分子生物学013分子生物学的诞生2课件

1、分子生物学的诞生第1页，共48页。If you could climb the twisted ladder of a DNA molecule and look down, you might see something like the image above. Kenneth Eward, a science artist at BioGrafx Scientific & Medical Images in Ovid, Michigan, used x-ray crystallographic data from DNA molecules to paint a unique portr

2、ait of the double helix. The image omits the chemical bonds that crisscross the center of the molecule, so that the structural features of the helix can be seen more easily. /cgi/content/full/305/5692/1905#illhm1第2页，共48页。分子生物学的诞生：染色体与DNA (1)第3页，共48页。1.0 重新发现引来了孟德尔遗传学的黄金时代遗传学的早期历史可以分为两个阶段，头一阶段从1900年到

3、1909年左右，第二个阶段始于1910年。 贝特森 摩尔根 头一个阶段往往称为孟德尔主义时期，主要精力集中在有关进化问题的争议上以及孟德尔遗传是否普遍有效的问题 摩尔根学派；主要侧重于纯粹遗传学问题的研究，诸如基因的本质、基因在染色体上的一排列等等 第4页，共48页。1.1 孟德尔的遗传因子（基因）在哪里？孟德尔定律的遗传学精髓就是颗粒遗传，它认为性状是受遗传因子控制，遗传因子是呈颗粒状的，在体细胞里成双存在，在生殖细胞里成单存在，它们互不融合，互不沾染，独立分配，自由组合；生物的性状是由遗传因子负责传递的，遗传下来的不是具体的性状，而是遗传因子；只是代表决定某个性状遗传的抽象符号，还不是一个

4、物质实体 孟德尔的遗传因子究竟是什么?它的结构是怎样的?它们在细胞的什么地方?细胞中什么样的结构与假设的遗传因子(基因)是相一致?等等 ?第5页，共48页。1.2 并不是每个人都想到了染色体从遗传学的这段历史来看，1900年以前细胞学研究在35年中所取得的辉煌成就奠定了牢固基础应当能够按细胞学、特别是从染色体的角度来说明几乎一切纯理论性的遗传学发现。染色体细胞学已成为通向生物学其他领域的桥梁，这座桥梁是在能够使用之前就已建成。然而奇怪的是，既使它在能使用之后也几乎被遗传学家、如在摩尔根之前的贝特森、凯塞尔，East等完全忽略了。 第6页，共48页。1.3 一个平行现象与一个重要假说 Sutto

5、n W和Boveri T注意到杂交实验中遗传因子的行为，与配子形成和受精过程中染色体的行为是完全平行的。在孟德尔的工作被重新发现后不久的1903年，WSuntton和TBoveri各自独立地认识到，染色体从一代到一代的传递方式与基因从一代到一代的传递方式有着密切的平行关系。为了解释这种相关性，他们提出了基因位于染色体上的假设，即遗传的染色体学说(Chromosome theory of heredity) Sutton WBoveri T第7页，共48页。1883年，鲁克斯（WRoux）就观察到细胞核内能被染色的丝状体 1888年，沃尔德耶（WWaldeyer）称这种丝状体为“染色体”（chr

6、omosome），并猜测染色体与遗传有关 第8页，共48页。1903年，博韦里（TBoveri）和萨顿（WSSutton）指出，染色体在细胞分裂中的行为与孟德尔的遗传因子平行：两者在体细胞中都成对存在，而在生殖细胞中则是成单的；成对的染色体或遗传因子在细胞减数分裂时彼此分离，进入不同的子细胞中，不同对的染色体或遗传因子可以自由组合。细胞减数分裂时，父本形成的雄性配子只含有父本细胞的一对染色体(AA)中的一个(A)，母本形成的雌性配子只含有母本细胞一对染色体(aa)中的一个(a)，所以配子中的染色体数目减半。雌雄配子结合生成的个体，则有父方的一条染色体(A)和母方的一条染色体(a)，又重新生成了

7、一对染色体(Aa)。如果有两对染色体，父方是(AaBb)，母方是(aabb)，则雄配子的染色体有4种类别：AB、Ab、aB和ab；雌配子的染色体则只有一种类型ab。子一代的染色体则有AaBb、Aabb、aaBb和aabb 4种类型。因而，博韦里和萨顿认为，染色体很可能是遗传因子的载体 第9页，共48页。由此看来，细胞减数分裂中的染色体行为与孟德尔遗传定律中遗传因子的分离和自由组合的行为是完全符合的。在此基础上，Sutton和Boveri于1903年提出假设，即代表性状的遗传因子就是位于细胞核内的染色体上，由此奠立了遗传的染色体学说(Chromosome Theory of Inheritanc

8、e)。 谁证明了这个假说？MORGAN第10页，共48页。1.4 摩尔根何许人也？ 遗传学的先驱摩尔根评传第11页，共48页。Thomas Hunt Morgan摩尔根与果蝇第12页，共48页。1866年9月25日生于美国肯塔基州的列克辛顿。1880年,他进入肯塔基州立学院学习生物学，1886年获得学士学位。第13页，共48页。之后,他去霍普金斯大学深造。“不要以为实验室中的设备是自动化的生理灌肠机从这头塞只动物进去，扳手一拉，另一头就出来了重要的科学发现。”“一切通过实验”的原则1890年获得哲学博士学位。第14页，共48页。18911904年任布林马尔大学动物学副教授。第15页，共48页。

9、19041928年，任哥伦比亚大学实验动物学教授，并在那里进行了他的最重要的工作。“Bug room”第16页，共48页。果蝇是一种很理想的遗传学实验材料（1）它的个头小，每只果蝇仅半厘米长，30万个果蝇的重量仅一磅， 易于在实验室中培养；（2）繁殖快，从出生到性成熟大约只要十天左右；（3）所含染色体少，使研究者易于观察果蝇的遗传变异特征。第17页，共48页。第18页，共48页。互换第19页，共48页。1941年，摩尔根以75岁高龄宣布退休，离开了实验室。1945年底他因病去世。为了纪念，人们将果蝇染色体图中基因之间的单位距离叫做“摩尔根”。第20页，共48页。主要著作关于进化论Evoluti

10、on and Adaptation (1903), A Critique of the Theory of Evolution (1916)关于遗传学Heredity and Sex (1913)The Mechanism of Mendelian Heredity (1915)The Theory of the Gene (1926)关于胚胎学An Introduction to Experimental Embryology (1897)Experimental Embryology (1927)第21页，共48页。1.5 摩尔根的思想转变反对“用染色体行为解释遗传现象”“拥护反对继承并发

11、展”3个阶段 为什么反对？腹部为白色、两侧为黄色的家鼠与野鼠杂交，结果发现，毛色的遗传毫无规律 孟德尔所说的“显性”和“隐性”的概念并不总是像豌豆中的“高茎”和“矮茎”那样泾渭分明，有的生物后代常常表现出介于假定的显性与隐性之间的中间类型 有些孟德尔信徒为了回答反对者的非难，为了证明孟德尔学说的普遍适用性，往往将错误的结论加以强调，而用增加或减少遗传因子（如随意加上多因子控制某些性状的假设）来加以说明 第22页，共48页。 1.6 白眼果蝇的发现与研究 1910年摩尔根自己竟然通过实验证明，果蝇的白眼基因居然是由性染色体携带的！ 提出了性染色体的说法第23页，共48页。实验材料的选取往往是决定

12、研究工作成功与否的关键，它在遗传学发展史中表现得尤为突出，不仅摩尔根在选用果蝇前后的局面生动地表明了这一点，而且孟德尔选用豌豆，以及后来分子遗传学家们选用真菌、细菌（特别是大肠肝菌）、噬菌体、玉米、拟南芥等都证明了这一点。可以说，遗传学发展史中，每一次适合实验材料的选取都导致了一次学科发展的飞跃。以哺乳动物为实验材料，饲养管理一般都较复杂，生长期又长，而且由单基因控制的性状少而难寻，所以，一般不适合遗传学理论研究。这也许是遗传学基本定律首先从植物中发现的主要原因。而果蝇体型小，体长不到半厘米；饲养管理容易，既可喂以腐烂的水果，又可配培养基饲料；一个牛奶瓶里可以养上成百只。果蝇繁殖系数高，孵化快

13、，只要1天时间其卵即可孵化成幼虫，2-3天后变成蛹，再过5天就羽化为成虫。从卵到成虫只要10天左右，一年就可以繁殖30代。果蝇的染色体数目少，仅3对常染色体和1对性染色体，便于分析。作遗传分析时，研究者只需用放大镜或显微镜一个个地观察、计数就行了，从而使得劳动量大为减轻 第24页，共48页。 1.7 第一只白眼果蝇 第25页，共48页。1.8摩尔根师徒的功劳1911年摩尔根提出，果蝇的白眼、黄身和小翅基因连锁于X染色体上，以染色体遗传学说解释了生物性状的连锁遗传现象。由于在生殖细胞形成过程中，细胞中配对的染色体之间发生片段的交换，使后代出现少量不同亲代的连锁类型，交换类型总是以一定的比例（称为

14、交换值）出现。1913年，摩尔根的学生，当时21岁的斯特蒂文特（AHStutervant）提出以交换值作为染色体上基因相对距离的想法。在此基础上，制作了关于染色体上基因之间位置关系及其距离的“基因连锁图”。由于对染色体遗传理论的贡献，摩尔根于1933年荣获诺贝尔生理学医学奖。 第26页，共48页。摩尔根（18661945），美国著名遗传学家，现代遗传学奠基人之一，提出了遗传学三条基本定律中的基因连锁互换定律，确立了基因作为遗传单位的基本概念，并与1933年获得诺贝尔生理及医学奖。第27页，共48页。荣誉和奖金应该属于大家。第28页，共48页。1.9 染色体发现与成分分析1848年，Hofmei

15、ster从鸭跖草的小孢子母细胞中观察到会被碱性染剂染色的物质 1873年Schneider首次观察并描述了这些可被碱性染剂染色的物质在细胞分裂的时候会表现出一种特有的行为，这是生物学家首次观察到细胞有丝分裂（Mitosis）的过程 第29页，共48页。但有丝分裂这个名称是一直到1882年才由Flemming提出，其中所谓的丝就是指这些可被碱性染剂染色的物质在细胞分裂时的外观犹如一些细线而来的。 1882年，德国细胞学家弗鲁门（WFlemming）在研究细胞分裂时，发现细胞核中有易被碱性染料染上颜色的物质，把它称为染色质 第30页，共48页。1883年E. van Beneden则用此技术观察A

16、scaris（一种圆虫）的体细胞与其配子，发现配子中这种可被碱性染剂染色的丝状物质的数目是其体细胞中的二分之一，即在配子生成的过程中这种可被碱性染剂染色的丝状物质的数目有减半的现象发生（减数分裂, meiosis）。但这些可被碱性染剂染色的丝状物质的数目在配子结合后（即受精之后）又会回复到原来的数目 同年W. Roux则建议在细胞核中的这种可以被碱性染剂染色的物质为遗传因子的携带者 第31页，共48页。1887年Weismann则主张这种可被染色物质数目定时的减少现象在所有行有性生殖的生物体内都会发生 1888年Waldeyer才将这种可被染色的丝状物命名为染色体（chromosome） 德国

17、细胞学家T.H. Boveri T确认生殖性细胞染色体减数现象的普遍性；提出染色体个体性 (cnromosome in-dividuality)学说，导致后来从染色体“行为”来解释孟德尔所发现的遗传规律 第32页，共48页。1902年W. S. Sutton等更进一步的的说明分离律中成对基因的分离是源自于减数分裂中同源染色体的联会现象；独立分配律中不同基因的互不干扰随机的分配则是源自于减数分裂prophase I时四分体（tetrads）的任意排列所致。由此可以看出，在这个世纪初期科学家已经能由染色体在细胞分裂时的行为与门德尔所描述的遗传因子在世代间传递原则的相似性看出他们之间的关系 第33页

18、，共48页。什么人证明了染色体是有核酸和蛋白质组成的？没有史料记载？第34页，共48页。1.10 Griffith的肺炎球菌实验-“死菌复活”之谜Pneumococcus第35页，共48页。Griffiths transformation experiment. 第36页，共48页。Figure 1.3 Neither heat-killed S-type nor live R-type bacteria can kill mice, but simultaneous injection of both can kill mice just as effectively as the live

19、 S-type.第37页，共48页。第38页，共48页。这是一个令人困惑的结果。R型活菌或S型死菌分别注入小鼠体内，都不会致病，而两者混和注入却致病了。这一结果暗示S型死菌与R型活菌之间发生某种作用，从而使R型活菌转变为S型的，而且这种转变可以遗传（因为体外培养物中有大量S型活菌） 第39页，共48页。这个导致R型细菌发生遗传转化的因子，其化学本质究竟是什么？这个问题，与遗传学家提出的“基因的化学本质是什么？”实质上是同一个问题。 这一结果可以有3种解释：S 型肺炎双球菌也许并没有完全被高温杀死。这一解释很快被否定，因为单独注射高温杀死的S 型细菌并不能使小鼠患败血症而死亡。R型细菌发生了回复

20、突变。这一解释也不能成立，因为所使用的R型细菌是来自S型细菌的突变，如发生回复突变，从死鼠心血中理应分离到活的S型而非S 型肺炎双球菌。R型细菌从高温杀死的S 型细菌中获得了某种物质，导致类型转化，具备了合成S 型多糖荚膜的能力。格里菲斯选择了这种解释。1931年发现高温杀死的S 型细菌能导致体外培养的R型细菌发生同样的转化，1933年又发现S型细菌的无细胞提取物也能转化体外培养的R型细菌，进一步肯定了细菌的转化。导致细菌转化的物质被称为转化因子 第40页，共48页。1940年7月16日希特勒发布“海狮计划”不列颠空战,德军共出动飞机416万多架次，向英国投掷6万吨炸弹，炸死炸伤英国居民8.6

21、万余人，炸毁100多万栋建筑物，英军以915架飞机和414名飞行员的代价摧毁了1733架德机，击毙和俘获6000名德国飞行员，取得了空战的胜利 第41页，共48页。1.11 Avery的肺炎双球菌实验-艾弗里的证据无人喝彩奥斯瓦德西奥多艾弗里（O. T. Avery） 第42页，共48页。奥斯瓦德西奥多艾弗里（O. T. Avery）1877年10月21日,出生于加拿大的哈里法克斯市，1904年毕业于美国哥伦比亚大学内科和外科学院并获医学博士学位，1913年到洛克菲勒研究所从事医学研究工作，1918年由加拿大籍转为美国籍。他于1941年被选为美国细菌学会主席，曾任美国免疫学家协会主席、美国病理学家和细菌学家协会主席。他是美国科学院院士和英国皇家学会会员。美国纽约大学、芝加哥大学等都曾授予他荣誉