現(xiàn)代分子生物學(xué)研究內(nèi)容

現(xiàn)代分子生物學(xué)本門課程教學(xué)安排緒論第二章染色體與DNA第三章轉(zhuǎn)錄（mRNA合成）第四章翻譯（蛋白質(zhì)合成）第五章分子生物學(xué)研究法第六章原核基因表達調(diào)控第七章真核生物基因表達調(diào)控第八章基因與人類疾病

第九章DNA重組技術(shù)第一章序論

本章主要內(nèi)容一、引言：現(xiàn)代分子生物科學(xué)的發(fā)展二、分子生物學(xué)的發(fā)展簡史三、分子生物學(xué)的主要研究內(nèi)容四、分子生物學(xué)展望－－二十一世紀是生物學(xué)全面發(fā)展的時期

一、引言：現(xiàn)代分子生物科學(xué)的發(fā)展1、創(chuàng)世學(xué)與進化論

19世紀之前：創(chuàng)世學(xué)

1859年之后：達爾文《物種起源》達爾文成長與研究；“物競天擇，適者生存”進化論思想；第一個認識到生物世界的不連續(xù)性；“自然選擇壓力”與新物種的產(chǎn)生。

2、細胞學(xué)說

17世紀：列文虎克－顯微鏡－細胞

19世紀：施耐登、施旺－細胞學(xué)說－－19世紀三大發(fā)現(xiàn)之一。

20世紀：電子顯微鏡，細胞生物學(xué)對生物學(xué)的貢獻：因為單個細胞生長、分裂，組織、器官和個體的生命現(xiàn)象實際上是細胞活動的總和，所以細胞是生物學(xué)研究的首要對象。顯微鏡的發(fā)明與早期發(fā)展之路

1590年詹森制作了第一臺復(fù)合顯微鏡

1624年伽利略制作了和他的望遠鏡同樣類型的顯微鏡

1625年塞律蒂出版了從顯微鏡觀察制作的第一本蜜蜂圖譜

1625年Feber第一個杜撰了"顯微鏡"（microscopio）這個詞

1653年Borel出版了《HistoriarumetObservationum

Medicophysicarum

Centuria》，這是第一本將醫(yī)學(xué)與顯微鏡聯(lián)系的著作

1658年Kircher用一臺放大倍數(shù)為32的顯微鏡描述鼠疫病人身體內(nèi)的"蟲子"

（據(jù)后來的科學(xué)家考證，"蟲子"可能是紅細胞和白細胞）是引起疾病的一種原因

1658年Swammerdam利用顯微鏡觀察精確地描述了紅細胞的結(jié)構(gòu)和功能

1665年胡克出版了《Micrographia》，其中包括了最早的細胞結(jié)構(gòu)圖譜，因此產(chǎn)生了"細胞"這個詞

1674年VanLeeuwenhoek制作了200多臺顯微鏡和400多個鏡頭，他用其中一些來報道了他對池塘水中找到的"原蟲"的發(fā)現(xiàn)

1757年Dolland制作了最初的無色玻璃，因此后來的顯微鏡專家就不用再把閃光和具有虹樣差的物體置于有色玻璃鏡頭下

1791年beeldsnijder制作了第一臺無色復(fù)合顯微鏡

1911年熒光顯微鏡問世

1926年Busch發(fā)現(xiàn)磁場和靜電場可以作為透鏡聚光以產(chǎn)生超微圖象

1931年Knoll和Ruska研制出一臺原型傳導(dǎo)電鏡

1934年Moldavan描述了他的打算：對毛細血管內(nèi)流動的細胞進行光電計數(shù)，這代表了最早的流體血細胞計數(shù)意愿

1935年Knoll描述了掃描電鏡的一般原理

1940年電視顯微鏡技術(shù)問世，用于診斷

1941年Hillier和Vance制作了一臺電鏡，它的分辨力可到25埃

1947年Gucker描述了一種氣溶膠顆粒計數(shù)器，后者是用來檢測空氣中的細菌和孢子，其原理也可適用于流體血細胞計數(shù)分析

1950年Casperson發(fā)表了他的專著《細胞生長和功能》，描述了對正常和異常細胞的生長和代謝的顯微分光光度計測量

1950年Friedman用熒光顯微技術(shù)探測子宮癌細胞

1951年Mellors和Silver發(fā)明出一種掃描熒光顯微計，可用以定量測量單個細胞的DNA熒光

1952年MellorsKeane和Papanicolaou將定量測量DNA技術(shù)應(yīng)用于鱗癌細胞

1953年Coulter型血細胞計數(shù)器問世

1955年Tolles和Bostrom描述了一種自動光電"細胞分析儀"，這是一種惡性和惡性前細胞的大小、密度測定系統(tǒng)普通光學(xué)顯微鏡金相顯微鏡數(shù)碼顯微鏡3、生化與遺傳學(xué)

19世紀中葉－－20世紀初：20種AA發(fā)現(xiàn)孟德爾：分離規(guī)律：性狀3：1分離自由組合規(guī)律：F2代性狀發(fā)生9：3：3：1的分離

從1865年《植物雜交實驗》，1900年才重新發(fā)現(xiàn)并公認摩爾根：基因?qū)W說對果蠅的研究連鎖互換規(guī)律4、DNA的發(fā)現(xiàn)

1953年，Watson、Crick：DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)實驗證明基因就是DNA分子的研究實驗：美國，微生物學(xué)家：肺炎球菌感染小鼠死S型菌、活R菌單獨作用小鼠活死S型菌、活R菌共同作用小鼠死

美國，遺傳學(xué)家：噬菌體侵染細菌1953年，沃森（Watson）和克里克（Crick）通過X射線衍射法研究，提出了DNA雙螺旋構(gòu)造模型。這個模型的特點是：

1）由兩條互補的多核苷酸鏈，彼此以一定的空間距離，在同一軸上相互盤旋起來，很象一個扭曲起來的梯子。

2）DNA雙鏈中，一條鏈的走向從5’到3’，另一條鏈的走向從3’到5’。兩條鏈呈反向平行。

3）A與T以兩個氫鍵配對相連，G與C是以三個氫鍵配對相連。

4）各對堿基上下之間的距離為3.4?，每個螺距的距離34?，也就是說每個螺距包括10對堿基。二、分子生物學(xué)發(fā)展簡史分子生物學(xué)的發(fā)展大致可分為三個階段：1、準備和醞釀階段

19世紀后期到20世紀50年代初，是現(xiàn)代分子生物學(xué)誕生的準備和醞釀階段。在這一階段產(chǎn)生了兩點對生命本質(zhì)的認識上的重大突破。確定了蛋白質(zhì)是生命的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。確定了生物遺傳的物質(zhì)是DNA。2、現(xiàn)代分子生物學(xué)的建立和發(fā)展階段：

這一階段是從50年代初到70年代初，以1953年Watson和Crick提出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型作為現(xiàn)代分子生物學(xué)誕生的里程碑開創(chuàng)了分子遺傳學(xué)基本理論建立和發(fā)展的黃金。在些期間的主要進展包括：

遺傳信息傳遞中心法則的建立：DNA復(fù)制、RNA轉(zhuǎn)錄、遺傳密碼、蛋白質(zhì)翻譯合成

對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的進一步認識：中國科學(xué)家在1965年人工合成了牛胰島素3、初步認識生命本質(zhì)并開始改造生命的深入發(fā)展階段70年代后，以基因工程技術(shù)的出現(xiàn)作為新的里程碑，標志著人類涂認識生命本質(zhì)并能主動改造生命的新時期開始。其間的重大成就包括：

1重組DNA技術(shù)的建立和發(fā)展

2基因組研究的發(fā)展3單克隆抗體及基因工程抗體的建立和發(fā)展4基因表達調(diào)控機理5細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機理研究成為新的前沿領(lǐng)域附：現(xiàn)代分子生物學(xué)中的主要里程碑1910年，德國科學(xué)家Kossel第一個分離了腺嘌呤，胸腺嘧啶和組氨酸。1959年，美國科學(xué)家Uchoa第一次合成了核糖核酸，實現(xiàn)了將基因內(nèi)的遺傳信息通過RNA翻譯成蛋白質(zhì)的過程。同年，Kornberg實現(xiàn)了試管內(nèi)細菌細胞中DNA的復(fù)制。1962年，Watson（美）和Crick（英）因為在1953年提出DNA的反向平行雙螺旋模型而與Wilkins共獲Noble生理醫(yī)學(xué)獎，后者通過X射線衍射證實了Watson-Crick模型。1965年，法國科學(xué)家Jacob和Monod提出并證實了操縱子（operon）作為調(diào)節(jié)細菌細胞代謝的分子機制。此外，他們還首次推測存在一種與DNA序列相互補、能將它所編碼的遺傳信息帶到蛋白質(zhì)合成場所（細胞質(zhì)）并翻譯產(chǎn)生蛋白質(zhì)的mRNA（信使核糖核酸）。1972年，PaulBerg（美）第一次進行了DNA重組。1977年，Sanger和Gilbert（英）第一次進行了DNA序列分析。1988年，McClintock由于在50年代提出并發(fā)現(xiàn)了可移動遺傳因子而獲得Nobel獎。1993年，美國科學(xué)家Roberts和Sharp因發(fā)現(xiàn)斷裂基因而獲得Nobel獎。Mullis由于發(fā)明PCR儀而與加拿大學(xué)者Smith（第一個設(shè)計基因定點突變）共享Nobel化學(xué)獎。1954年所提出的遺傳信息傳遞規(guī)律（即中心法則）:

三、分子生物學(xué)的主要研究內(nèi)容分子生物學(xué)的基本含義分子生物學(xué)是從分子水平研究生命本質(zhì)為目的的一門新興邊緣學(xué)科，它以核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)及其在遺傳信息和細胞信息傳遞中的作用為研究對象，是當前生命科學(xué)中發(fā)展最快并正與其它學(xué)科廣泛交叉與滲透的重要前沿領(lǐng)域。分子生物學(xué)的發(fā)展為人類認識生命現(xiàn)象帶來了前所未有的機會，也為人類利用和改造生物創(chuàng)造了極為廣泛的前景。

所謂在分子水平上研究生命的本質(zhì)主要是指對遺傳、生殖、生長和發(fā)育等生命基本特征的分子機理的闡明，從而利用和改造生物奠定理論基礎(chǔ)和提供新的手段。這里的分子水平指的是那些攜帶遺傳信息的核酸和在遺傳信息傳遞及細胞內(nèi)、細胞間通訊過程中發(fā)揮著重要作用的蛋白質(zhì)等生物大分子。這些生物大分子由簡單的小分子核苷酸或氨基酸排列組合以蘊藏各種信息，并且具有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)以形成精確的相互作用系統(tǒng)，由此構(gòu)成生物的多樣化和生物個體精確的生長發(fā)育和代謝調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。簡明這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系是分子生物學(xué)的主要任務(wù)。所有生物體中的有機大分子都是以碳原子為核心，并以共價鍵的形式與氫、氧、氮及磷以不同方式構(gòu)成的。不僅如此，一切生物體中的各類有機大分子都是由完全相同的單體，如蛋白質(zhì)分子中的20種氨基酸、DNA及RNA中的8種堿基所組合而成的，由此產(chǎn)生了分子生物學(xué)的3條基本原理：1．構(gòu)成生物體有機大分子的單體在不同生物中都是相同的；

2．生物體內(nèi)一切有機大分子的建成都遵循著各自特定的規(guī)則；

3．某一特定生物體所擁有的核酸及蛋白質(zhì)分子決定了它的屬性。經(jīng)典分子生物學(xué)研究內(nèi)容:1核酸的分子生物學(xué)：研究內(nèi)容包括核基因組的結(jié)構(gòu)、遺傳信息的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄與翻譯，核酸存儲的信息修復(fù)與突變，基因表達調(diào)控和基因工程技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用等。遺傳信息傳遞的中心法則是其理論體系的核心。2蛋白質(zhì)的分子生物學(xué)

：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其與功能關(guān)系及其基本規(guī)律

3細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子生物學(xué)：外源信號的刺激下，細胞可以將這些信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗猩锘瘜W(xué)變化，例如蛋白質(zhì)構(gòu)象的轉(zhuǎn)變、蛋白分子的磷酸化心臟蛋白與蛋白相互作用的變化等，從而使其增殖、分化及分泌狀態(tài)等發(fā)生改變以適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境的需要。信號轉(zhuǎn)導(dǎo)研究的目標是簡明這些變化的分子機理，明確每一種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與傳遞的途徑及參與該途徑的所有分子的作用和調(diào)節(jié)方式以及認識各種途徑間的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。現(xiàn)代分子生物學(xué)研究內(nèi)容:

1、DNA重組技術(shù)———基因工程這是20世紀70年代初興起的技術(shù)科學(xué)，目的是將不同DNA片段（如某個基因或基因的一部分）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(fù)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)并不完全等于基因工程，因為后者還包括其他可能使生物細胞基因組結(jié)構(gòu)得到改造的體系。DNA重組技術(shù)是核酸化學(xué)、蛋白質(zhì)化學(xué)、酶工程及微生物學(xué)、遺傳學(xué)、細胞學(xué)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(yīng)用則是這一技術(shù)得以建立的關(guān)鍵。2、基因表達調(diào)控———核酸生物學(xué)

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(fù)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?；虮磉_調(diào)控主要表現(xiàn)在信號傳導(dǎo)研究、轉(zhuǎn)錄因子研究及RNA剪輯(選擇性剪切內(nèi)含子生成不同mRNA及蛋白質(zhì)）

3個方面。3、生物大分子結(jié)構(gòu)功能

——結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)

結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)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(xué)功能關(guān)系的科學(xué)。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。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(xué)（又稱蛋白質(zhì)晶體學(xué)），其次是用二維核磁共振和多維核磁研究液相結(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(xué)方法研究生物高分子的空間結(jié)構(gòu)。4、基因組、功能基因組與生物信息學(xué)研究基因組:一個細胞（或生物體）內(nèi)所有基因的組合功能基因組學(xué)：研究基因組內(nèi)每個基因的具體功能及其相互關(guān)系蛋白組計劃：后基因組計劃，研究蛋白質(zhì)的組成、功能生物信息學(xué)：運用生物信息傳遞中大分子信息并運用計算機統(tǒng)計分析生物信息原理四、分子生物學(xué)展望

生物科學(xué)是當代自然科學(xué)中發(fā)展最迅速、對人類的生存和自身發(fā)展影響最大的學(xué)科領(lǐng)域之一。統(tǒng)計美國"科學(xué)引文索引（SCI）"收錄的4500余種學(xué)術(shù)刊物，發(fā)現(xiàn)有2350種左右為生物科學(xué)相關(guān)雜志！統(tǒng)計全世界引用指數(shù)（Impactfactor）在10以上的超一流學(xué)術(shù)刊物，也發(fā)現(xiàn)80%左右（97年48種刊物中有38種）是生物科學(xué)相關(guān)刊物。分子生物學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系

分子生物學(xué)是由生物化學(xué)、生物物理學(xué)、遺傳學(xué)、微生物學(xué)、細胞學(xué)、以纛信息科學(xué)等多學(xué)科相互滲透、綜合融會而產(chǎn)生并發(fā)展起來的。生物化學(xué)與分子生