《分子生物学》教学课件：00 绪论

1、MOLECULAR BIOLOGY,分子生物学,1 分子生物学的基本概念及发展历程 2 分子生物学的研究范围与主要内容 3 分子生物学的进展与发展趋势 4 分子生物学与其它学科的交叉和应用成果,1 分子生物学的基本概念及发展历程,分子生物学：是在分子水平上研究生命的重要物质（核酸、蛋白质等生物大分子）的化学和物理结构、生理功能及其结构与功能的相关性，揭示复杂生命现象揭示本质的一门现代科学。,分子生物学定量地阐明生物学规律，包括遗传进化规律、分化发育规律和生长衰老规律等，是透过生命现象揭示生命本质的一门学科。,Mendel提出：生物的某种性状是由遗传因子负责传递的。是颗粒性的，体细胞内成双存在，

2、生殖细胞内成单存在。遗传因子是决定性状的抽象符号。,1909年丹麦的科学家 约翰逊（Johannsen）创用了 基因 （gene） 基因型（genotype） 表型 （phenotype）,1909年丹麦遗传学家Johannsen (1859-1927),发表了“纯系学说”首先提出了“基因”的概念，代替了Mendel “遗传因子” 的 概念。但没有提出基因的物质概念。,分子生物学的发展可分为四个时期： 第一个时期:细胞遗传学时期(19001940 ) 1910年 摩尔根（Morgan ,T.H）及其 斯特蒂文特（Sturtevant） 弟子 布里吉斯（Bridges） 缪勒（Muller） 创

3、立了连锁定律 1927年 Muller X-射线诱发突变 基因是一个抽象的遗传因子，既是功能单位，又是重组单位和突变单位。,1910年以后，Morgan T.H.等提出了基因的连锁遗传规律。说明了基因是在染色体上占有一定空间的实体。基因不再是抽象符号，被赋予物质内涵。,第二时期:微生物遗传和生化遗传时期（19411960）,1941 Beadle和 Totum 提出一基因一酶学说 1944 Avery 确定遗传物质为DNA 1951 McClintock B. 发现跳跃基因或称 转座 1953 Watson和 Crick建立双螺旋模型 1958 Kornberg 发现 DNA合成酶,1945:

4、 薛丁谔（Sehrdinger,E） 生命是什么 (WHAT IS LIFE ? Cambridge Univ ) “ 基因是活细胞的关键组成部分，要懂得什么是生命就必须知道基因是如何发挥作用的。”,1944年，美国洛克菲勒研究所的Oswald Avery等公开发表了改进的肺炎双球菌实验结果。 （1） S型菌细胞提取物及其纯化的DNA都可使R型菌转变成S型菌； （2）经DNase 处理的S型菌细胞提取物失去了转化作用。 （3）经胰蛋白酶处理的S型菌细胞提取物仍有转化作用。 不仅证实了DNA是遗传物质，而且证明了DNA可以将一个细菌的性状转给另一个细菌，他的工作被称为是现代生物科学的革命性开端。

5、,40年代，DNA是遗传物质被证实,跳跃基因 指DNA能在有机体的染色体组内从1个地方跳到另一个地方，它们能从1个位点切除，然后插入同一或不同染色体上的另一个位置。,McClintock其实在20世纪30年代即对现代生物学上有卓越贡献，她是第1个将观察及鉴识玉米染色体所需的细胞学技术发展成功的学者，从而证明了生物在形成配子时在染色体的互换中的确有遗传物质交换，为现代细胞遗传学奠定了新的里程碑，而跳跃基因则是她后半生的另一高峰。,20世纪40年代，McClintock在冷泉港发现了玉米基因中有一群控制种子（玉米粒）的糊粉层颜色的突变基因，能从突变型回复成自然状态的野生型，而使籽粒呈现红色斑点。

6、假设除了颜色基因外另有两个基因，其一非常靠近颜色基因，可以直接控制其开或并；另一位于染色体上距离稍远处，而可以控制第一个基因开关的速率。McClintock将此二基因命名为控制元件，以区别于结构基因。她的远见比发现细菌中有启动子和阻遏蛋白基因的Jacob和Monod足足早了十多年。,对这些控制元件的共同特征进行了总结： 可使特定的基因表达受到严格的调控，可开可关； 它们可在染色体上移动，也可在不同染色体间转位； 它们可以自动离去，使受控基因又回到本来面目； 它们可使染色体断裂，甚至引起染色体的移位（translocation）、重复（duplication）、缺失（deletion）与倒位（i

7、nversion）。,在此期遗传的基本单位是顺反子（Cistrons）,1957年，本泽尔（Seymour Benzer）以T4噬菌体为材料，在DNA分子水平上研究基因内部的精细结构，提出了顺反子（cistron）概念。 顺反子是1个遗传功能单位，1个顺反子决定1条多肽链。,第三时期:分子遗传时期 (19611985),1961: Jacob 和Monod建立乳糖操纵子模型 1962 ，1968 Arber， 1978 Smith 发现限制性酶 1964，1965 Nirenberg，Khorana破译遗传密码 1972 Berg建立重组技术 1975 Temin发现反转录酶,1961年，Ja

8、cques Monod和 Fancois Jacob提出了原核基因调控的 操纵子模型 （operon model）。,1977 Sanger & Gilbert 建立测序方法 1977 Sharp 和 Roberts 发现内含子 1980 Shapiro发现转座子 1981 Cech和Altman 发现核酶 1985 Mullis,K. 建立了PCR体外扩增技术。 此期基因的概念是一段可以转录为功能性RNA的DNA，它可以重迭、断裂的形式存在，并可转座。,第四时期: 基因组和蛋白质组时期 (1986 至今) 1990 年4月美国宣布人类基因组（HGP）测序工作的计划。 1991年Stepken

9、 Fodor 把基因芯片的设想第一次变成现实。 1997年 Wilmut等用成年绵羊的乳腺上皮细胞作为供体，成功克隆出“多莉”羊。 2001年 人类基因组计划正式完成。将蛋白组学研究提上议事日程。 2003年 美国Science杂志连续三年将RNA组学研究成果评为当年十大科技突破成果。,HGP于2001年2月提前完成是分子生物学重大进展的标志,HGP完成的四张生命图谱：遗传图、物理图、转录图和序列图。 （1） 遗传图又称为连锁图，是指在染色体上以遗传距离标示基因或DNA片断相对位置的图谱。 遗传距离是以基因或DNA片断在染色体交换过程中的分离频率厘摩（cM）来表示。cM值越大，二者之间的距离越

10、远。,遗传距离是通过遗传连锁分析所获得。 连锁分析是通过分析同一遗传位点在不同个体中等位基因的不同(多态性)来研究同一染色体上两个位点之间的相互关系。,遗传标记可借助于酶切技术和电泳技术进行分析。 第一代遗传标记RFLP(Restriction Fragment Length Polymorphism)是限制性片断长度多态性。 DNA序列的改变遍及整个基因组。特别是进化中选择压力不大的非编码序列变化，DNA序列上的 微小变化，就能引起限制性内切酶切点的丢失或新生，导致酶切片断长度进度发生变化。,第二代遗传标记STR，简短串联重复。利用存在于DNA序列中的大量重复序列 ，包括小卫星与微卫星DNA

11、作为遗传标记。同样，由于不受选择压力的影响，在同一位点上可重复单位数量变化很大，这样的位点遍布整个基因组，其多态性大大提高。 人类基因组中重复序列占整个基因组的50%以上。,第三代遗传标记SNP(Single Nucleotide Polymorphism )，单核苷酸多态性。分散于基因组中的单个碱基的差异。包括单个碱基的缺失和插入，单个核苷酸的替换（更常见），都是单核苷酸的多态性。 SNP在CG序列上出现最为频繁，而且是C到T，因为CG中的C常被甲基化，自发脱氨后变成T。SNP有可能在密度上达到人类基因组“多态”位点数目的极限。 SNP不在以DNA片断长度变化作为检测手段，而直接以序列变异为

12、标记。以最新的DAN芯片技术为基础，是人类基因组“遗传图”发展方向。,（2） 物理图:是指以一段已知序列的DNA片断为“路标”，以碱基对数目作为基本测量单位的基因组图。 这一已知核苷酸序列DAN片断称为序列标签位点（STS）。其是基因组中任何单拷贝的短DNA序列，长度在100150bp之间。 物理图的主要作用是可建立相互重叠连接的DNA片断群，并用PCR方法证实。,（3） 转录图：称cDNA或表达序列标签（EST） 在人类基因组中，只有1%2%的核苷酸序列为蛋白质编码序列。在成年个体的每一特定组织中，一般只有10%20%的结构基因表达转录成不同类型的mRNA。 只要得到cDNA或一个EST序列

13、的其中一段，就能用于筛选全长的相关基因，并将该基因准确定位于基因组上。,（4） 序列图：是分子水平上最高层次和最详尽的物理图，即以一个碱基对为测定单位的基因图。,1. 人类(现代智人)大约起源于100,000200,000年前 2. 45,000年前走出非洲。 3. 根据线粒体基因组构建进化树，进行系统发育树的分子进化分析。 4. 线粒体：母系遗传。 5. 夏娃：黑人！ 6. 人类迁移的历史。,53个人的线粒体基因组(16,587bp),人类迁移的路线,2 分子生物学研究的主要对象和主要内容,一切生物体都是生物学研究的对象，一切生物学现象与生命活动的基础都是分子生物学研究的主要内容。,分子生物

14、学研究的最大特点是微观性、定量性。 其目的是为了最终在整体上阐明生命现象和生命活动的本质，实现“表型 基因 表型”生物学研究模式的良性循环。,四种模式生物： （1） 大肠杆菌：个体小、生长快、易培养、易操作。 （2）酵母：同上。,酵母的遗传基因结构比较清楚，相关信息库十分丰富； 具有自身的转座子和游离的质粒，具有翻译后糖基化等加工系统，是基因工程的理想受体细胞； 具有真核生物中最明显的有性现象减数分裂，可通过四分子分析一次减数分裂的四个产物的情况，通过四分子的不同类型的 相对频率计算研究一系列遗转学规律。,许多高等真核DNA片断在酵母中可以自由复制； 含有着丝粒、端粒和复制起点三要素的酵母人工

15、染色体（YAC）已构建成功，为研究高等生物的染色体结构奠定了基础；,酵母中有多个分泌系统，其中a基因在改造后接上外源片断就可是产物分泌到细胞外； 许多高等动植物的分泌信号可在酵母中发挥作用； 酵母中某些基因含有类似致癌基因的结构，是研究癌基因的简单模型。,（3） 四膜虫：单细胞原生动物，口位于细胞的前端，内有三个小膜，口的边缘有一个波动膜，有许多独特的生物学特性。 四膜虫的最大优点在于它是一种非常容易培养的微生物，在结构和行为方面具有很多复杂特征。因此，它比哺乳动物的组织培养更容易实现；它也更为便宜。,四膜虫rDNA研究，获得了三项最具有代表性能的重大发现： RNA催化功能的发现 染色体端粒结

16、构的发现 （C4A2）n 染色体端粒复制机制的阐明,就过度表达而言，它可以管理大肠杆菌所无法管理的蛋白。例如，真核生物膜蛋白在大肠杆菌中无法进行合理的迁移，但四膜虫却具有一个巨大的膜系统，这对于蛋白表达来说可能是一种优势。,四膜虫，作为一种外面覆盖有类似头发的纤毛的单细胞生物，虽然并非是最为耀眼的真核生物，但它除了可作为功能强大的模式生物外，在真核生物蛋白的过度表达这一生物技术领域它也具有应用前景，而这些蛋白表达还无法在目前的大肠杆菌这类粗糙的模式系统中得以实现。,（4 ）拟南芥：又称鼠耳水焊菜，是一种十分古老的植物，从自然群体收集到不同的生态型可用作遗传和分子研究。 植株小（15cm），可大量在温室中培养；生长期很短；是自交繁殖植物，开花后一般自体受精，人工诱变后可在子二代中筛选变异的纯合子；果实含3060粒种子，为子代性状分析提供了足够的群体，十