分子生物学：1IntroductionofMolecularBiology课件

ChapterOne:

IntroductionofMolecularBiology

DefinitionofMolecularBiology（*）

BriefhistoryofMolecularBiologyRelationshipbetweenMolecularBiologyandotherdisciplines（*）

ProspectsofMolecularBiologyKeyPoints:1DefinitionofMolecularBiologyTheattempttounderstandthebiologicalphenomenainmolecularterms.ThestudyontheprocessofDNAreplication,transcription,translationandexpressionregulationandrelatedproteinsorenzymes.Thestudyofgenestructureandfunctionatthemolecularlevel. --RobertWeaver

Molecularbiologyisahybriddiscipline,itgrewoutofthedisciplinesofgeneticsandbiochemistry.Fromlate1900stoearly1950s(19世纪后期到20世纪50年代初)

•Confirmedthatproteinisoneofthefundamentalmaterialsoflife.确定了蛋白质是生命的主要基础物质(经典生物化学的贡献)

•ConfirmedthatDNAisthenatureofgeneticmaterial.确定了生物遗传的物质基础是DNA(经典遗传学的贡献)

Stage1:PreparationIn1989,Buchnerbrothersconfirmedthatyeastcell-freeextractscouldmakeglucosefermentationandproducealcoholIn1926,J.B.Sumnerobtainedurokinasecrystalfromjackbean从刀豆获得了结晶的尿酶In1955,F.Sangersequencedtheaminoacidsofcalfinsulin牛胰岛素的氨基酸序列分析Kendrew&perutsobtainedthestructureofwhalemusclehemoglobinandhorsehemoglobinbyx-raydiffractionanalysisorx-raycrystallography用X-射线分析得到鲸肌红蛋白与马血红蛋白的空间结构In1869,MiescherisolatedDNAfromusedpatientbadgesforthefirsttimeandnameditnuclein.In1910,KosselfromGermanyisolatedtheadenine,thymineandhistidine腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸。Inlate1890,biochemistsalreadyknewthecomponentsandthestructureofRNAHowMendel’sfirstlaw(independentsegregation)explainsthe3:1ratioofdominanttorecessivephenotypesamongtheF2progenyTheinheritanceofflowercolorinthesnapdragon.HowMendel’ssecondlaw(independentassortment)operates?ThomasHunt

MorganTheinheritanceofasex-linkedgeneinDrosophila.Thegeneticmapofchromosome2ofDrosophilamelanogaster.In1931,HarrietCreighton&BarbaraMcClintockfoundtheevidenceofgenerecombinationConclusion:thegeneticmaterialofbacteriaisDNA.Bydefinition,theearlyworkongenescannotbeconsideredmolecularbiology,orevenmoleculargenetics,becauseearlygeneticistsdidnotknowthemolecularnatureofgenes.Infact,thechemicalcompositionofgeneswasnotknowuntil1944.Atthatpoint,itbecamepossibletostudygenesasmolecules,andthedisciplineofmolecularbiologywasborn.Conclusion:thegeneticmaterialofphagealsoisDNA.DiscoveryofDNADoubleHelix

DNA双螺旋结构的发现In1950，ErwinChargaff’rule：A=T；G=CIn1952，RosalindFranklin,MauriceWilkins’X-ray pictureofB-DNAIn1953，PaulingpublishedDNAtriplehelixstructureIn1953，Watson&Crickputforwardright-handeddoublehelixmodelofDNA.TheywontheNobelPrizeinPhysiologyandMedicinein1962withWilkins.“Asaboy,Crickwor-riedthattherewouldn’tbeanythingleftforhimtodiscoverbythetimehegrewupandbecameascientist.”

E.Edelson

(FrancisCrickandJamesWatson)对DNA复制的认识1953年，在发现DNA双螺旋结构同时，Watson和Crick就提出DNA复制的可能模型，1956年，A.Kornberg首先发现DNA聚合酶；1958年，Meselson及Stahl用同位素标记和超速离心分离实验为DNA半保留模型提出了证明；1968年，Okazaki（冈畸）提出DNA不连续复制模型；1972年，证实了DNA复制开始需要RNA作为引物；70年代初，获得DNA拓扑异构酶，并对真核DNA聚合酶特性做了分析研究；

对RNA的认识

在研究DNA复制将遗传信息传给子代的同时，提出了RNA在遗传信息传到蛋白质过程中起着中介作用的假说；1958年，Weiss及Hurwitz等发现依赖于DNA的RNA聚合酶；1961年，SydneyBrenner,FrancisJacob,MatthewMeselson发现了messengerRNA；1961年，Hall和Spiege-lman用RNA-DNA杂交证明mRNA与DNA序列互补；逐步阐明了RNA转录合成的机理。对蛋白质的认识

50年代初，Zamecnik等在形态学和分离的亚细胞组分实验中发现微粒体（microsome）是细胞内蛋白质合成的部位；1957年，Hoagland、Zamecnik及Stephenson等分离出tRNA并对它们在合成蛋白质中转运氨基酸的功能提出了假设；1961年，Brenner及Gross等观察了在蛋白质合成过程中mRNA与核糖体的结合；1965年，Holley首次测出了酵母丙氨酸tRNA的一级结构；60年代，Nirenberg、Ochoa以及Khorana等几组科学家的共同努力破译了RNA上编码合成蛋白质的遗传密码，随后研究表明这套遗传密码在生物界具有通用性，从而认识了蛋白质翻译合成的基本过程。In1970，HowardTemin&DavidBaltimorediscoveredreversetranscriptase-aRNA-dependentDNApolymerasefromretrovirusparticles.

DNARNAproteinreplicationStage3:Primaryunderstandingofthenatureoflifeandmodificationoflife-deepdevelopmentstageFromlate1970sto2000s70年代后至21世纪初●DNArecombination技术的建立和发展●Genomics基因组研究的进展●Monoclonalantibody单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展●Regulationofgeneexpression基因表达调控机理●Mechanismsofsignaltransduction细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域重组DNA技术的建立和发展

1967-1970年，R.Yuan和H.O.Smith等发现的限制性核酸内切酶为基因工程提供了有力的工具；

1972年，Berg等将SV-40病毒DNA与噬菌体P22DNA在体外重组成功，转化大肠杆菌，使本来在真核细胞中合成的蛋白质能在细菌中合成,打破了种属界限；1977年，Boyer等首先将人工合成的生长激素释放抑制因子14肽的基因重组入质粒，成功地在大肠杆菌中合成得到这14肽；1978年，Itakura（板仓）等使人生长激素191肽在大肠杆菌中表达成功；1979年，美国基因技术公司用人工合成的人胰岛素基因重组转入大肠杆菌中合成人胰岛素。1982年，Palmiter等将克隆的生长激素基因导入小鼠受精卵细胞核内，培育得到比原小鼠个体大几倍的“巨鼠”，激起了人们创造优良品系家畜的热情。1994年，能比普通西红柿保鲜时间更长的转基因西红柿投放市场。1996年，转基因玉米、转基因大豆相继投入商品生产。2004年，全球转基因抗虫棉播种面积占植棉总面积的80%。基因组研究的进展

1977年，Sanger测定了ΦX174-DNA全部5375个核苷酸的序列；1978年，Fiers等测出SV-40DNA全部5224对碱基序列；80年代，λ噬菌体DNA全部48,502碱基对的序列全部测出；一些小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因组的全序列也陆续被测定；1996年底，许多科学家共同努力测出了大肠杆菌基因组DNA的全序列长4x106碱基对。1990年，人类基因组计划（HumanGenomeProject）开始实施，这是生命科学领域有史以来全球性最庞大的研究计划，目前已测定出人基因组全部DNA3x109碱基对的序列、确定人类约2.5-3万个基因的一级结构，这将使人类能够更好掌握自己的命运。单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展

1975年Kohler和Milstein首次用B淋巴细胞杂交瘤技术制备出单克隆抗体以来，人们利用这一细胞工程技术研制出多种单克隆抗体，为许多疾病的诊断和治疗提供了有效的手段。80年代以后随着基因工程抗体技术而相继出现的单域抗体、单链抗体、嵌合抗体、重构抗体、双功能抗体等为广泛和有效的应用单克隆抗体提供了广阔的前景。基因表达调控机理

Jacob和Monod最早提出的操纵元学说打开了人类认识基因表达调控的窗口；60年代，人们主要认识了原核生物基因表达调控的一些规律；70年代，逐渐认识了真核基因组结构和调控的复杂性。1977年，最先发现猴SV40病毒和腺病毒中编码蛋白质的基因序列是不连续的，这种基因内部的间隔区（内含子）在真核基因组中是普遍存在的，揭开了认识真核基因组结构和调控的序幕。1981年，Cech等发现四膜虫rRNA的自我剪接，从而发现核酶（ribozyme）。

80-90年代，使人们逐步认识到真核基因的顺式调控元件与反式转录因子、核酸与蛋白质间的分子识别与相互作用是基因表达调控根本所在。细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域1957年，Sutherland发现cAMP1965年，提出第二信使学说，是人们认识受体介导的细胞信号转导的第一个里程碑。1977年，Ross等用重组实验证实G蛋白的存在和功能，将G蛋白与腺苷环化酶的作用相联系起来，深化了对G蛋白偶联信号转导途径的认识。70年代中期以后，癌基因和抑癌基因的发现、蛋白酪氨酸激酶的发现及其结构与功能的深入研究、各种受体蛋白基因的克隆和结构功能的探索等，使近10年来细胞信号转导的研究更有了长足的进步。目前，对于某些细胞中的一些信号转导途径已经有了初步的认识，尤其是在免疫活性细胞对抗原的识别及其活化信号的传递途径方面和细胞增殖控制方面等都形成了一些基本的概念。Stage4:Post-genomeera

基因组学(genomics)

结构基因组学(structuralgenomics)

功能基因组学(functionalgenomics)

环境基因组学(environmentalgenomics)

营养基因组学(nutritionalgenomics)

药物基因组学(druggenomics)

癌症基因组学(cancergenomics)

毒理基因组学(toxicologicalgenomics)

转录组学(transcriptomics)

蛋白质组学(proteomics)

代谢组学(metabolomics)相当于约三十个人的基因组3RelationshipbetweenMolecular

BiologyandotherdisciplinesRelationshipbetweenmolecularbiologyandotherdisciplines分子生物学Molecularbiology生物化学Biochemistry物理学Physics微生物学Microbiology细胞学Cytology遗传学Genetics发育生物学DevelopmentalBiologyMolecularBiologyStructuralmolecularbiologyMoleculardevelopmentalbiologyMolecularneurobiologyMolecularbreedingMoleculartumorologyMolecularcellbiologyMolecularimmunologyMolecularvirologyMolecularphysiologyMoleculararchaeologyMoleculargeneticsMolecularquantitativegeneticsMolecularecologyMolecularevolutionarybiology…………….分子生物学ispenetratingintoalmostalldisciplinesrelatedtobiologyandbecomingthecommonlanguageofmodernlifesciencesExtensionofMolecularBiology半个世纪以来分子生物学中重大突破与成就者(NobelLaureates)

NobelPrizeMilestoneinbiologyandmainconceptsJoshuaLederberg1958JoshuaLederberg(33y)PhagetransductionGeorgeBeadle&E.L.TatumOnegene--oneenzymeSeveroOchoa(54y)SpainRichphosphatebondsofATP-------EnergyArthurKornberg(41y)DNAreplicationIsolationDNApolymeraseIBrooklyn1959JamesWatson(34y)FrancisCrick(46y)MauriceWilkins(46y)DNADoubleHelixmodel1962FrancoisJacob(44y)JacquesMonod(55y)(French)Lac.OperonTheory1965ConceptofmRNA1968R.HolleyH.GobindKhorana&MarshallNirenberg

pakistanH.GobindKhorana(46y)HowtosynthesizetripletRNAMarshallNirenberg(41y)GeneticcodenRobertHolley(46y)tRNAphecloverleafstructure1969MaxDelbruck(63y)AlfredHershey(61y)PhagegroupPhageinfectioncycleDNAasgeneticmaterialM.DelbruckA.Hershey

HowardTemin

(41y)DavidBaltimore(37y)ReversetranscriptionWalterGilbert(48y)FredenickSangerMechanismofproteinsynthesisIsolationofLac.Operonrepressor1980DNAsequencing

λDNA+SV40→RecombinationDNAPaulBerg1983.BarbaraMcClintock(86y)DNAtransposableelememtKohler&Milstein→Monoclonalantibody

Altman&Cech→RibozymeRoberts&Sharp→SplittinggeneMullis&Smith→PCRtechnique&genemutationinlocus

Gilman&Rodball→G-proteinsandtheroleoftheseproteinsinsignaltransductionincells

Lewis&Nusslein-Volhard→thegeneticcontrolofearlyembryonicdevelopment

1998Furchgott,Ignarro&Muradfortheirdiscoveriesconcerningnitricoxideasasasignallingmoleculeinthecardiovascularsystem1999GunterBlobelforforthediscoverythatproteinshaveintrinsicsignalsthatgoverntheirtransportandlocalizationinthecell2000ArvidCarlsson,PaulGreegard&EricKandelfortheirdiscoveriesconcerningsignaltransductioninthenervoussystem.2001LelandHartwell,R.TimothyHunt&PaulNursefortheirdiscoveriesof"keyregulatorsofthecellcycle."2002SydneyBrenner,JohnE.Sulston&H.RobertHorvitsfortheirdiscoveriesconcerninggeneticregulationoforgandevelopmentandprogrammedcelldeath2004RichardAxel&LindaB.Buckfortheirdiscoveriesofodorantreceptorsandtheorganizationoftheolfactorysystemorganization发现气味受体和嗅觉系统组织方式2006Andrew

Z.

Fire&Craig

Mello,RNAinterferenceRNA干扰2007MarioCapecchi,SirMartinEvansandOliverSmithies:genetargetinginmice基因打靶技术4ProspectsofMolecularBiology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

Geneexpression,geneinteractionOrganogenesisEmbyogenesisOntogenesis结构生物学（StructuralBiology）

分子发育生物学（MolecularDevelopmentalBiology）individualcellmolecule还原论reductionism整体论Systemtheory细胞中的定位localization细胞分化Celldifferentiation神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+计算机智能革命分子细胞生物学(MolecularCellBiology)分子神经生物学（MolecularNeurobiology）199470个Scr,PCD（生长因子，细胞周期等癌症相关基因）1986.FriendRB1第一个抑制癌基因被克隆

(TumorSuppressorgene)11个抑癌基因被证实

（P53,P21,ERBA,WT1,NF1等）

1975.BishopM.Src(Sarcoma肉瘤)癌基因的证实分子肿瘤学（Molecular