现代分子生物学进展

第二讲现代分子生物学进展1.20世纪生命科学的面貌2.分子生物学的基本概念3.21世纪分子生物学展望4.21世纪—生命科学世纪1.二十世纪生命科学的面貌1.1Mendel遗传理论的发展1900年Mendel遗传理论的确认与证实绿色革命1940s-----1990s抗生素生物遗传理论(孟德尔、摩尔根)农业生产的发展基因的证实医学，药学的发展矿质营养理论（李比希）有机合成理论（缪勒）→杂优利用→化肥施用→农药使用人类对生命现象的认识中心法则的补充基因的克隆生物个体的克隆还原论20世纪人类对生命现象的认识整体论21世纪生物与非生物间的界限消失了！？生物学应改为核酸化学蛋白质化学！？基因克隆，拼结组装婴儿！？后基因组学发育生物学细胞中的遗传与变异细胞分化与个体发育生命科学的飞跃个体染色体基因DNAdNt分子亚分子结构域结构单元原子功能结构结构生物学现象调控信号传递基因表达蛋白质基因基因组数、理、化相关学科生物学实验技术渗透交叉生物学近代生物学个性共性宏观生物学(生态学为核心)微观生物学(分子生物学为核心)细胞水平分子水平结构生物学，发育生物学，神经生物学等新兴学科发展生物多样性研究资源保护与利用人类生态环境的保护工农业生产持续发展1.2现代生物学的发展分子生物学分子结构生物学分子发育生物学分子神经生物学分子育种学分子肿瘤学分子细胞生物学分子免疫学分子病毒学分子生理学分子考古学分子遗传学分子数量遗传学分子生态学分子进化学化学生物学……分子生物学渗透到生物学几乎所有学科!分子生物学成为现代生命科学的共同语言!1.3分子生物学的延伸分子生物学理论的突破人口与粮食1.4生物技术的有效应用新旧技术的有机结合能源与资源健康与疾病分子生物学与经济发展这是GTC公司的养殖场，工作人员从转基因山羊身上挤出了羊奶。在貌似平凡的羊奶中，含有价值不菲的药用蛋白质农高园蝴蝶兰培育中心2.分子生物学的基本概念1953Watson&CrickDNADoubleHelixmodel基因的两个基本属性以DNA,protein为核心；以生物化学为基础基因的自我复制基因控制性状的表达生物系统的共性某一生物的个性形成广义的分子生物学在分子生物学的研究领域共同遵循三大基本原则★构成生物大分子的单体是相同的★生物遗传信息的表达的中心法则相同DNARNApolypeptidesproteincharacter高级结构生物大分子之间的互作个性分子生物学的三大原则共同的核酸语言共同的蛋白质语言★生物大分子单体的排列(核苷酸，氨基酸)proteinCrick：….我本人的思想是基于两个基本原理，我称之为:序列假说（sequencehypothesis）和中心法则（centraldogma)…序列假说：核酸片段的特异性完全由其碱基序列所决定，而且这种序列是某一蛋白质的氨基酸序列的密码。中心法则：信息一旦进入蛋白质，它就不可能再输出结构生物学基因分子生物学应用分子生物学分子生物学研究的三大主要领域生物大分子的结构与功能生物大分子之间的互作DNA-proteinHormone-receptorEnzyme-substrate基因的概念基因的结构基因的表达基因的重组基因的交换基因工程细胞工程酶工程微生物工程蛋白质工程狭义的分子生物学1847年Schleiden(斯雷登)&Schwann(施澳恩)细胞的化学组成，细胞器的结构，细胞骨架，生物大分子在细胞中的定位及功能分子生物学发展的三大支撑学科之一•生物体由细胞组成•所有组织的最基本单元----形状相似，高度分化的细胞•细胞的发生与形成是生物界普遍和永久的规律CytologyMolecularCellbiologyCytology1864年MendelGeneticsMolecularGeneticsGenestructureGeneduplicationGeneexpressionGenerecombinationGenemutation分子生物学发展的三大支撑学科之二遗传因子假说GeneticsBiochemistryNucleicAcidChemistryProteinChemistry(1936年Sumner)分子生物学发展的三大支撑学科之三Enzyme→ProteinBiochemistry近半个世纪以来分子生物学中重大突破与成就者NobelPrize生物学发展的里程碑与主要内容JoshuaLederberg1958JoshuaLederberg(33y)J.莱德伯格（美国人）Phagetransduction转染Beadle&TatumG.W.比德乐、E.L.塔特姆Onegene--oneenzymeSeveroOchoa(54y)S.奥乔亚RichphosphatebondsofATP---EnergyArthurKornberg(41y)DNAreplicationIsolationDNApolymeraseIA.科恩伯格1959JamesWatson(34y)FrancisCrick(46y)MauriceWilkins(46y)M.威尔金斯DNADoubleHelixmodel1962富兰克林X射线衍射照片FrancoisJacob(44y)F.雅各布JacquesMonod(55y)J.L.莫诺(French)Lac.OperonTheory1965ConceptofmRNA1968（美国人）R.HolleyH.G.KhoranaM.NirenbergR.霍利H.G.霍拉纳M.W.尼伦伯格H.GobindKhorana(46y)HowtosynthesizetripletRNAMarshallNirenberg(41y)GeneticcodenRobertHolley(46y)tRNAphecloverleafstructure1969MaxDelbruck(63y)AlfredHershey(61y)PhagegroupPhageinfectioncycleDNAasgeneticmaterialM.DelbruckM.德尔布吕克A.HersheyA.赫尔HowardTemin(41y)H.特明DavidBaltimore(37y)D.巴尔摩Reversetranscription1975WalterGilbert(沃尔特.吉尔伯特)MechanismofproteinsynthesisIsolationofLac.Operonrepressor1980诺贝尔化学奖DNA+SV40→RecombinationDNAPaulBerg(保罗.伯格)基因工程学的奠基人1983.BarbaraMcClintock(86y)B.麦克林托克（美国人）DNAtransposableelememt1984Kohler&MilsteinG.克勒.C.米尔斯坦→Monocloningantibody1993Roberts&SharpR.J.罗伯茨.P.A.夏普→Splittinggene1994Gilman&RodballA.吉尔曼.M.罗德贝尔→G-proteinasasignalmolecularincell1995Lewis&Nusslein-VolhardE.刘易斯.E.F.维绍斯--C.福尔哈德→ControlgeneofbodydevelopinginDrosophila1997S.B.普鲁西纳→Prion（朊蛋白）1998R.佛契哥特，F.慕拉德和L.格纳洛→NOcellmessage2002S.布雷内,H.R.霍维茨,J.苏尔斯顿→Apoptosis(凋亡)线虫F.SangerreceivedtwoNobelprizes→ProteinsequencingandDNAsequencing3.21世纪分子生物展望3.1自然科学历史舞台角色将发生重大变化物理学生物学引导自然科学向物质运动最高层次突破的带头学科却将世界一分为二“两种科学，两种世界”物理学观点解释?Newton牛顿“宇宙是一个整体”从19世纪末物理学(自然科学的基本学科)Elinstein爱因斯坦“Thetheoryofrelativity”非生命科学物理世界生命科学生物世界有序无序热力学二定律低级高级生物进化生命的物质基础自然科学的统一•无论高级或低级均由生物分子按一定层次形成一定高度的有序的系统•不断地与外界发生物质的交换，是一个远离平衡态的开放的耗散结构(dissipativestructure)•能精确地自我复制并发生遗传与变异活的有机体在对宇宙，生命世界的探索中物理学的新思潮形成:以牛顿力学为基础的决定论思维方式的改变：1940’s以后非线性,非平衡动力学系统理论耗散结构（dissipativestructure）混沌论(chaos)生命是大分子物质整体活动的表现不是若干组成部分性质的累积生命的复杂形式为非线性的分析式思维→整体式思维有关事实和流行说法《自然》杂志的21个编辑,14个负责生物学有关内容;90年代中期以来,美国生产力提高2/3归可因于生物技术;欧美国家中,理科学习成绩最好的学生都选择学习生命科学或者医学；各领域的科学家要想拿到科研经费，都力图将自己的研究课题与生命科学交叉或者挂钩;一种流行说法：目前,数学领域1％是未知的；物理学领域10％是未知的；化学领域30％是未知的；生命科学领域70％是未知的。挑战与机遇并存;发挥你们的聪明才智!现代物理学研究方法物理世界生命世界鸿沟打破→分子生物学研究锦上添花生物大分子基本粒子的深层结构复杂生命现象有序的进化规律物质运动最高形式（脑结构）的工作原理X-射线晶体学全息分析技术核磁共振技术扫描隧道电子显微镜分子激发显微镜理论物理学研究前沿的拓展：3.2分子生物学形成的新热点及领域转基因生物生物大分子的高级三维结构与功能的统一生物大分子之间的互作→基因的社会学(Nature杂志增设Naturaldevelopingbiology分册)基因表达，基因互作器官发生胚胎形成个体发育1.结构生物学（StructuralBiology）2.分子发育生物学(MolecularDevelopingBiology)个体细胞分子还原论整体论细胞中的定位细胞分化神经基质神经通道信息传递大分子克隆一级结构分析三维结构重建思维感情记忆科学解释脑科学+计算机智能革命3.分子细胞生物学(MolecularCellBiology)4.分子神经生物学(MolecularNeurobiology)将一切生物学问题还原到DNA水平的同时人类必将用整体的，综合的观点去思考生物学MaddoxJ.(Naturemaineditor)Ismolecularbiologyyetascience?Nature1992(335):201现在有那么一群叫做分子生物学家的人，他们的文章无视整体的植物与动物，也很少言及生理学。对于这些人来说，实验资料大部分来自所谓凝胶电泳----化学生物学就是应用化学的物理的研究方法，来发现生命现象中的分子与分子之间互相作用及其作用机理。为分子生物学的研究带来了多元化的研究方法。化学生物学是自90年代中期以来的新兴研究领域.由东部哈佛大学的Schreiber博士和西部Scripps研究所的Schultz博士分别在美国东西海岸引领这个领域。5.化学生物学(Chemicalbiology)凝胶电泳不再是唯一的方法!!至199470个Scr,PCD（生长因子，细胞周期等癌症相关基因）1986.FriendRB1第一个抑制癌基因被克隆(TumorSuppressorgene)11个抑癌基因被证实（P53,P21,ERBA,WT1,NF1等）1975.BishopM.Src(Sarcoma肉瘤)癌基因的证实6.分子肿瘤学（MolecularTumorology）1989NobelPrize计算计语言即:分辨，提取，分析，比较，预测生物信息生物大分子的结构与功能信息基因的识别与鉴定基因功能信息的提取与证实基因表达谱(microarray微阵)基因功能的改变（基因敲除knockout）蛋白质水平上基因互作的探测7.功能基因组学