分子生物学发展历程PPT课件.ppt

1、 MILESTONE近半个世近半个世纪以来纪以来 Nobel medal Half a pound of 23-karal gold. 2.5 inches across近半个世近半个世纪以来纪以来1.3.1.分子生物学支分子生物学支撑学科的崛起撑学科的崛起进化论 物竟天择 适者生存从根基上动摇 了上帝创造万 物的“创世说”1859 Charles Darwin”物种起源”自然选择 生存斗争 生物体由细胞组成生物体由细胞组成 所有组织的最基本单元所有组织的最基本单元-形状相似，高度分化的细胞形状相似，高度分化的细胞 细胞的发生与形成是生物界普遍和永久的规律细胞的发生与形成是生物界普遍和永久的规

2、律Cytology 1839-1847 Matthias Schleiden Theodor Schwann 身世不同身世不同 志同道合志同道合“进化论进化论” “细胞学细胞学”实验性的生命科学实验性的生命科学观察、比较、鉴定观察、比较、鉴定的描述性生物学的描述性生物学 遗传因子假说遗传因子假说 (Hypothesis of the inherited factor G. J. Mendel 1866. ) 生物性状由遗传因子控制生物性状由遗传因子控制Mendel临终前说；临终前说；Gregor Mendel 1822-1884 等着瞧吧，等着瞧吧，我的时代总有一天会来临我的时代总有一天会来临

3、for his discoveries concerning the role played by the Chromosome in heredity , demonstrated that genes are on the chromosomeThomas Hunt Morgan 1933分析突变体在世代间的传递规律研究基因的特性和染色体的定位描述基因突变和染色体变异效应早期的遗传学家们研究基因早期的遗传学家们研究基因Forward Genetics在不知基因化学本质的前提下遗传学是依靠逻辑分析的推理性科学二十世纪中叶二十世纪中叶的遗传学家们不再的遗传学家们不再满足于基因的满足于基因的抽象

4、观念抽象观念!将研究的前沿聚焦到揭示基因的将研究的前沿聚焦到揭示基因的本质本质和它们的作用和它们的作用机制机制!Biochemistry的双重使命：的双重使命：分析细胞的组成成分（静态生化）分析细胞的组成成分（静态生化）研究物质的代谢规律（动态生化）研究物质的代谢规律（动态生化） 组成蛋白质的组成蛋白质的20种基本氨基酸被揭示种基本氨基酸被揭示 蛋白质中连接氨基酸的蛋白质中连接氨基酸的“肽键肽键”被证实被证实 糖酵解途径、尿素循环、三羧酸循环的发现糖酵解途径、尿素循环、三羧酸循环的发现 “pH” 概念，概念，“缓冲缓冲”系统，系统，“胶体胶体”理论理论 大分子之间以氢键和离子键互作重要性的揭示

5、大分子之间以氢键和离子键互作重要性的揭示 十九世纪末到二十世纪初十九世纪末到二十世纪初生物化学的重要发展时期生物化学的重要发展时期 for their preparation of enzymes and virus proteins in a pure formJames Batcheller Sumner John Howard Northrop Wendell Meredith Stanley Cornell University Rockefeller Institute USA Rockefeller Institute USA The Nobel Prize in Chemistr

6、y 1946for his discovery that enzymes can be crystallizedThe Nobel Prize in Chemistry 19581958 J. Lederberg (33y)Phage transductionfor his work on the structure of proteins, especially that of insulinFrederick Sanger Rich phosphate bonds of ATP - EnergyS. Ochoa (54y)A. Kornberg (41y)Isolation of DNA

7、polymerase IThe Nobel Prize 1959遗传学和生物化学是遗传学和生物化学是分子生物学分子生物学发展的根基发展的根基分子生物学分子生物学是遗传学和是遗传学和生物化学融合的结果生物化学融合的结果研究遗传物质基因的本质研究遗传物质基因的本质理解基因调控生化代谢过程理解基因调控生化代谢过程进入进入1.3.2.分子生物学史的分子生物学史的第一个重要发现第一个重要发现 One gene One enzyme1941年，年，George Beadle和和Edward TatumNeurospora crassa （粉色面包霉菌）（粉色面包霉菌）提出的提出的“ one gene on

8、e enzyme”的假说的假说（获得获得1958年年Nobel奖奖）说明了基因的生化作用本质是控制酶的合成说明了基因的生化作用本质是控制酶的合成G. Beadle & E. Tatum 生物化学和遗传生物化学和遗传学之间的学之间的联合迈联合迈出的第一步出的第一步，也，也是分子生物学的是分子生物学的第一个重要发现第一个重要发现1.3.3.奥斯瓦德奥斯瓦德埃弗里埃弗里Oswald Avery的历史贡献的历史贡献 1948. retired, The Nobel committee has been criticized for not recognizing Averys achievement

9、before his death ( 1877-1955 ) 分子生物学领分子生物学领域里的孟德尔域里的孟德尔1928-1944 进行进行16年的肺炎链球菌遗传转化研究年的肺炎链球菌遗传转化研究证明证明DNA是转化因子是转化因子 The lifelong pity was due to. 科学家对核酸的了解还知之甚少科学家对核酸的了解还知之甚少 DNA分子的功能也就更不为人知分子的功能也就更不为人知 蛋白质可能是遗传专一性的决定分子蛋白质可能是遗传专一性的决定分子 DNase失活实验中未能完全排除对蛋白酶的失活失活实验中未能完全排除对蛋白酶的失活第一个动摇了第一个动摇了“蛋白质是基因蛋白质是基

10、因”的理的理念奠定了念奠定了“DNA是遗传物质是遗传物质”的理论的理论基础基础1952年（年（ 8年后）年后）M. Delbruck，S.E. Luria，A. Hershey 对噬菌体繁殖过程开展了深入的研究对噬菌体繁殖过程开展了深入的研究证明了证明了DNA是主要的遗传物质是主要的遗传物质尽管尽管Avery的实验的实验未引起概念的革命未引起概念的革命 但他的研究工作引起了但他的研究工作引起了Erwin Chargaff的极大兴趣的极大兴趣为提出为提出DNA双螺旋结构模型起到了非常重要的作用双螺旋结构模型起到了非常重要的作用medalDelbruck Delbruck 1969 Nobel H

11、ersheyHersheyLuria Luria D.H.L成功的因素成功的因素 人们已经认识到人们已经认识到DNA可能在遗传过程中重要作用可能在遗传过程中重要作用 他们的科学论文几乎与他们的科学论文几乎与Watson, Crick的论文同时的论文同时 发表，从而得到了媒体的广泛宣传发表，从而得到了媒体的广泛宣传 O. Avery是孤立的研究者，较少参加学术交流与是孤立的研究者，较少参加学术交流与 科学讨论，研究结果未能引起人们的注意科学讨论，研究结果未能引起人们的注意 D.H.L.的结果通过的结果通过“噬菌体研究组噬菌体研究组”的学术关系的学术关系 和网络得到了迅速的传播和广泛的理解和网络得

12、到了迅速的传播和广泛的理解1.3.4.DNA双螺旋结构的揭示双螺旋结构的揭示分子生物学的重要里程碑分子生物学的重要里程碑1951. James Watson （Luria的第一个研究生的第一个研究生 23y)丹麦丹麦 哥本哈根哥本哈根 Kalckar Lab.Post-DoKings Lab. London Univ. 35y Francis Crick 23y James Watson1951 Cavendish Lab.Cambridge University UK性格不同，专业互补性格不同，专业互补紧密合作，锁定目标紧密合作，锁定目标开创了一种研究风格开创了一种研究风格“对文章和实验进行

13、讨对文章和实验进行讨论交流是重中之重，论交流是重中之重，理论和讨论比实验和理论和讨论比实验和观察更为重要观察更为重要”。在确定在确定DNA分子结构的研究分子结构的研究中，没有用中，没有用DNA分子做任何分子做任何一个实验！一个实验！“研究与讨论，分析与研究与讨论，分析与推论是建立在大量实推论是建立在大量实验数据和科学论文的验数据和科学论文的基础上的基础上的”性格不同，专业互补性格不同，专业互补紧密合作，锁定目标紧密合作，锁定目标在确定在确定DNA分子结构的研分子结构的研究中，没有用究中，没有用DNA分子做分子做任何任何一个实验！一个实验！Imagination is more importan

14、t than knowledge海阔天空的想海阔天空的想脚踏实地的干脚踏实地的干“DNADNA双螺旋结构双螺旋结构”故事如果缺少了对故事如果缺少了对Rosalind Franklin悲剧命运的描述悲剧命运的描述 那么这个故事将是不完整的那么这个故事将是不完整的! ! Kings Lab. London University UKRosalind Franklin 核糖与磷酸连接成的扭曲绳子，每核糖与磷酸连接成的扭曲绳子，每一节上都有配对的碱基一节上都有配对的碱基优秀女科学家优秀女科学家在双螺旋结构发现几年后，因癌症而病逝，在双螺旋结构发现几年后，因癌症而病逝，对揭示对揭示DNA双螺旋结构作出过

15、重要贡献，但却受到双螺旋结构作出过重要贡献，但却受到歧视和不公待遇歧视和不公待遇 助手！待遇！助手！待遇！背景！交流！背景！交流！ Xray photograph of DNA with high quality James Watson (34y)Francis Crick (46y)Maurice Wilkins (46y)DNA Double Helix model 19531962 1.3.5. 遗传密码的破译遗传密码的破译破解遗传密码破解遗传密码DNA双螺旋结构揭示之后的又一研究热点双螺旋结构揭示之后的又一研究热点遗传学家：遗传学家：根据根据DNA的结构和基因在细胞中的的结构和基因在

16、细胞中的作用进行推断作用进行推断 生物化学家：生物化学家：建立体外的蛋白质合成系统建立体外的蛋白质合成系统生物化学家在破解遗传密码中所作出的贡生物化学家在破解遗传密码中所作出的贡献成为分子生物学中最卓越的发现之一献成为分子生物学中最卓越的发现之一同在美国华盛顿国家关节炎和同在美国华盛顿国家关节炎和代谢疾病研究所工作的两位名代谢疾病研究所工作的两位名不见经传的德国生物学家不见经传的德国生物学家约翰约翰马太马太(Johann Heinrich Matthaei） 和马歇尔和马歇尔尼伦伯格尼伦伯格(Marshall Nirenberg）的成功完的成功完全是靠运气！全是靠运气！ Marshall Ni

17、renberg1968 NP22/May/1961，Mon J. Matthaei: 细菌提取物、可溶性细菌提取物、可溶性RNA组分组分 （tRNA）、）、20种种(其中其中16种被标记种被标记) ATP、缓冲液、缓冲液、polyU 混合，混合，35下，下，1hr，结果表明：结果表明：polyU存在时，被标记的存在时，被标记的aa进入到蛋白质中进入到蛋白质中27/May/1961，Sat 答答 案：案： polyU存在时，存在时， 合成了合成了PhePhePhe.肽链肽链1周时间内：周时间内： J. Matthaei 破译了第一个遗传密码破译了第一个遗传密码 Aug/1961 , Nov/19

18、61 (3个月内个月内) 两篇文章投稿两篇文章投稿 遗传密码的破译找到了突破口遗传密码的破译找到了突破口Ser-C14. Leu-C14 . Lys-C14 . Gly-C14 . Marshall Nirenberg体外蛋白质合成系统方法进行改进体外蛋白质合成系统方法进行改进利用不同利用不同polyNt指导蛋白质的合成指导蛋白质的合成 Nirenberg 15分钟的分组报告 到会者寥寥无几，但内容被传向Crick Crick意识到Nirenberg和Matthaei工作的重要价值 Nirenberg被再次被再次邀请大会报告邀请大会报告 与会者被震惊，并成为大会的学术焦点Gobind Khor

19、ana建立了合成具有特定碱基序列的建立了合成具有特定碱基序列的oligo dNtoligo dNt的有效方法的有效方法简便快速简便快速.促进了在随后内促进了在随后内5 5年所有密码的破译年所有密码的破译R. Holley H.G. Khorana M. Nirenberg H. Gobind Khorana(46y) How to synthesize triplet RNAMarshall Nirenberg(41y) Genetic codenRobert Holley(46y)tRNAphe cloverleaf structure1968 NP1.3.6. mRNA的发现的发现 ope

20、ron的提出的提出 直到直到1960年：年：DNARNA蛋白质蛋白质之间的关系之间的关系仍未获得有力的实验证据仍未获得有力的实验证据 仍未提出明确的科学阐明仍未提出明确的科学阐明证明证明“遗传密码的携带者遗传密码的携带者mRNA的存在的存在”关键：关键： Francois Jacob Jacques Monod 基因通过基因通过RNA严格地控制着蛋白质的合成严格地控制着蛋白质的合成 Naming as “messenger RNA”Arthur PardeeFrancois Jacob Jacques Monod通过通过 (Pa-Ja-Mo)大量实验最终证明大量实验最终证明F. Jacob (

21、44y)J. Monod (55y)A. Lwoff (63y)Lac. OperonConcept of mRNA暗示了暗示了“三联体遗传密码三联体遗传密码”以外的以外的“空间调控密码空间调控密码”的存在，为分子生物学的存在，为分子生物学的发展奠定了基础的发展奠定了基础NP 1965central dogma 1.3.7中心法则的发展中心法则的发展 1975 NP 丰富和发展了丰富和发展了“中心法则中心法则”为遗传工程提供了最重要的工具酶为遗传工程提供了最重要的工具酶1970年年David Baltimore 分离到分离到Reverse Transcriptase8年后，科学界年后，科学界才

22、确信才确信“中心中心法则法则”被被“逆逆转转”了了1962年年Howard Temin发现了发现了Reverse Transcriptioncentral dogma 1.3.8 科学技术科学技术 互促共进互促共进 科学科学为为技术技术的发明与提升提供理论依据的发明与提升提供理论依据技术技术为为科学科学的发现与研究提供方法手段的发现与研究提供方法手段 DNA分子的克隆技术分子的克隆技术基因的定点诱变技术基因的定点诱变技术PCR的的DNA扩增技术扩增技术细胞与组织培养技术细胞与组织培养技术使分子生物学从使分子生物学从观察性观察性-验证性验证性的科学的科学发展成发展成干涉性干涉性-创造性创造性的科

23、学的科学遗传工程引发了一场分子生物学革命遗传工程引发了一场分子生物学革命不仅能将目标基因定向引入到其他物种中去不仅能将目标基因定向引入到其他物种中去而且可以利用细菌对目的而且可以利用细菌对目的DNA分子进行克隆分子进行克隆基于基于“遗传重组遗传重组”技术的技术的生物学的理论生物学的理论不断创不断创新新基于基于“遗传工程遗传工程”技术的技术的生物遗传改良生物遗传改良成效明成效明显显有关基因工程技术发明获得有关基因工程技术发明获得Nobel奖奖 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1978for the discovery of restrictio

24、n enzymes and their application to problems of molecular genetics Werner Arber Daniel Nathans Hamilton O. Smith discoveryapplicationidentify虽然，虽然，没有任何一项技术具有原创性没有任何一项技术具有原创性但是，但是，利用已报道的多项技术，利用已报道的多项技术， 创造性地实现了不同创造性地实现了不同DNADNA分子的体外重组分子的体外重组SV40 DNAEcoRIRecombination DNA“遗传工程遗传工程”的奠基工的奠基工作作为分子生物学的研究和遗

25、传改造为分子生物学的研究和遗传改造展示了一个清晰而又美好的前景展示了一个清晰而又美好的前景具有与沃森和克里克发现具有与沃森和克里克发现DNA双双螺旋结构模型同样的开拓性价值螺旋结构模型同样的开拓性价值NP 1980Paul Berg The Nobel Prize in Chemistry 1980the determination of base sequences in nucleic acidsWalter Gilbert Frederick Sanger 1958 NPFor structure of proteins especially that of insulinThe Nob

26、el Prize in Chemistry 1993for his invention of the polymerase chain reaction (PCR) methodKary B. Mullis 生物化学博士学位生物化学博士学位1979年受雇于Cetus生物技术公司，专门制备用作探针的寡聚核苷酸, 在1983年4月的一个周五晚上, 当他在加利福尼亚的山坡上开车前往度周末的小屋时他突发其想。突发其想。加速分子生物学发展进程加速分子生物学发展进程的一项的一项“晚熟却简单晚熟却简单”技技术术“晚熟晚熟”的技术的技术“DNA聚合酶聚合酶 ”的酶学性质早在的酶学性质早在1955年就被年就被A

27、. Kornberg 证明，分离和鉴定。它应该在证明，分离和鉴定。它应该在60年代年代后被建立起来后被建立起来！而且当时而且当时J. Lederberg和和A. Kornberg就已经讨论过用就已经讨论过用“DNA聚合酶获取大量聚合酶获取大量DNA的可能性的可能性”。并且。并且 Kornberg 利用高纯度的酶，能够使利用高纯度的酶，能够使DNA在体外进行在体外进行20倍倍的复制。的复制。经过几个月的准备后，实验立刻获得了成功。经过几个月的准备后，实验立刻获得了成功。Taq Pol 的成功提取又的成功提取又 推进了扩增反应的自动化进程。推进了扩增反应的自动化进程。 “简单简单”的技术的技术引物

28、设计模板变性引物配对子链延伸重复往返引物设计模板变性引物配对子链延伸重复往返但当他询问他人但当他询问他人这种过于简单的想法这种过于简单的想法时，却遇到了时，却遇到了礼貌但礼貌但不热情的反应不热情的反应。Specific synthesis of DNA in vitro via polymerase-catalyzed chain reaction) 投稿投稿Nature和和Science 结果统统被拒，直到结果统统被拒，直到1987年才发表在年才发表在 （Methods in Enzymology) IF = 1.904 作为一项作为一项“扩增扩增”DNA的技术，尽管它本身的技术，尽管它本身

29、并未并未开辟分子生物学新的研究领域开辟分子生物学新的研究领域，但这项但这项简单而简单而又晚熟又晚熟的发明对分子生物学家研究工作的影响的发明对分子生物学家研究工作的影响程度超过了其他任何技术，它的应用领域几乎程度超过了其他任何技术，它的应用领域几乎超过了其他任何技术。超过了其他任何技术。几年内以几年内以PCR为技术基为技术基础的科技论文数如同该技术本身的特征一样，础的科技论文数如同该技术本身的特征一样，以几何级数的方式增长。以几何级数的方式增长。The Nobel Prize in Chemistry 1993for site-directed mutagenesis and its devel

30、opment for protein studiesMichael Smith University of British Columbia Vancouver, Canada 1932 - 20001.3.9现代分子生现代分子生物学的发展物学的发展研究对象的变换研究对象的变换研究策略的创新研究策略的创新研究内容的拓展研究内容的拓展现代分子生物学发展史的三大转折现代分子生物学发展史的三大转折研究对象的变换研究对象的变换以果蝇，豌豆为揭示以果蝇，豌豆为揭示生命奥秘的材料系统生命奥秘的材料系统 高等真核生物高等真核生物宏观与微观的结合宏观与微观的结合Phage group40年代以病毒，细菌原核生

31、物系年代以病毒，细菌原核生物系统为试材，统为试材，Cistron，one gene one enzyme，operon, 等新理论等新理论不断被发现，新概念不断被提出，不断被发现，新概念不断被提出，生物学开始腾飞生物学开始腾飞. 1969 Nobel medalDelbruck Delbruck 1969 Nobel medalHersheyHersheyLuria Luria 高等真核生物高等真核生物进化水平，细胞分化进化水平，细胞分化组织特化，个体发育组织特化，个体发育重复序列，基因概念重复序列，基因概念人类健康，农业生态人类健康，农业生态已成为分子生物学家已成为分子生物学家狂热追踪的学科

32、前沿狂热追踪的学科前沿DNA transposable element1983. The Nobel Prize Barbara McClintock (81y)1902-1992The Nobel Prize in Chemistry 1989for their discovery of catalytic properties of RNA RibozymeSidney Altman Thomas R. Cech Yale University New Haven, CT, USA University of Colorado Boulder, CO, USA 1939 - 1947 Th

33、e NP 1993split genes In 1978Richard J. Roberts Phillip A. Sharpmini revolution discovered Genetic control of early development in DrosophilaEdward B. ewisChristiane Nsslein-VolhardEric F. Wieschaus The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1995Stanley B. Prusiner University of California,School of M

34、edicine USA 1942 - for his discovery of Prions - a new biological principle of infection1997 NPdiscovered key regulators of the cell cycleLeland H. Hartwell R. Timothy(Tim) Hunt Sir Paul M. NurseNP 2001 Programmed Cell Death (PCD) and developmentS. Brenner(75y)H. R. Horvitz(55y)J. E. Sulston(60y)200

35、2for their discovery of RNA interference - gene silencing by double-stranded RNA.NP 2006 Andrew Z. Fire 1959Craig C. Mello 196047年前，当时只有年前，当时只有12岁的岁的Roger Kornberg观看他的父亲观看他的父亲阿瑟阿瑟-科科恩伯格恩伯格接受诺贝尔医学奖接受诺贝尔医学奖(1955年（年（DNA复制）复制）)。2006年年R. Kornberg的成就则是阐述了基因信息是如何从的成就则是阐述了基因信息是如何从DNA被被转录至信使转录至信使RNA的。他制作了详细的

36、检晶仪图片，形容了真核细胞转的。他制作了详细的检晶仪图片，形容了真核细胞转录的整个运传情况。可以看到新的录的整个运传情况。可以看到新的RNA反转录脢是如何演变的，和数反转录脢是如何演变的，和数个转录过程中必需的其它分子的作用。使人们可以理解转录机制和转个转录过程中必需的其它分子的作用。使人们可以理解转录机制和转录是如何被管理的录是如何被管理的 化学奖授予 R. Kormberg1990. 10. 1. HGP Reductionism20世纪世纪 Holism21世纪世纪 Genomics（strategy change）genomicsGene + ome+ ics Transcriptom

37、e Proteome Metabolome Phenotypome揭示生命现揭示生命现象的本质象的本质Functional Genomics!?研究内容的拓展研究内容的拓展19401965分子生物学的核分子生物学的核心问题：心问题：DNA作作为遗传物质的三为遗传物质的三大基本属性问题大基本属性问题得以基本的阐明得以基本的阐明分子生物学发分子生物学发展史上划了个展史上划了个阶段性的句号阶段性的句号分子生物学研究分子生物学研究在已建立的基本在已建立的基本理论框架中理论框架中进行进行全方位全方位的的“解谜解谜”生命现象的生命现象的“分子观分子观”迅速向迅速向其他生物学领域渗透其他生物学领域渗透 “分

38、子分子化化”的生物学学科逐渐形成的生物学学科逐渐形成 分子生物学分子生物学分子结构生物学分子结构生物学分子发育生物学分子发育生物学分子神经生物学分子神经生物学分子育种学分子育种学分子肿瘤学分子肿瘤学分子细胞生物学分子细胞生物学分子免疫学分子免疫学分子病毒学分子病毒学分子生理学分子生理学分子考古学分子考古学分子遗传学分子遗传学分子数量遗传学分子数量遗传学分子生态学分子生态学分子进化学分子进化学.分子生物学的延伸分子生物学的延伸分子生物学分子生物学已经渗透到生物学的几乎所有领域已经渗透到生物学的几乎所有领域分子生物学分子生物学已经成为生命科学领域的带头学科已经成为生命科学领域的带头学科Modern Biology分分子子进进化化论论提问与解答环节Questions And Answers谢谢聆听 学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal