医学分子生物学

2019/8/151医学分子生物学MedicalMolecularBiology第一章绪论Chapter1Introduction主讲人：胡维新教授中南大学生物科学与技术学院2019/8/1522019/8/1532.分子生物学的研究内容1.分子生物学的定义3.分子生物学与生物技术4.分子生物学与医学内容概要2019/8/154一、分子生物学的定义2019/8/155从整体水平到分子水平示意图分子水平细胞水平整体水平生命科学的发展过程：2019/8/156生命科学的研究内容：生命物质的结构与功能，生物与生物之间及生物与环境之间相互关系。生命科学的前沿领域：分子生物学、分子遗传学、细胞生物学、发育生物学和神经生物学，而分子生物学是生命科学的核心前沿。生命科学是研究生命现象和生命活动规律的一门综合性学科。2019/8/157分子生物学——从分子水平研究生命现象及其规律的一门新兴学科。它是生命科学中发展最快并且与其他学科广泛交叉和渗透的前沿领域。2019/8/158由于分子生物学以其崭新的观点和技术对其他学科的全面渗透，推动了细胞生物学、遗传学、发育生物学和神经生物学向分子水平的方向发展，使这些学科已不再是原来的经典学科，而成为生命科学的前沿。2019/8/1591950年，Astbury在一次讲演中首先使用“分子生物学”这一术语,用以说明它是研究生物大分子的化学和物理学结构。现代分子生物学的建立2019/8/1510DNA的X光衍射照片1952年5月拍摄罗沙琳德·弗兰克林（RosalindFranklin，1920－1958）英国DNA双螺旋结构模型的建立2019/8/1511DNA双螺旋结构模型的建立诺贝尔医学与生理学奖1962年2019/8/1512WatsonJD和CrickFHC的“双螺旋结构模型”启动了分子生物学及重组DNA技术的发展。确立了核酸作为信息分子的结构基础；提出了碱基配对是核酸复制、遗传信息传递的基本方式，最终确定了核酸是遗传的物质基础。2019/8/1513分子生物学技术：例如：DNA及RNA的印迹转移、核酸分子杂交、基因克隆、基因体外扩增、DNA测序等，形成了独特的重组DNA技术及其相关技术。由生物化学、生物物理学、细胞生物学、遗传学、应用微生物学及免疫学等各专业技术的渗透、综合而成，并在此基础上发明和创造了一系列新的技术。2019/8/1514分子克隆(molecularcloning)重组DNA(recombinantDNA)技术是近代分子生物学技术的核心。基因操作(genemanipulation)基因克隆(genecloning)基因工程(geneengineering)2019/8/1515分子医学（molecularmedicine）：由于分子生物学渗透进入生物学和医学的每一分支领域，全面推动了生命科学和医学的各个方面的发展，如疾病的发病机理研究、疾病的诊断和治疗，使医学进入了一个崭新的时代。2019/8/1516☻遗传性状改变或治疗疾病可能从某一生物体的基因组中分离出某一特定功能基因，导入到另一种生物的基因组。☻基因工程和蛋白质工程外源DNA与载体在体外进行连接，或在基因水平上进行有目的的定向诱变。生物技术进入了分子水平，基因（或DNA）也进入了社会生产和人们生活的方方面面。2019/8/1517按照自己的意愿和社会需求改造基因，制备各种具有生物活性的大分子。DNA、RNA和蛋白质成为人类治病、防病的一类新型的生物制品或药物。生物技术在农业上用于快速育种，改良品种，提高农作物的产量、质量以及抗病虫害，抗干旱等能力。2019/8/1518二、分子生物学的研究内容2019/8/1519分子生物学的主要研究内容生物大分子的结构、功能，生物大分子之间的相互作用及其与疾病发生、发展的关系。2019/8/1520核酸的分子生物学主要研究核酸的结构及其功能。核酸的主要作用是携带和传递遗传信息，因此形成了分子遗传学。（一）核酸分子生物学：分子遗传学：形成了比较完整的理论体系和研究技术，它是目前分子生物学中内容最丰富、研究最活跃的一个领域。2019/8/15211.核酸的发现早在1868年，Miescher从脓细胞中分离出细胞核，用稀碱抽提再加入酸，得到了一种含氮和磷特别丰富的物质，当时称其为核素（nuclein）。1872年，他又在鲑鱼精子细胞核中发现了大量的这类物质。由于这类物质都是从细胞核中提取出来的，而且又是酸性，故称其为核酸（nucleicacid）。FriedeichMiescher2019/8/1522自核酸被发现以来的相当长时期内，对它的生物学功能几乎毫无所知。1928年(FrederickGriffith)以后，核酸功能研究取得了重大进展。2019/8/1523In1928,anexperimentofFrederickGriffithusingpneumoniabacteriaandmice2019/8/15241952年，HersheyAD和ChaseM用35S和32p分别标记T2噬菌体的蛋白质和核酸，感染大肠杆菌。在大肠杆菌细胞内增殖的噬菌体中都只含有32P而不含35S,这表明噬菌体的增殖直接取决于DNA而不是蛋白质。2.核酸功能研究的重大进展1944年，AveryOT等首次证明肺炎双球菌的DNA与其转化和遗传有关。2019/8/1525In1952,AlfredHersheyandMarthaChasedidanexperimentwhichissosignificant,ithasbeennicknamedthe“Hershey-ChaseExperiment”.2019/8/1526In1952,AlfredHersheyandMarthaChasedidanexperimentwhichissosignificant,ithasbeennicknamedthe“Hershey-ChaseExperiment”.2019/8/1527TheMeselson-Stahlexperiment（1958）showedthatDNAisreplicatedsemi-conservativelyDNAsemi-conservativeduplication3.DNA复制模型2019/8/1528DNA复制模型2019/8/15291961年，Nirenberg、Ochoa以及Khorana等几组科学家的共同努力，破译了RNA上编码合成蛋白质的遗传密码，证明DNA分子中的遗传信息是以三联密码的形式贮存。遗传密码在生物界具有通用性。2019/8/15302019/8/15312019/8/15324.中心法则的建立1958年，Crick提出了分子生物学的中心法则（centraldogma）。中心法则是分子遗传学基本理论体系。2019/8/15332019/8/15341970年，Temin和Baltimore从鸡Rous肉瘤病毒(Roussarcomavirus，RSV)颗粒中发现了以RNA为模板合成DNA的逆转录酶，进一步补充了遗传信息传递的中心法则。2019/8/15355．DNA序列分析技术：双脱氧末端终止法:1977年，剑桥大学SangerF等发明。化学裂解法:美国MaxamI和GilbertW发明。2019/8/15362019/8/1537对DNA片段的一级结构进行分析，导致一系列重大发现：4.从cDNA序列推导出蛋白质的一级结构；1.断裂基因(splitgene)的发现，证明真核细胞的基因不是连续的DNA片段；2.前体mRNA分子的拼接，去除内含子序列，连接成成熟mRNA；3.发现单基因遗传病的基因结构的变异；5.根据DNA序列合成基因，并与载体连接，使之在细菌中表达，合成活性蛋白质，开创了基因工程。2019/8/15386.基因的人工合成1978年体外首次成功地人工合成第一个完整基因。直接证实了MendelG在1865年发现的遗传因子(基因)的化学本质，就是DNA分子。DNA分子是多种多样生命现象的物质基础。2019/8/15397.基因组研究的进展基因组（genome）:一个物种遗传信息的总和。基因结构与功能研究已经从单个基因发展到生物体整个基因组。基因组研究已从简单的低等生物到真核生物，从多细胞生物到人类。2019/8/15401977年:Sanger测定了ΦX174DNA全部5375bp核苷酸序列；1978年:Fiers等测出环状SV40DNA全部5243bp核苷酸序列；1980年代:λ噬菌体DNA全部48502碱基对的序列被测出；一些小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因组的全序列也陆续被测定;1996年底:大肠杆菌基因组DNA的全部序列长4×106碱基对；1996年底:完成了真核生物酵母（Saccharomyceserevisiae）的基因组全序列测定；1998年底:长达100Mb的线虫的基因组序列测定也已全部完成。这是第一个完成的多细胞生物体的全基因组序列测定。2019/8/1541人类基因组计划（humangenomeproject,HGP）美国科学家、诺贝尔奖获得者DulbeccoR于1986年在美国《Science》杂志上发表的短文中率先提出，并认为这是加快癌症研究进程的一条有效途径。主要的目标是绘制遗传连锁图、物理图、转录图，并完成人类基因组全部核苷酸序列测定。测出人体细胞中24条染色体上全部30亿对核苷酸的序列，把所有人类基因都明确定位在染色体上，破译人类的全部遗传信息。HGP是人类自然科学史上与曼哈顿原子弹计划和阿波罗登月计划相媲美的伟大科学工程。2019/8/1542研究结果表明，人类基因数量仅有3万个左右，比此前估计的要少得多。通过研究还发现男女可能存在巨大遗传差异，男性染色体减数分裂的突变率是女性的两倍。在已经分析的序列中，找到很多与遗传病有关的基因，包括乳腺癌、遗传性耳聋、中风、癫痫症、糖尿病和各种骨骼异常的基因。2019/8/15438.基因表达调控机制的研究1961年，Jacob和Monod提出操纵子学说，认识了原核生物基因表达调控的一些规律。80年代开始，人们逐步认识到真核基因组结构和调控的复杂性。真核基因的顺式调控元件与反式作用因子、核酸与蛋白质间的分子识别与相互作用。小分子反义RNA、核酶、siRNA等。2019/8/1544（二）蛋白质分子生物学：DNA→储存生命活动的各种信息。蛋白质→生命活动的执行者。蛋白质的分子生物学主要研究蛋白质的结构与功能。2019/8/1545蛋白质结构与功能的研究进展1956年，Anfinsen和White根据对酶蛋白的变性和复性实验，提出蛋白质的三维空间结构是由其氨基酸序列来确定的。1958年，Ingram证明正常的血红蛋白与镰状细胞溶血症病人的血红蛋白之间，在其亚基的肽链上仅有一个氨基酸残基的差别。1969年，Weber开始应用SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳测定蛋白质分子量；20世纪60年代先后分析了血红蛋白、核糖核酸酶A等一批蛋白质的一级结构。中国科学家在1965年人工合成了牛胰岛素；1973年又用1.8AX射线衍射分析法测定了牛胰岛素的空间结构。2019/8/1546构成生物体的每一个细胞的分裂与分化及其他各种生物学功能，均依赖于外界环境所产生的各种信号。在这些外源信号的刺激下，细胞可以将这些信号通过第二信使转变成一系列的生物化学变化。主要研究内容：研究细胞内、细胞间信息传递的分子基础。阐明这些变化的分子机制，明确每一条信号转导途径及参与该途径的所有分子间的相互作用和调节方式。（三）细胞信号转导机制研究2019/8/15471965年又提出第二信使学说。1977年，Ross等用重组实验证实G蛋白的存在和功能，将G蛋白与腺苷环化酶的作用联系起来。癌基因、抑癌基因和酪氨酸蛋白激酶的发现及其结构与功能的深入研究，使得细胞信号转导的研究有了很大的进展。1957年，Sutherland发现了cAMP。2019/8/15482019/8/1549三、分子生物学与生物技术2019/8/1550生