分子生物学的发展简史与内容

分子生物学讲授孙亚楠材料学院生物材料系E-mail:sunyanan@.主要参考书目分子生物学(2ndEditionbyRobertF.Weaver)，清华大学出版社，2007第1章分子生物学发展简史第2章基因的分子特性第3章基因功能简介第4章分子克隆法第5章研究基因及其活性的分子生物学方法第6章原核生物的转录装置第7章操纵子：原核生物转录的精细调控第8章原核生物转录的主要转换第9章原核生物的DNA—蛋白质相互作用第10章真核生物RNA聚合酶及其启动子第11章真核生物通用转录因子第12章真核生物中的转录激活因子第13章染色质结构及其对转录的影响第14章转录后事件Ⅰ：剪接第15章转录后事件Ⅱ：加帽与多聚腺苷酸化第16章转录后事件Ⅲ：其他事件第17章翻译的机制Ⅰ：起始第18章翻译的机制Ⅱ：延伸和终止第19章核糖体和转运RNA第20章DNA复制Ⅰ：基本机制与酶学第21章DNA复制Ⅱ：详细机制第22章同源重组第23章位点特异性重组与转座第24章基因组学第1部分基因

第1章基因是DNA

第2章断裂基因

第3章基因组概述

第4章成簇与重复

第2部分蛋白质

第5章信使RNA

第6章蛋白质合成

第7章遗传密码的使用

第8章蛋白质定位

第3部分基因表达

第9章转录

第10章操纵子第21章启动子和增强子

第22章转录激活

第23章染色质结构的控制

第24章RNA的剪接和加工

第25章具有催化活性的RNA

第26章免疫多样性

第6部分细胞

第27章蛋白质运输

第28章信号传导

第29章细胞周期和生长调控

第30章癌基因和癌症

第31章浓度梯度、级联反应和信号通路第11章调控线路

第12章噬菌体策略第4部分DNA

第13章复制子

第14章DNA的复制

第15章重组与修复第16章转座子

第17章反转录病毒和反转录转座子

第18章DNA重排第5部分细胞核

第19章染色体

第20章核小体基因VIII（EditionbyB.Lewin），科学出版社，2005主要参考书目分子生物学实验参考书目分子克隆实验指南[美]J.萨姆布鲁克，科学出版社，2002上册

第1章质粒及其在分子克隆中的应用

第2章λ噬菌体及其载体

第3章M13噬菌体载体

第4章高容量载体的应用

第5章DNA凝胶电泳和脉冲场琼脂糖凝胶电泳

第6章真核基因组DNA的制备和分析

第7章真核mRNA的提取、纯化和分析

第8章聚合酶链式反应体外扩增DNA

第9章放射性标记DNA探针与RNA探针的制备

第10章合成寡核苷酸探针

第11章cDNA文库制备及其基因鉴定下册

第12章DNA测序

第13章诱变

第14章表达文库的筛选

第15章在大肠杆菌中表达克隆化基因第16章哺乳动物培养细胞中导入克隆化基因

第17章哺乳动物培养细胞的基因表达分析

第18章蛋白质相互作用研究技术

附录1分子克隆中使用的缓冲液和试剂的配制

附录2培养基

附录3载体和细菌菌株

附录4分子克隆所用的酶

附录5酶的抑制物

附录6核酸

附录7密码子和氨基酸

附录8分子克隆中的常用技术

附录9检测系统

附录10DNA陈列技术

附录11生物信息学课程考核平时成绩：20%（文献报告）

从第六周开始，一周两人，每人做一份文献报告，要求：选择一篇与本人研究课题有关的SCI，IF>5应用到分子生物学的技术手段解释方法、阐述原理、证明结论期末考试：80%课程大纲第一章绪论第二章生物大分子的结构和性质第三章DNA的复制第四章DNA的损伤修复和基因突变第五章DNA重组第六章RNA转录第七章RNA转录后修饰第八章蛋白质翻译第九章原核生物基因表达调控第十章真核生物基因表达调控第十一章病毒的分子生物学第十二章基因组学到蛋白质组学第十三章分子生物学研究方法第十四章分子生物学进展第十五章分子生物学与材料学第十六章总结第一章绪论分子生物学的定义分子生物学的发展简史分子生物学的研究内容分子生物学的应用现状与展望一、分子生物学的定义生物科学的基本问题生命现象的描述

分类学生命特征的研究（生长、发育、繁衍）

生理学、遗传学等生命的起源与进化

进化论、进化生物学不同水平上对生命现象的研究从宏观到微观整体水平细胞水平分子水平分子生物学微观生物学的前沿宏观生物学的基础现代生物学的带头学科一、分子生物学的定义分子生物学源于

遗传学（基因学说）生物化学（生化手段和技术）广义概念：蛋白质及核酸等生物大分子结构和功能的研究都属于分子生物学的范畴，即从分子水平阐明生命现象和生物学规律狭义概念：偏重于核酸（基因）的分子生物学，主要研究基因或DNA的复制、转录、表达和调控等过程，当然也涉及与这些过程相关的蛋白质和酶的结构与功能的研究二、分子生物学的发展简史孕育阶段（1882-1950年代）

达尔文学说

1859年，CharlesDarwin（英）“贝格尔号”历时五年科学考察，撰写了《物种起源》一书，提出了生物科学史上最伟大的学说“进化论”。1865年，孟德尔发表了他的《植物杂交实验》一文，首次阐述了生物界有规律的遗传现象。孟德尔被誉为遗传学的奠基人。基因学说的提出1910年，Morgan的染色体—基因遗传理论，Gene存在于染色体上。进一步将“性状”与“基因”相耦联。1944年，美国国微生物物学家Avery用实验证证明基因因的化学学本质就就是DNA，提出DNA是遗传信信息的载载体。孕育阶段段（1882-1950年代）二、分子子生物学学的发展展简史二、分子子生物学学的发展展简史孕育阶段段（1882-1950年代）1952年，Hershery和Chase再次用噬噬菌体标标记实验验证实了了DNA是遗传物物质的本本质二、分子子生物学学的发展展简史2.创立阶段段（1950~1970年代）1953年，美美国科学学家Watson和英国科科学家Crick提出DNADoubleHelixmodelX光衍射实实验数据据表明DNA是一种规规则螺旋旋结构：：每3.4nm旋转一周周，直径径约为2nm。因为相相邻核苷苷酸距离离为0.34nm，因此每每圈有10个核苷酸酸单位。。DNA密度测量量说明这这种螺旋旋结构应应有两条条链不论碱基基数目多多少，G的含量总总是与C一样，而而A与T也是一样样二、分子子生物学学的发展展简史2.创立阶段段（1950~1970年代）1953年，Sanger完成了第第一个蛋蛋白质-胰岛素的的氨基酸酸全序列列分析，，这项研研究使他他单独获获得了1958年的诺贝贝尔化学学奖。1954年，Crick提出了中中心法则则DNA转录RNA翻译蛋白质二、分子子生物学学的发展展简史2.创立阶段段（1950~1970年代）1958年，Meselson和Stahl用同位素素标记和和超速离离心分离离实验证证明DNA半保留复复制。15N1961年，Brenner，Jacob和Meselson用同位素素标记和和超速离离心分离离实验发发现mRNA。二、分子子生物学学的发展展简史2.创立阶段段（1950~1970年代）1961年，法国国科学家家Jacob和Monod提出操纵纵子学说说。莫诺诺与雅可可布最初初发现的的是大肠肠杆菌的的乳糖操操纵子。。1965年，莫诺诺与雅可可布即荣荣获诺贝贝尔生理理学与医医学奖。。二、分子子生物学学的发展展简史2.创立阶段段（1950~1970年代）1966年，Nirenberg和Khorana解读了遗遗传密码码二、分子子生物学学的发展展简史3.发展阶段段（1970年代以后后）1970年，Temin和Baltimore在RNA肿瘤病毒毒中发现现逆转录录酶，进进一步完完善了中中心法则则1970年，Smith等分离得得到第一一个类型型Ⅱ限制性内内切酶1967年，Gellert发现DNA连接酶EcoRIrecognitionsitesλphageDNAEcoRIcutsDNAintofragmentsStickyendSV40DNAThetwofragmentssticktogetherbybasepairingDNAligaseRecombinantDNA1972年，Berg将SV40DNA片段克隆隆到λ噬菌体中中，建立立了第一一个体外外DNA重组分子子二、分子子生物学学的发展展简史3.发展阶段段（1970年代以后后）DNAligase1973年，Boyer和Cohen等利用质质粒获得得第一个个DNA重组体克克隆二、分子子生物学学的发展展简史3.发展阶段段（1970年代以后后）1975年，Kohler和Milstein首次用B淋巴细胞胞杂交瘤瘤技术制制备出单单克隆抗抗体二、分子子生物学学的发展展简史3.发展阶段段（1970年代以后后）1977年，Gibert（化学断断裂法））和Sanger（双脱氧氧终止技技术）分分别发明明了不同同的DNA测序技术术二、分子子生物学学的发展展简史3.发展阶段（（1970年代以后））化学断裂法法双脱氧链终终止法二、分子生生物学的发发展简史3.发展阶段（（1970年代以后））1979年，美国人工工合成的人人胰岛素基基因，重组组转入大肠肠杆菌中合合成人胰岛岛素1982年，Palmiter等将克隆的的生长激素素基因导入入小鼠受精精卵细胞核核内，培育育得到比原原小鼠个体体大几倍的的“巨鼠””。同年，Sanger等完成了λ噬菌体全长长48502bp的基因组DNA全序列测定定二、分子生生物学的发发展简史3.发展阶段（（1970年代以后））1982年，Prusiner等在感染瘙瘙痒病的仓仓鼠脑中发发现了朊病病毒（prion)，它只含有有蛋白质的的病毒。是否对中心心法则提出出质疑？PrPcPrPsc1985年，Mullis等发明了聚聚合酶链式式反应（PCR），1993年Mullis等因发明了了PCR技术获得诺诺贝尔化学学奖。二、分子生生物学的发发展简史3.发展阶段（（1970年代以后））二、分子生生物学的发发展简史3.发展阶段（（1970年代以后））1990-1992年，转基因玉玉米及转基基因小麦诞诞生1990年，人类基基因组计划划全面正式式启动1990年，Simpson等发现了对对mRNA前体编辑起起指导作用用的小分子子RNA1997年，Wilmut等首次不通通过受精，，用成年母母羊体细胞胞的遗传物物质，成功功获得克隆隆羊-多莉二、分子生生物学的发发展简史3.发展阶段（（1970年代以后））2003年，美国、、日本、英英国、法国国、德国、、中国六国国科学家共共同宣布人人类基因组组计划的完完成二、分子生生物学的发发展简史3.发展阶段（（1970年代以后））人们认为人人类基因组组计划是继继“曼哈顿顿”原子弹弹计划、““阿波罗””登月计划划之后自然然科学史上上的第三大大计划。中国从1993年开始正式式启动了人人类基因组组计划，在在国际人类类基因组计计划中承担担了“1%项目”的测测序工作，，是参加人人类基因组组计划唯一一的发展中中国家。二、分子生生物学的发发展简史综上可以看看出，分子子生物学的的快速发展展每个里程程碑50年代的双螺螺旋结构60年代的操纵纵子学说70年代的DNA重组80年代的PCR技术90年代的DNA测序三、分子生生物学研究究内容生物大分子子的结构和和功能研究究1.结构分子生生物学2.基因表达与与调控遗传信息的的转录与翻翻译，主要要表现在：：上游调控序序列信号转导转录因子以以及RNA剪辑3.DNA重组技术三、分子生生物学研究究内容可被用于大大量生产某某些在正常常细胞代谢谢中产量很很低的多肽肽可用于定向向改造某些些生物的基基因组结构构可被用来进进行基础研研究4.基因组与生生物信息学学四、分子生生物学的应应用现状与与展望1.在农业上的的应用生物品种的的改良速度度更快、目目标更准确确，甚至创创造新物种种转基因动物物－猪、鱼鱼（生长激激素基因））转基因动物物－牛、羊羊（生物反反应器）转基因植物物－抗虫棉棉（Bt毒素蛋白基基因）、耐耐贮藏番茄茄等四、分子生生物学的应应用现状与与展望1.在农业上的的应用利用重组DNA来大量高效效地合成人人体活性多多肽（疾病病的诊断、、预防和治治疗）四、分子生生物学的应应用现状与与展望2.在医学上的的应用基因工程疫疫苗四、分子生生物学的应应用现状与与展望2.在医学上的的应用病毒疫苗：：HBV、HIV、流感病毒毒、HPV、Ebola天然免疫疾疾病疫苗：：关节炎、、系统性红红斑狼疮、、多发性硬硬化癌症疫苗：：抗黑色素素瘤、抗宫宫颈癌、抗乳腺癌、、抗淋巴瘤瘤、抗前列列腺癌单基因疾病病的诊断：：一般可在临临床症状出出现之前作作出诊断，，不依赖临临床表型。。有遗传倾向向疾病的诊诊断：易感基因的的筛查，如如高血压，，冠心病，，肥胖等。。外源性病源源体诊断：：如病毒、细细菌、寄生生虫等引起起的传染病病。从广义上讲讲，大多数数疾病都可可以从遗传传物质的变变化中寻找找出原因。。而从技术术上看，只只要找到了了与疾病相相关的基因因，基因诊诊断便立即即可以实现现。随着““人类基因因组计划””的进程，，将大大加加快疾病相相关基因的的发现与克克隆，基因因诊断将成成为疾病诊诊断的常规规方法。基因诊断四、分子生生物学的应应用现状与与展望2.在医学上的的应用基因诊断方方法四、分子生生物学的应应用现状与与展望2.在医学上的的应用DNA诊断：关键是筛选选出特异性性的靶向DNA探针，目前前已分离出出100多种病原菌菌的特异性性探针PCR诊断：关键是设计计合成待鉴鉴定病原菌菌特异序列列的引物，，由于PCR的高度灵敏敏性，根据据靶向基因因序列设计计多对引物物进行套式式PCR，能够增大大检测的准准确性。基因诊断四、分子生生物学的应应用现状与与展望2.在医学上的的应用PCR-酶解鉴定结合PCR技术和限制制性内切酶酶技术1949年Pauling发现镰刀型型细胞贫血血症（病人人的红细胞胞为镰刀形形）与β珠蛋白基因因突变相关关。基因诊断四、分子生生物学的应应用现状与与展望2.在医学上的的应用其β珠蛋白基因因突变恰好好是在CvnI限制性酶切切位点，正正常CCTGAGG突变成CCTGTGG，在CvnI酶位点两端端设计引物物PCR扩增后酶切切由于酶切切位点突变变扩增的产产物电泳发发生变化基因诊断四、分子生生物学的应应用现状与与展望2.在医学上的的应用限制性酶解解片段长度度多态性也也可以用于于亲子鉴定定人类现有3000多种遗传病病，已找到到了200多个与遗传传病有关的的基因。人人类中的遗遗传病大致致可分为三三大类。基因治疗四、分子生生物学的应应用现状与与展望2.在医学上的的应用单基因遗传传病：只与与一对基因因有关，它它主要是由由基因突变变引起的，，如白化病病、血友病病、色盲等等多基因遗传传病：是指指由几对基基因的变化化引起的疾疾病，例如如，高血压压、糖尿病病、神经病病等。染色体病：：是由于染染色体畸变变所致的遗遗传病，如如先天愚型型、猫叫综综合征、性性腺发育不不全症等。。医学统计学学发现，约约25％的生理缺缺陷、30％的儿童死死亡和60％的成年人人疾病都是是由遗传疾疾病引起的的。基因治疗四、分子生生物学的应应用现状与与展望2.在医学上的的应用体外原位治治疗：从患患者体内取取出带有缺缺陷的细胞胞，通过基基因转移进进行遗传修修正。将经经过遗传修修正后的细细胞转入患患者的体内内。体内基因治治疗：是指指将具有治治疗功能的的基因直接接转入病人人的某一特特定组织中中，通过正正常表达，，达到治疗疗功能。反义疗法：：引入与目目的mRNA相补的RNA（反义RNA），用于阻阻遏或降低低某个基因因的表达，，达到治疗疗目的。基因治疗四、分子生生物学的应应用现状与与展望2.在医学上的的应用美国医学家家安德森等等人对腺苷苷脱氨酶缺缺乏症（ADA缺乏症）的的基因治疗疗，是世界界上第一个个基因治疗疗成功的范范例。1990年9月14日，安德森森对一例患患ADA缺乏症的4岁女孩谢德德尔进行基基因治疗。。这个4岁女孩由于于遗传基因因有缺陷，，自身不能能生产ADA，先天性免免疫功能不不全，只能能生活在无无菌的隔离离帐里。他他们对谢德德尔白血球球进行改造造，用健康康的基因替替代有缺陷陷的基因，，然后把经经过改造的的这个女孩孩的白血球球输入她的的静脉血管管中。在以以后的10个月内她又又接受了7次这样的治治疗，同时时也接受酶酶治疗。经经治疗后，，免疫功能能日趋健全全，能够走走出隔离帐帐，过上了了正常人的的生活。谢德尔，1999四、分子生生物学的应应用现状与与展望3.在工业上的的应用酶制剂工业业用酶的生生产、酶的的定向改造造四、分子生生物学的应应用现状与与展望3.在