分子生物学第一章绪论.ppt

分 子 生 物 学Molecular Biology,谭树华（博士、教授）生 命 科 学 与 技 术 学 院TEL：；E-mail：,主要参考书,1.赵亚华.分子生物学教程,科学出版社,2006,第2版.2.朱玉贤,李毅.现代分子生物学,高等教育出版社,2007,第3版.3.Benjemin Lewin,Genes,Pearson Education,Inc,2004.本杰明.卢因著,赵寿元译.基因精要,科学出版社,2007,第 1版.4.James D.Watson et al.Molecular biologe of the gene 5th ed.,Benjemin Cummings,2004.沃森等著,杨焕民等译.基因的分子生物学,科学出版社,2005,第1版.Robert F.Weaver.Molecular biology 3rd ed.,McGraw-Hill Companies,2004.,作者：李兴玉主编出 版 社：化学工业出版社 出版时间：2009年03月I S B N：9787122044037|7122044033,1、绪论2、染色体与DNA 3、生物信息的传递（上）从DNA到RNA4、生物信息的传递（下）从mRNA到蛋白质5、分子生物学研究方法6、基因的表达与调控（上）原核7、基因的表达与调控（下）真核8、疾病与人类健康（癌症、病毒和基因治疗）9、基因与发育10、基因组与比较基因组学,主要授课内容,第一章 绪 论第一节 分子生物学概述,一、分子生物学的定义,分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子的结构与功能，并从分子水平上阐述蛋白质与核酸、蛋白质与蛋白质之间相互作用的关系及其基因表达调控机制的学科。它是人类从分子水平上真正揭开生物世界的奥秘，由被动地适应自然界向主动改造和重组自然界的基础学科。,分子生物学是从分子水平研究生命本质为目的的一门新兴边缘学科，它以核酸和蛋白质等生物大分子的结构及其在遗传信息和细胞信息传递中的作用为研究对象，是当前生命科学中发展最快并正在与其它学科广泛交叉与渗透的重要前沿领域。,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.Molecular biology is the study of genes and their activities at the molecular level,including transcription,translation,DNA replication,recombination and translocation.-Robert Weaver,Prokaryotic cell,Eukaryotic cell,Protein,DNA,RNA,细胞与生物大分子,Polysaccharides,lipids,Complex macromolecules including these molecules,二、分子生物学研究内容,基因与基因组的结构与功能 DNA的复制、转录与翻译 基因表达与调控 DNA重组技术 结构分子生物学,三、The relationship of Molecular Biology with other biological subjects,Life Sciences,MedicalSciences,Biology,Agri.Sciences,Macro(outdoor),Micro(indoor),Ecology,BehaviorEvolutionSystematics,MolecularBiology,Biochem,Microbiol,CellBiology,MolGenetics,Dev Biol,Immunol,MolNeurobiol,Others,Crop sciencesAnimal husbandryVeterinary,Pathology,clinic medicinePreventive medicineetc,分子生物学除与生物化学和遗传学关系密切外，与生命科学的其它领域如细胞生物学、发育生物学、神经生物学、生理学等学科也关系密切，分子生物学明显地促进这些学科的深入发展，同时，这些学科也为分子生物学提供了越来越广阔的研究领域。,因此，生命科学各个领域的研究工作者(包括生物科学、生物技术、生物工程、医学和农学)，都需要掌握分子生物学的基本理论和基本技术，分子生物学领域的科学工作者，也需要熟悉相关领域的基本理论和基本技术，以拓展自己的研究领域。,四、分子生物学发展简史,分子生物学发展大致分为三个阶段:(一)准备和酝酿阶段（19世纪后期到20世纪50年代初）1、确定了蛋白质是生命的主要物质基础;Sumner在1936年证实酶是蛋白质。Sanger于1953年利用纸电泳及层析技术首次阐明胰岛素的一级结构。Kendrew和Perutz利用X射线衍射技术解析了肌红蛋白（myoglobin）及血红蛋白（hemoglobin）的三维结构。,1928年英国微生物学家Griffith.F做了肺炎双球菌的实验转化实验,2、确定了生物遗传物质基础是DNA,1944年，美国微生物学家Avery证明基因就是DNA分子，提出 DNA是遗传信息的载体，而过去认为蛋白质是遗传的基础。,Hershey和Chase（1952）关于DNA是遗传物质的实验,1957年，Heinz Fraenkel-Conrat和B.Singre的杂合病毒实验：,烟草花叶病毒的感染和繁殖过程证实RNA也是重要的遗传物质。,(二)现代分子生物学的建立和发展阶段（20世纪50年代初到70年代初）,1、DNA双螺旋结构模型（1953）(现代分子生物学诞生的里程碑),1953年，美国科学家Watson 和英国科学家Crick提出 DNA Double Helix model,1962年Watson、Crick与Wilkins共享诺贝尔生理医学奖,通过对DNA分子的X射线衍射研究证实了前两者提出的DNA的模型,2、遗传信息传递中心法则的建立,1954年Crick提出中心法则。,中国科学院2001年硕士入学考试分子遗传学试题:何谓中心法则？如何基于该法则来解释生物形状的遗传和变异？（10分）,半保留复制是遗传消息能准确传代的保证。是物质稳性的分子基础。,3、1958年 Meselson和Stahl证明DNA半保留复制,Stahl,Meselson,4、1961年，法国科学家Jacob（雅各布）和Monod（莫诺）提出操纵子学说,1965年获得诺贝尔生理医学奖,5、1968年，Nirenberg、Holly和 Khorana由于破译了遗传密码而分享诺贝尔生理医学奖。,1972-Berg,EcoRI recognition sites,phage DNA,EcoRI cuts DNA into fragments,Sticky end,SV40 DNA,The two fragments stick together by base pairing,DNA ligase,Recombinant DNA,(三)现代分子生物学深入发展的阶段,1、重组DNA技术的建立和发展,1972年,Boyer获得第一个重组DNA分子,Sanger还由于测定了牛胰岛素的一级结构而获得1958年诺贝尔化学奖。,1977年，Sanger等人发明了一种DNA序列测定方法（双脱氧链终止法）1980年，与Gilbert和Berg共享诺贝尔化学奖,2、单克隆抗体及基因工程抗体技术,1984 Kohler（德）Milstein（美）Jerne（丹麦）,科莱尔Kohler,米尔斯坦Milstein,杰尼 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 麦克林托克 McClintock(美),可移动的遗传因子（jumping gene or mobile element）,McClintock,50年代初发现88年获奖,1989 奥尔特曼 Altman（加）切赫 Cech（美）,核酶（Ribozyme）的发现者（即某些RNA具有酶的功能）,目前分子生物学已经从研究单个基因发展到研究生物整个基因组的结构与功能。测定一个生物基因组核酸的全序列无疑对理解这一生物的生命信息及其功能有极大的意义。1977年Sanger测定了X174-DNA全部5375个核苷酸的序列；1978年Fiers等测出SV40 DNA全部5224对碱基序列；80年代噬菌体DNA全部48,502碱基对的序列全部测出；一些小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因组的全序列也陆续被测定；1996年底许多科学家共同努力测出了大肠杆菌基因组DNA的全序列长4x106碱基对。,3、中心法则的深入研究与发展-基因组学（Genomics),1990年人类基因组计划（Human Genome Project）开始实施，这是生命科学领域有史以来全球性最庞大的研究计划，2003年4月，美、日、英、法、俄、中六国科学家测定出人基因组全部DNA3x109碱基对的序列、确定人类约3.5万个基因的一级结构，这使得人类能够更好掌握自己的命运。,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,功能基因组学(Functional Genomics or postGenomics)研究内容包括基因功能发现、基因表达分析及突变检测。,蛋白质组学（Proteome）大规模水平上研究蛋白质的特征，包括蛋白质的表达水平，翻译后的修饰，蛋白与蛋白相互等，由此获得蛋白质水平上的关于疾病发生，细胞代谢等过程的整体而全面的认识。,4、基因表达调控机理,分子遗传学基本理论建立者Jacob和Monod最早提出的操纵元学说打开了人类认识基因表达调控的窗口，在分子遗传学基本理论建立的60年代，人们主要认识了原核生物基因表达调控的一些规律，70年代以后才逐渐认识了真核基因组结构和调控的复杂性。1977年最先发现猴SV40病毒和腺病毒中编码蛋白质的基因序列是不连续的，这种基因内部的间隔区（内含子）在真核基因组中是普遍存在的，揭开了认识真核基因组结构和调控的序幕。1981年Cech等发现四膜虫rRNA的自我剪接，从而发现核酶（ribozyme）。80-90年代，使人们逐步认识到真核基因的顺式调控元件与反式转录因子、核酸与蛋白质间的分子识别与相互作用是基因表达调控根本所在。,5、细胞信号转导机理研究,细胞信号转导机理的研究可以追述至50年代。Sutherland1957年发现cAMP，1965年提出第二信使学说，是人们认识受体介导的细胞信号转导的第一个里程碑。1977年Ross等用重组实验证实G蛋白的存在和功能，将G蛋白与腺苷环化酶的作用相联系起来，深化了对G蛋白偶联信号转导途径的认识。70年代中期以后，癌基因和抑癌基因的发现、蛋白酪氨酸激酶的发现及其结构与功能的深入研究、各种受体蛋白基因的克隆和结构功能的探索等，使近10年来细胞信号转导的研究更有了长足的进步。,目前，对于某些细胞中的一些信号转导途径已经有了初步的认识，尤其是在免疫活性细胞对抗原的识别及其活化信号的传递途径方面和细胞增殖控制方面等都形成了一些基本的概念，当然要达到最终目标还需相当长时间的努力。,五、分子生物学与医药研究,（一）与医学研究 由于分子生物学涉及认识生命的本质，它也就自然广泛的渗透到医学各学科领域中，成为现代医学重要的基础。在医学各个学科中，包括生理学、微生物学、免疫学、病理学、药理学以及临床各学科分子生物学都正在广泛地形成交叉与渗透，形成了一些交叉学科，如分子免疫学、分子病毒学、分子病理学和分子药理学等，大大促进了医学的发展。,分子生物学的延伸,分子生物学已经渗透到生物学的几乎所有领域分子生物学已经成为生命科学领域的带头学科,（二）与药学研究 1、促进了生物技术药物的诞生与发展 2、促进了新药靶标的发现，为新药设计和筛选奠定了基础 3、为阐明药物作用的分子机制提供了基础,六、21世纪分子生物学发展趋势,21世纪是生命科学世纪，生物经济时代。结构基因组学、功能基因组学、蛋白质组学、生物信息学、信号跨膜转导将成为新的热门领域。,研究细胞内、细胞间信息传递的分子基础。构成生物体的每一个细胞的分裂与分化及其它各种功能的完成均依赖于外界环境所赋予的各种指示信号。在这些外源信号的刺激下，细胞可以将这些信号转变为一系列的生物化学变化，例如蛋白质构象的转变、蛋白质分子的磷酸化以及蛋白与蛋白相互作用的变化等，从而使其增殖、分化及分泌状态等发生改变以适应内外环境的需要。信号转导研究的目标是阐明这些变化的分子机理，明确每一种信号转导与传递的途径及参与该途径的所有分子的作用和调节方式以及认识各种途径间的网络控制系统。信号转导机理的研究在理论和技术方面与上述核酸及蛋白质分子有着紧密的联系，是当前分子生物学发展最迅速的领域之一。,