《現(xiàn)代分子生物學(xué)與生物技術(shù)進(jìn)展》課件

引言現(xiàn)代分子生物學(xué)演義PCR、青蒿素及相關(guān)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代生物技術(shù)進(jìn)步一二三四一引言（一）我們所在的地球?qū)τ诘厍颉祟惖哪赣H來說，科學(xué)更多地扮演了掠奪者、破壞者的角色。人類，其實(shí)處于遠(yuǎn)比我們能想象的更大的危險(xiǎn)中。人的生理需求是有限的，但他（她）的心理需求卻幾乎是無限的?。ǘ┪覈膸讉€(gè)主要科學(xué)技術(shù)指標(biāo)我國代表高水平SCI論文的自然指數(shù)在2022年迅速達(dá)到世界第一，SCI論文引用總量世界第二，已成為名副其實(shí)的科技大國，并迅速朝著科技強(qiáng)國的宏大目標(biāo)邁進(jìn)。由《Nature》主導(dǎo)的自然指數(shù)榜單顯示：從2020年11月1日開始，到2021年10月31日為止的年度范圍內(nèi)，按領(lǐng)域來看，我國在“化學(xué)、物理科學(xué)”兩大領(lǐng)域中的自然指數(shù)都排全球第一；在“地球與環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)”兩大領(lǐng)域中，排名第二；在“自然與科學(xué)”領(lǐng)域中排第四。截至2020年底，我國科技人力資源總量為11234.1萬人，居世界首位。二現(xiàn)代分子生物學(xué)演義生命活動(dòng)實(shí)質(zhì)上就是遺傳信息的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯以及產(chǎn)生功能的過程。100m生命是怎樣起源的？物種真的不會(huì)改變嗎？為什么有其父必有其子？人體有基本單元嗎？如果有，是什么？幾個(gè)與生命和生物學(xué)現(xiàn)象有關(guān)的問題：（一）從達(dá)爾文、孟德爾到摩爾根英國生物學(xué)家達(dá)爾文是第一個(gè)用標(biāo)本和化石證據(jù)否定上帝創(chuàng)造萬物的舊思想，

并推翻物種不變神話的科學(xué)家。他在《物種起源》一書中，

首次提出了“進(jìn)化論”的核心思想，提出并證明了“物競天擇，適者生存”的生物學(xué)規(guī)律。孟德爾是奧地利生物學(xué)家，被譽(yù)為“現(xiàn)代遺傳學(xué)之父”

。美國生物學(xué)家摩爾根是分子遺傳學(xué)的奠基人。孟德爾的遺傳學(xué)定律兩種不同植物雜交時(shí)，下一代與其中一個(gè)親本完全相同。他把這一現(xiàn)象稱為統(tǒng)一定律。他認(rèn)為，生物的每種性狀都是由遺傳因子控制的，這些因子可以從親代到子代，代代相傳。事實(shí)上，遺傳因子是成對存在的，其中一個(gè)來自父本，一個(gè)來自母本，只在形成配子時(shí)彼此分開，單獨(dú)存在。1孟德爾的遺傳學(xué)定律2不同植物個(gè)體雜交后的F1代種子再進(jìn)行雜交或自交時(shí)，下一代就會(huì)按照一定的比例發(fā)生分離，因而具有不同的表現(xiàn)形式。他把這一現(xiàn)象稱為分離定律。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)所關(guān)注的兩個(gè)基因位于同一染色體上而又距離較近時(shí)，摩爾根的連鎖遺傳規(guī)律起主導(dǎo)作用，而當(dāng)所研究的兩個(gè)基因位于不同染色體上時(shí)，孟德爾的獨(dú)立分離規(guī)律起主導(dǎo)作用。（二）DNA雙螺旋模型的提出與驗(yàn)證沃森和克里克TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1962：Fortheirdiscoveriesconcerningthemolecularstructureofnucleicacidsanditssignificanceforinformationtransferinliving

material.OnFeb.28,1953,FrancisCrickwalkedintotheEaglepubinCambridge,England,and,asJamesWatsonlaterrecalled,announcedthat“wehadfoundthesecretof

life”.雙螺旋Double

Helix右上為英國生物物理學(xué)家威爾金斯左下為英國物理化學(xué)家與晶體學(xué)家富蘭克林（三）分子生物學(xué)歷史上的其他重大事件科恩伯格在1956年發(fā)表了題為“脫氧核糖核酸的酶促合成”的論文，用實(shí)驗(yàn)證明DNA的自主復(fù)制并分離了復(fù)制所需的酶。這表明，DNA確實(shí)是一種能自我復(fù)制的分子。1959年，西班牙裔美國生物化學(xué)家奧喬亞，首次合成了核糖核酸，實(shí)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，獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1968年，霍利、尼倫伯格和霍拉納獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1975年，美國人特明、杜爾貝科和巴爾的摩由于發(fā)現(xiàn)在RNA腫瘤病毒中存在以RNA為模板，逆轉(zhuǎn)錄生成DNA的逆轉(zhuǎn)錄酶而共享諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1980年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者伯格吉爾伯特桑格1983年，麥克林托克由于在20世紀(jì)50年代提出并發(fā)現(xiàn)了可移動(dòng)遺傳因子而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。英國物理化學(xué)家與晶體學(xué)家富蘭克林2006年,美國科學(xué)家羅杰·科恩伯格由于在揭示真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄機(jī)制方面的杰出貢獻(xiàn)而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。20世紀(jì)中下葉，我國科學(xué)家相繼實(shí)現(xiàn)了人工全合成有生物學(xué)活性的結(jié)晶牛胰島素，解出了三方二鋅豬胰島素的晶體結(jié)構(gòu)，采用有機(jī)合成與酶促相結(jié)合的方法完成了酵母丙氨酸轉(zhuǎn)移核糖核酸的人工全合成。1965年9月17日，中國科學(xué)家在世界上首次人工合成了結(jié)晶牛胰島素。（四）DNA是遺傳物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)美國著名的微生物學(xué)家埃弗里首先用實(shí)驗(yàn)證明基因就是DNA分子。埃弗里等人的工作樹立了遺傳學(xué)理論上全新的觀點(diǎn)——DNA是遺傳信息的載體。美國冷泉港卡內(nèi)基遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家赫爾希和他的學(xué)生蔡斯在1952年從事噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)。噬菌體專門寄生在細(xì)菌體內(nèi)，它的頭、尾外部都是由蛋白質(zhì)組成的外殼，頭內(nèi)主要是DNA。T2噬菌體用32P標(biāo)記DNA用35S標(biāo)記蛋白該實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了DNA是遺傳物質(zhì)。三PCR、青蒿素及相關(guān)發(fā)現(xiàn)1993年，穆利斯由于發(fā)明高效復(fù)制DNA片段的“聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）”方法而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）技術(shù)圖示PCR指數(shù)擴(kuò)增時(shí)循環(huán)次數(shù)與理論DNA產(chǎn)量比較屠呦呦教授因發(fā)現(xiàn)青蒿素而獲得2015年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。青蒿素及其衍生物在降低瘧疾致死率方面扮演著重要角色。與屠呦呦教授分享2015年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的是愛爾蘭科學(xué)家坎貝爾和日本科學(xué)家大村智，他們發(fā)現(xiàn)了對河盲癥和象皮病有較好療效的藥物阿維菌素。德國人多馬克于1932年發(fā)現(xiàn)人工合成的磺胺類化合物“百浪多息”具有抗菌作用。他用該化合物治愈了被鏈球菌重度感染的女兒，開啟了磺胺類藥物（sulfanilamide）治療細(xì)菌感染性疾病的新時(shí)代。多馬克因此獲得1939年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1928年，英國人弗萊明首先發(fā)現(xiàn)了青霉素。發(fā)明青霉素的弗萊明以及促進(jìn)青霉素成為治療藥物的柴恩（左）和弗洛里（右）共同獲得1945年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。四現(xiàn)代生物技術(shù)進(jìn)步1923年，加拿大醫(yī)學(xué)家班廷（

左）

和蘇格蘭籍生理學(xué)家麥克勞德（

右）

因發(fā)現(xiàn)胰島素及其治療糖尿病的作用，

獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1921年，班廷和貝斯特獲得狗胰島提取物，并用于糖尿病動(dòng)物的治療。自此，

第一代胰島素——?jiǎng)游镆葝u素誕生。1966

年，

美籍加拿大醫(yī)學(xué)家哈金斯（左）因發(fā)現(xiàn)激素治療前列腺癌的作用而與美國生物學(xué)家勞斯（右）分享諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1988年，蘇格蘭藥理學(xué)家布萊克（左）因發(fā)明了廣泛使用的治療心血管疾病藥物“心得安”而與發(fā)明了抗腫瘤藥物的美國藥理學(xué)家埃利恩（中）和美國醫(yī)生希欽斯（右）共享諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。歷史上共6次授予藥物發(fā)明諾貝爾獎(jiǎng)，其中有四次授予了抗感染性疾病的藥物——磺胺類藥物百浪多息（合成藥物）、青霉素（微生物發(fā)酵藥物）、青蒿素類藥物（天然產(chǎn)物來源藥物）和阿維菌素（微生物發(fā)酵藥物）。長期從事熱帶病防治、曾以軍醫(yī)身份參加第三次緬甸戰(zhàn)爭的英國微生物學(xué)家羅斯在1897年發(fā)現(xiàn)蚊子是傳播瘧疾的媒介，為此獲得1902年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。2009年，澳籍美國科學(xué)家布萊克本（左）由于揭示了端粒和端粒酶在保護(hù)染色體免遭降解方面的貢獻(xiàn)，與她早期的博士生格雷德（中）以及紹斯塔克（右）共同獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。復(fù)雜的肥胖基因——FTO另一個(gè)肥胖基因——ob基因無法產(chǎn)生瘦素的小鼠（左）和正常小鼠（右）ob基因的表達(dá)產(chǎn)物瘦素（leptin）——走向落寞的明星分子2010年，英國科學(xué)家愛德華茲因?yàn)樵嚬軏雰汉腕w外受精研究獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。2012年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主是英國發(fā)育生物學(xué)家格登?！翱寺⊙蛑浮蓖柲绿卦?996年成功克隆了世界上第一只克隆動(dòng)物——“多莉”羊。美國生物學(xué)家道德納（左）和法國生物化學(xué)家沙爾龐捷（右）因?qū)π乱淮蚓庉嫾夹g(shù)CRISPR的貢獻(xiàn)而獲得2020年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。當(dāng)前，我們正處在一個(gè)生物學(xué)大爆發(fā)的時(shí)代，雨后春筍般涌現(xiàn)的各種現(xiàn)代生物技術(shù)，加上以芯片為代表的信息技術(shù)以及新材料、新能源技術(shù)，一定會(huì)極大地推動(dòng)人類文明與社會(huì)進(jìn)步！當(dāng)你進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)，要像脫去外衣那樣放下你的想象力，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)操作中不能有一丁點(diǎn)兒的想象，否則，你對事物的觀察就會(huì)受影響；而當(dāng)你翻開書本的時(shí)候，你又必須盡可能展開想象的“翅膀”，否則，你就不可能走在別人前面。單一性狀分離規(guī)律高∶矮=3∶11928年，英國科學(xué)家格里菲斯等人發(fā)現(xiàn)，具有光滑外表的S型肺炎鏈球菌能使小鼠發(fā)病，具有粗糙外表的R型細(xì)菌沒有致病力。因此，當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)為，莢膜多糖能保護(hù)細(xì)菌免受動(dòng)物白細(xì)胞的攻擊。①噬菌體尾部的末端（基片、尾絲）吸附在細(xì)菌表面；②噬菌體通過尾軸把DNA全部注入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，噬菌體的蛋白質(zhì)外殼則留在細(xì)胞外面；③利用細(xì)菌的生命過程合成噬菌體自身的DNA和蛋白質(zhì)；④用新合成的DNA和蛋白質(zhì)組裝成與親代完全相同的子噬菌體；⑤細(xì)菌解體，釋放子代噬菌體，侵染其他細(xì)菌。噬菌體侵染細(xì)菌的主要過程如下：1989年12月，

著名的自然科學(xué)雜“SCIENCE”將PCR和它所使用的聚合酶命名為第一個(gè)“

年度分子”

—

—Molecule

oftheYear。主編DanielKoshland

Jr.

寫道：有了PCR，極少量遺傳物質(zhì)也能擴(kuò)增產(chǎn)生大量一般實(shí)驗(yàn)室都能得到的、可用于生化分析和鑒定的材料。首先將模板DNA（質(zhì)粒、基因組DNA或mRNA反轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的cDNA）在臨近沸點(diǎn)的溫度下加熱分離成單鏈DNA分子，然后DNA聚合酶在一對引物（一小段單鏈DNA）的引導(dǎo)下以單鏈DNA為模板，利用反應(yīng)混合物中的4種脫氧核苷三磷酸（dNTP）合成新的DNA互補(bǔ)鏈。PCR的技術(shù)原理：DNA聚合酶是一種能催化DNA（包括RNA）合成和修復(fù)的生物大分子，PCR反應(yīng)中使用的DNA聚合酶能在高溫下數(shù)小時(shí)不喪失酶活。DNA聚合酶開始工作時(shí)先要依靠一小段雙鏈DNA來啟動(dòng)（引導(dǎo)）新鏈的合成，這一小段引導(dǎo)新鏈合成的DNA序列就被稱為“引物”，引導(dǎo)DNA聚合酶特異性擴(kuò)增目標(biāo)基因片段。青蒿素及其衍生物是一種新的具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)類型（1,2,4-三惡烷過氧基團(tuán)）的抗瘧藥。許多富有前景且已進(jìn)入臨床試驗(yàn)的抗瘧藥，

包括OZ277和OZ439，都含有關(guān)鍵的類似于青蒿素的過氧基團(tuán)結(jié)構(gòu)。以鼠伯氏瘧原蟲（Plasmodium

berghei）為研究模型，她們對100多種草藥的提取物進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)青蒿提取物對鼠瘧原蟲的抑制率可達(dá)68%。后續(xù)發(fā)