现代分子生物学课件.ppt
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1、第一章 绪论 一.基本含义,一.分子生物学的基本含义 是人类从分子水平上研究细胞活动的规律，揭开生命本质的一门基础学科。,第一章 绪论 一.基本含义,-分子水平是指 携带遗传信息的核酸和在遗传信息传递及细胞内、细胞间通讯过程中发挥着重要作用的蛋白质等生物大分子。-分子水平上研究生命的本质主要是指 对遗传、生殖、生长和发育等生命基本特征的分子机理的阐明,从而为利用和改造生物奠定理论基础和提供新的手段。,第一章 绪论 一.基本含义,分子生物学：是研究核酸等生物大分子的功能、形态结构特 征及其重要性和规律性的学科，是人类从分子 水平上真正揭开生物世界的奥秘，由被动适应 自然界转向主动地改造和重组自然
2、界的基础学 科。分子生物学是目前现代生物学领域里最具有活 力和发展最为迅速的学科之一。,第一章 绪论 二.分子生物学发展简史,二.分子生物学发展简史 分子生物学的发展大致可分为两个阶段 1.准备和酝酿阶段 19世纪后期-20世纪50年代 产生了两点对生命本质的认识上的重大突破:确定了生物遗传的物质基础是核酸,解决了遗 传的物质基础问题。确定了蛋白质是生命的主要基础物质。,第一章 绪论 二.分子生物学发展简史,2.分子生物学的建立和发展阶段 主要进展:50年代提出了DNA分子的双螺旋结构模型和半保留复制机制,解决了遗传物质的自我复制和世代交替问题;50年代末至60年代,提出了“中心法则”和操纵子
3、学说,成功地破译了遗传密码,阐明了遗传信息的流动与表达机制。P.11,第一章 绪论 二.分子生物学发展简史,1957 年,A.Kornberg 在大肠杆菌中发现了 DNA 聚合酶;1965 年,证明了细菌的抗药性通常由“质粒”DNA所决定；1967 年,第一次发现 DNA 连接酶;1970 年,Smith,Wilcox 和 Kelley 分离出第一种限制性核酸内切 酶,Temin 和Baltimore 从RNA肿瘤病毒中发现反转录 酶。1972-73 年,Boyer,Berg等人发明了DNA重组技术,1972年获得第一个重组 DNA 分子；1973年完成第一例细菌基因克隆。1978年,首次在大
4、肠杆菌中生产由人工合成基因表达的人脑激 素和人胰岛素。,第一章 绪论 二.分子生物学发展简史,1981年,Palmiter和Brinster 获得转基小鼠,Spradliing和Rubin得到转基因果蝇。1982年,美、英批准使用第一例基因工程药物胰岛素。1983年,获得第一例转基因植物。1994年,第一批基因工程西红柿在美国上市。1996年,完成了酵母基因组(1.25107bp)全序列测定。1997年,英国爱丁堡罗斯林研究所获得克隆羊。2000年,完成第一个高等植物拟南芥的全序列测定(3.2 108bp)。2001年,完成人类基因组全序列测定(3.5 109bp)。,第一章 绪论 二.分子生
5、物学发展简史,2002年,英、美、德等国的上百位科学家在Nature 杂志上联合宣布他们成功破译了小鼠的基因组。2004年，科学杂志发表了中国科学家的家蚕基因组框 架图。2005年，2005年8月11日中、美、日、法等10个国家和地区 的科学家在 Nature 杂志发表了水稻基因组“精细 图”，覆盖率达95.3。我国对国际水稻基因组计划的贡献率达20。共定 位了37,500个基因，还率先在动植物中完成了对着 丝粒的测序。,第一章 绪论 二.分子生物学发展简史,2009年，由中国农科院蔬菜花卉研究所和深圳华大基因研 究院领衔、14国科学家组成的国际马铃薯基因组 测序协作组，分别在北京、阿姆斯特丹
6、、伦敦、纽约、利马等地同时宣布：马铃薯基因组序列框架图完成 马铃薯基因组有12条染色体、8.4亿个碱基对 该框架图覆盖了:马铃薯95以上的基因 共发现3.5万多个基因,第一章 绪论 二.分子生物学发展简史,2009年，中国颁发了具有自主知识产权的:一个转植酸酶基因玉米品种 生产应用安全证书 两个转抗虫基因水稻品种,第一章 绪论 二.分子生物学发展简史,转植酸酶基因玉米:可以提高饲料的利用效率，减少饲料中磷酸氢 钙的添加量，降低饲养成本；减少动物粪、尿中植 酸磷的排泄，减轻环境污染，有利于环境保护.此外，利用农业种植方式生产植酸酶，还具有 节能、环保、低成本的优势。植酸酶:是催化植酸及其盐类水解
7、为肌醇与磷酸（盐）的 一类酶的总称,第一章 绪论 二.分子生物学发展简史,转抗虫基因水稻:能有效控制螟虫等鳞翅目害虫危害，保障水 稻增产，还能减少80%的化学农药用量。,第一章 绪论 三.分子生物学的主要研究内容,分子生物学的基本原理（p 11)构成生物体各类有机大分子的单体在不同生物中 都是相同的。(2)生物体内一切有机大分子的建成都遵循共同的规 则。(3)某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子决定 了它的属性。,第一章 绪论 三.主要研究内容,2.主要研究内容(1）DNA重组技术（2）基因表达调控研究（3）结构分子生物学（4）基因组、功基因组与生物信息学研究,分子生物学的研究内容 DNA重
8、组技术,（1）DNA 重组技术（基因工程/遗传工程/基因操作/基因克隆/分子克隆）在体外将不同的 DNA 片段(整个基因或基因的 一个部分)按照人们的设计定向连接起来后，转入 特定的受体细胞，使重组基因在受体细胞中与载体 同时复制并得到表达，从而赋予生物体新的遗传特 性,创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物 产品。,基因（gene）：产生一条多肽链或功能RNA所需要的全部DNA序列.,G AATTCCTTAA G,SV40,G AATTCCTTAA G,SV40病毒DNA,噬菌体DNA,EcoR I,DNA ligase连接,SV40,GAATTCCTTAAG,SV40,DNA,GAATT
9、CCTTAAG,DNA,VS40,GAATTCCTTAAG,GAATTCCTTAAG,SV40,53,53,切割,图:SV40 病毒DNA 和 噬菌体 DNA 的重组,例1:,例2:,分子生物学的研究内容 DNA重组技术,DNA重组操作主要包括:DNA(基因组和质粒DNA)提取和纯化 PCR(聚合酶链反应)基因扩增 DNA聚合酶 DNA分子切割 限制性内切酶 DNA片段与载体连接 DNA连接酶 DNA凝胶电泳 细胞转化及重组子的筛选与鉴定等,分子生物学的研究内容 DNA重组技术,三大基本工具:“分子手术刀”限制性核酸内切酶“分子缝合针”DNA连接酶“分子运输车”基因进入受体细胞的载体,分子生物
10、学的研究内容 DNA重组技术,DNA 重组技术应用前景 可用来进行基因功能的研究。如利用 反义技术、RNA干扰等技术。可用于定向改造某些生物的基因组结构。如：转 基因Bt抗虫棉，将苏云金芽孢杆菌编码Bt毒蛋白 的抗虫基因转入棉花后获得的。可用于大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低或 不能 产生的多肽，如激素、抗生素、酶类和抗体 等，提高产量，降低成本。,分子生物学的研究内容 基因表达调控研究,基因表达(gene expression):从DNA到蛋白质或功能RNA的过程被称为基因表达。实质上就是遗传信息的转录和翻译,基因表达调控(gene regulation)：对基因表达过程的调节就称为基因
11、表达的调控。,(2)基因表达调控研究,分子生物学的研究内容 基因表达调控研究,DNA RNA,反馈(?),转录,复制,翻译,蛋白质,生理功能,图:遗传信息传递的“中心法则”示意图（21世纪后修正的）,tRNA和rRNA,小RNA（microRNAs）,非编码RNA（Non-codingRNA）,P.11,分子生物学的研究内容 基因表达调控研究,基因表达调控类型:时序调控(遗传特性)区域调控(遗传特性)环境调控(内外环境变化)基因表达过程中的调控主要发生在：DNA的转录水平(原核生物和真核生物)RNA的翻译水平(此调控仅发生在真核生物的基因表 达中),分子生物学的研究内容 结构分子生物学,（3）
12、生物大分子的结构功能研究结构分子生物学 一个生物大分子，无论是核酸、蛋白质等在发挥其生物功能时，必须具备两个提：拥有特定的空间结构（三维结构）；发挥生物学功能的过程中必定存在着结构和构象的变 化。,分子生物学的研究内容 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。主要包括三个研究方向：结构的测定 采用X射线衍射、二维或多维核磁共振等方法结构运动变化规律的探索结构与功能相互关系的建立,分子生物学的研究内容 基因组、功能基因组与生物信息学研究,（4）基因组、功基因组与生物信息学研究 基因组（genome):生物有机体的单倍体细胞中的所有D
13、NA，包括 核中的染色体DNA和线粒体、叶绿体等亚细胞器中 的DNA。P.456,分子生物学的研究内容 基因组、功能基因组与生物信息学研究,基因组计划:测定基因组序列。-人类基因组计划 目的是揭开人类所有的遗传结构,包括所有的基因(尤其是与疾病相关的基因)和基因外 序列的结构。1990年-2001年，美、英、法、德、日、中 6 国的合作已完成人类基因的全部序列测定工 作。见表2-1,P.19.-小家鼠、果蝇、线虫、拟南芥、水稻、啤酒酵母，以 及多种真菌、细菌的基因组研究相继展开，其中拟南 芥基因组的全序列测定已完成。,分子生物学的研究内容 基因组、功能基因组与生物信息学研究,功能基因组计划(蛋
14、白组计划或后基因组计划):揭 示基因产物和功能之间的关系。通过 利用各种模式植物体基因的剔除和转 基因来研究基因的功能。生物信息学:将基因的结构、蛋白质功能以及物种的 进化在基因信息的基础上统一起来。p.15,第一章 绪论 四.课程学习目的和内容,学习目的:掌握分子生物学的基本概念、基本原理、基本操作技术等。学习内容:重点讲授 第三章 生物信息的传递(上)-从DNA到RNA 第四章 生物信息的传递(下)-从RNA到蛋白质 第五章 分子生物学研究法（上）第六章 分子生物学研究法（下）第七章 基因的表达与调控(上)-原核基因表达调节模式 第八章 基因的表达与调控(下)-真核基因表达调控的一 般规律
15、,第一章 绪论 四.课程的学习目的和内容,参考书:吴乃虎主编 杨岐生主编 浙江大学出版社3.吴乃虎主编,第一章 绪论,当你进入实验室时,要像脱去外衣那样放下你的想像力,因为实验操作中不能有一丁点的想像,否则,你对事物的观察就会受影响;而当你翻开书本的时候,你又必须尽可能展开想像的“翅膀”,否则,你就不可能走在别人前面。朱玉贤,第二章 染色体和DNA 一.染色体,染色体:细胞(核)中由DNA、蛋白质组成的易被碱性染 料着色的一种丝状或杆状物。亲代是以染色体的形式将自己的遗传物质DNA 传给子代，保持了物种的稳定性和连续性。因此，染色体在遗传上起着主要作用。,第二章 染色体和DNA 一.染色体,染
16、色体的特征:(1)分子结构相对稳定;(2)能够自我复制，亲代能够将自己的遗 传物质DNA以染色体的形式传给子代,使 亲、子代之间保持了物种的稳定性和 连续性;(3)能够指导蛋白质的合成，从而控制 整个生命过程;(4)能够产生可遗传的变异。,第二章 染色体和DNA 一.染色体,2.染色体的组成(1)原核细胞染色体 由 DNA与非组蛋白质组成，两者结合呈松散状态。参与DNA 折叠 染色体中的蛋白质 参与DNA 复制、重组及转录 原核生物染色体一般位于类核体上。,第二章 染色体和DNA 一.染色体,原核生物类核的结构 p.22,第二章 染色体和DNA 一.染色体,原核生物基因组的特点：多数只有一条染
17、色体 基因组小 大肠杆菌基因组仅含4000 多个基因。DNA含量少 大肠杆菌DNA的相对分子 质量只有2.4109,第二章 染色体和DNA 一.染色体,原核生物DNA的主要特点:p.30结构简练 大多数为单拷贝基因,只有很少数基因（rRNA）是以多拷贝形态存在。原核DNA分子的绝大部分是用来编码蛋白质的，只有非常小的一部分不转录。而且，这些不转录DNA序列通常是控制基因表达的序列。存在转录单元（操纵子）原核DNA序列中功能相关的RNA和蛋白质基因，往往丛集在基因组的特定部位，形成功能单位或转录单元，它们可被一起转录为可翻译多个蛋白质的mRNA分子，这种mRNA叫多顺反子mRNA。,第二章 染色
18、体和DNA 一.染色体,有重叠基因 具有部分共用核苷酸序列的基因，也就是说，同一段DNA携带了两种不同蛋白质的编码信息。这样的两个基因称之为重叠基因。重叠的部分可以在基因的调控区，也可以在结构基因区。重叠基因主要有以下几种情况:一个基因完全在另一个基因里面;部分重叠;两个基因只有一个碱基对的重叠。,第二章 染色体和DNA 一.染色体,噬菌体X174 P.31,第二章 染色体和DNA 一.染色体,真核细胞染色体的组成 组蛋白 蛋白质 染色体 非组蛋白,DNA,少量RNA（主要是尚未完成转录而仍与模板 DNA相连的那些RNA）,(2)真核细胞染色质与染色体,第二章 染色体和DNA 一.染色体,蛋白
19、质 组蛋白(histone，H)染色质中的蛋白质 非组蛋白(nonhistone chromosomal proteins,NHC)真核染色质中蛋白质与相应DNA的质量比约为2:1。,第二章 染色体和DNA 一.染色体,组蛋白 一类小分子量的碱性蛋白质，是构成真核染色质 的主要蛋白质。真核生物的染色质中有H2A、H2B、H3、H4和H1(鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不含H1而带有H5)等5种主要类型的组蛋白。,第二章 染色体和DNA 一.染色体,表 真核细胞染色质上的组蛋白成分分析 see P.23.表2-5._ 种类 相对分子质量 氨基酸数目 分离难易度 保守性 染色质中比例 染色质中位置
20、_ H1 21 000 223 易 不保守 0.5 接头 H2A 14 500 129 较难 较保守 1 核心 H2B 13 800 125 较难 较保守 1 核心 H3 15 300 135 最难 最保守 1 核心 H4 11 300 102 最难 最保守 1 核心_-H3、H4富含精氨酸 H1 富含赖氨酸 H2A、H2B介于两者之间-用 2 mol/L NaCl 或 0.25 mol/L 的HCl/H2SO4 处理染色 质，可将 组蛋白与DNA 分离。,第二章 染色体和DNA 一.染色体,组蛋白的特性：p.24 进化上的极端保守性,组成相似,特别是H3、H4.对稳定 染色体结构起作用。无组
21、织特异性,仅有两个列外。肽链上氨基酸分布的不对称性,碱性AA集中分布在N-端 的半条链上,与DNA的负电荷区结合,大部分疏水基团集 中分布在C-端的半条链上,与其它组蛋白、非组蛋白结合.组蛋白的修饰作用,主要为甲基化、乙酰化、磷酸化等,可调控基因表达。H5的磷酸化对染色质失活起作用。,第二章 染色体和DNA 一.染色体,非组蛋白:是一类多种蛋白质的群体,大约100种,常见15-20种,占染色体蛋白总量的60-70%.HMG 蛋白(high mobility group protein,高速泳动蛋白)特性:-小分子量，高电荷;-通常与有能力进行转录的活性染色质特异性结合;-可用 0.35 mol
22、/L NaCl 溶液提取，能溶于2%的三氯乙 酸。功能:与DNA 的超螺旋结构有关。DNA 结合蛋白 特性:-能与 DNA 紧密结合;-只有用高浓度盐液提取，通常采用 2 mol/L NaCl 或 5 mol/L 尿素溶液。功能:参与DNA 的复制或转录。,第二章 染色体和DNA 一.染色体,A24非组蛋白 小鼠肝脏中分离到一种蛋白质。氨基酸序列测定发现A24的C端与H2A相同，A24它有两个N端，一个N端的序列与H2A相同，另一个N端与泛蛋白相同，A24位于核小体内，功能不详。泛蛋白：在真核细胞中普遍存在的小分子量的蛋白质。可以修 饰核小体结构，与H2A组蛋白发生共价连接，形成修 饰的uH2
23、A组蛋白。,第二章 染色体和DNA 一.染色体,真核细胞基因组的特点 p.29-真核基因组宠大,人类基因组的总长度为2907Mb，含39114个基因。-含有大量重复序列。-含有大量的非编码序列，占整个基因组序列的90%（C值-一种生物单倍体基因组DNA的总量。p25）。-真核基因绝大多数为断裂基因。-真核基因的转录产物为单顺反子。-真核基因组中存在大量的顺式作用元件.包括启动子、增强子、沉默子等。-真核基因组中存在大量的DNA多态性。-真核基因组具有端粒结构。是真核生物线性基因组DNA末端的一种特殊结构，是一段DNA序列和蛋白质形成的复合体，具有保护线性DNA的完整复制等功能。,第二章 染色体
24、和DNA 一.染色体,真核生物DNA序列 真核生物DNA序列可分为三类:不重复序列(unique sequence):在单倍体基因组内,这些序列仅 出现一次或少数几次。占DNA总量的40-80%,在 人类基因组中占 60-65%。结构基因属于不重复 序列。中度重复序列(moderately repetitive sequence):序列的重复次 数为103-105,占DNA总量的15%。各种 rRNA、tRNA 和一些结构基因，如非洲爪蟾的rRNA基 因都属于这类。P.26,第二章 染色体和DNA 一.染色体,高度重复序列(high repetitive sequence):序列的 重复次数
25、在105以上,不转录。主要 为卫星DNA(又称随体DNA)。卫星DNA:因为这种DNA含大量的A、T碱基，浮 力密度小,在CsCl 密度梯度超离心时形 成一条与DNA主带相伴的小带,形似卫 星而得名。仅存在于真核生物DNA列。,第二章 染色体和DNA 真核生物的DNA序列,C 值(C-value):一种生物单倍体基因组的DNA总量(P.25)。C 值反常现象(C 值悖理,C-value paradox):物种的 C 值和它进化 复杂性之间不存在严格的对应关系,这一现称为C 值反常现象。*C 值反常现象暗示着真核生物基因组中必然存在大量的不编码基因产物的 DNA 序列。,第二章 染色体和DNA
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