分子生物學(xué)發(fā)展歷程

關(guān)于分子生物學(xué)發(fā)展歷程近半個(gè)世紀(jì)以來

Nobelmedal

Halfapoundof23-karalgold.2.5inchesacross第2頁,共83頁，2024年2月25日，星期天近半個(gè)世紀(jì)以來第3頁,共83頁，2024年2月25日，星期天1.3.1.分子生物學(xué)支撐學(xué)科的崛起第4頁,共83頁，2024年2月25日，星期天進(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

生存斗爭第5頁,共83頁，2024年2月25日，星期天生物體由細(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

身世不同志同道合第6頁,共83頁，2024年2月25日，星期天“進(jìn)化論”＋“細(xì)胞學(xué)”實(shí)驗(yàn)性的生命科學(xué)觀察、比較、鑒定的描述性生物學(xué)第7頁,共83頁，2024年2月25日，星期天

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第8頁,共83頁，2024年2月25日，星期天Mendel臨終前說；GregorMendel1822-1884

等著瞧吧，我的時(shí)代總有一天會來臨第9頁,共83頁，2024年2月25日，星期天"forhisdiscoveriesconcerningtheroleplayedbytheChromosomeinheredity,demonstratedthatgenesareonthechromosome"ThomasHuntMorgan1933第10頁,共83頁，2024年2月25日，星期天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)第11頁,共83頁，2024年2月25日，星期天二十世紀(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!第12頁,共83頁，2024年2月25日，星期天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）第13頁,共83頁，2024年2月25日，星期天組成蛋白質(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(shí)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(shí)期第14頁,共83頁，2024年2月25日，星期天

"fortheirpreparationofenzymesandvirusproteinsinapureform"JamesBatchellerSumner

JohnHowardNorthrop

WendellMeredithStanley

CornellUniversityRockefellerInstituteUSARockefellerInstituteUSATheNobelPrizeinChemistry1946"forhisdiscoverythatenzymescanbecrystallized"第15頁,共83頁，2024年2月25日，星期天TheNobelPrizeinChemistry19581958J.Lederberg(33y)Phagetransduction"forhisworkonthestructureofproteins,especiallythatofinsulin"FrederickSanger

第16頁,共83頁，2024年2月25日，星期天RichphosphatebondsofATP---EnergyS.Ochoa(54y)A.Kornberg(41y)Isolationof

DNApolymeraseITheNobelPrize1959第17頁,共83頁，2024年2月25日，星期天遺傳學(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)入第18頁,共83頁，2024年2月25日，星期天1.3.2.分子生物學(xué)史的第一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)Onegene－Oneenzyme第19頁,共83頁，2024年2月25日，星期天1941年，GeorgeBeadle和EdwardTatumNeurosporacrassa（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(gè)重要發(fā)現(xiàn)

第20頁,共83頁，2024年2月25日，星期天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)域里的孟德爾第21頁,共83頁，2024年2月25日，星期天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(shí)驗(yàn)中未能完全排除對蛋白酶的失活第一個(gè)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)第22頁,共83頁，2024年2月25日，星期天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(shí)驗(yàn)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第23頁,共83頁，2024年2月25日，星期天medalDelbruck1969NobelHersheyLuria第24頁,共83頁，2024年2月25日，星期天D.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(shí)

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第25頁,共83頁，2024年2月25日，星期天1.3.4.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的揭示第26頁,共83頁，2024年2月25日，星期天分子生物學(xué)的重要里程碑1951.JamesWatson

（Luria的第一個(gè)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(shí)King’sLab.LondonUniv.MauriceWilkins35yFrancisCrick23yJamesWatson1951CavendishLab.CambridgeUniversityUK第27頁,共83頁，2024年2月25日，星期天性格不同，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(shí)驗(yàn)進(jìn)行討論交流是重中之重，理論和討論比實(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)！“研究與討論，分析與推論是建立在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和科學(xué)論文的基礎(chǔ)上的”第28頁,共83頁，2024年2月25日，星期天性格不同，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(gè)實(shí)驗(yàn)！Imaginationismoreimportantthanknowledge海闊天空的想腳踏實(shí)地的干第29頁,共83頁，2024年2月25日，星期天“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(gè)故事將是不完整的!

第30頁,共83頁，2024年2月25日，星期天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

第31頁,共83頁，2024年2月25日，星期天JamesWatson(34y)FrancisCrick(46y)MauriceWilkins(46y)DNADoubleHelixmodel19531962第32頁,共83頁，2024年2月25日，星期天1.3.5.遺傳密碼的破譯第33頁,共83頁，2024年2月25日，星期天破解遺傳密碼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)之一第34頁,共83頁，2024年2月25日，星期天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！MarshallNirenberg1968NP第35頁,共83頁，2024年2月25日，星期天22/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(shí)，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(shí)，合成了Phe－Phe－Phe….肽鏈1周時(shí)間內(nèi)：J.Matthaei破譯了第一個(gè)遺傳密碼第36頁,共83頁，2024年2月25日，星期天Aug/1961,Nov/1961(3個(gè)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)的合成第37頁,共83頁，2024年2月25日，星期天

Nirenberg

15分鐘的分組報(bào)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(jià)值

Nirenberg被再次邀請大會報(bào)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)遇的把握第38頁,共83頁，2024年2月25日，星期天GobindKhorana建立了合成具有特定堿基序列的oligodNt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)tRNAphecloverleafstructure1968NP第39頁,共83頁，2024年2月25日，星期天1.3.6.mRNA的發(fā)現(xiàn)operon的提出第40頁,共83頁，2024年2月25日，星期天

直到1960年：DNA－RNA－蛋白質(zhì)之間的關(guān)系仍未獲得有力的實(shí)驗(yàn)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：第41頁,共83頁，2024年2月25日，星期天

FrancoisJacob

JacquesMonod第42頁,共83頁，2024年2月25日，星期天基因通過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(shí)驗(yàn)最終證明第43頁,共83頁，2024年2月25日，星期天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)NP1965第44頁,共83頁，2024年2月25日，星期天centraldogma

第45頁,共83頁，2024年2月25日，星期天

1.3.7中心法則的發(fā)展第46頁,共83頁，2024年2月25日，星期天

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ReverseTranscription第47頁,共83頁，2024年2月25日，星期天centraldogma

第48頁,共83頁，2024年2月25日，星期天

1.3.8

科學(xué)技術(shù)互促共進(jìn)第49頁,共83頁，2024年2月25日，星期天科學(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(yàn)證性的科學(xué)發(fā)展成干涉性-創(chuàng)造性的科學(xué)第50頁,共83頁，2024年2月25日，星期天遺傳工程引發(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獎第51頁,共83頁，2024年2月25日，星期天

TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1978forthediscoveryofrestrictionenzymesandtheirapplicationtoproblemsofmoleculargeneticsWernerArber

DanielNathans

HamiltonO.Smith

discoveryapplicationidentify第52頁,共83頁，2024年2月25日，星期天雖然，沒有任何一項(xiàng)技術(shù)具有原創(chuàng)性但是，利用已報(bào)道的多項(xiàng)技術(shù)，創(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)了不同DNA分子的體外重組SV40

λDNA＋EcoRIRecombinationDNA“遺傳工程”的奠基工作第53頁,共83頁，2024年2月25日，星期天為分子生物學(xué)的研究和遺傳改造展示了一個(gè)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(jià)值NP1980PaulBerg

第54頁,共83頁，2024年2月25日，星期天TheNobelPrizeinChemistry1980thedeterminationofbasesequencesinnucleicacidsWalterGilbert

FrederickSanger1958NPForstructureofproteinsespeciallythatofinsulin第55頁,共83頁，2024年2月25日，星期天TheNobelPrizeinChemistry

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(gè)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(shí)他突發(fā)其想。第56頁,共83頁，2024年2月25日，星期天加速分子生物學(xué)發(fā)展進(jìn)程的一項(xiàng)“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??！而且當(dāng)時(shí)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。第57頁,共83頁，2024年2月25日，星期天經(jīng)過幾個(gè)月的準(zhǔn)備后，實(shí)驗(yàn)立刻獲得了成功。TaqPol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(jì)－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(shí)，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第58頁,共83頁，2024年2月25日，星期天作為一項(xiàng)“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(xiàng)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。第59頁,共83頁，2024年2月25日，星期天TheNobelPrizeinChemistry1993forsite-directedmutagenesisanditsdevelopmentforproteinstudiesMichaelSmithUniversityofBritishColumbia

Vancouver,Canada1932-2000第60頁,共83頁，2024年2月25日，星期天1.3.9現(xiàn)代分子生物學(xué)的發(fā)展第61頁,共83頁，2024年2月25日，星期天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)折第62頁,共83頁，2024年2月25日，星期天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第63頁,共83頁，2024年2月25日，星期天高等真核生物進(jìn)化水平，細(xì)胞分化組織特化，個(gè)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)科前沿第64頁,共83頁，2024年2月25日，星期天DNAtransposableelement1983.TheNobelPrize

BarbaraMcClintock(81y)1902-1992第65頁,共83頁，2024年2月25日，星期天

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

LastmodifiedMay10,2001

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LastmodifiedMay10,2001

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TheNobelPrizeinChemistry1989"fortheirdiscoveryofcatalyticpropertiesofRNARibozyme"SidneyAltman

ThomasR.Cech

YaleUniversity

NewHaven,CT,USAUniversityofColorado

Boulder,CO,USA1939-1947第66頁,共83頁，2024年2月25日，星期天TheNP1993splitgenesIn1978RichardJ.RobertsPhillipA.Sharpminirevolution第67頁,共83頁，2024年2月25日，星期天discoveredGeneticcontrolofearlydevelopmentinDrosophilaEdwardB.ewisChristianeNüsslein-Volhard

EricF.WieschausTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1995第68頁,共83頁，2024年2月25日，星期天StanleyB.PrusinerUniversityofCalifornia,SchoolofMedicine

USA1942-forhisdiscoveryofPrions–---anewbiologicalprincipleofinfection1997NP第69頁,共83頁，2024年2月25日，星期天discoveredkeyregulatorsofthecellcycleLelandH.HartwellR.Timothy(Tim)HuntSirPaulM.NurseNP2001第70頁,共83頁，2024年2月25日，星期天ProgrammedCellDeath(PCD)anddevelopmentS.Brenner(75y)H.R.Horvitz(55y)J.E.Sulston(60y)2002第71頁,共83頁，2024年2月25