1、分子生物学概述分子生物学概述2011.9 Outline of Molecular Biology22022-8-9自我介绍：自我介绍：王丽颖王丽颖主任主任,教授教授 硕博士生导师硕博士生导师研究方向：基因工程及疾病分子免疫学研究方向：基因工程及疾病分子免疫学E-mail：32022-8-91.1.分子生物学的诞生分子生物学的诞生经过了一段长期的孕育过程经过了一段长期的孕育过程在其诞生之前用于解释生物功能的在其诞生之前用于解释生物功能的主要是：主要是：遗传学遗传学(Genetics)生物化学生物化学(Biochemistry)42022-8-9functiongeneticsgeneprote
2、inbiochemistry52022-8-9遗传学家遗传学家Mendels experiments:Common edible peas(Pisum sativum)selective cross-breeding of 28,000 common pea plantsLooking for mutantScreening the mutantestablishing cross-breedingdrawing genetic maps62022-8-9Gregor Mendel揭示了揭示了1/4隐性等位基因的规律隐性等位基因的规律(18561863，7年年)72022-8-9遗传学家：遗传
3、学家：研究基因，但不一定了解基因研究基因，但不一定了解基因表型有变化，可推测基因变了表型有变化，可推测基因变了无表型改变，无法研究基因无表型改变，无法研究基因思维方式：思维方式：寻找生物体的缺失寻找生物体的缺失豌豆：豌豆：1年年1-2代代果蝇：果蝇：2周周1代代酵母：酵母：40-60min 1代代大肠杆菌：大肠杆菌：20min 1代代82022-8-9生物化学家生物化学家通常做法：通常做法：分离纯化生物体的各种组分分离纯化生物体的各种组分建立各种实验体系建立各种实验体系研究各种组分的功能研究各种组分的功能理解生物体的功能理解生物体的功能最重要的组分：蛋白质最重要的组分：蛋白质92022-8-9
4、遗传学遗传学&生物化学生物化学遗传学：研究缺什么遗传学：研究缺什么 寻找突变体寻找突变体生物化学：研究有什么生物化学：研究有什么 捣碎生物体分离组分捣碎生物体分离组分一项研究发现：酵母突变体影响生化途径一项研究发现：酵母突变体影响生化途径中酶的活性中酶的活性102022-8-9Yeast cell:特点：特点：单细胞真核生物单细胞真核生物自立性生物，能合成生物自立性生物，能合成生物体所需的大多数氨基酸体所需的大多数氨基酸可在提供基本元素的培养可在提供基本元素的培养基中生长基中生长112022-8-9营养缺陷型酵母：营养缺陷型酵母：比如：精氨酸缺陷型酵母比如：精氨酸缺陷型酵母在不含精氨酸的培养基
5、中不能生长在不含精氨酸的培养基中不能生长问：怎样才能获得精氨酸缺陷型酵母？问：怎样才能获得精氨酸缺陷型酵母？遗传学家：遗传学家：这种酵母在缺乏精氨酸时不能存活这种酵母在缺乏精氨酸时不能存活精氨酸可以挽救这种酵母菌精氨酸可以挽救这种酵母菌这项研究似乎让人们感觉到基因能影响蛋白质这项研究似乎让人们感觉到基因能影响蛋白质122022-8-9functiongeneticsgeneproteinbiochemistryAny relationship?基因与蛋白质相关联的想法还很抽象，理论上的基因与蛋白质相关联的想法还很抽象，理论上的基因是什么？染色体就是能着色的小体基因是什么？染色体就是能着色的小体
6、如何进行基因与蛋白质相关联的研究？如何进行基因与蛋白质相关联的研究？132022-8-9研究基因的生物化学家研究基因的生物化学家Frederick Griffith In 1928,Frederick Griffith worked with two strains of bacterial pneumoniaDiscovered the transforming principleSmooth,virulent(S strain)Rough,nonvirulent(R strain)光滑光滑有荚膜多糖有荚膜多糖有毒性有毒性粗糙粗糙无荚膜多糖无荚膜多糖无毒性无毒性142022-8-915202
7、2-8-9为什么会出现这种情况呢？为什么会出现这种情况呢？灭活光滑菌灭活光滑菌 +活的粗糙菌活的粗糙菌死亡死亡生物化学家生物化学家Griffith：从小鼠体内分离活菌从小鼠体内分离活菌捣碎捣碎分离组分分离组分给小给小鼠注射鼠注射观察小鼠死活观察小鼠死活没有结论没有结论可以肯定有一种物质发挥了转化作用，索性称可以肯定有一种物质发挥了转化作用，索性称其为其为“transforming principle”162022-8-9In 1944,Oswald Avery,Maclyn McCarty,and Colin MacLeod performed an experiment to determi
8、ne what Griffiths transforming principle was.Their experiments:主干实验：主干实验：从灭活从灭活S菌中提取组分菌中提取组分与与R菌混合菌混合涂平板涂平板观察菌落形态观察菌落形态172022-8-9结论：结论：使细菌发生转化的物质是一种含有使细菌发生转化的物质是一种含有DNA的组分的组分 当时的反应：当时的反应：its very interesting,but something must be wrongDNA:a scaffold,no special role how to transform bacteria?182022-8
9、-9In 1952,二战结束，科学研究氛围逐渐好转二战结束，科学研究氛围逐渐好转主流已经逐渐接受主流已经逐渐接受DNA可能真实遗传可能真实遗传物质，但还停留在理论上物质，但还停留在理论上Alfred Hershey&Martha Chase:研究噬菌体研究噬菌体(phage)是怎么进入细菌是怎么进入细菌并进行繁殖的并进行繁殖的192022-8-9Phage:Phage是感染细菌的病毒是感染细菌的病毒外壳是蛋白质外壳是蛋白质壳内是壳内是DNA他们想知道：他们想知道：Phage感染细菌时，是感染细菌时，是蛋白质进去了，还是蛋白质进去了，还是DNA进去了？进去了？202022-8-9怎么做才能验证呢
10、？怎么做才能验证呢？在细菌的培养基中加入放射性标记的在细菌的培养基中加入放射性标记的35S或或32P含硫的氨基酸：半胱氨酸含硫的氨基酸：半胱氨酸核酸：磷酸核酸：磷酸戊糖戊糖碱基碱基问：用标记的碳问：用标记的碳(如如14C)是否可以？是否可以？212022-8-9Hershey-Chase experiment:222022-8-9结论：结论：噬菌体噬菌体DNA单独就能指导新噬菌体的合成单独就能指导新噬菌体的合成DNA should be the source of genetic informationProtein is simply the result of expression of
11、that information然而，当时还不知道然而，当时还不知道:DNA是什么样子？是什么样子？DNA怎么将遗传信息传递下去？怎么将遗传信息传递下去？232022-8-9In 1953,James Watson,Francis Crick:DNA double helixNature,April 25,1953;171(4356):737242022-8-9DNA double helix标志着分子生物学的诞生标志着分子生物学的诞生Watson&Crick,在文章最后的一句话：在文章最后的一句话：遗传信息传递：遗传信息传递：DNA复制复制252022-8-9DNA结构的相关争论：结构的相关
12、争论：Watson,Crick,RosalindRosalindRosalind:DNA结构的衍射图结构的衍射图Watson和和Crick：看了看了Rosalind的衍射图才做出的衍射图才做出DNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型其实一项伟大的发现绝不是那么简单的其实一项伟大的发现绝不是那么简单的262022-8-9Francis Crick:物理学家物理学家对生物学的两个尚未解决的问题对生物学的两个尚未解决的问题十分感兴趣：十分感兴趣：How molecules make the transition from the non-living to the living?How the brain
13、 makes a conscious mind?先介绍一本书先介绍一本书当时科学发展已经在当时科学发展已经在理论上清楚了生物分子理论上清楚了生物分子的共价键能为细胞承载的共价键能为细胞承载遗传信息提供所需要的遗传信息提供所需要的结构稳定性结构稳定性272022-8-9(1887-1961)Erwin Schrodinger量子物理学家量子物理学家Written in 1944 By Erwin Schrodinger当时社会背景：当时社会背景：基因可能是生命的基础基因可能是生命的基础已有一些认识已有一些认识在很长一段时间在很长一段时间Schrodinger都在思考：都在思考：What is l
14、ife?282022-8-9Main idea:携带遗传信息的物质应该是一种液状携带遗传信息的物质应该是一种液状晶体晶体(aperiodic crystal)Schrodinger进一步解释：进一步解释：这种这种“aperiodic crystal”特性允许用少量原特性允许用少量原子编码几乎无穷大数目的可能性子编码几乎无穷大数目的可能性无晶状结构的非晶体固体应该被看作是具有高无晶状结构的非晶体固体应该被看作是具有高粘滞性的液体，遗传物质就是这样一种分子粘滞性的液体，遗传物质就是这样一种分子292022-8-9Francis Crick，受到受到“What is life”这本书的激发这本书的激
15、发认为认为Schrodinger在理论上对遗传物质在理论上对遗传物质如何贮存遗传信息的描述也许是正确的如何贮存遗传信息的描述也许是正确的对生命科学中两个最具挑战性的问题感对生命科学中两个最具挑战性的问题感兴趣并加以思考和分析兴趣并加以思考和分析302022-8-9James Watson,痴迷对鸟的观察痴迷对鸟的观察1946年阅读了年阅读了“what is life”April 6,1928(age 83)从鸟类学专业转为遗传学从鸟类学专业转为遗传学进入进入Phage group，涉及，涉及X-ray灭活细菌灭活细菌接触到发现蛋白质接触到发现蛋白质-helix结构的教授结构的教授渴望学习渴望学
16、习X-衍射技术以便确定衍射技术以便确定DNA结构结构312022-8-9所以，所以，创新是知识、经验沉积的产物创新是知识、经验沉积的产物322022-8-92.2.分子生物学的发展分子生物学的发展DNADNA是怎么将遗传信息传递给子代的？是怎么将遗传信息传递给子代的？DNA是如何与蛋白质发生关系的？是如何与蛋白质发生关系的？后代后代蛋白质蛋白质332022-8-9Central dogma:By Francis Crick342022-8-9In 1970,Central dogma在在Nature上正式发表上正式发表被称为被称为“分子生物学的中心法则分子生物学的中心法则”Translatio
17、n TranscriptionReverse transcriptionRNA editingRNA replicationReplication352022-8-9至此，至此，生命科学生命科学再也不是一门记忆的学科再也不是一门记忆的学科有了逻辑的连贯性，允许我们来解释有了逻辑的连贯性，允许我们来解释地球上所有生命的组成形式地球上所有生命的组成形式362022-8-9至此，至此，生命科学生命科学再也不是一门记忆的学科再也不是一门记忆的学科有了逻辑的连贯性，允许我们来解释有了逻辑的连贯性，允许我们来解释地球上所有生命的组成形式地球上所有生命的组成形式那么，基因怎么才能编码蛋白质呢？那么，基因怎么
18、才能编码蛋白质呢？372022-8-9After 1953,George Gamow suggested:the twenty combinations of 4 DNA bases taken 3 at a time correspond to 20 amino acids used to form proteins1904 1968But,it was in wrong directionOverlappingDegenerate For example:TTCAGTAACAGATGCAAACCCGCGAATAGGTGA George Gamow:理论物理学家理论物理学家宇宙学家宇宙学家3
19、82022-8-9In 1961,Francis Crick,Sydney Brenner,Leslie Barnett,R.J.Watts-Tobin：3 bases for 1 amino acid nature of gene expression frameshift mutationCrick FH,Barnett L,Brenner S,Watts-Tobin RJ(1961).General nature of the genetic code for proteins.Nature 192(4809):122732.392022-8-9在在20世纪世纪50年代年代70年代：年代
20、：DNA double-helix structurecentral dogmagenetic codeBut,这些研究大都停留在理论上这些研究大都停留在理论上Why?没有办法操作没有办法操作DNA402022-8-9DNA的可操作性在的可操作性在70年代得以实现年代得以实现20世纪世纪70年代：年代：限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶DNA重组技术重组技术 Stanley Cohen(Stanford)Herbert Boyer(UCSF)Plasmid 1Plasmid 2REREligaseRecombinant plasmidTransformation E.coli412022-8-9
21、Herbert W.Boyer(UCSF)Robert A.Swanson1947-1999 1974年，年，申请了重组申请了重组DNA技术的专利技术的专利By Cohen,Boyer 1976年年,Boyer和和Swanson作为发起作为发起人，创建了人，创建了Genentech Inc.1982年，年，Genentech Inc第一个产品第一个产品“重组人胰岛素重组人胰岛素”上市上市422022-8-9Aim of Genentech:using human genetic information todiscoverdevelopmanufacturecommercialize biot
22、herapeutics that address significant unmet medical needsunmet:未满足的未满足的432022-8-9分子生物学的快速发展分子生物学的快速发展得益于两个关键事件：得益于两个关键事件：DNA double-helix structureDNA recombinant technique20世纪世纪70年代后年代后一系列生命科学的突破性研究成果一系列生命科学的突破性研究成果442022-8-91977年，年，Sanger和和Maxam&GilbertDNA测序方法测序方法Walter GilbertHarvardFrederick Sang
23、er University of Cambridge1980年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖92岁岁此后，此后，致病基因致病基因致癌基因致癌基因生物的基因组测序生物的基因组测序人类的基因组测序人类的基因组测序也刺激新技术：也刺激新技术：1983年，年，PCRKary B.Mullis 1993年年获诺贝尔奖获诺贝尔奖452022-8-91981年，年，转基因技术转基因技术生长激素转基因小鼠生长激素转基因小鼠 1989年，年，基因敲除技术基因敲除技术从此，从此，可以在生物体内操作遗传信息可以在生物体内操作遗传信息462022-8-91982年，年，GenBank database之后启动了广范围的基因组
24、研究：之后启动了广范围的基因组研究：1990年，年，human genome project启动启动1996年，酵母年，酵母(S.cervisiae)基因组测序基因组测序1998年，线虫基因组测序年，线虫基因组测序2000年，果蝇基因组测序年，果蝇基因组测序2001年，人类基因组草图完成年，人类基因组草图完成以下信息来自：以下信息来自：Nature,Feb 10 2011472022-8-92002年，小鼠基因组测序年，小鼠基因组测序2003年，人类基因组计划结束年，人类基因组计划结束2004年，发表人类基因组序列年，发表人类基因组序列 大鼠基因组测序大鼠基因组测序 鸡基因组测序鸡基因组测序2
25、005年，狗基因组测序年，狗基因组测序 猩猩基因组测序猩猩基因组测序 第一个基因组范围相关性研究发表第一个基因组范围相关性研究发表人类的近亲人类的近亲猩猩猩猩猩猩基因组序列与人类基猩猩基因组序列与人类基因组的差异因组的差异=1.44%(相似性相似性98%)482022-8-92006年，第一个直接对消费者的基因组测序年，第一个直接对消费者的基因组测序 海胆海胆(sea urchin)基因组测序基因组测序 蜜蜂基因组测序蜜蜂基因组测序 基因型、表型基因型、表型-NCBI database启动启动2007年，中国汉人基因组测序年，中国汉人基因组测序 第一个个人基因组测序第一个个人基因组测序 人类遗
26、传变异有重大突破的一年人类遗传变异有重大突破的一年 猕猴基因组测序猕猴基因组测序492022-8-92008年，遗传信息非歧视年，遗传信息非歧视Act在美国通过在美国通过 胶质瘤全基因组分析胶质瘤全基因组分析 第一个癌基因组测序第一个癌基因组测序(AML)鸭嘴兽鸭嘴兽(platypus)基因组测序基因组测序 非洲优鲁巴人非洲优鲁巴人(Yoruba)基因组测序基因组测序 第一个用新技术个人基因组测序第一个用新技术个人基因组测序2009年，韩国人基因组测序年，韩国人基因组测序 第一张人类甲基化图谱第一张人类甲基化图谱(GINA)502022-8-92009年，牛基因组测序年，牛基因组测序 国际数据
27、释放研讨会国际数据释放研讨会 完成了哺乳动物基因收集完成了哺乳动物基因收集(MGC)2010年，年，exome测序发现测序发现Miller综合征基因综合征基因 1000基因组试验性计划完成基因组试验性计划完成 穴居人穴居人(Neanderthal)基因组测序基因组测序 1000小鼠基因敲除突变小鼠基因敲除突变 第第500个基因组范围研究发表个基因组范围研究发表 南非人基因组测序南非人基因组测序512022-8-9从碱基配对到病床的研究从碱基配对到病床的研究五个阶段：五个阶段：structure of genomebiology of genomebiology of diseaseadvanc
28、ing the science of medicineimproving the effectiveness of healthcareNature,Feb 10,2011 522022-8-9532022-8-9如何理解疾病的生物学呢？如何理解疾病的生物学呢？3.3.疾病生物学疾病生物学(Biology of disease)疾病疾病遗传变异遗传变异(遗传性的和遗传性的和/或体细胞的或体细胞的)环境因素和环境因素和/或健康行为或健康行为表观遗传表观遗传542022-8-9困扰人类的一些顽症性疾病：困扰人类的一些顽症性疾病：肿瘤肿瘤重大病毒性感染重大病毒性感染老年痴呆老年痴呆552022-8-
29、9老年痴呆老年痴呆全球有数百万人饱受阿尔茨海默氏症之苦全球有数百万人饱受阿尔茨海默氏症之苦仅在英国就大约有仅在英国就大约有417,000人罹患此病人罹患此病 2009-9-6，on Nature Genetics英法和法国发现两个新基因：英法和法国发现两个新基因：Clu,PICAM方法：方法：largest genome-wide scans using DNA microarrays(gene chips)完成：完成：by two international groups562022-8-9Crohns disease自身免疫性疾病自身免疫性疾病肠道炎症致腹痛、溃疡、腹泻肠道炎症致腹痛、溃疡
30、、腹泻By genome-wide screening发现发现32个相关基因个相关基因已建立动物模型已建立动物模型已设计靶向药物已设计靶向药物572022-8-9预计未来一段时间，医学分子生物学将可预计未来一段时间，医学分子生物学将可能在以下几个方面取得较多进展能在以下几个方面取得较多进展对各种疾病发生发展的分子机制的认识对各种疾病发生发展的分子机制的认识单基因病单基因病几个基因病几个基因病复杂性状疾病的遗传背景研究复杂性状疾病的遗传背景研究肿瘤肿瘤心血管系统疾病心血管系统疾病糖尿病糖尿病重要感染性疾病重要感染性疾病疾病易感性疾病易感性药物敏感性药物敏感性个体基因组与环境个体基因组与环境相互作
31、用相互作用582022-8-9疾病的诊断方法疾病的诊断方法 基因组的信息分析基因组的信息分析个体基因组个体基因组群体基因组群体基因组 疾病发生发展的机制认识疾病发生发展的机制认识遗传背景遗传背景参与分子参与分子易感因素易感因素复杂性状疾病复杂性状疾病新的诊断方法新的诊断方法评价疾病的存在状态评价疾病的存在状态预测疾病的转归及预后预测疾病的转归及预后评判疾病在个体发生的评判疾病在个体发生的风险性风险性疾病的治疗手段疾病的治疗手段 靶向治疗靶向治疗592022-8-9Genomic medicine:Making genomics-based diagnostics routineDefining
32、 the genetic components of diseaseComprehensive characterization of cancer genomesPractical systems for clinical genomic informaticsThe role of the human microbiome(microbial communities that inhabit our bodies)in health and disease602022-8-9分子生物学：分子生物学：真正地、动态地解释了生物功能真正地、动态地解释了生物功能在分子水平上的基础在分子水平上的基础使生物学从记忆性学科变成了有使生物学从记忆性学科变成了有逻辑的连贯性逻辑的连贯性612022-8-950年前我们无法想象通过操作遗传年前我们无法想象通过操作遗传物质来认识生命的奥秘物质来认识生命的奥秘今天我们也无法想象未来生命科学今天我们也无法想象未来生命科学会出现怎样的巨变会出现怎样的巨变但我们知道：但我们知道：分子生物学分子生物学能带领你们去探索能带领你们去探索生命的奥秘生命的奥秘622022-8-9Thats all for today
