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1、分子生物学,课程内容,细胞与大分子蛋白质结构核酸的性质原核与真核生物的染色体结构DNA复制DNA损伤、修复与重组基因操作,克隆载体基因文库与筛选克隆DNA的分析与应用原核生物的转录原核生物的转录调控真核生物的转录真核生物的转录调控,RNA加工与核糖核蛋白复合体遗传密码与tRNA蛋白质合成噬菌体与真核生物病毒肿瘤病毒与癌基因,第一章 绪 论,第一节 分子生物学发展的基础（一）创世说和进化论三个与生命现象相关的基本问题生命是怎样起源的？为什么“有其父必有其子”？动、植物个体是怎样从一个受精卵发育而来的？创世说上帝创造了世间万物，包括人类。,什么是生命？生命如何定义？,从生物学角度的定义从物理学角度
2、的定义从生物物理学角度的定义“生命”的完整的、系统的定义,从生物学角度 “生命”被定义为： 由核酸和蛋白质等物质组成的多分子体系，它具有不断自我更新、繁殖后代以及对外界产生反应的能力。,从物理学角度的定义:“生命”=“负熵” 热力学第二定律指出，任何自发过程总是朝着使体系越来越混乱、越来越无序的方向，即朝着熵增加的方向变化。生命的演化过程总是朝着熵减少的方向进行，一旦负熵的增加趋近于零，生命将趋向终结，走向死亡。,从生物物理学角度的定义生命有三要素：物质、能量、信息在生物体的整个运动过程中，贯穿了物质、能量、信息三者的变化、协调和统一。,其他说法,生理学的定义：生命体是具有进食、代谢、排泄、呼
3、吸、运动、生长、生殖和反应性功能的系统；新陈代谢的定义：生命系统具有界面，与外界经常交换物质、但不改变自其身性质；生物化学的定义：生命系统包含着储藏遗传信息的核酸和调节代谢的酶蛋白；遗传学的定义：生命系统是通过基因复制、突变和自然选择而进化的系统；热力学的定义：生命系统是一个开放系统，它通过能量流动和物质循环而不断增加内部秩序。,（二）达尔文学说1859年达尔文发表了著名的物种起源一书，提出了进化论学说。其进化论思想的精髓可概括为“物竞天择，适者生存”几个字。他认为世界上的一切生物都是可变的，物种的变异是由于大自然的环境和生物群体的生存竞争造成的。,（三）细胞学说的建立,十七世纪末十八世纪初，
4、荷兰的Leeuwenhoek制作了世界上第一台显微镜，并观察了诸多生物样本。大约与其同时代的Hooke第一个提出“细胞”一词。,十九世纪，德国植物学家Schleiden和动物学家Schwann建立了细胞学说。他们认为：所有组织的最基本单元是形状非常相似而又高度分化的细胞。细胞的发生和形成是生物界普遍和永久的规律。,（四）经典的生物化学和遗传学进化论和细胞学说的结合，产生了现代生物学。而以研究动、植物遗传变异规律为目标的遗传学和以分离纯化、鉴定细胞内含物质为目标的生物化学则是这一学科的两大支柱。,经典的生物化学的成就十九世纪，人们就已经发现了蛋白质。到二十世纪初，组成蛋白质的20种氨基酸被相继发
5、现。Fisher还论证了连接相邻氨基酸的“肽键”的形成。细胞的其他成分，如脂类、糖类和核酸也相继被认识和部分纯化。,1869年，Misescher首次从莱茵河鲑鱼精子中分离到DNA。1910年，德国科学家Kossel首先分离得到了腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸。,经典遗传学的建立和发展1865年，奥地利科学家孟德尔（Gregor Mendel）发表了植物杂交试验一书，提出了遗传学的两条基本规律：统一律和分离律。他认为：生物的每一种性状都是由遗传因子控制的，这些因子可以从亲代到子代，代代相传。,1909年，丹麦遗传学家W. Johannsen首先使用“基因”一词。,二十世纪初，美国遗传学家Morgan
6、提出了基因学说。他指出：种质必须由独立的要素组成，我们把这些要素称为遗传因子，或者简单地称为基因。,Morgan及其助手发现了连锁遗传规律，并且第一次将代表某一性状的基因，同某一特定的染色体联系起来。,第二节 分子生物学发展简史,分子生物学的定义： 是研究核酸、蛋白质等所有生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学。,1928年英国科学家Griffith等人发现肺炎链球菌可以引起肺炎，导致小鼠死亡。1944年美国微生物学家Avery通过肺炎链球菌对小鼠的感染实验，证明DNA是遗传信息的载体。,1953年Watson和Crick提出DNA右手双螺旋模型，于1962年和Wilki
7、ns共享诺贝尔生理医学奖。同年，Sanger首次阐明了胰岛素的一级结构，开创了蛋白质序列分析的先河，他于1958年获诺贝尔化学奖。,1954年Crick提出遗传信息传递的中心法则。1958年，Meselson和Stahl提出了DNA的半保留复制。,1961年，法国科学家Jacob和Monod提出了调节基因表达的操纵元（operon）模型，1965年获得诺贝尔生理医学奖。他们还首次提出了信使核糖酸（mRNA）的存在及作用。同年，Nirenberg等人应用合成的mRNA分子poly(U)破译出第一批遗传密码。,1966年，美国科学家Nirenberg等人破译了全部的DNA遗传密码，1969年与Ho
8、lley和Khorana分享了诺贝尔生理医学奖。1967年发现了可将DNA连接起来的DNA连接酶。,1970年Smith、Qilcox及Kelley分离到第一种可以在DNA特定位点将DNA分子切开的限制性核酸内切酶。同年，美国的Temin和Baltimore发现RNA肿瘤病毒中存在逆转录酶，他们于1975年共享诺贝尔生理学奖。,1972年，Berg、Boyer等人第一次成功地完成了DNA重组实验。1974年，首次实现了异源真核生物的基因在大肠杆菌中的表达。,19751977年，美国人Sanger和Gilbert发明了快速DNA序列测定技术，并于1977年完成了噬菌体X174基因组（5386bp
9、）的序列测定。1980年Sanger和Gilbert与Berg分享了诺贝尔化学奖。,1982年Prusiner提出“感染性蛋白质颗粒”的存在；次年将这种蛋白颗粒命名为朊病毒蛋白（prion protein, PrP）。 1997年，Prusiner因为发现朊病毒而获得诺贝尔生理医学奖。,1984年，德国人Kohler、美国人Milstein和丹麦科学家Jern由于发展了单克隆抗体技术而分享了诺贝尔生理医学奖。,1986年，Mullis发明了PCR技术。1993年Mullis与第一个设计定点突变的Smith共享了诺贝尔化学奖。,1988年Waston出任“人类基因组计划”首席科学家，举世瞩目的人
10、类基因组测序工作开始启动。,1993年，美国科学家Roberts和Sharp由于在不连续基因方面的工作而获得诺贝尔生理医学奖。,1996年，酵母基因组DNA的全部序列测定工作完成。2000年6月26日，人类基因组工作框架图绘制完成,第三节 分子生物学的研究内容,DNA重组技术（基因工程）（一）DNA重组技术的含义： 指在体外将核酸分子插入病毒、质粒或其他载体分子，构成遗传物质的新组合，并将之导入到原先没有这类分子的寄主细胞内，从而使接受者产生新的遗传性状的技术。,（二）DNA重组技术的建立关键技术：限制性内切酶、DNA连接酶及其他工具酶的发现和应用。,（三）DNA重组技术的应用可用于大量生产某
11、些在正常细胞代谢中产量很低的多肽；可用于定向改造某些生物基因组结构可用于基础研究,基因表达调控研究 生物个体在生长发育过程中，基因表达是按一定的时序发生变化（时序调节），并随着内外环境的变化而不断加以修正（环境调控）的。基因表达调控研究的主要方面有：,（一）信号转导（singnal transduction) 信号转导：指外部信号通过细胞膜上的受体传到细胞内部，并激发诸如离子通透性、细胞形状或其他细胞功能方面的应答过程。,（二）转录因子研究转录因子：是指一群能与基因5端上游特定序列专一结合，从而保证目的基因以特定的强度在特定的时间与空间表达的蛋白质分子。（三）RNA剪接研究,生物大分子结构功能
12、研究（又称结构分子生物学）（一）概念：是研究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。,（二）结构分子生物学的研究方向：结构测定；结构运动变化规律；结构与功能关系的建立。,（三）结构分子生物学的研究手段物理和化学手段：射线衍射的晶体学（蛋白质晶体学）；二维和多维核磁共振；电镜三维重组、电子衍射、中子衍射和各种频谱学方法；化学合成；分子生物学手段,人类基因组计划简介 Human Genome Project，HGP,问题的提出70年代对人类基因组的研究已具有一定的雏形； 1986年著名遗传学家Mckusick V提出从整个基因组的层次研究遗传学的科学称“基因组学”；,同年
13、，诺贝尔奖获得者Dulbecco R在Science杂志上发表了题为“癌症研究的转折点人类基因组的全序列分析”，得到了世界范围的响应；1986年美国能源部宣布实施这一草案；,1987年美国能源部（DOE）和国家健康研究院（NIH）为HGP下拔了经费1.66亿美元，开始筹建HGP实验室；,1988美国成立了“国家人类基因组研究中心”由诺贝尔奖获得者Watson J出任第一任主任。,世界的行动1987年，意大利的国家研究委员会（NRC）组织了15个（后来发展到30个）实验室，开始HGP的研究；1989年2月，英国的HGP开始启动;,1990年6月，法国的国家HGP开始启动；同月，欧共体通过了“欧洲
14、HGP研究计划”，主要资助23个实验室；1990年10月1日 美国国会正式批准美国的“HGP”启动，计划在15年内投入至少30亿美元进行人类全基因组的分析；,1994年初，在吴旻、强伯勤、陈竺院士和杨焕明教授的倡导下，中国的HGP开始启动；1998国家科技部在上海成立了中国南方基因中心，由陈竺院士挂帅；1998年1999年成立了中国科学院北京人类基因组中心和北方人类基因组中心，由中科院遗传所的杨焕明教授，强伯勤院士等人牵头；,1995年6月，德国正式开始HGP。,任务与进展遗传图谱（genetic map)：定义又称连锁图谱（linkage map)或遗传连锁图谱（genetic linkag
15、e map)，是指人类基因组内基因以及专一的多态性DNA标记(marker)相对位置的图谱，其研究经历了从经典的遗传图谱到现代遗传图谱的过程。,经典的遗传图谱（以基因表型为标记）现代遗传图谱（以DNA为标记）第一代多态性标记：限制性片段长度多态性（restriction fragment length polymorphism, RFLP)，位点数目可达105以上。,第二代多态性标记：小卫星/可变数量串联重复（minisatellite/ variable number tandem repeat, VNTR)及微卫星/简短串联重复（microsatellite / simple tandem
16、 repeat, STR)。个数在6000个以上。 其中STR具高度多态性，有的可形成几十种等位片段，是目前在基因定位的研究中应用最多的标记系统。,第三代多态性标记：单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism, SNP)。这种标记在人类基因组中多达300万个。,构建遗传图谱的基本原理：真核生物在减数分裂过程中染色体进行重组和交换，染色体上任意两点之间发生重组和交换的概率随着两点之间相对距离的远近而发生变化。,构建遗传图谱的意义：通过连锁分析，可以找到某一致病基因或表型的基因与某一标记邻近（即紧密连锁）的证据，从而可把这一基因定位于染色体的特定区域，再对基因进行
17、分离和研究。,物理图谱（physical map):：定义用物理学方法构建的由不同的DNA结构按其在染色体上的原始顺序和实际距离排列的图谱。,内容基因组的细胞遗传学图（cytogenetic map，即染色体的区、带、亚带）；序列标签位点(sequence-tagged site,STS)图谱；,DNA“重叠群(contig)”图谱：把基因组文库中含有相同STS序列的DNA克隆按照其在原始基因组上线形顺序进行排列，连接成相互重叠的“片段重叠群(contig)”。是构建物理图谱的主要任务；,大片段限制性内切酶切点图；cDNA/EST图谱；基因组中广泛存在的特征性序列（如CpG序列、Alu序列等）的标记图等。,序列图谱：2003年之前完成。基因图谱：目标：在人类基因组中鉴别出全部基因的位置、结构和功能；,定位方法：cDNA / EST的染色体定位（实验手段，电子杂交）；完成时间：200？年完成。,模式生物基因组：酵母1996年大肠肝菌1997年线虫1999年果蝇2000年拟南芥菜2000年小鼠2005年之前完成,
