第一章 分子生物學 緒論

姚慶收

基因工程教研室

郵箱：yaoqingshou@126.com

MolecularBiology

分子生物學本課程要求一、隨機點名，一次不到扣總分的2分，按10分計入總分；二、每一章完成后，都隨堂布置一個小題目，按20分計入總分；三、實驗成績20分；四、期末考試，按50分計入總分。Thehierarchyoflivingworld:

Biologicalorganizationsatvariouslevels

Biosphere(thesumofallEarth’secosystems)Ecosystem(biologicalcommunity+environment)Biologicalcommunity(populationsofdifferentspeciesinsamearea) Population(localizedgroupoforganismsofsamespecies)Organisms(Unitsoflife)OrgansystemsOrgans Tissue

Cells(1-100m,Unitsoforganisms)

Organelles

(ribosomesca.20nm)

Macromoleculecomplex

Molecules(nm,atomsbondedchemically)

Atoms(?,chemicalbuilding blocksofallmatter)TherelationshipofMolecularBiologywithotherbiologicalsubjectsLifeSciencesMedicalSciencesBiologyAgri.SciencesMacro(outdoor)Micro(indoor)Ecology,BehaviorEvolutionSystematicsMolecularBiologyBiochemMicrobiolCellBiologyMolGeneticsDevBiolImmunolMolNeurobiolOthersCropsciencesAnimalhusbandryVeterinaryPathology,clinicmedicinePreventivemedicineetc

thecontentofmolecularbiologyintroduction

chromosomeandDNA

FromDNAtoRNA

FrommRNAtoprotein

molecularbiologytechnology

RegulationofGeneActivityinProkaryotes

RegulationofGeneActivityinEukaryotesDiseaseandhumanhealth

Geneanddevelopment

Genomeandcomparativegenomics

WhatisMolecularBiology?Molecularbiologyseekstoexplaintherelationshipsbetweenthestructureandfunctionofbiologicalmoleculesandhowtheserelationshipscontributetotheoperationandcontrolofbiochemicalprocesses.---Turneretal.

Molecularbiologyisthestudyofgenesandtheiractivitiesatthemolecularlevel,includingtranscription,translation,DNAreplication,recombinationandtranslocation.---RobertWeaver

名詞：分子生物學分子生物學是研究核酸、蛋白質(zhì)等所有生物大分子的形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征及其重要性、規(guī)律性和相互關(guān)系的科學，是人類從分子水平上真正揭開生物世界的奧秘，由被動地適應自然界轉(zhuǎn)向主動地改造和重組自然界的基礎(chǔ)學科。ReferenceBooks1.現(xiàn)代分子生物學（朱玉賢等）2.GeneⅧ-byBenjaminLewin.2005.中文版3.MolecularBiology(2ndEditionbyRWeaver)4.MolecularCellBiology(4thEditionbyHLodish)5.MolecularBiologyoftheCell(4thEditionbyBAlberts)6.分子生物學閻隆飛張玉麟，中國農(nóng)業(yè)大學出版社，7.分子遺傳學孫乃恩主編南京大學出版社，1996，分子生物學實驗參考書目1.分子克隆實驗指南2.精編分子生物學實驗指南3.PCR技術(shù)實驗指南4.分子生物學實驗基礎(chǔ)5.現(xiàn)代分子生物學實驗技術(shù)6.分子生物學實驗技術(shù)7.分子生物學基礎(chǔ)技術(shù)Chapter1introduction1.1foreword(引言)1.1.1創(chuàng)世說與Evolutionism1.1.2celltheory1.1.3BiochemistryandGenetics1.1.4Geneticmaterial1.2abriefhistory(分子生物學簡史)1.3TheCoreofMolecularBiology1.4theexpectationofMolecularBiology

molecularbiology、cellbiologyandneurobiologyareregardedasthethreebigprincipalpartofbiologicalstudyinthepresentage。

protein、grease、carbohydrateandnucleicacidwerebefoundandpurified.

孟德爾的遺傳學規(guī)律最先使人們對性狀遺傳產(chǎn)生了理性認識；“統(tǒng)一律”和“分離規(guī)律”，顯隱性狀。

Morgan的基因?qū)W說則進一步將"性狀"與"基因"相耦聯(lián)，成為分子遺傳學的奠基石?；颍╣ene）：是合成一種功能蛋白或RNA分子所必需的全部DNA序列。一個典型的真核基因包括：1.編碼序列——外顯子（exon）；2.非編碼序列——內(nèi)含子（intron）；3.5’端和3’端非翻譯區(qū)；4.調(diào)控序列。（也可以解釋為：遺傳的基本結(jié)構(gòu)和功能單位。是特定染色體上特定位置的一段核苷酸片段，能夠編碼特定功能的蛋白質(zhì)。）在孟德爾遺傳學的基礎(chǔ)上，美國著名的遺傳學家Morgan又提出了基因?qū)W說。連鎖遺傳規(guī)律Morgan和他的助手們第一次將代表某一特定性狀的基因，同某一特定的染色體聯(lián)系起來

孟德爾GregorMendel(1822-1884),奧地利大科學家。經(jīng)典遺傳學的奠基人。1857-1864年的7年中，進行了豌豆的雜交研究，1865年發(fā)表了他的劃時代的論文—《ExperimentsinPlantHybridization》，在論文中提出了“遺傳因子”的概念，并得出了三條規(guī)律——顯性規(guī)律，分離規(guī)律和自由組合規(guī)律。

從1847年Schleiden和Schwann提出“細胞學說”，證明動、植物都是由細胞組成的到今天，雖然不過短短一百六十多年的時間，人類對生物大分子--細胞的化學組成卻有了深刻的認識。

1.宗教解釋生命的起源；創(chuàng)世說2.拉馬克，用進廢退學說3.1859年，英國生物學家，達爾文《物種起源》；“物競天擇，適者生存”的進化論DNAisthegeneticmaterial

Theideathatgeneticmaterialisnucleicacidhaditsrootsinthediscoveryoftransformationin1928.ThebacteriumPneumococcuskillsmicebycausingpneumonia.Thevirulenceofthebacteriumisdeterminedbyitscapsularpolysaccharide.Thisisacomponentofthesurfacethatallowsthebacteriumtoescapedestructionbythehost.SeveraltypesofPneumococcushavedifferentcapsularpolysaccharides.Theyhaveasmooth(S)appearance.

EachofthesmoothPneumococcaltypescangiverisetovariantsthatfailtoproducethecapsularpolysaccharide.Thesebacteriahavearough(R)surface(consistingofthematerialthatwasbeneaththecapsularpolysaccharide).Theyareavirulent.Theydonotkillthemice,becausetheabsenceofthepolysaccharideallowstheanimaltodestroythebacteria.

Whensmoothbacteriaarekilledbyheattreatment,theylosetheirabilitytoharmtheanimal.Butinactiveheat-killedSbacteriaandtheineffectualvariantRbacteriatogetherhaveaquitedifferenteffectfromeitherbacteriumbyitself.Figure1showsthatwhentheyareinjectedtogetherintoananimal,themousediesastheresultofaPneumococcalinfection.VirulentSbacteriacanberecoveredfromthemousepostmortem.Figure1

ThetransformingprincipleisDNA.

Thecomponentofthedeadbacteriaresponsiblefortransformationwascalledthetransformingprinciple.Itwaspurifiedbydevelopingacell-freesystem,inwhichextractsofthedeadSbacteriacouldbeaddedtotheliveRbacteriabeforeinjectionintotheanimal.Purificationofthetransformingprinciplein1944showedthatitisdeoxyribonucleicacid(DNA)(Averyetal.,1944).

ThenextstepwastodemonstratethatDNAprovidesthegeneticmaterialinaquitedifferentsystem.PhageT2isavirusthatinfectsthebacteriumE.coli.Whenphageparticlesareaddedtobacteria,theyadsorbtotheoutsidesurface,somematerialentersthebacterium,andthen~20minuteslatereachbacteriumburstsopen(lyses)toreleasealargenumberofprogenyphage.

Itillustratestheresultsofanexperimentin1952inwhichbacteriawereinfectedwithT2phagesthathadbeenradioactivelylabeledeitherintheirDNAcomponent(with32P)orintheirproteincomponent(with35S).Theinfectedbacteriawereagitatedinablender,andtwofractionswereseparatedbycentrifugation.Onecontainedtheemptyphagecoatsthatwerereleasedfromthesurfaceofthebacteria;theseconsistofproteinandthereforecarriedthe35Sradioactivelabel.Theotherfractionconsistedoftheinfectedbacteriathemselves.

Figure2ThegeneticmaterialofphageT2isDNA.

Mostofthe32Plabelwaspresentintheinfectedbacteria.Theprogenyphageparticlesproducedbytheinfectioncontained~30%oftheoriginal32Plabel.Theprogenyreceivedverylittlelessthan1%oftheproteincontainedintheoriginalphagepopulation.ThisexperimentthereforeshoweddirectlythattheDNAofparentphagesentersthebacteriaandthenbecomespartoftheprogenyphages,exactlythepatternofinheritanceexpectedofgeneticmaterial.

1952年Hersey和Chase的同位素標記侵染實驗。噬菌體的侵染標記實驗－DNA是遺傳物質(zhì)的證明Radioactiveprotein(35S)RadioactivephageinfectsbacterialcellsBlenderseparatesproteincoatsfrombacterialsurface

RadioactiveDNA(32P)Therefore,itistheviralDNA,andnotprotein,thatprogramscellstomakecopiesofthevirus.

WhenDNAisaddedtopopulationsofsingleeukaryoticcellsgrowinginculture,thenucleicacidentersthecells,andinsomeofthemresultsintheproductionofnewproteins.WhenapurifiedDNAisused,itsincorporationleadstotheproductionofaparticularprotein.Figure3depictsoneofthestandardsystems.

Figure3EukaryoticcellscanacquireanewphenotypeastheresultoftransfectionbyaddedDNA.

SuchexperimentsshowdirectlynotonlythatDNAisthegeneticmaterialineukaryotes,butalsothatitcanbetransferredbetweendifferentspeciesandyetremainfunctional.

ThegeneticmaterialofallknownorganismsandmanyvirusesisDNA.However,somevirusesuseanalternativenucleicacid,ribonucleicacid(RNA),asthegeneticmaterial.AlthoughitschemicalformulaisslightlydifferentfromthatofDNA,inthesecircumstancesRNAexercisesthesamerole.Thegeneralprincipleofthenatureofthegeneticmaterial,then,isthatitisalwaysnucleicacid;infact,itisDNAexceptintheRNAviruses.

煙草花葉病毒的感染和繁殖過程－證實RNA也是重要的遺傳物質(zhì)。

1.3.2分子生物學研究內(nèi)容1.DNA重組技術(shù)------基因工程2.基因表達調(diào)控-------核酸生物學3.生物大分子結(jié)構(gòu)功能----結(jié)構(gòu)分子生物學4.基因組、功能基因組與生物信息學研究生物信息學（Bioinformatics）生物信息學（Bioinformatics）：生物信息學包含了生物信息的獲取、處理、儲存、分析和解釋等在內(nèi)一門交叉學科，它綜合運用數(shù)學、計算機科學和生物學的各種工具進行研究，目的在于闡明大量生物學數(shù)據(jù)所包含的生物學意義。研究方法包括基因序列比對、結(jié)構(gòu)比對及功能比對等，在基因組學、蛋白質(zhì)組學、分子進化、生物芯片等研究上有著廣泛的應用。基因組（Genome）：Genome：某一特定生物體的整套（單倍體）遺傳物質(zhì)的總和，基因組的大小用全部DNA的堿基對總數(shù)表示。

“What’sHumanGenomeProject?”“OnebaseOnedollar!”

人類基因組草圖在2001年完成。在上個世紀最后10年還完成了許多模式生物的基因組全序列測定，如果蠅、酵母、小鼠及與人類疾病相關(guān)的許多細菌的基因組。DNArecombinanttechnique：DNArecombinanttechnique：是20世紀70年代初發(fā)展起來的科學技術(shù)，目的是將不同的DNA片段按照人們的設(shè)計定向連接起來，在特定的受體細胞中與載體同時復制并得到表達，產(chǎn)生影響受體細胞的新的遺傳性狀。

DNA重組技術(shù)是核酸化學、蛋白質(zhì)化學、酶工程及微生物學、遺傳學、細胞學長期深入研究的結(jié)晶，而限制性內(nèi)切酶、DNA連接酶及其他工具酶的發(fā)現(xiàn)與應用則是這一技術(shù)得以建立的關(guān)鍵。DNA重組技術(shù)有著廣闊的應用前景DNA重組技術(shù)可用于定向改造某些生物基因組結(jié)構(gòu)，使它們所具備的特殊經(jīng)濟價值或功能得以成百上千倍的地提高。

蛋白質(zhì)分子參與并控制了細胞的一切代謝活動，而決定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和合成時序的信息都由核酸（主要是脫氧核糖核酸）分子編碼，表現(xiàn)為特定的核苷酸序列，所以基因表達實質(zhì)上就是遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯。在個體生長發(fā)育過程中生物遺傳信息的表達按一定的時序發(fā)生變化（時序調(diào)節(jié)），并隨著內(nèi)外環(huán)境的變化而不斷加以修正（環(huán)境調(diào)控）。

基因表達的調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平或翻譯水平上。原核生物的基因組和染色體結(jié)構(gòu)都比真核生物簡單，轉(zhuǎn)錄和翻譯在同一時間和空間內(nèi)發(fā)生，基因表達的調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平。真核生物有細胞核結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄和翻譯過程在時間和空間上都被分隔開，且在轉(zhuǎn)錄和翻譯后都有復雜的信息加工過程，其基因表達的調(diào)控可以發(fā)生在各種不同的水平上。

基因表達調(diào)控主要表現(xiàn)在信號傳導研究、轉(zhuǎn)錄因子研究及RNA剪輯3個方面。信號傳導信號傳導是指外部信號通過細胞膜上的受體蛋白傳到細胞內(nèi)部，并激發(fā)諸如離子通透性、細胞形狀或其他細胞功能方面的應答過程。轉(zhuǎn)錄因子

轉(zhuǎn)錄因子是一群能與基因5‘端上游特定序列專一結(jié)合，從而保證目的基因以特定的強度在特定的時間與空間表達的蛋白質(zhì)分子。

生物大分子的結(jié)構(gòu)功能研究（又稱結(jié)構(gòu)分子生物學）一個生物大分子，無論是核酸、蛋白質(zhì)或多糖，在發(fā)揮生物學功能時，必須具備兩個前提:首先，它擁有特定的空間結(jié)構(gòu)（三維結(jié)構(gòu)）；其次，在它發(fā)揮生物學功能的過程中必定存在著結(jié)構(gòu)和構(gòu)象的變化。

結(jié)構(gòu)分子生物學：

結(jié)構(gòu)分子生物學就是研究生物大分子特定的空間結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的運動變化與其生物學功能關(guān)系的科學。它包括結(jié)構(gòu)的測定、結(jié)構(gòu)運動變化規(guī)律的探索及結(jié)構(gòu)與功能相互關(guān)系的建立3個主要研究方向。

目前，最常見的研究三維結(jié)構(gòu)及其運動規(guī)律的手段是X射線衍射的晶體學（又稱蛋白質(zhì)晶體學），其次是用二維或多維核磁共振研究液相結(jié)構(gòu)，也有人用電鏡三維重組、電子衍射、中子衍射和各種頻譜學方法研究生物高分子的空間結(jié)構(gòu)。

近半個世紀以來分子生物學中重大突破與成就者

NobelPrize生物學發(fā)展的里程碑與主要內(nèi)容1958JoshuaLederberg(33y)PhagetransductionBeadle&TatumOnegene--oneenzyme有關(guān)基因重組和細菌遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)

SeveroOchoa(54y)SpainRichphosphatebondsofATP-------EnergyArthurKornberg(41y)DNAreplicationDNApolymeraseIBrooklyn榮獲1959年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎JamesWatson(34y)FrancisCrick(46y)MauriceWilkins(46y)DNADoubleHelixmodel1962

FrancisCrick(1916-2004)FrancoisJacob(44y)JacquesMonod(55y)

Lac.OperonTheory1965ConceptofmRNA1968R.HolleyH.G.KhoranaM.Nirenberg

pakistanH.GobindKhorana(46y)HowtosynthesizetripletRNAMarshallNirenberg(41y)GeneticcodenRobertHolley(46y)tRNAphecloverleafstructure1969MaxDelbruck(63y)AlfredHershey(61y)PhagegroupPhageinfectioncycleDNAasgeneticmaterialM.D