分子生物学课件第一章绪论

1、2014级生物制药专业基础课生物化学教研室生物化学教研室 郝军莉郝军莉电话：电话：1804853606918048536069课程介绍课程介绍l课程性质：专业基础课（必修课）l学时分配：理论36学时l主要内容：基本理论l考核方式：1：平时成绩40%（综述20%l PPT汇报10%，平时10%）l 2：考试成绩60%1.1.盛祖嘉盛祖嘉 沈仁权沈仁权 分子遗传学分子遗传学 2.2.孙乃恩孙乃恩 孙东旭孙东旭 朱德煦朱德煦 分子遗传学分子遗传学3.3.刘永明，刘永明，分子生物学简明教程分子生物学简明教程4.4.吴乃虎编著吴乃虎编著 基因工程原理基因工程原理5. Benjamin Lewin 5.

2、Benjamin Lewin Genes Genes 参考书目1 分子生物学的概念分子生物学的概念2 分子生物学研究内容分子生物学研究内容3 3 分子生物学与其他学科的关系分子生物学与其他学科的关系4 分子生物学的发展简史分子生物学的发展简史5 5 分子生物学应用及发展趋势分子生物学应用及发展趋势第1章 绪 论 1.1 什么是分子生物学什么是分子生物学 分子生物学是从分子水平对生物学进行研究的科学，分子生物学是从分子水平对生物学进行研究的科学，实质上是研究生命的分子机理的学科。实质上是研究生命的分子机理的学科。 19501950年年AstburyAstbury首先提出首先提出“分子生物学分子生

3、物学”这一术语，这一术语，意指意指“生物大分子的化学和物理结构研究生物大分子的化学和物理结构研究”。1 分子生物学的概念1.2 分子生物学的基本含义分子生物学的基本含义 从分子水平研究生命的本质从分子水平研究生命的本质 核酸、蛋白质等生物大分子的结构与功能核酸、蛋白质等生物大分子的结构与功能 人类主动地改造和重组自然界的基础学科人类主动地改造和重组自然界的基础学科1 分子生物学的概念1.3 1.3 分子生物学三大基石分子生物学三大基石 一基因一酶学说一基因一酶学说 双螺旋模型双螺旋模型 操纵子模型操纵子模型1.4 1.4 分子生物学的基本原理分子生物学的基本原理 构成生物体的分子在不同生物中都

4、是相同的构成生物体的分子在不同生物中都是相同的 生物体内分子的构建都遵循共同的规则生物体内分子的构建都遵循共同的规则 核酸、蛋白质决定了生物体的属性核酸、蛋白质决定了生物体的属性分子生物学和分子遗传学的区别：分子生物学和分子遗传学的区别： 分子遗传学主要侧重于研究核酸的结构与功能分子遗传学主要侧重于研究核酸的结构与功能2 分子生物学研究内容2.1 2.1 结构分子生物学结构分子生物学 结构的测定结构的测定 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方法：方法：X-射线衍射、核磁共振、电子衍射、中子衍射及频谱学方法等。射线衍射、核磁共振、电子衍

5、射、中子衍射及频谱学方法等。2.2 2.2 生物大分子的合成生物大分子的合成 DNA复制、转录、蛋白质合成均是遗传信息传递表达过程。复制、转录、蛋白质合成均是遗传信息传递表达过程。 合成过程也是生物大分子相互作用的过程，这种作用调节着合成过程也是生物大分子相互作用的过程，这种作用调节着生命过程生命过程生长、发育、适应环境。生长、发育、适应环境。2 分子生物学研究内容2.3 2.3 基因表达调控研究基因表达调控研究基因表达即遗传信息的传递具有基因表达即遗传信息的传递具有时空特异性时空特异性。信号传导：信号传导：指外部信号通过细胞膜上的受体蛋白传指外部信号通过细胞膜上的受体蛋白传到细胞内部，并激发

6、诸如离子通透性、细胞形状或到细胞内部，并激发诸如离子通透性、细胞形状或其他细胞功能方面的应答。其他细胞功能方面的应答。转录因子：转录因子：是一群能与基因是一群能与基因5锻上游特定序列专一锻上游特定序列专一结合，从而保证目的基因以特定的强度在特定的结合，从而保证目的基因以特定的强度在特定的时间和空间表达的蛋白质分子。时间和空间表达的蛋白质分子。RNA编辑：编辑：5加帽、加帽、3加尾、加尾、RNA选择性剪接等。选择性剪接等。2 分子生物学研究内容2.4 DNA2.4 DNA重组技术（基因工程）重组技术（基因工程） 将不同的将不同的DNA片断按照人们的设计定向连接起来，片断按照人们的设计定向连接起来

7、，在特定的受体细胞中与载体同时复制并得到表达，在特定的受体细胞中与载体同时复制并得到表达，产生影响受体细胞的新的遗传性状。产生影响受体细胞的新的遗传性状。应用应用： 生产多肽，如激素、抗生素、酶类及抗体等。生产多肽，如激素、抗生素、酶类及抗体等。 定向改造某些生物的基因组结构，如定向改造某些生物的基因组结构，如“超级细菌超级细菌”、转基因、转基因动植物等；动植物等； 进行基础研究，如基因表达调控模式、启动子和增强子的进行基础研究，如基因表达调控模式、启动子和增强子的研究、转录因子的克隆和分析等。研究、转录因子的克隆和分析等。分子生物学：分子生物学：从从分子分子水平理解生命活动水平理解生命活动细

8、胞生物学：细胞生物学：从从细胞细胞水平理解生命活动水平理解生命活动遗传学：遗传学：从从遗传遗传角度理解生命活动角度理解生命活动 生物化学：生物化学：从从化学组成化学组成角度来理解生物大分子和生物代谢。角度来理解生物大分子和生物代谢。普通生物学（动物普通生物学（动物&植物）植物）& 微生物学：微生物学：不同不同生物类型生物类型的特点。的特点。生物物理学：生物物理学：从从物理学物理学角度理解生物大分子结构和功能。角度理解生物大分子结构和功能。3 分子生物学与其他学科的关系 分子生物学是生物化学、生物物理学、遗传学、微生分子生物学是生物化学、生物物理学、遗传学、微生物学、细胞生物学等

9、多学科相互渗透、综合融会而产生并物学、细胞生物学等多学科相互渗透、综合融会而产生并发展起来的。生命活动的发展起来的。生命活动的一致性一致性，是生物学范围内所有学，是生物学范围内所有学科在科在分子水平分子水平上的统一。上的统一。4 分子生物学的发展简史分子生物学发展经历了五个阶段分子生物学发展经历了五个阶段经典遗传：十八世纪70年代1938年微生物遗传：1938年 1953年分子遗传：1953年到1972年重组时代：1972年到1990年后基因组和蛋白质学时代：1990年至今经典遗传：十八世纪70年代1938年1865 1865 Mendel,G.Mendel,G.发表发表了了植物杂交实植物杂交

10、实验验的论文，开的论文，开创了遗传学。创了遗传学。 18691869年年F.MiescherF.Miescher从脓从脓细胞中提取到一细胞中提取到一种富含磷元素的种富含磷元素的酸性化合物，称酸性化合物，称核质核质(nuclin) (nuclin) 经典遗传：十八世纪70年代1938年1885188519001900年间年间KosselKossel、LeveneLevene证实核证实核酸由不同的碱基组成。酸由不同的碱基组成。其最简单的单体结构是其最简单的单体结构是碱基碱基- -核糖核糖- -磷酸构成的核磷酸构成的核苷酸。苷酸。19291929年又确定了年又确定了核酸有两种，一种是脱核酸有两种，一

11、种是脱氧核糖核酸氧核糖核酸(DNA)(DNA)，另，另一种是核糖核酸一种是核糖核酸(RNA)(RNA)。经典遗传：十八世纪70年代1938年19101910年年Morgan T.H.Morgan T.H.发发现连锁定律现连锁定律, ,奠奠定了遗传的染定了遗传的染色体学说。色体学说。 经典遗传：十八世纪70年代1938年19281928年年GriffithGriffith 肺炎双肺炎双球菌的转化球菌的转化经典遗传：十八世纪70年代1938年19411941年年Beadlr G.WBeadlr G.W和和Tatum E.LTatum E.L. . 建立建立“ 一个基因一个基因- - 一种酶一种酶”

12、学学说说用用X X射线诱导处理红色面包霉，射线诱导处理红色面包霉，筛选出被诱导的突变体来进筛选出被诱导的突变体来进行实验。根据遗传分析和大行实验。根据遗传分析和大量研究量研究 ，他们认为基因发生，他们认为基因发生突变，就可能导致酶活性的突变，就可能导致酶活性的丧失。丧失。 微生物遗传：1938年 1953年 1944 1944年年 AveryAvery在离体条在离体条 件下完成化。件下完成化。微生物遗传：1938年 1953年微生物遗传：1938年 1953年19501950年年ChargaffChargaff 指出指出DNADNA中四种碱基的中四种碱基的比例关系为比例关系为A/T=G/C=1

13、A/T=G/C=1；微生物遗传：1938年 1953年19511951年年PaulingPauling和和CoreyCorey提提出了蛋白质的出了蛋白质的-螺旋结构。螺旋结构。19511951年年McClintock B.McClintock B.发现跳跃基因发现跳跃基因或称转座或称转座微生物遗传：1938年 1953年微生物遗传：1938年 1953年19521952年年HersheyHershey和和ChaseChase 噬噬菌体感染实验菌体感染实验微生物遗传：1938年 1953年19521952年年 WilkinsWilkins和和FranklinFranklin用高用高度定向的度定向

14、的DNADNA纤维作出纤维作出高质量的高质量的X-X-光衍射照片光衍射照片分子遗传：1953年到1972年19531953年，年，WatsonWatson和和CrickCrick提出提出DNADNA的反向的反向平行双螺旋模型。平行双螺旋模型。19621962年，年， WilkinsWilkins、 WatsonWatson和和CrickCrick共获诺贝尔化学奖。共获诺贝尔化学奖。分子遗传：1953年到1972年19571957年年CrickCrick提出中心法则。提出中心法则。19571957年年KornbergKornberg用用E.coli E.coli 无细胞提无细胞提取液合成取液合成

15、DNA DNA ，证明，证明DNADNA是模板式合成，并发现了是模板式合成，并发现了DNA polymeraseDNA polymerase。 分子遗传：1953年到1972年19581958年年MeselsonMeselson和和StahlStahl证实证实DNADNA半保留复制半保留复制分子遗传：1953年到1972年1961 1961 Jacob, F.Jacob, F.和和Monod, J.Monod, J.提出了操纵子模型提出了操纵子模型19611961年年Brewner, S.Brewner, S.，Jacob, F.Jacob, F. 和和Meselson, MMeselson,

16、 M. . 发现细菌的发现细菌的mRNAmRNA。分子遗传：1953年到1972年19611961年年 NivenbergNivenberg等人破译等人破译出第一批遗传密码。出第一批遗传密码。19621962年年 Arber, W.Arber, W.，DussoixDussoix, , D D. . 发现了发现了DNADNA的限制与修饰。的限制与修饰。19631963Monod, J.Monod, J.，Changeus, J-PChangeus, J-P和和Jaconb, FJaconb, F提出蛋白变构理论。提出蛋白变构理论。1964 1964 NirenbergNirenberg等通过三

17、联体结合实验破译全部有义密码子。等通过三联体结合实验破译全部有义密码子。Holliday,R. Holliday,R. 提出了提出了DNADNA重组模型。重组模型。1965 1965 Holley, R.W. Holley, R.W. 等发表酵母丙氨酸等发表酵母丙氨酸tRNAtRNA的完整序列。的完整序列。分子遗传：1953年到1972年重组时代：1972年到1990年1972 1972 BergBerg和和BoyerBoyer等人建立等人建立DNADNA重组技术，完成第一个细重组技术，完成第一个细菌基因的克隆菌基因的克隆1973 1973 Cohor, S.R, Chang, A,C.Y,

18、Boyer, H.WCohor, S.R, Chang, A,C.Y, Boyer, H.W和和Holling, Holling, R.BR.B首次在体外构建具有功能的细菌质粒首次在体外构建具有功能的细菌质粒1975 1975 Temin Temin 发现反转录酶发现反转录酶19771977Sanger, Gilbert Sanger, Gilbert 建立测序方法建立测序方法1980 1980 Botstein,D., White,R.L., Skolnick,M. Botstein,D., White,R.L., Skolnick,M. 和和Davis,R.W. Davis,R.W. 用限

19、制用限制性片段长度的多态性构建人类遗传学连锁图。性片段长度的多态性构建人类遗传学连锁图。1978 1978 Chang,A.C.Y.,Nunberg,T.H.,Kanfaman,R.F.Chang,A.C.Y.,Nunberg,T.H.,Kanfaman,R.F.首首次将真核基因（次将真核基因（dhfrdhfr）在细菌中进）在细菌中进 行表达。行表达。1979 1979 Wang,A.H-JWang,A.H-J和和 Rich,A. Rich,A. 提出提出Z-DNAZ-DNA模型。模型。19801980Botstein,D.,White,R.L.,Skolnick,M.Botstein,D.,

20、White,R.L.,Skolnick,M.和和 Davis,R.W.Davis,R.W.用限用限制性片段长度的多态性构造人类遗传学连锁图。制性片段长度的多态性构造人类遗传学连锁图。重组时代：1972年到1990年重组时代：1972年到1990年1986 1986 Benne, RBenne, R等发现等发现RNARNA编辑的现编辑的现19811981CechCech和和Altman Altman 发现核酶发现核酶Banerji,SBanerji,S等等发现增强子。发现增强子。19841984 Smith M. Smith M. 建立定点突变技术建立定点突变技术1985 1985 Mullis

21、 K Mullis K. .建立建立PCRPCR技术技术后基因组和蛋白质学时代：1990年至今1990 41990 4月月 美国宣布人类基因组测序工作的美国宣布人类基因组测序工作的5 5年计划。年计划。1996 DNA1996 DNA芯片进入商业化芯片进入商业化1996 Dietrich, W.F1996 Dietrich, W.F等绘制了小鼠基因组的完整遗传图谱。等绘制了小鼠基因组的完整遗传图谱。 Dib, CDib, C等绘制了人类的完整遗传图谱。等绘制了人类的完整遗传图谱。1996 101996 10月完成了酵母基因组的测序月完成了酵母基因组的测序1997 Wilmut 1997 Wil

22、mut 克隆羊诞生克隆羊诞生1998 Sanger F. 1998 Sanger F. 等完成了线虫的基因组测序。等完成了线虫的基因组测序。1999 1999 国际人类基因组计划联合研究小组国际人类基因组计划联合研究小组 完整地破译出人类第完整地破译出人类第2222号染色体的遗传密码。号染色体的遗传密码。2000 62000 6月月26 26 中、美、日、德、法、英中、美、日、德、法、英6 6国国 宣布人类基因组草图发表。宣布人类基因组草图发表。2000 102000 10月月 科学家宣布将于科学家宣布将于20012001年年3 3月月 完完 成河豚鱼的基因组测序。成河豚鱼的基因组测序。200

23、0 122000 12月月1414日英美等国科学家宣布日英美等国科学家宣布 绘出拟南芥基因组的完整图谱绘出拟南芥基因组的完整图谱l 1 1月月1212日中、美、日、德、法、英等国科学日中、美、日、德、法、英等国科学 (Nature,15(Nature,15日日) )和美国塞莱拉公司和美国塞莱拉公司(Science,16(Science,16日日) ) 各自公布人类基因组图谱和初步分析结果。各自公布人类基因组图谱和初步分析结果。 约约3 3万基因万基因后基因组和蛋白质学时代：1990年至今5 分子生物学应用及发展趋势 品种选育：抗逆性、增产、提高营养价值等品种选育：抗逆性、增产、提高营养价值等

24、作为生物反应器生产人们所需产品作为生物反应器生产人们所需产品 植物的组织培养快速繁殖脱毒等植物的组织培养快速繁殖脱毒等 转基因植物转基因植物5.1在农业上的应用在农业上的应用5 分子生物学应用及发展趋势5.1在农业上的应用在农业上的应用染色体组工程染色体组工程三倍体鲍鱼三倍体珍珠无籽西瓜细胞的组织培养细胞的组织培养5 分子生物学应用及发展趋势5.1在农业上的应用在农业上的应用转基因鼠转基因鼠 建立人类疾病模建立人类疾病模 型，模拟疾病的起因。型，模拟疾病的起因。 老年性痴呆症老年性痴呆症 自毁容综合征自毁容综合征 基因敲除试验基因敲除试验 培养人的器官培养人的器官5 分子生物学应用及发展趋势5

25、.1在农业上的应用在农业上的应用转基因牛转基因牛 作为生物反应器作为生物反应器 改善牛奶的品改善牛奶的品质，提高酪蛋白含量质，提高酪蛋白含量 转入生长激素基转入生长激素基因，提高产奶量因，提高产奶量5 分子生物学应用及发展趋势5.1在农业上的应用在农业上的应用转基因羊转基因羊 获得人的凝血酶获得人的凝血酶原激活剂、凝血原激活剂、凝血因子、尿激酶等。因子、尿激酶等。 改变羊毛的颜色改变羊毛的颜色 人类的基因组计划人类的基因组计划 基因治疗（遗传疾病）基因治疗（遗传疾病） 疾病的诊断疾病的诊断 单克隆抗体（生物导弹）单克隆抗体（生物导弹） 疾病的防治（基因工程疫苗）疾病的防治（基因工程疫苗）5 分

26、子生物学应用及发展趋势5.2 在医学方面的应用在医学方面的应用 对人的基因组对人的基因组3 310109 9 个碱基全部序列的测定。个碱基全部序列的测定。 阐明人体中全部基因的位置、结构、功能、表阐明人体中全部基因的位置、结构、功能、表达调控方式及致病突变的全部信息。达调控方式及致病突变的全部信息。 人类的基因组计划（人类的基因组计划（Human Genome Program，HGP） 根据染色体数进行基因组分组 每条染色体确定出DNA序列标志 对基因组DNA进行排序 克隆并测定基因组的全部序列 研究每一个基因的结构、功能、表达调控等性质。HGPHGP的研究过程的研究过程 加深人类对自身的了解

27、加深人类对自身的了解 对基因表达调控深入研究对基因表达调控深入研究 认识遗传疾病以及癌症等的致病机理认识遗传疾病以及癌症等的致病机理 了解人的发育过程有利于人类的健康了解人的发育过程有利于人类的健康 了解人类的发展、进化历史。了解人类的发展、进化历史。HGPHGP的意义的意义 人类的基因组计划人类的基因组计划（Human Genome Program，HGP）人类后基因组计划的挑战人类后基因组计划的挑战 基因专利化：重视克隆自己的基因。基因专利化：重视克隆自己的基因。 基因工程产业基因工程产业 基因诊断、治疗、蛋白质和基因诊断、治疗、蛋白质和细胞计划等需要基因。细胞计划等需要基因。遗传病及基因

28、治疗遗传病及基因治疗 体外原位治疗体外原位治疗从患者体内取出带有缺陷的细胞，通过基因转从患者体内取出带有缺陷的细胞，通过基因转移进行遗传修正。将经过遗传修正后的细胞转移进行遗传修正。将经过遗传修正后的细胞转入患者的体内。入患者的体内。人类现有人类现有30003000多种遗传病，已找到了多种遗传病，已找到了200200与遗传病有关与遗传病有关的基因。人类中的遗传病大致分为单基因、多基因和染的基因。人类中的遗传病大致分为单基因、多基因和染色体病三大类。如染色体病（由于染色体畸变所致的遗色体病三大类。如染色体病（由于染色体畸变所致的遗传病）先天愚型、猫叫综合征、性腺发育不全症等。传病）先天愚型、猫叫综合征、性腺发育不全症等。遗传病遗传病基因治疗基因治疗遗传病及基因治疗遗传病及基因治疗基因治疗基因治疗 体内基因治疗体内基因治疗是指将具有治疗功能的基因直接转入病人是指将具有治疗功能的基因直接转入病人的某一特定组织中，并且能正常表达。的某一特定组织中，并且能正常表达。 反义疗法反义疗法引入与目的引入与目的mRNAmRNA相补的相补的RNARNA（反义（反义RNARNA），用），用于阻遏或降低某个基因的表达，