1、第一章第一章 分子生物学导论分子生物学导论第一节第一节 分子生物学的概念、地位及意义分子生物学的概念、地位及意义第二节第二节 分子生物学与其他生物学科关系分子生物学与其他生物学科关系第三节第三节 分子生物学的主要研究领域分子生物学的主要研究领域生命是什么生命是什么？Life is easier to recognize than defineLife is easier to recognize than define.v生命的基本特征生命的基本特征：新阵代谢新阵代谢 生长生长、发育发育、衰亡衰亡 (生命现象）生命现象）遗传与变异遗传与变异 生物进化生物进化 结构与适应结构与适应 生物多样性生
2、物多样性 生殖与死亡生殖与死亡 稳定与发展稳定与发展v生命的物质性生命的物质性：生命生命(运动运动)是是生物体特有的现象生物体特有的现象；生物体构成的物质性生物体构成的物质性 水和矿物质水和矿物质 组成生物体的元素有组成生物体的元素有7070多种多种，简单有机物简单有机物 均存在于自然界均存在于自然界 复杂有机物复杂有机物 生命物质的独特之处在于由这些自然元素组成为各物生命物质的独特之处在于由这些自然元素组成为各物质结构单元，再由其构成结构功能复的生物大分子质结构单元，再由其构成结构功能复的生物大分子 从葡萄糖到淀粉从葡萄糖到淀粉 从氨基酸到蛋白质从氨基酸到蛋白质、从脱氧核苷酸到从脱氧核苷酸到
3、DNADNA 由脂质分子、蛋白质和多糖等构成的膜结构由脂质分子、蛋白质和多糖等构成的膜结构生物体的结构与层次生物体的结构与层次v生物体是一个复杂的系统，由各不同结构单元构成生物体是一个复杂的系统，由各不同结构单元构成v每个结构单元是一个子系统，由更小的单元构成每个结构单元是一个子系统，由更小的单元构成v细胞作为生物体结构单元，是基本结构与功能单位细胞作为生物体结构单元，是基本结构与功能单位v任何能独立生活的生物体都是由单细胞（孢子、受任何能独立生活的生物体都是由单细胞（孢子、受精卵、培养细胞等）生长发育而来精卵、培养细胞等）生长发育而来v由细胞进一步构成组织、器官乃至整个生物体由细胞进一步构成
4、组织、器官乃至整个生物体v由生物体构成群体、群落乃至生态系统由生物体构成群体、群落乃至生态系统v细胞内有超微结构作为功能区域，主要是由生物大细胞内有超微结构作为功能区域，主要是由生物大分子构成，细胞的结构与功能实际上是由各种不同分子构成，细胞的结构与功能实际上是由各种不同的生物大分子来履行的。的生物大分子来履行的。v生物大分子有特定的结构与其功能相适应。生物大分子有特定的结构与其功能相适应。第一节第一节 分子生物学的概念、地位及意义分子生物学的概念、地位及意义 1 分子生物学的提出分子生物学的提出 1938，Warren Weaver 首先提出首先提出 1939,Astbury 在论文中首先使
5、用在论文中首先使用 1953,Watson and Crick DNA 双螺旋模型双螺旋模型 1956,剑桥剑桥大学医学会大学医学会 lab on Molecular biology 1959,Journal of Molecular Biology 1963,European Molecular biology OrganizationJacob Monod：Molecular biology was based on the idea that principal characters of life may be explained with their structures of ma
6、cromolecules.2 2 分子生物学发展的里程碑分子生物学发展的里程碑:(1)确定了蛋白质是生命的主要物质基础确定了蛋白质是生命的主要物质基础 v19世纪末世纪末Buchner兄弟证明酵母无细胞提取兄弟证明酵母无细胞提取液能使糖发酵产生酒精，第一次提出酶液能使糖发酵产生酒精，第一次提出酶（enzyme）的名称，并证明酶的本质是蛋）的名称，并证明酶的本质是蛋白质。白质。1950年年Pauling和和Corey提出了提出了-角蛋角蛋白的白的-螺旋结构模型。螺旋结构模型。v1953年年Sanger和和Thompson完成了第一个完成了第一个多肽分子多肽分子-胰岛素胰岛素A链和链和B链的氨基酸
7、全序列链的氨基酸全序列分析。分析。1964年中国科学家成功地合成具有生年中国科学家成功地合成具有生物活性的结晶牛胰岛素。物活性的结晶牛胰岛素。(2)(2)确定了生物遗传物质是核酸而不是蛋白质确定了生物遗传物质是核酸而不是蛋白质v1927年，美国遗传学家年，美国遗传学家Muller用用X射线处理红眼射线处理红眼果蝇，在其后代中获得个别可遗传的白眼突变体。果蝇，在其后代中获得个别可遗传的白眼突变体。v1928年，美国微生物学家年，美国微生物学家Avery用肺炎球菌感染用肺炎球菌感染小鼠小鼠，其后由，其后由Beadle证明转化因子是证明转化因子是DNA；1952年，美国微生物学家年，美国微生物学家H
8、ershey用用T2噬菌体感染大噬菌体感染大肠杆菌实验，也证明肠杆菌实验，也证明DNA是是遗传物质。遗传物质。v1956年年Conrat 用烟草花叶病毒做病毒重组实验，用烟草花叶病毒做病毒重组实验，证明了证明了RNA是烟草花叶病毒的遗传物质。是烟草花叶病毒的遗传物质。这个实验表明，在不含有这个实验表明，在不含有DNA的生物中，的生物中，RNA 是遗传物质是遗传物质(3)分子生物学的建立和发展分子生物学的建立和发展v学科基础学科基础：1953年年Watson and Crick提出双螺旋提出双螺旋结构模型结构模型。1956年年Kornberg 首先发现首先发现DNA聚合酶聚合酶。1958年年Me
9、selson 及及Stahl 证明证明DNA半保留式复制半保留式复制。1968年年Okazaki 提出提出DNA不连续复制模型不连续复制模型。1972年年证实证实DNA复制开始需要复制开始需要RNA作为引物作为引物。由此由此，从理从理论上解决了遗传信息的贮存、复制与传递的机理论上解决了遗传信息的贮存、复制与传递的机理。v技术基础技术基础：20世纪世纪70年代年代Yuan 和和Smith 发现限发现限制性内切酶制性内切酶。1972年年Bery等将等将SV40病毒病毒DNA与噬与噬菌体菌体P22DNA在体外重组成功在体外重组成功。1977年年Boyer 等首等首先将人工合成的生长激素释放抑制因子先
10、将人工合成的生长激素释放抑制因子14肽的基因肽的基因重组重组入质粒。由此，从技术上解决了体外遗传操作。入质粒。由此，从技术上解决了体外遗传操作。v产业基础产业基础：1979年美国基因技术公司用人工合成的年美国基因技术公司用人工合成的人胰岛素基因重组体人胰岛素基因重组体DNA转入转入E.coli 成功合成人胰成功合成人胰岛素岛素。1982年年Palmiter 等将克隆的生长激素基因导等将克隆的生长激素基因导入小鼠受精卵核得到比原个体大几倍的入小鼠受精卵核得到比原个体大几倍的“巨鼠巨鼠”；我国将生长激素基因转入鱼受精卵得到转基因鱼我国将生长激素基因转入鱼受精卵得到转基因鱼。1994年能比普通西红柿
11、保鲜时间更长的转基因西红年能比普通西红柿保鲜时间更长的转基因西红柿柿、1996年转基因玉米、转基因大豆等相继投入商年转基因玉米、转基因大豆等相继投入商品生产；我国将苏氏杆菌毒蛋白基因转入棉花获得品生产；我国将苏氏杆菌毒蛋白基因转入棉花获得抗虫棉抗虫棉。分子生物学分子生物学生物技术生物技术生物技术产业生物技术产业v医疗卫生医疗卫生：1991年美国向一患先天性免疫缺陷病年美国向一患先天性免疫缺陷病(腺苷脱氨酶腺苷脱氨酶ADAADA基因缺陷基因缺陷)女孩体内导入重组女孩体内导入重组ADA基因获得成功基因获得成功；1994我国用导入人凝血因子我国用导入人凝血因子基因基因的方法成功治疗了乙型血友病的患者
12、。的方法成功治疗了乙型血友病的患者。生物医学生物医学3 3 分子生物学及其意义分子生物学及其意义 3 3.1 1 分子生物学的概念分子生物学的概念分子生物学是从分子水平研究生命本质为目的的一门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新兴边缘学科。实质上，就是边缘学科。实质上，就是研究核酸、蛋白质等研究核酸、蛋白质等 生物大分子的结构与功能及其相互关系生物大分子的结构与功能及其相互关系的科学。的科学。3 3.2 2 分子生物学的主要研究内容分子生物学的主要研究内容 (1)结构分子生物学结构分子生物学：研究构效关系的分支。：研究构效关系的分支。研究生物大分子特定的空间结构及结构的运动研究
13、生物大分子特定的空间结构及结构的运动变化与其生物学功能关系的科学。它包括结构的测变化与其生物学功能关系的科学。它包括结构的测定、结构运动变化规律的探索及结构与功能相互关定、结构运动变化规律的探索及结构与功能相互关系等系等3 3个主要研究个主要研究方向方向。(2)基因表达与调控基因表达与调控 基因表达实质上就是遗传信息的转录和基因表达实质上就是遗传信息的转录和翻译；在个体发育过程中生物遗传信息的表翻译；在个体发育过程中生物遗传信息的表达按一定的时序发生变化达按一定的时序发生变化(时序调控时序调控)，并随，并随着内外环境的变化而不断的加以修正着内外环境的变化而不断的加以修正(环境调环境调控控)。(
14、3)DNA重组技术重组技术：将不同的将不同的DNA片段片段(如基因或基因的一部如基因或基因的一部分分)按照人们的设计定向连接起来，在特定的按照人们的设计定向连接起来，在特定的受体细胞中复制并得到表达，产生影响受体受体细胞中复制并得到表达，产生影响受体细胞的新的遗传性状细胞的新的遗传性状。DNA重组技术也称为重组技术也称为基因克隆或者分子克隆基因克隆或者分子克隆。3 3.3 3 分子生物学的地位和意义分子生物学的地位和意义 分子生物学分子生物学是由生物化学、生物物理学、是由生物化学、生物物理学、遗传遗传学、学、微生物学微生物学、细胞学、信息科学等多学科相互渗、细胞学、信息科学等多学科相互渗透、综
15、合融会而产生并发展起来的，已形成它独特透、综合融会而产生并发展起来的，已形成它独特的理论体系和研究手段，成为一个独立的学科。生的理论体系和研究手段，成为一个独立的学科。生命活动一致性，使得生物学将是在生物学范围内所命活动一致性，使得生物学将是在生物学范围内所有学科在分子水平上的统一。有学科在分子水平上的统一。v科学意义：生物科学的核心和热点科学意义：生物科学的核心和热点 现代生物学研究的基本工具现代生物学研究的基本工具 当代科学发展的新平台当代科学发展的新平台v经济意义：生物技术产业经济意义：生物技术产业 生物医学与生物制药生物医学与生物制药 生物农业和生物能源生物农业和生物能源 环境治理与生
16、态经济环境治理与生态经济第二节第二节 分子生物学与其他生物学科关系分子生物学与其他生物学科关系1 1 分子生物学及相关学科分子生物学及相关学科v宏观宏观 保育生物学保育生物学 现代进化论现代进化论 生态学生态学进化论进化论形态学形态学 细胞学细胞学 生理学生理学 生物化学生物化学 分子分子 系统生物学系统生物学 生物学生物学 v微观微观 遗传学遗传学 细胞学细胞学 v技术技术 蛋白质工程蛋白质工程 基因工程基因工程 分子遗传学分子遗传学 细胞细胞 生物学生物学 2 分子生物学前沿研究分子生物学前沿研究(1)基因组研究的发展基因组研究的发展 目前分子生物学已经从研究单个基因发展到研究生目前分子生
17、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物整个基因组的结构与功能。v1977年年Sanger测定了测定了X174全部全部5375个核苷酸的序个核苷酸的序列列；1978年年Fiers等测出等测出SV40全部全部5224对碱基序列对碱基序列.v80年代年代噬菌体噬菌体48,502碱基对的序列全部测出碱基对的序列全部测出；v1996年测出了大肠杆菌年测出了大肠杆菌4x106碱基对序列碱基对序列；v1990年人类基因组计划年人类基因组计划(Human Genome Project)开开始实施；始实施；2000年完成了人类基因组年完成了人类基因组“工作框架图工作框架图”；2003年年
18、人类基因组全测序完成，以后主要进行功能人类基因组全测序完成，以后主要进行功能基因组学研究。基因组学研究。(2)单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展v1975年年Kohler和和Milstein首次用首次用B淋巴细胞杂交瘤技术制备淋巴细胞杂交瘤技术制备出单克隆抗体出单克隆抗体。v1980年代以后随着基因工程抗体技术而相继出现的单域抗年代以后随着基因工程抗体技术而相继出现的单域抗体、单链抗体、嵌合抗体、重构抗体、双功能抗体等为许体、单链抗体、嵌合抗体、重构抗体、双功能抗体等为许多疾病的诊断和治疗提供了有效的手段多疾病的诊断和治疗提供了有效的手段。(3)细胞信号转
19、导机理研究成为新的前沿领域：细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域：vSutherland1957年发现年发现cAMP、1965年提出第二信使学说年提出第二信使学说。v1977年年Ross等用重组实验证实等用重组实验证实G蛋白的存在和功能，将蛋白的存在和功能，将G蛋白与蛋白与cAMP的作用相联系起来，对的作用相联系起来，对G蛋白偶联信号转导途蛋白偶联信号转导途径有了新的认识径有了新的认识。v随后蛋白酪氨酸激酶途径的发现、各种受体蛋白基因的克随后蛋白酪氨酸激酶途径的发现、各种受体蛋白基因的克隆和结构功能的探索等，使近隆和结构功能的探索等，使近10年来细胞信号转导的研究年来细胞信号转导的研究有了长足
20、的进步。有了长足的进步。第三节第三节 分子生物学的主要研究领域分子生物学的主要研究领域1 1 基因工程基因工程v基因工程基因工程的基础是的基础是DNA重组技术，它建立在对核酸重组技术，它建立在对核酸的结构、功能与理化特性深刻认识的基础上。基因的结构、功能与理化特性深刻认识的基础上。基因工程的技术内容和范围包括建立重组工程的技术内容和范围包括建立重组DNA文库和文库和cDNA文库、基因克隆、用限制性内切酶剪切文库、基因克隆、用限制性内切酶剪切DNA和重组和重组DNA、基因转化、基因表达检测、分子杂交基因转化、基因表达检测、分子杂交、DNA测序，基因敲除测序，基因敲除(knocking-out)、
21、基因敲入基因敲入(knocking-in)等等方面方面。v基因工程基因工程还延伸到对基因表达的产物还延伸到对基因表达的产物蛋白质的蛋白质的修饰和改造修饰和改造研究方面。研究方面。这类工程又称为这类工程又称为“蛋白质工蛋白质工程程”。由于改变蛋白质的氨基酸序列需要经过基因。由于改变蛋白质的氨基酸序列需要经过基因工程来实现，所以蛋白质工程可以包含在基因工程工程来实现，所以蛋白质工程可以包含在基因工程范畴之内，或称之为第二代的基因工程范畴之内，或称之为第二代的基因工程。基因工程主要研究领域基因工程主要研究领域 动物、植物、微生物及其之间的基因转移动物、植物、微生物及其之间的基因转移 遗传改良遗传改良
22、 特殊产物的生产特殊产物的生产 基因结构功能研究：基因结构功能研究：检测、测序、体外表达检测、测序、体外表达 基因敲除、基因敲入基因敲除、基因敲入 基因文库及基因克隆基因文库及基因克隆 蛋白质结构及功能改造蛋白质结构及功能改造蛋白质工程蛋白质工程2 基因组学基因组学v基因组基因组计划的实施已衍生出一系列崭新的生物技术。计划的实施已衍生出一系列崭新的生物技术。这些技术包括全自动核酸测序技术，结构和功能这些技术包括全自动核酸测序技术，结构和功能基基因组分析技术因组分析技术，双向凝胶电泳和测序，双向凝胶电泳和测序质谱，生物芯质谱，生物芯片片技术技术，生物，生物信息学技术等信息学技术等。为从整体上研究
23、生物。为从整体上研究生物的结构与功能提供了可能性，在的结构与功能提供了可能性，在发现和鉴定新基因、发现和鉴定新基因、分析基因功能表达谱、分析非编码区信息结构、设分析基因功能表达谱、分析非编码区信息结构、设计蛋白质分子和药物计蛋白质分子和药物、基因诊断、基因诊断和基因治疗、动植和基因治疗、动植物遗传改良、新品种培育等方面都有着物遗传改良、新品种培育等方面都有着重大意义。重大意义。基因组测序基因组测序 功能基因组分析功能基因组分析 基因的时空表达与调控基因的时空表达与调控 转录组学、蛋白质组学和代谢组学转录组学、蛋白质组学和代谢组学v在农业领域，欧美相继启动了猪、牛、羊、在农业领域，欧美相继启动了
24、猪、牛、羊、鸡等主要畜禽的基因组计划，其研究重点是鸡等主要畜禽的基因组计划，其研究重点是重要经济性状基因的定位与分析。植物方面，重要经济性状基因的定位与分析。植物方面，在完成模式植物拟南芥和水稻基因组全序列在完成模式植物拟南芥和水稻基因组全序列测定的基础上，启动了玉米、大麦、小麦、测定的基础上，启动了玉米、大麦、小麦、油菜、棉花、大豆、番茄等一大批农作物基油菜、棉花、大豆、番茄等一大批农作物基因组学的研究。在基因组测序的基础上，把因组学的研究。在基因组测序的基础上，把基因序列与基因功能对应与结合起来，将使基因序列与基因功能对应与结合起来，将使功能基因组学研究全面展开。功能基因组学研究全面展开。
25、v以基因组学为基础，相应发展了转录组学、以基因组学为基础，相应发展了转录组学、蛋白质组学和代谢组学。蛋白质组学和代谢组学。3 3 生物信息学生物信息学 v生物信息学是因人类基因组研究而引发并兴起生物信息学是因人类基因组研究而引发并兴起的跨的跨学科学科、多学科交叉、多学科交叉的科学。的科学。v生物信息学以生物信息学以计算机为主要工具开发各种软件，对计算机为主要工具开发各种软件，对急速增加的大量急速增加的大量DNADNA和蛋白质资料进行收集、整理、和蛋白质资料进行收集、整理、储存、提取、加工和分析研究，以便鉴定新基因，储存、提取、加工和分析研究，以便鉴定新基因，拼接测序片段，确定基因和蛋白质功能，
26、了解生命拼接测序片段，确定基因和蛋白质功能，了解生命的起源、进化，遗传和发育的的起源、进化，遗传和发育的本质。本质。v生物生物信息学技术的源头信息学技术的源头是基因组是基因组DNADNA序列信息，在序列信息，在获得蛋白质获得蛋白质编码区的信息后，进行蛋白质空间结构编码区的信息后，进行蛋白质空间结构模拟和预测，然后依据特定蛋白质的功能模拟和预测，然后依据特定蛋白质的功能，可进行，可进行天然大分子的改性和基于受体结构的药物天然大分子的改性和基于受体结构的药物分子设计。分子设计。v生物生物信息学的迅速发展信息学的迅速发展，将，将对人类健康、农业和生对人类健康、农业和生态环境保护产生深远影响态环境保护
27、产生深远影响。使生物技术产业终将。使生物技术产业终将成成为新兴为新兴技术产业。技术产业。4 4 系统生物学系统生物学v各种组学与生物信息学相互渗透催生系统生物学各种组学与生物信息学相互渗透催生系统生物学v系统生物学是研究生命系统复杂性的科学：系统生物学是研究生命系统复杂性的科学：结构复杂性、功能复杂性、相互作用复杂性结构复杂性、功能复杂性、相互作用复杂性v系统生物学的研究思路和方法：系统生物学的研究思路和方法：自上而下：分子行为自上而下：分子行为组学分析组学分析网络与信息流网络与信息流生物机制生物机制 自下而上：功能产物自下而上：功能产物组分变化组分变化相互作用网络相互作用网络生物机制生物机制
28、v系统生物学是利用由各种组学获得的数据，在一系统生物学是利用由各种组学获得的数据，在一个比传统生物学更高层次上分析活生物体的一门个比传统生物学更高层次上分析活生物体的一门学科。系统生物学将使生命科学由描述式的科学学科。系统生物学将使生命科学由描述式的科学转变为定量和预测的科学。转变为定量和预测的科学。v系统生物学将在基因组序列的基础上，完成由生系统生物学将在基因组序列的基础上，完成由生命密码到生命过程的研究。命密码到生命过程的研究。Atherosclerosis(动脉粥样硬化动脉粥样硬化)生物标记关系网络生物标记关系网络直肠癌调控网络直肠癌调控网络5 分子生物学在农业中分子生物学在农业中的应用
29、的应用v改良改良作物品质：提高蛋白质含量和作物品质：提高蛋白质含量和氨基酸组成；氨基酸组成；v提高提高植物的抗逆性：抗旱、抗寒、抗病、盐碱。生植物的抗逆性：抗旱、抗寒、抗病、盐碱。生物农药：生物杀虫剂物农药：生物杀虫剂BtBt毒蛋白毒蛋白基因；基因；v水果水果的保鲜：通过反义基因抑制乙烯的保鲜：通过反义基因抑制乙烯基因表达；基因表达；v改变改变花色、花期：对色素花色、花期：对色素基因改造基因改造来改变来改变花颜色；花颜色；v调控调控植物激素基因的表达控制植物激素基因的表达控制花期；花期；v转基因转基因动、植物作为生物反应器生产药用蛋白：转动、植物作为生物反应器生产药用蛋白：转基因牛、烟草；转基
30、因猪生产人血红蛋白；基因牛、烟草；转基因猪生产人血红蛋白；v转基因羊：澳大利亚、新西兰生产彩色转基因羊：澳大利亚、新西兰生产彩色羊毛。羊毛。荧光鼠胚胎荧光鼠胚胎红色无毛鸡红色无毛鸡荧光兔荧光兔荧光鼠荧光鼠6 现代生物技术的现代生物技术的社会伦理问题社会伦理问题v新新物种的产生：转基因动植物病毒所带来的物种的产生：转基因动植物病毒所带来的未知后果，未知后果，生物武器等生物武器等v受到受到素食者的素食者的反对：动植物之间的基因转移反对：动植物之间的基因转移v种族歧视种族歧视的借口：的借口：96年从白种人的基因组中年从白种人的基因组中分离出分离出抗抗HIV（爱滋病（爱滋病）基因，其他人种中）基因，其
31、他人种中迄今没有发现该基因的同源迄今没有发现该基因的同源序列。序列。v性别性别检测与克隆人：已有法律约束，但可以检测与克隆人：已有法律约束，但可以利用胚胎干细胞培育人体所需的利用胚胎干细胞培育人体所需的器官。器官。v法律与伦理冲突：法律与伦理冲突：动物乱伦之后动物乱伦之后 据香港据香港文汇报文汇报报道，美国克莱格报道，美国克莱格文特尔研究文特尔研究所一个有华人参与的研究团队宣布，在实验中制造出所一个有华人参与的研究团队宣布，在实验中制造出世界首个完全由人造基因指令控制的人造生命，使人世界首个完全由人造基因指令控制的人造生命，使人类能力拓展到可以操纵自然世界，将来可制造有特殊类能力拓展到可以操纵
32、自然世界，将来可制造有特殊功能的生物，在生产疫苗及洁净能源等领域大派用场。功能的生物，在生产疫苗及洁净能源等领域大派用场。报道指出，文特尔领导的研究团队，重塑报道指出，文特尔领导的研究团队，重塑“丝状丝状支原体丝状亚种支原体丝状亚种”(Mycoplasma mycoides)的的DNA，并将新并将新DNA片段片段“黏黏”在一起，植入另一种山羊支原在一起，植入另一种山羊支原体中。新生命体中。新生命1个月前诞生，昵称个月前诞生，昵称“Synthia”(合成体合成体)，这种微生物由蓝色细胞组成，能够生长、繁殖，细胞这种微生物由蓝色细胞组成，能够生长、繁殖，细胞分裂了逾分裂了逾10亿次。植入的亿次。植入的DNA片段包含约片段包含约850个基因，个基因，而人类而人类DNA图谱上共有约图谱上共有约2万个基因。万个基因。
