分子生物学 PPT课件

• 2．DNA片段的体外连接：1972年，Berg P和 Jackson DA等首次将两个不同生物体来源的DNA 片段，在DNA连接酶的作用下进行连接(或重组)， 产生了第一个重组DNA分子。
3．质粒的构建：1973年，Cohen S 构建了第一 个可用于 DNA 分子克隆的载体——质粒 （plasmid）。
• 因此，分子生物学技术已成为推动生物 科学的各个领域向分子水平发展的重要 工具或手段，也是服务于人类和社会， 推动医药和工、农业发展的强大动力。
二、分子生物学的研究内容
• 分子生物学的研究内容主要包括以下三个方面。 • 1、核酸分子生物学： • 主要研究核酸的结构及其功能。 • 2、蛋白质分子生物学：
• 4．核酸杂交技术：1969年，Pardue ML等首 先建立了细胞原位杂交技术。1975 年， Southern EM发明一种印迹杂交技术，被称为 Southern 印迹或Southern转移技术。
• 5．DNA序列分析技术：1977年，剑桥大学 Sanger F等创建了双脱氧末端终止法测定DNA 序列，与此同时，美国Maxam I和Gilbert W发 明了化学裂解法或部分降解法测定DNA序列 （化学奖）。
• 人类基因数量远比预计的少，人类基因数量 仅有2.5～3万个左右，比以前估计的8万至10万 个要少得多。
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通过进一步研究还发现，男女可能存在巨
大遗传差异，男性染色体减数分裂的突变率是女
性的两倍。并找到了很多与遗传病有关的基因，
包括乳腺癌、遗传性耳聋、中风ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ癫痫症、糖尿
病和各种骨骼异常的基因。
• (四)基因表达调控机制的研究
• 小干扰性RNA (small interfering RNA，siRNA) 系21～25个碱基对的短双链RNA，是长双链 RNA (dsRNA)被细胞内Dicer切割而成。
• siRNA能诱发细胞内基因沉默，使那些与双链 RNA有同源序列的mRNA被降解，从而抑制了 该基因的表达，这一现象称为RNA干扰 （RNAi）。
• （五）小分子RNA研究进展
• 1993年，Lee RC等发现线虫(C.elegans) lin-4基 因编码的小分子RNA，其长度为22～61个核苷 酸——反义RNA。
• 反义RNA能与lin-14 mRNA的3ˊ非翻译区 （untranslated region，UTR）反义互补结合，阻 断lin-14的翻译，降低线虫早期发育阶段lin-14 蛋白的水平。
• 主要研究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 发展缓慢。
• 3. 细胞信号转导：细胞信号转导的分子生物学 主要研究细胞内、细胞间信息传递的分子基础。
第二节 分子生物学发展简史
• 一、生物遗传物质的发现
• 早在1868年，Miescher F从脓细胞中分离出细胞 核，用稀碱抽提再加入酸，得到了一种含氮和 磷特别丰富的物质，当时称其为核素(nuclein)。 1872年，他又在鲑鱼精子细胞核中发现了大量 的这类物质。由于这类物质都是从细胞核中提 取出来的，而且又是酸性，故称其为核酸 (nucleic acid)。
（六）细胞信号转导机制研究
• 1957年，Sutherland EW发现了cAMP， • 1965年又提出第二信使学说，这是人们认识受
体介导的细胞信号转导的第一个里程碑。 • 1977年，Ross EM等用重组实验证实G蛋白的存
在和功能，G蛋白参与偶联信号转导。
• 从1957年到2000年从事分子生物学研究的科 学家共获得了31项诺贝尔奖。
• 其主要进展有：
• 1953年，Watson和Crick《Nature》杂志上发 表一篇震动生物学界的论文“脱氧核糖核酸 的结构”。
• Watson和Crick的DNA双螺旋结构学说已被普 遍地视为分子生物学发展的最主要里程碑， 也是分子生物学及其技术的重要理论基础。
• 1956年Kornberg, A.,首先发现DNA聚合酶（生理 医学奖）；
分子生物学
第一章 绪论
第一节 分子生物学的定义和研究内容
一、定义 分子生物学是从分子水平研究生命现象及其规
律的一门新兴、前沿学科。 它以核酸和蛋白质等生物大分子的结构、功能
及其在信号传递中的作用为研究对象，其发展非常 迅速。
分子生物学以其崭新的观点和技术向其他学科 的全面渗透，推动了许多学科向分子水平发展。
• 1963年，Holley RW 从酵母中提取丙氨酰转移核 糖核酸（tRNA），
• 1965年，Holley测定了tRNA核苷酸序列(生理医 学奖)。
• 1968年，Okazaki R（冈崎）等提出了DNA不连 续复制模型；
• 20世纪70年代初获得DNA拓扑异构酶，并对真核 DNA聚合酶特性作了分析研究。这些都逐渐完善 了对DNA复制机制的认识。
• 例如DNA及RNA的印迹转移、核酸分子杂 交、DNA克隆或重组DNA、基因体外扩增、 DNA 测序等等，以及研究蛋白质一级结构、 二级结构和三维结构与功能的分析技术。
• 其中重组DNA(recombinant DNA)技术是现代分 子生物学技术的核心。
• 重组DNA技术又称为基因操作(gene manipulation )、分子克隆(molecular cloning)、基 因克隆(gene cloning) 或基因工程（gene engineering）等。
（三）基因组研究的进展
• 基因组（genome）是指一个物种遗传信息的总 和。
• 2001年2月11日，参加人类基因组计划的六国科 学家、美国塞莱拉遗传信息公司、美国《科学》 杂志和英国《自然》杂志联合宣布，继科学家于 2000年绘制成功人类基因组工作框架图之后，又 绘制出了更加准确、清晰、完整的人类基因组图 谱，对人类基因组的面貌有了新的发现。
• 因此，分子生物学开辟了研究各种不同种属生物 的生命现象最基本、最重要的途径。
• 分子生物学的发展为人类认识生命现象带来 了前所未有的机遇，也为人类利用和改造生物创 造了极为广阔的前景。
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• 由于生物化学、生物物理学、细胞生物学、 遗传学、应用微生物学及免疫学以及数学、 化学、物理学、计算机科学和信息学等专 业技术的渗透，分子生物学已发明和创造 了一系列新的技术。
• 1961年，Jacob F和Monod J最早提出操纵子学说 （生理医学），打开了人类认识基因表达调控的 窗口。
• 从80年代开始，人们逐步认识到真核基因的顺式 调控元件与反式作用因子、核酸与蛋白质间的分 子识别与相互作用是真核基因表达调控的根本所 在。
• 1981年，Altman S和 Cech TR同时发现了具有催 化自我剪接活性的RNA，称之为ribozyme(核酶) （化学奖），参与基因表达的调节。
• 1957年，Hoagland MB等分离出tRNA，并对它们 在合成蛋白质中转运氨基酸的功能提出了假设；
• 1958年，Meselson M及Stahl FW提出了DNA半保 留复制模型；
• 1958年，Weiss SB及Hurwitz J等发现依赖于DNA 的RNA聚合酶；
• 1961年Hall BD等用RNA-DNA杂交证明mRNA与 DNA序列互补；这些工作使RNA转录合成的机 制得以逐步阐明。
• 4．基因工程生产人胰岛素：
• 1979年，Goeddel DV及其同事详细报道了他们 成功地用化学合成的人胰岛素基因在大肠杆菌 中进行了表达。随后Eli Lilly公司在1982年获准 销售基因工程生产的胰岛素。
• 5．转基因动物：
• 1981年，Palmiter R和Brinster R利用基因转 移技术成功地建立第一个转基因小鼠，转基因动 物模型的建立，为研究基因功能及遗传病的基因 治疗提供了活体模型。
• 使细胞生物学、遗传学、发育生物学、神经 生物学和生态学由原来的经典学科变成了生命科 学的真正前沿科学，形成了一系列交叉学科，如 分子遗传学、分子生态学、分子免疫学、分子病 毒学、分子病理学、分子肿瘤学和分子药理学等。 分子生物学是生命科学的核心前沿。
• 不同种属生物的表现形式多种多样和千姿百 态，但是，生命活动的本质却是高度一致的。例 如绝大多数生物遗传取决于DNA；除少数例外， 遗传密码在整个生命世界中都是一致的。又如核 酸一级结构和蛋白质一级结构的对应关系以及蛋 白质的有序合成，也表现出高度一致性。
• 二、现代分子生物学的建立
• 1950年Astbury WT在一次题为 “Adventures in molecular biology”讲演中 首先使用“分子生物学”这一术语, 用以 说明它是研究生物大分子的化学和物理学 结构。
• 1953年Watson JD和Crick FH提出“DNA 双螺旋结构学说”（生理医学奖），是分 子生物学创建的里程碑。 该学说启动了分 子生物学及重组DNA技术，开创了分子遗 传学基本理论的黄金时代。
• 6. 人类基因治疗研究：
• 1990年4月，美国NIH的Blaese RM和Anderson WF 等首次将腺苷脱氨酶(ADA)基因导入至一位 患严重复合免疫缺陷症(SCID)的4岁小孩体内， 并取得一定疗效，开创了人类基因治疗（human gene therapy）的先河，并为20世纪90 年代以来 基因治疗研究蓬勃开展奠定了基础。
• 6．聚合酶链式反应 (polymerase chain reaction， PCR) ：
• 1985年，Mullis K首创聚合酶链式反应 (PCR) 技术（化学奖）。该技术在体外模拟细胞内 DNA的复制过程，进行体外“基因扩增”。
• (二) 分子生物学技术的应用与发展 • 由于分子生物学的广泛渗透和应用，反
• 7．基因工程抗体技术的建立和发展：
• 人们利用细胞工程技术研制出多种单克隆抗 体，为许多疾病的诊断和治疗提供了有效的手段。
• 8．DNA芯片（基因芯片、生物芯片）技术：
• 是指将大量探针分子固定于固体支持物上， 与标记的样品分子进行杂交，通过检测每个探针 分子的杂交信号强度而获取样品分子的数量和序 列信息。
• 2．基因诊断：1976年，Kan YW应用分子杂交 技术，用cDNA探针进行溶液杂交，检测α-珠蛋 白基因有无缺失，首次成功地进行了一例α珠蛋 白合成障碍性贫血（又称为α-地贫）纯合子胎儿 (胎儿水肿)的产前诊断。这也是首例单基因遗传 疾病的基因诊断。
• 3．基因组文库的建立：
• 1978年，Smithies O等建立了第一个人类基因组 文库(genomic library)。
第三节 分子生物学与相关学科的关系
• 一、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。两者在 我国教育部和科技部颁布的二级学科中，称为 “生物化学与分子生物学”， 两者并重。分 子生物学虽然主要起源于生物化学，但它又不 同于生物化学。
• 这些名词彼此间存在某些微小的差别，在不同情 况和不同条件下常常交换使用。
• “基因操作”定义为：通过任何方法将细胞外构 建的DNA分子(或片段)插入病毒、质粒或其他载 体系统，形成遗传物质的重新组合，使它们能够 进入宿主细胞内，并能在其中继续扩增。
• 而“重组DNA 技术”狭义上具“基因操 作”相同的含义，但它涉及范围更广泛， 甚至泛指分子生物学中与DNA水平研究 有关的技术。
三、现代分子生物学的深入发展
• (一)重组DNA技术的发明
• 1．基因克隆工具酶的发现：
• 1970年，Smith HO在微生物中发现一组目前称之 为限制性核酸内切酶的酶类，简称限制酶 (restriction enzyme)。（生理医学奖）
• Temin等从肉瘤病毒(一种逆转录病毒)中发现了 一种逆转录酶(reverse transcriptase)（生理医学奖）
过来又推动了重组DNA技术和分子生物学本 身的发展。有关这方面的研究进展事例不胜 枚举。现仅就具有重大历史意义、影响广泛 深远的主要事件简述如下。
• 1．癌基因的发现：1975年，Bishop JM和Vermus HE在Rous肉瘤病毒(一种逆转录病毒)中首次发现 了第一个癌基因－src。同时证明src基因不是 Rous肉瘤病毒所固有、而是来自宿主细胞基因组， 在所有小鸡细胞中都有其同源副本。