分子生物学基础课件.ppt

1、2022-5-111分子生物学基础分子生物学基础 Molecular Biology 2022-5-1122.分子生物学的研究内容1.分子生物学的定义 3.分子生物学与生物技术内容概要内容概要2022-5-113 一、分子生物学的定义一、分子生物学的定义2022-5-114从整体水平到分子水平示意图从整体水平到分子水平示意图分子水平分子水平细胞水平细胞水平整体水平整体水平 生命科学的发展过程生命科学的发展过程：分子生物学的概念分子生物学的概念l分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子的的结构结构与与功能功能，并从分子水平上阐明蛋白质与，并从分子水平上阐明

2、蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸之间的互作及其基因表蛋白质、蛋白质与核酸之间的互作及其基因表达调控机理的学科达调控机理的学科l广义上，分子生物学包括对蛋白质和核酸等生物大分子结构与功能的研究，以及从分子水平上阐明生命现象和生物规律，但目前主要研究基因的结构与功能、复制、转录、表达和调控，确切地应称为分子遗传学DNA- -遗传密码的携带者遗传密码的携带者引自Neil Campbell著Biology第4版,1996胰岛素蛋白酶蜘蛛毒素光合作用受体金属硫蛋白分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容l基因与基因组的结构与功能基因与基因组的结构与功能lDNA的复制、转录和翻译的复制、转录和翻译l基因表达调

3、控的研究基因表达调控的研究lDNA重组技术重组技术l结构分子生物学结构分子生物学分子生物学的发展历程分子生物学的发展历程l19441966年，人类对年，人类对DNA和遗传信息传递的和遗传信息传递的认识阶段认识阶段l19671978年，重组年，重组DNA技术的建立和发展阶技术的建立和发展阶段段l1979年至今，重组年至今，重组DNA技术的应用和分子生物技术的应用和分子生物学迅速发展阶段学迅速发展阶段分子生物学的发展历程分子生物学的发展历程l1944年，年，Avery 证明证明DNA是遗传物质是遗传物质l1950年，年，Chargaff 提出提出Chargaff定则定则l1953年，年，Watso

4、n & Crick 成功解析了成功解析了DNA分子二分子二级结构级结构l1961年，年，Jacob & Monod 提出了调节基因表达的提出了调节基因表达的操纵子模型操纵子模型分子生物学的发展历程分子生物学的发展历程l1970年，年，Smith & Wilcox 分离到第一种限制性分离到第一种限制性核酸内切酶核酸内切酶l19721973年，年，Boyer & Berg 发展了重组发展了重组DNA技术，并完成了第一个细菌基因的克隆，开创技术，并完成了第一个细菌基因的克隆，开创基因工程的新纪元基因工程的新纪元l1975年，年，Southern 发明了发明了DNA片段的印迹法片段的印迹法分子生物学的

5、发展历程分子生物学的发展历程l1981年，年，Cech 发现了发现了ribozymel1982年，年，Prusiner 发现了朊病毒发现了朊病毒prionl1985年，年，Karry Mullis 发明了发明了PCR反应反应l1988年，人类基因组计划启动年，人类基因组计划启动l1998年，克隆羊多利诞生，同年年，克隆羊多利诞生，同年GenBank 公公布了最新的人类基因图谱布了最新的人类基因图谱Gregor Mendel(1822-1884).The Father of Genetics孟德尔孟德尔的的遗传学规律遗传学规律最先使人们对最先使人们对性状遗传性状遗传产生了理性认识产生了理性认识孟

6、德尔孟德尔（奥地利）的（奥地利）的遗传学规律遗传学规律最先使人们最先使人们对性状遗传产生了理性认识；对性状遗传产生了理性认识；Morgan（美）的（美）的基因学说基因学说则进一步将则进一步将“性性状状”与与“基因基因”相耦联，成为分子遗传学的相耦联，成为分子遗传学的奠基石。奠基石。 1910年，德国科学家年，德国科学家Kossel第一个第一个分离了腺嘌呤，胸腺嘧啶和组氨酸。分离了腺嘌呤，胸腺嘧啶和组氨酸。 1959年，美国科学家年，美国科学家Ochoa 因为酶因为酶学方面的杰出贡献（第一次合成核糖核学方面的杰出贡献（第一次合成核糖核酸），与实现试管内细菌细胞中酸），与实现试管内细菌细胞中DNA

7、的的复制的复制的Arthur Kornberg共享当年诺贝共享当年诺贝尔生理与医学奖。尔生理与医学奖。2022-5-11161. 核酸的发现核酸的发现 早在1868年，Miescher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）。Friedeich Miescher 2022-5-1117 自核酸被发现以来的相当长时期内，自核酸被发现以来的相当长时期内，对它的生物学功能几乎毫无所

8、知。对它的生物学功能几乎毫无所知。 1928年年( (Frederick GriffithFrederick Griffith) )以后，核酸功能以后，核酸功能研究取得了重大进展。研究取得了重大进展。2022-5-1118In 1928, an experiment of Frederick Griffith using pneumonia bacteria and mice2022-5-1119 1952 1952年，年， Hershey ADHershey AD和和 Chase MChase M用用 3535S S和和 3232p p分别标记分别标记T2T2噬菌体的蛋白质和核酸，噬菌体的蛋

9、白质和核酸，感染大肠杆菌。在大肠杆菌细胞内增殖的感染大肠杆菌。在大肠杆菌细胞内增殖的噬菌体中都只含有噬菌体中都只含有3232P P而不含而不含3535S, S, 这表明噬这表明噬菌体的增殖直接取决于菌体的增殖直接取决于DNADNA而不是蛋白质。而不是蛋白质。2. 核酸功能研究的重大进展核酸功能研究的重大进展 1944 1944年，年，Avery OTAvery OT等首次证明肺炎双等首次证明肺炎双球菌的球菌的DNADNA与其转化和遗传有关。与其转化和遗传有关。 2022-5-1120In 1952, Alfred Hershey and Martha Chase did an experime

10、nt which is so significant, it has been nicknamed the “Hershey-Chase Experiment”. 2022-5-1121In 1952, Alfred Hershey and Martha Chase did an experiment which is so significant, it has been nicknamed the “Hershey-Chase Experiment”. 2022-5-1122DNA的X光衍射照片1952年5月拍摄罗沙琳德弗兰克林（Rosalind Franklin，19201958）英国

11、DNA双螺旋结构模型的建立Wilkins通过对通过对DNA分子的分子的X射射线衍射研究证实线衍射研究证实了该模型。了该模型。Rosalind E. Franklin1920-19582022-5-1124DNA双螺旋结构模型的建立诺贝尔医学与生理学奖 1962年2022-5-1125Watson JDWatson JD和和Crick FHCCrick FHC的的“双螺旋结构双螺旋结构模型模型” 启动了分子生物学及重组启动了分子生物学及重组DNADNA技技术的发展。确立了核酸作为信息分子的术的发展。确立了核酸作为信息分子的结构基础；提出了碱基配对是核酸复制、结构基础；提出了碱基配对是核酸复制、遗

12、传信息传递的基本方式，最终确定了遗传信息传递的基本方式，最终确定了核酸是遗传的物质基础。核酸是遗传的物质基础。2022-5-1126The Meselson-Stahl experiment （1958）showed that DNA is replicated semi-conservativelyDNA semi-conservative duplication 3. DNA复制模型2022-5-1127DNA复制模型2022-5-1128 1961年，年，Nirenberg、Ochoa以及以及Khorana等几等几组科学家的共同努力，破译了组科学家的共同努力，破译了RNA上编码合成蛋白质

13、上编码合成蛋白质的遗传密码，证明的遗传密码，证明DNA分子中的遗传信息是以三联密分子中的遗传信息是以三联密码的形式贮存。码的形式贮存。 遗传密码在生物界具有通用性。遗传密码在生物界具有通用性。2022-5-11292022-5-11302022-5-11314. 中心法则的建立中心法则的建立 19581958年，年，CrickCrick提出了分子生物学的中提出了分子生物学的中心法则（心法则（central dogmacentral dogma）。）。 中心法则是分子遗传学基本理论体系中心法则是分子遗传学基本理论体系。2022-5-11322022-5-1133 19701970年，年，Temi

14、nTemin和和BaltimoreBaltimore从鸡从鸡RousRous肉瘤病毒肉瘤病毒(Rous sarcoma virus(Rous sarcoma virus，RSV)RSV)颗粒中发现了以颗粒中发现了以RNARNA为模为模板合成板合成DNADNA的逆转录酶，进一步补充了遗传信息传递的逆转录酶，进一步补充了遗传信息传递的中心法则。的中心法则。 2022-5-11346. 6. 基因的人工合成基因的人工合成 19781978年体外首次成功地人工合成第一个完年体外首次成功地人工合成第一个完整基因。整基因。 直接证实了直接证实了Mendel GMendel G在在18651865年发现的遗

15、传年发现的遗传因子因子( (基因基因) )的化学本质，就是的化学本质，就是 DNADNA分子。分子。 DNADNA分子是多种多样生命现象的物质基础。分子是多种多样生命现象的物质基础。2022-5-11357.7.基因组研究的进展基因组研究的进展 基因组（基因组（genomegenome）: : 一个物种遗传信息的一个物种遗传信息的总和。总和。 基因结构与功能研究已经从单个基因发展基因结构与功能研究已经从单个基因发展到生物体整个基因组。基因组研究已从简单的到生物体整个基因组。基因组研究已从简单的低等生物到真核生物，从多细胞生物到人类。低等生物到真核生物，从多细胞生物到人类。2022-5-1136

16、 19771977年年:Sanger:Sanger测定了测定了X174 DNAX174 DNA全部全部5375bp5375bp核苷酸序列；核苷酸序列； 19781978年年:Fiers:Fiers等测出环状等测出环状SV40 DNASV40 DNA全部全部5243bp5243bp核苷酸序列；核苷酸序列； 1980 1980年代年代:噬菌体噬菌体DNADNA全部全部4850248502碱基对的序列被测出；一些碱基对的序列被测出；一些 小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因组的全小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因组的全 序列也陆续被测定序列也陆续被测定; ; 1996 1996年底年底:

17、:大肠杆菌基因组大肠杆菌基因组DNADNA的全部序列长的全部序列长4 410106 6碱基对；碱基对； 19961996年底年底: :完成了真核生物酵母（完成了真核生物酵母（Saccharomyces erevisiaeSaccharomyces erevisiae） 的基因组全序列测定；的基因组全序列测定；19981998年底年底: :长达长达100Mb100Mb的线虫的基因组序列测定也已全部完成。的线虫的基因组序列测定也已全部完成。 这是第一个完成的多细胞生物体的全基因组序列测定。这是第一个完成的多细胞生物体的全基因组序列测定。2022-5-1137 人类基因组计划（人类基因组计划（hum

18、an genome project, HGPhuman genome project, HGP） 美国科学家、诺贝尔奖获得者美国科学家、诺贝尔奖获得者Dulbecco RDulbecco R于于19861986年在美国年在美国 Science Science 杂志上发表的短文中率先提出，并认为这是加快癌杂志上发表的短文中率先提出，并认为这是加快癌症研究进程的一条有效途径。症研究进程的一条有效途径。 主要的目标是绘制遗传连锁图、物理图、转录图，并完成人主要的目标是绘制遗传连锁图、物理图、转录图，并完成人类基因组全部核苷酸序列测定。测出人体细胞中类基因组全部核苷酸序列测定。测出人体细胞中2424条

19、染色体上全条染色体上全部部3030亿对核苷酸的序列，把所有人类基因都明确定位在染色体上，亿对核苷酸的序列，把所有人类基因都明确定位在染色体上，破译人类的全部遗传信息。破译人类的全部遗传信息。 HGPHGP是人类自然科学史上与曼哈顿原子弹计划和阿波罗登月计是人类自然科学史上与曼哈顿原子弹计划和阿波罗登月计划相媲美的伟大科学工程。划相媲美的伟大科学工程。“Whats Human Genome Project?”“One base One dollar!” - by a taxi driver (and a tax payer)2022-5-1139 研究结果表明，人类基因数量仅有研究结果表明，人类

20、基因数量仅有3 3万万个左右，比此前估计的要少得多。通过研究个左右，比此前估计的要少得多。通过研究还发现男女可能存在巨大遗传差异，男性染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。在已色体减数分裂的突变率是女性的两倍。在已经分析的序列中，找到很多与遗传病有关的经分析的序列中，找到很多与遗传病有关的基因，包括乳腺癌、遗传性耳聋、中风、癫基因，包括乳腺癌、遗传性耳聋、中风、癫痫症、糖尿病和各种骨骼异常的基因。痫症、糖尿病和各种骨骼异常的基因。humanArabidopsis拟南芥拟南芥Thermotoga maritimaEscherichia coli大肠杆菌大肠杆菌

21、Buchnerasp. APSRickettsia prowazekiiUreaplasma urealyticumBacillus subtilisDrosophila melanogasterThermoplasma acidophilumPlasmodium falciparumHelicobacter pylori mouseCaenorhabitis elegansratBorrelia burgorferiBorrelia burgorferiAquifex aeolicusNeisseria meningitidis Z2491Mycobacterium tuberculosis

22、 全基因组已经测序的一些生物全基因组已经测序的一些生物2022-5-1141（二）蛋白质分子生物学：（二）蛋白质分子生物学： DNA DNA 储存生命活动的各种信息。储存生命活动的各种信息。 蛋白质蛋白质生命活动的执行者生命活动的执行者。 蛋白质的分子生物学主要研究蛋白质蛋白质的分子生物学主要研究蛋白质的结构与功能。的结构与功能。2022-5-1142 蛋白质结构与功能的研究进展蛋白质结构与功能的研究进展 1956 1956年，年，AnfinsenAnfinsen和和 WhiteWhite根据对酶蛋白的变性和复根据对酶蛋白的变性和复性实验，提出性实验，提出蛋白质的三维空间结构是由其氨基酸序列来

23、蛋白质的三维空间结构是由其氨基酸序列来确定的确定的。 1958 1958年，年，IngramIngram证明正常的血红蛋白与镰状细胞溶血证明正常的血红蛋白与镰状细胞溶血症病人的血红蛋白之间，在其亚基的肽链上仅有一个氨基症病人的血红蛋白之间，在其亚基的肽链上仅有一个氨基酸残基的差别。酸残基的差别。 1969 1969年，年，WeberWeber开始应用开始应用 SDS-SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳测聚丙烯酰胺凝胶电泳测定蛋白质分子量；定蛋白质分子量；2020世纪世纪6060年代先后分析了血红蛋白、核年代先后分析了血红蛋白、核糖核酸酶糖核酸酶A A等一批蛋白质的一级结构。等一批蛋白质的一级结构。 中

24、国科学家在中国科学家在19651965年人工合成了牛胰岛素；年人工合成了牛胰岛素； 19731973年又年又用用1.8A X1.8A X射线衍射分析法测定了牛胰岛素的空间结构。射线衍射分析法测定了牛胰岛素的空间结构。 2022-5-1143三、分子生物学与生物技术2022-5-1144 分子生物学技术：分子生物学技术： 例如：例如：DNADNA及及RNARNA的印迹转移、核酸分子杂的印迹转移、核酸分子杂交、基因克隆、基因体外扩增、交、基因克隆、基因体外扩增、DNA DNA 测序等，测序等，形成了独特的重组形成了独特的重组DNADNA技术及其相关技术。技术及其相关技术。 由生物化学、生物物理学、

25、细胞生物学、由生物化学、生物物理学、细胞生物学、遗传学、应用微生物学及免疫学等遗传学、应用微生物学及免疫学等各专业技术各专业技术的渗透、综合的渗透、综合而成，而成，并在此基础上发明和创造并在此基础上发明和创造了一系列新的技术。了一系列新的技术。2022-5-1145分子克隆分子克隆 (molecular cloning) 重组重组DNA (recombinant DNA)技术是近技术是近代分子生物学技术的核心。代分子生物学技术的核心。 基因操作基因操作 (gene manipulation) 基因克隆基因克隆 (gene cloning)基因工程基因工程 (gene engineering)

26、通过通过DNA连接酶把不同的连接酶把不同的DNA片段连接成一个整片段连接成一个整体。体。a. DNA的粘性末端的粘性末端; b. DNA的平末端的平末端; c. 化化学合成的具有学合成的具有EcoRI粘性末端的粘性末端的DNA片段。片段。工具酶工具酶限制性核酸内切酶能够识别限制性核酸内切酶能够识别DNADNA上的特定碱上的特定碱基序列并从这个位点切开基序列并从这个位点切开DNADNA分子。分子。第一个核酸内切酶第一个核酸内切酶EcoRI是是Boyer实验室在实验室在1972年发现的，它能特异性识别年发现的，它能特异性识别GAATTC序序列，将双链列，将双链DNA分子在这个位点切开并产生分子在这

27、个位点切开并产生具有粘性末端的小片段。具有粘性末端的小片段。 几种主要几种主要DNA内切酶所识别的序列及其酶切末端内切酶所识别的序列及其酶切末端.基因克隆的载体基因克隆的载体仅仅能在体外利用限制性核酸内切酶和仅仅能在体外利用限制性核酸内切酶和DNA连接酶连接酶进行进行DNA的切割和重组，还不能满足基因工程的要的切割和重组，还不能满足基因工程的要求，只有将它们连接到具备自主复制能力的求，只有将它们连接到具备自主复制能力的DNA分分子上，才能在寄主细胞中进行繁殖。子上，才能在寄主细胞中进行繁殖。具备自主复制能力的具备自主复制能力的DNA分子就是分子克隆的载体分子就是分子克隆的载体（vector）。

28、病毒、噬菌体和质粒等小分子量复制）。病毒、噬菌体和质粒等小分子量复制子都可以作为基因导入的载体。子都可以作为基因导入的载体。重组重组DNA操作过程示意图操作过程示意图2022-5-1152 2020世纪以来，分子生物学的发展，世纪以来，分子生物学的发展，产生了重组产生了重组DNADNA技术，推动生物技术深技术，推动生物技术深入发展，而导致现代生物技术作为一入发展，而导致现代生物技术作为一门交叉学科的产生。转基因细胞、转门交叉学科的产生。转基因细胞、转基因动物和基因剔除动物的出现，是基因动物和基因剔除动物的出现，是现代分子生物学技术在生物技术领域现代分子生物学技术在生物技术领域的应用与发展。的应

29、用与发展。2022-5-1153 用转基因动物获取治疗人类疾用转基因动物获取治疗人类疾病的重要蛋白质。如，导入了凝血病的重要蛋白质。如，导入了凝血因子因子基因的转基因绵羊分泌的乳基因的转基因绵羊分泌的乳汁中含有丰富的凝血因子汁中含有丰富的凝血因子，能有，能有效地用于血友病的治疗。效地用于血友病的治疗。 转基因动物和基因剔除动物转基因动物和基因剔除动物2022-5-1154 在转基因植物方面取得重大进在转基因植物方面取得重大进展，比普通西红柿保鲜时间更长的展，比普通西红柿保鲜时间更长的转基因西红柿投放市场。转基因西红柿投放市场。 转基因玉米、转基因大豆相继转基因玉米、转基因大豆相继投入商品生产。

30、投入商品生产。 我国科学家将蛋白酶抑制剂基我国科学家将蛋白酶抑制剂基因转入棉花，获得抗棉铃虫的棉花因转入棉花，获得抗棉铃虫的棉花株。株。 转基因植物和转基因食品转基因植物和转基因食品2022-5-1155DNA序列分析技术：序列分析技术： 双脱氧末端终双脱氧末端终止法止法: :19771977年，年，剑桥大学剑桥大学Sanger F等等发发明。明。 化学裂解法化学裂解法: : 美国美国Maxam I和和Gilbert W发明。发明。2022-5-11562022-5-1157(polymerase chain (polymerase chain reaction, PCR) reaction,

31、 PCR) ：19851985年，年，Mullis KMullis K首首创。创。 体外模拟细胞内体外模拟细胞内DNADNA复制过程，进行体复制过程，进行体外基因扩增。外基因扩增。2022-5-1158基因芯片（基因芯片（Gene chipsGene chips）技术：）技术： 基因芯片技术基因芯片技术: 将大量探针固定于支持物上，与标记将大量探针固定于支持物上，与标记的样品进行杂交。可一次性对样品中大量序列进行检测的样品进行杂交。可一次性对样品中大量序列进行检测和分析。和分析。 解决了传统核酸杂交技术操作繁杂、检测效率低的解决了传统核酸杂交技术操作繁杂、检测效率低的问题。问题。 通过设计不同

32、的探针阵列和使用特定的分析方法，通过设计不同的探针阵列和使用特定的分析方法，使该技术具有多种不同的应用价值。使该技术具有多种不同的应用价值。 如基因表达谱分析、基因突变检测、多态性分析、如基因表达谱分析、基因突变检测、多态性分析、基因诊断等。基因诊断等。2022-5-1159叠加图：绿色代表下调；红色代表上调 ；黄色无差异。正常样品Cy3标记待测样品Cy5标记叠加石奕武，胡维新等：多发性骨髓瘤的基因表达谱分析，湖南医科大学学报，2003，28（3）：2012052022-5-1160基因治疗基因治疗(gene therapy)(gene therapy) 基因治疗是分子生物学理论与技术基因治疗

33、是分子生物学理论与技术的飞速发展给医学带来新的希望和新的的飞速发展给医学带来新的希望和新的治疗手段，开辟了治疗学治疗手段，开辟了治疗学(therapeutics)(therapeutics)的新纪元。基因治疗是临床医学中发展的新纪元。基因治疗是临床医学中发展起来的新领域，发展十分迅速。起来的新领域，发展十分迅速。2022-5-1161 基因治疗技术的发展与整个医学科学的发展以及基因治疗技术的发展与整个医学科学的发展以及许多分子生物学新理论、新技术、新方法的应用密切许多分子生物学新理论、新技术、新方法的应用密切相关。相关。 临床基因治疗研究已经得到了迅速发展，基因治临床基因治疗研究已经得到了迅速

34、发展，基因治疗的范围从单基因缺陷遗传病扩大到多基因遗传病疗的范围从单基因缺陷遗传病扩大到多基因遗传病（恶性肿瘤、心血管病、免疫性疾病等）以及传染性（恶性肿瘤、心血管病、免疫性疾病等）以及传染性疾病（如肝炎、艾滋病等）。疾病（如肝炎、艾滋病等）。2022-5-1162 狭义基因治疗狭义基因治疗：目的基因导入靶细胞：目的基因导入靶细胞后与宿主细胞内的基因发生整合、成为后与宿主细胞内的基因发生整合、成为宿主基因组的一部分，目的基因表达产宿主基因组的一部分，目的基因表达产物起治疗疾病的作用。物起治疗疾病的作用。 广义基因治疗广义基因治疗：包括通过基因转移技：包括通过基因转移技术，使目的基因得到表达，封

35、闭、剪切术，使目的基因得到表达，封闭、剪切致病基因的致病基因的mRNAmRNA，或自杀基因产物催化，或自杀基因产物催化药物前体转化为细胞毒性物质，杀死肿药物前体转化为细胞毒性物质，杀死肿瘤细胞，从而达到治疗疾病的目的。瘤细胞，从而达到治疗疾病的目的。2022-5-1163 随着人类基因组遗传信息的全部破随着人类基因组遗传信息的全部破译和基因功能的澄清，临床医生有可能译和基因功能的澄清，临床医生有可能根据病人的需要，将外源基因导入患病根据病人的需要，将外源基因导入患病的细胞，替换有缺陷的基因以治疗疾病。的细胞，替换有缺陷的基因以治疗疾病。 在新的世纪，可以预期基因治疗将在新的世纪，可以预期基因治疗将会有一个更大的发展。会有一个更大的发展。 2022-5-1164