现代分子生物学-第一章.ppt

现代分子生物学,课程基本要求,熟知核酸的基本生物化学特性； 熟知生物信息的储存与表达过程； 掌握DNA、RNA和蛋白质的基本代谢过程，特别是基因的一般结构与生物功能，基因活性的修饰与调节； 掌握分子克隆与DNA重组的基本技术与原理，了解现代分子生物学基本研究方法，了解基因治疗与基因组学的新成果，新进展。,主要参考书,1现代分子生物学 朱玉贤、李毅第三版（2007） 2. Genes VIII (IX). Benjamin Lewin 3. Molecular Biology of the Gene James D. Watson, et al. 2004 第五版 4.现代遗传学原理 徐晋麟等，科学出版社，2001 5. Lehninger Principles of Biochemistry, 2005 第五版,第一章 绪 论,一、二十一世纪是现代生物科学的世纪,统计美国“科学引文索引（Science Citation Index, SCI）”收录的6080余种学术刊物，发现有4000种左右为生物科学相关杂志！ 统计全世界引用指数（Impact factor）在10以上的超一流学术刊物，也发现80%左右是生物科学相关刊物。,2006年SCI收录的6000余种期刊的影响因子中,分子生物学,是研究核酸、蛋白质等生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学； 是人类从分子水平上真正揭示生物世界的奥秘，由被动地适应自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学科。,二、分子生物学发展的三个阶段,(一) 准备和酝酿阶段 (二) 现代分子生物学的建立和发展阶段 (三) 初步认识生命本质并改造生命的深 入发展阶段,二、分子生物学发展的三个阶段,(一) 准备和酝酿阶段 （19世纪后期到20世纪50年代初） 1、确定了蛋白质是生命的主要物质基础; 2、确定了生物遗传物质基础是DNA,(二) 现代分子生物学的建立和发展阶段 （ 20世纪50年代初到70年代初） 1、DNA双螺旋结构模型（1953） (现代分子生物学诞生的里程碑) 2、遗传信息传递中心法则的建立 3、对蛋白质结构与功能的进一步认识,(三)现代分子生物学深入发展的阶段 1、重组DNA技术的建立和发展; 2、基因组研究; 3、单克隆抗体及基因工程抗体技术; 4、基因表达调控机理; 5、细胞信号转导机理研究。,三、现代分子生物学发展中的主要里程碑,Gregor Mendel (1822-1884). The Father of Genetics,孟德尔的 遗传学规律 最先使人们对 性状遗传 产生了理性认识,孟德尔（奥地利）的遗传学规律最先使人们对性状遗传产生了理性认识； Morgan（美）的基因学说则进一步将“性状”与“基因”相耦联，成为分子遗传学的奠基石。,1910年，德国科学家Kossel第一个分离了腺嘌呤，胸腺嘧啶和组氨酸, 获诺贝尔生理医学奖。 1959年，美国科学家Uchoa第一次合成了核糖核酸，实现了将基因内的遗传信息通过RNA翻译成蛋白质的过程。 1959年，Kornberg实现了试管内细菌细胞中DNA的复制。,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。,Rosalind E. Franklin 1920-1958,1953, Watson Wilkins通过对DNA分子的X射线衍射研究证实了该模型。,1961年，法国科学家Jacob和Monod提出并证实了操纵子（operon）作为调节细菌细胞代谢的分子机制。 他们还推测存在一种与DNA序列相互补、能将它所编码的遗传信息带到蛋白质合成场所并翻译产生蛋白质的mRNA（信使核糖核酸）。,对分子生物学的发展产生了极其重要的 指导作用。,Francois Jacob (Left), Jacques Monod (Center) & Andre Lwoff (Right),1965分享了诺贝尔生理医学奖,1968年，Nirenberg，Holley和Khorana共享诺贝尔生理医学奖 Nirenberg：破译DNA遗传密码； Holley：阐明了酵母丙氨酸tRNA的核苷酸序列，并证实了所有tRNA具有结构上的相似性； Khorana：第一个合成了核酸分子，并且人工复制了酵母基因。,1972年，Paul Berg（美）第一次进行了DNA重组。 1977年，Sanger和Gilbert（英）第一次进行了DNA序列分析。,1980年，获诺贝尔化学奖,1983年，McClintock由于在50年代提出并发现了可移动遗传因子（jumping gene或称mobile element）而获得Nobel奖。,Barbra McClintock,1975年，美国人Temin、Dulbecco和Baltimore由于发现在RNA肿瘤病毒中存在以RNA为模板，逆转录生成DNA的逆转录酶而共享诺贝尔生理医学奖; 1989年，（美）Altman和Cech发现某些RNA具有酶的功能而共享Nobel化学奖；,1993年，英国科学家Roberts和Sharp因发现断裂基因（introns）而获得Nobel奖； 1993年，（美）Mullis由于发明PCR仪而与加拿大学者Smith（第一个设计基因定点突变）共享Nobel化学奖。,1994年，Gilman和Rodbell（美）由于发现了G蛋白在细胞内信号转导中的作用而分享Nobel生理医学奖； 1999年，Blobel（美）由于阐述了蛋白质在细胞间的运转机制而获Nobel生理医学奖； 2001年，Hartwell(美)Hunt ,2006年,美国科学家Kornberg由于在揭示真核细胞转录机制方面的杰出贡献获得诺贝尔化学奖。 美国科学家Fire和Mello由于在揭示控制遗传信息流动的基本机制RNA干扰方面的杰出贡献而获得诺贝尔生理医学奖。,四、证明DNA就是遗传物质的 主要历史事件,多少年来，人们反复提出的几个与一切生命现象有关的问题： 1.生命是怎样起源的？ 2.为什么“有其父必有其子”？ 3.动、植物个体是怎样从一个受精卵发育而来的？,17世纪末叶，荷兰藉显微镜专家Leeuwenhoek制作成功了世界第一架光学显微镜。 Hooke，第一次用“细胞”这个概念来形容组成软木的最基本单元。 1847年，Schleiden和Schwann提出“细胞学说”，证明动、植物都由细胞组成。,细胞学说,分析细胞的组成成分； 弄清楚这些物质与细胞内生命现象的联系。 19世纪中叶到20世纪初，是早期生物化学的大发展阶段，组成蛋白质的20种基本氨基酸被相继发现，著名生物化学家Fisher还论证了连接相邻氨基酸的“肽键”的形成。,经典生物化学,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。,经典遗传学,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。他认为，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。 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。,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。,证明DNA就是遗传物质的 具有重要意义的实验,Griffith（1928）及Avery（1944）等人关于致病力强的光滑型（S型）肺炎链球菌DNA导致致病力弱的粗糙型（R型）细菌发生遗传转化的实验; Hershey和Chase（1952）关于DNA是遗传物质的实验;,DNA是细菌的遗传物质.,英国科学家Griffith等人发现，具有光滑外表的S型肺炎链球菌能使小鼠发病，具有粗糙外表的R型细菌没有致病力。荚膜多糖能保护细菌免受动物白细胞的攻击。 首先用实验证明基因就是DNA分子的是美国的微生物学家Avery。他首先将光滑型致病菌（S型）烧煮杀灭活性以后再侵染小鼠，发现这些死细菌自然丧失了致病能力。,解剖死鼠，发现有大量活的S型细菌。他们推测，死细菌中的某一成分转化源(transforming principle）将无致病力的细菌转化成病原细菌。 10年后的实验表明，DNA就是转化源。死细菌DNA指导了这一可遗传的转化，从而导致了小鼠死亡。,DNA是细菌的 遗传物质,Avery等人的工作树立了遗传学理论上全新的观点DNA是遗传信息的载体。,美国冷泉港卡内基遗传学实验室科学家Hershey和他的学生Chase在1952年从事噬菌体侵染细菌的实验。 噬菌体专门寄生在细菌体内，其头、尾外部都是由蛋白质组成的外壳，头内主要是DNA。,DNA也是病毒的遗传物质,噬菌体侵染细菌的主要过程如下： 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。,侵染细菌后立即收集噬菌体，可得到70%32P标记的DNA，但只能得到20%标记的蛋白质。如果侵染细菌后让噬菌体复制一代，那么，新生代噬菌体中30%的DNA链上带有32P标记，而噬菌体总蛋白中只有不到1%仍带有35S标记。,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,DNA到底是什么样的呢？ Avery在1944年的报告中这样写道：当溶液中酒精的体积达到9/10时，有纤维状物质析出；如稍加搅动，这种物质便会像棉线绕在线轴上一样绕在硬棒上，溶液中的其他成分则以颗粒状沉淀留在下面。溶解纤维状物质并重复沉淀数次，可提高其纯度。这一物质具有很强的生物学活性，初步实验证实它很可能就是DNA。,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”,Meselson和Stahl（1958）关于DNA半保留复制的实验; Yanofsky和Brener（1961）年关于遗传密码三联子的设想都为分子生物学的发展做出了重大贡献。,中国科学家的贡献,吴宪20世纪20年代与汪猷、张昌颖等人一道完成了蛋白质变性理论、血液生化检测和免疫化学等一系列有重大影响的研究。 20世纪中下叶，我国科学家相继实现了人工全合成有生物学活性的结晶牛胰岛素，解出了三方二锌猪胰岛素的晶体结构，采用有机合成与酶促相结合的方法完成了酵母丙氨酸转移核糖核酸的人工全合成。,五、分子生物学的主要研究内容 一切生物体中的各类有机大分子都是由完全相同的单体，如蛋白质分子中的20种氨基酸、DNA及RNA中的8种碱基所组合而成的。,分子生物学研究的基本定理： 1.构成生物体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构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。,生物体内各种大分子、亚细胞结构的大小,DNA重组技术 (基因工程) 基因表达调控 生物大分子结构功能 (结构分子生物学) 基因组、功能基因组与生物信息学,分子生物学研究主要包括：,是20世纪70年代初兴起的技术科学，目的是将不同DNA片段按照人们的设计定向连接起来，在特定的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。 DNA重组技术是核酸化学、蛋白质化学、酶工程及微生物学、遗传学、细胞学长期深入研究的结晶，而限制性内切酶、DNA连接酶及其他工具酶的发现与应用则是这一技术得以建立的关键。,DNA重组技术,通过DNA连接酶把不同的DNA片段连接成一个整体。a. DNA的粘性末端; b. DNA的平末端; c. 化学合成的具有EcoRI粘性末端的DNA片段。,重组DNA操作过程示意图,可被用于大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低的多肽； 可用于定向改造某些生物的基因组结构，使它们所具备的特殊经济价值或功能得以成百上千倍地提高； 可被用于进行基础研究。,DNA重组技术具有广阔的应用前景,基因表达调控研究,蛋白质分子控制了细胞的一切代谢活动，而决定蛋白质结构和合成时序的信息都由核酸分子编码。,基因表达实质上就是遗传信息的转录和翻译过程。,基因表达调控研究 的主要内容,信号转导研究 转录因子研究 RNA剪接研究,1. 信号转导,信号转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过程。 信号转导之所以能引起细胞功能的改变，主要是由于信号最后活化了某些蛋白质分子，使之发生构型变化，从而直接作用于靶位点，打开或关闭某些基因。,2. 转录因子,转录因子是一群能与基因5端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与空间表达的蛋白质分子。,3. RNA剪接,当真核基因转录成pre-mRNA后，除了在5端加帽及3端加多聚A(poly(A)之外，还要切去隔开各个相邻编码区的内含子，使外显子相连后成为成熟mRNA。,生物大分子的结构功能研究 (结构分子生物学),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,主要研究方向: (1)结构的测定; (2)结构运动变化规律的探索; (3)结构与功能相互关系的建立。,研究三维结构的主要方法,X射线衍射的晶体学（又称蛋白质晶体学） 二维和多维核磁共振法液相结构 电镜三维重组、电子衍射、中子衍射和各种频谱学方法研究生物高分子的空间结构。,基因组、功能基因组与生物信息学,对人类等基因组全序列测序的完成，为确定基因对人类生长发育和疾病的预防治疗提供了一个前所未有的大舞台； 蛋白组计划（功能基因组计划）的提出和实施，将快速、高效、大规模鉴定基因的产物和功能； 依靠计算机快速高效运算并进行统计分类和结构功能预测的生物信息学将最大限度地开发和运用基因组学所产生的庞大数据。,