現(xiàn)代分子生物學研究內容

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

第九章DNA重組技術第一章序論

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

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

19世紀之前：創(chuàng)世學

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”與新物種的產生。

2、細胞學說

17世紀：列文虎克－顯微鏡－細胞

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

20世紀：電子顯微鏡，細胞生物學對生物學的貢獻：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的"蟲子"

（據(jù)后來的科學家考證，"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構和功能

1665年胡克出版了《Micrographia》，其中包括了最早的細胞結構圖譜，因此產生了"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生超微圖象

1931年Knoll和Ruska研制出一臺原型傳導電鏡

1934年Moldavan描述了他的打算：對毛細血管內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技術應用于鱗癌細胞

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)普通光學顯微鏡金相顯微鏡數(shù)碼顯微鏡3、生化與遺傳學

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：基因學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雙螺旋結構實驗證明基因就是DNA分子的研究實驗：美國，微生物學家：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、分子生物學發(fā)展簡史分子生物學的發(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)代分子生物學誕生的準備和醞釀階段。在這一階段產生了兩點對生命本質的認識上的重大突破。確定了蛋白質是生命的主要物質基礎。確定了生物遺傳的物質是DNA。2、現(xiàn)代分子生物學的建立和發(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雙螺旋結構模型作為現(xiàn)代分子生物學誕生的里程碑開創(chuàng)了分子遺傳學基本理論建立和發(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復制、RNA轉錄、遺傳密碼、蛋白質翻譯合成

對蛋白質結構與功能的進一步認識：中國科學家在1965年人工合成了牛胰島素3、初步認識生命本質并開始改造生命的深入發(fā)展階段70年代后，以基因工程技術的出現(xiàn)作為新的里程碑，標志著人類涂認識生命本質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基因表達調控機理5細胞信號轉導機理研究成為新的前沿領域附：現(xiàn)代分子生物學中的主要里程碑1910年，德國科學家Kossel第一個分離了腺嘌呤，胸腺嘧啶和組氨酸。1959年，美國科學家Uchoa第一次合成了核糖核酸，實現(xiàn)了將基因內的遺傳信息通過RNA翻譯成蛋白質的過程。同年，Kornberg實現(xiàn)了試管內細菌細胞中DNA的復制。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)學獎，后者通過X射線衍射證實了Watson-Crick模型。1965年，法國科學家Jacob和Monod提出并證實了操縱子（operon）作為調節(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合成場所（細胞質）并翻譯產生蛋白質的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儀而與加拿大學者Smith（第一個設計基因定點突變）共享Nobel化學獎。1954年所提出的遺傳信息傳遞規(guī)律（即中心法則）:

三、分子生物學的主要研究內容分子生物學的基本含義分子生物學是從分子水平研究生命本質為目的的一門新興邊緣學科，它以核酸和蛋白質等生物大分子的結構及其在遺傳信息和細胞信息傳遞中的作用為研究對象，是當前生命科學中發(fā)展最快并正與其它學科廣泛交叉與滲透的重要前沿領域。分子生物學的發(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、細胞間通訊過程中發(fā)揮著重要作用的蛋白質等生物大分子。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，并且具有復雜的空間結構以形成精確的相互作用系統(tǒng)，由此構成生物的多樣化和生物個體精確的生長發(fā)育和代謝調節(jié)控制系統(tǒng)。簡明這些復雜的結構及結構與功能的關系是分子生物學的主要任務。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，由此產生了分子生物學的3條基本原理：1．構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分子決定了它的屬性。經典分子生物學研究內容:1核酸的分子生物學：研究內容包括核基因組的結構、遺傳信息的復制、轉錄與翻譯，核酸存儲的信息修復與突變，基因表達調控和基因工程技術的發(fā)展和應用等。遺傳信息傳遞的中心法則是其理論體系的核心。2蛋白質的分子生物學

：蛋白質的結構及其與功能關系及其基本規(guī)律

3細胞信號轉導的分子生物學：外源信號的刺激下，細胞可以將這些信號轉變?yōu)橐幌盗猩锘瘜W變化，例如蛋白質構象的轉變、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)生改變以適應內外環(huán)境的需要。信號轉導研究的目標是簡明這些變化的分子機理，明確每一種信號轉導與傳遞的途徑及參與該途徑的所有分子的作用和調節(jié)方式以及認識各種途徑間的網絡控制系統(tǒng)?，F(xiàn)代分子生物學研究內容:

1、DNA重組技術———基因工程這是20世紀70年代初興起的技術科學，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，產生影響受體細胞的新的遺傳性狀。DNA重組技術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構得到改造的體系。DNA重組技術是核酸化學、蛋白質化學、酶工程及微生物學、遺傳學、細胞學長期深入研究的結晶，而限制性內切酶、DNA連接酶及其他工具酶的發(fā)現(xiàn)與應用則是這一技術得以建立的關鍵。2、基因表達調控———核酸生物學

原核生物的基因組和染色體結構都比真核生物簡單，轉錄和翻譯在同一時間和空間內發(fā)生，基因表達的調控主要發(fā)生在轉錄水平。真核生物有細胞核結構，轉錄和翻譯過程在時間和空間上都被分隔開，且在轉錄和翻譯后都有復雜的信息加工過程，其基因表達的調控可以發(fā)生在各種不同的水平上?；虮磉_調控主要表現(xiàn)在信號傳導研究、轉錄因子研究及RNA剪輯(選擇性剪切內含子生成不同mRNA及蛋白質）

3個方面。3、生物大分子結構功能

——結構分子生物學

結構分子生物學就是研究生物大分子特定的空間結構及結構的運動變化與其生物學功能關系的科學。它包括結構的測定、結構運動變化規(guī)律的探索及結構與功能相互關系的建立3個主要研究方向。最常見的研究三維結構及其運動規(guī)律的手段是X射線衍射的晶體學（又稱蛋白質晶體學），其次是用二維核磁共振和多維核磁研究液相結構，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構。4、基因組、功能基因組與生物信息學研究基因組:一個細胞（或生物體）內所有基因的組合功能基因組學：研究基因組內每個基因的具體功能及其相互關系蛋白組計劃：后基因組計劃，研究蛋白質的組成、功能生物信息學：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、分子生物學展望

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

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