分子生物学研究进展概述专家讲座

分子生物学进展郑芳FangZHENG,MD.Ph.D.Prof.ClinicalImmunology1分子生物学研究进展概述第1页General

IntroductionHistoryofMolecularBiologyContentsofMolecularBiologyProspectsofMolecularBiology2分子生物学研究进展概述第2页

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IntroductionHistoryofMolecularBiologyContentsofMolecularBiologyProspectsofMolecularBiology3分子生物学研究进展概述第3页1.GeneralIntroductionIfyougetthegene,youwillgettheprotein.Ifyouwantaprotein,getitsgene!4分子生物学研究进展概述第4页DNA双螺旋模型，使人们对基因了解由抽象化、概念化转为有准确物质内容。这是分子生物学关键。1.GeneralIntroduction5分子生物学研究进展概述第5页20世纪90年代，“TheInternationalUnionofBiochemistry”更名为“TheInternationalUnionofBiochemistryandMolecularBiology”；“中国生物化学学会”更名为“中国生物化学与分子生物学学会”。分子生物学分化于生物化学。1.GeneralIntroduction6分子生物学研究进展概述第6页分子生物学是在分子水平上硕士物结构、组织和功效科学。主要包括内容有:蛋白结构、酶、抗体、生物膜、核酸等等。1.GeneralIntroduction7分子生物学研究进展概述第7页分子生物学从分子水平深入探索生命与自然奥秘，全方面改造和改良生存环境与生存质量。

有了强大分子生物学基础研究，才可能在生物工程这个21世纪龙头产业中占有一席之地，才可能与世界列强平等对话。

1.GeneralIntroduction8分子生物学研究进展概述第8页

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HistoryofMolecularBiologyContentsofMolecularBiologyProspectsofMolecularBiology9分子生物学研究进展概述第9页Mendel遗传学规律最先使人们对性状遗传产生了理性认识Morgan基因学说将“性状”与“基因”相偶联，成为当代遗传学奠基石Sumner在1936年证实酶是蛋白质Sanger1953年首次说明胰岛素一级结构2.HistoryofMolecularBiology10分子生物学研究进展概述第10页1910年，Kossel取得生理医学奖，他首先分离出腺嘌岭、胸腺嘧啶和组氨酸。1959年，Uchoa多核苷酸磷酸化酶发觉，成功地合成了核糖核酸，研究并重建了将基因内遗传信息经过RNA中间体翻译成蛋白质过程。2.HistoryofMolecularBiology11分子生物学研究进展概述第11页Watson和Crick在1953年提出DNA反向平行双螺旋模型，于1962年与Wilkins共享生理医学奖，后者经过对DNA分子X射线衍射研究证实了Watson和CrickDNA模型。2.HistoryofMolecularBiology12分子生物学研究进展概述第12页J.D.WatsonandF.H.C.Crick(1953)Astructurefordeoxyribosenucleicacid.Nature171:737“Wewishtosuggestastructureforthesaltofdeoxyribosenucleicacid(D.N.A.).Thisstructurehasnovelfeatureswhichareofconsiderablebiologicalinterest.”

DiscoveryofDNAStructureOneofthemostimportantbiologicaldiscoveryinthe20thcentury13分子生物学研究进展概述第13页JamesD.Watson&FrancisH.CrickDiscoveryofDNAStructure14分子生物学研究进展概述第14页DiscoveryofDNAStructureRosalindE.Franklin1920–1958ThestructureofDNAwasdeterminedusingX-raydiffractiontechniques.MuchoftheoriginalX-raydiffractiondatawasgeneratedbyRosalindE.Franklin.15分子生物学研究进展概述第15页16分子生物学研究进展概述第16页J.Watson&F.Crick:DNAstructure

MaxPerutz&JohnKendrew:ProteinsequenceFrederick

Sanger:Insulinsequence

Frederick

Sanger:DNAsequencingCesarMilstein&GeorgesKohler:MonoclonalAb……DiscoveryofDNAStructureLaboratoryofMolecular

Biology，(LMB)(Cavendish

Laboratory)1955-12scientistsreceivedNoblePrize17分子生物学研究进展概述第17页1965年，Jacob和Monod提出并证实了操纵子理论获生理医学奖。1968年，Nirenberg破译DNA遗传密码，获生理医学奖。Holley说明了酵母丙氨酸tRNA核苷酸序列，证实全部tRNA含有结构上相同性。1975年，DulbeccoTemin和Baltimore发觉在RNA肿瘤病毒中存在以RNA为模板，逆转录生成DNA逆转录酶共享诺贝尔生理医学奖。2.HistoryofMolecularBiology18分子生物学研究进展概述第18页1980年，Sanger和Gilbert设计出一个测定DNA分子内核甘酸序列方法获化学奖。1989年，Altman和Cech发觉一些RNA含有酶功效(称为核酶)而共享化学奖。1993年，Mullis创造PCR仪与第一个设计基因定点突变Smith共享化学奖。2.HistoryofMolecularBiology19分子生物学研究进展概述第19页ThePCRRevolutionKaryMullis198541yInventionofPCR199349yReceivedtheNoblePrize2.HistoryofMolecularBiology20分子生物学研究进展概述第20页2.HistoryofMolecularDiagnosticsThePCRRevolution

PCRhasgreatlyfacilitatedandrevolutionizedmoleculardiagnostics.Itsmostpowerfulfeature-largeamountofcopiesofthetargetsequencegeneratedbyitsexponentialamplification,whichallowstheidentificationofaknownmutationwithinasingleday.21分子生物学研究进展概述第21页2.HistoryofMolecularDiagnosticsThePCRRevolution

PCRmarkedlydecreasedneedforradioactivity,allowedmoleculardiagnosticstoentertheclinicallaboratory.PCReitherisusedforthegenerationofDNAfragmentstobeanalyzed,orispartofthedetectionmethods22分子生物学研究进展概述第22页

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ContentsofMolecularBiologyProspectsofMolecularBiology23分子生物学研究进展概述第23页分子生物学基本原理:组成生物体各类有机大分子单体在不一样生物中都是相同；生物体内一切有机大分子建成都遵照共同规则；某一特定生物体所拥有核酸及蛋白质分子决定了它属性。3.ContentsofMolecularBiology24分子生物学研究进展概述第24页分子生物学研究以下方面：DNA重组技术基因表示调控生物大分子结构功效基因组、功效基因组与生物信息学蛋白组学3.ContentsofMolecularBiology25分子生物学研究进展概述第25页DNA重组技术是20世纪70年代初兴起分子生物学技术，目标是将DNA片段按照人们设计定向连接起来，在特定受体细胞中复制并得到表示，产生影响受体细胞新遗传性状。3.ContentsofMolecularBiologyRecombinantDNATechnology26分子生物学研究进展概述第26页A.Cloning:（1）.AfragmentofDNAisinsertedintoaspecialDNAmolecule(vector)toproducearecombinantDNAmolecule.Vectors:whicharetoolDNA,andareusedtocarrytargetDNA(orgenesofinterest)intoandreplicateinsomehostcellstogainlotofthesametargetDNAforstudyorthetargetgenesareexpressedinordertogettheirproducts.3.ContentsofMolecularBiologyRecombinantDNATechnology27分子生物学研究进展概述第27页.Therecombinantmoleculeisinsertedintoahostcell,usuallythebacteriumEscherichiacoli,butyeasts,insect,plantandanimalcellscanallbeused.（transformant）.Therecombinantmoleculemultiplieswithinthehostcellandcopiespasstotheprogenycellsasthehostdivides.3.ContentsofMolecularBiologyRecombinantDNATechnology28分子生物学研究进展概述第28页3.ContentsofMolecularBiologyRecombinantDNATechnology29分子生物学研究进展概述第29页DNA重组技术应用前景辽阔。它可被用于大量生产一些多肽；定向改造一些生物基因组结构，使它们所具备特殊经济价值或功效得以成百上千倍地提升；是研究分子生物学主要伎俩。3.ContentsofMolecularBiologyRecombinantDNATechnology30分子生物学研究进展概述第30页从DNA到蛋白质过程叫基因表示(geneexpression)，对这个过程调整即为基因表示调控(regulationofgeneexpressionorgenecontrol)。基因调控是当代分子生物学研究中心课题之一。因为要了解个体生长发育规律，形态结构特征及生物学功效，就必须搞清楚基因表示调控时间和空间概念，掌握了基因调控机制，就等于掌握了一把揭示生物学奥秘钥匙。3.ContentsofMolecularBiologyGeneexpressionregulation31分子生物学研究进展概述第31页众所周知，蛋白质控制细胞代谢活动，而决定蛋白质结构和合成时序信息却由核酸编码，基因表示实质上是遗传信息转录翻译。原核生物—转录翻译在同一时间空间发生，基因表示调控主要发生在转录水平。真核生物有细胞核，转录和翻译过程在时间和空间被隔开，基因表示调控能够发生在各种不一样水平。3.ContentsofMolecularBiologyGeneexpressionregulation32分子生物学研究进展概述第32页基因表示调控主要表现在以下几个方面：①转录水平上调控；②mRNA加工、成熟水平上调控；③翻译水平上调控；

3.ContentsofMolecularBiologyGeneexpressionregulation33分子生物学研究进展概述第33页基因表示调控指挥系统有很各种，不一样生物使用不一样信号来指挥基因调控。原核生物和真核生物之间存在着相当大差异。原核生物中，营养情况、环境原因对基因表示起着十分主要作用；而真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平、发育阶段等是基因表示调控主要伎俩，营养和环境原因影响则为次要原因。3.ContentsofMolecularBiologyGeneexpressionregulation34分子生物学研究进展概述第34页生物大分子拥有特定空间结构；在它发挥生物学功效过程中结构构象发生改变。结构分子生物学是硕士物大分子特定空间结构及结构运动改变与其生物学功效关系科学。3.ContentsofMolecularBiologyStructuralmolecularbiology35分子生物学研究进展概述第35页结构分子生物学是结构生物学中最活跃研究层次，它是在分子层次上从结构角度尤其是从三维结构角度研究和说明当前生物学中各个前沿领域主要学科问题。结构分子生物学是一个包含生物学、物理学、化学和计算数学等多学科交叉，以结构（尤其是三维结构）测定为伎俩，以结构与功效关系研究为内容，以说明生物学功效机制为目标前沿学科。

3.ContentsofMolecularBiologyStructuralmolecularbiology36分子生物学研究进展概述第36页众所周知，生物大分子发挥其生物学功效（包含分子间识别、结合，能量及信息传递等相互作用）必需具备：（1）稳定特征三维结构，（2）其三维结构在各个水平上运动。而各个层次生命活动都是建立在生物大分子结构、运动及其相互作用基础上。50年代核酸双螺旋结构模型确实定及其后肌红蛋白与血红蛋白三维结构说明为分子生物学奠定了学科基础。过去、现在和未来分子生物学中每一个前沿突破都是并必将是与其三维结构研究突破亲密相关。生物大分子结构与功效研究是分子生物学基础和学科前沿，它更是分子生物物理学关键。

3.ContentsofMolecularBiologyStructuralmolecularbiology37分子生物学研究进展概述第37页结构分子生物学研究内容包含：结构测定结构运动改变规律探索结构与功效相互关系常见研究伎俩是x射线衍射晶体学二维或多维核磁共振3.ContentsofMolecularBiologyStructuralmolecularbiology38分子生物学研究进展概述第38页基因组学Genomics功效基因组学FunctionalGenomics

生物信息学Bioinformatics3.ContentsofMolecularBiologyGenomics,FunctionalGenomics

bioinformatics39分子生物学研究进展概述第39页基因组计划－－测定基因组序列。功效基因组：为说明基因功效、预测基因所编码蛋白功效与活性、利用这些基因产物，意在快速、高效、大规模判定基因产物和功效。生物信息学：依靠计算机快速高效运算并进行统计分类和结构功效预测。3.ContentsofMolecularBiologyGenomics,FunctionalGenomics

bioinformatics40分子生物学研究进展概述第40页基因组学Genomics硕士物基因组组成,组内各基因准确结构、相互关系及表示调控科学

。该学科提供基因组信息以及相关数据系统利用，试图处理生物，医学，和工业领域重大问题主要方法包含：生物信息学，遗传分析基因表示测量和基因功效判定基因组学出现于1980年代，1990年代伴随几个物种基因组计划开启，基因组学取得长足发展。3.ContentsofMolecularBiologyGenomics,FunctionalGenomics

bioinformatics41分子生物学研究进展概述第41页年４月14日，国际人类基因组测序组宣告：人类基因组序列图--“完成图”提前绘制成功。人类基因组计划结果能够揭示人类生命活动奥秘。基因遗传性疾病、严重危害人类健康易感性疾病致病机理有望得到彻底说明。3.ContentsofMolecularBiologyGenomics,FunctionalGenomics

bioinformatics42分子生物学研究进展概述第42页• U.S.GovernmentprojectcoordinatedbytheDept.ofEnergyandNIH• GoalsoftheHumanGenomeProject (1990–)–ToidentifyallofthegenesinhumanDNA;–Todeterminethesequencesofthe3billionbasesthatmakeuphumanDNA;–Tocreatedatabases;–Todeveloptoolsfordataanalysis;and–Toaddresstheethical,legal,andsocialissuesthatarisefromgenomeresearchHumanGenomeProject43分子生物学研究进展概述第43页3.ContentsofMolecularBiologyProteomics人类基因组计划(HGP)全部基因测定完成,标志着分子生物学已跨入后基因时代。因为基因组学不能说明蛋白质表示水平与时间、翻译后修饰、蛋白质与蛋白质相互作用等众多问题,人们于是提出了蛋白质组学概念,并以此来探讨细胞结构与功效以及生命活动本质和规律。44分子生物学研究进展概述第44页3.ContentsofMolecularBiologyProteomics1995年WasingerVC等人提出了蛋白质组学(proteomics)科学概念,其主要任务是研究蛋白质结构与功效。蛋白质是生命活动最终表达者。蛋白质组学（Proteomics

）是从整体角度出发来研究细胞内蛋白质组成及其活动规律一门科学。45分子生物学研究进展概述第45页3.ContentsofMolecularBiology蛋白质组学不一样于传统蛋白质学科之处:研究目标是说明生物体全部蛋白质表示模式与功效模式研究内容十分广泛,涵盖了某个机体或某个细胞全部蛋白质结构和功效,包含判定蛋白质表示、存在方式(化学修饰)、结构与功效相互依赖关系,从某个生物体或某个细胞全部蛋白质(现已知单个细胞可容纳2万种蛋白质)整体活动角度揭示与说明生命活动基本规律46分子生物学研究进展概述第46页3.ContentsofMolecularBiologyProteomics蛋白质组学可分为三种类型:蛋白表示蛋白质组学(proteinexpressionproteomics)结构蛋白质组学(structuralproteomics)功效蛋白质组学(functionalproteomics)47分子生物学研究进展概述第47页3.ContentsofMolecularBiologyProteomics蛋白表示蛋白质组学proteinexpressionproteomics

定量研究蛋白质表示技术,例如判定某种疾病特异性标志蛋白,应用它已从乙型肝炎病毒(HBV)感染者血清,原发性口舌鳞状上皮癌细胞组织中判定出生物标志蛋白。48分子生物学研究进展概述第48页3.ContentsofMolecularBiologyProteomics结构蛋白质组学structuralproteomics其主要任务是说明蛋白质复合体或一个细胞器内蛋白质结构,比如说明存在于线粒体、叶绿体、细胞核内全部结构蛋白以及转录组中蛋白质—蛋白质相互作用。49分子生物学研究进展概述第49页3.ContentsofMolecularBiologyProteomics功效蛋白质组学functionalproteomics

其主要任务是从分子水平分析亚细胞结构中蛋白质在功效上组织组成及蛋白质表示谱,如研究线粒体外膜、内膜、胞液、基质间隙各种蛋白质定位,并进行其功效分析。50分子生物学研究进展概述第50页3.ContentsofMolecularBiologyProteomics与研究核酸分子生物学相比,完成以上三类蛋白质组学研究任务,需要更为复杂高端技术,并需要经过生物学、分子生物学、生物物理学、生物医学与生物信息学多学科联合攻关才可望实现这个宏伟目标。51分子生物学研究进展概述第51页

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ProspectsofMolecularBiology52分子生物学研究进展概述第52页

从20世纪50年代Watson和Crick提出DNA双螺旋模型至今，生物学领域发生了巨变。核苷酸序列测定技术进步，使人类基因组30亿个碱基对全部被测定。X射线衍射及其它高分