分子生物学绪论.ppt

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1、分子生物学,绪 论,第一节 分子生物学的基本含义及主要研究内容第二节 分子生物学与其他学科的关系第三节 分子生物学实际应用的现状和展望第四节 分子生物学发展简史,第一节 分子生物学的基本含义 及主要研究内容,人类对自身认识的历史,人类了解自己的历史,1 分子生物学的基本含义广义的分子生物学：以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为研究对象，从分子水平阐明生命现象和生物学规律。狭义的分子生物学：偏重于核酸（基因）的分子生物学，主要研究基因或DNA的复制、转录、表达和调控等过程，也涉及与这些过程相关的蛋白质和酶的结构与功能的研究。,构成生物大分子的单体是相同的,生物遗

2、传信息的表达的中心法则相同,高级结构,生物大分子之间的互作,1.1 分子生物学的三大原则,共同的核酸语言 共同的蛋白质语言,生物大分子单体的排列（核苷酸，氨基酸）,1.2 分子生物学研究的三大领域,*基因的分子生物学：基因的概念、结构、复制、表达、重组、交换,（狭义的分子生物学）,*结构分子生物学：生物大分子的结构与功能 生物大分子之间的互作,DNA蛋白质激素和受体酶和底物,*生物技术理论与应用 基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程,1 结构分子生物学,结构的测定 结构运动变化规律的探索 结构与功能相互关系的建立,方法：X-射线衍射、核磁共振、电子衍射、中子衍射及频谱学方法等。,2

3、 生物大分子的合成,DNA复制、转录、蛋白质合成均是遗传信息传递表达过程。合成过程也是生物大分子相互作用的过程，这种作用调节着 生命过程生长、发育、适应环境。,研究领域,3 基因表达调控研究,基因表达即遗传信息的传递具有时空特异性。,信号传导：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。,转录因子：是一群能与基因5锻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和空间表达的蛋白质分子。,RNA编辑：5加帽、3加尾、RNA选择性剪接等。,4 DNA重组技术（基因工程）,将不同的DNA片断按照人们的设计定向连接起来，在特定的

4、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。,应用：生产多肽，如激素、抗生素、酶类及抗体等。定向改造某些生物的基因组结构，如“超级细菌”、转基因动植物等；进行基础研究，如基因表达调控模式、启动子和增强子的研究、转录因子的克隆和分析等。,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。,第二节分子生物学与其他学科的关系,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、

5、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。,分子生物学：从分子水平理解生命活动细胞生物学：从细胞水平理解生命活动遗传学：从遗传角度理解生命活动 生物化学：从化学组成角度来理解生物大分子和生物代谢。普通生物学（动物&植物）&微生物学：不同生物类型的特点。生物物理学：从物理学角度理解生物大分子结构和功能。,分子生物学是生物化学、生物物理学、遗传学、微生物学、细胞生物学等多学科相互渗透、综合融会而产生并发展起来的。生命活动的一致性，是生物学范围内所有学科在分子水平上的统一。,分子生物学的延伸,分子生物学已经渗透到

6、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,分子生物学发展经历了五个阶段,经典遗传：十八世纪70年代1938年,微生物遗传：1938年 1953年,分子遗传：1953年到1972年,重组时代：1972年到1990年,后基因组和蛋白质学时代：1990年至今,第三节 分子生物学发展简史,经典遗传：十八世纪70年代1938年,1865 Mendel,G.发表了植物杂交实验的论文，开创了遗传学。,1869年F.Miescher从脓细胞中提取到一种富含磷元素的酸性化合物，称核质(nuclin),经典遗传：十八世纪70年代1938年,18851900年间Kossel、Levene证实核酸

7、由不同的碱基组成。其最简单的单体结构是碱基-核糖-磷酸构成的核苷酸。1929年又确定了核酸有两种，一种是脱氧核糖核酸(DNA)，另一种是核糖核酸(RNA)。,经典遗传：十八世纪70年代1938年,1910年Morgan T.H.发现连锁定律,奠定了遗传的染色体学说。,经典遗传：十八世纪70年代1938年,1928年Griffith 肺炎双球菌的转化,经典遗传：十八世纪70年代1938年,1941年Beadlr G.W和Tatum E.L.建立“一个基因-一种酶”学说,用X射线诱导处理红色面包霉，筛选出被诱导的突变体来进行实验。根据遗传分析和大量研究，他们认为基因发生突变，就可能导致酶活性的丧失

8、。,微生物遗传：1938年 1953年,1944年 Avery在离体条 件下完成转化。,微生物遗传：1938年 1953年,微生物遗传：1938年 1953年,1950年Chargaff 指出DNA中四种碱基的比例关系为A/T=G/C=1；,微生物遗传：1938年 1953年,1951年Pauling和Corey提出了蛋白质的-螺旋结构。,1951年McClintock B.发现跳跃基因或称转座,微生物遗传：1938年 1953年,微生物遗传：1938年 1953年,1952年Hershey和Chase 噬菌体感染实验,微生物遗传：1938年 1953年,1952年 Wilkins和Frank

9、lin用高度定向的DNA纤维作出高质量的X-光衍射照片,分子遗传：1953年到1972年,1953年，Watson和Crick提出DNA的反向平行双螺旋模型。,1962年，Wilkins、Watson和Crick共获诺贝尔化学奖。,分子遗传：1953年到1972年,1957年Crick提出中心法则。,1957年Kornberg用E.coli 无细胞提取液合成DNA，证明DNA是模板式合成，并发现了DNA polymerase。,分子遗传：1953年到1972年,1958年Meselson和Stahl证实DNA半保留复制,分子遗传：1953年到1972年,1961 Jacob,F.和Monod,

10、J.提出了操纵子模型,1961年Brewner,S.，Jacob,F.和Meselson,M.发现细菌的mRNA。,分子遗传：1953年到1972年,1961年 Nivenberg等人破译出第一批遗传密码。,1962年 Arber,W.，Dussoix,D.发现了DNA的限制与修饰。,1963Monod,J.，Changeus,J-P和Jaconb,F提出蛋白变构理论。1964 Nirenberg等通过三联体结合实验破译全部有义密码子。Holliday,R.提出了DNA重组模型。1965 Holley,R.W.等发表酵母丙氨酸tRNA的完整序列。,分子遗传：1953年到1972年,重组时代：1

11、972年到1990年,1972 Berg和Boyer等人建立DNA重组技术，完成第一个细菌基因的克隆,1973 Cohor,S.R,Chang,A,C.Y,Boyer,H.W和Holling,R.B首次在体外构建具有功能的细菌质粒,1975 Temin 发现反转录酶,1977Sanger,Gilbert 建立测序方法,1980 Botstein,D.,White,R.L.,Skolnick,M.和Davis,R.W.用限制性片段长度的多态性构建人类遗传学连锁图。,1978 Chang,A.C.Y.,Nunberg,T.H.,Kanfaman,R.F.首次将真核基因（dhfr）在细菌中进 行表达

12、。,1979 Wang,A.H-J和 Rich,A.提出Z-DNA模型。,1980Botstein,D.,White,R.L.,Skolnick,M.和 Davis,R.W.用限制性片段长度的多态性构造人类遗传学连锁图。,重组时代：1972年到1990年,重组时代：1972年到1990年,1986 Benne,R等发现RNA编辑的现,1981Cech和Altman 发现核酶Banerji,S等发现增强子。,1984 Smith M.建立定点突变技术,1985 Mullis K.建立PCR技术,后基因组和蛋白质学时代：1990年至今,1990 4月 美国宣布人类基因组测序工作的5年计划。1996

13、 DNA芯片进入商业化1996 Dietrich,W.F等绘制了小鼠基因组的完整遗传图谱。Dib,C等绘制了人类的完整遗传图谱。1996 10月完成了酵母基因组的测序1997 Wilmut 克隆羊诞生1998 Sanger F.等完成了线虫的基因组测序。1999 国际人类基因组计划联合研究小组 完整地破译出人类第22号染色体的遗传密码。,2000 6月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 1月12日中、美、日、德、法、英等国科学(N

14、ature,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,后基因组和蛋白质学时代：1990年至今,1 准备和酝酿阶段 时间：19世纪后期到20世纪50年代初。两点重大突破：确定了蛋白质是生命的主要基础物质；确定了生物遗传的物质基础是DNA。,第三节 分子生物学实际应用的现状和展望,促进了以基因工程为核心的生物技术的发展，从而影响经济发展的诸多领域,1 农业方面医药方面工业方面分子生物学的发展导致未来生物学的新热点及领域,1 农业方面 生物品种的改良速度更快、目标更准确，甚至创造 新物种 转基因动物猪、牛、羊、鱼等 转基因植物抗虫棉、耐贮藏番

15、茄等,重组DNA技术的应用,抗棉铃虫棉花,抗虫水稻,全球转基因农作物销售额及预测,2 医药方面 利用重组DNA产生的工程菌来大量高效地合成人体活性多肽（疾病的诊断、预防和治疗），,基因工程疫苗（细菌疫苗、病毒疫苗、寄生虫疫苗）以及正在研制的癌症疫苗,3 工业方面 3.1 酶制剂工业用酶的生产、酶的定向改造,3.3 环境保护生物传感器-环境监测 生物修复,3.2 食品工业上：氨基酸，助鲜剂，甜味剂，食品添加剂 淀粉酶，纤维素酶。,喷洒工程菌清除石油污染,美国 GE 公司构造成功具有巨大烃类分解能力的工程菌，并获专利，用于清除石油污染。,3.4 化学与能源工业上：基因工程修饰过的淀粉及重组DNA技

16、术生产酒精等石 油替代品,生物技术必将在世界人口问题、疾病问题、人的寿命问题、营养保健问题、农业持续发展问题、资源再利用问题、大气污染问题、世界公害问题、洁净新能源问题等各方面问题的解决中起重要作用,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,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,11个抑癌基因被证实（P53,P21,ERBA,WT1,NF1 等）,人类基因组计划（HGP）,遗传图物理图序列图表达图,基因定位,比较基因组研究,中心法则的深入研究与发展-基因组学（Genomics),人与大鼠的基因90%是相同的,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）,学习分子生物学的意义,