分子生物學課件第一章醫(yī)學分子生物學緒論

醫(yī)學分子生物學

MedicalMolecularBiology

第一章緒論

Chapter1Introduction

胡維新中南大學生物科學與技術學院2024/11/612024/11/622024/11/632.分子生物學的研究內容1.分子生物學的定義3.分子生物學與生物技術4.分子生物學與醫(yī)學內容概要2024/11/64

一、分子生物學的定義2024/11/65從整體水平到分子水平示意圖分子水平細胞水平整體水平

生命科學的發(fā)展過程：RobertHooke,1665Watson,Crick,19532024/11/66生命科學的前沿領域：分子生物學、分子遺傳學、細胞生物學、發(fā)育生物學和神經生物學，而分子生物學是生命科學的核心前沿。

生命科學是研究生命現象和生命活動規(guī)律的一門綜合性學科。

生命科學的研究內容：生命物質的結構與功能，生物與生物之間及生物與環(huán)境之間相互關系。2024/11/67

分子生物學——從分子水平研究生命現象及其規(guī)律的一門新興學科。它是生命科學中發(fā)展最快并且與其他學科廣泛交叉和滲透的前沿領域。2024/11/68

由于分子生物學以其嶄新的觀點和技術對其他學科的全面滲透，推動了細胞生物學、遺傳學、發(fā)育生物學和神經生物學向分子水平的方向發(fā)展，使這些學科已不再是原來的經典學科，而成為生命科學的前沿。2024/11/691950年，Astbury在一次講演中首先使用“分子生物學(MolecularBiology)”這一術語,用以說明它是研究生物大分子的化學和物理學結構?，F代分子生物學的建立2024/11/610

在對DNA結構的研究上，FurberyS等（1949～1952年）應用X線衍射分析闡明了核苷酸并非平面的空間構象，提出了DNA是螺旋型結構。核酸結構研究的重大進展Chargaff等（1948～1953年）用新的層析和電泳技術分析了組成DNA的堿基和核苷酸量，積累了大量的數據，提出了DNA堿基組成含量比A=T、G=C的Chargaff規(guī)則，為堿基配對的DNA結構打下了基礎。2024/11/611DNA的X光衍射照片1952年5月拍攝羅沙琳德·弗蘭克林（RosalindFranklin，1920－1958）英國

DNA雙螺旋結構模型的建立2024/11/612DNA雙螺旋結構模型的建立諾貝爾醫(yī)學與生理學獎1962年2024/11/613Watson和Crick的“雙螺旋結構模型”啟動了現代分子生物學及重組DNA技術的發(fā)展。確立了核酸作為信息分子的結構基礎；提出了堿基配對是核酸復制、遺傳信息傳遞的基本方式，最終確定了核酸是遺傳的物質基礎。2024/11/614

分子生物學技術：

例如：DNA及RNA的印跡轉移、核酸分子雜交、基因克隆、基因體外擴增、DNA測序等，形成了獨特的重組DNA技術及其相關技術。

由生物化學、生物物理學、細胞生物學、遺傳學、應用微生物學及免疫學等各專業(yè)技術的滲透、綜合而成，并在此基礎上發(fā)明和創(chuàng)造了一系列新的技術。2024/11/615分子克隆(molecularcloning)

重組DNA(recombinantDNA)技術是近代分子生物學技術的核心。

基因操作(genemanipulation)

基因克隆(genecloning)基因工程(geneengineering)2024/11/616分子醫(yī)學（molecularmedicine）：由于分子生物學滲透進入生物學和醫(yī)學的每一分支領域，全面推動了生命科學和醫(yī)學的發(fā)展，如疾病的發(fā)病機理研究、疾病的診斷和治療，使醫(yī)學進入了一個嶄新的時代。

2024/11/617?遺傳性狀改變或治療疾病可能從某一生物體的基因組中分離出某一特定功能基因，導入到另一種生物的基因組。

?基因工程和蛋白質工程外源DNA與載體在體外進行連接，或在基因水平上進行有目的的定向誘變。

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按照自己的意愿和社會需求改造基因，制備各種具有生物活性的大分子。

DNA、RNA和蛋白質成為人類治病、防病的一類新型的生物制品或藥物。生物技術在農業(yè)上用于快速育種，改良品種，提高農作物的產量、質量以及抗病蟲害，抗干旱等能力。2024/11/619二、分子生物學的研究內容2024/11/620分子生物學的主要研究內容

生物大分子的結構、功能，生物大分子之間的相互作用及其與疾病發(fā)生、發(fā)展的關系。主要包含三個方面的內容：（一）核酸分子生物學（二）蛋白質分子生物學（三）細胞信號轉導機制研究

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核酸的分子生物學主要研究核酸的結構與功能。核酸的主要作用是攜帶和傳遞遺傳信息，因此形成了分子遺傳學。（一）核酸分子生物學：

分子遺傳學：形成了比較完整的理論體系和研究技術，它是目前分子生物學中內容最豐富、研究最活躍的一個領域。2024/11/6221.核酸的發(fā)現1868年，Miescher從膿細胞中分離出細胞核，用稀堿抽提再加入酸，得到了一種含氮和磷特別豐富的物質，當時稱其為核素（nuclein）。

1872年，他又在鮭魚精子細胞核中發(fā)現了這類物質，而且呈酸性，故稱之為核酸（nucleicacid）。FriedeichMiescher

核酸的生物學功能？

1928年以后，核酸功能研究取得了重大進展2024/11/623In1928,anexperimentofFrederickGriffithusingpneumoniabacteriaandmice2024/11/6241952年，HersheyAD和ChaseM用35S和32p分別標記T2噬菌體的蛋白質和核酸，感染大腸桿菌。在大腸桿菌細胞內增殖的噬菌體中都只含有32P而不含35S,這表明噬菌體的增殖直接取決于DNA而不是蛋白質。2.核酸功能研究的重大進展1944年，AveryOT等首次證明肺炎雙球菌的DNA與其轉化和遺傳有關。2024/11/625In1952,AlfredHersheyandMarthaChasedidanexperimentwhichissosignificant,ithasbeennicknamedthe“Hershey-ChaseExperiment”.2024/11/626In1952,AlfredHersheyandMarthaChasedidanexperimentwhichissosignificant,ithasbeennicknamedthe“Hershey-ChaseExperiment”.2024/11/627TheMeselson-Stahlexperiment（1958）showedthatDNAisreplicatedsemi-conservativelyDNAsemi-conservativeduplication

3.DNA復制模型2024/11/628DNA復制模型2024/11/6291961年，Nirenberg、Ochoa以及Khorana等幾組科學家的共同努力，破譯了RNA上編碼合成蛋白質的遺傳密碼，證明DNA分子中的遺傳信息是以三聯密碼的形式貯存。

遺傳密碼在生物界具有通用性。2024/11/6302024/11/6312024/11/6324.

中心法則的建立

1958年，Crick提出了分子生物學的中心法則（centraldogma）。

中心法則是分子遺傳學基本理論體系。2024/11/6332024/11/634

1970年，Temin和Baltimore從雞Rous肉瘤病毒(Roussarcomavirus，RSV)顆粒中發(fā)現了以RNA為模板合成DNA的逆轉錄酶，進一步補充了遺傳信息傳遞的中心法則。

2024/11/6355．DNA序列分析技術：

雙脫氧末端終止法:1977年，劍橋大學SangerF等發(fā)明。

化學裂解法:

美國MaxamI和GilbertW發(fā)明。GATC2024/11/636自動化、高通量2024/11/637

對DNA片段的一級結構進行分析，導致一系列重大發(fā)現：4.從cDNA序列推導出蛋白質的一級結構；

1.斷裂基因(splitgene)的發(fā)現，證明真核細胞的基因不是連續(xù)的DNA片段；2.前體mRNA分子的拼接，去除內含子序列，連接成成熟mRNA；3.發(fā)現單基因遺傳病的基因結構變異；5.根據DNA序列合成基因，并與載體連接，使之在細菌中表達，合成活性蛋白質，開創(chuàng)了基因工程。2024/11/6386.基因的人工合成

1978年體外首次成功地人工合成第一個完整基因。直接證實了MendelG在1865年發(fā)現的遺傳因子(基因)的化學本質，就是DNA分子。

DNA分子是多種多樣生命現象的物質基礎。2024/11/6397.基因組研究的進展

基因組（genome）:一個物種遺傳信息的總和。基因結構與功能研究已經從單個基因發(fā)展到生物體整個基因組?；蚪M研究已從簡單的低等生物到真核生物，從多細胞生物到人類。2024/11/640

1977年:Sanger測定了ΦX174DNA全部5375bp核苷酸序列；

1978年:Fiers等測出環(huán)狀SV40DNA全部5243bp核苷酸序列；1980年代:λ噬菌體DNA全部48502堿基對的序列被測出；一些小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因組的全序列也陸續(xù)被測定;1996年底:大腸桿菌基因組DNA的全部序列長4×106堿基對；

1996年底:完成了真核生物酵母（Saccharomyceserevisiae）的基因組全序列測定；1998年底:長達100Mb的線蟲的基因組序列測定也已全部完成。這是第一個完成的多細胞生物體的全基因組序列測定。2024/11/641

人類基因組計劃（humangenomeproject,HGP）美國科學家、諾貝爾獎獲得者DulbeccoR于1986年在美國《Science》雜志上發(fā)表的短文中率先提出，并認為這是加快癌癥研究進程的一條有效途徑。主要的目標是繪制遺傳連鎖圖、物理圖、轉錄圖，并完成人類基因組全部核苷酸序列測定。測出人體細胞中24條染色體上全部30億對核苷酸的序列，把所有人類基因都明確定位在染色體上，破譯人類的全部遺傳信息。

HGP是人類自然科學史上與曼哈頓原子彈計劃和阿波羅登月計劃相媲美的偉大科學工程。2024/11/642

研究結果表明，人類基因數量僅有3萬個左右，比此前估計的要少得多。通過研究還發(fā)現男女可能存在巨大遺傳差異，男性染色體減數分裂的突變率是女性的兩倍。在已經分析的序列中，找到很多與遺傳病有關的基因，包括乳腺癌、遺傳性耳聾、中風、癲癇癥、糖尿病和各種骨骼異常的基因。2024/11/643

8.基因表達調控機制的研究

1961年，Jacob和Monod提出操縱子學說，認識了原核生物基因表達調控的一些規(guī)律。

2024/11/64480年代開始，人們逐步認識到真核基因組結構和調控的復雜性。真核基因的順式調控元件與反式作用因子、核酸與蛋白質間的分子識別與相互作用。小分子反義RNA、核酶、siRNA等。2024/11/6451981年，AltmanS和CechTR同時發(fā)現了具有催化自我剪接活性的RNA，參與基因表達的調節(jié)，這種RNA稱之為核酶。無蛋白質存在時，核酶的內含子RNA能使RNA鏈本身在一特殊部位切斷和連接起來，本身無消耗。這一重大發(fā)現為生物催化劑增添了一個RNA成員，打破了“酶必定是蛋白質”傳統(tǒng)的觀念。

核酶2024/11/646Ribozyme作用機制示意圖2024/11/647

1993年，LeeRC等發(fā)現美麗線蟲(C.elegans)lin-4基因編碼的小分子RNA，其長度為22～61個核苷酸，能與lin-14mRNA的3′非翻譯區(qū)（UTR）反義互補結合,阻斷l(xiāng)in-14的翻譯，降低美麗線蟲早期發(fā)育階段lin-14蛋白的水平。這是繼核酶以后，內源性RNA參與基因調節(jié)的又一證據。小分子RNA2024/11/648RNA干擾（RNAi）是一種由雙鏈RNA誘發(fā)的基因沉默現象。在此過程中，與雙鏈RNA有同源序列的mRNA被降解，從而抑制了該基因的表達。RNA干擾過程主要有2個步驟：（1）長雙鏈RNA(dsRNA)被細胞內Dicer切成21～25個堿基對的短雙鏈RNA，稱為小干擾性RNA(siRNA)。（2）siRNA與細胞內的某些酶和蛋白質形成復合體--RISC，RISC可識別與siRNA有同源序列的mRNA，并在特異的位點將該mRNA切斷或者抑制蛋白質翻譯。siRNA2024/11/6492024/11/650（二）蛋白質分子生物學：

DNA→儲存生命活動的各種信息。

蛋白質→生命活動的執(zhí)行者。蛋白質的分子生物學主要研究蛋白質的結構與功能。2024/11/651

蛋白質結構與功能的研究進展

1956年，Anfinsen和White根據對酶蛋白的變性和復性實驗，提出蛋白質的三維空間結構是由其氨基酸序列來確定的。

1958年，Ingram證明正常的血紅蛋白與鐮狀細胞溶血癥病人的血紅蛋白之間，在其亞基的肽鏈上僅有一個氨基酸殘基的差別。1969年，Weber開始應用SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳測定蛋白質分子量；20世紀60年代先后分析了血紅蛋白、核糖核酸酶A等一批蛋白質的一級結構。

中國科學家在1965年人工合成了牛胰島素；1973年又用1.8AX射線衍射分析法測定了牛胰島素的空間結構。2024/11/652

構成生物體的每一個細胞的分裂與分化及其他各種生物學功能，均依賴于外界環(huán)境所產生的各種信號。在這些外源信號的刺激下，細胞可以將這些信號通過第二信使轉變成一系列的生物化學變化。

主要研究內容：研究細胞內、細胞間信息傳遞的分子基礎。闡明這些變化的分子機制，明確每一條信號轉導途徑及參與該途徑的所有分子間的相互作用和調節(jié)方式。（三）細胞信號轉導機制研究2024/11/653

1965年又提出第二信使學說。

1977年，Ross等用重組實驗證實G蛋白的存在和功能，將G蛋白與腺苷環(huán)化酶的作用聯系起來。

癌基因、抑癌基因和酪氨酸蛋白激酶的發(fā)現及其結構與功能的深入研究，使得細胞信號轉導的研究有了很大的進展。

1957年，Sutherland發(fā)現了cAMP。細胞信號轉導機制研究的進展2024/11/6542024/11/655ERK/MAPK(extracellularsignal-regulatedkinase/mitogen-activatedproteinkinase)

signaling2024/11/656三、分子生物學與生物技術2024/11/657生物技術的定義：

按照美國生物技術產業(yè)組織下的定義，生物技術(biotechnology)是指“利用細胞和分子過程來解決問題或制造產品的技術”。2024/11/658古代生物技術

釀酒、制醋、制酪、面包發(fā)酵；人畜排泄物循環(huán)利用；動、植物雜交育種，嫁接等。2024/11/659

20世紀以來，分子生物學的發(fā)展，產生了重組DNA技術，推動生物技術深入發(fā)展，而導致現代生物技術作為一門交叉學科的產生。各種重組蛋白、轉基因細胞、轉基因動物和基因剔除動物的出現，是現代分子生物學技術在生物技術領域的應用與發(fā)展。2024/11/660

現代生物技術主要包括兩個方面：基因工程和蛋白質（酶）工程。應用現代分子生物學、微生物學、細胞生物學、生物化學和生物加工等學科的理論和技術，并相互交叉和滲透?，F代生物技術是分子生物學技術在生物加工過程中的應用。2024/11/6611972年，SV40病毒DNA片段轉化大腸桿菌，使本來在真核細胞中合成的蛋白質能在細菌中合成，打破了種屬界限，開創(chuàng)了利用基因工程技術在原核細胞中表達真核基因產物的時代。人工合成的生長激素釋放抑制因子14肽的DNA片段與質粒重組，在大腸桿菌中合成得到這種14肽。

1978年，人生長激素191肽在大腸桿菌中表達成功。

1979年，人工合成的人胰島素基因經過重組后導入大腸桿菌，在大腸桿菌中合成了人胰島素。運用基因定向誘變技術和重組DNA技術改造酶或蛋白質的結構，使其具有更高的效能和更好的穩(wěn)定性，以滿足人類社會的需求。生物技術進展2024/11/662

用轉基因動物獲取治療人類疾病的重要蛋白質。如，導入了凝血因子Ⅸ基因的轉基因綿羊分泌的乳汁中含有豐富的凝血因子Ⅸ，能有效地用于血友病的治療。

轉基因動物和基因剔除動物2024/11/663

在轉基因植物方面取得重大進展，比普通西紅柿保鮮時間更長的轉基因西紅柿投放市場。轉基因玉米、轉基因大豆相繼投入商品生產。我國科學家將蛋白酶抑制劑基因轉入棉花，獲得抗棉鈴蟲的棉花株。

轉基因植物和轉基因食品2024/11/664

1999年，法國農民JoséBové（若澤·博韋）開著拖拉機搗毀了兩片土地上的轉基因農作物。

2000年，綠色和平組織在雅典一家豆類加工廠上懸掛標語，上面寫著“基因危險”。

2007年，綠色和平組織向歐盟委員會遞交萬人請愿書，要求歐盟實施轉基因標簽。

2006年，中國工程院工程科技論壇－“中國食品安全問題論壇”，專家指出，目前沒有證據表明轉基因食品危害健康。

2007年，中國植保轉基因作物研討會上，專家指出，批準上市的轉基因食品是安全的。轉基因食品的安全性？2024/11/665四、分子生物學與醫(yī)學2024/11/666

1.從機體表型來認識疾病,即根據現象和檢查所獲知的癥狀與體征。

2.從組織細胞的病理、生理變化來分析和診斷疾病。使人類積累了十分豐富的醫(yī)學資料，但都不能從本質上真正認識疾病發(fā)生的根本原因，更不能從根本上治愈疾病和闡明疾病的發(fā)病機制。人類對疾病的認識：2024/11/667

現代分子生物學已經對醫(yī)學的各個領域產生了全面而深刻的影響，并逐步形成了一系列以分子冠名的交叉學科。

如分子遺傳學、分子免疫學、分子病理學、分子血液學、分子腫瘤學、分子病毒學、分子流行病學等。

由于生命本質的高度一致性，使得這些學科可以使用同一套理論、同一套技術，來解釋和研究不同的病理、生理現象，甚至治療不同的疾病。2024/11/668

由于分子生物學的發(fā)展和滲透，各種生理和病理現象都可能從基因水平找到答案。

腫瘤發(fā)生與癌基因和腫瘤抑制基因。

表明生物機體各種各樣的生命現象及生理和病理表現，幾乎無一不與基因有關。

藥物耐藥性與抗藥基因。疾病發(fā)生與易感基因。2024/11/669(一)分子生物學與醫(yī)學和生物學

分子生物學理論及其技術的迅猛發(fā)展和廣泛滲透對醫(yī)學的影響尤為巨大。分子生物學在醫(yī)學和生物學領域中的應用，已使醫(yī)學，包括基礎醫(yī)學和臨床醫(yī)學，醫(yī)藥工業(yè)和相關生物技術產業(yè)發(fā)生了深刻的變革,取得了輝煌的成就，并且正在不斷深入發(fā)展。2024/11/670

由于分子生物學在醫(yī)學上的不斷滲透和影響，導致基礎和臨床醫(yī)學從基因或DNA水平來探討多種多樣的生命現象，基因診斷和基因治療的開展是分子生物學在醫(yī)學領域中應用的典范。借助重組DNA技術而迅猛發(fā)展起來的醫(yī)藥工業(yè)和其他生物高技術產業(yè)正不斷占領醫(yī)藥市場。2024/11/671

圖分子生物學在醫(yī)學和生物學中的應用2024/11/672（二）分子生物學與基礎醫(yī)學

基礎醫(yī)學是整個醫(yī)學科學的基石，分子生物學不僅是生命科學的前沿，也是整個基礎醫(yī)學的前沿。今后總的發(fā)展趨勢仍然是分子生物學向醫(yī)學，特別是基礎醫(yī)學廣泛交叉、滲透和影響。2024/11/673

1.對人的生理功能和疾病機制的研究,已由整體水平、器官水平進入到細胞和分子水平；對生命的了解，由表面現象觀察進入了本質的探討。2024/11/674

2.基礎醫(yī)學中不斷出現新的邊緣學科，如分子病理學、分子遺傳學、分子免疫學、分子病毒學、分子生理學、分子腫瘤學、分子藥理學、分子神經生物學等等。

2024/11/6753.傳統(tǒng)上按“形態(tài)”和“機能”來進行基礎醫(yī)學各個學科劃分的界限已日益模糊,出現了各學科在分子水平上進行整合的趨勢。2024/11/676

4.改變了傳統(tǒng)生物學的研究方法和策略，直接從基因水平入手,研究基因型和表型的相互關系。2024/11/677（三）分子生物學與病理學

由于分子生物學向病理學的滲透,出現“分子病理學”這樣一個新學科。

分子生物學理論和技術徹底改變了病理學和實驗醫(yī)學的面貌,開始從基因水平來進行疾病診斷。應用于分子病理學的基因檢測技術，揭示了疾病發(fā)生的分子事件。2024/11/678（四）基因診斷

由于重組DNA技術的問世,人們對于許多疾病的認識,已經深入到基因水平。一種從基因水平對疾病進行診斷的新技術──基因診斷技術得以誕生和發(fā)展。

基因診斷：在DNA水平或RNA水平,應用核酸分子雜交技術、限制性內切酶長度多態(tài)性（RFLP）連鎖分析、PCR技術、DNA序列分析技術以及近年發(fā)展起來的DNA芯片技術等,對人類疾病進行診斷。2024/11/679

★基因診斷技術——核酸分子雜交：

Southern印跡雜交技術：1975年，SouthernEM發(fā)明。從生物體的細胞中提取基因組DNA，并從中鑒別出某一特異的核苷酸序列。

Northern印跡雜交技術：1977年AlwineJC等發(fā)明。用于樣品中某種mRNA分子的定量，分子量大小的測定。原理：RNA分子在變性瓊脂糖凝膠中電泳，按分子量大小不同而相互分離，其原理與Southern轉移技術的方法類似。細胞原位雜交技術：1969年，Pardue等建立。2024/11/6802024/11/681★基因診斷技術——聚合酶鏈式反應(polymerasechainreaction,PCR)：1985年，MullisK首創(chuàng)。體外模擬細胞內DNA復制過程，進行體外基因擴增。2024/11/682★基因診斷技術——基因芯片（Genechips）技術：

基因芯片技術:將大量探針固定于支持物上，與標記的樣品進行雜交?？梢淮涡詫悠分写罅啃蛄羞M行檢測和分析。解決了傳統(tǒng)核酸雜交技術操作繁雜、檢測效率低的問題。

通過設計不同的探針陣列和使用特定的分析方法，使該技術具有多種不同的應用價值。如