分子生物學：1IntroductionofMolecularBiology課件

ChapterOne:

IntroductionofMolecularBiology

DefinitionofMolecularBiology（*）

BriefhistoryofMolecularBiologyRelationshipbetweenMolecularBiologyandotherdisciplines（*）

ProspectsofMolecularBiologyKeyPoints:1DefinitionofMolecularBiologyTheattempttounderstandthebiologicalphenomenainmolecularterms.ThestudyontheprocessofDNAreplication,transcription,translationandexpressionregulationandrelatedproteinsorenzymes.Thestudyofgenestructureandfunctionatthemolecularlevel. --RobertWeaver

Molecularbiologyisahybriddiscipline,itgrewoutofthedisciplinesofgeneticsandbiochemistry.Fromlate1900stoearly1950s(19世紀后期到20世紀50年代初)

?Confirmedthatproteinisoneofthefundamentalmaterialsoflife.確定了蛋白質(zhì)是生命的主要基礎(chǔ)物質(zhì)(經(jīng)典生物化學的貢獻)

?ConfirmedthatDNAisthenatureofgeneticmaterial.確定了生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA(經(jīng)典遺傳學的貢獻)

Stage1:PreparationIn1989,Buchnerbrothersconfirmedthatyeastcell-freeextractscouldmakeglucosefermentationandproducealcoholIn1926,J.B.Sumnerobtainedurokinasecrystalfromjackbean從刀豆獲得了結(jié)晶的尿酶In1955,F.Sangersequencedtheaminoacidsofcalfinsulin牛胰島素的氨基酸序列分析Kendrew&perutsobtainedthestructureofwhalemusclehemoglobinandhorsehemoglobinbyx-raydiffractionanalysisorx-raycrystallography用X-射線分析得到鯨肌紅蛋白與馬血紅蛋白的空間結(jié)構(gòu)In1869,MiescherisolatedDNAfromusedpatientbadgesforthefirsttimeandnameditnuclein.In1910,KosselfromGermanyisolatedtheadenine,thymineandhistidine腺嘌呤、胸腺嘧啶和組氨酸。Inlate1890,biochemistsalreadyknewthecomponentsandthestructureofRNAHowMendel’sfirstlaw(independentsegregation)explainsthe3:1ratioofdominanttorecessivephenotypesamongtheF2progenyTheinheritanceofflowercolorinthesnapdragon.HowMendel’ssecondlaw(independentassortment)operates?ThomasHunt

MorganTheinheritanceofasex-linkedgeneinDrosophila.Thegeneticmapofchromosome2ofDrosophilamelanogaster.In1931,HarrietCreighton&BarbaraMcClintockfoundtheevidenceofgenerecombinationConclusion:thegeneticmaterialofbacteriaisDNA.Bydefinition,theearlyworkongenescannotbeconsideredmolecularbiology,orevenmoleculargenetics,becauseearlygeneticistsdidnotknowthemolecularnatureofgenes.Infact,thechemicalcompositionofgeneswasnotknowuntil1944.Atthatpoint,itbecamepossibletostudygenesasmolecules,andthedisciplineofmolecularbiologywasborn.Conclusion:thegeneticmaterialofphagealsoisDNA.DiscoveryofDNADoubleHelix

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)In1950，ErwinChargaff’rule：A=T；G=CIn1952，RosalindFranklin,MauriceWilkins’X-ray pictureofB-DNAIn1953，PaulingpublishedDNAtriplehelixstructureIn1953，Watson&Crickputforwardright-handeddoublehelixmodelofDNA.TheywontheNobelPrizeinPhysiologyandMedicinein1962withWilkins.“Asaboy,Crickwor-riedthattherewouldn’tbeanythingleftforhimtodiscoverbythetimehegrewupandbecameascientist.”

E.Edelson

(FrancisCrickandJamesWatson)對DNA復制的認識1953年，在發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)同時，Watson和Crick就提出DNA復制的可能模型，1956年，A.Kornberg首先發(fā)現(xiàn)DNA聚合酶；1958年，Meselson及Stahl用同位素標記和超速離心分離實驗為DNA半保留模型提出了證明；1968年，Okazaki（岡畸）提出DNA不連續(xù)復制模型；1972年，證實了DNA復制開始需要RNA作為引物；70年代初，獲得DNA拓撲異構(gòu)酶，并對真核DNA聚合酶特性做了分析研究；

對RNA的認識

在研究DNA復制將遺傳信息傳給子代的同時，提出了RNA在遺傳信息傳到蛋白質(zhì)過程中起著中介作用的假說；1958年，Weiss及Hurwitz等發(fā)現(xiàn)依賴于DNA的RNA聚合酶；1961年，SydneyBrenner,FrancisJacob,MatthewMeselson發(fā)現(xiàn)了messengerRNA；1961年，Hall和Spiege-lman用RNA-DNA雜交證明mRNA與DNA序列互補；逐步闡明了RNA轉(zhuǎn)錄合成的機理。對蛋白質(zhì)的認識

50年代初，Zamecnik等在形態(tài)學和分離的亞細胞組分實驗中發(fā)現(xiàn)微粒體（microsome）是細胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成的部位；1957年，Hoagland、Zamecnik及Stephenson等分離出tRNA并對它們在合成蛋白質(zhì)中轉(zhuǎn)運氨基酸的功能提出了假設(shè)；1961年，Brenner及Gross等觀察了在蛋白質(zhì)合成過程中mRNA與核糖體的結(jié)合；1965年，Holley首次測出了酵母丙氨酸t(yī)RNA的一級結(jié)構(gòu)；60年代，Nirenberg、Ochoa以及Khorana等幾組科學家的共同努力破譯了RNA上編碼合成蛋白質(zhì)的遺傳密碼，隨后研究表明這套遺傳密碼在生物界具有通用性，從而認識了蛋白質(zhì)翻譯合成的基本過程。In1970，HowardTemin&DavidBaltimorediscoveredreversetranscriptase-aRNA-dependentDNApolymerasefromretrovirusparticles.

DNARNAproteinreplicationStage3:Primaryunderstandingofthenatureoflifeandmodificationoflife-deepdevelopmentstageFromlate1970sto2000s70年代后至21世紀初●DNArecombination技術(shù)的建立和發(fā)展●Genomics基因組研究的進展●Monoclonalantibody單克隆抗體及基因工程抗體的建立和發(fā)展●Regulationofgeneexpression基因表達調(diào)控機理●Mechanismsofsignaltransduction細胞信號轉(zhuǎn)導機理研究成為新的前沿領(lǐng)域重組DNA技術(shù)的建立和發(fā)展

1967-1970年，R.Yuan和H.O.Smith等發(fā)現(xiàn)的限制性核酸內(nèi)切酶為基因工程提供了有力的工具；

1972年，Berg等將SV-40病毒DNA與噬菌體P22DNA在體外重組成功，轉(zhuǎn)化大腸桿菌，使本來在真核細胞中合成的蛋白質(zhì)能在細菌中合成,打破了種屬界限；1977年，Boyer等首先將人工合成的生長激素釋放抑制因子14肽的基因重組入質(zhì)粒，成功地在大腸桿菌中合成得到這14肽；1978年，Itakura（板倉）等使人生長激素191肽在大腸桿菌中表達成功；1979年，美國基因技術(shù)公司用人工合成的人胰島素基因重組轉(zhuǎn)入大腸桿菌中合成人胰島素。1982年，Palmiter等將克隆的生長激素基因?qū)胄∈笫芫鸭毎藘?nèi)，培育得到比原小鼠個體大幾倍的“巨鼠”，激起了人們創(chuàng)造優(yōu)良品系家畜的熱情。1994年，能比普通西紅柿保鮮時間更長的轉(zhuǎn)基因西紅柿投放市場。1996年，轉(zhuǎn)基因玉米、轉(zhuǎn)基因大豆相繼投入商品生產(chǎn)。2004年，全球轉(zhuǎn)基因抗蟲棉播種面積占植棉總面積的80%?；蚪M研究的進展

1977年，Sanger測定了ΦX174-DNA全部5375個核苷酸的序列；1978年，F(xiàn)iers等測出SV-40DNA全部5224對堿基序列；80年代，λ噬菌體DNA全部48,502堿基對的序列全部測出；一些小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因組的全序列也陸續(xù)被測定；1996年底，許多科學家共同努力測出了大腸桿菌基因組DNA的全序列長4x106堿基對。1990年，人類基因組計劃（HumanGenomeProject）開始實施，這是生命科學領(lǐng)域有史以來全球性最龐大的研究計劃，目前已測定出人基因組全部DNA3x109堿基對的序列、確定人類約2.5-3萬個基因的一級結(jié)構(gòu)，這將使人類能夠更好掌握自己的命運。單克隆抗體及基因工程抗體的建立和發(fā)展

1975年Kohler和Milstein首次用B淋巴細胞雜交瘤技術(shù)制備出單克隆抗體以來，人們利用這一細胞工程技術(shù)研制出多種單克隆抗體，為許多疾病的診斷和治療提供了有效的手段。80年代以后隨著基因工程抗體技術(shù)而相繼出現(xiàn)的單域抗體、單鏈抗體、嵌合抗體、重構(gòu)抗體、雙功能抗體等為廣泛和有效的應用單克隆抗體提供了廣闊的前景。基因表達調(diào)控機理

Jacob和Monod最早提出的操縱元學說打開了人類認識基因表達調(diào)控的窗口；60年代，人們主要認識了原核生物基因表達調(diào)控的一些規(guī)律；70年代，逐漸認識了真核基因組結(jié)構(gòu)和調(diào)控的復雜性。1977年，最先發(fā)現(xiàn)猴SV40病毒和腺病毒中編碼蛋白質(zhì)的基因序列是不連續(xù)的，這種基因內(nèi)部的間隔區(qū)（內(nèi)含子）在真核基因組中是普遍存在的，揭開了認識真核基因組結(jié)構(gòu)和調(diào)控的序幕。1981年，Cech等發(fā)現(xiàn)四膜蟲rRNA的自我剪接，從而發(fā)現(xiàn)核酶（ribozyme）。

80-90年代，使人們逐步認識到真核基因的順式調(diào)控元件與反式轉(zhuǎn)錄因子、核酸與蛋白質(zhì)間的分子識別與相互作用是基因表達調(diào)控根本所在。細胞信號轉(zhuǎn)導機理研究成為新的前沿領(lǐng)域1957年，Sutherland發(fā)現(xiàn)cAMP1965年，提出第二信使學說，是人們認識受體介導的細胞信號轉(zhuǎn)導的第一個里程碑。1977年，Ross等用重組實驗證實G蛋白的存在和功能，將G蛋白與腺苷環(huán)化酶的作用相聯(lián)系起來，深化了對G蛋白偶聯(lián)信號轉(zhuǎn)導途徑的認識。70年代中期以后，癌基因和抑癌基因的發(fā)現(xiàn)、蛋白酪氨酸激酶的發(fā)現(xiàn)及其結(jié)構(gòu)與功能的深入研究、各種受體蛋白基因的克隆和結(jié)構(gòu)功能的探索等，使近10年來細胞信號轉(zhuǎn)導的研究更有了長足的進步。目前，對于某些細胞中的一些信號轉(zhuǎn)導途徑已經(jīng)有了初步的認識，尤其是在免疫活性細胞對抗原的識別及其活化信號的傳遞途徑方面和細胞增殖控制方面等都形成了一些基本的概念。Stage4:Post-genomeera

基因組學(genomics)

結(jié)構(gòu)基因組學(structuralgenomics)

功能基因組學(functionalgenomics)

環(huán)境基因組學(environmentalgenomics)

營養(yǎng)基因組學(nutritionalgenomics)

藥物基因組學(druggenomics)

癌癥基因組學(cancergenomics)

毒理基因組學(toxicologicalgenomics)

轉(zhuǎn)錄組學(transcriptomics)

蛋白質(zhì)組學(proteomics)

代謝組學(metabolomics)相當于約三十個人的基因組3RelationshipbetweenMolecular

BiologyandotherdisciplinesRelationshipbetweenmolecularbiologyandotherdisciplines分子生物學Molecularbiology生物化學Biochemistry物理學Physics微生物學Microbiology細胞學Cytology遺傳學Genetics發(fā)育生物學DevelopmentalBiologyMolecularBiologyStructuralmolecularbiologyMoleculardevelopmentalbiologyMolecularneurobiologyMolecularbreedingMoleculartumorologyMolecularcellbiologyMolecularimmunologyMolecularvirologyMolecularphysiologyMoleculararchaeologyMoleculargeneticsMolecularquantitativegeneticsMolecularecologyMolecularevolutionarybiology…………….分子生物學ispenetratingintoalmostalldisciplinesrelatedtobiologyandbecomingthecommonlanguageofmodernlifesciencesExtensionofMolecularBiology半個世紀以來分子生物學中重大突破與成就者(NobelLaureates)

NobelPrizeMilestoneinbiologyandmainconceptsJoshuaLederberg1958JoshuaLederberg(33y)PhagetransductionGeorgeBeadle&E.L.TatumOnegene--oneenzymeSeveroOchoa(54y)SpainRichphosphatebondsofATP-------EnergyArthurKornberg(41y)DNAreplicationIsolationDNApolymeraseIBrooklyn1959JamesWatson(34y)FrancisCrick(46y)MauriceWilkins(46y)DNADoubleHelixmodel1962FrancoisJacob(44y)JacquesMonod(55y)(French)Lac.OperonTheory1965ConceptofmRNA1968R.HolleyH.GobindKhorana&MarshallNirenberg

pakistanH.GobindKhorana(46y)HowtosynthesizetripletRNAMarshallNirenberg(41y)GeneticcodenRobertHolley(46y)tRNAphecloverleafstructure1969MaxDelbruck(63y)AlfredHershey(61y)PhagegroupPhageinfectioncycleDNAasgeneticmaterialM.DelbruckA.Hershey

HowardTemin

(41y)DavidBaltimore(37y)ReversetranscriptionWalterGilbert(48y)FredenickSangerMechanismofproteinsynthesisIsolationofLac.Operonrepressor1980DNAsequencing

λDNA+SV40→RecombinationDNAPaulBerg1983.BarbaraMcClintock(86y)DNAtransposableelememtKohler&Milstein→Monoclonalantibody

Altman&Cech→RibozymeRoberts&Sharp→SplittinggeneMullis&Smith→PCRtechnique&genemutationinlocus

Gilman&Rodball→G-proteinsandtheroleoftheseproteinsinsignaltransductionincells

Lewis&Nusslein-Volhard→thegeneticcontrolofearlyembryonicdevelopment

1998Furchgott,Ignarro&Muradfortheirdiscoveriesconcerningnitricoxideasasasignallingmoleculeinthecardiovascularsystem1999GunterBlobelforforthediscoverythatproteinshaveintrinsicsignalsthatgoverntheirtransportandlocalizationinthecell2000ArvidCarlsson,PaulGreegard&EricKandelfortheirdiscoveriesconcerningsignaltransductioninthenervoussystem.2001LelandHartwell,R.TimothyHunt&PaulNursefortheirdiscoveriesof"keyregulatorsofthecellcycle."2002SydneyBrenner,JohnE.Sulston&H.RobertHorvitsfortheirdiscoveriesconcerninggeneticregulationoforgandevelopmentandprogrammedcelldeath2004RichardAxel&LindaB.Buckfortheirdiscoveriesofodorantreceptorsandtheorganizationoftheolfactorysystemorganization發(fā)現(xiàn)氣味受體和嗅覺系統(tǒng)組織方式2006Andrew

Z.

Fire&Craig

Mello,RNAinterferenceRNA干擾2007MarioCapecchi,SirMartinEvansandOliverSmithies:genetargetinginmice基因打靶技術(shù)4ProspectsofMolecularBiology生物大分子的高級三維結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一生物大分子之間的互作→基因的社會學

Geneexpression,geneinteractionOrganogenesisEmbyogenesisOntogenesis結(jié)構(gòu)生物學（StructuralBiology）

分子發(fā)育生物學（MolecularDevelopmentalBiology）individualcellmolecule還原論reductionism整體論Systemtheory細胞中的定位localization細胞分化Celldifferentiation神經(jīng)基質(zhì)神經(jīng)通道信息傳遞大分子克隆一級結(jié)構(gòu)分析三維結(jié)構(gòu)重建思維感情記憶科學解釋腦科學+計算機智能革命分子細胞生物學(MolecularCellBiology)分子神經(jīng)生物學（MolecularNeurobiology）199470個Scr,PCD（生長因子，細胞周期等癌癥相關(guān)基因）1986.FriendRB1第一個抑制癌基因被克隆

(TumorSuppressorgene)11個抑癌基因被證實

（P53,P21,ERBA,WT1,NF1等）

1975.BishopM.Src(Sarcoma肉瘤)癌基因的證實分子腫瘤學（Molecular