分子生物學01緒論

分子生物學進展FangZHENG,MD.Ph.D.Prof.ClinicalImmunology1Outline

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IntroductionHistoryofMolecularBiologyContentsofMolecularBiologyProspectsofMolecularBiology2

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IntroductionHistoryofMolecularBiologyContentsofMolecularBiologyProspectsofMolecularBiology31.GeneralIntroductionIfyougetthegene,youwillgettheprotein.Ifyouwantaprotein,getitsgene!4DNA雙螺旋模型，使人們對基因理解由抽象化、概念化轉為有準確的物質內容。這是分子生物學的核心。1.GeneralIntroduction520世紀90年代，“TheInternationalUnionofBiochemistry”更名為“TheInternationalUnionofBiochemistryandMolecularBiology”；“中國生物化學學會”更名為“中國生物化學與分子生物學學會”；各省的也跟著更名。分子生物學分化于生物化學。1.GeneralIntroduction6分子生物學是在分子水平上研究生物的結構、組織和功能的科學。主要涉及的內容有:蛋白的結構、酶、抗體、生物膜、核酸等等。1.GeneralIntroduction7分子生物學從分子水平深入探索生命與自然的奧秘，全面改造和改良生存環(huán)境與生存質量。

有了強大的分子生物學基礎研究，才可能在生物工程這個21世紀的龍頭產業(yè)中占有一席之地，才可能與世界列強平等對話。

1.GeneralIntroduction8

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HistoryofMolecularBiologyContentsofMolecularBiologyProspectsofMolecularBiology9Mendel的遺傳學規(guī)律最先使人們對性狀遺傳產生了理性認識Morgan的基因學說將“性狀”與“基因”相偶聯(lián)，成為現(xiàn)代遺傳學的奠基石Watson和Crick的脫氧核糖核酸的雙螺旋模型Sumner在1936年證實酶是蛋白質Sanger1953年首次闡明胰島素一級結構2.HistoryofMolecularBiology101910年，Kossel獲得生理醫(yī)學獎，他首先分離出腺嘌嶺、胸腺嘧啶和組氨酸。1959年，Uchoa多核苷酸磷酸化酶的發(fā)現(xiàn)，成功地合成了核糖核酸，研究并重建了將基因內的遺傳信息通過RNA中間體翻譯成蛋白質的過程。2.HistoryofMolecularBiology111962年，Watson和Crick因為在1953年提出DNA的反向平行雙螺旋模型而獲諾貝爾生理醫(yī)學獎。2.HistoryofMolecularBiology12J.D.WatsonandF.H.C.Crick(1953)DiscoveryofDNAStructure13J.D.WatsonandF.H.C.Crick(1953)Astructurefordeoxyribosenucleicacid.Nature171:737“Wewishtosuggestastructureforthesaltofdeoxyribosenucleicacid(D.N.A.).Thisstructurehasnovelfeatureswhichareofconsiderablebiologicalinterest.”

DiscoveryofDNAStructureOneofthemostimportantbiologicaldiscoveryinthe20thcentury14DiscoveryofDNAStructureRosalindE.Franklin1920–1958ThestructureofDNAwasdeterminedusingX-raydiffractiontechniques.MuchoftheoriginalX-raydiffractiondatawasgeneratedbyRosalindE.Franklin.15

J.Watson&F.Crick:DNAstructure

MaxPerutz&JohnKendrew:ProteinsequenceFrederick

Sanger:Insulinsequence

Frederick

Sanger:DNAsequencingCesarMilstein&GeorgesKohler:MonoclonalAb……DiscoveryofDNAStructureLaboratoryofMolecular

Biology，(LMB)(Cavendish

Laboratory)1955-12scientistsreceivedNoblePrize161965年，Jacob和Monod提出并證實了操縱子理論獲生理醫(yī)學獎。1968年，Nirenberg破譯DNA遺傳密碼，獲生理醫(yī)學獎。Holley闡明了酵母丙氨酸t(yī)RNA的核苷酸序列，證實所有tRNA具有結構上的相似性。1975年，DulbeccoTemin和Baltimore發(fā)現(xiàn)在RNA腫瘤病毒中存在以RNA為模板，逆轉錄生成DNA的逆轉錄酶共享諾貝爾生理醫(yī)學獎。2.HistoryofMolecularBiology171980年，Sanger和Gilbert設計出一種測定DNA分子內核甘酸序列的方法獲化學獎。1989年，Altman和Cech發(fā)現(xiàn)某些RNA具有酶的功能(稱為核酶)而共享化學獎。1993年，Mullis發(fā)明PCR儀與第一個設計基因定點突變的Smith共享化學獎。2.HistoryofMolecularBiology18ThePCRRevolutionKaryMullis198541yInventionofPCR199349yReceivedtheNoblePrize2.HistoryofMolecularBiology192.HistoryofMolecularDiagnosticsThePCRRevolution

PCRhasgreatlyfacilitatedandrevolutionizedmoleculardiagnostics.Itsmostpowerfulfeature-largeamountofcopiesofthetargetsequencegeneratedbyitsexponentialamplification,whichallowstheidentificationofaknownmutationwithinasingleday.202.HistoryofMolecularDiagnosticsThePCRRevolution

PCRmarkedlydecreasedneedforradioactivity,allowedmoleculardiagnosticstoentertheclinicallaboratory.PCReitherisusedforthegenerationofDNAfragmentstobeanalyzed,orispartofthedetectionmethods21

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IntroductionHistoryofMolecularBiology

ContentsofMolecularBiologyProspectsofMolecularBiology22分子生物學的基本原理:構成生物體各類有機大分子的單體在不同生物中都是相同的；生物體內一切有機大分子的建成都遵循共同的規(guī)則；某一特定生物體所擁有的核酸及蛋白質分子決定了它的屬性。3.ContentsofMolecularBiology23分子生物學研究以下方面：DNA重組技術基因表達調控生物大分子的結構功能基因組、功能基因組與生物信息學蛋白組學3.ContentsofMolecularBiology24DNA重組技術是20世紀70年代初興起的分子生物學技術，目的是將DNA片段按照人們的設計定向連接起來，在特定的受體細胞中復制并得到表達，產生影響受體細胞的新的遺傳性狀。3.ContentsofMolecularBiologyRecombinantDNATechnology25DNA重組技術的應用前景廣闊。它可被用于大量生產某些多肽；定向改造某些生物的基因組結構，使它們所具備的特殊經濟價值或功能得以成百上千倍地提高；是研究分子生物學的重要手段。3.ContentsofMolecularBiologyRecombinantDNATechnology26蛋白質控制細胞的代謝活動，而決定蛋白質結構和合成時序的信息卻由核酸編碼，基因表達實質上是遺傳信息的轉錄翻譯。原核生物—轉錄翻譯在同一時間空間發(fā)生，基因表達調控主要發(fā)生在轉錄水平。真核生物有細胞核，轉錄和翻譯過程在時間和空間被隔開，基因表達的調控可以發(fā)生在各種不同的水平。3.ContentsofMolecularBiologyRegulationofgeneexpression27生物大分子擁有特定的空間結構；在它發(fā)揮生物學功能的過程中結構構象發(fā)生變化。結構分子生物學是研究生物大分子特定空間結構及結構運動變化與其生物學功能關系的科學。3.ContentsofMolecularBiologyStructuralmolecularbiology28結構分子生物學研究內容包括：結構的測定結構運動變化規(guī)律的探索結構與功能相互關系常見研究的手段是x射線衍射晶體學二維或多維核磁共振研究液相結構3.ContentsofMolecularBiologyStructuralmolecularbiology29基因組學Genomics功能基因組學FunctionalGenomics

生物信息學Bioinformatics3.ContentsofMolecularBiologyGenomics,FunctionalGenomics

bioinformatics30基因組計劃－－測定基因組序列。功能基因組：為闡明基因的功能、預測基因所編碼蛋白的功能與活性、利用這些基因的產物，旨在快速、高效、大規(guī)模鑒定基因的產物和功能。生物信息學：依靠計算機快速高效運算并進行統(tǒng)計分類和結構功能預測。3.ContentsofMolecularBiologyGenomics,FunctionalGenomics

bioinformatics31基因組學Genomics研究生物基因組的組成,組內各基因的精確結構、相互關系及表達調控的科學

。該學科提供基因組信息以及相關數(shù)據(jù)系統(tǒng)利用，試圖解決生物，醫(yī)學，和工業(yè)領域的重大問題主要方法包括：生物信息學，遺傳分析基因表達測量和基因功能鑒定基因組學出現(xiàn)于1980年代，1990年代隨著幾個物種基因組計劃的啟動，基因組學取得長足發(fā)展。3.ContentsofMolecularBiologyGenomics,FunctionalGenomics

bioinformatics32? U.S.GovernmentprojectcoordinatedbytheDept.ofEnergyandNIH? GoalsoftheHumanGenomeProject (1990–2006)–ToidentifyallofthegenesinhumanDNA;–Todeterminethesequencesofthe3billionbasesthatmakeuphumanDNA;–Tocreatedatabases;–Todeveloptoolsfordataanalysis;and–Toaddresstheethical,legal,andsocialissuesthatarisefromgenomeresearchHumanGenomeProject33２００３年４月１４日，國際人類基因組測序組宣布：人類基因組序列圖--“完成圖”提前繪制成功。人類基因組計劃成果可以揭示人類生命活動的奧秘?；蜻z傳性疾病、嚴重危害人類健康的易感性疾病的致病機理有望得到徹底闡明。3.ContentsofMolecularBiologyGenomics,FunctionalGenomics

bioinformatics343.ContentsofMolecularBiologyProteomics人類基因組計劃(HGP)全部基因測定的完成,標志著分子生物學已跨入后基因時代。由于基因組學不能闡明蛋白質表達的水平與時間、翻譯后修飾、蛋白質與蛋白質相互作用等眾多問題,人們于是提出了蛋白質組學概念,并以此來探討細胞的結構與功能以及生命活動的本質和規(guī)律。353.ContentsofMolecularBiologyProteomics1995年WasingerVC等人提出了蛋白質組學(proteomics)的科學概念,其主要任務是研究蛋白質的結構與功能。蛋白質是生命活動的最終體現(xiàn)者。蛋白質組學（Proteomics

）是從整體的角度出發(fā)來研究細胞內蛋白質的組成及其活動規(guī)律的一門科學。363.ContentsofMolecularBiology蛋白質組學不同于傳統(tǒng)蛋白質學科之處:研究的目的是闡明生物體全部蛋白質的表達模式與功能模式研究的內容十分廣泛,涵蓋了某個機體或某個細胞全部的蛋白質的結構和功能,包括鑒定蛋白質的表達、存在方式(化學修飾)、結構與功能的相互依賴關系,從某個生物體或某個細胞全部蛋白質(現(xiàn)已知單個細胞可容納2萬種蛋白質)整體活動角度揭示與闡明生命活動的基本規(guī)律373.ContentsofMolecularBiologyProteomics蛋白質組學可分為三種類型:蛋白表達蛋白質組學(protein

expressionproteomics)結構蛋白質組學(structural

proteomics)功能蛋白質組學(functionalproteomics)383.ContentsofMolecularBiologyProteomics蛋白表達蛋白質組學proteinexpressionproteomics

是定量研究蛋白質表達的技術,如鑒定某種疾病的特異性標志蛋白,應用它已從乙型肝炎病毒(HBV)感染者血清,原發(fā)性口舌鱗狀上皮癌細胞組織中鑒定出生物標志蛋白。393.ContentsofMolecularBiologyProteomics結構蛋白質組學structuralproteomics其主要任務是闡明蛋白質復合體或一個細胞器內的蛋白質的結構,例如闡明存在于線粒體、葉綠體、細胞核內的全部結構蛋白以及轉錄組中蛋白質—蛋白質的相互作用。403.ContentsofMolecularBiologyProteomics功能蛋白質組學functionalproteomics其主要任務是從分子水平分析亞細胞結構中蛋白質在功能上的組織構成及蛋白質表達譜,如研究線粒體外膜、內膜、胞液、基質間隙的各種蛋白質定位,并進行其功能分析。413.ContentsofMolecularBiologyProteomics與研究核酸分子生物學相比,完成以上三類蛋白質組學的研究任務,需要更為復雜的高端技術,并需要通過生物學、分子生物學、生物物理學、生物醫(yī)學與生物信息學多學科聯(lián)合攻關才可望實現(xiàn)這個宏偉的目標。42

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IntroductionHistoryofMolecularBiologyContentsofMolecularBiology

ProspectsofMolecularBiology43

從20世紀50年代Watson和Crick提出DNA雙螺旋模型至今，生物學領域發(fā)生了巨變。核苷酸序列測定技術的進步，使人類基因組30億個堿基對全部被測定。X射線衍射及其他高分子研究技術建立生物大分子三維構象庫的夢想成真DNA重組技術的應用，使得基因克隆分析日益成為“常規(guī)武器”到2000年，全球范圍內己有200多種植物被轉化成功。4.ProspectsofMolecularBiology44生物學在各個學科之間廣泛滲透，相互促進，不斷深入和發(fā)展?？茖W家從宏觀