1、分子生物学概述分子生物学概述郑晓飞郑晓飞放射与辐射医学研究所放射与辐射医学研究所Molecular Biology定义定义：从分子水平研究作为生命活动主要物质基础的生物从分子水平研究作为生命活动主要物质基础的生物 大分子结构与功能，从而阐明生命现象本质的科学。大分子结构与功能，从而阐明生命现象本质的科学。分子生物学分子生物学(molecular biology)广义：广义：蛋白质及核酸等生物大分子的结构与功能研究都属于分蛋白质及核酸等生物大分子的结构与功能研究都属于分子生物学的范畴，也就是从分子水平阐明生命现象与生物学规子生物学的范畴，也就是从分子水平阐明生命现象与生物学规律。如蛋白质的结构、
2、运动和功能，酶的作用机理，膜蛋白的律。如蛋白质的结构、运动和功能，酶的作用机理，膜蛋白的结构功能，跨膜运输等。结构功能，跨膜运输等。狭义：狭义：侧重于核酸侧重于核酸(或基因或基因)的分子生物学，主要研究基因或的分子生物学，主要研究基因或DNA的复制、转录、表达和调控等过程，同时涉及与这些过程的复制、转录、表达和调控等过程，同时涉及与这些过程有关的蛋白质和酶的结构与功能研究。有关的蛋白质和酶的结构与功能研究。生物化学：生物化学：从化学角度研究生命现象，着重研究生物体内各种从化学角度研究生命现象，着重研究生物体内各种生物分子的结构、转变与新陈代谢。生物分子的结构、转变与新陈代谢。分子生物学：分子生
3、物学：着重阐明生命的本质，主要研究生物大分子核酸着重阐明生命的本质，主要研究生物大分子核酸与蛋白质的结构与功能、生命信息的传递和调控与蛋白质的结构与功能、生命信息的传递和调控。分子生物学与生物化学分子生物学与生物化学生物化学与分子生物学关系最为密切生物化学与分子生物学关系最为密切蛋白质蛋白质(包括酶包括酶)的结构和功能的结构和功能核酸的结构和功能，包括遗传信息的传递核酸的结构和功能，包括遗传信息的传递生物膜的结构和功能生物膜的结构和功能 生物调控的分子基础生物调控的分子基础 生物进化生物进化 分子生物学重点研究领域分子生物学重点研究领域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
4、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药理学分子药理学分子诊断学分子诊断学分子考古学分子考古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.分子生物学相关学科分子生物学相关学科分子生物学已经渗透到生物学的所有领域分子生物学已经渗透到生物学的所有领域分子生物学分子生物学分子生物学发展简史分子生物学发展简史 1865年达尔文年达尔文On the Origin of Species：性状可遗传。：性状可遗传。1865年孟德尔发表年孟德尔发表植物杂交实验植物杂
5、交实验，首次阐述了生物界有规律的，首次阐述了生物界有规律的遗传现象。遗传现象。“遗传因子遗传因子”。1869年年Miescher首次从莱茵河鲑鱼精子中分离到首次从莱茵河鲑鱼精子中分离到DNA.1869 Friedrich Miescher从被丢弃的外科绷带上的脓细胞分离出核从被丢弃的外科绷带上的脓细胞分离出核酸，初命名为核素酸，初命名为核素(nuclein)后发现是酸性的，重命名为核酸后发现是酸性的，重命名为核酸.1879年年Flemming 发现了染色体发现了染色体.1902年年Sutton 提出了染色体遗传学说并认为基因是染色体的一部分提出了染色体遗传学说并认为基因是染色体的一部分.分子生
6、物学发展简史分子生物学发展简史 1869年年Miescher 从被丢弃的外科绷带上的脓细胞分离出核酸，初命名为核从被丢弃的外科绷带上的脓细胞分离出核酸，初命名为核素素(nuclein)后发现是酸性的，重命名为核酸。后发现是酸性的，重命名为核酸。1879年弗莱明年弗莱明(Walter Flemming)发现染色体，并描述了细胞分裂过程中染发现染色体，并描述了细胞分裂过程中染色体的行为。色体的行为。1888 Waldeyer创造染色体创造染色体(Chromosome)一词。一词。1900年孟德尔的成果被重新发现。年孟德尔的成果被重新发现。24岁的瑞士医生 Friedrich Miescher分子生
7、物学发展简史分子生物学发展简史1902年萨顿年萨顿(Walter Sutton)发现染色体是成对的，并携带遗传信息。发现染色体是成对的，并携带遗传信息。1909年丹麦生物学家年丹麦生物学家Wilhelm Johannsen(18571927)创造创造“基因基因”（gene）一词，用来表达一个可遗传的因子。）一词，用来表达一个可遗传的因子。1911年摩尔根年摩尔根(Thomas Hunt Morgan)提出基因学说，阐释基因在提出基因学说，阐释基因在染色体上的分布，以及繁殖过程中染色体重组形成独特新个体过程。染色体上的分布，以及繁殖过程中染色体重组形成独特新个体过程。分子生物学发展简史分子生物学
8、发展简史1911年荷兰植物学家遗传学家年荷兰植物学家遗传学家H.DeVries(1848-1935)根据月见草的根据月见草的遗传试验结果遗传试验结果,发表突变学说发表突变学说,认为生物的进化起因于突变认为生物的进化起因于突变(mutation)。1912年英国布喇格父子建立了年英国布喇格父子建立了X射线晶体学，成功地测定了一些复杂射线晶体学，成功地测定了一些复杂的分子以及蛋白质的结构。的分子以及蛋白质的结构。1913年斯特提万特年斯特提万特(Alfred Henry Sturtevant)绘制出第一张线式基因绘制出第一张线式基因图谱。图谱。分子生物学发展简史分子生物学发展简史1927年年H.J
9、.Muller测定了果蝇中的自发突变率，并证明突变可被测定了果蝇中的自发突变率，并证明突变可被X线线诱导；诱导；C.Auerbach、J.M.Robson及及F.Oehlkers分别于分别于1941、1943先后独立观察到某些化学物质亦能诱导突变，但是突变本质为何仍不先后独立观察到某些化学物质亦能诱导突变，但是突变本质为何仍不清楚。清楚。1928年格里菲斯年格里菲斯(Frederick Griffith)报道了两株肺炎球菌有毒株报道了两株肺炎球菌有毒株(S)注射小鼠可致死注射小鼠可致死,而无毒株而无毒株(R)不致死小鼠。将热处理杀死的有毒株和不致死小鼠。将热处理杀死的有毒株和不经处理的无毒株分
10、别注射不经处理的无毒株分别注射,不致死小鼠不致死小鼠;但一起注射则导致小鼠死亡。但一起注射则导致小鼠死亡。死去的毒性菌株如何将致死因子传到无毒株上死去的毒性菌株如何将致死因子传到无毒株上?格里菲斯格里菲斯发现了一种发现了一种可以在细菌之间转移的遗传分子可以在细菌之间转移的遗传分子。1929年列文年列文(Phoebus Levene)提出提出DNA的化学成分和基本结构。的化学成分和基本结构。1931年麦克林托克（年麦克林托克（McClintock）指导了她的女博士生克莱顿）指导了她的女博士生克莱顿（Creighton,B）证实重组是由交换引起的。）证实重组是由交换引起的。分子生物学发展简史分子生
11、物学发展简史1941年年 Beadle 和和 Tatum“一基因一基因一酶学说一酶学说”在链孢霉中被证明在链孢霉中被证明,使遗传学与生物化学之间的关系得以阐明。使遗传学与生物化学之间的关系得以阐明。1943 年年Oswald Avery等在用了约等在用了约76升的细菌后终于得到了不含其他升的细菌后终于得到了不含其他物质的纯化物质的纯化DNA,并证明只有并证明只有DNA在转化中起作用。在转化中起作用。1944年，三名科学家：年，三名科学家：Oswald T.Avery,Colin MacLeod 与与 Maclyn McCarty联名发表联名发表了一篇划时代的论文了一篇划时代的论文6，他们通过一
12、系列用肺炎病毒进行的实验，推导出了一个与长久以，他们通过一系列用肺炎病毒进行的实验，推导出了一个与长久以来的假说相悖的结论：来的假说相悖的结论：DNA，而非蛋白质，是遗传信息的物质载体！，而非蛋白质，是遗传信息的物质载体！Avery OT,MacLeod CM,McCarty M(1944)Studies of the chemical nature of the substance inducing transformation ofpneumococcal types.Induction of transformation by a desoxyribonucleic acidfracti
13、on isolated from Pneumococcus Type III.J Exp Med 79:137158分子生物学发展简史分子生物学发展简史1944年麦克林托克（年麦克林托克（19021992）在玉米中发现并提出了）在玉米中发现并提出了“可移动基因学可移动基因学说说”转座子。转座子。分子生物学发展简史分子生物学发展简史1948年鲍林年鲍林(Linus Pauling)提出蛋白质为螺旋形的理论。提出蛋白质为螺旋形的理论。1949年年E.Chargaff 定则的提出，定则的提出，A=TG=C(AT)(GC)的比值因生物来源不同而不同。的比值因生物来源不同而不同。1951年富兰克林年富兰
14、克林(Rosalind Franklin)拍摄到了核酸的拍摄到了核酸的X射线衍射照片。射线衍射照片。分子生物学发展简史分子生物学发展简史1952年年Alfred Hershey和和Martha Chase 利用病毒证实，传递遗传信利用病毒证实，传递遗传信息的是息的是DNA而不是蛋白质。而不是蛋白质。1952 Alfred Hershey&Martha Chase 用放射性磷和硫标记噬菌体，分别感染不同的细菌菌落，追踪放射性的位置.结果放射性硫(即蛋白质)留在细菌外，放射性磷(即DNA)则进入细菌里.而且新产生的噬菌体含有放射性磷，这些结果有力的证明了DNA是遗传物质。基因基因则是遗传的基本单位
15、，它是位于链特定位置的一段序列，携带有形成特定蛋白的信息。分子生物学发展简史分子生物学发展简史1953年年Linus Pauling(1901-1994)(莱纳斯莱纳斯.鲍林博士鲍林博士)提出著名的提出著名的DNA三螺旋模型。三螺旋模型。Pauling 是有史以来唯一两次独自获得诺贝尔奖的是有史以来唯一两次独自获得诺贝尔奖的科学家。科学家。1954化学奖，化学奖，1962和平奖。他是和平奖。他是20世纪最重要的化学家之世纪最重要的化学家之一。他描述了化学键的本质，并对阐明蛋白质结构作出划时代的贡献。一。他描述了化学键的本质，并对阐明蛋白质结构作出划时代的贡献。他既是一位声名卓著的科学家又是一位
16、献身和平事业的活动家。他的他既是一位声名卓著的科学家又是一位献身和平事业的活动家。他的科学发现和为中止战争而作出的努力将对全人类产生深远的影响。科学发现和为中止战争而作出的努力将对全人类产生深远的影响。分子生物学发展简史分子生物学发展简史1953年年J.Watson（1928）&F.H.C.Crick（1916）提出）提出DNA双螺双螺旋模型，旋模型，AT,GC 碱基按碱基按Chargaff规律配对，规律配对，DNA 中储存的信息中储存的信息可精确复制，提出中心法则。可精确复制，提出中心法则。DNA双螺旋结构的建立，标志着分子生双螺旋结构的建立，标志着分子生物学的诞生，对以后分子生物学发展具有
17、极其重要的指导作用。奠定物学的诞生，对以后分子生物学发展具有极其重要的指导作用。奠定了分子生物学的理论基础，开创了分子生物学时代。了分子生物学的理论基础，开创了分子生物学时代。ZAB1962年Watson、Crick与Wilkins共享诺贝尔生理或医学奖分子生物学发展简史分子生物学发展简史1956年年Joe Hin Tjio和和Albert evanHereditas确定人类共有确定人类共有23对染色体。对染色体。1956 A.Kornberg(1918)分离出分离出E.coli DNA Polymerase I并并在在DNA模板指导下，利用模板指导下，利用4dNTPs合成了合成了DNA，获得
18、，获得1959年度年度诺贝尔医学或生理学奖。诺贝尔医学或生理学奖。1957年年Francis Crick发表发表论蛋白质合成论蛋白质合成的演讲，提出的演讲，提出DNA制造蛋白质的概念。制造蛋白质的概念。1958 M.Meselson（1930）&Stahl 证明了证明了DNA 半保留复制。半保留复制。分子生物学发展简史分子生物学发展简史1958年年Crick提出中心法则。提出中心法则。1960年年Sydney Brenner,Francis Crick，Francois Jacob和和Jaque Monod发现信使发现信使RNA(mRNA)。1961 Yanofsky&Brener 提出三联体
19、设想提出三联体设想:4364三联体三联体(triplet)，三个碱基编码一个氨基酸。三个碱基编码一个氨基酸。DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制1961年年Jacob 和和 Monod提出在分子水平上特定基因被激活或抑制的提出在分子水平上特定基因被激活或抑制的机制。操纵子的概念，解释了原核基因表达的调控。机制。操纵子的概念，解释了原核基因表达的调控。分子生物学发展简史分子生物学发展简史Jacob Monod 1965年获得诺贝尔生理或医学奖分子生物学发展简史分子生物学发展简史1961年年Marmur&Doty发现发现DNA复性复性(renaturation,annealing)，确认
20、了核，确认了核酸杂交反应的特异性和可行性。酸杂交反应的特异性和可行性。1962年年W.Arber提出限制性核酸酶提出限制性核酸酶(R.E.)存在的第一个证据，导致存在的第一个证据，导致1970 H.O.Smith（1931）纯化了第一个）纯化了第一个DNA R.E.可在特定位点切割可在特定位点切割 DNA。科学。科学家已从不同的细菌中分离出家已从不同的细菌中分离出3000多种限制性核酸内切酶，通常识别多种限制性核酸内切酶，通常识别48个碱个碱基。基。1963 M.W.Nirenberg（美（美1927）&H.Matthai（德）（德）破译了遗传密码破译了遗传密码:在在无细胞系统无细胞系统(ce
21、ll-free system)加入人工合成的多核苷酸，指导合成了一定序加入人工合成的多核苷酸，指导合成了一定序列的多肽链，充分证明了列的多肽链，充分证明了20种氨基酸的遗传密码。种氨基酸的遗传密码。1978H.O.Smith,W.Arber,D.Nathans因为发现限制酶因为发现限制酶并用于分子生物学领域而获诺贝尔奖。并用于分子生物学领域而获诺贝尔奖。分子生物学发展简史分子生物学发展简史1966年年Khorana证明了证明了Nirenberg 提出的遗传密码提出的遗传密码,有机化学有机化学方法合成多聚脱氧核糖核酸，以其为模板在方法合成多聚脱氧核糖核酸，以其为模板在DNA PolI催化下合催化
22、下合成成DNA链；再以链；再以DNA为模板合成为模板合成RNA。蛋白质的分子生物合。蛋白质的分子生物合成，特别是与其密不可分的成，特别是与其密不可分的RNA合成，经历了漫长的发展历程。合成，经历了漫长的发展历程。rRNA:蛋白质的合成场所蛋白质的合成场所,占总占总RNA 的的85%RNA tRNA 转移氨基酸转移氨基酸 10%mRNA 编码多肽编码多肽 4%snRNA 协助拼接反应协助拼接反应 1%分子生物学发展简史分子生物学发展简史1967年年 Gellent 发现发现DNA连接酶用来连接连接酶用来连接DNA片段。片段。DNA ligase是基因拼接或基因工程必不可缺的工具酶。是基因拼接或基
23、因工程必不可缺的工具酶。1970年年Temin&Boltimore发现反转录酶。提出以发现反转录酶。提出以RNA为模板为模板合成合成cDNA，使中心法则更为完全，导致，使中心法则更为完全，导致cDNA文库构建。为钓文库构建。为钓取特定的蛋白编码片段提供了不可或缺的手段。取特定的蛋白编码片段提供了不可或缺的手段。1975年获诺贝尔生理或医学奖年获诺贝尔生理或医学奖分子生物学发展简史分子生物学发展简史1972年年H.Boyer,S.Cohen,P.Berg及其同事发展了克隆技术。及其同事发展了克隆技术。1972 Paul Berg&Herbert Boyer第一次实现了用两个第一次实现了用两个DN
24、A分分子建立重组子建立重组DNA分子，随后几年分子，随后几年Boyer 通过将构建的重组质粒通过将构建的重组质粒转化细菌而构建了第一个重组微生物。接着陆续构建了青蛙核转化细菌而构建了第一个重组微生物。接着陆续构建了青蛙核糖体糖体 RNA的的 重组菌。重组菌。1977 Boyer1977 Boyer参与建立第一家基因工程公司参与建立第一家基因工程公司Genetech,Genetech,将生长抑将生长抑素（素（somatostatinsomatostatin）基因导入细菌，首次在人以外的生物中产）基因导入细菌，首次在人以外的生物中产生人类蛋白。生人类蛋白。19921992克隆人胰岛素基因产物上市，
25、成为第一个克隆人胰岛素基因产物上市，成为第一个DNADNA重组药物。重组药物。1972年,Boyer获得第一个重组DNA分子1972-BergEcoRI recognition sites phage DNAEcoRI cuts DNA into fragmentsSticky endSV40 DNAThe two fragments stick together by base pairingDNA ligaseRecombinant DNA分子生物学发展简史分子生物学发展简史1974年美国发表年美国发表Belmont报告，确立科研中进行人体实验的政报告，确立科研中进行人体实验的政策。策。1
26、975年年Mary-ClaireKing和和Allan C.Wilson发现，人类和猩猩发现，人类和猩猩的基因相似度达到的基因相似度达到99%。1975年年Georges Kohler 和和 Cesar Milstein开发出生产单克隆开发出生产单克隆抗体的技术。抗体的技术。杰尼杰尼科勒科勒米尔斯坦米尔斯坦1984年获诺贝尔生理或医学奖年获诺贝尔生理或医学奖分子生物学发展简史分子生物学发展简史1975 F.Sanger&Barrell 及及Maxam&W.Gilbert发展了快速发展了快速DNA测序方法。前者为双脱氧终止法，后者为化学法。测序方法。前者为双脱氧终止法，后者为化学法。伯格伯格 B
27、erg 桑格桑格 Sanger 吉尔伯特吉尔伯特 Gilbert DNA重组重组在细菌中表在细菌中表达胰岛素达胰岛素Sanger还由于测定了牛胰岛素的一级结构而获得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。年诺贝尔化学奖。1984年获诺贝尔化学奖年获诺贝尔化学奖分子生物学发展简史分子生物学发展简史1978年年David Botstein开创核酸限制性片段长度多态性分析技开创核酸限制性片段长度多态性分析技术，用于标志不同个体间的基因差别。术，用于标志不同个体间的基因差别。1978年美国开始借助基因技术用大肠杆菌批量生产人类胰岛素。年美国开始借助基因技术用大肠杆菌批量生产人类胰岛
28、素。1981年年Palmiter&Brinster研制出转基因小鼠；研制出转基因小鼠；Spradling&Rubin研制出转基因果蝇。研制出转基因果蝇。分子生物学发展简史分子生物学发展简史1982年年GeneBank数据库建立。数据库建立。1985年年Kary Mullis等发明了聚合酶链反应等发明了聚合酶链反应(PCR)方法。方法。1995年获得诺贝尔化学奖 分子生物学发展简史分子生物学发展简史1984年年Alec Jeffreys发明了基因指纹技术，可以用人的头发、发明了基因指纹技术，可以用人的头发、血液和精液等来鉴定身份。血液和精液等来鉴定身份。1984年关于人类基因组测序的第一次公开讨
29、论开始。年关于人类基因组测序的第一次公开讨论开始。1986年年Leroy Hood开发自动测序仪。开发自动测序仪。1988年人类基因组组织年人类基因组组织(HUGO)成立。成立。1989年年Altman 因因Ribozyme研究获诺贝尔化学奖。研究获诺贝尔化学奖。分子生物学发展简史分子生物学发展简史1990年美国正式启动人类基因组计划。随后，德国、日本、英年美国正式启动人类基因组计划。随后，德国、日本、英国、法国和中国也相继加入该计划。国、法国和中国也相继加入该计划。1991年年Craig Venter开发出新的测序技术。开发出新的测序技术。第1 代测序技术荧光标记的Sanger 法第2 代测
30、序技术循环阵列合成测序法 SangerSanger法测序法测序 2001年第一个人类全基因组图谱花费年第一个人类全基因组图谱花费30亿美元亿美元第第2 2 代测序技术工作流程代测序技术工作流程Illumina Solexa、ABI SOLiD，ABI 3730 xl、Roche 454等多种测序仪器等多种测序仪器 美国美国454 Life Sciences 新技术测序新技术测序目前人类基因组测序费用低于目前人类基因组测序费用低于5000美元美元 目标是目标是100美元以下美元以下微乳液微乳液PCR扩增扩增焦磷酸测序焦磷酸测序焦磷酸测序焦磷酸测序Illumina Solexa测序测序桥式桥式PC
31、R扩增扩增瞬时测序新技术瞬时测序新技术 对单个聚合酶进行成像的系统对单个聚合酶进行成像的系统 康奈尔大学（康奈尔大学（Cornell University）研究生研究生Steve Turner和和Jonas Korlach 24个碱基个碱基/每秒的测序速度每秒的测序速度 测序片段长度达到测序片段长度达到4000个碱基个碱基 Eid,J.et al.Real-time DNA sequencing from single polymerase molecules.Science 323,133138(2009).纳米测序技术纳米测序技术石墨烯石墨烯仅一个原子厚度的仅一个原子厚度的非晶体碳复合薄膜
32、有可能制成非晶体碳复合薄膜有可能制成人工膜用于人工膜用于DNA测序测序。基于纳电子技术的基于纳电子技术的DNA测序构想，即利用测序构想，即利用核苷酸上不同碱基的电子结构不同。核苷酸上不同碱基的电子结构不同。DNA分子是带电的大分子，在纵向电场的驱动分子是带电的大分子，在纵向电场的驱动下，将游动通过纳米孔。在此期间，同时下，将游动通过纳米孔。在此期间，同时测量纳米孔里横向的隧穿电流，不同核苷测量纳米孔里横向的隧穿电流，不同核苷酸的碱基电子结构不同，由此导致的横向酸的碱基电子结构不同，由此导致的横向电学特性也不同，据此可以判断出正在通电学特性也不同，据此可以判断出正在通过的是哪一种核苷酸。过的是哪
33、一种核苷酸。测序技术发展路线测序技术发展路线测序技术发展路线测序技术发展路线分子生物学发展简史分子生物学发展简史1994年美国一公司推出新的转基因西红柿罐头，其保质期比普通西年美国一公司推出新的转基因西红柿罐头，其保质期比普通西红柿更长，成为人类历史上第一个转基因食品。红柿更长，成为人类历史上第一个转基因食品。1995年年7美国人类基因组研究所绘出了流感嗜血杆菌的基因图谱；美国人类基因组研究所绘出了流感嗜血杆菌的基因图谱；3个月后，科学家又绘制出了生殖器支原体的基因图谱。个月后，科学家又绘制出了生殖器支原体的基因图谱。1996年酵母基因组测序完成。年酵母基因组测序完成。1997年苏格兰罗斯林研
34、究所培育出世界上第一例体细胞克隆动物小年苏格兰罗斯林研究所培育出世界上第一例体细胞克隆动物小羊羊“多利多利”。分子生物学发展简史分子生物学发展简史1997年大肠杆菌基因组测序完成。年大肠杆菌基因组测序完成。1997年参加人类基因组计划的科学家决定将研究成果无偿向全世界年参加人类基因组计划的科学家决定将研究成果无偿向全世界公开。公开。1998年结核性分枝杆菌以及梅毒螺旋体基因组测序完成。年结核性分枝杆菌以及梅毒螺旋体基因组测序完成。1998年线虫基因组测序完成。年线虫基因组测序完成。1998年日本科学家用一头成年牛的体细胞克隆出年日本科学家用一头成年牛的体细胞克隆出8头克隆牛犊。头克隆牛犊。19
35、99年人类第年人类第22号染色体测序完成，这是第一个完成测序的人类染号染色体测序完成，这是第一个完成测序的人类染色体。色体。2000年果蝇和拟南芥的基因组测序完成。年果蝇和拟南芥的基因组测序完成。2000年年Craig Venter和和Celera公司和人类基因组计划相继宣布，人类公司和人类基因组计划相继宣布，人类基因组草图完成。基因组草图完成。2001年年Craig Venter公布了绘制人类蛋白质组图谱的计划。公布了绘制人类蛋白质组图谱的计划。2002年水稻、小鼠、疟原虫和按蚊基因组测序完成。年水稻、小鼠、疟原虫和按蚊基因组测序完成。分子生物学发展简史分子生物学发展简史2003年人类基因组
36、计划宣布，人类基因组序列图绘制成功，人类基年人类基因组计划宣布，人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现。因组计划的所有目标全部实现。20032003年年4 4月月1414日，中、美、日、德、法、英等日，中、美、日、德、法、英等6 6国科学家宣布人类基因组序列图绘国科学家宣布人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现。已完成的序列图覆盖人类基因组制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现。已完成的序列图覆盖人类基因组所含基因区域的所含基因区域的9999，精确率达到，精确率达到99.9999.99，这一进度比原计划提前两年多。，这一进度比原计划提前两年多。Huma
37、n Genome Project,HGP 首先由R.Dulbecco（1914）在1985年提出。用15年时间（19902005）30亿USD，测定32亿碱基对序列。2000年6月完成框架图，中国测定了3#染色体三千万碱基序列，精确度达99.99%,成为参与该计划的六大国之一。人类基因组计划人类基因组计划编码蛋白质基因数编码蛋白质基因数 人类基因组中有31000个蛋白质编码基因 Celera公司发现了约26000个基因 一个酵母细胞有6000个 一个苍蝇有13000个 一个蠕虫有18000个 一种植物有26000个编码基因 这些多细胞生物的基因数受基因搜索程序的限制，没有一个是高度精确的。Ge
38、nes VIII估计人类基因组含有30,000-40,000条基因。ELISI计划计划 人类基因组计划的设计师们已认识到在对人类基因组进行测序的过程中，一方面致力于发展科技目标，另一方面必须强调这一新科学对个人、家庭和社会的影响。1990年设立了伦理、法律和社会影响研究项目（ELISI,Ethical,Legal,and Social Implications）得到美国能源部和国家人类基因组研究所人类基因组计划年度预算的3%5%，这是世界上最大的生物伦理学计划。关于ELISI的信息可从国家人类基因组研究所和能源部的网站获得：www.nhgri.gov 或www.ornl.gov/hgmias
39、科学家正朝着破解每个染色体遗传信息的目标而努力。2003年元旦法国基因测序中心科学家破译了人类第14号染色体的遗传密码。2003 年4月美国华盛顿大学医学院的科研小组又破译了人类第7号染色体,这一成果有助于对囊状纤维化、遗传性耳聋和癌症等多种疾病的研究。2003 年美国科学家6月完成了人类Y染色体的测序工作。基因测序发现,Y染色体包含约78个基因。重要的是Y染色体的5000万个硷基对中,约有600万个处于回文结构(Palindrome)中,这种结构有修复基因的作用。2003年10月23日,英国威康信托桑格研究所的科学家经过8年的努力,破译了人类第6号染色体。继第22、21、20、14、7和Y染
40、色体之后,6号染色体成为第7个被排序的人类染色体。在已发现的2190个基因结构中,有1557个功能基因,约占人类基因总数的6%；另有633个处于休眠状态,属非功能基因。这些基因约半数以前从未描述过。6号染色体中包含了一些与免疫反应相关的基因,统称为“主要组织相容性复合体（MHC）”染色体遗传信息的破解染色体遗传信息的破解 一号染色体基因测序完成一号染色体基因测序完成 2006年年5月月17日：英国日：英国Nature杂志今天公布了杂志今天公布了1号号染色体的基因测序，这是破解人类遗传密码的染色体的基因测序，这是破解人类遗传密码的“生命生命之书之书”中最长也是最后的一章。确定了中最长也是最后的一
41、章。确定了1号染色体中号染色体中3141个基因，这些基因发生缺陷与个基因，这些基因发生缺陷与350种疾病有关种疾病有关，其中包括癌症、帕金森氏病、早老性痴呆、高胆固醇其中包括癌症、帕金森氏病、早老性痴呆、高胆固醇血症、弱智和噗啉症等。血症、弱智和噗啉症等。1号染色体中共有号染色体中共有2.23亿个碱亿个碱基，占人基因组中基，占人基因组中30亿个碱基对的亿个碱基对的8。人类有人类有22对常染色体，最大者为对常染色体，最大者为1号染色体，最小的是号染色体，最小的是22号染色体。另外还有号染色体。另外还有X或或Y染色体决定人的性别。公染色体决定人的性别。公布布1号染色体的基因测序结果为人类基因组计划
42、号染色体的基因测序结果为人类基因组计划16年来年来的努力划上了句号。的努力划上了句号。人类基因组计划人类基因组计划16年努力终成正果年努力终成正果 X染色体与染色体与三百多种疾病有关三百多种疾病有关：科学家已破解了与：科学家已破解了与300多种人类疾病有关的女性多种人类疾病有关的女性X染色体的基因密码。可能有染色体的基因密码。可能有助于解释男女差别何以如此之大。助于解释男女差别何以如此之大。X 染色体拥有染色体拥有1100个基因，占人类基因组的约个基因，占人类基因组的约5%。还包括可能有助于血。还包括可能有助于血友病、肥胖、白血病等疾病的诊断的信息。友病、肥胖、白血病等疾病的诊断的信息。“沉默
43、沉默”的的 X染色体上，并非所有基因都失活，这或染色体上，并非所有基因都失活，这或许能解释男女间的某些差异。许能解释男女间的某些差异。在女性中，在女性中，X染色体的染色体的“失活失活”程度也是千差万别。程度也是千差万别。失活的失活的X染色体上的这些基因产生的影响或许能解释男染色体上的这些基因产生的影响或许能解释男女之间无法归因于性激素的某些差别。女之间无法归因于性激素的某些差别。X染色体染色体Silent X-chromosome 基因突变以及色盲、孤独症、血友病等与基因突变以及色盲、孤独症、血友病等与 X X染色体有关的染色体有关的疾病往往在男性身上出现疾病往往在男性身上出现，因为他们没有另
44、一条 X染色体来弥补出错的基因。X染色体上还有许多与智力迟顿有关的基因，及人类基因组中最大的DMD基因。DMD基因的突变导致杜兴氏肌营养不良症，这是男性的一种可能致残甚至致命的疾病。很多人类疾病都与X染色体有关。在找出问题所在之后，我们可以更好地理解人体的生命过程。X染色体染色体Y染色体研究障碍重重染色体研究障碍重重Y染色体上存在大量的复杂的重复序列，常被认为是大量的染色体上存在大量的复杂的重复序列，常被认为是大量的“垃圾垃圾DNA”，不止，不止人类，果蝇、小鼠、大猩猩的人类，果蝇、小鼠、大猩猩的Y染色体都如此。研究人员必须将这些重复的染色体都如此。研究人员必须将这些重复的DNA分成小段，在复
45、制多份，重复比对它们之间的微小差异，以降低出错的几率。因分成小段，在复制多份，重复比对它们之间的微小差异，以降低出错的几率。因此，此，Y染色体不仅难以研究而且常被认为是没有意义的染色体不仅难以研究而且常被认为是没有意义的“垃圾垃圾DNA”的集合体。的集合体。Y染色体的特殊变异机制可能导致男性灭绝染色体的特殊变异机制可能导致男性灭绝细胞进行减数分裂时，同源染色体之间会有基因交换、基因重组和变换的过程，细胞进行减数分裂时，同源染色体之间会有基因交换、基因重组和变换的过程，以减低坏突变存留下来的几率，维持遗传上的完整性。但是以减低坏突变存留下来的几率，维持遗传上的完整性。但是Y染色体是唯一没有染色体
46、是唯一没有同源伴侣的染色体，只有同源伴侣的染色体，只有X染色体的一半大，没有人跟它重组或是交换基因。染色体的一半大，没有人跟它重组或是交换基因。就演化的角度来看，就演化的角度来看，Y染色体应该会逐渐因突变而发生大量的损毁，甚至有人预染色体应该会逐渐因突变而发生大量的损毁，甚至有人预言，言，Y染色体在染色体在1000万年内完全失去功能，导致男性灭绝。万年内完全失去功能，导致男性灭绝。Y染色体基因序列比对得出新结论染色体基因序列比对得出新结论2003年的研究让年的研究让David Page发现发现Y染色体的特殊结构，染色体的特殊结构，Y染色体虽然没有同源染色体虽然没有同源染色体，但它自身特殊的回文
47、结构以及大量的重复序列使得它可以在染色体，但它自身特殊的回文结构以及大量的重复序列使得它可以在Y染色体内染色体内进行基因重组、交换等工作，维持自身的稳定性。这一结构被称为：进行基因重组、交换等工作，维持自身的稳定性。这一结构被称为：Y-Y gene conversion。2010年，这项新的比对研究发现，先前被认为进化速度缓慢的年，这项新的比对研究发现，先前被认为进化速度缓慢的Y染色体其实是染色体其实是进化竞技场中的佼佼者，进化竞技场中的佼佼者，Y染色体的进化速度称霸世界。染色体的进化速度称霸世界。黑猩猩的黑猩猩的Y染色体序列与人类的染色体序列与人类的Y染色体序列存在较大的差异，黑猩猩染色体序
48、列存在较大的差异，黑猩猩Y染色体染色体上基因的多样性只有人类的上基因的多样性只有人类的2/3，并且，能编码蛋白的基因也只有人类的，并且，能编码蛋白的基因也只有人类的47%。在结构上，黑猩猩的在结构上，黑猩猩的Y染色体也与人类不同，它缺乏丰富的回文结构。染色体也与人类不同，它缺乏丰富的回文结构。David Page表示，人类表示，人类Y染色体的进化速度如此快，其中的一个原因是，受精染色体的进化速度如此快，其中的一个原因是，受精过程中大量的精子间存在竞争，这是促使过程中大量的精子间存在竞争，这是促使Y染色体进化的原因之一。染色体进化的原因之一。David还表示，还表示，Y染色体十分令人惊讶，人类有
49、语言会创作诗句，都与这些有关。染色体十分令人惊讶，人类有语言会创作诗句，都与这些有关。Nature解密人解密人Y染色体染色体 驳倒驳倒“男性灭绝说男性灭绝说”Chimpanzee and human Y chromosomes are remarkably divergent in structure and gene content.2010 6号染色体号染色体上一些基因不仅在机体对外界细菌和病毒入侵作出防御反应方面有重要作用,在器官移植配型方面也有十分重要的意义,还与自身免疫疾病有关,因此被称为“免疫学中的圣杯”。6号染色体上还有导致遗传性血色素沉着病、帕金森病、癫痫等疾病的基因。2003
50、年11月法国和英国的科研人员在人类的第10号染色体上发现了一种名为GAD2的变异基因,该基因能对人类食欲和胰岛素的生成产生影响,引发肥胖症。常染色体突变与疾病的关系常染色体突变与疾病的关系 2003年1月,中法科学家共同发现了第一个导致心率不齐的基因位于第11号染色体上的KCNQ1基因。另外,俄罗斯科学院乌法科学中心的科学家在俄罗斯人和鞑旦人的基因材料上首次发现了6个与自杀相关的基因。Ch.16#880个基因，含有与（1）乳腺癌；（2）前裂腺癌；（3）克朗氏病（Crohns Disease);(4)成人多囊肾病等疾病发生相关的基因。华盛顿大学医学院完成Ch.7#，人类最大的ch.占人类基因组D
