1、聊城大学农学院园艺工程系聊城大学农学院园艺工程系 吕山花吕山花 现代分子生物学现代分子生物学（Modern molecular biology）吕山花吕山花联系方式：联系方式：现代分子生物学现代分子生物学Modern molecular biologyModern molecular biology朱玉贤朱玉贤李毅李毅现代分子生物学现代分子生物学Modern molecular biologyModern molecular biology第一章第一章 绪论绪论 第二章第二章 染色体与染色体与DNADNA第三章第三章 生物信息传递生物信息传递(上上)从从DNADNA到到RNA RNA 第四章第
2、四章 生物信息传递生物信息传递(下下)从从mRNAmRNA到蛋白质到蛋白质 第五章第五章 分子生物学的研究方法分子生物学的研究方法第六章第六章 基因的表达与调控（上）基因的表达与调控（上）-原核基因原核基因表达调控模式表达调控模式第七章第七章 基因的表达与调控（下）基因的表达与调控（下）-真核生物真核生物基因表达调控的一般规律基因表达调控的一般规律 第八章第八章 基因与人类健康（自学）基因与人类健康（自学）第九章第九章 基因与发育（自学）基因与发育（自学）第十章第十章 基因组与比较基因组学基因组与比较基因组学 现代分子生物学现代分子生物学Modern molecular biologyMode
3、rn molecular biology第一章第一章 绪绪 论论1.1 1.1 引言引言1.2 1.2 分子生物学简史分子生物学简史1.3 1.3 分子生物学研究内容分子生物学研究内容1.4 1.4 分子生物学展望分子生物学展望1.1.1 1.1.1 创世说与进化论创世说与进化论 1.1 1.1 引言引言A.A.生命是怎样起源的？生命是怎样起源的？B.B.为什么为什么“有其父必有其子有其父必有其子”？C.C.动、植物个体是怎样从一个动、植物个体是怎样从一个受精卵发育而来的？受精卵发育而来的？1.1 1.1 引言引言1.1.1 1.1.1 创世说与进化论创世说与进化论创世说创世说:1.1 1.1
4、 引言引言1859年，达尔文发表年，达尔文发表物种起源物种起源，提出进化论学说。，提出进化论学说。1.1.1 1.1.1 创世说与进化论创世说与进化论 进化论进化论:达尔达尔文从文从小就小就喜欢喜欢观察观察各种各种小动小动物的物的习惯。习惯。著名科学家达尔文与达尔文学说的创立。1.1.2 1.1.2 细胞学说细胞学说1.1 1.1 引言引言1.Leeuwenhoek1.Leeuwenhoek制作了第一架光学显制作了第一架光学显微镜。微镜。观察到了观察到了“微动物微动物”（animalculeanimalcule）1.1.2 1.1.2 细胞学说细胞学说1.1 1.1 引言引言2.2.Hooke
5、Hooke,第一次用第一次用“细胞细胞”这个概念来形容组成软木的这个概念来形容组成软木的基本单元。基本单元。1.1.2 1.1.2 细胞学说细胞学说1.1 1.1 引言引言3.193.19世纪，世纪，SchleidenSchleiden和和SchwannSchwann创立了创立了细胞学说细胞学说。认为：细胞的发生和形成是生物学界普遍和永久的认为：细胞的发生和形成是生物学界普遍和永久的规律。规律。Schleiden1.1.2 1.1.2 细胞学说细胞学说1.1 1.1 引言引言3.193.19世纪，世纪，SchleidenSchleiden和和SchwannSchwann创立了创立了细胞学说细胞
6、学说。认为：细胞的发生和形成是生物学界普遍和永久的认为：细胞的发生和形成是生物学界普遍和永久的规律。规律。今天的细胞学和分子细胞学就是在这个今天的细胞学和分子细胞学就是在这个基础上发展起来的。基础上发展起来的。Schwann1.1 1.1 引言引言1.1.3 1.1.3 经典的生物化学和遗传学经典的生物化学和遗传学a.a.生物化学生物化学Buchner实现了用酵母无细胞提取物和葡萄实现了用酵母无细胞提取物和葡萄糖进行氧化反应，生成乙醇，证明糖进行氧化反应，生成乙醇，证明化学物质转换并不需要完整的细胞化学物质转换并不需要完整的细胞而仅仅需要细胞中的某些成分。而仅仅需要细胞中的某些成分。1.1 1
7、.1 引言引言1.1.3 1.1.3 经典的生物化学和遗传学经典的生物化学和遗传学a.a.生物化学生物化学 1919世纪中叶到世纪中叶到2020世纪初，组成蛋世纪初，组成蛋白质的白质的2020种基本氨基酸被相继发现。种基本氨基酸被相继发现。Fisher相邻氨基酸肽键的形成相邻氨基酸肽键的形成1.1 1.1 引言引言1.1.3 1.1.3 经典的生物化学和遗传学经典的生物化学和遗传学a.a.生物化学生物化学细胞成分是如何进行细胞成分是如何进行世代相传的？世代相传的？1.1 1.1 引言引言1.1.3 1.1.3 经典的生物化学和遗传学经典的生物化学和遗传学b.b.遗传学遗传学经典遗传学创始人经典
8、遗传学创始人孟德尔孟德尔发现并提发现并提出了出了遗传学定律遗传学定律 a.a.统一规律统一规律：两种不同植物杂交：两种不同植物杂交时，它们的下一代可能与亲本之一时，它们的下一代可能与亲本之一完全相同。完全相同。b.b.分离规律分离规律：不同植物品种杂交：不同植物品种杂交后的后的F1F1代种子再进行杂交或自交时，代种子再进行杂交或自交时，下一代就会按照一定的比例发生分下一代就会按照一定的比例发生分离。离。Gregor Mendel1.1 1.1 引言引言1.1.3 1.1.3 经典的生物化学和遗传学经典的生物化学和遗传学b.b.遗传学遗传学MorganMorgan提出提出连锁连锁遗传规律遗传规律
9、1.1 1.1 引言引言1.1.4 DNA1.1.4 DNA的发现的发现 a.Avery a.Avery 肺炎链球菌实验肺炎链球菌实验 b.b.噬菌体侵染细菌实验噬菌体侵染细菌实验1.1 1.1 引言引言1.1.4 DNA1.1.4 DNA的发现的发现 a.Avery a.Avery 肺炎链球菌实验肺炎链球菌实验 a.Avery a.Avery 肺炎链球菌实验肺炎链球菌实验1.1 1.1 引言引言1.1.4 DNA1.1.4 DNA的发现的发现b.b.噬菌体侵染细菌实验噬菌体侵染细菌实验噬菌体结构噬菌体结构噬菌体侵染细菌过程噬菌体侵染细菌过程1.1 1.1 引言引言1.1 1.1 引言引言1.
10、1.4 DNA1.1.4 DNA的发现的发现b.b.噬菌体侵染细菌实验噬菌体侵染细菌实验1.1 1.1 引言引言1.1.4 DNA1.1.4 DNA的发现的发现 a.Avery a.Avery 肺炎链球菌实验肺炎链球菌实验 b.b.噬菌体侵染细菌实验噬菌体侵染细菌实验结论：结论：DNADNA是遗传信息的载是遗传信息的载体体1.2 1.2 分子生物学简史分子生物学简史 分子生物学定义：分子生物学定义：1.2 1.2 分子生物学简史分子生物学简史 1.1.准备和酝酿阶段准备和酝酿阶段2.2.建立和发展阶段建立和发展阶段1.2 1.2 分子生物学简史分子生物学简史 1.1.准备和酝酿阶段准备和酝酿阶
11、段1.2 1.2 分子生物学简史分子生物学简史 为充分揭示遗传信为充分揭示遗传信息的传递铺平了道息的传递铺平了道路路1.19531.1953年年WatsonWatson和和Crick DNACrick DNA双螺双螺旋结构模型旋结构模型1.2 1.2 分子生物学简史分子生物学简史 2.Sumner2.Sumner在在19361936年证实年证实酶是蛋白质酶是蛋白质 1.2 1.2 分子生物学简史分子生物学简史 3.19533.1953年年SangerSanger利用纸电泳及层析利用纸电泳及层析技术首次阐明胰岛素的一级结构，开技术首次阐明胰岛素的一级结构，开创了蛋白质序列分析的先河创了蛋白质序列
12、分析的先河 1.2 1.2 分子生物学简史分子生物学简史 4.19104.1910年，德国科学家年，德国科学家KosselKossel第一个分离了腺嘌第一个分离了腺嘌呤，胸腺嘧啶和组氨酸。呤，胸腺嘧啶和组氨酸。1.2 1.2 分子生物学简史分子生物学简史 5.19595.1959年，美国科学家年，美国科学家UchoaUchoa第一次合成了核糖核第一次合成了核糖核酸，实现了将基因内的遗酸，实现了将基因内的遗传信息通过传信息通过RNARNA翻译成蛋白翻译成蛋白质的过程。质的过程。1.2 1.2 分子生物学简史分子生物学简史 6.19656.1965年，法国科学家年，法国科学家JacobJacob和
13、和MonodMonod提出并证实了操纵子提出并证实了操纵子（operonoperon）作为调节细菌细胞）作为调节细菌细胞代谢的分子机制。此外，他们代谢的分子机制。此外，他们还首次还首次推测推测存在一种与存在一种与DNADNA序序列相互补、能将它所编码的遗列相互补、能将它所编码的遗传信息带到蛋白质合成场所传信息带到蛋白质合成场所（细胞质）并翻译产生蛋白质（细胞质）并翻译产生蛋白质的的mRNAmRNA（信使核糖核酸）。（信使核糖核酸）。JacobMonod1.2 1.2 分子生物学简史分子生物学简史 7.19687.1968年年NirenbergNirenberg破译破译DNADNA遗遗传密码传密
14、码1.2 1.2 分子生物学简史分子生物学简史 8.19808.1980年年SangerSanger设设计出测定计出测定DNADNA分子分子序列的方法序列的方法1.2 1.2 分子生物学简史分子生物学简史 9.1983年年McClintock提出提出并发现了转座子并发现了转座子1.2 1.2 分子生物学简史分子生物学简史 19891989年年AltmanAltman和和CechCech发现核酶发现核酶Cech1.2 1.2 分子生物学简史分子生物学简史 2.2.建立和发展阶段建立和发展阶段1.2 1.2 分子生物学简史分子生物学简史 19931993年年RobertsRoberts和和Shar
15、pSharp发现断发现断裂基因裂基因1.2 1.2 分子生物学简史分子生物学简史 19931993年年MullisMullis发明发明PCRPCR仪仪1.2 1.2 分子生物学简史分子生物学简史 19951995年年LewisLewis、N Nsslein-Volhardsslein-Volhard和和WieschausWieschaus鉴定了控制果蝇体节发育的基因鉴定了控制果蝇体节发育的基因1.2 1.2 分子生物学简史分子生物学简史 19981998年年FurchgottFurchgott、IgnarroIgnarro和和MuradMurad发现发现NONO作作为信号分子的作用机制为信号分
16、子的作用机制1.2 1.2 分子生物学简史分子生物学简史 20062006年年9 9月，诺贝尔生理月，诺贝尔生理与医学奖授予了美国科与医学奖授予了美国科学家安德鲁学家安德鲁法尔法尔（Andrew Z.FireAndrew Z.Fire）和和克雷格克雷格梅洛（梅洛（Craig C.Craig C.MelloMello），以表彰他们发，以表彰他们发现了现了RNAiRNAi机制机制 1.3 1.3 分子生物学研究内容分子生物学研究内容 1.DNA1.DNA重组技术重组技术2.2.基因表达调控研究基因表达调控研究3.3.生物大分子的结构功能研究生物大分子的结构功能研究4.4.基因组、功能基因组与生物信
17、息学研究基因组、功能基因组与生物信息学研究1.4 1.4 分子生物学展望分子生物学展望 自学自学 A.A.农业农业 B.B.医学医学1.5 1.5 分子生物技术应用分子生物技术应用(1)医学医学a.制药制药基因工程药品基因工程药品 生长激素生长激素 治疗侏儒症治疗侏儒症的的唯一方法唯一方法，是向人体注射，是向人体注射生长激素。而生长激素的获得很困难。以前，生长激素。而生长激素的获得很困难。以前，要获得生长激素，需解剖尸体，从大脑的底部要获得生长激素，需解剖尸体，从大脑的底部摘取垂体摘取垂体，并从中提取生长激素。，并从中提取生长激素。现可利用基因工程方法，将人的现可利用基因工程方法，将人的生长激
18、生长激素基因导入大肠杆菌素基因导入大肠杆菌中，使其生产生长激素。中，使其生产生长激素。人们从人们从450L450L大肠杆菌培养液中提取的生长激大肠杆菌培养液中提取的生长激素，相当于素，相当于6 6万具尸体的全部产量。万具尸体的全部产量。在传统的药品生产中，某些药品如胰岛素、在传统的药品生产中，某些药品如胰岛素、干扰素直接生物体的哪些结构中提取？干扰素直接生物体的哪些结构中提取？药品直接从生物的药品直接从生物的组织组织、细胞细胞或或血液血液中提中提取。取。传统生产方法的缺点传统生产方法的缺点 由于受原料来源的限制，由于受原料来源的限制，价格价格十分十分昂贵昂贵。可利用什么方法来解决上述问题？可利
19、用什么方法来解决上述问题？利用利用基因工程基因工程方法制造方法制造“工程菌工程菌”，可，可高高效率效率地生产出各种地生产出各种高质量高质量、低成本低成本的药品。的药品。胰岛素从猪、牛等动物的胰胰岛素从猪、牛等动物的胰腺中提取，腺中提取，100Kg100Kg胰腺只能提取胰腺只能提取4-5g4-5g的胰岛素，其产量之低和价的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。格之高可想而知。将合成的胰岛素将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，基因导入大肠杆菌，每每2000L2000L培养液就能产培养液就能产生生100g100g胰岛素！使其胰岛素！使其价格降低了价格降低了30%-50%!30%-50%!基因工程药品基因
20、工程药品 胰岛素胰岛素2DNA 质粒质粒细菌细胞细菌细胞DNA人体细胞人体细胞胰岛素基因胰岛素基因限制酶限制酶限制酶限制酶胰岛素胰岛素利用生物工程获得胰岛素利用生物工程获得胰岛素1从人血中提取干扰素，从人血中提取干扰素，300L300L血才提取血才提取1mg1mg！通过基因工程通过基因工程的方式创造了能合的方式创造了能合成人干扰素的大肠成人干扰素的大肠杆菌，每杆菌，每1Kg1Kg的培的培养液可提取养液可提取202040mg40mg干扰素干扰素人人造造血血液液及及其其生生产产基因工程药品基因工程药品 干扰素干扰素用转基因的动物生产药物用转基因的动物生产药物优点：优点：产量高、质量好、产量高、质量
21、好、成本低、易提取成本低、易提取方法：方法：乳腺生物反应器乳腺生物反应器 为什么乳腺能成为基因药物最理想的表为什么乳腺能成为基因药物最理想的表达场所呢？达场所呢？乳腺是一个外分泌器官，乳汁不进入体乳腺是一个外分泌器官，乳汁不进入体内循环，内循环，不会影响不会影响转基因动物本身的生理转基因动物本身的生理代谢反应。代谢反应。从乳汁中获取目的基因产物，从乳汁中获取目的基因产物，产量高产量高，易提纯易提纯，表达的蛋白质已经过充分的，表达的蛋白质已经过充分的修饰修饰加工加工，具有稳定的生物活性。，具有稳定的生物活性。从乳汁中从乳汁中源源不断源源不断获得目的基因的产物获得目的基因的产物的同时，转基因动物又
22、可无限繁殖。的同时，转基因动物又可无限繁殖。过程：过程：1 1、重组重组药用蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子药用蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子2 2、用显微注射法、用显微注射法导入导入到受精卵到受精卵3 3、将受精卵、将受精卵送入送入母体生长发育母体生长发育4 4、转基因动物进入泌乳期后，、转基因动物进入泌乳期后，提取提取乳汁乳汁产物：产物：抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素、抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素、-抗胰蛋白酶抗胰蛋白酶显微注射系统显微注射系统显微注射显微注射珠蛋白的珠蛋白的DNADNA探针探针 镰刀状细胞贫血症镰刀状细胞贫血症b.b.基因诊断：基因诊断：c.c.基因治疗：基因治疗：是指是
23、把是指是把健康的外源基因导入有基因缺陷的健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞细胞中，达到治疗疾病的目的。中，达到治疗疾病的目的。患半乳糖血症的患者患半乳糖血症的患者，由于细胞内半乳糖苷由于细胞内半乳糖苷转移酶转移酶基因缺陷基因缺陷而缺少半乳糖苷转移酶，使过多而缺少半乳糖苷转移酶，使过多的半乳糖在体内积聚，引起肝、脑等功能受损。的半乳糖在体内积聚，引起肝、脑等功能受损。19711971年，美国科学家在体外做了试验，用年，美国科学家在体外做了试验，用带带有半乳糖苷转移酶基因的噬菌体侵染患者的离体有半乳糖苷转移酶基因的噬菌体侵染患者的离体组织细胞组织细胞，结果发现这些组织细胞能够利用半乳，结果发现这些
24、组织细胞能够利用半乳糖了。这表明，用基因替换的方法治疗这种遗传糖了。这表明，用基因替换的方法治疗这种遗传病是可能的。病是可能的。取患者骨髓分离干细胞病毒正常基因并入正常基因的干细胞注入患者体内P53基因病毒P53蛋白膜瘤细胞变小d.d.用转基因的动物作器官移植的供用转基因的动物作器官移植的供体体(2)(2)农农业业1 1、抗虫转基因植物、抗虫转基因植物2 2、抗病转基因植物、抗病转基因植物3 3、抗逆转基因植物、抗逆转基因植物4 4、利用转基因改良植物的品、利用转基因改良植物的品质质1.1.抗虫转基因植物抗虫转基因植物优点：减少环境污染、减低生产成本、提高产优点：减少环境污染、减低生产成本、提
25、高产量量例子：棉花、水稻、玉米、马铃薯、番茄等例子：棉花、水稻、玉米、马铃薯、番茄等等等主要杀虫基因：主要杀虫基因：BtBt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等典型例子：转基因抗虫棉典型例子：转基因抗虫棉BtBt毒蛋白基毒蛋白基因因抗病基因：抗病基因：病毒外壳蛋白基因、病毒外壳蛋白基因、病毒的复制酶基因病毒的复制酶基因.抗真菌基因：抗真菌基因：几丁质酶基因、几丁质酶基因、抗毒素合成基因抗毒素合成基因.转黄瓜抗青枯病基因的甜椒转黄瓜抗青枯病基因的甜椒转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯特点
26、：特点：导入另一导入另一种生物的优良种生物的优良性状基因，获性状基因，获得新性状抵抗得新性状抵抗恶劣环境因素，恶劣环境因素，不会引起过敏的转基因大豆不会引起过敏的转基因大豆优点：优点：转基因蓝玫瑰转基因蓝玫瑰优点：优点：提高花卉的观赏价提高花卉的观赏价值值b.动物基因工程前景广阔动物基因工程前景广阔特点：发展较迟，应用方面广特点：发展较迟，应用方面广1 1、提高生长速度、提高生长速度2 2、改善畜产品的品质、改善畜产品的品质3 3、生产药物、生产药物4 4、作为器官移植的供、作为器官移植的供体体原因：外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长更快原因：外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长
27、更快转基因鲤转基因鲤鱼鱼优点：避免食物过敏、腹泻、恶心等不优点：避免食物过敏、腹泻、恶心等不适适转基因牛的转基因牛的乳汁，降低乳汁，降低乳糖含量乳糖含量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.分子生物学分子生物学渗透到生物学几乎所有学科渗透到生物学几乎所有学科分子生物学分子生物学成为现代生命科学的
28、共同语言成为现代生命科学的共同语言 分子生物学的延伸分子生物学的延伸主要参考书目录主要参考书目录孙乃恩等，分子遗传学，南京大学出版社，1990Darnell,J.et al.,Molecular Cell Biology,Scientific American Books Inc.,1990.Lewin,B,Genes VIII,Oxford University Press童克中，基因及其表达，科学出版社，1998李宝健，面向21世纪生命科学发展前沿，广东科技出版社，1990沈栩非，方福德，真核基因表达调控，高教出版社，1994Watson et al,.Molecular Biology of Gene,(Fourth Edition)Turner,PC et al 分子生物学,科学出版社影印 1998分子生物学主要参考期刊分子生物学主要参考期刊Cell37.297Nature27.368Science24.676PNAS 13.31Plant cell 11.21FASEB J.14.629J of Experimental Medicine14.384J of Natural Products 1.432J of Pharmacological Science 1.543New England J of Medicine27.766Planta Medica 1.430
