分子生物学绪论-2015-2016学年

分子生物学MolecularBiology绪论introduction第一节分子生物学是从分子水平探讨生命活动的本质一、分子生物学的定义二、分子生物学发展简史三、分子生物学研究对象和研究内容生物学：研究生命现象、生命的本质、生命活动及其规律的科学。生命科学研究的三个层次：1、整体水平2、细胞水平3、分子水平分子生物学:从分子水平研究生命现象、生命本质、生命活动及其规律的科学。核心内容：从分子水平研究基因和基因的活动（核酸和蛋白质活动）。核酸和蛋白质的结构与功能基因组的结构与功能基因的复制与表达基因表达调控及其生物学效应生物大分子相互作用及其所形成的细胞间通讯和细胞内信号转导基因的结构、功能、表达调控的分析和基因制备、改造、调控、应用所需的技术体系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…………….分子生物学的延伸分子生物学已经渗透到生物学的几乎所有领域分子生物学已经成为生命科学领域的带头学科第一节分子生物学是从分子水平探讨生命活动的本质一、分子生物学的历史回顾（孕育时期）：遗传方面：1859年，达尔文----Ontheoriginofspecies生物性状的可遗传性生物性状在自然选择压力下可变性生物性状在不同物种之间的相关性开始触及生命本质最核心问题：生命的特征和生物性状为什么能代代相传？代代相传的性状为什么可以改变？是什么在控制生物的性状？GregorMendel(1822-1884).TheFatherofGenetics孟德尔的遗传学规律最先使人们对性状遗传产生了理性认识Mendel----豌豆性状遗传杂交实验1865年GregorMendel:遗传学的奠基人－豌豆性状遗传的杂交实验生物体存在遗传单位，能够从亲代传给子代1866年发表了“植物杂交实验”细胞学方面：1879年，Walterflemming研究细胞分裂时观察到染色体1902年，Waltersutton提出：基因在染色体上forhisdiscoveriesconcerningtheroleplayedbytheChromosomeinheredity,demonstratedthatgenesareonthechromosomeThomasHuntMorganinPhysiologyorMedicine1933NobelPrize1910年，Huntmorgan证明基因存在于染色体上NobelmedalHalfapoundof23-karalgold.2.5inchesacross果蝇杂交实验化学方面：1868年,F.Miescher(米歇尔-瑞士)发现了核素（nuclein）20世纪20-30年代,已确认自然界有DNA和RNA两类核酸，并阐明了核苷酸的组成。1944年，O.T.Avery等证明了肺炎球菌转化因子是DNA。人们仍不相信DNA是遗传物质,这是由于：（1）因认为蛋白分子量大，结构复杂，二十种氨基酸的排列组合将是个天文数字，可作为一种遗传信息。而DNA分子量小，只含4种不同的碱基，人们一度认为不同种的有机体的核酸只有微小的差异。（2）认为转化实验中DNA并未能提得很纯，还附有其它物质。（3）即使转化因子确实是DNA，但也可能DNA只是对荚膜形成起着直接的化学效应，而不是充当遗传信息的载体。1952年，A.D.Hershey和M.Chase用35S和32P分别标记T2噬菌体的蛋白质和核酸，感染大肠杆菌的实验进一步证明了核酸是遗传物质。DNA是动物细胞的遗传物质当DNA加入到某种在培养基中培养的真核单细胞生物群落中，核酸就会进入到细胞中去，其中有一部分就会合成出一些新的蛋白质。导入DNA的表达将使细胞产生一些新的特性。图.胸腺嘧啶核苷激酶的合成在对DNA结构的研究上1949-1952年，Wilkins等的X-线衍射分析阐明了核酸并非平面的空间构像，提出了DNA是螺旋结构1948-1953年，Chargaff等用新的层析和电泳技术分析组成DNA的碱基和核苷酸量，积累了大量的数据，提出了DNA碱基组成A=T、G=C的Chargaff规则，为碱基配对的DNA结构认识打下了基础克里克(1916～2004)英国生物物理学家沃森(1928～)美国生物学家1953年沃森、克里克在英国生物学家富兰克林(女)等人研究成果的基础上，首先提出了DNA的双螺旋结构模型，于1962年获奖。现代分子生物学诞生的里程碑。DNA双螺旋结构示意图核酸分子的大小常用碱基(base或kilobase)数目来表示。小的核酸片段(50bp)常被称为寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。DNA双螺旋结构的多样性二、分子生物学早期理论形成期1953，DNA双螺旋模型建立－－－－1970年，JamesWatson第二版《Molecularbiologyofthegene》标志分子生物学开始有了较完整的理论体系。这期间的主要内容：mRNA的发现、DNA聚合酶、RNA聚合酶、DNA半保复制留机制、操纵子学说、遗传密码的发现和破译、生物遗传的中心法则DNA半保留复制模型DNA-polⅠ（109kD）1958Kornberg分离出DNA聚合酶IDNA-polⅢ(250kD)`1DNARNA蛋白质转录翻译逆转录1970年H.Temin复制遗传信息传递的中心法则：1958年F.Crick1961-1969Nirenberg破译遗传密码遗传密码表三、20世纪70年代以来分子生物学飞速发展1、逆转录酶2、限制性内切酶、连接酶基因重组3、断裂基因4、DNA测序5、核酶6、PCR发明7、增强子等调控序列8、转基因动物9、基因治疗10、人类基因组计划KaryB.Mullis1985年发明了聚合酶链反应（PCR）技术1993年获诺贝尔化学奖转基因动植物降糖米GLP-1ObmiceGHtransgenicmiceDollysheep2003年4月14日，国际人类基因组测序组隆重宣布：美、英、日、法、德和中国科学家历经13年的共同努力，人类基因组序列图亦称“完成图”，提前绘制成功。为此，参与研究国6国政府首脑发表联合声明表示祝贺。从现在起，生物学被重新划分为前基因组和后基因组两部分，人类正生活在后基因组时代。发现:a.2.91Gbp，约39000多个基因，平均基因大小有27kbp，1号染色体基因最丰富，而13号最少；b.发现定位了26000多个功能基因，其中尚有42%的基因尚不知道功能；在已知基因中酶占10.28%，核酸酶占7.5%，信号传导占12.2%，转录因子占6.0%，受体占5.3%等;c.人类“种属”之间没有本质的区别；d.存在“热点”和大片“荒漠”；e.男性的基因突变率是女性的两倍；f.约有200个基因来自细菌基因；g.基因重排更复杂沿DNA双轨的“淘金”热浪势不可挡，因为这是最好的致富道路之一。Gene=Money知识和理论的致富人类基因组的DNA序列－－破译全部基因密码：人类基因组计划解释人类多样性：基因组DNA多态性加速对生命奥秘的阐明、重大疾病发病机理的突破物质的致富发现和设计新药45分子生物学研究对象和主要内容生物学是研究生命的科学，研究生命的本质及其各种生命现象和规律。分子生物学是在分子水平认识生命本质，研究各种生命现象在分子水平的机制及其相互作用规律的科学。主要从以下几个方面阐述：1.遗传物质和遗传信息的传递2.基因结构、生物大分子的结构与功能3.以DNA重组和分子杂交为核心的现代分子生物学技术46•染色体是遗传的物质基础，是基因的载体。HumanChromosome1、遗传物质和遗传信息的传递1/染色体47染色质(chromatin)和染色体(chromosome)染色质：细胞间期核内伸展开的DNA-蛋白质纤维。DNA(deoxyribonucleicacid)，主要核酸RNA(ribonucleicacid)，少量组蛋白（H1、H2A、H2B、H3、H4）蛋白质非组蛋白染色质→染色体（分裂间期）（分裂期）螺旋化48•染色质和染色体是同一遗传物质在细胞间期和分裂期的两种不同形态。49串珠状染色质50遗传信息的传递遗传物质是DNA，遗传单位是基因，遗传信息贮存于DNA中,通过半保留和半不连续复制传递到子代细胞中。分子生物学核心是研究遗传信息及其传递51磷酸脱氧核糖碱基脱氧核糖核苷脱氧核糖核苷酸(1)DNA结构DNA的基本结构单位——单脱氧核糖核苷酸52碱基种类胸腺嘧啶Thymine，T胞嘧啶Cytosine，C鸟嘌呤Guanine，G腺嘌呤Adenine，A53碱基互补配对：A=T,G≡C稳定双螺旋结构的作用力为氢键和碱基堆积力（即疏水作用）55DNA结构特征DNA为两条多核苷酸链相互逆向缠绕的双螺旋结构。方向性56(2)DNA复制/遗传信息传递通过DNA复制,将亲代遗传信息传给子细胞/子代，DNA复制方向5‘→3’,半保留复制和半不连续复制,遵循碱基互补配对原则.57DNA结构的基本特征☆A＝T、C≡G互补配对结合。☆碱基的排列顺序就是DNA序列——储存遗传密码。☆双螺旋互补结构是DNA复制和修复的基础。☆双螺旋的沟，尤其是大沟为蛋白质分子结合的场所。☆双螺旋的互补性是分子识别的原理之一，也是现代分子技术核心技术——分子杂交的基础。(3)DNA结构的基本特征和生物学意义58DNA具有重要的生物学意义★它是遗传信息的载体，贮存并传递支配生命活动的指令。★它是构建生物体的蓝图。★它是人为操作、研究生命和改造生命特征的元件。★它是生命科学技术遵循的原则。592.基因表达和调控---遗传信息的表达①理解生命大分子运动的基本规律—中心法则②破解遗传密码及DNA序列③弄清基因如何转录和翻译及信息传递过程中如何调控的？601/中心法则（centraldogma）1958年Crick提出，1970年Baltimore和Ternin等修正并补充。612.基因表达（1）基因的概念是DNA序列中的一个功能片段。（2）基因的结构原核生物的基因是DNA分子的一个片段，且转录部分连续编码。真核生物包括人类的基因不同于原核生物的基因。真核生物的结构基因的DNA序列（转录部分）由编码序列和非编码序列两部分组成，编码序列是不连续的，被非编码序列分割开来，称为断裂基因（splitgene）。62基因的结构和生物大分子的结构与功能基因的物质基础是核酸基因编码的终产物是蛋白质63Exon和Intron：Exon----编码序列，Intron---非编码序列。GT---AG法则：5`--GT---AG--3`，是真核生物基因内含子剪切和外显子拼接信号，高度保守的共有序列。旁侧（Flankingsequence，侧翼序列）：每个结构基因在第一个和最后一个外显子的外侧有一段不被转录的非编码区---Flankingsequence。64旁侧包括：启动子（promoter）：TATABOX：位于-19～-27bp，7个碱基组成，TATAT(A)AT(A)，TFII结合位点，再与RNA聚合酶II形成复合物，准确识别转录起始位点，具定量效应。CAATBOX：位于-70～-80bp，9个碱基组成，GGC(T)CAATCT，转录因子CTF的识别位点，与之结合促进转录。65GCBOX：位于CAATBOX两侧，6个碱基组成，GGCGGG，转录因子SP1识别位点，激活转录，增强转录效率。•增强子（enhancer）：位于启动子上游/下游的一段DNA序列，增强转录效率，作用方向可以是5`---3`方向，或3`---5`。microRNAmiRNA:内源性、大小在20-25nt一类非编码RNA66终止子（terminator）：由一段回文序列以及特定的序列5`--AATAAA--3`PolyA组成，是RNA聚合酶停止工作的信号。回文序列为转录终止信号polyA（AATAAA）是多聚腺苷酸添加信号67顺式作用元件(c