分子生物学发展史.ppt

分子生物学发展史,一、分子生物学的基本含义,二、分子生物学的主要研究内容,三、分子生物学发展简史,四、分子生物学的发展趋势,主要内容,1、定义 从分子水平研究生命本质的一门新兴边缘学科,一、分子生物学的基本含义,2、研究对象 核酸和蛋白质等生物大分子的结构及其在遗传 信息和细胞信息传递中的作用,分子水平？,分子量大由简单的小分子组成复杂的空间结构,3、主要任务 阐明生物大分子的结构及结构与功能的关系,1、核酸的分子生物学,研究核酸的结构及其功能。中心法则是其理论体系的核心,2、蛋白质的分子生物学,蛋白质的结构与功能,3、细胞信号转导的分子生物学,细胞内、细胞间信息传递的分子基础,二、分子生物学的主要研究内容,生命是怎样起源的？为什么“有其父必有其子”？动、植物个体是怎样从一个受精卵发育而来的？,施旺和施莱登的细胞学说达尔文的进化论孟德尔遗传定律摩根的染色体学说,细胞的发现和细胞学说（16651875）1665年，英国物理学家罗伯特胡克(Robert Hooke)发现细胞,1677年，荷兰科学家列文虎克(Leeuwenhoek)发现活的细胞,列文虎克观察到了血细胞、水生原生动物、人类和哺乳类动物的精子，这是人类第一次观察到完整的活细胞。,18381839年，德国植物学家施莱登(Schleiden)和动物学家 施旺(Schwann)提出细胞学说（cell theory）。,德国植物学家施莱登(Schleiden),德国动物学家施旺(Schwann),达尔文的进化论,孟德尔的遗传定律,豌 豆,孟德尔选择了豌豆作为遗传试验材料,为什么用豌豆做遗传实验易成功?,自然状态下，一般是纯种,2.具有易区分的性状,豌豆花大，易于做人工异花传粉实验,人工异花授粉示意图,1、去雄,2、套袋隔离,3、人工授粉,4、套袋隔离,花大，便于人工授粉,5、采集种子栽培收集数据,（未成熟时）,（成熟时）,相对性状:,一种生物的同一性状的不同表现类型。,性状：,指生物体的形态特征或生理特征。,孟德尔在1857年到1864年间，用产生圆形种子的豌豆同产生皱皮种子的植株杂交，得到几百粒全是圆形的F1代种子。第二年，他种植了253粒F1圆形种子并进行自交，得到7324粒F2种子，其中5474粒圆形，1850粒皱皮，圆皱比为3:1。,孟德尔的遗传定律,用黄色圆形豌豆与绿色皱皮豌豆做杂交，发现F1种子全是黄色圆形的。自交产生556粒F2代种子中，黄色圆形315粒，黄色皱皮121，绿色圆形108，绿色皱皮32。四种类型接近于9:3:3:1。,绿黄圆皱F2代=9:3:3:1,孟德尔总结出生物遗传的两条基本规律：第一，当两种不同植物杂交时，它们的下一代可能与亲本之一完全相同，他把这一现象称为统一律。孟德尔认为，生物的每一种性状都是由遗传因子控制的，这些因子可以从亲代到子代，代代相传。遗传因子在体细胞内是成对存在的，一个来自父本，一个来自母本，只有在形成配子时单独存在。有些遗传因子以显性（dominant）形式存在，能在杂种一代得到表达；有些因子呈隐性（recessive）状态，只有当父、母本同时含有这一因子时，才得到表现。,第二，将不同植物品种杂交后的F1代种子再进行杂交或自交时，下一代就会按照一定的比例发生分离，因而具有不同的形式，他把这一现象称为分离规律。,科学的实验程序“假说-演绎法”,归纳综合，总结规律,分析问题，提出假说,观察实验，发现问题,设计实验，验证假说,正常的红眼果蝇,突变的白眼果蝇,在孟德尔遗传学基础上，Morgan又提出了基因学说。,1910年，Morgan和他的助手们发现了第一只白眼雄果蝇，称为突变型。正常情况下，果蝇都是红眼的，称为野生型。Morgan将白眼雄果蝇与红眼雌果蝇交配，所产生的F1代不论雌雄，全为红眼果蝇（孟德尔的统一规律！）。,这些F1果蝇互相交配所产生的F2有红眼也有白眼，但所有白眼果蝇都是雄性的，说明该性状与性别有联系。Morgan的这一连锁遗传规律与孟德尔的遗传性状独立分离规律是“背道而驰”的！,当所研究的两个基因位于同一染色体上而又距离较近时，Morgan的连锁遗传规律起主导作用。当所研究的两个基因位于不同染色体上时，孟德尔的独立分离规律起主导作用。,达尔文的进化论，施旺和施莱登的细胞学说以及孟德尔遗传定律和摩根的染色体学说奠定了当代生物学的基础，但是他们都只是从纯生物学的角度来阐述生命现象，而不能说明它的根本机理和原因。,(2)确定了生物遗传的物质基础是DNA,1、准备和酝酿阶段,(1)确定了蛋白质是生命的主要基础物质,2、现代分子生物学的建立和发展阶段,(1)1953年Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构模型,(2)遗传信息传递中心法则的建立,DNA复制机理,RNA的转录,(3)对蛋白质结构与功能的进一步认识,蛋白质的翻译,三、分子生物学发展简史,3、初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段,(1)重组DNA技术的建立和发展,转基因动物:,转基因植物,基因诊断与基因治疗,(2)基因组研究的发展,(3)单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展,(4)基因表达调控机理,(5)细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域,蛋白质是生命的主要基础物质,1897年，Buchner兄弟证明酵母无细胞提取液能使糖发酵产生酒精1902年EmilFisher证明蛋白质结构是多肽1926年，Sumner结晶了尿素酶1930年，Northrop结晶了胰蛋白酶1932年，Northrop及Kunitz等结晶了胃蛋白酶40年代末，Sanger创立二硝基氟苯（DNFB）法、Edman发展异硫氰酸苯酯法分析肽链N端氨基酸1950年Pauling和Corey提出了-角蛋白的-螺旋结构模型。1953年Sanger和Thompson完成了第一个多肽分子-胰岛素A链和B链的氨基全序列分析。,生物遗传的物质基础是DNA,1868年F.Miescher就发现了核素（nuclein）20世纪20-30年代已确认自然界有DNA和RNA两类核酸并阐明了 核苷酸的组成。1944年O.T.Avery等证明了肺炎球菌转化因子是DNA；1952年A.D.Hershey和M.Chase用T2噬菌体感染大肠杆菌；,Griffith,1928,DNA is the Genetic Material,Mice injected with S strain pneumococcus dieMice injected with R strain liveExtracts from S strain transform the R strain into virulent S strainObservation gives a potential assay for the genetic material,Avery,MacLeod,and McCarty,1944,Purified S strain extracts to characterize the transforming principle.Material was resistant to proteases;it contained no lipid or carbohydrate.If DNA in the extract is destroyed,the transforming principle is lost.Pure DNA isolated from the S strain extract transforms R strain.Avery cautiously suggested that DNA was the genetic material.,DNA是细菌的遗传物质,Hershey and Chase 1952,噬菌体侵染细菌的主要过程噬菌体尾部的末端（基片、尾丝）吸附在细菌表面；噬菌体通过尾轴把DNA全部注入细菌细胞内，噬菌体的蛋白质外壳则留在细胞外面；利用细菌的生命过程合成噬菌体自身的DNA和蛋白质；用新合成的DNA和蛋白质组装成与亲代完全相同的子噬菌体；细菌解体，释放子代噬菌体，侵染其他细菌。,DNA was the hereditary materialProtein was NOT the hereditary material,DNA是病毒的遗传物质,DNA是动物细胞的遗传物质,当DNA加入到某种在培养基中培养的真核单细胞生物群落中，核酸就会进入到细胞中去，其中有一部分就会合成出一些新的蛋白质。导入DNA的表达将使细胞产生一些新的特性。,图.胸腺嘧啶核苷激酶的合成,1949-52年S.Furbery等的X-线衍射分析阐明了核苷酸并非平面的空间构像，提出了DNA是螺旋结构；1948-1953年Chargaff等用新的层析和电泳技术分析组成DNA的硷基和核苷酸量，积累了大量的数据,同一生物的不同组织的DNA碱基组成相同一种生物DNA碱基组成不随生物体的年龄、营养状态或者环境变化而改变；A=T，G=C，AG=CT不同生物来源AT/GC比值不同,同一生物的不同组织的DNA碱基组成相同一种生物DNA碱基组成不随生物体的年龄、营养状态或者环境变化而改变；A=T，G=C，AG=CT不同生物来源AT/GC比值不同,Rosalind E.Franklin1920-1958,衍射照片表明：DNA是由两条长链组成的双螺旋，宽度为20埃。,Watson和Crick所提出的脱氧核糖酸双螺旋模型，为充分揭示遗传信息的传递规律铺平了道路。,双螺旋DNA的结构特点,右手反平行双螺旋主链位于螺旋外侧，碱基位于内侧两条链间存在碱基互补螺旋的螺距为3.4nm，直径为2nm螺旋的稳定因素为氢键和碱基堆砌力,1962年，Watson和Crick与Wilkins共获Noble生理医学奖。,DNA的复制,Conservative replication Semiconservative replication Dispersive replication,semi-conservative replication,Meselson and Stahl in 1957,Conclusion-as predicted by Watson and Crick,DNA strands serve as templates for their own replication.,Results show that after one generation,the double stranded DNA is 1/2 heavy(from the parent)and 1/2 light(newly synthesized).This result is predicted by semiconservative replication.,中心法则Crick于1954年所提出的遗传信息传递规律,1954年首次提出的“中心法则”,1970-1980年的“中心法则”,21世纪后修正的“中心法则”,分子遗传中心法则(centraldogma),基因工程是其中最富生命力的核心技术 基因工程是根据人们的意愿对不同生物的基因在体外进行切割、拼接和重新组合，然后再导入受体细胞内进行繁殖，使重组基因再受体细胞内表达，产生出人们所希望的基因产物，或创造出具有新的遗传特征的生物类型。,一个完整的DNA重组过程应包括：目的基因的获取；基因载体的选择与构建；目的基因与载体的拼接；重组DNA分子导入受体细胞；筛选并无性繁殖含重组分子的受体细胞。,Two Methods for Delivering DNA into Plant Cells,Transgenic plant producing the biodegradable plastic polyhydroxybutyrate(PHB).The PHB granules are visualised by epifluorescence microscopy as foci of red fluorescence.,改变花色的转基因矮牵牛花,转入荧光素酶蛋白基因的发荧光烟草,转 基 因 甜 椒,转 基 因 西 红 柿,蓝色玫瑰,Two methods of producing transgenic mice,Producing Enviropigs,Transgenic pig,Microinjection of genes into pig egg,Transgenic Mice,Dolly sheep born in Roslin Institute,Scottland.,1996年7月5日，世界上第一只克隆羊“多利”在英国苏格兰卢斯林研究所的试验基地诞生。成为世纪末的重大新闻。,克隆羊“多莉,伊斯维姆.穆特,A羊 B羊 从雌性成年绵羊 从B羊取出卵子用电击 乳腺组织抽取细胞 法将细胞核除去 殖入载有A绵羊 遗传信息的细胞核 卵子 C绵羊 遗传特性上完全 与A相同的小绵羊“多莉”,二十世纪人类的“三大计划”曼哈顿原子弹计划阿波罗登月计划人类基因组计划,1990年，人类基因组计划启动2000,6.26 中、美、日、德、法、英6国，宣布人类基因组草图发表。2000,10月 科学家宣布将于2001年3月完 成河豚鱼的基因组测序。2000,12月14日英美等国科学家宣布绘出拟南芥基因组的完整图谱。2001,1,12 中、美、日、德、法、英等国科学家Nature,15日)和美国塞莱拉公司(Science,16日)各自公布人类基因组图谱和初步分析结果。约3万基因。,六国科学家公布人类基因组细节研究成果 2001年2月11日人类基因组计划、美国塞莱拉遗传信息公司、美国科学杂志和英国自然杂志联合宣布，继科学家去年绘制成功人类基因组工作框架图之后，他们又绘制出了更加准确、清晰、完整的人类基因组图谱，对人类基因的面貌有了新的发现。,基因数量少得惊人 一些研究人员曾经预测人类约有14万个基因，但塞莱拉公司将人类基因总数定在2.6383万到3.9114万个之间。如果最终确定出的基因数在这个范围内，比如3万个左右，那么，人类只比果蝇多大约1.3万个基因。塞莱拉公司的科学家测出的序列准确地覆盖了基因组的95%，并已经确定了所有基因的23，平均测序精度为99.96%。,人类基因组中存在“热点”和大片“荒漠”人类基因组序列中所谓的“荒漠”就是包含极少或根本不包含基因的部分，基因组上大约14的区域是长长的、没有基因的片段。基因密度在第17、第19和第22号染色体上最高，在X染色体、第4、第18号和Y染色体上相对贫瘠。,35.3%的基因组包含重复的序列 这意味着所有这些重复序列，即原来被认为的“垃圾DNA”应该被进一步研究。事实上，第19号染色体57%是重复的。除了重复片段，科学家还鉴定了210万个人与人之间不同的基因序列，这些序列被称为“单核苷酸多态性”，它们通常是无害的。,地球上人与人之间99.99%的基因密码是相同的 研究发现，来自不同人种的人比来自同一人种的人在基因上更为相似。在整个基因组序列中，人与人之间的变异仅为万分之一。,英美国科学家在2006年5月18日出版的Nature上报告,人类最后一个染色体1号染色体的基因测序完成。这标志着历时16年的人类基因组计划宣告完成。,3141个基因，其基因缺陷涉及350多种疾病，如癌症、帕金森病和阿尔茨海默病等。,四、分子生物学的发展趋势,后基因组（post-genomics）时代：以基因组功能研究为主要研究内容功能基因组学（functional genomics）：对成千上万的基因表达进行分析比较，从基因组整体水平阐述基因活动的规律。蛋白质组学（proteomics）:研究一个基因组所表达的全部蛋白质生物信息学（bioinformatics）：由数据库、计算机和应用软件组成。（GenBankGSDBEMBLDDBJ生物信息中心）反向生物学（reverse biology）：利用基因工程技术先分离出基因，经克隆后测序并进行表达，然后再研究其功能的学科。,