分子生物學(xué)發(fā)展的歷程課件

1.3.分子生物學(xué)發(fā)展的歷程

MILESTONE近半個(gè)世紀(jì)以來

Nobelmedal

Halfapoundof23-karalgold.2.5inchesacross近半個(gè)世紀(jì)以來1.3.1.分子生物學(xué)支撐學(xué)科的崛起

進(jìn)化理論

物競天擇

適者生存從根基上動(dòng)搖

了上帝創(chuàng)造萬物的“創(chuàng)世說”1859CharlesDarwin自然選擇

生存斗爭“OntheOriginofSpecies”物種起源細(xì)胞學(xué)的誕生Cytology

MatthiasSchleiden&TheodorSchwann

身世不同志同道合生物體由細(xì)胞組成所有組織的最基本單元─形狀相似，高度

分化的細(xì)胞細(xì)胞的發(fā)生與形成是生物界普遍永久的規(guī)律

細(xì)胞學(xué)Cytology“進(jìn)化論”＋“細(xì)胞學(xué)”實(shí)驗(yàn)性的生命科學(xué)觀察、比較、鑒定的描述性生命科學(xué)

遺傳因子假說

(HypothesisoftheinheritedfactorG.J.Mendel1866.)

生物性狀由遺傳因子控制

親代傳給子代的是遺傳因子(A,a….)

遺傳因子在體細(xì)胞內(nèi)呈雙(AA,aa)

在生殖細(xì)胞內(nèi)為單（A,a）

雜合子體細(xì)胞內(nèi)具有成雙的遺傳因子(Aa..)

等位的遺傳因子彼此分離、獨(dú)立分配

非等位遺傳因子間自由組合到配子中Mendel臨終前說；GregorMendel1822-1884

等著瞧吧，我的時(shí)代總有一天會(huì)來臨！“Forhisdiscoveriesconcerningtheroleplayedbythechromosomeinheredity”

ThomasHuntMorgan1933Demonstratedthatgenesareonthechromosome分析突變體在世代間的傳遞規(guī)律研究基因的特性和染色體的定位描述基因突變和染色體變異效應(yīng)早期的遺傳學(xué)家們研究基因ForwardGenetics在不知基因化學(xué)本質(zhì)的前提下遺傳學(xué)是依靠邏輯分析的推理性科學(xué)二十世紀(jì)中葉的遺傳學(xué)家們不再滿足于基因的抽象觀念!將研究的前沿聚焦到揭示基因的本質(zhì)和它們的作用機(jī)制!遺傳學(xué)和生物化學(xué)是分子生物學(xué)發(fā)展的根基分子生物學(xué)是遺傳學(xué)和生物化學(xué)融合的結(jié)果研究遺傳物質(zhì)－基因的本質(zhì)理解基因調(diào)控生化代謝過程進(jìn)入1.3.2.分子生物學(xué)史的第一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)Onegene－Oneenzyme1941年，GeorgeBeadle和EdwardTatumNeurosporacrassa（粉色面包霉菌）提出的“onegene─oneenzyme”的假說（獲得1958年Nobel獎(jiǎng)）說明了基因的生化作用本質(zhì)是控制酶的合成G.Beadle&E.Tatum

生物化學(xué)和遺傳學(xué)之間的聯(lián)合邁出的第一步，也是分子生物學(xué)的第一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)

(Source:AP/WideWorldPhotos)1.3.3.奧斯瓦德·埃弗里OswaldAvery的歷史貢獻(xiàn)

1948.retired,TheNobelcommitteehasbeencriticizedfornotrecognizingAvery’sachievementbeforehisdeath(1877-1955)分子生物學(xué)領(lǐng)域里的孟德爾(Source:NationalAcademyofSciences)

S型細(xì)菌的莢膜使肺炎鏈球菌感染寄主后，能有效地抵御來自寄主的白細(xì)胞的吞噬，從而表現(xiàn)出對(duì)寄主的致病性野生型肺炎鏈球菌，有一個(gè)含有多糖的莢膜外殼光滑、大、亮，稱為S型（smooth）

粗糙型的突變體，沒有莢膜表型粗糙、小，稱為R型（rough）

R型細(xì)菌沒有莢膜，因此在寄主機(jī)體內(nèi)，很容易被寄主的白細(xì)胞吞噬，表現(xiàn)出無致病性

提取物

+DNaseSIII的DNARIISIII

合成莢膜

轉(zhuǎn)化因子轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)提取物+有機(jī)溶劑/蛋白酶提取物

+RNase蛋白質(zhì)，RNA，DNA能夠承受的溫度足以使SIII細(xì)菌死亡

1928-1944進(jìn)行16年的肺炎鏈球菌遺傳轉(zhuǎn)化研究證明DNA是轉(zhuǎn)化因子

第一個(gè)動(dòng)搖了“蛋白質(zhì)是基因”的理念奠定了“DNA是遺傳物質(zhì)”的理論基礎(chǔ)Thelifelongpitywasdueto…..

科學(xué)家對(duì)核酸的了解知之甚少DNA分子的功能也更不為人知蛋白質(zhì)可能是遺傳專一性的決定分子

DNase失活實(shí)驗(yàn)中未能完全排除蛋白酶的失活1952年（8年后）M.Delbruck，S.E.Luria，A.Hershey對(duì)噬菌體繁殖過程的研究證明了DNA是主要的遺傳物質(zhì)盡管Avery的實(shí)驗(yàn)未引起概念的革命

研究工作引起了ErwinChargaff的極大興趣為提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型起到了重要作用M.DelbruckS.E.LuriaA.HersheyDNA是主要的遺傳物質(zhì)

PhageT2transductionexperiment.PhageT2

medalDelbruck1969NobelHersheyLuriaDNA在遺傳過程中重要作用已被認(rèn)識(shí)

D.H.L的論文幾乎與Watson,Crick的論文同時(shí)發(fā)表，

也得到了媒體的廣泛宣傳

O.Avery是孤立的研究者，較少參加學(xué)術(shù)交流與

科學(xué)討論，研究結(jié)果未能引起人們的注意

D.H.L.的研究通過“噬菌體研究組”的學(xué)術(shù)關(guān)系得到

了迅速的傳播和廣泛的理解D.H.L成功的環(huán)境因素1.3.4.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的揭示分子生物學(xué)的重要里程碑丹麥

哥本哈根KalckarLab.Post-Do訪問意大利的那不勒斯動(dòng)物研究所時(shí)King’sLab.LondonUniv.MauriceWilkins35yFrancisCrick23yJamesWatson1951CavendishLab.CambridgeUniversityUK1951.JamesWatson

（Luria的第一個(gè)研究生

23y)性格不同，專業(yè)互補(bǔ)緊密合作，鎖定目標(biāo)開創(chuàng)了一種研究風(fēng)格“對(duì)文章和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行討論交流是重中之重，理論和討論比實(shí)驗(yàn)和觀察更為重要”。在確定DNA分子結(jié)構(gòu)的研究中，沒有用DNA分子做任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)！“研究與討論，分析與推論是建立在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和科學(xué)論文的基礎(chǔ)上的”性格不同，專業(yè)互補(bǔ)緊密合作，鎖定目標(biāo)在確定DNA分子結(jié)構(gòu)的研究中，沒有用DNA分子做任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)！Imaginationismoreimportantthanknowledge海闊天空的想腳踏實(shí)地的干“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)”故事如果缺少了對(duì)RosalindFranklin悲劇命運(yùn)的描述那么這個(gè)故事將是不完整的!

King’sLab.LondonUniversityUKRosalindFranklin核糖與磷酸連接成的扭曲繩子，每一節(jié)上都有配對(duì)的堿基優(yōu)秀女科學(xué)家在雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)幾年后，因癌癥而病逝，對(duì)揭示DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)作出過重要貢獻(xiàn)，但卻受到歧視和不公待遇

助手！待遇！背景！交流！

X~rayphotographofDNAwithhighquality

JamesWatson(34y)FrancisCrick(46y)MauriceWilkins(46y)DNADoubleHelixmodel19531962NPATAGACTT

ATAGACTT一切性狀都是蛋白質(zhì)直接間接的體現(xiàn)蛋白質(zhì)的差異源于氨基酸組成的差異是誰傳遞著這種遺傳信息？通過什么密碼傳遞著信息？

？

protein

DNA

DNA通過RNA

準(zhǔn)確地將遺傳信息傳遞到蛋白質(zhì)ArthurPardeeFrancoisJacobJacquesMonod通過(Pa-Ja-Mo)大量實(shí)驗(yàn)證明

取名為信使RNA“messengerRNAmRNA”

protein

DNA

遺傳密碼？mRNA

GeneticCentralDogma

遺傳的中心法則

CrickF.H.C19581.3.5.遺傳密碼的破譯破解遺傳密碼DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)揭示之后的又一研究熱點(diǎn)遺傳學(xué)家：根據(jù)DNA的結(jié)構(gòu)和基因在細(xì)胞中

作用進(jìn)行推斷

生物化學(xué)家：建立體外的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)生物化學(xué)家在破解遺傳密碼中所作出的貢獻(xiàn)成為分子生物學(xué)中最卓越的發(fā)現(xiàn)之一Matthaei在美國華盛頓國家關(guān)節(jié)炎和代謝疾病研究所Nirenberg實(shí)驗(yàn)室工作約翰·馬太(JohannHeinrichMatthaei）和馬歇爾·尼倫伯格(MarshallNirenberg）的成功完全是靠運(yùn)氣！22/May/1961，MonJ.Matthaei:

細(xì)菌提取物、可溶性RNA組分

（tRNA）、20種(其中16種被標(biāo)記)ATP、緩沖液、polyU

混合，35℃下，1hr，結(jié)果表明：polyU存在時(shí)，被標(biāo)記的aa進(jìn)入到蛋白質(zhì)中27/May/1961，Sat

答案：polyU存在時(shí)，合成了Phe－Phe－Phe….肽鏈1周時(shí)間內(nèi)：破譯了第一個(gè)遺傳密碼

Aug/1961,Nov/1961(3個(gè)月內(nèi))

兩篇文章投稿<美國國家科學(xué)院院刊PNAS>

遺傳密碼的破譯找到了突破口Ser-C14….

Leu-C14….

Lys-C14….

Gly-C14….

MarshallNirenberg體外蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)方法進(jìn)行改進(jìn)利用不同polyNt指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成

Nirenberg

15分鐘的分組報(bào)告到會(huì)者寥寥無幾，但內(nèi)容被傳向Crick

Crick意識(shí)到Nirenberg和Matthaei工作的重要價(jià)值

Nirenberg被再次邀請(qǐng)大會(huì)報(bào)告與會(huì)者被震驚，并成為大會(huì)的學(xué)術(shù)焦點(diǎn)在文章發(fā)表之前兩人名不見經(jīng)傳的年輕人有幸參加1961年8月第五屆國際生物化學(xué)大會(huì)他們的成功不僅在于他們的努力和才智而且也得益于機(jī)遇和對(duì)機(jī)遇的把握GobindKhorana建立了合成具有特定堿基序列的oligo

dNt的有效方法簡便快速……..促進(jìn)了在隨后內(nèi)5年所有密碼的破譯R.HolleyH.G.KhoranaM.Nirenberg

H.GobindKhorana(46y)

HowtosynthesizetripletRNAMarshallNirenberg(41y)

GeneticcodenRobertHolley(46y)tRNAphecloverleafstructure1968NobelPrizeCentralDogma

CrickF.H.C1958

1.3.6中心法則的發(fā)展

1975NP豐富和發(fā)展了“中心法則”為遺傳工程提供了最重要的工具酶1970年DavidBaltimore分離到ReverseTranscriptase8年后“中心法則”被“逆轉(zhuǎn)”了1962年HowardTemin發(fā)現(xiàn)了ReverseTranscriptioncentraldogma

1.3.7.基因表達(dá)調(diào)控研究的新篇章operonmodelF.Jacob(44y)J.Monod(55y)A.Lwoff(63y)Lac.OperonConceptofmRNA暗示了“三聯(lián)體遺傳密碼”以外的“空間調(diào)控密碼”的存在，為分子生物學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)NobelPrize1965

1.3.8

科學(xué)技術(shù)互促共進(jìn)

科學(xué)為技術(shù)的發(fā)明與提升提供理論依據(jù)技術(shù)為科學(xué)的發(fā)現(xiàn)與研究提供方法手段DNA分子的克隆技術(shù)基因的定點(diǎn)誘變技術(shù)PCR的DNA擴(kuò)增技術(shù)細(xì)胞與組織培養(yǎng)技術(shù)使分子生物學(xué)從觀察性-驗(yàn)證性的科學(xué)發(fā)展成干涉性-創(chuàng)造性的科學(xué)遺傳工程引發(fā)了一場(chǎng)分子生物學(xué)革命不僅能將目標(biāo)基因定向引入到其他物種中去而且可以利用細(xì)菌對(duì)目的DNA分子進(jìn)行克隆有關(guān)基因工程技術(shù)發(fā)明獲得NobelPrize基于“遺傳重組”技術(shù)的生物學(xué)的理論不斷創(chuàng)新基于“遺傳工程”技術(shù)的生物遺傳改良成效明顯

TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1978ForthediscoveryofrestrictionenzymesandtheirapplicationtoproblemsofmoleculargeneticsWernerArber

DanielNathans

HamiltonO.Smith

discoveryapplicationidentify雖然，沒有任何一項(xiàng)技術(shù)具有原創(chuàng)性但是，利用已報(bào)道的多項(xiàng)技術(shù)，創(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)了不同DNA分子的體外重組SV40

λDNA＋EcoRIRecombinationDNA“遺傳工程”的奠基工作為分子生物學(xué)的研究和遺傳改造展示了一個(gè)清晰而又美好的前景具有與沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型同樣的開拓性價(jià)值NP1980PaulBerg

TheNobelPrizeinChemistry1980DeterminationofbasesequencesinnucleicacidsWalterGilbert

FrederickSanger1958NPForstructureofproteinsespeciallythatofinsulinTheNobelPrizeinChemistry

1993“Forhisinventionofthepolymerasechainreaction(PCR)method"KaryB.Mullis

生物化學(xué)博士學(xué)位1979年受雇于Cetus生物技術(shù)公司，專門制備用作探針的寡聚核苷酸,在1983年4月的一個(gè)周五晚上,當(dāng)他在加利福尼亞的山坡上開車前往度周末的小屋時(shí)他突發(fā)其想。加速分子生物學(xué)發(fā)展進(jìn)程的一項(xiàng)“晚熟卻簡單”技術(shù)“晚熟”的技術(shù)1955年A.Kornberg

：證明了“DNA聚合酶”的酶學(xué)性質(zhì)，完成了分離與鑒定。利用高純度的酶，能夠使DNA在體外進(jìn)行復(fù)制。與J.Lederberg討論過用“大量擴(kuò)增DNA的可能性”?！爱?dāng)他咨詢這種過于簡單的想法時(shí)，

卻遇到了禮貌但不熱情的回答?！?SpecificsynthesisofDNAinvitroviapolymerase-catalyzedchainreaction”投稿《Nature》和《Science》統(tǒng)統(tǒng)被拒！

1987年發(fā)表：（MethodsinEnzymology)IF=1.904“簡單”的技術(shù)引物設(shè)計(jì)－模板變性－引物配對(duì)－子鏈延伸－重復(fù)往返

TaqPol的成功提取

推進(jìn)了PCR的自動(dòng)化進(jìn)程

作為一項(xiàng)“擴(kuò)增”DNA的技術(shù)，盡管它本身并未開辟分子生物學(xué)新的研究領(lǐng)域，但這項(xiàng)簡單而又晚熟的發(fā)明對(duì)分子生物學(xué)家研究工作的影響程度超過了其他任何技術(shù)，它的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎超過了其他任何技術(shù)。TheNobelPrizeinChemistry1993Forsite-directedmutagenesisanditsdevelopmentforproteinstudiesMichaelSmithUniversityofBritishColumbia

Vancouver,Canada1932-20001.3.9現(xiàn)代分子生物學(xué)的發(fā)展

研究對(duì)象的變換研究策略的創(chuàng)新研究內(nèi)容的拓展現(xiàn)代分子生物學(xué)發(fā)展史的三大轉(zhuǎn)折研究對(duì)象的變換以果蠅，豌豆，玉米為揭示生命奧秘的材料

高等真核生物宏觀與微觀的結(jié)合Phagegroup40年代以病毒，細(xì)菌原核生物系統(tǒng)為試材，Cistron，onegene–oneenzyme，operon,等新理論不斷被發(fā)現(xiàn)，新概念不斷被提出，生物學(xué)開始騰飛.

1969NobelmedalDelbruck1969NobelmedalHersheyLuria高等真核生物進(jìn)化水平，細(xì)胞分化組織特化，個(gè)體發(fā)育重復(fù)序列，基因概念人類健康，農(nóng)業(yè)生態(tài)已成為分子生物學(xué)家協(xié)同攻關(guān)的學(xué)科前沿DNA

轉(zhuǎn)座因子的發(fā)現(xiàn)與證實(shí)1983.TheNobelPrize

BarbaraMcClintock(81y)1902-1992

TheNP1993RichardJ.RobertsPhillipA.Sharpminirevolution間隔基因的發(fā)現(xiàn)

1978果蠅早期發(fā)育的遺傳調(diào)控機(jī)理EdwardB.ewisChristianeNüsslein-Volhard

EricF.WieschausTheNobelPrize1995

StanleyB.PrusinerUniversityofCalifornia,SchoolofMedicine

USA1942-forhisdiscoveryofPrions（瘋牛病）–---anewbiologicalprincipleofinfection1997NPUncoveringthegeneticsofcelldivision,providinginsightintocancerLelandH.HartwellR.Timothy(Tim)HuntSirPaulM.NurseNP2001Thediscoveriesinvolveaprocesscalledprogrammedcelldeath.PCDisnecessaryfortissueandorgandevelopment2002NobelPrizeS.Brenner(75y)H.R.Horvitz(55y)J.E.Sulston(60y)

還原論Reductionism

20世紀(jì)個(gè)體

染色體

基因DNAdNt基因的概念基因的本質(zhì)基因的功能逐步深刻認(rèn)識(shí)研究策略的改變

strategychange人類對(duì)生命現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)還原論20世紀(jì)生命科學(xué)的飛躍了解整個(gè)生命現(xiàn)象的本質(zhì)仍然是零敲碎打研究策略

生物類群之間的本質(zhì)差異？生物學(xué)還原成簡單的化學(xué)！MaddoxJ.(editorof“Nature”)

Ismolecularbiologyyetascience?

Nature1992(335):201

Thereisnowarmyofpeoplecalledmolecularbiologistswhosepublishedpapersareinnocentofreferencestowholeplantsandanimalsandwhichmayhavelittletosayabouttheirphysiologyeither.Forthesepeople,experimentaldatamayconsistlargelyofwhatarecalled,inthetrade,‘gels’….MaddoxJ.(maineditorof“Nature”)

Ismolecularbiologyyetascience?

Nature1992(335):201

現(xiàn)在有那么一群叫做分子生物學(xué)家的人，

他們的文章無視整體的植物與動(dòng)物，

也很少言及生理學(xué)。對(duì)于這些人來說，

實(shí)驗(yàn)資料大部分來自所謂凝膠……MaddoxJ.(maineditorof“Nature”)

Ismolecularbiologyyetascience?

Nature1992(335):201

人類對(duì)生命現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)

整體論

holism

揭示生命的奧秘21世紀(jì)Omics→systemicbiology

Genome=Gene+ome

Transcriptome=Transcript+ome(non-codingRNA、SmallRNA)Protein+ome

ProteomeMetabolism+ome

Metabolome

multipleomics21世紀(jì)生命科學(xué)發(fā)展的重要態(tài)勢(shì)

對(duì)生命現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)從單基因水平向全基因組整體水平發(fā)展

現(xiàn)代生命科學(xué)研究的理論與技術(shù)從較長期的積累走向應(yīng)用

功能基因組學(xué)!?

研究內(nèi)容的拓展1940－1965分子生物學(xué)的核心問題：DNA作為遺傳物質(zhì)的三大基本屬性問題得以基本的闡明揭示基因奧秘發(fā)展史上劃了階