第一章 分子生物学 绪论

姚庆收

基因工程教研室

邮箱：yaoqingshou@126.com

MolecularBiology

分子生物学本课程要求一、随机点名，一次不到扣总分的2分，按10分计入总分；二、每一章完成后，都随堂布置一个小题目，按20分计入总分；三、实验成绩20分；四、期末考试，按50分计入总分。Thehierarchyoflivingworld:

Biologicalorganizationsatvariouslevels

Biosphere(thesumofallEarth’secosystems)Ecosystem(biologicalcommunity+environment)Biologicalcommunity(populationsofdifferentspeciesinsamearea) Population(localizedgroupoforganismsofsamespecies)Organisms(Unitsoflife)OrgansystemsOrgans Tissue

Cells(1-100m,Unitsoforganisms)

Organelles

(ribosomesca.20nm)

Macromoleculecomplex

Molecules(nm,atomsbondedchemically)

Atoms(Å,chemicalbuilding blocksofallmatter)TherelationshipofMolecularBiologywithotherbiologicalsubjectsLifeSciencesMedicalSciencesBiologyAgri.SciencesMacro(outdoor)Micro(indoor)Ecology,BehaviorEvolutionSystematicsMolecularBiologyBiochemMicrobiolCellBiologyMolGeneticsDevBiolImmunolMolNeurobiolOthersCropsciencesAnimalhusbandryVeterinaryPathology,clinicmedicinePreventivemedicineetc

thecontentofmolecularbiologyintroduction

chromosomeandDNA

FromDNAtoRNA

FrommRNAtoprotein

molecularbiologytechnology

RegulationofGeneActivityinProkaryotes

RegulationofGeneActivityinEukaryotesDiseaseandhumanhealth

Geneanddevelopment

Genomeandcomparativegenomics

WhatisMolecularBiology?Molecularbiologyseekstoexplaintherelationshipsbetweenthestructureandfunctionofbiologicalmoleculesandhowtheserelationshipscontributetotheoperationandcontrolofbiochemicalprocesses.---Turneretal.

Molecularbiologyisthestudyofgenesandtheiractivitiesatthemolecularlevel,includingtranscription,translation,DNAreplication,recombinationandtranslocation.---RobertWeaver

名词：分子生物学分子生物学是研究核酸、蛋白质等所有生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学，是人类从分子水平上真正揭开生物世界的奥秘，由被动地适应自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学科。ReferenceBooks1.现代分子生物学（朱玉贤等）2.GeneⅧ-byBenjaminLewin.2005.中文版3.MolecularBiology(2ndEditionbyRWeaver)4.MolecularCellBiology(4thEditionbyHLodish)5.MolecularBiologyoftheCell(4thEditionbyBAlberts)6.分子生物学阎隆飞张玉麟，中国农业大学出版社，7.分子遗传学孙乃恩主编南京大学出版社，1996，分子生物学实验参考书目1.分子克隆实验指南2.精编分子生物学实验指南3.PCR技术实验指南4.分子生物学实验基础5.现代分子生物学实验技术6.分子生物学实验技术7.分子生物学基础技术Chapter1introduction1.1foreword(引言)1.1.1创世说与Evolutionism1.1.2celltheory1.1.3BiochemistryandGenetics1.1.4Geneticmaterial1.2abriefhistory(分子生物学简史)1.3TheCoreofMolecularBiology1.4theexpectationofMolecularBiology

molecularbiology、cellbiologyandneurobiologyareregardedasthethreebigprincipalpartofbiologicalstudyinthepresentage。

protein、grease、carbohydrateandnucleicacidwerebefoundandpurified.

孟德尔的遗传学规律最先使人们对性状遗传产生了理性认识；“统一律”和“分离规律”，显隐性状。

Morgan的基因学说则进一步将"性状"与"基因"相耦联，成为分子遗传学的奠基石。基因（gene）：是合成一种功能蛋白或RNA分子所必需的全部DNA序列。一个典型的真核基因包括：1.编码序列——外显子（exon）；2.非编码序列——内含子（intron）；3.5’端和3’端非翻译区；4.调控序列。（也可以解释为：遗传的基本结构和功能单位。是特定染色体上特定位置的一段核苷酸片段，能够编码特定功能的蛋白质。）在孟德尔遗传学的基础上，美国著名的遗传学家Morgan又提出了基因学说。连锁遗传规律Morgan和他的助手们第一次将代表某一特定性状的基因，同某一特定的染色体联系起来

孟德尔GregorMendel(1822-1884),奥地利大科学家。经典遗传学的奠基人。1857-1864年的7年中，进行了豌豆的杂交研究，1865年发表了他的划时代的论文—《ExperimentsinPlantHybridization》，在论文中提出了“遗传因子”的概念，并得出了三条规律——显性规律，分离规律和自由组合规律。

从1847年Schleiden和Schwann提出“细胞学说”，证明动、植物都是由细胞组成的到今天，虽然不过短短一百六十多年的时间，人类对生物大分子--细胞的化学组成却有了深刻的认识。

1.宗教解释生命的起源；创世说2.拉马克，用进废退学说3.1859年，英国生物学家，达尔文《物种起源》；“物竞天择，适者生存”的进化论DNAisthegeneticmaterial

Theideathatgeneticmaterialisnucleicacidhaditsrootsinthediscoveryoftransformationin1928.ThebacteriumPneumococcuskillsmicebycausingpneumonia.Thevirulenceofthebacteriumisdeterminedbyitscapsularpolysaccharide.Thisisacomponentofthesurfacethatallowsthebacteriumtoescapedestructionbythehost.SeveraltypesofPneumococcushavedifferentcapsularpolysaccharides.Theyhaveasmooth(S)appearance.

EachofthesmoothPneumococcaltypescangiverisetovariantsthatfailtoproducethecapsularpolysaccharide.Thesebacteriahavearough(R)surface(consistingofthematerialthatwasbeneaththecapsularpolysaccharide).Theyareavirulent.Theydonotkillthemice,becausetheabsenceofthepolysaccharideallowstheanimaltodestroythebacteria.

Whensmoothbacteriaarekilledbyheattreatment,theylosetheirabilitytoharmtheanimal.Butinactiveheat-killedSbacteriaandtheineffectualvariantRbacteriatogetherhaveaquitedifferenteffectfromeitherbacteriumbyitself.Figure1showsthatwhentheyareinjectedtogetherintoananimal,themousediesastheresultofaPneumococcalinfection.VirulentSbacteriacanberecoveredfromthemousepostmortem.Figure1

ThetransformingprincipleisDNA.

Thecomponentofthedeadbacteriaresponsiblefortransformationwascalledthetransformingprinciple.Itwaspurifiedbydevelopingacell-freesystem,inwhichextractsofthedeadSbacteriacouldbeaddedtotheliveRbacteriabeforeinjectionintotheanimal.Purificationofthetransformingprinciplein1944showedthatitisdeoxyribonucleicacid(DNA)(Averyetal.,1944).

ThenextstepwastodemonstratethatDNAprovidesthegeneticmaterialinaquitedifferentsystem.PhageT2isavirusthatinfectsthebacteriumE.coli.Whenphageparticlesareaddedtobacteria,theyadsorbtotheoutsidesurface,somematerialentersthebacterium,andthen~20minuteslatereachbacteriumburstsopen(lyses)toreleasealargenumberofprogenyphage.

Itillustratestheresultsofanexperimentin1952inwhichbacteriawereinfectedwithT2phagesthathadbeenradioactivelylabeledeitherintheirDNAcomponent(with32P)orintheirproteincomponent(with35S).Theinfectedbacteriawereagitatedinablender,andtwofractionswereseparatedbycentrifugation.Onecontainedtheemptyphagecoatsthatwerereleasedfromthesurfaceofthebacteria;theseconsistofproteinandthereforecarriedthe35Sradioactivelabel.Theotherfractionconsistedoftheinfectedbacteriathemselves.

Figure2ThegeneticmaterialofphageT2isDNA.

Mostofthe32Plabelwaspresentintheinfectedbacteria.Theprogenyphageparticlesproducedbytheinfectioncontained~30%oftheoriginal32Plabel.Theprogenyreceivedverylittlelessthan1%oftheproteincontainedintheoriginalphagepopulation.ThisexperimentthereforeshoweddirectlythattheDNAofparentphagesentersthebacteriaandthenbecomespartoftheprogenyphages,exactlythepatternofinheritanceexpectedofgeneticmaterial.

1952年Hersey和Chase的同位素标记侵染实验。噬菌体的侵染标记实验－DNA是遗传物质的证明Radioactiveprotein(35S)RadioactivephageinfectsbacterialcellsBlenderseparatesproteincoatsfrombacterialsurface

RadioactiveDNA(32P)Therefore,itistheviralDNA,andnotprotein,thatprogramscellstomakecopiesofthevirus.

WhenDNAisaddedtopopulationsofsingleeukaryoticcellsgrowinginculture,thenucleicacidentersthecells,andinsomeofthemresultsintheproductionofnewproteins.WhenapurifiedDNAisused,itsincorporationleadstotheproductionofaparticularprotein.Figure3depictsoneofthestandardsystems.

Figure3EukaryoticcellscanacquireanewphenotypeastheresultoftransfectionbyaddedDNA.

SuchexperimentsshowdirectlynotonlythatDNAisthegeneticmaterialineukaryotes,butalsothatitcanbetransferredbetweendifferentspeciesandyetremainfunctional.

ThegeneticmaterialofallknownorganismsandmanyvirusesisDNA.However,somevirusesuseanalternativenucleicacid,ribonucleicacid(RNA),asthegeneticmaterial.AlthoughitschemicalformulaisslightlydifferentfromthatofDNA,inthesecircumstancesRNAexercisesthesamerole.Thegeneralprincipleofthenatureofthegeneticmaterial,then,isthatitisalwaysnucleicacid;infact,itisDNAexceptintheRNAviruses.

烟草花叶病毒的感染和繁殖过程－证实RNA也是重要的遗传物质。

1.3.2分子生物学研究内容1.DNA重组技术------基因工程2.基因表达调控-------核酸生物学3.生物大分子结构功能----结构分子生物学4.基因组、功能基因组与生物信息学研究生物信息学（Bioinformatics）生物信息学（Bioinformatics）：生物信息学包含了生物信息的获取、处理、储存、分析和解释等在内一门交叉学科，它综合运用数学、计算机科学和生物学的各种工具进行研究，目的在于阐明大量生物学数据所包含的生物学意义。研究方法包括基因序列比对、结构比对及功能比对等，在基因组学、蛋白质组学、分子进化、生物芯片等研究上有着广泛的应用。基因组（Genome）：Genome：某一特定生物体的整套（单倍体）遗传物质的总和，基因组的大小用全部DNA的碱基对总数表示。

“What’sHumanGenomeProject?”“OnebaseOnedollar!”

人类基因组草图在2001年完成。在上个世纪最后10年还完成了许多模式生物的基因组全序列测定，如果蝇、酵母、小鼠及与人类疾病相关的许多细菌的基因组。DNArecombinanttechnique：DNArecombinanttechnique：是20世纪70年代初发展起来的科学技术，目的是将不同的DNA片段按照人们的设计定向连接起来，在特定的受体细胞中与载体同时复制并得到表达，产生影响受体细胞的新的遗传性状。

DNA重组技术是核酸化学、蛋白质化学、酶工程及微生物学、遗传学、细胞学长期深入研究的结晶，而限制性内切酶、DNA连接酶及其他工具酶的发现与应用则是这一技术得以建立的关键。DNA重组技术有着广阔的应用前景DNA重组技术可用于定向改造某些生物基因组结构，使它们所具备的特殊经济价值或功能得以成百上千倍的地提高。

蛋白质分子参与并控制了细胞的一切代谢活动，而决定蛋白质结构和合成时序的信息都由核酸（主要是脱氧核糖核酸）分子编码，表现为特定的核苷酸序列，所以基因表达实质上就是遗传信息的转录和翻译。在个体生长发育过程中生物遗传信息的表达按一定的时序发生变化（时序调节），并随着内外环境的变化而不断加以修正（环境调控）。

基因表达的调控主要发生在转录水平或翻译水平上。原核生物的基因组和染色体结构都比真核生物简单，转录和翻译在同一时间和空间内发生，基因表达的调控主要发生在转录水平。真核生物有细胞核结构，转录和翻译过程在时间和空间上都被分隔开，且在转录和翻译后都有复杂的信息加工过程，其基因表达的调控可以发生在各种不同的水平上。

基因表达调控主要表现在信号传导研究、转录因子研究及RNA剪辑3个方面。信号传导信号传导是指外部信号通过细胞膜上的受体蛋白传到细胞内部，并激发诸如离子通透性、细胞形状或其他细胞功能方面的应答过程。转录因子

转录因子是一群能与基因5‘端上游特定序列专一结合，从而保证目的基因以特定的强度在特定的时间与空间表达的蛋白质分子。

生物大分子的结构功能研究（又称结构分子生物学）一个生物大分子，无论是核酸、蛋白质或多糖，在发挥生物学功能时，必须具备两个前提:首先，它拥有特定的空间结构（三维结构）；其次，在它发挥生物学功能的过程中必定存在着结构和构象的变化。

结构分子生物学：

结构分子生物学就是研究生物大分子特定的空间结构及结构的运动变化与其生物学功能关系的科学。它包括结构的测定、结构运动变化规律的探索及结构与功能相互关系的建立3个主要研究方向。

目前，最常见的研究三维结构及其运动规律的手段是X射线衍射的晶体学（又称蛋白质晶体学），其次是用二维或多维核磁共振研究液相结构，也有人用电镜三维重组、电子衍射、中子衍射和各种频谱学方法研究生物高分子的空间结构。

近半个世纪以来分子生物学中重大突破与成就者

NobelPrize生物学发展的里程碑与主要内容1958JoshuaLederberg(33y)PhagetransductionBeadle&TatumOnegene--oneenzyme有关基因重组和细菌遗传物质结构的发现

SeveroOchoa(54y)SpainRichphosphatebondsofATP-------EnergyArthurKornberg(41y)DNAreplicationDNApolymeraseIBrooklyn荣获1959年诺贝尔生理学或医学奖JamesWatson(34y)FrancisCrick(46y)MauriceWilkins(46y)DNADoubleHelixmodel1962

FrancisCrick(1916-2004)FrancoisJacob(44y)JacquesMonod(55y)

Lac.OperonTheory1965ConceptofmRNA1968R.HolleyH.G.KhoranaM.Nirenberg

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