论绪论 一一. 基本含义基本含义 多少年来，人们反复提出的几个与一切生命现象有关的问题：1.生命是怎样起源的？2.为什么“有其父必有其子”？3.动、植物个体是怎样从一个受精卵发育而来的？证明DNA就是遗传物质的主要历史事件第一章第一章 绪论绪论 一一. 基本含义基本含义 物竞天择，适者生存物竞天择，适者生存达尔文的进化论达尔文的进化论达尔文的进化论是生物科学史上最伟大的创举之一，具有不可磨灭的贡献。第一章第一章 绪论绪论 一一. 基本含义基本含义 Leeuwenhoek: 世

5、界上第一架显微镜世界上第一架显微镜 德国植物学家德国植物学家Schleiden,动物学家动物学家Schwann: 细胞学说细胞学说所有组织的最基本单元都是形状非常相似而又高度分化的细胞所有组织的最基本单元都是形状非常相似而又高度分化的细胞细胞学说细胞学说第一章第一章 绪论绪论 一一. 基本含义基本含义 经典生物化学和遗传学经典生物化学和遗传学3:19:3:3:1第一章第一章 绪论绪论 一一. 基本含义基本含义 孟德尔总结出生物遗传的两条基本规律：第一，当两种不同植物杂交时，它们的下一代可能与亲本之一完全相同，他把这一现象称为统一律。孟德尔认为，生物的每一种性状都是由遗传因子控制的，这些因子可以

6、从亲代到子代，代代相传。第二，将不同植物品种杂交后的F1代种子再进行杂交或自交时，下一代就会按照一定的比例发生分离，因而具有不同的形式，他把这一现象称为分离规律。第一章第一章 绪论绪论 一一. 基本含义基本含义 遗传性状的连锁规律： 托马斯.摩尔根白眼雄果蝇第一章第一章 绪论绪论 二二. 分子生物学发展简史分子生物学发展简史 DNA是遗传信息的载体是遗传信息的载体1：Griffith :肺炎链球菌实验，肺炎链球菌实验，1928。 P4th-p0072：Avery: DNA是转化源实验是转化源实验.3: Hershey: 噬菌体侵染细菌实验噬菌体侵染细菌实验，19521928年，英国科学家Gri

7、ffith等人发现，具有光滑外表的S型肺炎链球菌能使小鼠发病，具有粗糙外表的R型细菌没有致病力。荚膜多糖能保护细菌免受动物白细胞的攻击。首先用实验证明基因就是DNA分子的是美国著名的微生物学家Avery。他首先将光滑型致病菌（S型）烧煮杀灭活性以后再侵染小鼠，发现这些死细菌自然丧失了致病能力。美国冷泉港卡内基遗传学实验室科学家Hershey和他的学生Chase在1952年从事噬菌体侵染细菌的实验。噬菌体专门寄生在细菌体内，它的头、尾外部都是由蛋白质组成的外壳，头内主要是DNA。第一章第一章 绪论绪论 二二. 分子生物学发展简史分子生物学发展简史 2. 分子生物学的建立和发展阶段分子生物学的建立

8、和发展阶段 主要进展主要进展: 50年代提出了年代提出了DNA分子的分子的双螺旋结构模型双螺旋结构模型和和半保半保留复制机制留复制机制, 解决了解决了遗传物质的自我复制和世代交遗传物质的自我复制和世代交替问题替问题; 50年代末至年代末至60年代年代, 提出了提出了“中心法则中心法则”和操纵和操纵子学说子学说, 成功地破译了遗传密码成功地破译了遗传密码, 阐明了遗传信息的阐明了遗传信息的流动与表达机制。流动与表达机制。 P. 12第一章第一章 绪论绪论 一一. 基本含义基本含义 DNA双螺旋结构模型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。第

9、一章第一章 绪论绪论 二二. 分子生物学发展简史分子生物学发展简史 1957 年年, A. Kornberg 在大肠杆菌中发现了在大肠杆菌中发现了 DNA 聚合酶聚合酶;1965 年年, 证明了细菌的抗药性通常由证明了细菌的抗药性通常由“质粒质粒”DNA所决定；所决定；1967 年年, 第一次发现第一次发现 DNA 连接酶连接酶; 1970 年年, Smith, Wilcox 和和 Kelley 分离出第一种限制性核酸内切分离出第一种限制性核酸内切 酶酶, Temin 和和Baltimore 从从RNA肿瘤病毒中发现反转录肿瘤病毒中发现反转录 酶。酶。1972-73 年年, Boyer, Be

10、rg等人发等人发明了明了DNA重组技术重组技术, 1972年获得第一个重组年获得第一个重组 DNA 分子；分子； 1973年完成第一例细菌基因克隆。年完成第一例细菌基因克隆。1978年年, 首次在大肠杆菌中生产由人工合成基因表达的人脑激首次在大肠杆菌中生产由人工合成基因表达的人脑激 素和人胰岛素。素和人胰岛素。第一章第一章 绪论绪论 二二. 分子生物学发展简史分子生物学发展简史 1981年年, Palmiter和和Brinster 获得转基小鼠获得转基小鼠, Spradliing和和Rubin得到转基因果蝇。得到转基因果蝇。1982年年, 美、英批准使用第一例基因工程药物美、英批准使用第一例基

11、因工程药物胰岛素。胰岛素。1983年年, 获得第一例转基因植物。获得第一例转基因植物。1994年年, 第一批基因工程西红柿在美国上市。第一批基因工程西红柿在美国上市。1996年年, 完成了酵母基因组完成了酵母基因组(1.25 107bp)全序列测定。全序列测定。1997年年, 英国爱丁堡罗斯林研究所获得克隆羊。英国爱丁堡罗斯林研究所获得克隆羊。2000年年, 完成第一个高等植物拟南芥的全序列测定完成第一个高等植物拟南芥的全序列测定 (3.2 108bp)。2001年年, 完成人类基因组全序列测定完成人类基因组全序列测定(3.5 109bp)。第一章第一章 绪论绪论 二二. 分子生物学发展简史分

12、子生物学发展简史 2002年年, 英、美、德等国的上百位科学家在英、美、德等国的上百位科学家在Nature 杂志上联合宣布他们成功破译了小鼠的基因组。杂志上联合宣布他们成功破译了小鼠的基因组。 2004年，年，科学科学杂志发表了中国科学家的杂志发表了中国科学家的家蚕基因组框家蚕基因组框 架图架图。 2005年，年， 2005年年8月月11日中、美、日、法等日中、美、日、法等10个国家和地区个国家和地区 的科学家在的科学家在 Nature 杂志发表了水稻基因组杂志发表了水稻基因组“精细精细 图图”，覆盖率达，覆盖率达95.3。 我国对国际水稻基因组计划的贡献率达我国对国际水稻基因组计划的贡献率达

13、20。共定。共定 位了位了37,500个基因，还率先在动植物中完成了对着个基因，还率先在动植物中完成了对着 丝粒的测序丝粒的测序 。第一章第一章 绪论绪论 二二. 分子生物学发展简史分子生物学发展简史 2009年，年， 由中国农科院蔬菜花卉研究所和深圳华大基因研由中国农科院蔬菜花卉研究所和深圳华大基因研 究院领衔、究院领衔、14国科学家组成的国际马铃薯基因组国科学家组成的国际马铃薯基因组 测序协作组，分别在北京、阿姆斯特丹、伦敦、测序协作组，分别在北京、阿姆斯特丹、伦敦、 纽约、利马等地同时宣布：纽约、利马等地同时宣布： 马铃薯基因组序列框架图完成马铃薯基因组序列框架图完成 马铃薯基因组有马铃

14、薯基因组有12条染色体、条染色体、8.4亿个碱基对亿个碱基对 该框架图覆盖了该框架图覆盖了: 马铃薯马铃薯95以上的基因以上的基因 共发现共发现3.5万多个基因万多个基因 第一章第一章 绪论绪论 二二. 分子生物学发展简史分子生物学发展简史 2009年，年， 中国颁发了具有自主知识产权的中国颁发了具有自主知识产权的: 一个转植酸酶基因玉米品种一个转植酸酶基因玉米品种 生产应用安全证书生产应用安全证书 两个转抗虫基因水稻品种两个转抗虫基因水稻品种 第一章第一章 绪论绪论 二二. 分子生物学发展简史分子生物学发展简史 转植酸酶基因玉米转植酸酶基因玉米: 可以提高饲料的利用效率，减少饲料中磷酸氢可以

15、提高饲料的利用效率，减少饲料中磷酸氢 钙的添加量，降低饲养成本；减少动物粪、尿中植钙的添加量，降低饲养成本；减少动物粪、尿中植 酸磷的排泄，减轻环境污染，有利于环境保护酸磷的排泄，减轻环境污染，有利于环境保护. 此外，利用农业种植方式生产植酸酶，还具有此外，利用农业种植方式生产植酸酶，还具有 节能、环保、低成本的优势。节能、环保、低成本的优势。 植酸酶植酸酶: 是催化植酸及其盐类水解为肌醇与磷酸（盐）的是催化植酸及其盐类水解为肌醇与磷酸（盐）的 一类酶的总称一类酶的总称 第一章第一章 绪论绪论 二二. 分子生物学发展简史分子生物学发展简史 转抗虫基因水稻转抗虫基因水稻: 能有效控制螟虫等鳞翅目

16、害虫危害，保障水能有效控制螟虫等鳞翅目害虫危害，保障水 稻增产，还能减少稻增产，还能减少80%的化学农药用量。的化学农药用量。 专基因水稻面面观专基因水稻面面观第一章第一章 绪论绪论 三三. 分子生物学的主要研究内容分子生物学的主要研究内容 分子生物学的基本原理分子生物学的基本原理 （p 11) 构成生物体各类有机大分子的单体在不同生物中构成生物体各类有机大分子的单体在不同生物中 都是相同的。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生物体内一切有机大分子的建成都遵循共同的规 则。则。 (3) (3) 某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子决定某一特定生物体所拥有的

17、核酸及蛋白质分子决定 了它的属性。了它的属性。第一章第一章 绪论绪论 三三. 主要研究内容主要研究内容 2.2. 主要研究内容主要研究内容 (1(1） DNA重组技术重组技术 （2）基因表达调控研究）基因表达调控研究 （3 3）结构分子生物学）结构分子生物学 （4）基因组、功基因组与生物信息学研究）基因组、功基因组与生物信息学研究 分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容 DNA重组技术重组技术 （1）DNA 重组技术重组技术（基因工程基因工程/遗传工程遗传工程/基因操作基因操作/基因克隆基因克隆/分子克隆分子克隆） 在体外将不同的在体外将不同的 DNA 片段片段 (整个基因或基因的整个基因或

18、基因的 一个部分一个部分) 按照人们的设计定向连接起来后，转入按照人们的设计定向连接起来后，转入 特定的受体细胞，使重组基因在受体细胞中与载体特定的受体细胞，使重组基因在受体细胞中与载体 同时复制并得到表达，从而赋予生物体新的遗传特同时复制并得到表达，从而赋予生物体新的遗传特 性性, 创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物 产品。产品。 基因（基因（gene）：）： 产生一条多肽链或功能产生一条多肽链或功能RNA所需要的全部所需要的全部DNA序列序列.G AATTCCTTAA GSV40G AATTCCTTAA GSV40病毒病毒DNA 噬菌体噬菌体D

19、NAEcoR IDNA ligase连接连接SV40GAATTCCTTAAGSV40 DNAGAATTCCTTAAG DNAVS40GAATTCCTTAAGGAATTCCTTAAGSV405353切割切割图图: SV40 病毒病毒DNA 和和 噬菌体噬菌体 DNA 的重组的重组例1:例2:分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容 DNA重组技术重组技术 DNA重组操作主要包括重组操作主要包括: DNA (基因组和质粒DNA) 提取和纯化 PCR (聚合酶链反应) 基因扩增 DNA聚合酶 DNA分子切割 限制性内切酶限制性内切酶 DNA片段与载体载体连接 DNA连接酶连接酶 DNA凝胶电泳 细胞

20、转化及重组子的筛选与鉴定等 分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容 DNA重组技术重组技术 三大基本工具三大基本工具: “分子手术刀” 限制性核酸内切酶 “分子缝合针” DNA连接酶 “分子运输车” 基因进入受体细胞的载体 分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容 DNA重组技术重组技术 DNA重组技术重组技术应用前景应用前景 可用来进行基因功能的研究。如利用 反义技术、 RNA干扰等技术。 可用于定向改造某些生物的基因组结构。如：转 基因Bt抗虫棉，将苏云金芽孢杆菌编码Bt毒蛋白 的抗虫基因转入棉花后获得的。 可用于大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低或 不能 产生的多肽，如激素、抗生素、

21、酶类和抗体 等，提高产量，降低成本。分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容 基因表达调控研究 基因表达基因表达 (gene expression): 从从DNA到蛋白质或功能到蛋白质或功能RNA的过程被称为基因表达。的过程被称为基因表达。 实质上就是遗传信息的转录和翻译实质上就是遗传信息的转录和翻译 基因表达调控基因表达调控(gene regulation)： 对基因表达过程的调节就称为基因表达的调控。对基因表达过程的调节就称为基因表达的调控。 (2) 基因表达调控研究基因表达调控研究分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容 基因表达调控研究 DNA RNA反馈(?)转录复制 翻译 蛋白质生

22、理功能图图: 遗传信息传递的遗传信息传递的“中心法则中心法则”示意图示意图 （21世纪后修正的世纪后修正的 ）tRNA和rRNA 小RNA（microRNAs） 非编码RNA（Non-codingRNA）P.11分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容 基因表达调控研究 基因表达调控类型基因表达调控类型: 时序调控 (遗传特性) 区域调控 (遗传特性) 环境调控 (内外环境变化)基因表达过程中的调控主要发生在：基因表达过程中的调控主要发生在： DNA的转录水平 ( 原核生物和真核生物) RNA的翻译水平 (此调控仅发生在真核生物的基因表 达中)分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容 结构分子

23、生物学结构分子生物学 （3）生物大分子的结构功能研究）生物大分子的结构功能研究结构分子结构分子生生物学物学 一个生物大分子，无论是核酸、蛋白质等在发挥其生物功一个生物大分子，无论是核酸、蛋白质等在发挥其生物功能时，必须具备两个提：能时，必须具备两个提： 拥有特定的空间结构拥有特定的空间结构 （三维结构）；（三维结构）； 发挥生物学功能的过程中必定存在着结构和构象的变发挥生物学功能的过程中必定存在着结构和构象的变 化。化。分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容 结构分子生物学结构分子生物学 结构分子生物学结构分子生物学就是研究生物大分子特定的空间结就是研究生物大分子特定的空间结构及结构的运动变

24、化与其生物学功能关系的科学。构及结构的运动变化与其生物学功能关系的科学。 主要包括三个研究方向：主要包括三个研究方向： 结构的测定结构的测定 采采用用X射线衍射、二维或多维核磁共振等方法射线衍射、二维或多维核磁共振等方法 结构运动变化规律的探索结构运动变化规律的探索 结构与功能相互关系的建立结构与功能相互关系的建立分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容 基因组、功能基因组与生物信息学研究 （4）基因组、功基因组与生物信息学研究）基因组、功基因组与生物信息学研究 基因组（基因组（genome): 生物有机体的单倍体细胞中的所有DNA，包括 核中的染色体DNA和线粒体、叶绿体等亚细胞器中 的DNA。 P. 456 分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容 基因组、功能基因组与生物信息学研究 基因组计划基因组计划: 测定基因组序列。 - 人类基因组计划 目的是揭开人类所有的遗传结构, 包括所有的基因(尤其是与疾病相关的基因)和基因外 序列的结构。1990年-2001年，美、英、法、德、 日、中 6 国的合作已完成人类基因的全部序列测定工 作。 - 小家鼠、果蝇、线虫、拟南芥、水稻、啤酒酵母，以 及多种真菌、细菌的基因组研究相继展开