分子生物学绪论-1

分子生物学张振霞电话：[e-mail]考核方法•平时考核15％考勤课堂讨论、专题综述•实验课25％•课程考试60％•教材：现代分子生物学（第三版），朱玉贤等，高等教育出版社•参考教材：教学计划(54理论课时)停课复习，考试第十章基因组与比较基因组学研究第九章基因与发育第八章疾病与人类健康第七章真核生物基因表达调控第六章原核生物基因表达调控第五章分子生物学研究方法第四章生物信息的传递—从mRNA到蛋白质第三章生物信息的传递—从DNA到RNA第二章染色体与DNA第一章序论绪论第一节分子生物学的基本含义及主要研究内容第二节分子生物学发展简史第三节分子生物学与其他学科的关系第一节分子生物学的基本含义及主要研究内容1分子生物学MolecularBiology的基本含义•广义的分子生物学：以核酸和蛋白质等生物大分子的结构及其在遗传信息和细胞信息传递中的作用为研究对象，从分子水平阐明生命现象和生物学规律。•狭义的分子生物学：偏重于核酸（基因）的分子生物学，主要研究基因或DNA的复制、转录、表达和调控等过程，也涉及与这些过程相关的蛋白质和酶的结构与功能的研究。1.1分子生物学的三大原则1)构成生物大分子的单体是相同的共同的核酸语言共同的蛋白质语言2)生物遗传信息表达的中心法则相同DNARNAproteincharacter3)生物大分子单体的排列（核苷酸、氨基酸）的不同不同的高级结构不同的生物大分子之间的互作不同的物种特性1.2研究对象蛋白质：蛋白质分子参与并控制了细胞的一切代谢活动，它是一切生命活动的执行者。核酸：遗传信息的载体，决定生物性状稳定遗传，保证种的延续，母代→子代1.3分子生物学的研究内容●DNA重组技术（基因工程）●基因的表达调控●生物大分子的结构和功能研究(结构分子生物学）●基因组、功能基因组与生物信息学研究1）DNA重组技术20世纪70年代初兴起，将不同DNA片段(如某个基因或基因的一部分)按照人们的设计定向连接起来，在特定的受体细胞中与载体同时复制并得到表达，产生影响受体细胞的新的遗传性状。应用研究1)基因工程药物2)转基因植物研究3)转基因动物研究4)其他方面的应用研究基因工程应用的优势•基因工程药物：细胞因子、抗体、疫苗、激素和寡核苷酸药物等，对预防和治疗人类的肿瘤、心血管疾病、遗传病、各种传染病、糖尿病、类风湿疾病等有重要作用。干扰素2升人血1ug2－3万美元/病人1升发酵液600ug200－300美元/病人发光浮游生物点亮梦幻“荧光海滩”能发出荧光的烟草幼苗“星光阿凡达”发光植物2000年10月2日出生的“安迪”是世界上首次培育成功转基因灵长类动物乳汁中分泌人凝血因子IX的转基因山羊携带人血清白蛋白基因的转基因试管牛“滔滔”上海医学遗传研究所污染治理环境监测2）基因的表达调控•蛋白质分子控制了细胞的一切代谢活动，而决定蛋白质结构和合成时序的信息都由核酸（主要是脱氧核糖核酸）分子编码，所以:•基因表达实质上就是遗传信息的转录和翻译过程。•在个体生长发育过程中生物遗传信息的表达按一定的时序发生变化(时序调节),并随着内外环境的变化而不断加以修正(环境调控)。主要研究为：信号转导研究转录因子研究RAN剪接3）结构分子生物学•生物大分子拥有特定的空间结构(三维结构);发挥生物学功能的过程中必定存在着结构和构象的变化。•结构分子生物学就是研究生物大分子特定的空间结构及结构的运动变化与其生物学功能关系的科学。•研究方法：X射线衍射的晶体学（又称蛋白质晶体学）、二维或多维核磁共振法、电镜三维重组、电子衍射、中子衍射和各种频谱学方法。4）基因组、功能基因组与生物信息学研究•人类基因序列中只有约5%的序列是编码区，预测所有编码区并研究其产物功能是当前功能基因组学的首要任务。•生物信息学的研究重点是从核酸和蛋白质序列出发，分析序列中表达的结构与功能的生物信息。人与大鼠的基因90%是相同的绪论第一节分子生物学的基本含义及主要研究内容第二节分子生物学发展简史第三节分子生物学与其他学科的关系第二节分子生物学发展简史1准备和酝酿阶段2建立和发展阶段3发展阶段证明DNA就是遗传物质的主要历史事件：多少年来，人们反复提出的几个与一切生命现象有关的问题：1）生命是怎样起源的？2）为什么“有其父必有其子”？3）动、植物个体是怎样从一个受精卵发育而来的？1准备和酝酿阶段•时间：19世纪后期到20世纪50年代初。确定了生物遗传的物质基础是DNA。●遗传因子：1865年，孟德尔的两个基本遗传规律——分离规律和自由组合规律，指出“遗传因子”是一种物质，控制着生物的性状。●基因：1909年约翰森提出。●Gene存在于染色体上：1910年，Morgan的染色体—基因遗传理论，将“性状”与“基因”耦联，成为现代遗传学的奠基石。基因的化学本质•核素（nuclein）：1868年，瑞士F.Miescher从绷带上的白细胞核中分离出一种含磷的酸性物质。主要成分是染色质，是DNA和蛋白质的混合物。核酸(nucleicacids)这一名词于20年后才被正式启用。DNA是遗传物质的证明实验一肺炎双球菌转化实验•肺炎双球菌有两种类型光滑型（S型）粗糙型（R型）1）1928年，英国F.Griffth2)1944年，O.Avery图Griffth的肺炎双球菌的转化实验SⅢ杀死细菌分离提取多糖脂类RNA蛋白质DNADNA+DNaseRⅡRⅡRⅡRⅡRⅡRⅡ不杀死不杀死不杀死不杀死可杀死不杀死小鼠小鼠小鼠小鼠小鼠小鼠RⅡRⅡRⅡRⅡRⅡ+SⅢRⅡ图O.Avery等的体外转化实验DNA是遗传物质的证明实验二噬菌体感染大肠杆菌实验噬菌体侵染细菌的过程：吸附侵入合成组装释放最后，这些噬菌体由于细菌的解体而被释放出来，再去侵染其他的细菌。•1952年Hershey和Chase。•用32P和35S分别标记噬菌体的DNA和蛋白质，发现只有DNA进入宿主细菌内，而蛋白质则没有。DNA是遗传物质的证明实验二噬菌体感染大肠杆菌实验RNA也是重要的遗传物质-----烟草花叶病毒的感染和繁殖过程•类病毒：仅有RNA组成的病毒。•特点：•单股闭合环状的RNA分子。•能耐受紫外线和作用于蛋白质的各种理化因素，在90℃下仍能存活。•类病毒仅在高等植物中发现，非核酸的其他遗传物质？•朊病毒Prion：•仅有蛋白质组成，29kDa•具有蛋白质性质：能被蛋白酶灭活，不被核酸酶和辐射灭活，对许多理化因子有很强的抵抗力。Prusiner正常PrPC致病PrPSC1）合成朊病毒所需的信息可能存在于寄主细胞中•朊病毒激活寄主细胞中为朊病毒的编码的基因，使得朊病毒得以复制繁殖。2）朊病毒的蛋白质能为自己编码遗传信息•发生逆转译产生为朊病毒编码的RNA或DNA，必须存在逆转译酶，甚至还要有逆转录酶。•蛋白质指导下的蛋白质合成，即蛋白质本身可作为遗传信息。朊病毒的复制机理：第二节分子生物学发展简史1准备和酝酿阶段2建立和发展阶段3发展阶段2建立和发展阶段（1950~1970年代）•1953年Watson和Crick的DNA双螺旋结构模型作为现代分子生物学诞生的里程碑。•主要进展包括：遗传信息传递中心法则的建立2建立和发展阶段（1950~1970年代）●1953年，美国科学家Watson和英国科学家Crick提出DNADoubleHelixmodel1962年Watson、Crick与Wilkins共享诺贝尔生理医学奖通过对DNA分子的X射线衍射研究证实了前两者提出的DNA的模型1958年Crick提出中心法则DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制DNA半保留复制的意义？半保留复制是遗传消息能准确传代的保证，是物质稳性的分子基础。●1958年，Meselson和Stahl证明DNA半保留复制。StahlMeselson●1959年，美籍西班牙裔科学家Ochoa和美国Kornberg发现了DNA和RNA的生物合成机理而分享了诺贝尔生理医学奖。1965雅各布Jacob＆莫诺Monod（法国）JacobMonod操纵子学说1969NirenbergHolly＆Khorana尼伦伯格克拉纳霍利解读了遗传密码及其在蛋白质合成方面的技能而分享诺贝尔生理医学奖。第二节分子生物学发展简史1准备和酝酿阶段2建立和发展阶段3发展阶段3发展阶段（1970年代以后）•基因工程技术作为新的里程碑，标志着人类深入认识生命本质并能动改造生命的新时期开始。•其间的重大成就包括：重组DNA技术的建立和发展基因组研究的发展单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展基因表达调控机理细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域1975Temin，Baltimore(美)&Dulbecco特明Temin巴尔的摩Baltimore发现了逆转录酶（以RNA为模板，逆转录生成DNARNA肿瘤病毒）杜尔贝克Dulbecco●1970年，Temin和Baltimore在RNA肿瘤病毒中发现逆转录酶。DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制桑格(Sanger）吉尔伯特(Gilbert）伯格（Berg）1977年，Sanger等人发明了DNA分子内的核苷酸序列的测定方法，1980年，与Gilbert和Berg共享诺贝尔化学奖Sanger还由于测定了牛胰岛素的一级结构而获得1958年诺贝尔化学奖。发现可以移动的遗传因子跳跃基因1989奥尔特曼Altman（加）＆切赫Cech（美）核酶即核糖核酸质酶（Ribozyme）的发现者（即某些RNA具有酶的功能）（见第三章）SidneyAltmanThomasR.Cech1989Bishop＆Varmus（美）正常细胞同样带有原癌基因1993Roberts＆Sharp（美）断裂基因（splittinggene）Mullis（美）PCR仪的发明者Smith基因定点突变1995Lewis（美）Nusslein－Volhard（德）Wieschaus（美）20世纪40～70年代先后独立鉴定了控制果蝇体节发育基因罗杰·科恩伯格美国罗杰·科恩伯格因在“真核转录的分子基础”研究领域作出的贡献，而单独获得2006年诺贝尔化学奖。阿瑟·科恩伯格2001年，科恩伯格创建第一张RNA-聚合酶的全动态照片使用绿色荧光蛋白跟踪大脑细胞的活动•2009年诺贝尔化学奖“核糖体结构和功能的研究”万卡特拉曼-莱马克里斯南(VenkatramanRamakrishnan)阿达-尤纳斯(AdaYonath)托马斯-施泰茨(ThomasSteitz)中国科学家在分子生物学研究领域中的成就•我国生物科学家吴宪20世纪20年代与汪猷、张昌颖等人完成了蛋白质变性理论、血液生化检测和免疫化学等一系列有重大影响的研究。•20世纪中下叶，我国科学家1965年人工合成牛胰岛素，1973年解出了胰岛素的空间结构。绪论第一节分子生物学的基本含义及主要研究内容第二节分子生物学发展简史第三节分子生物学与其他学科的关系•生物化学与分子生物学关系最为密切。两者同在我国教委和科委颁布的一个二级学科中，称为“生物化学与分子生物学”，但两者还是有区别的。•生物化学是从化学角度研究生命现象的科学，它着重研究生物体内各种生物分子的结构、转变与新陈代谢。传统生物化学的中心内容是代谢，包括糖、脂类、氨基酸、核苷酸、以及能量代谢等与生理功能的联系。•分子生物学则着重阐明生命的本质，主要研究生物大分子核酸与蛋白质的结构与功能（如何在生命活动过程中发挥作用）、生命信息（信号）的传递和调控。（1）生物化学与分子生物学关系生物化学：生物化学是分子生物学的基础，学好生化便于分子生物学的基本原理和方法的理解。微生物学：作为分子生物学研究的模型生物，分子生物学操作的一部分（基因扩增、克隆、表达）遗传学:研究生物的遗传及变异规律，遗传变异的本质—DNA细胞生物学:细胞是生命的基本功能单位，基因功能必须通过细胞来表现，离开细胞，就没有生命。分子生物学与相关学科：（2）分子生物学与医学的关系由于分子生物学涉及从分子的水平认识生命的本质，它也就自然广泛的渗透