分子生物學課件-第一章-緒論1

分子生物學

化學與生命科學系

姚飛虹課程通過課堂講授和實驗使同學們掌握有關(guān)分子生物學的基本知識，并對該科學有一個基本的整體的認識。了解核酸的基本生物化學特性；熟知生物信息的儲存與表達過程；掌握DNA、RNA和蛋白質(zhì)的基本代謝過程，特別是基因的一般結(jié)構(gòu)與生物功能，基因活性的修飾與調(diào)節(jié)以及基因與發(fā)育的有關(guān)基礎(chǔ)知識；掌握分子克隆與DNA重組的基本技術(shù)與原理，了解現(xiàn)代分子生物學基本研究方法，了解基因治療等的新成果、新進展。目的是使同學們對該學科產(chǎn)生興趣，為今后投身到生命科學的研究奠定基礎(chǔ)。講授的內(nèi)容介紹：1、緒論2、染色體與DNA3、生物信息的傳遞（上）——從DNA到RNA4、生物信息的傳遞（下）——從mRNA到蛋白質(zhì)5、分子生物學研究方法（上）——DNA、RNA及蛋白操作技術(shù)6、分子生物學研究方法（下）——基因功能研究技術(shù)7、基因的表達與調(diào)控（上）——原核8、基因的表達與調(diào)控（下）——真核9、疾病與人類健康10、基因與發(fā)育11、基因組與比較基因組學第一章緒論引言分子生物學定義分子生物學發(fā)展簡史分子生物學研究內(nèi)容分子生物學展望一、引言1、創(chuàng)世說與進化論達爾文、1859年《物種起源》，確立了進化論的概念2、細胞學說（1847）德國Schleiden(19世紀）德國Schwann（19世紀）荷蘭Leeuwenhoek（17世紀）列文虎克細胞學說的主要內(nèi)容有：①細胞是有機體，一切動植物都是由單細胞發(fā)育而來，即生物是由細胞和細胞的產(chǎn)物所組成；②所有細胞在結(jié)構(gòu)和組成上基本相似；③新細胞是由已存在的細胞分裂而來；④生物的疾病是因為其細胞機能失常。3、經(jīng)典的生物化學和遺傳學經(jīng)典生物化學●

19世紀中葉，蛋白質(zhì)的發(fā)現(xiàn)●Buchner證明蛋白質(zhì)是生活細胞中所有化學反應的執(zhí)行者和催化劑●19世紀中葉到20世紀初，組成蛋白質(zhì)的20種基本氨基酸被相繼發(fā)現(xiàn)（1935年，蘇氨酸）●著名生物化學家Fisher還論證了連接相鄰氨基酸的“肽鍵”的形成。經(jīng)典遺傳學

孟德爾GregorMendel(1822-1884),奧地利科學家，經(jīng)典遺傳學的奠基人1857-1864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《植物雜交試驗》在論文中提出了“遺傳因子”的概念，并得出了二條規(guī)律：●統(tǒng)一律（P5）：F1=3：1分離●分離規(guī)律：F2=9：3：3：1的分離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F1F24、DNA的發(fā)現(xiàn)1944年，美國著名微生物學家Avery證明gene就是DNA分子，DNA才是遺傳信息的載體，蛋白質(zhì)不是。Avery的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗Hershey和Chase的噬菌體侵染細菌試驗第一章緒論引言分子生物學定義分子生物學發(fā)展簡史分子生物學研究內(nèi)容分子生物學展望二、分子生物學定義

從分子水平研究生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能從而闡明生命現(xiàn)象本質(zhì)的科學

，主要指遺傳信息的傳遞（復制）、保持（損傷和修復）、基因的表達（轉(zhuǎn)錄和翻譯）與調(diào)控。強調(diào)以上各種生命活動（Biochemicalprocesses）：1是什么（what，生物學重要性和具體過程），2所涉及的生物大分子（DNA、RNA、蛋白質(zhì))是如何相互作用使之發(fā)生的（how）。第一章緒論引言分子生物學定義分子生物學發(fā)展簡史分子生物學研究內(nèi)容分子生物學展望近半個多世紀以來醫(yī)學，化學中重大突破與成就者NobelPrize分子生物學發(fā)展的里程碑與主要內(nèi)容現(xiàn)代分子生物學的發(fā)展簡史三、分子生物學發(fā)展簡史1、孕育階段（1820~1950年代）●1865年，孟德爾發(fā)表了他的《植物雜交實驗》一文，首次闡述了生物界有規(guī)律的遺傳現(xiàn)象?！?/p>

1900年，孟德爾遺傳規(guī)律被證實，成為近代遺傳學基礎(chǔ)?！?/p>

1910年，Morgan的染色體—基因遺傳理論，Gene

存在于染色體上。進一步將“性狀”與“基因”相耦聯(lián)，成為現(xiàn)代遺傳學的奠基石。●

1944年，美國微生物學家Avery證明基因就是DNA分子，提出DNA是遺傳信息的載體。2、創(chuàng)立階段（1950~1970年代）●1953年，美國科學家Watson和英國科學家Crick提出DNADoubleHelixmodel1962年Watson、Crick與Wilkins共享諾貝爾生理醫(yī)學獎通過對DNA分子的X射線衍射研究證實了前兩者提出的DNA的模型●1958年Crick提出中心法則?！?958年，Meselson和Stahl證明DNA半保留復制。半保留復制（Semiconservativereplication）是描述DNA的復制方式，目前已知的所有細胞皆以此方式進行復制。也是唯一確認存在于自然界中的模型。StahlMeselson●1959年，美籍西班牙裔科學家Uchoa和美國Kornberg發(fā)現(xiàn)了DNA和RNA的生物合成機理而分享了諾貝爾生理醫(yī)學獎?！?961年，法國科學家Jacob（雅各布）

和Monod（莫諾）提出操縱子學說（第七章）●并首次提出了mRNA的概念1965年獲得諾貝爾生理醫(yī)學獎1968年獲得諾貝爾生理醫(yī)學獎3、發(fā)展階段（1970年代以后）●

1970年，Temin和Baltimore在RNA腫瘤病毒中發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶。1975年，獲諾貝爾生理醫(yī)學獎 ●1977年，Sanger等人發(fā)明了一種測定DNA分子內(nèi)核苷酸序列的方法。

桑格(Sanger）

吉爾伯特(Gilbert）

伯格（Berg）1980年，與Gilbert和Berg共享諾貝爾化學獎Sanger還由于測定了牛胰島素的一級結(jié)構(gòu)而獲得1958年諾貝爾化學獎。1983.BarbaraMcClintock(86y)DNAtransposableelememt●1983年，美國遺傳學家McClintock因發(fā)現(xiàn)可移動的遺傳因子而獲得諾貝爾生理醫(yī)學獎。sheistheonlywomantoreceiveanunsharedNobelPrizeinthatcategory1997年，美國科學家Prusiner(普魯希內(nèi)爾)發(fā)現(xiàn)朊病毒是阿爾次海默?。ㄔ缋闲园V呆癥）等疾病的病原獲得諾貝爾生理醫(yī)學獎1999年,美國科學家Blobel發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)有內(nèi)部信號決定蛋白質(zhì)在細胞內(nèi)的轉(zhuǎn)移和定位.信號肽和信號識別復合物(SRPS)在蛋白質(zhì)跨膜運轉(zhuǎn)過程中的主導作用.1999年，諾貝爾生理醫(yī)學獎

。LelandH.Hartwell,R.Timothy(Tim)Hunt以及PaulM.Nurse等三人，多年的研究發(fā)現(xiàn)細胞周期的關(guān)鍵因子與調(diào)控機制，細胞周期蛋白依賴激酶(CDK)與細胞周期蛋白（cyclins）--調(diào)節(jié)CDK功能的蛋白質(zhì),促進世人對細胞周期的了解，進而開啟癌癥的生成與不正常細胞周期調(diào)控的研究方向。

2001年，獲諾貝爾生理醫(yī)學獎

羅杰·科恩伯格真核生物如果想應用存儲在基因里的信息，必須先將信息備份并傳送至細胞外層，細胞再利用這些信息生產(chǎn)蛋白質(zhì)，這個備份過程被稱作轉(zhuǎn)錄。美國科學家羅杰·科恩伯格正是因為揭示了這一過程而獲得了本年度諾貝爾化學獎。2006年，諾貝爾化學獎

2006年諾貝爾生理醫(yī)學獎RNA干擾現(xiàn)象--控制遺傳信息流動的基本機制安德魯·法爾

AndrewZ.Fire

美國

美國麻省理工學院

1959～

雷格·梅洛

CraigC.Mello

美國

哈佛大學

1960～2007年諾貝爾生理醫(yī)學獎在涉及胚胎干細胞和哺乳動物DNA重組方面的一系列突破性發(fā)現(xiàn)—基因打靶技術(shù)2009年諾貝爾生理醫(yī)學獎2009年諾貝爾化學獎

我國參與第3號染色體研究，計3000萬個堿基對，約占人類基因組全部序列1%（中科院遺傳所人類基因組中心楊煥明教授負責，1999年9月加入這一研究計劃）。人類基因組“工作框架圖”在2000年6月26日宣布完成繪制，

2003年4月14日美英日法德中等國的科學家宣布完成人類基因組的測序工作國際水稻（粳稻）基因組計劃始于1998年，日美中法等10個國家和地區(qū)參加，我國的貢獻率為20%。

2005年8月10日，《Nature》宣布歷時6年半的水稻全基因組測序完成

明確12條染色體上37544個基因的精確位置，誤差率<0.01%

第一個完成著絲點測序高等植物。第一章緒論回顧所學知識點分子生物學定義分子生物學發(fā)展簡史分子生物學研究內(nèi)容分子生物學展望四、分子生物學研究內(nèi)容●DNA重組技術(shù)（基因工程）●基因的表達調(diào)控●生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能研究(結(jié)構(gòu)分子生物學）●基因組、功能基因組與生物信息學研究所有生物體中的有機大分子都是以C為核心以共價鍵的形式與H、O、N、P以不同的方式構(gòu)成的一切生命體中的各類有機大分子都是由完全相同的單體，如Pr（20aa）、DNA/RNA中的8種堿基所組成的，由此產(chǎn)生了分子生物學的三條基本原理：1.構(gòu)成生物體各類有機大分子的單體在不同生物中都是相同的（無物種特異性）;2.生物體內(nèi)一切有機大分子的建成都遵循共同的規(guī)則;3.某一特定生物體所擁有的核酸和蛋白質(zhì)分子決定了它的屬性.分子生物學的三條基本原理●DNA重組技術(shù)將不同的DNA片段（如某個基因or基因的一部分）按照人們的設計方向連接起來，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。(首創(chuàng)者P.伯格)●DNA重組技術(shù)有著廣闊的應用前景1、可被用于大量生產(chǎn)某些在正常細胞代謝中產(chǎn)量很低的多肽

;2、可用于定向改造某些生物的基因組結(jié)構(gòu);3、可被用來進行基礎(chǔ)研究

●基因的表達調(diào)控（第7&8章）◆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）?！粼松锏幕蚪M和染色體結(jié)構(gòu)都比較簡單，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。（第7章）◆真核生物轉(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。其基因表達調(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。（第8章）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：擁有特定的空間結(jié)構(gòu)（三維結(jié)構(gòu)）；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3個主要研究方向：結(jié)構(gòu)的測定結(jié)構(gòu)運動變化規(guī)律的探索結(jié)構(gòu)與功能相互關(guān)系結(jié)構(gòu)分子生物學基因組、功能基因組與生物