分子生物學(xué)概述

分子生物學(xué)概述鄭曉飛放射與輻射醫(yī)學(xué)研究所OverviewofMolecularBiology定義：從分子水平研究作為生命活動(dòng)主要物質(zhì)基礎(chǔ)的生物大分子結(jié)構(gòu)與功能，從而闡明生命現(xiàn)象本質(zhì)的科學(xué)。分子生物學(xué)(molecularbiology)廣義：蛋白質(zhì)及核酸等生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能研究都屬于分子生物學(xué)的范疇，也就是從分子水平闡明生命現(xiàn)象與生物學(xué)規(guī)律。如蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和功能，酶的作用機(jī)理，膜蛋白的結(jié)構(gòu)功能，跨膜運(yùn)輸?shù)?。狹義：側(cè)重于核酸(或基因)的分子生物學(xué)，主要研究基因或DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、表達(dá)和調(diào)控等過程，同時(shí)涉及與這些過程有關(guān)的蛋白質(zhì)和酶的結(jié)構(gòu)與功能研究。

生物化學(xué)：從化學(xué)角度研究生命現(xiàn)象，著重研究生物體內(nèi)各種生物分子的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變與新陳代謝。

分子生物學(xué)：著重闡明生命的本質(zhì)，主要研究生物大分子核酸與蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能、生命信息的傳遞和調(diào)控。分子生物學(xué)與生物化學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)關(guān)系最為密切核酸的結(jié)構(gòu)和功能，包括遺傳信息的傳遞蛋白質(zhì)(包括酶)的結(jié)構(gòu)和功能生物膜的結(jié)構(gòu)和功能生物調(diào)控的分子基礎(chǔ)生物進(jìn)化

分子生物學(xué)重點(diǎn)研究領(lǐng)域分子結(jié)構(gòu)生物學(xué)分子發(fā)育生物學(xué)分子神經(jīng)生物學(xué)分子育種學(xué)分子腫瘤學(xué)分子細(xì)胞生物學(xué)分子免疫學(xué)分子病毒學(xué)分子生理學(xué)分子藥理學(xué)分子診斷學(xué)分子考古學(xué)分子數(shù)量遺傳學(xué)分子生態(tài)學(xué)分子進(jìn)化學(xué)…………….分子生物學(xué)相關(guān)學(xué)科分子生物學(xué)已經(jīng)滲透到生物學(xué)的所有領(lǐng)域分子生物學(xué)分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1865年達(dá)爾文《OntheOriginofSpecies》：性狀可遺傳。1865年孟德爾發(fā)表《植物雜交實(shí)驗(yàn)》，首次闡述了生物界有規(guī)律的遺傳現(xiàn)象?！斑z傳因子”。1869年Miescher首次從萊茵河鮭魚精子中分離到DNA.

1869FriedrichMiescher從被丟棄的外科繃帶上的膿細(xì)胞分離出核酸，初命名為核素(nuclein)后發(fā)現(xiàn)是酸性的，重命名為核酸.1879年Flemming發(fā)現(xiàn)了染色體.1902年Sutton提出了染色體遺傳學(xué)說并認(rèn)為基因是染色體的一部分.拉馬克，法國(guó)博物學(xué)家。生物學(xué)偉大的奠基人之一，生物學(xué)一詞是他發(fā)明的，最先提出生物進(jìn)化的學(xué)說，是進(jìn)化論的倡導(dǎo)者和先驅(qū)。他還是一個(gè)分類學(xué)家，林奈(Carlvonlinne'1707～1778)的繼承人。主要著作有《法國(guó)全境植物志》、《無脊椎動(dòng)物的系統(tǒng)》、《動(dòng)物學(xué)哲學(xué)》等。拉馬克學(xué)說：一個(gè)是用進(jìn)廢退；一個(gè)是獲得性遺傳。達(dá)爾文學(xué)說：天擇說。分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1869年Miescher從被丟棄的外科繃帶上的膿細(xì)胞分離出核酸，初命名為核素(nuclein)后發(fā)現(xiàn)是酸性的，重命名為核酸。1879年弗萊明(WalterFlemming)發(fā)現(xiàn)染色體，并描述了細(xì)胞分裂過程中染色體的行為。

1888Waldeyer創(chuàng)造染色體(Chromosome)一詞。1900年孟德爾的成果被重新發(fā)現(xiàn)。

24歲的瑞士醫(yī)生FriedrichMiescher分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1902年薩頓(WalterSutton)發(fā)現(xiàn)染色體是成對(duì)的，并攜帶遺傳信息。

1909年丹麥生物學(xué)家WilhelmJohannsen(1857~1927)創(chuàng)造“基因”（gene）一詞，用來表達(dá)一個(gè)可遺傳的因子。1911年摩爾根(ThomasHuntMorgan)提出基因?qū)W說，闡釋基因在染色體上的分布，以及繁殖過程中染色體重組形成獨(dú)特新個(gè)體過程。

分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1911年荷蘭植物學(xué)家遺傳學(xué)家H.DeVries(1848-1935)根據(jù)月見草的遺傳試驗(yàn)結(jié)果,發(fā)表突變學(xué)說,認(rèn)為生物的進(jìn)化起因于突變(mutation)。1912年英國(guó)布喇格父子建立了X射線晶體學(xué)，成功地測(cè)定了一些復(fù)雜的分子以及蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。1913年斯特提萬特(AlfredHenrySturtevant)

繪制出第一張線式基因圖譜。

分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1927年H.J.Muller測(cè)定了果蠅中的自發(fā)突變率，并證明突變可被X線誘導(dǎo)；C.Auerbach、J.M.Robson及F.Oehlkers分別于1941、1943先后獨(dú)立觀察到某些化學(xué)物質(zhì)亦能誘導(dǎo)突變，但是突變本質(zhì)為何仍不清楚。1928年格里菲斯(FrederickGriffith)報(bào)道了兩株肺炎球菌有毒株(S)注射小鼠可致死,而無毒株(R)不致死小鼠。將熱處理殺死的有毒株和不經(jīng)處理的無毒株分別注射,不致死小鼠;但一起注射則導(dǎo)致小鼠死亡。死去的毒性菌株如何將致死因子傳到無毒株上?格里菲斯發(fā)現(xiàn)了一種可以在細(xì)菌之間轉(zhuǎn)移的遺傳分子。分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1929年列文(PhoebusLevene)提出DNA

化學(xué)成分和基本結(jié)構(gòu)。1931年麥克林托克（McClintock）指導(dǎo)

她的女博士生克萊頓（Creighton,B）

證實(shí)重組是由交換引起的。分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1941年Beadle和Tatum“一基因—一酶學(xué)說”在鏈孢霉中被證明,使遺傳學(xué)與生物化學(xué)之間的關(guān)系得以闡明。TheOneGene-OneEnzymeTheory分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1943年OswaldAvery等在用了約76升的細(xì)菌后終于得到了不含其他物質(zhì)的純化DNA,并證明只有DNA在轉(zhuǎn)化中起作用。1944年，三名科學(xué)家：OswaldT.Avery,ColinMacLeod與MaclynMcCarty聯(lián)名發(fā)表了一篇?jiǎng)潟r(shí)代的論文，他們通過一系列用肺炎病毒進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，推導(dǎo)出了一個(gè)與長(zhǎng)久以來的假說相悖的結(jié)論：DNA，而非蛋白質(zhì)，是遺傳信息的物質(zhì)載體！AveryOT,MacLeodCM,McCartyM(1944)Studiesofthechemicalnatureofthesubstanceinducingtransformationofpneumococcaltypes.InductionoftransformationbyadesoxyribonucleicacidfractionisolatedfromPneumococcusTypeIII.JExpMed79:137–158分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1944年麥克林托克（1902－1992）在玉米中發(fā)現(xiàn)并提出了“可移動(dòng)基因?qū)W說”—轉(zhuǎn)座子。1983年度諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。真核生物中的轉(zhuǎn)座因子頗為廣泛，如玉米色斑的產(chǎn)生，果蠅復(fù)眼顏色的變異等現(xiàn)象都與轉(zhuǎn)座因子的移動(dòng)有關(guān)。轉(zhuǎn)座的效應(yīng)是多種多樣的。諸如引發(fā)基因突變；或造成堿基的缺失或重組；或?qū)е聠?dòng)或關(guān)閉其他基因等。而這些均與個(gè)體發(fā)育、進(jìn)化和個(gè)體的抗藥性的變化等相關(guān)。分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1948年鮑林(LinusPauling)提出蛋白質(zhì)為螺旋形的理論。1949年E.Chargaff定則的提出，〔A〕=〔T〕〔G〕=〔C〕(A＋T)／(G＋C)的比值因生物來源不同而不同。1951年富蘭克林(RosalindFranklin)拍攝到了核酸的X射線衍射照片。

分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1952年AlfredHershey和MarthaChase利用病毒證實(shí)，傳遞遺傳信息的是DNA而不是蛋白質(zhì)。

1952AlfredHershey&MarthaChase用放射性磷和硫標(biāo)記噬菌體，分別感染不同的細(xì)菌菌落，追蹤放射性的位置.結(jié)果放射性硫(即蛋白質(zhì))留在細(xì)菌外，放射性磷(即DNA)則進(jìn)入細(xì)菌里.而且新產(chǎn)生的噬菌體含有放射性磷，這些結(jié)果有力的證明了DNA是遺傳物質(zhì)。基因則是遺傳的基本單位，它是位于鏈特定位置的一段序列，攜帶有形成特定蛋白的信息。

分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1953年LinusPauling(1901-1994)(萊納斯.鮑林博士)提出著名的DNA三螺旋模型。Pauling是有史以來唯一兩次獨(dú)自獲得諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家。1954化學(xué)獎(jiǎng)，1962和平獎(jiǎng)。他是20世紀(jì)最重要的化學(xué)家之一。他描述了化學(xué)鍵的本質(zhì)，并對(duì)闡明蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)作出劃時(shí)代的貢獻(xiàn)。他既是一位聲名卓著的科學(xué)家又是一位獻(xiàn)身和平事業(yè)的活動(dòng)家。他的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和為中止戰(zhàn)爭(zhēng)而作出的努力將對(duì)全人類產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1953年J.Watson（1928–）&F.H.C.Crick（1916–）提出DNA雙螺旋模型，A—T,G—C堿基按Chargaff規(guī)律配對(duì)，DNA中儲(chǔ)存的信息可精確復(fù)制，提出中心法則。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的建立，標(biāo)志著分子生物學(xué)的誕生，對(duì)以后分子生物學(xué)發(fā)展具有極其重要的指導(dǎo)作用。奠定了分子生物學(xué)的理論基礎(chǔ)，開創(chuàng)了分子生物學(xué)時(shí)代。ZAB1962年Watson、Crick與Wilkins共享諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1956年JoeHinTjio和AlbertLevan確定人類共有23對(duì)染色體。分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1956A.Kornberg(1918–)分離出E.coliDNAPolymeraseI并在DNA模板指導(dǎo)下，利用4dNTPs合成了DNA，獲得1959年度諾貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎(jiǎng)。分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1957年FrancisCrick發(fā)表《論蛋白質(zhì)合成》的演講，提出DNA制造蛋白質(zhì)的概念。1958M.Meselson（1930–）&Stahl證明了DNA半保留復(fù)制。分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1958年Crick提出中心法則。GenesDev.2007,21:1190-1203分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1960年SydneyBrenner,FrancisCrick，F(xiàn)rancoisJacob和JaqueMonod發(fā)現(xiàn)信使RNA(mRNA)。1961Yanofsky&Brener提出三聯(lián)體設(shè)想:43＝64三聯(lián)體(triplet)，三個(gè)堿基編碼一個(gè)氨基酸。1961年Jacob和Monod提出在分子水平上特定基因被激活或抑制的機(jī)制。操縱子的概念，解釋了原核基因表達(dá)的調(diào)控。

分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史Jacob

Monod

1965年獲得諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1961年Marmur&Doty發(fā)現(xiàn)DNA復(fù)性(renaturation,annealing)，確認(rèn)了核酸雜交反應(yīng)的特異性和可行性。分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1962年W.Arber提出限制性核酸酶(R.E.)存在的第一個(gè)證據(jù)，導(dǎo)致1970H.O.Smith（1931–）純化了第一個(gè)DNAR.E.可在特定位點(diǎn)切割DNA?？茖W(xué)家已從不同的細(xì)菌中分離出3000多種限制性核酸內(nèi)切酶，通常識(shí)別4—8個(gè)堿基。1978H.O.Smith,W.Arber,D.Nathans因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)限制酶并用于分子生物學(xué)領(lǐng)域而獲諾貝爾獎(jiǎng)。分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1963M.W.Nirenberg（美1927–）&H.Matthai（德）破譯了遺傳密碼:在無細(xì)胞系統(tǒng)(cell-freesystem)加入人工合成的多核苷酸，指導(dǎo)合成了一定序列的多肽鏈，充分證明了20種氨基酸的遺傳密碼。

分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1966年Khorana證明了Nirenberg提出的遺傳密碼,有機(jī)化學(xué)方法合成多聚脫氧核糖核酸，以其為模板在DNAPolI催化下合成DNA鏈；再以DNA為模板合成RNA。蛋白質(zhì)的分子生物合成，特別是與其密不可分的RNA合成，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展歷程。

rRNA:蛋白質(zhì)的合成場(chǎng)所,占總RNA的85%RNAtRNA轉(zhuǎn)移氨基酸10%mRNA編碼多肽4%snRNA協(xié)助拼接反應(yīng)1%

分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1967年Gellent發(fā)現(xiàn)DNA連接酶用來連接DNA片段。DNAligase是基因拼接或基因工程必不可缺的工具酶。1970年Temin&Boltimore發(fā)現(xiàn)反轉(zhuǎn)錄酶。提出以RNA為模板合成cDNA，使中心法則更為完全，導(dǎo)致cDNA文庫構(gòu)建。為釣取特定的蛋白編碼片段提供了不可或缺的手段。1975年獲諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1972年H.Boyer,S.Cohen,P.Berg及其同事發(fā)展了克隆技術(shù)。1972PaulBerg&HerbertBoyer第一次實(shí)現(xiàn)了用兩個(gè)DNA分子建立重組DNA分子，隨后幾年Boyer通過將構(gòu)建的重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化細(xì)菌而構(gòu)建了第一個(gè)重組微生物。接著陸續(xù)構(gòu)建了青蛙核糖體RNA的重組菌。

1977Boyer參與建立第一家基因工程公司Genetech,將生長(zhǎng)抑素（somatostatin）基因?qū)爰?xì)菌，首次在人以外的生物中產(chǎn)生人類蛋白。1992克隆人胰島素基因產(chǎn)物上市，成為第一個(gè)DNA重組藥物。1972年,Boyer獲得第一個(gè)重組DNA分子1972-BergEcoRIrecognitionsitesλphageDNAEcoRIcutsDNAintofragmentsStickyendSV40DNAThetwofragmentssticktogetherbybasepairingDNAligaseRecombinantDNA分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1974年美國(guó)發(fā)表Belmont報(bào)告，確立科研中進(jìn)行人體實(shí)驗(yàn)的政策。1975年Mary-ClaireKing和AllanC.Wilson發(fā)現(xiàn)，人類和猩猩的基因相似度達(dá)到99%。1975年GeorgesKohler和CesarMilstein開發(fā)出生產(chǎn)單克隆抗體的技術(shù)。杰尼科勒米爾斯坦1984年獲諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1975F.Sanger&Barrell及Maxam&W.Gilbert發(fā)展了快速DNA測(cè)序方法。前者為雙脫氧終止法，后者為化學(xué)法。伯格Berg桑格Sanger吉爾伯特GilbertDNA重組在細(xì)菌中表達(dá)胰島素Sanger還由于測(cè)定了牛胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)而獲得1958年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1984年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1978年DavidBotstein開創(chuàng)核酸限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性分析技術(shù)，用于標(biāo)志不同個(gè)體間的基因差別。1978年美國(guó)開始借助基因技術(shù)用大腸桿菌批量生產(chǎn)人類胰島素。

1981年P(guān)almiter&Brinster研制出轉(zhuǎn)基因小鼠；Spradling&Rubin研制出轉(zhuǎn)基因果蠅。分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1982年GeneBank數(shù)據(jù)庫建立。1985年KaryMullis等發(fā)明了聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)方法。1995年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1984年AlecJeffreys發(fā)明了基因指紋技術(shù)，可以用人的頭發(fā)、血液和精液等來鑒定身份。1984年關(guān)于人類基因組測(cè)序的第一次公開討論開始。1986年LeroyHood開發(fā)自動(dòng)測(cè)序儀。1988年人類基因組組織(HUGO)成立。1989年Altman因Ribozyme研究獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1990年美國(guó)正式啟動(dòng)人類基因組計(jì)劃。隨后，德國(guó)、日本、英國(guó)、法國(guó)和中國(guó)也相繼加入該計(jì)劃。1991年CraigVenter開發(fā)出新的測(cè)序技術(shù)。第1代測(cè)序技術(shù)——熒光標(biāo)記的Sanger法

第2代測(cè)序技術(shù)——循環(huán)陣列合成測(cè)序法

Sanger法測(cè)序

2001年第一個(gè)人類全基因組圖譜花費(fèi)30億美元第2代測(cè)序技術(shù)工作流程

IlluminaSolexa、ABISOLiD，ABI3730xl、Roche454等多種測(cè)序儀器美國(guó)454LifeSciences新技術(shù)測(cè)序目前人類基因組測(cè)序費(fèi)用低于5000美元目標(biāo)是100美元以下微乳液PCR擴(kuò)增焦磷酸測(cè)序焦磷酸測(cè)序IlluminaSolexa測(cè)序橋式PCR擴(kuò)增瞬時(shí)測(cè)序新技術(shù)

對(duì)單個(gè)聚合酶進(jìn)行成像的系統(tǒng)康奈爾大學(xué)（CornellUniversity）研究生SteveTurner和JonasKorlach2~4個(gè)堿基/每秒的測(cè)序速度測(cè)序片段長(zhǎng)度達(dá)到4000個(gè)堿基Eid,J.etal.Real-timeDNAsequencingfromsinglepolymerasemolecules.

Science323,133–138(2009).納米測(cè)序技術(shù)石墨烯——僅一個(gè)原子厚度的非晶體碳復(fù)合薄膜有可能制成人工膜用于DNA測(cè)序?；诩{電子技術(shù)的DNA測(cè)序構(gòu)想，即利用核苷酸上不同堿基的電子結(jié)構(gòu)不同。DNA分子是帶電的大分子，在縱向電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，將游動(dòng)通過納米孔。在此期間，同時(shí)測(cè)量納米孔里橫向的隧穿電流，不同核苷酸的堿基電子結(jié)構(gòu)不同，由此導(dǎo)致的橫向電學(xué)特性也不同，據(jù)此可以判斷出正在通過的是哪一種核苷酸。石墨烯量子晶體管可用作DNA感測(cè)器PNASOctober15,2013;doi:10.1073/pnas.1308885110

伊利諾斯大學(xué)厄本那香檳分校研究人員開發(fā)一種新奇的方法：把石墨烯納米帶（GNR）夾在兩層有納米孔（內(nèi)徑約1納米）的固體膜中間，再讓DNA分子穿過這種“三明治”設(shè)備，以此來感知辨認(rèn)所通過的DNA堿基對(duì)。測(cè)序技術(shù)發(fā)展路線分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1994年美國(guó)一公司推出新的轉(zhuǎn)基因西紅柿罐頭，其保質(zhì)期比普通西紅柿更長(zhǎng)，成為人類歷史上第一個(gè)轉(zhuǎn)基因食品。1995年7美國(guó)人類基因組研究所繪出了流感嗜血桿菌的基因圖譜；3個(gè)月后，科學(xué)家又繪制出了生殖器支原體的基因圖譜。1996年酵母基因組測(cè)序完成。分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1997年蘇格蘭羅斯林研究所培育出世界上第一例體細(xì)胞克隆動(dòng)物小羊“多利”。

分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1997年大腸桿菌基因組測(cè)序完成。1997年參加人類基因組計(jì)劃的科學(xué)家決定將研究成果無償向全世界公開。1998年結(jié)核性分枝桿菌以及梅毒螺旋體基因組測(cè)序完成。1998年線蟲基因組測(cè)序完成。1998年日本科學(xué)家用一頭成年牛的體細(xì)胞克隆出8頭克隆牛犢。1999年人類第22號(hào)染色體測(cè)序完成，這是第一個(gè)完成測(cè)序的人類染色體。

2000年果蠅和擬南芥的基因組測(cè)序完成。2000年CraigVenter和Celera公司和人類基因組計(jì)劃相繼宣布，人類基因組草圖完成。2001年CraigVenter公布了繪制人類蛋白質(zhì)組圖譜的計(jì)劃。2002年水稻、小鼠、瘧原蟲和按蚊基因組測(cè)序完成。分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史2003年人類基因組計(jì)劃宣布，人類基因組序列圖繪制成功，人類基因組計(jì)劃的所有目標(biāo)全部實(shí)現(xiàn)。2003年4月14日，中、美、日、德、法、英等6國(guó)科學(xué)家宣布人類基因組序列圖繪制成功，人類基因組計(jì)劃的所有目標(biāo)全部實(shí)現(xiàn)。已完成的序列圖覆蓋人類基因組所含基因區(qū)域的99％，精確率達(dá)到99.99％，這一進(jìn)度比原計(jì)劃提前兩年多。

HumanGenomeProject,HGP

首先由R.Dulbecco（1914–）在1985年提出。用15年時(shí)間（1990—2005）30億USD，測(cè)定32億堿基對(duì)序列。2000年6月完成框架圖，中國(guó)測(cè)定了3#染色體三千萬堿基序列，精確度達(dá)99.99%,成為參與該計(jì)劃的六大國(guó)之一。

人類基因組計(jì)劃編碼蛋白質(zhì)基因數(shù)

人類基因組中有31000個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因Celera公司發(fā)現(xiàn)了約26000個(gè)基因

一個(gè)酵母細(xì)胞有6000個(gè)一個(gè)蒼蠅有13000個(gè)一個(gè)蠕蟲有18000個(gè)一種植物有26000個(gè)編碼基因這些多細(xì)胞生物的基因數(shù)受基因搜索程序的限制，沒有一個(gè)是高度精確的。GenesVIII估計(jì)人類基因組含有30,000-40,000條基因。

ELISI計(jì)劃人類基因組計(jì)劃的設(shè)計(jì)師們已認(rèn)識(shí)到在對(duì)人類基因組進(jìn)行測(cè)序的過程中，一方面致力于發(fā)展科技目標(biāo)，另一方面必須強(qiáng)調(diào)這一新科學(xué)對(duì)個(gè)人、家庭和社會(huì)的影響。1990年設(shè)立了倫理、法律和社會(huì)影響研究項(xiàng)目（ELISI,Ethical,Legal,andSocialImplications）得到美國(guó)能源部和國(guó)家人類基因組研究所人類基因組計(jì)劃年度預(yù)算的3%~5%，這是世界上最大的生物倫理學(xué)計(jì)劃。關(guān)于ELISI的信息可從國(guó)家人類基因組研究所和能源部的網(wǎng)站獲得：

或/hgmias

科學(xué)家正朝著破解每個(gè)染色體遺傳信息的目標(biāo)而努力。2003年元旦法國(guó)基因測(cè)序中心科學(xué)家破譯了人類第14號(hào)染色體的遺傳密碼。2003年4月美國(guó)華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院的科研小組又破譯了人類第7號(hào)染色體,這一成果有助于對(duì)囊狀纖維化、遺傳性耳聾和癌癥等多種疾病的研究。2003年美國(guó)科學(xué)家6月完成了人類Y染色體的測(cè)序工作?；驕y(cè)序發(fā)現(xiàn),Y染色體包含約78個(gè)基因。重要的是Y染色體的5000萬個(gè)鹼基對(duì)中,約有600萬個(gè)處于回文結(jié)構(gòu)(Palindrome)中,這種結(jié)構(gòu)有修復(fù)基因的作用。2003年10月23日,英國(guó)威康信托–桑格研究所的科學(xué)家經(jīng)過8年的努力,破譯了人類第6號(hào)染色體。繼第22、21、20、14、7和Y染色體之后,6號(hào)染色體成為第7個(gè)被排序的人類染色體。在已發(fā)現(xiàn)的2190個(gè)基因結(jié)構(gòu)中,有1557個(gè)功能基因,約占人類基因總數(shù)的6%；另有633個(gè)處于休眠狀態(tài),屬非功能基因。這些基因約半數(shù)以前從未描述過。6號(hào)染色體中包含了一些與免疫反應(yīng)相關(guān)的基因,統(tǒng)稱為“主要組織相容性復(fù)合體（MHC）”

染色體遺傳信息的破解

一號(hào)染色體基因測(cè)序完成2006年5月17日：英國(guó)《Nature》雜志今天公布了1號(hào)染色體的基因測(cè)序，這是破解人類遺傳密碼的“生命之書”中最長(zhǎng)也是最后的一章。確定了1號(hào)染色體中3141個(gè)基因，這些基因發(fā)生缺陷與350種疾病有關(guān)，其中包括癌癥、帕金森氏病、早老性癡呆、高膽固醇血癥、弱智和噗啉癥等。1號(hào)染色體中共有2.23億個(gè)堿基，占人基因組中30億個(gè)堿基對(duì)的8％。人類有22對(duì)常染色體，最大者為1號(hào)染色體，最小的是22號(hào)染色體。另外還有X或Y染色體決定人的性別。公布1號(hào)染色體的基因測(cè)序結(jié)果為人類基因組計(jì)劃16年來的努力劃上了句號(hào)。人類基因組計(jì)劃16年努力終成正果ENCODEProjectWritesEulogyForJunkDNASCIENCE,2012,337:1159-1160EncyclopediaofDNAElements(ENCODE),ENCODE網(wǎng)址（/）DNA元件百科全書計(jì)劃(encode)—encyclopedia

of

DNA

elementsEncyclopediaofDNAElements(ENCODE)2003年啟動(dòng)，主要目的是建立人類基因組中生物功能關(guān)鍵性元素目錄。美國(guó)國(guó)家基因組研究院NHGRI，歐洲生物信息學(xué)研究所EMBL-EBI領(lǐng)導(dǎo)的研究，32個(gè)實(shí)驗(yàn)室中442名科學(xué)家，獲得并分析超過15兆兆字節(jié)（15萬億字節(jié)）原始數(shù)據(jù)，花費(fèi)約300年的計(jì)算機(jī)時(shí)間，對(duì)147個(gè)組織類型進(jìn)行了分析，公布了一份詳細(xì)的基因組功能圖譜，包含有四百萬基因的“開關(guān)”，以確定哪些能打開和關(guān)閉特定的基因，以及不同類型細(xì)胞之間的“開關(guān)”存在什么差異。這一重要的參考數(shù)據(jù)將有助于研究人員找到與人類疾病密切相關(guān)的區(qū)域。人類基因組計(jì)劃HGP證明基因組中2%包含有基因，ENCODE表明基因組中剩余的80%的區(qū)域調(diào)控了蛋白何時(shí)和何地生成。ENCODE網(wǎng)址（/）分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史2006年美國(guó)科學(xué)家安德魯·法爾和克雷格·梅洛獲諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了ＲＮＡ（核糖核酸）干擾機(jī)制。分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史2007年美國(guó)科學(xué)家馬里奧-卡佩奇和奧利弗-史密西斯、英國(guó)科學(xué)家馬丁-埃文斯獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們?cè)诟杉?xì)胞研究方面所作的貢獻(xiàn)。2013年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)美國(guó)科學(xué)家詹姆斯·羅思曼、蘭迪·謝克曼以及德國(guó)科學(xué)家托馬斯·祖德霍夫，以表彰他們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的囊泡運(yùn)輸調(diào)控機(jī)制。他們讓經(jīng)典物理學(xué)與迥然不同的量子物理學(xué)在化學(xué)研究中“并肩作戰(zhàn)”。以前，化學(xué)家必須二選其一。依靠用塑料棒和桿創(chuàng)建模型的經(jīng)典物理學(xué)方法的優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算簡(jiǎn)單且能為大分子建模，但其無法模擬化學(xué)反應(yīng)。而如果化學(xué)家選擇使用量子物理學(xué)計(jì)算化學(xué)反應(yīng)過程，但巨大的計(jì)算量使得其只能應(yīng)付小分子。為此，在20世紀(jì)70年代，這三位科學(xué)家設(shè)計(jì)出這種多尺度模型，讓傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)走上了信息化的快車道。2013年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)“他們讓經(jīng)典物理學(xué)與迥然不同的量子物理學(xué)在化學(xué)研究中“并肩作戰(zhàn)”。以前，化學(xué)家必須二選其一。依靠用塑料棒和桿創(chuàng)建模型的經(jīng)典物理學(xué)方法的優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算簡(jiǎn)單且能為大分子建模，但其無法模擬化學(xué)反應(yīng)。而如果化學(xué)家選擇使用量子物理學(xué)計(jì)算化學(xué)反應(yīng)過程，但巨大的計(jì)算量使得其只能應(yīng)付小分子。為此，在20世紀(jì)70年代，這三位科學(xué)家設(shè)計(jì)出這種多尺度模型，讓傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)走上了信息化的快車道?！泵绹?guó)三位科學(xué)家MartinKarplus,MichaelLevitt和AriehWarshel獲獎(jiǎng)。獲獎(jiǎng)理由是“為復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)創(chuàng)立了多尺度模型”。nocodingRNADNARNAproteinDNARNA蛋白質(zhì)基因組學(xué)RNA組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)RNA組學(xué)--非編碼RNAsiRNA作用機(jī)制miRNA作用機(jī)制siRNAmiRNAtiRNAtiRNARNA分類ProteinGenesDev.2007,21:1190-1203ncRNA的作用細(xì)胞—RNA機(jī)器Science.2008,319:1787-1789RNAcatalysisthroughcompartmentalizationNATURECHEMISTRY.14OCTOBER2012|DOI:10.1038/NCHEM.1466RNA鏈（藍(lán)色）和RNA酶（紅色）在葡聚糖滴中聚合在一起.Hammerheadribozymeanditsrateaccelerationthroughcompartmentalization.Nature：攜帶RNA的第一個(gè)生命如何誕生SmallRNAssnoRNA,smRNA,piRNAandothersncRNAsLongnoncodingRNAs200-10000ntormoreDNAimprinting;X-inactivation;DNAdemethylation;Genetranscription;Generationofother~20-200ntModificationoftargetRNAs;SynthesisoftelomericDNA;Chromatinstructuredynamics;Transcriptionmodulation;Structuralrole;Gametogenesis?UnkownexamplesmicroRNAs~18-25ntPTGSandRNAinterferenceKnockdownFunctionalstudiesOver-expressionRNAinterferenceKnockoutmiceNewfunctionalncRNAs長(zhǎng)鏈非編碼RNAMolecularCancer.2011,10:38長(zhǎng)非編碼RNA發(fā)現(xiàn)GenesDev.200721:11-42非編碼RNA與疾病GenesDev.2007,21:11-42非編碼RNA與疾病各種癌癥心腦血管疾病衰老免疫系統(tǒng)疾病糖尿病神經(jīng)系統(tǒng)疾病病毒性疾病lncRNA功能GenesDev.200923:1494-1504長(zhǎng)非編碼RNAlncRNA作用模式

Nature.2012,482:339-346MolCell.2011.43(6):904-14ncRNACCND1negativelyregulatesCCND1transcriptionbyrecruitingTLStotheCCND1promoter.Nature.2008,454:126-130ncRNACCND1

CurrentOpinioninGenetics&Development.2011,21:194–198lncRNA與增強(qiáng)子作用Cell.2010,143(1):46-58RNA活化作用NATURE.14OCTOBER2012|doi:10.1038/nature11508

新型非編碼反義RNALongnon-codingantisenseRNAcontrolsUchl1translationthroughanembeddedSINEB2repeatUchl1mRNA反義RNA增進(jìn)mRNA與核糖體的結(jié)合,促進(jìn)翻譯。這是首次發(fā)現(xiàn)反義RNA提高了蛋白質(zhì)生成。NATUREREVIEWSCANCER.2012,11:644-656ncRNA參與表觀遺傳調(diào)控Gene.2008,410:9–17lncRNAmethyltransferase內(nèi)含子ncRNA保留調(diào)控粒細(xì)胞分化Cell.2013,154(3):583-595Nature.(2013)doi:10.1038/nature12548LncRNA—PRNCR1、PCGEM1與前列腺癌增殖lncRNA:PRNCR1和PCGEM1

雄激素剝奪療法--晚期前列腺癌主要療法激活雄激素受體靶基因

環(huán)RNA(circRNA)Nature.2013,495(7441):333-338Nature.2013,95(7441):384-8ciRS-7(circularRNAspongeformiR-7)RNA作為細(xì)胞外信號(hào)分子JournalofMolecularEndocrinology.2008,40:151–159Cell.2011,146:353-358AceRNAHypothesis:TheRosettaStoneofaHiddenRNALanguage?RosettaStone-羅塞塔石碑制作于公元前196年埃及象形文字埃及草書希臘文研究古埃及歷史重要里程碑microRNATheBasisoftheceRNALanguagemicroRNAresponseelements(MREs)competingendogenousRNA(ceRNA)MicroRNAEffectivenessIsInfluencedbytheCellularConcentrationofItsMREs基因定義？——Complexityoftranscriptomearoundahypotheticalgene

DNARESEARCH.2010,17,51–59(1)proteincodingmRNAtranscriptgene(2,a–c)antisenseRNAsinvariousrelationwiththetranscripts(3)CAGEtagsidentifytranscriptinthe3’-UTRs,likelypolyadenylated(4)termination-associatedsRNAs(TASRs)(5)exoniclongcappedtranscripts;(6)CAGEtagsidentifyingTSS(exactlocationcanvary)andmayoverlapPALRs(7)PASRs(green)andtiny18ntlongRNAs(tiRNAs,arrowheadonly)(8)antisensetranscriptioneventsdetectedbyCAGE(9)bidirectionallytranscribedRNAsfromcorepromoters(10)ncRNAsplicingisoformsonlypartiallyoverlappingtocodingmRNAsequences(11)PALRs(12)PROMPTs,unstabletranscriptsonupstreamregulatoryregions(13)miRNAsandendogenous(14)othersRNAsassociatedtoexonic-cappedlongtranscripts癌癥癌癥大多數(shù)是由于體細(xì)胞突變使細(xì)胞生長(zhǎng)和分裂失控而引起的。癌癥是由于多個(gè)基因而不是一個(gè)基因中的突變的積累而造成的。起初一個(gè)細(xì)胞的單個(gè)突變通過有絲分裂傳遞給所有的子細(xì)胞。在后來分裂的一些細(xì)胞中產(chǎn)生了第二個(gè)突變并且也傳給了子細(xì)胞。依次類推，在一個(gè)細(xì)胞中就積累了多個(gè)突變。致癌突變主要是使細(xì)胞獲得了相對(duì)于正常細(xì)胞的“生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)”，使它能夠更快速的分裂。所以下列三類基因的突變常會(huì)引發(fā)疾?。涸┗颉龠M(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng)和分裂，腫瘤抑制基因—（如p53基因）確保細(xì)胞正常分裂，DNA修復(fù)基因—修復(fù)損傷的基因。P53信號(hào)通路p53與miRNA

癌癥世界衛(wèi)生組織預(yù)測(cè)，惡性腫瘤將成為21世紀(jì)人類的第一殺手。中國(guó)人口眾多，每年新發(fā)腫瘤病例居世界首位。我國(guó)癌癥患者發(fā)病率為0.5%-1%全國(guó)現(xiàn)有癌癥患者超過600萬人年發(fā)病例160萬，死亡人數(shù)達(dá)130萬北京年發(fā)病例1.2萬，死亡人數(shù)1萬癌癥患者每年3.1％的速度在增長(zhǎng)。新的抗癌療法腫瘤呼吸測(cè)試儀工作原理圖

癌癥基因治療基因治療的基本策略：取決于腫瘤的類型，概括起來有下列五種：基因置換：用正常的外源基因置換產(chǎn)生疾病的基因，使致病基因得到永久的更正。此為最理想的基因療法?；蛐拚?jiǎn)位蜻z傳病在多數(shù)情況下是由于基因內(nèi)部單個(gè)堿基發(fā)生突變所致，而其他核苷酸序列均正常，因此只要將突變的單個(gè)堿基予以更正就能達(dá)到基因治療的目的，而不必將整個(gè)基因進(jìn)行置換。癌癥基因治療基因修飾：將目的基因?qū)氩∽兗?xì)胞或其他細(xì)胞，目的基因的表達(dá)產(chǎn)物可以補(bǔ)償病變基因的功能，而病變基因本身并未改變。由于已經(jīng)發(fā)展了許多有效的方法可以將目的基因?qū)胝婧思?xì)胞，并獲得表達(dá)，因而是目前較為成熟的方法。基因抑制：導(dǎo)入外源基因去干擾、抑制有害基因的表達(dá)。表觀基因組DNA甲基化修飾模式表觀遺傳學(xué)修飾機(jī)制與表觀遺傳學(xué)修飾因子相互作用關(guān)系20世紀(jì)生命科學(xué)的方法論是還原論經(jīng)典分子生物學(xué)基因表達(dá)和功能研究思路：序列——>結(jié)構(gòu)——>功能

模式：“一次一個(gè)基因”生物復(fù)雜系統(tǒng)星云地球星云宇宙生物系統(tǒng)是典型的復(fù)雜系統(tǒng)細(xì)胞生命科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)中大量的關(guān)鍵科學(xué)問題屬于復(fù)雜系統(tǒng)問題，在傳統(tǒng)的以線性和還原論思想為主導(dǎo)的科學(xué)理論框架中難以解決。生命系統(tǒng)－耗散結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離平衡態(tài)非線性開放系統(tǒng)漲落突變

生命體復(fù)雜性生命體組成成分不是簡(jiǎn)單的堆積，而是彼此間有廣泛的相互作用，越是高級(jí)生命作用越廣泛。組成成分之間的相互作用不是簡(jiǎn)單直線性關(guān)系，而是交錯(cuò)編織成網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)使生命體復(fù)雜性具有層次性特征。生命體存在于多因素、多變化的環(huán)境中，隨時(shí)要接受外界的刺激和干擾，是一種遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)。生命科學(xué)發(fā)展趨勢(shì)整體化：復(fù)雜生命系統(tǒng)的研究注重整體性分析。就目前世界發(fā)展現(xiàn)狀而言，基因組學(xué)和功能基因組學(xué)已經(jīng)比較成熟，難點(diǎn)是在研究蛋白質(zhì)的蛋白質(zhì)組學(xué)和研究小分子的代謝組學(xué)。集群化：表現(xiàn)在生