分子生物绪论课件.ppt

分子生物学,课程大纲：,第一章 绪论第二章 染色体与DNA第三章 生物信息的传递-从DNA到RNA 第四章 生物信息的传递从mRNA到蛋白质 第五章 分子生物学研究方法 第六章 基因表达的调控原核基因表达调控模式 第七章 基因表达的调控真核基因表达调控模式第八章 疾病与人类健康 第九章 基因组与比较基因组学,一、 分子生物学的产生及概念 二、 分子生物学的发展历程 三、 分子生物学实际应用的现状和展望 四、 基因概念的演变与发展 附注：课程说明及参考书目,第一章 绪论,一、分子生物学的概念,1、 历史背景：生物学的发展经历了一个漫长的研究历程,（1） 进化论的确立,生命是怎样起源的？,为什么“有其父必有其子”,动、植物个体是怎样由一个受精卵发育而来的？, 19世纪初叶以前 宗教或迷信基督教 上帝, 1859 Charles Darwin （英） 物种起源“进化论”生物科学史上最伟大的创举 “贝格尔号” 历时五年 达尔文学说,（2） 细胞学说的确立, 1702 Leeuwenhoek（荷兰） 自制显微镜观察到雨水中的“微生物” 同时代的Hooke 用“细胞”来形容软木的最基本单元, 1847 Schleiden 和 Schwann（德 动、植物） 建立了“细胞学说” 内容 成为 Cytology、Molecular Cell Biology的基础,（3） 遗传学的发展, Gregor Mendel（奥） 经典遗传学创始人 豌豆后代的性状有一定的分离规律 独立分离规律 “遗传因子” （3：1 9：3：3：1） 1865 植物杂交实验 1900 “遗传学的奠基人”, 基因学说的提出,（4） 生物化学的发展 从开始就执行着双重使命 分析细胞的组成成分 弄清这些物质与细胞内生命现象的联系 1920世纪 20种氨基酸 肽键 脂类、糖类和核酸,20世纪初 Morgon及其助手（美）,第一次将代表某一特定性状的基因同某一特定染色体联系起来连锁遗传规律,种质必须由独立的要素组成遗传因子或基因,2、 分子生物学的兴起,1953 Watson Crick DNA Double Helix Model,解释了基因的两个基本属性,基因的自我复制能力,基因控制形状表达的能力,从此核酸的分子生物学得到了异乎寻常的发展,广义的分子生物学：蛋白质及核酸等生物大分子结构和功能的 研究都属于分子生物学的范畴，即从分 子水平阐明生命现象和生物学规律,及随后 Crick提出的 Central Dogma 中心法则,狭义的分子生物学：偏重于核酸（基因）的分子生物学， 主要研究基因或DNA的复制、转录、 表达和调控等过程，当然也涉及与这 些过程相关的蛋白质和酶的结构与功 能的研究基因的分子生物学Molecular Biology,Molecular biology seeks to explain the relationships between the structure and function of biological molecules and how these relationships contribute to the operation and control of biochemical processes. -Turner et al.,What is Molecular Biology?,Molecular biology is the study of genes and their activities at the molecular level, including transcription, translation, DNA replication, recombination and translocation.- Robert Weaver,3、 分子生物学的三大原则,* 构成生物大分子的单体是相同的 共同的核酸语言 共同的蛋白质语言,* 生物遗传信息表达的中心法则相同,* 生物大分子单体的排列（核苷酸、氨基酸）的不同,不同的高级结构 不同的生物大分子之间的互作,不同的物种特性,4、分子生物学研究的三大领域,* 基因的分子生物学： 基因的概念、结构、复制、表 达、重组、交换,（狭义的分子生物学）,* 结构生物学： 生物大分子的结构与功能 生物大分子之间的互作,DNA蛋白质激素和受体酶和底物,* 生物技术理论与应用 基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、 蛋白质工程,二、分子生物学的发展历程,二、分子生物学的发展简史,1、 DNA的发现 * 1928 Griffith（英） 肺炎链球菌（Pneumococcus）,S型,R型, 结论：抽提液中含有一种转化因子,* 转化因子的证实 1944 Avery （美 微生物学家） 从S抽提液纯化转化因子,因此：Avery是首先用实验证明基因的化学本质就是DNA的科学家,* 1952 D.Hershery 和M.Chase 再 次用噬菌体标 记实验证实了 DNA是遗传物质 的本质,2、 重要机制的发现,* 1949 Chargaff 测定出不同来源的A、T、G、C 四种核酸碱基,* 1950 Chargaff Markham A=T G=C,* 1953 Watson Crick DNA Double Helix Model,随着DNA双螺旋结构的提出和蛋白质空间结构的解析开始 了分子生物学时代,此后对遗传信息的载体DNA和生物功 能的体现者蛋白质的研究的研究也成为生命科学研究的 主要内容,3、 发展历程,分子生物学中重大成就与突破者Nobel Prize的获得者构成了分子生物学发展的主要内容里程碑,1910 A.Kossel （德）,蛋白质、细胞及细胞核化学的研究（首先分离到A、T和组氨酸）,1958 Joshua Lederberg（美） Phage transduction,Beadle & Tatum（美）One gene-one enzyme红色面包霉突变体,Joshua Lederberg,1959 Ochoa(美籍西班牙裔) Kornberg（美）,Severo Ochoa,Arthur Kornberg,细菌的多核苷酸磷酸化酶，成功地合 成了RNA，基因（DNA）RNA蛋白质,实现了DNA分子在试管内（细菌无细 胞提取液）的复制,1962 Watson（美） Crick（英） Wilkins（新西兰）,通过对DNA分子的X射线衍射研究证实 了DNA Double Helix Model,其中 Crick于1954年提出了中心法则,1962 Kendrew Perutz（英国）,John C. Kendrew,Max F. Perutz,测定了肌红蛋白及血红蛋白的高级结构（三级）,成为研究生物大分子结构的先驱,1965 Jacob Monod （法国）,提出并证实了Operon作为调节细菌细胞代谢的分子机制首次提出mRNA分子的存在,此外，1953年，Zamecnik发现蛋白质的合成场所是核糖体（无细胞系统 放射性同位素标记的氨基酸）,1969 Nirenberg（美） Holly Khorana,Marshall W. Nirenberg,Har Gobind Khorana,Robert W. Holley,破译了遗传密码,酵母PhetRNA的核苷酸序列并证明了所有tRNA三级结构的相似性,第一个合成了核酸分子，并人工复制了酵母基因,1975 Temin & Baltimore(美),Howard M. Temin,David Baltimore,发现了逆转录酶（以RNA为模板，逆转录生成DNA RNA肿瘤病毒）,Frederick Sanger,Walter Gilbert,Paul Berg,1980 Sanger （英） Gilbert & Berg（英）,酶法核苷酸测序的设计者,测定了牛胰岛素的化学结构而获 1958 年的 Nobel 化学奖,化学测序法的设计者,DNA重组，在细菌中表达胰岛素DNA重组技术的元老,1984 Kohler（德） Milstein（美） Jerne（丹麦）,Georges J.F.Kohler,Cesar Milstein,Niels K. Jerne,发展了单克隆抗体(Monoclonal Antibodies McAb)技术，完善了极微量蛋白质的检测技术,1988 McClintock (美),可移动的遗传因子（jumping gene or mobile element）,Barbara McClintock,50年代初发现88年获奖,1989 Altman Cech（美）,核酶即核糖核酸质酶（Ribozyme）的发现者（即某些RNA具有酶的功能）,1989 BishopVarmus（美） 正常细胞同样带有原癌基因,1993 Roberts Sharp（美） 断裂基因（splitting gene）,Mullis（美） PCR仪的发明者 Smith 基因定点突变,1994 Gilman Rodbell 发现G蛋白在细胞信号传导中的作用,1995 Lewis（美）、NussleinVolhard（德）、Wieschaus（美） 20世纪4070年代先后独立鉴定了控制果蝇（ Drosophila ） 体节发育基因,三、分子生物学实际应用的现状和展望, 促进了以基因工程为核心的生物技术的发展，从而 影响经济发展的诸多领域,1、农业方面 生物品种的改良速度更快、目标更准确，甚至创造 新物种 转基因动物猪、牛、羊、鱼等 植物抗虫棉（Bt毒素蛋白基因）、 耐贮藏番茄等,2、 医药方面 利用重组DNA产生的工程菌来大量高效地合成人体 活性多肽（疾病的诊断、预防和治疗），,基因工程疫苗（细菌疫苗、病毒疫苗、寄生虫疫苗） 以及正在研制的癌症疫苗,2、医药,3、 工业方面 * 酶制剂工业用酶的生产、酶的定向改造,* 环保工业上：工程菌 提高降解效率 扩大可降解污染物的种类,* 化学与能源工业上： 重组DNA技术生产丁醇，及用基因工程技术改善微生 物发酵生产丙酮、酒精、醋酸等的转化效率 基因工程修饰过的淀粉及重组DNA技术生产酒精等石 油替代品,* 食品工业上：谷氨酸、调味剂、酒类和油类 例：不含软脂酸的大豆色拉油,生物技术必将在世界人口问题、 疾病问题、人的寿命问题、营养保健问题、农业持续发展问题、资源再利用问题、大气污染问题、世界公害问题、洁净新能源问题等各方面问题的解决中起重要作用,4、分子生物学的发展导致未来生物学的新热点及领域,个体,细胞,分子,还原论,整体论,细胞中的定位,细胞分化,神经基质神经通道信息传递,11个抑癌基因被证实 （P53, P21, ERBA, WT1,NF1 等）,人类基因组计划（HGP）,遗传图物理图序列图表达图,基因定位,比较基因组研究,人与大鼠的基因90%是相同的,蛋白质组（proteome）一词，源于蛋白质（protein）与 基因组（genome）两个词的杂合，意指“一种基因组所表达的全套蛋白质”,即包括一种细胞乃至一种生物所表达的全部蛋白质。蛋白质组的研究不仅能为生命活动规律提供物质基础，也能为众多种疾病机理的阐明及攻克提供理论根据和解决途径。通过对正常个体及病理个体间的蛋白质组比较分析，我们可以找到某些“疾病特异性的蛋白质分子”，它们可成为新药物设计的分子靶点，或者也会为疾病的早期诊断提供分子标志。,Proteome is the total number of proteins produced by an organism.,计算计语言,分辨，提取，分析， 比较， 预测生物信息,生物大分子的结构与功能信息, 生物芯片 DNA芯片 蛋白质芯片,四、基因概念的演变与发展,1、早期的基因概念（遗传的认识）,a、融合遗传理论Blending inheritance,子代具有父母双亲的性状,b、获得性遗传（Iheritance of acquired characters）, 获得的性状是由环境影响, 新性状一旦获得，便能遗传给后代,c、泛生论假说（Hypothesis of the Pangenesis） C.Darwin, 生物体的每一个性状由一个泛生力（panger） 控制,d、种质论（Theroy of germplasm） A. Weismann 著名的老鼠尾巴试验,种质,种质,种质,否定.,e、遗传因子假说（Hypothesis of the inherited factor） Mendel 1866, 生物性状由遗传因子控制, 亲代传给子代的是遗传因子(A. a; B.b), 遗传因子在体细胞内成双(AA.aa)，在生殖细胞内为单, 杂合子后代体细胞内具有成双的遗传因子, 等位的遗传因子独立分离，非等位遗传因子间自由组 合地分配到配子中,该假说彻地否定了泛生论、获得性遗传理论、融合遗传理论,f、代表遗传性状的符号基因（gene）提出 1909 W.L.Johannsen（丹麦）,但并不代表物质实体，还没有涉及到基因的物质概念,2、经典的基因概念（Theory of the gene） 1926 T. H. Morgan,1910年始做果蝇杂交试验，发现“连锁遗传规律” ,并概括提出“基因论”, 基因是染色体上的实体（第一次把基因和染色体联系起来）, 基因象链珠（bead）一样，孤立地成线状排列在染色体上, 基因是集功能、突变、交换三位一体的最小的、不可分割的基本单位（Three in one）,3、基因概念的发展,a、顺反子理论（Theory of cistron） 1955 S. Benzer,其重要的理论基础： “一个基因一个酶”假说 1941 Beadle & Tatum 红色面包酶 Ingram修正为“一个基因一条多肽”,对经典基因概念的第一次重要修正与发展, 基因的化学本质就是DNA分子 1944 Avery. O.T,互补试验,Mut.T4 rII : rII107, rII105, rII51, rII47(400),E.coli B,plane E.coli B,印迹转移 plane E.coli K12,Three in one !,RII region,重组分析,How many genes ?,互补分析,plane E.coli K12,recombination ? !,功能互补function complementary,rII 47 rII106,rII106 rII51,difficult,繁殖propagation,重组recombination,Why?,How?,相 依 为 命 ！,无 能 为 力 ！,不同的非等位基因,同一等位基因,功能互补效应的测验体系,具有,不具有,突变位点 处于,杂合二倍体内，野生型基因对突变型等位基因， 可以发生功能的补偿. 产生功能互补效应,带有不同突变位点的噬菌体同时感染一个E.coli，构 成双突变杂合二倍体，组成互补测验体系，以测定 各突变位点所在基因的等位性。,A gene,B gene,T4噬菌体的r区域包括两个基因rII of T4 phage including two genes,顺反子假说（Theory of cistron）,Cistron 是基因的同义词,Cistron is the genetic unit defined by the cis/trans test; equivalent to gene.,在一个顺反子内，有若干个交换单位 交换子（recon）,基因是一个具有特定功能的，完整的，不可分割的 最小的遗传单位,基因内可以较低频率发生基因内的重组，交换,seudo alleles (假基因)是基因内的突变体,cistron 概念的提出是对经典的基因概念的动摇 是对pseudo alleles概念的修正,b、 等位基因（Allele, Allomorph）概念的发展,位于一对同源染色体的相同位置上控制某一性状的不同形态的基因,Allele 同一座位存在的两个以上不同状态的基因, 其总和称之为复等位基因（multiple alleles）（A, a1, a2.）,位点（site ）,Gene locus,ATTCGGAGCT,ATTCAGAGCT (mut2),ATTCAGAGCT,ATTCGGAGCT (mut1),全同等位基因 在同一基因座位(locus)中，同一突变位点（site）向不同方向发生突变所形成的等位基因( homoallele ),非全同等位基因；在同一基因座位（locus）中，不同突变位点（site）发生突变所形成的等位基因。( heteroallele ),site,Gene locus,site,ATTCGGAGCT,ATTCGGAGAT (mut),ATTCTGAGAT,ATTCTGAGCT (W.t),one gene one function (Ribozyme, Abzyme, rDNA, tDNA.),one gene one enzyme,Lac. Operon,C、 操纵子理论 (Lactose operon 1961. Jacob, Monod ),基因功能的表现是若干基因组成的信息表达的整体行为,one gene one peptide,d、新的发现 概念,断裂基因、重叠基因、跳跃基因,张玉静等.分子遗传学 科学出版社.2000,Robert F.Weaver Molecular Biology科学出版社 影印版,Turner.PC et al 分子生物学精要速览影印版. 科学出版社 2001,吴乃虎等 基因工程原理科学出版社,