分子生物學(xué)發(fā)展歷程

1.3.分子生物學(xué)發(fā)展的歷程

MILESTONE近半個世紀(jì)以來

Nobelmedal

Halfapoundof23-karalgold.2.5inchesacross近半個世紀(jì)以來1.3.1.分子生物學(xué)支撐學(xué)科的崛起進(jìn)化論

物竟天擇

適者生存從根基上動搖

了上帝創(chuàng)造萬

物的“創(chuàng)世說”1859CharlesDarwin”物種起源”自然選擇

生存斗爭生物體由細(xì)胞組成所有組織的最基本單元---形狀相似，高度分化的細(xì)胞細(xì)胞的發(fā)生與形成是生物界普遍和永久的規(guī)律Cytology

1839-1847MatthiasSchleidenTheodorSchwann

身世不同志同道合“進(jìn)化論”＋“細(xì)胞學(xué)”實驗性的生命科學(xué)觀察、比較、鑒定的描述性生物學(xué)

遺傳因子假說

(HypothesisoftheinheritedfactorG.J.Mendel1866.)

生物性狀由遺傳因子控制

親代傳給子代的是遺傳因子(A,a….)

遺傳因子在體細(xì)胞內(nèi)成雙(AA,aa)

在生殖細(xì)胞內(nèi)為單（A,a）

雜合子體細(xì)胞內(nèi)具有成雙的遺傳因子(Aa)

等位的遺傳因子獨(dú)立分離

非等位遺傳因子間自由組合地分配到配子中Mendel臨終前說；GregorMendel1822-1884

等著瞧吧，我的時代總有一天會來臨"forhisdiscoveriesconcerningtheroleplayedbytheChromosomeinheredity,demonstratedthatgenesareonthechromosome"ThomasHuntMorgan1933分析突變體在世代間的傳遞規(guī)律研究基因的特性和染色體的定位描述基因突變和染色體變異效應(yīng)早期的遺傳學(xué)家們研究基因ForwardGenetics在不知基因化學(xué)本質(zhì)的前提下遺傳學(xué)是依靠邏輯分析的推理性科學(xué)二十世紀(jì)中葉的遺傳學(xué)家們不再滿足于基因的抽象觀念!將研究的前沿聚焦到揭示基因的本質(zhì)和它們的作用機(jī)制!Biochemistry的雙重使命：分析細(xì)胞的組成成分（靜態(tài)生化）研究物質(zhì)的代謝規(guī)律（動態(tài)生化）組成蛋白質(zhì)的20種基本氨基酸被揭示蛋白質(zhì)中連接氨基酸的“肽鍵”被證實糖酵解途徑、尿素循環(huán)、三羧酸循環(huán)的發(fā)現(xiàn)“pH”概念，“緩沖”系統(tǒng)，“膠體”理論大分子之間以氫鍵和離子鍵互作重要性的揭示

十九世紀(jì)末到二十世紀(jì)初生物化學(xué)的重要發(fā)展時期

"fortheirpreparationofenzymesandvirusproteinsinapureform"JamesBatchellerSumner

JohnHowardNorthrop

WendellMeredithStanley

CornellUniversityRockefellerInstituteUSARockefellerInstituteUSATheNobelPrizeinChemistry1946"forhisdiscoverythatenzymescanbecrystallized"TheNobelPrizeinChemistry19581958J.Lederberg(33y)Phagetransduction"forhisworkonthestructureofproteins,especiallythatofinsulin"FrederickSanger

RichphosphatebondsofATP---EnergyS.Ochoa(54y)A.Kornberg(41y)Isolationof

DNApolymeraseITheNobelPrize1959遺傳學(xué)和生物化學(xué)是分子生物學(xué)發(fā)展的根基分子生物學(xué)是遺傳學(xué)和生物化學(xué)融合的結(jié)果研究遺傳物質(zhì)－基因的本質(zhì)理解基因調(diào)控生化代謝過程進(jìn)入1.3.2.分子生物學(xué)史的第一個重要發(fā)現(xiàn)Onegene－Oneenzyme1941年，GeorgeBeadle和EdwardTatumNeurospora

crassa

（粉色面包霉菌）提出的“onegene─oneenzyme”的假說（獲得1958年Nobel獎）說明了基因的生化作用本質(zhì)是控制酶的合成G.Beadle&E.Tatum

生物化學(xué)和遺傳學(xué)之間的聯(lián)合邁出的第一步，也是分子生物學(xué)的第一個重要發(fā)現(xiàn)

1.3.3.奧斯瓦德·埃弗里OswaldAvery的歷史貢獻(xiàn)

1948.retired,TheNobelcommitteehasbeencriticizedfornotrecognizingAvery’sachievementbeforehisdeath(1877-1955)分子生物學(xué)領(lǐng)域里的孟德爾1928-1944進(jìn)行16年的肺炎鏈球菌遺傳轉(zhuǎn)化研究證明DNA是轉(zhuǎn)化因子

Thelifelongpitywasdueto…..

科學(xué)家對核酸的了解還知之甚少

DNA分子的功能也就更不為人知蛋白質(zhì)可能是遺傳專一性的決定分子

DNase失活實驗中未能完全排除對蛋白酶的失活第一個動搖了“蛋白質(zhì)是基因”的理念奠定了“DNA是遺傳物質(zhì)”的理論基礎(chǔ)1952年（8年后）M.Delbruck，S.E.Luria，A.Hershey對噬菌體繁殖過程開展了深入的研究證明了DNA是主要的遺傳物質(zhì)盡管Avery的實驗未引起概念的革命但他的研究工作引起了ErwinChargaff的極大興趣為提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型起到了非常重要的作用medalDelbruck1969NobelHersheyLuriaD.H.L成功的因素

人們已經(jīng)認(rèn)識到DNA可能在遺傳過程中重要作用

他們的科學(xué)論文幾乎與Watson,Crick的論文同時

發(fā)表，從而得到了媒體的廣泛宣傳O.Avery是孤立的研究者，較少參加學(xué)術(shù)交流與

科學(xué)討論，研究結(jié)果未能引起人們的注意D.H.L.的結(jié)果通過“噬菌體研究組”的學(xué)術(shù)關(guān)系

和網(wǎng)絡(luò)得到了迅速的傳播和廣泛的理解1.3.4.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的揭示分子生物學(xué)的重要里程碑1951.JamesWatson

（Luria的第一個研究生

23y)丹麥

哥本哈根

KalckarLab.Post-Do訪問意大利的那不勒斯動物研究所時King’sLab.LondonUniv.MauriceWilkins35yFrancisCrick23yJamesWatson1951CavendishLab.CambridgeUniversityUK性格不同，專業(yè)互補(bǔ)緊密合作，鎖定目標(biāo)開創(chuàng)了一種研究風(fēng)格“對文章和實驗進(jìn)行討論交流是重中之重，理論和討論比實驗和觀察更為重要”。在確定DNA分子結(jié)構(gòu)的研究中，沒有用DNA分子做任何一個實驗！“研究與討論，分析與推論是建立在大量實驗數(shù)據(jù)和科學(xué)論文的基礎(chǔ)上的”性格不同，專業(yè)互補(bǔ)緊密合作，鎖定目標(biāo)在確定DNA分子結(jié)構(gòu)的研究中，沒有用DNA分子做任何一個實驗！Imaginationismoreimportantthanknowledge海闊天空的想腳踏實地的干“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)”故事如果缺少了對RosalindFranklin悲劇命運(yùn)的描述那么這個故事將是不完整的!

King’sLab.LondonUniversityUKRosalindFranklin核糖與磷酸連接成的扭曲繩子，每一節(jié)上都有配對的堿基優(yōu)秀女科學(xué)家在雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)幾年后，因癌癥而病逝，對揭示DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)作出過重要貢獻(xiàn)，但卻受到歧視和不公待遇

助手！待遇！背景！交流！

X~rayphotographofDNAwithhighquality

JamesWatson(34y)FrancisCrick(46y)MauriceWilkins(46y)DNADoubleHelixmodel195319621.3.5.遺傳密碼的破譯破解遺傳密碼DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)揭示之后的又一研究熱點(diǎn)遺傳學(xué)家：根據(jù)DNA的結(jié)構(gòu)和基因在細(xì)胞中的作用進(jìn)行推斷

生物化學(xué)家：建立體外的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)生物化學(xué)家在破解遺傳密碼中所作出的貢獻(xiàn)成為分子生物學(xué)中最卓越的發(fā)現(xiàn)之一同在美國華盛頓國家關(guān)節(jié)炎和代謝疾病研究所工作的兩位名不見經(jīng)傳的德國生物學(xué)家約翰·馬太(JohannHeinrichMatthaei）和馬歇爾·尼倫伯格(MarshallNirenberg）的成功完全是靠運(yùn)氣！MarshallNirenberg1968NP22/May/1961，MonJ.Matthaei:

細(xì)菌提取物、可溶性RNA組分（tRNA）、20種(其中16種被標(biāo)記)ATP、緩沖液、polyU

混合，35℃下，1hr，結(jié)果表明：polyU存在時，被標(biāo)記的aa進(jìn)入到蛋白質(zhì)中27/May/1961，Sat

答案：polyU存在時，合成了Phe－Phe－Phe….肽鏈1周時間內(nèi)：J.Matthaei

破譯了第一個遺傳密碼Aug/1961,Nov/1961(3個月內(nèi))

兩篇文章投稿<美國國家科學(xué)院進(jìn)展PNAS>遺傳密碼的破譯找到了突破口Ser-C14….

Leu-C14….

Lys-C14….

Gly-C14….

MarshallNirenberg體外蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)方法進(jìn)行改進(jìn)利用不同polyNt指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成

Nirenberg

15分鐘的分組報告到會者寥寥無幾，但內(nèi)容被傳向Crick

Crick意識到Nirenberg和Matthaei工作的重要價值

Nirenberg被再次邀請大會報告與會者被震驚，并成為大會的學(xué)術(shù)焦點(diǎn)在文章發(fā)表之前，兩人有幸參加1961年8月第五屆國際生物化學(xué)大會他們的成功不僅在于他們的努力和才智而且也得益于機(jī)遇和對機(jī)遇的把握GobindKhorana建立了合成具有特定堿基序列的oligo

dNt的有效方法簡便快速……..促進(jìn)了在隨后內(nèi)5年所有密碼的破譯R.HolleyH.G.KhoranaM.Nirenberg

H.GobindKhorana(46y)

HowtosynthesizetripletRNAMarshallNirenberg(41y)

GeneticcodenRobertHolley(46y)tRNAphecloverleafstructure1968NP1.3.6.mRNA的發(fā)現(xiàn)

operon的提出

直到1960年：DNA－RNA－蛋白質(zhì)之間的關(guān)系仍未獲得有力的實驗證據(jù)仍未提出明確的科學(xué)闡明證明“遺傳密碼的攜帶者－mRNA的存在”關(guān)鍵：

FrancoisJacob

JacquesMonod基因通過RNA嚴(yán)格地控制著蛋白質(zhì)的合成

Namingas“messengerRNA”ArthurPardeeFrancoisJacob

JacquesMonod通過(Pa-Ja-Mo)大量實驗最終證明F.Jacob(44y)J.Monod(55y)A.Lwoff(63y)Lac.OperonConceptofmRNA暗示了“三聯(lián)體遺傳密碼”以外的“空間調(diào)控密碼”的存在，為分子生物學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)NP1965centraldogma

1.3.7中心法則的發(fā)展

1975NP豐富和發(fā)展了“中心法則”為遺傳工程提供了最重要的工具酶1970年DavidBaltimore分離到ReverseTranscriptase8年后，科學(xué)界才確信“中心法則”被“逆轉(zhuǎn)”了1962年HowardTemin發(fā)現(xiàn)了ReverseTranscriptioncentraldogma

1.3.8

科學(xué)技術(shù)互促共進(jìn)科學(xué)為技術(shù)的發(fā)明與提升提供理論依據(jù)技術(shù)為科學(xué)的發(fā)現(xiàn)與研究提供方法手段DNA分子的克隆技術(shù)基因的定點(diǎn)誘變技術(shù)PCR的DNA擴(kuò)增技術(shù)細(xì)胞與組織培養(yǎng)技術(shù)使分子生物學(xué)從觀察性-驗證性的科學(xué)發(fā)展成干涉性-創(chuàng)造性的科學(xué)遺傳工程引發(fā)了一場分子生物學(xué)革命不僅能將目標(biāo)基因定向引入到其他物種中去而且可以利用細(xì)菌對目的DNA分子進(jìn)行克隆基于“遺傳重組”技術(shù)的生物學(xué)的理論不斷創(chuàng)新基于“遺傳工程”技術(shù)的生物遺傳改良成效明顯有關(guān)基因工程技術(shù)發(fā)明獲得Nobel獎

TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1978forthediscoveryofrestrictionenzymesandtheirapplicationtoproblemsofmoleculargeneticsWernerArber

DanielNathans

HamiltonO.Smith

discoveryapplicationidentify雖然，沒有任何一項技術(shù)具有原創(chuàng)性但是，利用已報道的多項技術(shù)，創(chuàng)造性地實現(xiàn)了不同DNA分子的體外重組SV40

λDNA＋EcoRIRecombinationDNA“遺傳工程”的奠基工作為分子生物學(xué)的研究和遺傳改造展示了一個清晰而又美好的前景具有與沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型同樣的開拓性價值NP1980PaulBerg

TheNobelPrizeinChemistry1980thedeterminationofbasesequencesinnucleicacidsWalterGilbert

FrederickSanger1958NPForstructureofproteinsespeciallythatofinsulinTheNobelPrizeinChemistry

1993"forhisinventionofthepolymerasechainreaction(PCR)method"KaryB.Mullis

生物化學(xué)博士學(xué)位1979年受雇于Cetus生物技術(shù)公司，專門制備用作探針的寡聚核苷酸,在1983年4月的一個周五晚上,當(dāng)他在加利福尼亞的山坡上開車前往度周末的小屋時他突發(fā)其想。加速分子生物學(xué)發(fā)展進(jìn)程的一項“晚熟卻簡單”技術(shù)“晚熟”的技術(shù)“DNA聚合酶”的酶學(xué)性質(zhì)早在1955年就被A.Kornberg

證明，分離和鑒定。它應(yīng)該在60年代后被建立起來?。《耶?dāng)時J.Lederberg和A.Kornberg就已經(jīng)討論過用“DNA聚合酶獲取大量DNA的可能性”。并且

Kornberg利用高純度的酶，能夠使DNA在體外進(jìn)行20倍的復(fù)制。經(jīng)過幾個月的準(zhǔn)備后，實驗立刻獲得了成功。Taq

Pol

的成功提取又推進(jìn)了擴(kuò)增反應(yīng)的自動化進(jìn)程。

“簡單”的技術(shù)引物設(shè)計－模板變性－引物配對－子鏈延伸－重復(fù)往返但當(dāng)他詢問他人這種過于簡單的想法時，卻遇到了禮貌但不熱情的反應(yīng)。"SpecificsynthesisofDNAinvitroviapolymerase-catalyzedchainreaction")投稿《Nature》和《Science》

結(jié)果統(tǒng)統(tǒng)被拒，直到1987年才發(fā)表在

（MethodsinEnzymology)IF=1.904作為一項“擴(kuò)增”DNA的技術(shù)，盡管它本身并未開辟分子生物學(xué)新的研究領(lǐng)域，但這項簡單而又晚熟的發(fā)明對分子生物學(xué)家研究工作的影響程度超過了其他任何技術(shù)，它的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎超過了其他任何技術(shù)。幾年內(nèi)以PCR為技術(shù)基礎(chǔ)的科技論文數(shù)如同該技術(shù)本身的特征一樣，以幾何級數(shù)的方式增長。TheNobelPrizeinChemistry1993forsite-directedmutagenesisanditsdevelopmentforproteinstudiesMichaelSmithUniversityofBritishColumbia

Vancouver,Canada1932-20001.3.9現(xiàn)代分子生物學(xué)的發(fā)展研究對象的變換研究策略的創(chuàng)新研究內(nèi)容的拓展現(xiàn)代分子生物學(xué)發(fā)展史的三大轉(zhuǎn)折研究對象的變換以果蠅，豌豆為揭示生命奧秘的材料系統(tǒng)

高等真核生物宏觀與微觀的結(jié)合Phagegroup40年代以病毒，細(xì)菌原核生物系統(tǒng)為試材，Cistron，onegene–oneenzyme，operon,等新理論不斷被發(fā)現(xiàn)，新概念不斷被提出，生物學(xué)開始騰飛.

1969NobelmedalDelbruck1969NobelmedalHersheyLuria高等真核生物進(jìn)化水平，細(xì)胞分化組織特化，個體發(fā)育重復(fù)序列，基因概念人類健康，農(nóng)業(yè)生態(tài)已成為分子生物學(xué)家狂熱追蹤的學(xué)科前沿DNAtransposableelement1983.TheNobelPrize

BarbaraMcClintock(81y)1902-1992

TheNobelPrizeinChemistry1989

TheRoyalSwedishAcademyofScienceshasawardedthisyear's

NobelPrizeinChemistryjointlyto

SidneyAltmanandThomasR.Cech

fortheirdiscoveryofcatalyticpropertiesofRNA

SidneyAltman

YaleUniversity

NewHaven,CT,USAThomasR.Cech

UniversityofColorado

atBoulder,USA

Contents:

Introduction

Thechemistryoflifeanditscentraldogma

Enzymes–biologicalcatalysts

Ribonucleicacid(RNA)–thebiomoleculewhichcandoitall

Thehistoryofbiocatalysis

Whathappensnext?

Furtherreading

Basedonmaterialsfromthe1989NobelPosterforChemistry.

Creditsandreferencesfortheposter

LastmodifiedMay10,2001

Copyright?2001TheNobelFoundationTheOfficialWebSiteofTheNobelFoundation

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TheNobelPrizeinChemistry1989"fortheirdiscoveryofcatalyticpropertiesofRNARibozyme"SidneyAltman

ThomasR.Cech

YaleUniversity

NewHaven,CT,USAUniversityofColorado

Boulder,CO,USA1939-1947TheNP1993splitgenesIn1978RichardJ.RobertsPhillipA.SharpminirevolutiondiscoveredGeneticcontrolofearlydevelopmentinDrosophilaEdwardB.ewisChristiane

Nüsslein-Volhard

EricF.Wieschaus

TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1995StanleyB.Prusiner

UniversityofCalifornia,SchoolofMedicine

USA1942-forhisdiscoveryofPrions–---anewbiologicalprincipleofinfection1997NPdiscoveredkeyregulatorsofthecellcycleLelandH.HartwellR.Timothy(Tim)HuntSirPaulM.NurseNP2001ProgrammedCellDeath(PCD)