现代分子生物学进展

1、现代分子生物学进展1. 20世纪生命科学的面貌 2. 分子生物学的根本概念3. 21世纪分子生物学展望4. 21世纪生命科学世纪 1. 二十世纪生命科学的面貌1.1 Mendel遗传理论的开展1900年Mendel遗传理论确实认与证实 绿色革命1940s-1990s抗生素生物遗传理论 (孟德尔、摩尔根)农业生产的开展基因的证实医学，药学的开展矿质营养理论李比希有机合成理论缪勒杂优利用化肥施用农药使用人类对生命现象的认识中心法那么的补充基因的克隆生物个体的克隆复原论20世纪人类对生命现象的认识整体论21世纪 生物与非生物间的界限消失了！？ 生物学应改为核酸化学蛋白质化学！？ 基因克隆，拼结 组装

2、婴儿！？后基因组学发育生物学细胞中的遗传与变异细胞分化与个体发育生命科学的飞跃个体 染色体 基因 DNA dNt分子 亚分子 结构域 结构单元 原子功能 结构 结构生物学 现象 调控 信号传递 基因表达 蛋白质 基因 基因组数、理、化相关学科生物学实验技术渗透 交叉生物学近代生物学个性共性宏观生物学(生态学为核心)微观生物学(分子生物学为核心)细胞水平分子水平结构生物学，发育生物学，神经生物学等新兴学科开展生物多样性研究资源保护与利用人类生态环境的保护工农业生产持续开展1.2现代生物学的开展分子生物学分子结构生物学分子发育生物学分子神经生物学分子育种学分子肿瘤学分子细胞生物学分子免疫学分子病毒

3、学分子生理学分子考古学分子遗传学分子数量遗传学分子生态学分子进化学化学生物学分子生物学渗透到生物学几乎所有学科!分子生物学成为现代生命科学的共同语言! 1.3 分子生物学的延伸分子生物学理论的突破人口与粮食1.4生物技术的有效应用新旧技术的有机结合能源与资源健康与疾病分子生物学与经济开展这是GTC公司的养殖场，工作人员从转基因山羊身上挤出了羊奶。在貌似平凡的羊奶中，含有价值不菲的药用蛋白质 农高园蝴蝶兰培育中心 2. 分子生物学的根本概念 1953 Watson & CrickDNA Double Helix model基因的两个根本属性以DNA, protein为核心 ；以生物化学为根底基因

4、的自我复制基因控制性状的表达生物系统的共性某一生物的个性形成广义的分子生物学 在分子生物学的研究领域共同遵循 三大基本原则 构成生物大分子的单体是相同的 生物遗传信息的表达的中心法那么相同DNARNApolypeptidesproteincharacter高级结构生物大分子之间的互作个性分子生物学的三大原那么共同的核酸语言 共同的蛋白质语言 生物大分子单体的排列(核苷酸，氨基酸)proteinCrick： .我本人的思想是基于两个根本 原理，我称之为: 序列假说sequence hypothesis 和中心法那么central dogma )序列假说：核酸片段的特异性完全由其碱基序列所决定，而

5、且 这种序列是某一蛋白质的氨基酸序列的密码。中心法那么：信息一旦进入蛋白质，它就不可能再输出结构生物学基因分子生物学应用分子生物学分子生物学研究的三大主要领域生物大分子的结构与功能生物大分子之间的互作 DNA-protein Hormone-receptor Enzyme-substrate基因的概念基因的结构基因的表达基因的重组基因的交换基因工程细胞工程酶工程微生物工程蛋白质工程狭义的分子生物学1847年Schleiden(斯雷登) & Schwann (施澳恩)细胞的化学组成，细胞器的结构，细胞骨架，生物大分子在细胞中的定位及功能分子生物学开展的三大支撑学科之一 生物体由细胞组成 所有组织

6、的最基本单元-形状相似，高度分化的细胞 细胞的发生与形成是生物界普遍和永久的规律CytologyMolecular Cell biology Cytology1864 年 MendelGeneticsMolecular GeneticsGene structure Gene duplication Gene expression Gene recombination Gene mutation 分子生物学开展的三大支撑学科之二遗传因子假说GeneticsBiochemistryNucleic Acid ChemistryProtein Chemistry (1936年 Sumner)分子生物学

7、发展的 三大支撑学科之三Enzyme ProteinBiochemistry近半个世纪以来 分子生物学中重大突破与成就者 Nobel Prize生物学发展的里程碑与主要内容Joshua Lederberg1958 Joshua Lederberg (33y) J.莱德伯格（美国人）Phage transduction转染Beadle & TatumG.W.比德乐、E.L.塔特姆 One gene-one enzymeSevero Ochoa (54y)S.奥乔亚 Rich phosphate bonds of ATP - EnergyArthur Kornberg (41y) DNA repl

8、icationIsolationDNA polymerase IA.科恩伯格1959James Watson (34y)Francis Crick (46y)Maurice Wilkins (46y) M.威尔金斯DNA Double Helix model1962富兰克林X射线衍射照片Francois Jacob (44y) F.雅各布Jacques Monod (55y) J.L.莫诺 (French)Lac. Operon Theory1965Concept of mRNA1968美国人R. Holley H.G. Khorana M. Nirenberg R.霍利 H.G.霍拉纳 M.

9、W.尼伦伯格H. Gobind Khorana(46y)How to synthesize triplet RNAMarshall Nirenberg(41y)Genetic codenRobert Holley(46y)tRNAphe cloverleaf structure1969Max Delbruck (63y)Alfred Hershey (61y)Phage groupPhage infection cycleDNA as genetic materialM. DelbruckM.德尔布吕克 A. Hershey A. 赫尔 Howard Temin (41y) H. 特明Davi

10、d Baltimore (37y) D. 巴尔摩Reverse transcription1975Walter Gilbert (沃尔特.吉尔伯特)Mechanism of protein synthesisIsolation of Lac. Operon repressor1980诺贝尔化学奖 DNA + SV40 Recombination DNAPaul Berg (保罗. 伯格)基因工程学的奠基人1983. Barbara McClintock (86y)B. 麦克林托克美国人DNA transposable elememt 1984 Kohler & Milstein G.克勒. C

11、.米尔斯坦 Monocloning antibody 1993 Roberts & Sharp R.J.罗伯茨. P.A.夏普 Splitting gene 1994 Gilman & Rodball A. 吉尔曼. M.罗德贝尔 G-protein as a signal molecular in cell 1995 Lewis & Nusslein-Volhard E.刘易斯. E.F.维绍斯-C.福尔哈德 Control gene of body developing in Drosophila 1997 S.B.普鲁西纳 Prion（朊蛋白） 1998 R.佛契哥特，F. 慕拉德和L.

12、 格纳洛 NO cell message2002 S.布雷内, H.R. 霍维茨, J. 苏尔斯顿 Apoptosis (凋亡) 线虫F. Sanger received two Nobel prizes Protein sequencing and DNA sequencing3. 21 世 纪 分 子 生 物 展 望3.1 自然科学历史舞台 角色将发生重大变化 物 理 学 生 物 学引导自然科学向物质运动最高层次突破的带头学科 却将世界一分为二 “两种科学，两种世界物理学观点解释?Newton牛顿 “宇宙是一个整体从19世纪末 物理学(自然科学的基本学科) Elinstein爱因斯坦 “T

13、he theory of relativity非生命科学 物理世界生命科学生物世界有序 无序 热力学二定律低级 高级 生物进化生命的物质根底自然科学的统一 无论高级或低级均由生物分子按一定层次形成 一定高度的有序的系统 不断地与外界发生物质的交换，是一个远离平 衡态的开放的耗散结构(dissipative structure) 能精确地自我复制并发生遗传与变异活的有机体在对宇宙，生命世界的探索中物理学的新思潮形成: 以牛顿力学为根底的决定论思维方式的改变：1940s 以后 非线性, 非平衡动力学系统理论 耗散结构（dissipative structure） 混沌论 (chaos) 生命是大分

14、子物质整体活动的表现不是若干组成部分性质的累积生命的复杂形式为非线性的 分析式思维 整体式思维有关事实和流行说法?自然?杂志的21个编辑, 14个负责生物学有关内容;90年代中期以来, 美国生产力提高2/3归可因于生物技术;欧美国家中, 理科学习成绩最好的学生都选择学习生命科学或者医学；各领域的科学家要想拿到科研经费，都力图将自己的研究课题与生命科学交叉或者挂钩;一种流行说法：目前,数学领域1是未知的；物理学领域10是未知的；化学领域30是未知的；生命科学领域70是未知的。挑战与机遇并存;发挥你们的聪明才智!现代物理学研究方法物理世界生命世界鸿沟打破 分子生物学研究锦上添花生物大分子基本粒子的

15、深层结构复杂生命现象有序的进化规律物质运动最高形式（脑结构）的工作原理X-射线晶体学全息分析技术核磁共振技术扫描隧道电子显微镜分子激发显微镜理论物理学研究前沿的拓展：3.2 分子生物学形成的新热点及领域转基因生物生物大分子的高级三维结构与功能的统一 生物大分子之间的互作 基因的社会学 (Nature 杂志增设 Natural developing biology分册)基因表达，基因互作 器官发生胚胎形成个体发育 1. 结构生物学（Structural Biology） 2. 分子发育生物学(Molecular Developing Biology)个体细胞分子复原论整体论细胞中的定位细胞分化神

16、经基质神经通道信息传递大分子克隆一级结构分析三维结构重建思维感情记忆科学解释脑科学 + 计算机智能革命3. 分子细胞生物学 (Molecular Cell Biology)4. 分子神经生物学(Molecular Neurobiology)将一切生物学问题复原到DNA 水平的同时 人类必将用整体的， 综合的观点去思考生物学Maddox J. (Nature main editor ) Is molecular biology yet a science ? Nature 1992 (335): 201现在有那么一群叫做分子生物学家的人， 他们的文章无视整体的植物与动物， 也很少言及生理学。对于

17、这些人来说， 实验资料大局部来自所谓凝胶电泳-化学生物学就是应用化学的物理的研究方法，来发现生命现象中的分子与分子之间互相作用及其作用机理。为分子生物学的研究带来了多元化的研究方法。化学生物学是自90年代中期以来的新兴研究领域. 由东部哈佛大学的Schreiber博士和西部Scripps研究所的Schultz博士分别在美国东西海岸引领这个领域。 5. 化学生物学 (Chemical biology)凝胶电泳不再是唯一的方法!至 1994 70个Scr, PCD （生长因子，细胞周期等癌 症相关基因）1986. Friend RB1第一个抑制癌基因被克隆 (Tumor Suppressor ge

18、ne) 11个抑癌基因被证实 P53, P21, ERBA, WT1,NF1 等 1975. Bishop M. Src (Sarcoma肉瘤)癌基因的证实 6. 分子肿瘤学（Molecular Tumorology）1989 Nobel Prize计算计语言 即:分辨，提取，分析， 比较， 预测生物信息 生物大分子的结构与功能信息 基因的识别与鉴定基因功能信息的提取与证实基因表达谱(microarray微阵)基因功能的改变（基因敲除 knock out）蛋白质水平上基因互作的探测 7. 功能基因组学(Functional Genomics or postGenomics) 8. 生物信息学(Bioinformatics) 3.3 应用生物学开展 生物技术 诊断试剂 治疗药物植物品种 畜用制品 食品加工 环境工程废物处理 生物塑料民用制品 再生能源 4. 21世纪生命科学的世纪