1、朱玉贤现代分子生物学现代分子生物学，高等教育出版社卢向阳 分子生物学分子生物学，中国农业大学出版社孙乃恩分子遗传学分子遗传学，南京大学出版社 阎隆飞分子生物学分子生物学，中国农业大学出版社李振刚分子遗传学分子遗传学，科学出版社沈羽非真核基因表达调控真核基因表达调控，北京高等教育出版社Lewin,B,Genes X,Genes,Oxford University PressTurner P.C.et al.Molecular Biology.科学出版社 Weaver R.Molecular Biology.科学出版社分子生物学实验参考书目分子生物学实验参考书目1.1.分子克隆实验指南分子克隆实验
2、指南2.2.精编分子生物学实验指南精编分子生物学实验指南3.3.PCRPCR技术实验指南技术实验指南4.4.分子生物学实验基础分子生物学实验基础5.5.细胞生物细胞生物学实验方案学实验方案6.6.现代分子生物学实验技术现代分子生物学实验技术7.7.分子生物学实验技术分子生物学实验技术8.8.分子生物学基础技术分子生物学基础技术分子生物学主要参考杂志分子生物学主要参考杂志Cell32.403PNAS 14.629J of Experimental Medicine14.384Plant Journal 6.432Plant physiology 6.535Nature 36.28Nature M
3、edicine 28.114New England J of Medicine53.298Science 31.676Plant cell 8.987 1.1.绪论（绪论（2 2）2.2.染色体与染色体与DNA DNA（6 6）3.3.生物信息的传递（上）生物信息的传递（上）从从DNADNA到到RNARNA（6 6）4.4.生物信息的传递（下）生物信息的传递（下）从从mRNAmRNA到蛋白质（到蛋白质（6 6）5.5.分子生物学研究方法（分子生物学研究方法（8 8）6.6.基因的表达与调控（上）基因的表达与调控（上）原核（原核（6 6）7.7.基因的表达与调控（下）基因的表达与调控（下）真核（
4、真核（6 6）8.8.疾病与人类健康（自学）疾病与人类健康（自学）9.9.基因与发育（自学）基因与发育（自学）10.10.基因组与比较基因组学（自学）基因组与比较基因组学（自学）11.11.课程讨论及复习（课程讨论及复习（2 2）纪律与要求纪律与要求 课前预习课前预习 认真听课认真听课 做好笔记做好笔记 课后复习课后复习 资料阅读资料阅读 积极讨论积极讨论 参与实验参与实验 回顾所学知识点回顾所学知识点 分子生物学定义分子生物学定义 分子生物学发展简史分子生物学发展简史 分子生物学研究内容分子生物学研究内容 分子生物学展望分子生物学展望第一篇第一篇 绪论绪论1 1、创世说与进化论、创世说与进化
5、论达尔文、1859年物种起源，确立了进化论的概念How Molecular Biology Came about?一、回顾所学知识点回顾所学知识点七天七天创世说创世说 In the beginning,God created the heaven and the earth.And the earth was waste and without form;and it was dark on the face of the deep.And God said,Let there be light:and there was light.and God made a division betwe
6、en the light and the dark,And there was evening and there was morning,And God said,Let there be a solid arch stretching over the waters,parting the waters from the waters.And God gave the arch the name of Heaven.七天七天创世说创世说 And God said,Let the waters under the heaven come together in one place,and l
7、et the dry land be seen:and it was so.And God gave the dry land the name of Earth;and the waters together in their place were named Seas，And God said,Let grass come up on the earth,and plants producing seed,and fruit-trees giving fruit,in which is their seed,after their sort:and it was so.And God sa
8、id,Let the waters be full of living things,and let birds be in flight over the earth under the arch of heaven.And God said,Let us make man in our image,like us:and let him have rule over the fish of the sea and over the birds of the air and over the cattle and over all the earth and over every livin
9、g thing which goes flat on the earth.七天七天创世说创世说第一天第一天：起初神创造天地，地是空虚混沌，这是头一日。：起初神创造天地，地是空虚混沌，这是头一日。第二日：第二日：神造出空气，将空气以下的水和空气以上的水分开，是第二日。神造出空气，将空气以下的水和空气以上的水分开，是第二日。第三天：第三天：神将天下的水聚在一处为海，使旱地露出来为地。地上生了青草神将天下的水聚在一处为海，使旱地露出来为地。地上生了青草，树木和结种子的菜蔬。，树木和结种子的菜蔬。第四天：第四天：神造了两个大光，大的管昼，小的管夜。又造众星。管理昼夜，神造了两个大光，大的管昼，小的管夜
10、。又造众星。管理昼夜，分别明暗。分别明暗。第五天：第五天：神造出大鱼和水中所滋生各样有生命的动物，又造出各样飞鸟在神造出大鱼和水中所滋生各样有生命的动物，又造出各样飞鸟在天空，各种牲畜，昆虫，野兽在地上。天空，各种牲畜，昆虫，野兽在地上。第六天：第六天：神照着自己的样式造人，让他们管理海里的鱼，空中的鸟，地上神照着自己的样式造人，让他们管理海里的鱼，空中的鸟，地上的牲畜和地上所爬的一切昆虫。的牲畜和地上所爬的一切昆虫。第七天：第七天：神造物的工已经完毕，就在第七日歇了他一切的工，安息了。这神造物的工已经完毕，就在第七日歇了他一切的工，安息了。这一天称为圣日。一天称为圣日。一切生物都是可变的；一
11、切生物都是可变的；物种的变异是由于自然环境和生物群体的生存物种的变异是由于自然环境和生物群体的生存竞争造成的；竞争造成的；新物种的出现是在自然选择压力之下的结果，新物种的出现是在自然选择压力之下的结果，体现体现“物竞天择，适者生存物竞天择，适者生存”；18591859年，达尔文发表年，达尔文发表物种起源物种起源。进化论（进化论（1919世纪中叶）世纪中叶）How Molecular Biology Came About?Microscopic biology began in 1665 by Leeuwenhoek Robert Hooke(1635-1703)discovered organ
12、isms are made up of cells Matthias Schleiden(1804-1881)and Theodor Schwann(1810-1882)further expanded the study of cells in 1830s Robert Hooke Theodor Schwann Matthias Schleiden Anton VanLeeuwenhoek 细胞学说及其发展细胞学说及其发展Antonie Philips van Leeuwenhoek Antonie Philips van Leeuwenhoek(October 24,1632 Augus
13、t 26,1723)was a Dutch tradesman and scientist from Delft,Netherlands.He is commonly known as the Father of Microbiology,and considered to be the first microbiologist.He is best known for his work on the improvement of the microscope and for his contributions towards the establishment of microbiology
14、.Using his handcrafted microscopes,he was the first to observe and describe single-celled organisms,which he originally referred to as animalcules,and which are now referred to as microorganisms.He was also the first to record microscopic observations of muscle fibers,bacteria,spermatozoa（精子）,and bl
15、ood flow in capillaries(small blood vessels).Van Leeuwenhoek did not author any books,although he did write many letters.Robert Hooke 全世界的每一个学生，都知道虎克与他的弹性定律虎克与他的弹性定律，他是第一个发现表面张力表面张力的人，他也制造了第一部显显 微镜微镜，第一个具有弹簧的手表具有弹簧的手表，第一台真空抽气机真空抽气机，第一只水银温度计水银温度计，第一架天平天平，第一架半杯式风速计半杯式风速计科学史上称他是发明大王发明大王，但是 很少人知道他是一个严重残
16、缺的人，天生的心肌梗塞，长期的胃痛、头昏、失眠、神经衰弱、鼻窦炎、气喘他被称为最丑的科学家：大嘴、厚唇、高额、大下巴，还有一双凸出的大牛眼。从没有一个女孩子喜欢过他。这样的一个人，没有去演钟楼怪人，反而成了开创科学，帮助许多人的著名人物。Matthias Jakob Schleiden Matthias Jakob Schleiden(5 April 1804 23 June 1881)was a German botanist and co-founder of the cell theory,along with Theodor Schwann and Rudolf Virchow.Bor
17、n in Hamburg,Schleiden was educated at Heidelberg,then practiced law in Hamburg,but soon developed his love for the botany into a full-time pursuit.Schleiden preferred to study plant structure under the microscope.While a professor of botany at the University of Jena,he wrote Contributions to Phytog
18、enesis(1838),in which he stated that the different parts of the plant organism are composed of cells.Thus,Schleiden and Schwann became the first to formulate what was then an informal belief as a principle of biology equal in importance to the atomic theory of chemistry.He also recognized the import
19、ance of the cell nucleus,discovered in 1831 by the Scottish botanist Robert Brown,and sensed its connection with cell division.Theodor Schwann Theodor Schwann(7 December 1810 11 January 1882)was a German physiologist.His many contributions to biology include the development of cell theory,the discov
20、ery of Schwann cells in the peripheral nervous system（周围神经系统）,the discovery and study of pepsin（胃蛋白酶）,the discovery of the organic nature of yeast,and the invention of the term metabolism.细胞学说的主要内容有：细胞学说的主要内容有：细胞是有机体，一切动植物都是由单细胞发育而细胞是有机体，一切动植物都是由单细胞发育而来，即生物是由细胞和细胞的产物所组成；来，即生物是由细胞和细胞的产物所组成；所有细胞在结构和组成
21、上基本相似；所有细胞在结构和组成上基本相似；新细胞是由已存在的细胞分裂而来；新细胞是由已存在的细胞分裂而来；生物的疾病是因为其细胞机能失常。生物的疾病是因为其细胞机能失常。Life begins with Cell A cell is a smallest structural unit of an organism that is capable of independent functioning All cells have some common features3 3、经典的生物化学和遗传学、经典的生物化学和遗传学进化论进化论细胞学说细胞学说现代生物学现代生物学遗传学遗传学生物化学生
22、物化学以研究动植物遗传变以研究动植物遗传变化规律为目标化规律为目标以分离纯化，鉴定细以分离纯化，鉴定细胞内含物质为目标胞内含物质为目标 1919世纪中叶，发现蛋白质世纪中叶，发现蛋白质1919世纪中叶到世纪中叶到2020世纪初，组成蛋白质的世纪初，组成蛋白质的2020种种基本氨基酸被相继发现（基本氨基酸被相继发现（19351935年，苏氨酸）年，苏氨酸）著名生物化学家著名生物化学家FisherFisher还论证了连接相邻氨基还论证了连接相邻氨基酸的酸的“肽键肽键”的形成的形成3.1 经典的生物化学经典的生物化学Nucleic Acid ChemistryProtein Chemistry En
23、zymatic nature of crystalline ProteinBiochemistryWhat genes are&How do they act?生物化学的发展生物化学的发展1936 Sumner:1936 Sumner:酶是蛋白质酶是蛋白质1953 Sanger:1953 Sanger:胰岛素的一级结构胰岛素的一级结构Gregor Mendel GeneticsMolecular GeneticsGene structure Gene duplication Gene expression Gene recombination Gene mutation 遗传因子假说遗传因子假
24、说Genetics1859 Darwin:1865 Mendel:Genetics1910,1916 Morgan:gene are on chromosomes1944 Avery,1952 Hershey and Chase:identified DNA as the material genes are made of DNA Gregor Mendel(1822-1884)The theories of heredity attributed to Gregor Mendel,based on his work with pea plants,are well known to stu
25、dents of biology.But his work was so brilliant and unprecedented at the time it appeared that it took thirty-four years for the rest of the scientific community to catch up to it.The short monograph,Experiments with Plant Hybrids,in which Mendel described how traits were inherited,has become one of
26、the most enduring and influential publications in the history of science.Thomas Hunt Morgan Thomas Hunt Morgan(September,1866 December,1945)was an American evolutionary biologist,geneticist and embryologist and science author who won the Nobel Prize in Physiology or Medicine in 1933 for discoveries
27、relating the role the chromosome plays in heredity.Morgan received his PhD from Johns Hopkins University in zoology in 1890 and researched embryology during his tenure at Bryn Mawr.Following the rediscovery of Mendelian inheritance in 1900,Morgans research moved to the study of mutation in the fruit
28、 fly Drosophila melanogaster.In his famous Fly Room at Columbia University,Morgan demonstrated that genes are carried on chromosomes and are the mechanical bases of heredity.These discoveries formed the basis of the modern science of genetics.5.5.分子生物学分子生物学DNADNA的发现的发现 18681868年瑞士年瑞士F.MiescherF.Mies
29、cher发现了核素发现了核素(nuclein)(nuclein)，但是在，但是在此后的半个多世纪中并未引起重视。此后的半个多世纪中并未引起重视。19021902年美国年美国SatonSaton通过观察减数分裂时的染色体，推测通过观察减数分裂时的染色体，推测基因位于染色体上。基因位于染色体上。19101910年年MorganMorgan确定基因位于染色体上。确定基因位于染色体上。2020世纪世纪20-3020-30年代已确认自然界有年代已确认自然界有DNADNA和和RNARNA两类核酸，两类核酸，并阐明了核苷酸的组成。并阐明了核苷酸的组成。Miescher 由于当时对核苷酸和碱基的定量分析不够精
30、确，得出由于当时对核苷酸和碱基的定量分析不够精确，得出DNADNA中中A A、G G、C C、T T含量是大致相等的结果，因而曾长含量是大致相等的结果，因而曾长期认为期认为DNADNA结构只是结构只是“四核苷酸四核苷酸”单位的重复，不具单位的重复，不具有多样性，不能携带更多的信息，当时对携带遗传信息有多样性，不能携带更多的信息，当时对携带遗传信息的侯选分子更多的是考虑蛋白质。的侯选分子更多的是考虑蛋白质。19281928年英国年英国GriffithGriffith利用肺炎双球菌进行试验否定蛋利用肺炎双球菌进行试验否定蛋白质是遗传信息的载体白质是遗传信息的载体。4040年代以后实验的事实使人们对
31、核酸的功能和结构两年代以后实验的事实使人们对核酸的功能和结构两方面的认识都有了长足的进步。方面的认识都有了长足的进步。Griffith利用肺炎双球菌进行试验否定利用肺炎双球菌进行试验否定蛋白质是遗传信息的载体蛋白质是遗传信息的载体 二、分子生物学的基本含义二、分子生物学的基本含义分子生物学分子生物学是从分子水平研究生命本质为目的的是从分子水平研究生命本质为目的的一门学科一门学科。分子水平分子水平指的是：携带遗传信息的指的是：携带遗传信息的核酸核酸；在遗传信；在遗传信息传递及细胞内、细胞间通讯过程中发挥着重要作息传递及细胞内、细胞间通讯过程中发挥着重要作用的用的蛋白质蛋白质等生物大分子等生物大分
32、子。三、分子生物学的主要研究内容三、分子生物学的主要研究内容 1.1.核酸的分子生物学核酸的分子生物学分子生物学主要包含以下三部分研究内容：分子生物学主要包含以下三部分研究内容：核酸分子生物学核酸分子生物学研究核酸的结构及其功能。由于核酸的主要作用是携带和传递遗传信息，因此分子遗传学（molecular genetics）是其主要组成部分。50年代以来,该领域迅速发展，已形成了比较完整的理论体系和研究技术，是目前分子生物学内容最丰富的一个领域。核酸的分子生物学研究内容核酸的分子生物学研究内容包括：核酸/基因组的结构、遗传信息的复制、转录与翻译，核酸存储的信息修复与突变，基因表达调控和基因工程技
33、术的 发展和应用等。遗传信息传递的中心法则（central dogma）是其理论体系的核心。旨在阐明各种生物基因组旨在阐明各种生物基因组DNADNA中碱基对的序列信息，破中碱基对的序列信息，破译相关的遗传信息。为勾画整译相关的遗传信息。为勾画整个生命蓝图、充分利用基因资个生命蓝图、充分利用基因资源打下基础。源打下基础。基因组学基因组学 (genomics)(genomics)RNARNA组学组学 (RNomicsRNomics)生命科学领域正在经历着由基因组学生命科学领域正在经历着由基因组学到蛋白质组学和到即将到来的到蛋白质组学和到即将到来的RNA组学的组学的巨大变化。巨大变化。2.2.蛋白质
34、的分子生物学蛋白质的分子生物学 蛋白质的分子生物学研究执行各种生命功能的主要大分子蛋白质的结构与功能。尽管人类对蛋白质的研究比对核酸研究的历史要长得多，但由于其研究难度较大，与核酸分子生物学相比发展较慢。近年来虽然在认识蛋白质的结构及其与功能关系方面取得了一些进展，但是对其基本规律的认识尚缺乏突破性的进展。蛋白质组学是独立于基因组学而发展起来的一门新兴的前沿学科，它在特定的时间和特定的空间研究一个完整的生物体（或细胞）所表达的全体蛋白质的特征，包括蛋白质的表达水平，翻译后的修饰，蛋白质与蛋白质相互作用等，从而在蛋白质水平上获得对于有关生物体生理、病理等过程的全面认识。蛋白质组学蛋白质组学 (p
35、roteomics)(proteomics)在生物体的整体水平上（如全基因组、全细胞或完整的生物体）测定出（包括预测）全部蛋白质分子、蛋白质蛋白质、蛋白质核酸、蛋白质多糖、蛋白质蛋白质核酸多糖、蛋白质与其他生物分子复合体的精细三维结构，以获得一幅完整的、能够在细胞中定位以及在各种生物学代谢途径、生理途径、信号传导途径中全部蛋白质在原子水平的三维结构全息图。3.3.细胞信号转导的分子生物学细胞信号转导的分子生物学 研究细胞内、细胞间信息传递的分子基础。研究细胞内、细胞间信息传递的分子基础。细胞分裂与分化及其它各种功能的完成，均依赖于环境所赋予的各种信号。在外源信号的刺激下，细胞将信号转变为一系列
36、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互作的变化等，从而使其发生改变以适应内外环境的需要。3.3.细胞信号转导的分子生物学细胞信号转导的分子生物学 细胞信号转导的分子生物学研究细胞信号转导的分子生物学研究细细胞内、细胞间信息传递的分子基础胞内、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
37、转导研究的目标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。Major events in the history of Molecular Biology 1800-1870 1865 Gregor Mendel discover the basic rules of heredity of garden pea.An individual organism has two alter
38、native heredity units for a given trait(dominant trait v.s.recessive trait)1869 Johann Friedrich Miescher discovered DNA and named it nuclein.Mendel:The Father of GeneticsJohann MiescherMajor events in the history of Molecular Biology 1880-1900 1881 Edward Zacharias showed chromosomes are composed o
39、f nuclein.1899 Richard Altmann renamed nuclein to nucleic acid.By 1900,chemical structures of all 20 amino acids had been identifiedMajor events in the history of Molecular Biology 1900-1911 1902-Emil Hermann Fischer wins Nobel prize:showed amino acids are linked and form proteins Postulated:protein
40、 properties are defined by amino acid composition and arrangement,which we nowadays know as fact 1911 Thomas Hunt Morgan discovers genes on chromosomes are the discrete units of heredity 1911 Pheobus Aaron Theodore Lerene discovers RNAEmil FischerThomas MorganMajor events in the history of Molecular
41、 Biology 1940-1950 1941 George Beadle and Edward Tatum identify that genes make proteins 1950 Edwin Chargaff find Cytosine complements Guanine and Adenine complements ThymineGeorge BeadleEdward TatumEdwin ChargaffMajor events in the history of Molecular Biology 1950-1952 1950s Mahlon Bush Hoagland f
42、irst to isolate tRNA 1952 Alfred Hershey and Martha Chase make genes from DNA Mahlon HoaglandHershey Chase ExperimentMajor events in the history of Molecular Biology 1952-1960 1952-1953 James D.Watson and Francis H.C.Crick deduced the double helical structure of DNA 1956 George Emil Palade showed th
43、e site of enzymes manufacturing in the cytoplasm is made of RNA organelles called ribosomes.James Watson and Francis CrickGeorge Emil PaladeMajor events in the history of Molecular Biology 1970 1970 Howard Temin and David Baltimore independently isolate the first restriction enzyme DNA can be cut in
44、to reproducible pieces with site-specific endonuclease called restriction enzymes;the pieces can be linked to bacterial vectors and introduced into bacterial hosts.(gene cloning or recombinant DNA technology)Major events in the history of Molecular Biology 1970-1977 1977 Phillip Sharp and Richard Ro
45、berts demonstrated that pre-mRNA is processed by the excision of introns and exons are spliced together.Joan Steitz determined that the 5 end of snRNA is partially complementary to the consensus sequence of 5 splice junctions.Joan SteitzPhillip SharpRichard RobertsMajor events in the history of Mole
46、cular Biology 1986-1995 1986 Leroy Hood:Developed automated sequencing mechanism 1986 Human Genome Initiative announced 1990 The 15 year Human Genome project is launched by congress 1995 Moderate-resolution maps of chromosomes 3,11,12,and 22 maps published(These maps provide the locations of“markers
47、”on each chromosome to make locating genes easier)Leroy HoodMajor events in the history of Molecular Biology 1995-1996 1995 John Craig Venter:First bactierial genomes sequenced 1995 Automated fluorescent sequencing instruments and robotic operations 1996 First eukaryotic genome-yeast-sequencedJohn C
48、raig Venter 1997 E.Coli sequenced 1998 PerkinsElmer,Inc.Developed 96-capillary sequencer 1998 Complete sequence of the Caenorhabditis elegans genome 1999 First human chromosome(number 22)sequencedMajor events in the history of Molecular Biology 1997-1999Major events in the history of Molecular Biolo
49、gy 2000-2001 2000 Complete sequence of the euchromatic portion of the Drosophila melanogaster genome 2001 International Human Genome Sequencing:first draft of the sequence of the human genome publishedMajor events in the history of Molecular Biology 2003-Present April 2003 Human Genome Project Compl
50、eted.Mouse genome is sequenced.April 2004 Rat genome sequenced.分子生物学的首次提出分子生物学的首次提出 1938年Weaver在写给洛克菲勒基金会的报告中，首次使用了分子生物学(molecular biology)一词。他写道：“在基金会给予支持的研究中，有一系列属于比较新的领域，可称之为分子生物学”。一年以后，研究蛋白质结构的Astbury使用了这个名词，以后它变得越来越普遍。特别是在1953年，Watson和Crick发表了著名论文“脱氧核糖核酸的结构”以后，DNA双螺旋结构的发现，促进了遗传学、生物化学和生物物理学的结合，推
