分子生物学绪论-研究生课件

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MolecularBiology!人类对自身认识的历史人类了解自己的历史整体水平细胞水平分子水平器官水平授课教师：陈昌杰教授夏俊教授杨清玲教授绪论分子生物学定义分子生物学发展简史分子生物学教学内容参考书目一、分子生物学定义从分子水平研究生物大分子的结构与功能从而阐明生命现象本质的科学

，主要指遗传信息的传递（复制）、保持（损伤和修复）、基因的表达（转录和翻译）与调控。生物化学与分子生物学关系最为密切。两者同在我国教委和科委颁布的一个二级学科中，称为“生物化学与分子生物学”，但两者还是区别的。

1生物化学与分子生物学关系最为密切生物化学是从化学角度研究生命现象，着重研究生物体内各种生物分子的结构、转变与新陈代谢。分子生物学着重阐明生命的本质----主要研究生物大分子核酸与蛋白质的结构与功能、生命信息的传递和调控。2细胞生物学与分子生物学关系也十分密切传统的细胞生物学主要研究细胞和亚细胞器的形态、结构与功能。分子生物学则是从各个生物大分子的结构入手，进一步研究各生物分子间的高层次组织和相互作用，尤其是细胞整体反应的分子机理。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学分子生理学分子考古学分子数量遗传学分子生态学分子进化学…………….分子生物学的延伸分子生物学已经渗透到生物学的几乎所有领域分子生物学已经成为生命科学领域的带头学科二、分子生物学发展简史3分子生物学的发展历程20世纪以核酸研究为核心，带动着分子生物学向纵深发展DNA双螺旋结构50s操纵子学说60sDNA重组70sPCR技术AddYourTextDNA测序80s90s孟德尔(GregorMendel)(1822-1884):奥地利科学家，经典遗传学的奠基人1909年，约翰逊根据希腊文“给予生命”之意，创造了基因（gene）一词。约翰逊（WilhelmLudwigJohannsen，1857～1927）丹麦生物学家摩尔根(T.H.Morgan,1866-1945):美国的实验胚胎学家，遗传学家1910年，Morgan的染色体—基因遗传理论

第一次将基因定位于染色体上。进一步将“性状”与“基因”相耦联，成为现代遗传学的奠基石。1944年，Avery的肺炎双球菌转化实验，证明基因就是DNA分子，提出DNA是遗传信息的载体。艾弗里（OswaldTheodoreAvery，1877～1955）1952年，Hershey和Chase的噬菌体侵染细菌实验——DNA是可以进入寄主细胞的转染因子赫尔希（AlfredDayHershey，1908～1997）美国微生物学家1957年，HeinzFraenkel-Conrat和B.Singre

的杂合病毒实验证实RNA也是重要的遗传物质烟草花叶病毒的感染和繁殖过程2、创立阶段（1950~1970年代）1953年，美国科学家Watson和英国科学家Crick提出DNADoubleHelixmodel1958年Crick提出中心法则1958年，Meselson

和Stahl证明DNA半保留复制。StahlMeselson1959年，美籍西班牙裔科学家Uchoa和美国Kornberg发现了DNA和RNA的生物合成机理而分享了诺贝尔生理医学奖。1961年，法国科学家Jacob（雅各布）和Monod（莫诺）提出操纵子(operon)学说.1965年获得诺贝尔生理医学奖1968年，Nirenberg、Holley和Khorana解读了遗传密码及其在蛋白质合成方面的技能.1968年获得诺贝尔生理医学奖1970年，Temin

和Baltimore在RNA肿瘤病毒中发现逆转录酶。3、发展阶段（1970年代以后）1975年，获诺贝尔生理医学奖1977年，Sanger等人发明了一种测定DNA分子内核苷酸序列的方法（双脱氧链终止法）。桑格(Sanger）吉尔伯特(Gilbert）伯格（Berg）1980年，与Gilbert和Berg共享诺贝尔化学奖1983年，美国遗传学家McClintoc发现可移动的遗传因子(mobileelement)。诺贝尔生理医学奖皇家卡罗林医学研究院1989年Altman、Cech因发现核酶（Ribozyme）获Nobel化学奖。1982年，Cech等四膜虫细胞大核期间26SrRNA前体具有自我剪接功能。1984年，Altman等RNaseP核酸组分M1RNA有该酶的活性，蛋白质部分C5并无酶活性。

Roberts&Sharp→Splittinggene→PCRtechnique&genemutationinlocusMullis&Smith

Gilman&Rodball→G-proteinasasignalmolecularincell

Lewis&Nusslein-Volhard

&Wieschaus→ControlgeneofbodydevelopinginDrosophilaNusslein-Volhard1997年，普鲁西纳发现了朊病毒(prion)盖达塞克普鲁西纳1997年，诺贝尔生理医学奖1997，Wilmut成功获得克隆羊—Dolly诞生2000年，人类基因组草图绘制完成美国国家人类基因组研究所所长弗朗西斯·柯林斯在介绍情况。２００３年４月１４日，人类基因组序列图亦称“完成图”（99.99%），提前绘制成功。分子生物学教学内容基因和基因组原核基因表达调控真核基因表达调控分子生物学技术细胞信号传导原癌基因和抑癌基因基因工程必须掌握的基础理论细胞中的遗传物质构成DNA的结构、复制、中心法则1.细胞中的遗传物质构成原核生物核DNA质粒DNA真核生物核基因组细胞质基因组线粒体DNA质体DNA真核生物染色体结构DNA双螺旋“串珠”“螺旋管”“袢环”“放射环”中期染色体一级结构二级结构三级结构“超螺旋管”四级结构真核生物的染色体组2.DNA的结构、复制、中心法则DNA结构基本构成单位是核苷酸核苷酸由脱氧核糖、碱基和磷酸构成碱基分别是腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)两个核苷酸以磷酸二酯键相连进一步盘旋、折叠，形成三级或四级结构RNA：核糖、尿嘧啶(U)①DNA(或RNA)是水溶性的含有磷酸基因、羟基和氨基在核酸提取中，保留水相②核酸是两性电离,既带正电荷，又带负电荷等电点(PI)为2～2.5,在中性溶液中带负电荷核酸电泳时，点样时应点在负极杂交时，最好选择带正电荷的尼龙膜DNA(或RNA)结构的启示在解旋酶的作用下，打开DNA双链在特定的复制起始点以每条DNA链为模板在DNA聚合酶的催化下以4种脱氧核苷酸为前体物，合成一条互补DNA链DNA的复制半保留半不连续复制DNA半保留复制合成新链的方向为5’-3’端前导链是连续的后随链的合成是不连续的先合成RNA引物再合成不连续的小片段(冈崎片段，100～1000核苷酸长度)最后在DNA连接酶作用下，将小片段连接起，形成完整的DNA链

DNA的半不连续复制DNA半不连续复制PCR技术：DNA的体外复制体外无解旋酶，要靠温度(90℃以上)解开双链以DNA为模板，需要引物，需DNA聚合酶，需要dNTP为前体PCR与体内DNA复制的最大差异是温度DNA复制的启示中心法则理论：遗传信息的传递是：

DNA→RNA→多肽(蛋白质)在逆转录酶的作用下，RNA可形成cDNA，然后再由RNA→蛋白质中心法则RT中心法则有意义链(sense/codingstrand)：非模板链、信息链反意义链(antisense/templatestrand)：转录模板链以DNA一条链为模板，RNA聚合酶活性诱导RNA聚合酶识别并结合在转录起始位点以ATP、GTP、CTP和UTP为前体合成(转录)RNA当遇到转录终止信号时，转录即停止转录(transcription)

以DNA分子中的一条链为模板，合成RNA的过程转录的过程间接：剪切掉内含子，将外显子连接同一转录本，在不同的组织，因剪接差异可产生不同的mRNA.戴帽：在5’-端加一特殊核苷酸：7-甲基鸟嘌呤核苷酸穿靴(多聚腺苷酸化，3’-加尾)：3’-端加上一串腺苷酸(AMP)poly(A)RNA编辑(RNAEdit)某些mRNA的核苷酸序列,在生成转录产物后还需插入、删除或取代一些核苷酸残基,方能生成具有正确翻译功能的模板,遗传信息在mRNA水平上的改变过程，称为RNA编辑转录后的加工(真核生物mRNA)只有mRNA才翻译成蛋白质基因(DNA)上三个相邻碱基组成一个密码子在转录过程中，基因上的三联密码子转录成mRNA上的三联密码子mRNA由核内转移至细胞浆中的核糖体上，以三联密码子指导合成蛋白质翻译后的蛋白质需要加工修饰

翻译（Transtation）由RNA→蛋白质的过程中心法则的启示①遗传信息由DNA上的基因决定②mRNA更能准确反映DNA所携带的遗传信息③RT-PCR：以RNA为模板，在逆转录酶作用下形成cDNA④反转录时可以mRNA3’poly(A)为模板设计引物⑤可以利用poly(A)对mRNA进行纯化⑥基因的表达有组织特异性，且受许多因素的影响，mRNA的表达增强、降低甚至关闭，会影响机体正常生理功能，因此，可通过检测mRNA的丰度检测基因的表达3.基因的结构调节基因结构基因

I

P

O

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ抑制基因(I)：是阻遏物编码区启动基因(P)：有cAMP受体蛋白(CRP)和RNA聚合酶的结合位点操纵基因(O)：是阻遏物结合位点Ⅰ

：β-半乳糖苷酶结构基因Ⅱ：透过酶结构基因Ⅲ：转乙酰酶的结构基因乳糖操纵子：原核生物转录调控的典型

真核生物基因的结构多数基因是单独调控的DNA结构断裂基因（splitgene）编码序列称外显子(exon)，编码多肽链；非编码序列称为内含子(Intron)侧翼序列（Flankingsequence）：第一个和最后一个外显子的外侧不被转录的区域；是基因的调控序列，包括启动子、增强子、终止子等真核生物mRNA的结构mRNA结构5’帽子结构5’UTRCDS3’UTR3’poly(A)注意：启动子≠启始密码子终止子≠终止密码子DNA重组的三个工具：内切酶能特异地识别DNA的碱基序列，并在DNA链当中将DNA切开重组载体，质粒、噬菌体、病毒表达载体，细菌、细胞、组织4.DNA重组DNA重组的一般步骤小结深入、清楚的理解基础理论，在以后学习才能够分析、理解、解决所遇到的问题遗传物质DNA、RNAIsitreallyclear？⑴基因与基因组的结构与功能——分子生物学研究内容最基础最重要的部分20世纪50年代以前：基因的染色体遗传学；20世纪50年代以后：基因的分子生物学研究；近20年来，重组DNA技术的完善应用，从克隆目的基因出发，直接研究基因的功能与表型的关系，基因的研究进入反向生物学阶段。1928年摩尔根证实了染色体是遗传基因的载体，从而获得了生理医学诺贝尔奖。

基因表达调控的研究

转录水平的调控

翻译水平的调控------真核生物尤为复杂。上游调控序列；信号转导；转录因子；RNA剪辑

DNA重组技术（基因工程）用于大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低的多肽，如激素、抗体等，降低成本；用于定向改造某些生物的基因组结构，使得其具备的特殊功能更符合人类生活的需要；是分子生物学基础研究不可缺少的手段之一。分子生物学技术

PCR测序核酸杂交RNAimiRNA结构分子生物学概念：研究生物大分子特定的空间结构以及结构的运动变化与其生物学功能关系的科学。结构的测定结构运动变化规律的探索结构与功能的相互关系研究方向

基因诊断与基因治疗是基因工程在医学领域发展的一个重要方面。1991年美国向一患先天性免疫缺陷病（遗传性腺苷脱氨酶ADA基因缺陷）的女孩体内导入重组的ADA基因。我国也在1994年用导入人凝血因子IX基因的方法成功治疗了乙型血友病的患者。在我国用作基因诊断的试剂盒已有近百种之多。基因诊断和基因治疗正在发展之中。Lewin,B,OxfordUniversityPress一些网站和论坛中国期刊全文数据库维普中文科技期刊爱思维尔(ElsevierScience)丁香园论坛()中国生命科学论坛()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→基因的社会学基因表达，基因互作器官发生胚胎形成个体发育结构生物学（StructuralBiology）

分子发育生物学（MolecularDevelopingBiology）

4分子生物学的发展导致未来生物学的新热点及领域个体细胞分子还原论整体论细胞中的定位细胞分化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分子细胞生物学(MolecularCellBiology)分子神经生物学（MolecularNeurobiology）1986.Friend

RB1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（MolecularTumorology）人类基因组计划（HGP）遗传图物理图序列图表达图基因定位基因克隆基因转移基因的分子生物学比较基因组研究水稻等作物基因组计划猪，牛等家畜基因组计划中心法则的深入研究与发展----基因组学（Genomics)

功能基因组学(FunctionalGenomicsorpost—Genomics)

研究内容包括基因功能发现、基因表达分析及突变检测。大规模水平上研究蛋白质的特征，包括蛋白质的表达水平，翻译后的修饰，蛋白与蛋白相互等，由此获得蛋白质水平上的关于疾病发生，细胞代谢等过程的整体而全面的认识。蛋白质组学（Proteome）

分子生物学的发展趋势I功能基因组学functionalgenomicsII蛋白质组学proteomicsIII生物信息学bioinformatics发展趋势概念：利用结构基因组学提供的信息，以大规模实验方法及统计与计算机分析，全面系统地分析全部基因功能的学科。

分子生物学的发展趋势功能基因组学functionalgenomics思考：一个或少数几个基因功能分析方法？分子生物学的发展趋势批量的(高通量)的基因表达分析：3同源性分析(homologysearching)1DNA芯片(DNAchips)2基因表达系统分析(serialanalysisofgeneexpression,SAGE)功能基因组学functionalgenomics概念：研究某一基因组在某一特定细胞、特定时间内所表达的全部蛋白质的集合体，以及所有蛋白质修饰后的各种形态。1对蛋白质组的分离：