分子生物學(xué)緒論

分子生物學(xué)

（MolecularBiology）劉湘

生物技術(shù)教研室

1目錄緒論1、基因和基因組2、DNA的生物合成3、RNA的生物合成4、蛋白質(zhì)的生物合成5、基因表達(dá)調(diào)控6、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)7、核酸提取與鑒定8、印跡雜交技術(shù)9、聚合酶鏈反應(yīng)10、重組DNA技術(shù)11、轉(zhuǎn)基因技術(shù)與基因打靶技術(shù)12、細(xì)胞周期與細(xì)胞凋亡13、腫瘤的分子生物學(xué)14、基因診斷和基因治療15、人類基因組計劃與組學(xué)16、分子生物學(xué)與藥物研究2第一章緒論分子生物學(xué)發(fā)展簡史分子生物學(xué)主要研究內(nèi)容分子生物學(xué)在醫(yī)藥研究中的應(yīng)用3分子生物學(xué)的概念分子生物學(xué)是研究核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能，并從分子水平上闡明蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)與核酸之間的互作及其基因表達(dá)調(diào)控機(jī)理的學(xué)科。廣義上，分子生物學(xué)包括對蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子結(jié)構(gòu)與功能的研究，以及從分子水平上闡明生命現(xiàn)象和生物規(guī)律，但目前主要研究基因的結(jié)構(gòu)與功能、復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、表達(dá)和調(diào)控，確切地應(yīng)稱為分子遺傳學(xué)。4BiochemistryGeneticsCytologyMolecularBiology研究細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能的細(xì)胞學(xué)研究基因的遺傳與變異的遺傳學(xué)研究活性物質(zhì)代謝規(guī)律的生物化學(xué)分子生物學(xué)的三大支撐學(xué)科5Biochemistry的雙重使命：分析細(xì)胞的組成成分（靜態(tài)生化）研究物質(zhì)的代謝規(guī)律（動態(tài)生化）6一、分子生物學(xué)發(fā)展簡史7(一)準(zhǔn)備和醞釀階段（1820~1950年代）●確定了蛋白質(zhì)是生命現(xiàn)象的物質(zhì)基礎(chǔ)

●確定了DNA是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)8肺炎球菌的轉(zhuǎn)化噬菌體的感染TMV蛋白質(zhì)與RNA的分析證明核酸是生物遺傳和變異的信息載體的三個經(jīng)典實(shí)驗(yàn)9著名的肺炎球菌實(shí)驗(yàn)S型肺炎球菌：有莢膜，菌落表面光滑R型肺炎球菌：沒有莢膜，菌落表面粗糙結(jié)果說明？10結(jié)果說明：加熱殺死的S型肺炎球菌中一定有某種特殊的生物分子或遺傳物質(zhì)，可以使無害的R型肺炎球菌轉(zhuǎn)化為有害的S型肺炎球菌這種生物分子或遺傳物質(zhì)是什么呢？

著名的肺炎球菌實(shí)驗(yàn)

紐約洛克非勒研究所1944年Avery從加熱殺死的S型肺炎球菌將蛋白質(zhì)、核酸、多糖、脂類分離出來，分別加入到無害的R型肺炎球菌中結(jié)果發(fā)現(xiàn)，唯獨(dú)只有核酸可以使無害的R型肺炎球菌轉(zhuǎn)化為有害的S型肺炎球菌。結(jié)論：DNA是生命的遺傳物質(zhì)11(二)創(chuàng)立和發(fā)展階段

（1950~1970年代）●

1953年，美國科學(xué)家Watson和英國科學(xué)家Crick提出DNADoubleHelixmodel分子生物學(xué)的重要里程碑12

1962年Watson、Crick與Wilkins共享諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎通過對DNA分子的X射線衍射研究證實(shí)了前兩者提出的DNA的模型13JamesWatson(34y)FrancisCrick(46y)MauriceWilkins(46y)DNADoubleHelixmodel19531962141、1958年Crick提出中心法則15StahlMeselson●

1958年，Meselson

和Stahl證明DNA半保留復(fù)制。半保留復(fù)制是遺傳消息能準(zhǔn)確傳代的保證。是物質(zhì)穩(wěn)性的分子基礎(chǔ)。DNA復(fù)制機(jī)制的研究16●1968年，Okazaki提出DNA的半不連續(xù)復(fù)制●1971-1976年，Wang先后發(fā)現(xiàn)大腸桿菌DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶I和II.提出DNA的半不連續(xù)復(fù)制DNA復(fù)制機(jī)制的研究17RNA合成機(jī)制的研究●1961年，Hall和Spiegelman證明mRNA與DNA序列的互補(bǔ)性18蛋白質(zhì)合成機(jī)制的研究●50年代，Zamecnik證明核糖體是蛋白質(zhì)的合成機(jī)器●1957年，Hoagland、Stephenson和Zamecnik等分離出tRNA,并提出其轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的作用●1961年，Brenner和Gross等觀察到mRNA與核糖體的結(jié)合19蛋白質(zhì)合成機(jī)制的研究●1968年，Nirenberg、Holley和Khorana解讀了遺傳密碼及其在蛋白質(zhì)合成方面的技能而分享諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎。2021●1970年，Temin

和Baltimore在RNA腫瘤病毒中發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶22232、對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的進(jìn)一步研究●1956-1958年，Anfinsen(1972年諾貝爾化學(xué)獎獲得者)和White（酶蛋白變性和復(fù)性），提出蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)是由氨基酸序列決定的●1956年，Ingram證明鐮貧患者的血紅蛋白和正常人僅有一個氨基酸不同，使人們對蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)決定其功能的意義有了更深刻的認(rèn)識242、對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的進(jìn)一步研究●20世紀(jì)60年代，血紅蛋白、核糖核酸酶A等蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)相繼闡明;●1965年，中國科學(xué)家人工合成牛胰島素，并于1973年完成其空間結(jié)構(gòu)的分析，為闡明蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)規(guī)律作出了重要貢獻(xiàn)。25(三)深入發(fā)展階段（1970年代以后）1、20世紀(jì)70年代，基因工程技術(shù)的建立成為新的里程碑，標(biāo)志著新時期的開始

26從40～60年代，科學(xué)家們就為基因工程設(shè)計好了美麗的藍(lán)圖，但是而對龐大dsDNA，束手無策。1968年，Meselson和Yuan在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)了限制酶1970年，Smith和Wilcox在流感噬血桿菌中分離純化了限制性核酸內(nèi)切酶HindⅡ，被稱為“核酸分子手術(shù)刀”。有了切割與縫合基因的工具，為生物的改造提供了強(qiáng)大武器?；虿僮鞯墓ぞ呙傅陌l(fā)現(xiàn)271972-BergEcoRIrecognitionsitesλphageDNAEcoRIcutsDNAintofragmentsStickyendSV40DNAThetwofragmentssticktogetherbybasepairingDNAligaseRecombinantDNA281972年,

Berg和Boyer獲得第一個重組DNA分子（1980年諾貝爾化學(xué)獎）

291977年，Boyer等在大腸桿菌中表達(dá)促生長素抑制素1978年，重組人胰島素在大腸桿菌中成功表達(dá)1982年，第一個由基因工程菌生產(chǎn)的藥物——胰島素，在美國、英國獲準(zhǔn)使用開發(fā)基因工程產(chǎn)品作為醫(yī)藥業(yè)和農(nóng)業(yè)的重要方向，將對醫(yī)藥業(yè)和農(nóng)業(yè)作出巨大貢獻(xiàn)。302007年美國的馬里奧·卡佩奇、奧利弗·史密斯和英國的馬丁·伊文思因?qū)蚯贸夹g(shù)的研究而獲諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎。MarioR.CapecchiSirMartinJ.EvansOliverSmithiesTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine2007"fortheirdiscoveriesofprinciplesforintroducingspecificgenemodificationsinmicebytheuseofembryonicstemcells"轉(zhuǎn)基因技術(shù)和基因打靶技術(shù)31轉(zhuǎn)基因技術(shù)和基因打靶技術(shù)1982年，Palmiter等將大鼠生長激素基因?qū)胄∈笫芫褍?nèi)，培育得到超級小鼠，激起了人們對培育優(yōu)良品系家畜的熱情自1996年以來，轉(zhuǎn)基因植物的培育突飛猛進(jìn):轉(zhuǎn)基因玉米和轉(zhuǎn)基因大豆作為農(nóng)作物已經(jīng)大規(guī)模種植我國科學(xué)家也已經(jīng)成功培育出抗棉鈴蟲的轉(zhuǎn)基因棉花和抗除草劑的轉(zhuǎn)基因水稻32基因診斷和基因治療血紅蛋白病等一些遺傳病已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)前基因診斷。腺苷脫氨酶缺乏癥等一些單基因疾病的基因治療已經(jīng)獲得成功332、基因組研究的開展

生命科學(xué)從研究單個基因發(fā)展到研究基因組分析一種生物基因組核酸的全序列對理解該生物的遺傳信息及其功能具有重要意義1977年，Sanger分析了ΦX174噬菌體的基因組序列1990年，人類基因組計劃開始實(shí)施，并在2003年基本完成了測序工作到2011年1月11日，已經(jīng)有1549種生物的基因組完成測序。目前，基因組研究已經(jīng)進(jìn)人后基因組時代34桑格(Sanger）吉爾伯特(Gilbert）伯格（Berg）1980年，與Gilbert和Berg共享諾貝爾化學(xué)獎Sanger還由于測定了牛胰島素的一級結(jié)構(gòu)而獲得1958年諾貝爾化學(xué)獎。●1977年，Sanger等人發(fā)明了一種測定DNA分子內(nèi)核苷酸序列的方法（雙脫氧鏈終止法）。353、基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制的揭示

在20世紀(jì)60年代之前，主要認(rèn)識了原核生物基因表達(dá)調(diào)控的一些規(guī)律1977年，猿猴病毒和腺病毒基因編碼序列不連續(xù)性的發(fā)現(xiàn)揭開了認(rèn)識真核生物基因組結(jié)構(gòu)和表達(dá)調(diào)控的序幕20世紀(jì)80-90年代，真核生物基因的調(diào)控序列和調(diào)節(jié)蛋白開始得到研究，人們認(rèn)識到核酸與蛋白質(zhì)的相互識別與相互作用是基因表達(dá)調(diào)控的根本所在36TheNP1993splitgenesIn1978RichardJ.RobertsPhillipA.Sharpminirevolution374、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制研究的深入

20世紀(jì)50年代，Sutherland(1971年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎)于1957年發(fā)現(xiàn)的cAMP和1965年提出的第二信使學(xué)說是人們認(rèn)識信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的一個里程碑1977年，Gilman(I994年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎)等發(fā)現(xiàn)了G蛋白，深化了對G蛋白介導(dǎo)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的認(rèn)識癌基因和抑癌基因的發(fā)現(xiàn)、酪氨酸激酶的發(fā)現(xiàn)及對其結(jié)構(gòu)和功能的深入研究、各種受體蛋白基因的克隆及對受體蛋白結(jié)構(gòu)和功能的探索等，使信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的研究得到進(jìn)一步發(fā)展。38二、分子生物學(xué)的主要研究內(nèi)容●化學(xué)家和物理學(xué)家對生物大分子組成和結(jié)構(gòu)的研究，特別是對蛋白質(zhì)構(gòu)象和核酸構(gòu)象的研究，奠定了分子生物學(xué)的物質(zhì)基礎(chǔ)●遺傳學(xué)家和生物化學(xué)家對生物大分子功能和作用機(jī)制的研究，確立了以中心法則為核心的遺傳信息傳遞理論

分子生物學(xué)的形成是多學(xué)科研究相互融合的結(jié)果。39(一)核酸的分子生物學(xué)

●核酸的分子生物學(xué)研究核酸的結(jié)構(gòu)和功能●研究內(nèi)容：核酸和基因組的結(jié)構(gòu)，基因的鑒定，遺傳信息的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯，基因表達(dá)的調(diào)控，基因改造及基因工程相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用等●中心法則是核酸分子生物學(xué)理論體系的核心●基因組學(xué)的建立和發(fā)展使核酸的分子生物學(xué)成為生命科學(xué)的領(lǐng)頭學(xué)科。40(二)蛋自質(zhì)的分子生物學(xué)

●研究操縱各種生命活動的主要大分子-蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能●核酸的功能往往要通過蛋白質(zhì)來實(shí)現(xiàn)，兩類大分子的代謝與生命活動密切相關(guān)●研究歷史長，但發(fā)展較慢，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)的研究難度大●蛋白質(zhì)組學(xué)的建立將從根本上推動蛋白質(zhì)分子生物學(xué)的發(fā)展41(三)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子生物學(xué)

●研究細(xì)胞之間信號傳遞、細(xì)胞內(nèi)部信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子基礎(chǔ)●細(xì)胞的增殖、分化及其他活動均依賴各種環(huán)境信號●這些信號直接或間接刺激細(xì)胞，使其做出應(yīng)答，表現(xiàn)為一系列生物化學(xué)變化例如蛋白質(zhì)構(gòu)象的改變、蛋白質(zhì)磷酸化和去磷酸化平衡的改變、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用的改變等，以適應(yīng)環(huán)境。42(三)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子生物學(xué)

●研究的目標(biāo)是闡明變化的分子機(jī)制，闡明各種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的效應(yīng)和調(diào)節(jié)方式，認(rèn)識由眾多信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑形成的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)●信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究在理論方面和技術(shù)方面與核酸的分子生物學(xué)、蛋白質(zhì)的分子生物學(xué)聯(lián)系密切，是分子生物學(xué)目前發(fā)展最快的領(lǐng)域之一。43三、分子生物學(xué)在醫(yī)藥研究中的應(yīng)用

●分子生物學(xué)應(yīng)用于醫(yī)藥研究的重要內(nèi)容之一，是利用生物體作為反應(yīng)器，按照人類意志開發(fā)和生產(chǎn)醫(yī)用生物制品●與此同時，對中藥品種、資源、育種及藥理等方面的研究也是分子生物學(xué)的重要任務(wù)。

44(一)分子生物學(xué)與藥物研究

●1、基因工程藥物重組人胰島素；第一種基因工程疫苗-重組乙肝疫苗開發(fā)成功；藥物研究的主要方向●2、基因藥物用于治療目前尚難以治療的疾病，包括遺傳病、病毒性疾病、心血管疾病、內(nèi)分泌疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、自身免疫缺陷性疾病和腫瘤等。●3、反義核酸藥物反義核酸藥物是以阻遏基因表達(dá)為目的的基因治療藥物，其化學(xué)本質(zhì)是反義RNA、反義DNA和膚核酸等，可以在復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯水平上阻遏基因表達(dá)。這類藥物可以用于治療腫瘤、遺傳病和傳染病等。45

(二)分子生物學(xué)與中藥研究

●影響中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化和國際化的重要原因是:大多數(shù)中醫(yī)理論論證還不充分，大多數(shù)中藥有效成分還不明確●此外，還有藥品質(zhì)量控制不夠標(biāo)準(zhǔn)、療效判斷不夠規(guī)范、藥理和毒理作用不夠明確等問題有待解決●分子生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用于中醫(yī)藥研究領(lǐng)域，不僅可以深化中醫(yī)藥理論、提高中醫(yī)藥療效、減少中醫(yī)藥副作用，而且有利于中醫(yī)藥與現(xiàn)代醫(yī)藥接軌46

1、中藥材的鑒定●為了保證中醫(yī)藥的療效，首先要控制中藥材的質(zhì)量●目前應(yīng)用于中藥材鑒定的分子生物學(xué)技術(shù)分為三類:電泳技術(shù)、免疫技術(shù)和DNA多態(tài)性標(biāo)志技術(shù)47

2、藥用植物資源的研究和優(yōu)良品種的培育●是生物多樣性保護(hù)的重要組成部分●運(yùn)用分子生物學(xué)技術(shù)進(jìn)行分子親緣的研究，廣泛收集并保護(hù)藥用植物的種質(zhì)資源，可以：①篩選藥用植物的優(yōu)良品種，防止現(xiàn)有品種退化②改良傳統(tǒng)藥用植物的遺傳性狀，培育優(yōu)良品種，提高其有效