分子生物学与基因工程第一讲

1、（优选）分子生物学与基因工程第一讲第一页，共二十七页。主 要 内 容 分子生物学与基因工程含义 分子生物学与基因工程发展简史 分子生物学与基因工程基本内容 与其他学科的关系 几个热点问题 其他第二页，共二十七页。 生物学经历了一个漫长的研究历程。最早人们从研究动物和植物的形态、解剖和分类开始，随着细胞学、遗传学、微生物学、生理学、生物化学的发展，研究进入细胞水平。到20世纪中叶以来，生物学以生物大分子为研究目标，分子生物学（Molecular Biology）开始形成了独立的学科，这是对生物界的认识不断深入的过程。第三页，共二十七页。第四页，共二十七页。 从广义来讲，蛋白质及核酸等生物大分子结

2、构和功能的研究都属于分子生物学的范畴，也就是从分子水平阐明生命现象和生物学规律。例如，蛋白质的结构、运动和功能，酶的作用机理和动力学，膜蛋白结构与功能及跨膜运输等都属于分子生物学的研究内容。1 分子生物学与基因工程的含义第五页，共二十七页。 从狭义上讲，分子生物学主要是研究生物体主要遗传物质-基因或DNA的结构及其复制、转录、表达和调节控制等过程的科学。当然，也涉及到与这些过程有关的蛋白质和酶的结构与功能的研究。第六页，共二十七页。 基因工程是指将一种或多种生物体 (共体) 的基因或基因组提取出来, 或者人工合成的基因, 按照人们的愿望, 进行严密的设计, 经过体外加工重组, 通过一定的方法,

3、 转移到另一种生物体 (受体) 的细胞内, 使之能在受体细胞遗传并获得新的遗传性状的技术。第七页，共二十七页。2 分子生物学与基因工程发展简史 1944年，Avery在肺炎双球菌转化实验中证实了DNA是遗传的物质基础，标志着分子生物学的诞生； 1953年，Watson和Crick在Nature杂志（171：737738）上提出了著名的DNA双螺旋模型，为分子生物学的发展奠定了坚实的基础； 1956年， Kornberg在大肠杆菌的无细胞提取液中实现了DNA的合成；第八页，共二十七页。 1958年， Crick提出了遗传信息的传递规律，即著名的“中心法则”； 同年， Meselson与Stahl

4、 用实验证明了DNA复制是一种半保留复制； 1959年，Uchoa发现了细菌的多核苷酸磷酸化酶，成功地合成了RNA，研究并重建了将基因内的遗传信息通过RNA中间体翻译成蛋白质的过程； 1961年， Nirenberg和Matthaei破译了所有三联体密码子； 同年，法国科学家Jacob和Monod提出了著名的乳糖操纵子模型；第九页，共二十七页。 1962年，Arber首次发现DNA限制性内切酶的存在； 1970年， Smith首次从大肠杆菌中分离到第一个限制性内切酶；同年，Temin和Baltimore首次发现在病毒中存在以RNA为模板，逆转录成DNA的逆转录酶； 1972年，Berg构建了世

5、界上第一个重组DNA分子，开辟了生物学新领域-遗传工程； 1977年，Robert和Sharp在研究腺病毒的mRNA合成时，首次发现了断裂基因的存在； 1977年， Sanger和Gilbert分别提出了两种DNA测序技术-酶法（或双脱氧链终止法）和化学修饰法；第十页，共二十七页。 1981年，Cech和Altman首次发现RNA具有生物催化功能； 1983年，Mullis发明了聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）技术，极大地推动了分子生物学的发展； 1990年，人类基因组计划启动，同时先后开展多种模式生物的基因组测序。标志着生命科学研究进入“基因组学”

6、时代； 1994年，Wilkins和Williams等首次提出了蛋白质组的概念； 1997年，Wilmut等首次成功地从体细胞中克隆出羊-Dolly； 到目前为止，人们已完成包括人和水稻等重要模式生物的基因组测序工作。生命科学研究进入“蛋白质组学”的新的发展阶段。第十一页，共二十七页。分子生物学与基因工程发展的几个里程碑 上个世纪50年代，Watson和Crick提出了的DNA双螺旋模型； 60年代， 法国科学家Jacob和Monod提出了的乳糖操纵子模型； 70年代， Berg首先发现了DNA连接酶，并构建了世界上第一个重组DNA分子； 80年代，Mullis发明了聚合酶链式反应（Polym

7、erase Chain Reaction，PCR）技术； 90年代，开展了“人类基因组计划”和模式生物的基因组测序，分子生物学进入“基因组时代”； 目前，分子生物学进入了“后基因组时代”或“蛋白质组时代”。第十二页，共二十七页。人 名年 份获 奖 内 容Kossel1910分离出腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸UchoaKornberg1959RNA的合成DNA的复制WatsonCrick1962提出DNA双螺旋结构KendrewPerutz1962测定了肌红蛋白和血红蛋白的高级结构JacobMonod1965提出了乳糖操纵子学说NirenbergHollyKhorana1969破译DNA遗传密码阐明

8、tRNA的结构首次人工合成核酸分子分子生物学领域获得诺贝尔奖一览表第十三页，共二十七页。人 名年 份获 奖 内 容TeminBaltimore1975逆转录酶的发现Arber1978DNA限制性内切酶的发现Sanger19581980测定了牛胰岛素的一级结构提出DNA测序法-酶法Gilbert1980提出DNA测序法-化学修饰法Berg1980发现DNA连接酶并构建了第一个重组分子KohlerMilsteinJerne1984提出了单克隆抗体技术McClintock1988跳跃基因的发现AltmanCech1989RNA具有生物催化功能第十四页，共二十七页。人 名年 份获 奖 内 容Bisho

9、pVarmus1989正常细胞同样带有原癌细胞RobertsSharp1993断裂基因的发现Mullis1993发明了PCR仪Smith1993发明了寡聚核苷酸定点突变法GilmanRodbell1994G蛋白的发现LewisNussleinWieschaus1995鉴定了控制果蝇体节发育基因第十五页，共二十七页。人 名年 份获 奖 内 容Stanley1997蛋白致病因子朊蛋白的发现Gunter1999蛋白质具有控制其运输和定位的内在信号 HartwellHunt Nurse2001发现了细胞周期的关键调节因子Agre MacKinnon2003细胞膜离子通道的结构和机理研究 ROSE等20

10、04泛素调节的蛋白质降解Kornberg2006发现真核生物转录的分子基础Andrew、 Craig 2006发现RNA干扰现象Smith等2007胚胎干细胞和哺乳动物DNA重组 Hausen 等2008人乳头状瘤病毒(HPV)和HIV的发现 钱永健等2008绿色荧光蛋白的发现与应用第十六页，共二十七页。3 .1 分子生物学的研究内容 核酸的结构 基因与基因组的结构与序列特征 DNA生物合成（复制） DNA损伤与修复 DNA重组 RNA生物合成（转录） 蛋白质的生物合成 基因表达调控第十七页，共二十七页。基因工程研究的主要内容克隆载体研究: cloning vector受体系统的研究: hos

11、t cell system 目的基因的研究: target gene 生物基因组学的研究: genomic research 应用研究: application3.2 基因工程的主要研究内容第十八页，共二十七页。基因工程的基本操作程序分离获得目的基因限制性核酸内切酶将切割外源DNA和载体DNA连接酶将外源DNA和载体连接，组成重组DNA分子。将重组DNA分子引入受体细胞带有重组体的细胞培养扩增，获得大量的细胞繁殖群体筛选和鉴定转化细胞进一步研究分析，实现功能蛋白的表达第十九页，共二十七页。发育生物学与分子生物学的关系 许多发育相关基因纷纷克隆成功，如控制果蝇体节发育的Homeo基因、金鱼草的的

12、花瓣发育基因DEF等。 上述基因的克隆已开辟了发育分子生物学的崭新研究领域，并在近年来获得较大进展。4 分子生物学与其他学科的关系第二十页，共二十七页。 在植物生理学方面光合作用的研究已进入分子水平。一些植物的叶绿体DNA的全序列测定已经完成，光合作用有关的基因如光系统I和II、电子传递链、二磷酸核酮糖羧化/加氧酶等的表达调控研究都已基本完成，使光合作用研究进入了一个新的阶段。植物生理学与分子生物学的关系第二十一页，共二十七页。神经科学与分子生物学的关系 神经系统分子生物学的研究造成神经生物学的革命性变化。如乙酰胆碱受体的分离纯化和基因克隆已经完成。神经通道也已得到纯化和基因克隆，分子生物学渗

13、入神经科学已产生了分子神经生物学。第二十二页，共二十七页。5 当前分子生物学与基因工程的几个热点问题 一些重大疾病的致病分子机理研究（如癌症、HIV、SARS和禽流感等）； 基因与发育的关系； 抗病分子作用机制研究； 分子育种技术的建立与发展第二十三页，共二十七页。主要参考书现代分子生物学朱玉贤主编 高等教育出版社分子生物学基础 杨歧生 编著 浙江大学出版社分子生物学阎隆飞主编 中国农业大学出版社分子生物学杨荣武主编 南京大学出版社分子生物学 陈启民等 编著 南开大学出版社高级分子生物学要义 特怀曼 编著 科学出版社分子生物学精要 Malacinski著 化学工业出版社 Genes Lewin

14、. Pearson prentice hall. 2004 Molecular biology of gene （fifth edition） Watson, et al Gold spring harbor Laboratory press. 2004第二十四页，共二十七页。张惠展 基因工程 华东理工大学出版社 2005 闫新甫 转基因植物 科学出版社 2003王关林等 植物基因工程（第二版） 科学出版社2002吴乃虎 基因工程原理（第二版） 高等教育出版社1998 Adrian Slater, et al Plant Biotechnology-The genetic manipulation of plant Oxford universsity press. 2003第二十五页，共二十七页。相关学术性刊物1 外文期刊Nature/Science CellPNASEMBO JGene & DevelopmentPlant Cell/Plant JournalPlant Molecular BiologyBiotechn