分子生物学

第一章 绪论 分子生物学发展简述 分子生物学主要内容 如何学好分子生物学

？ 分子生物学发展简述 人类对生命现象的认识过程 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？ 种瓜得瓜，种豆得豆?

同时代Hooke 用“细胞”来形容软木的最基本单元 细胞学说的确立 1702 Leeuwenhoek（荷兰） 自制显微镜观察到雨水中的“微生物” 同时代Hooke 用“细胞”来形容软木的最基本单元 列文虎克（显微镜）和罗伯特胡克（cell）

细胞学说的建立（The cell theory） 德国植物学家施莱登 （ Schleiden ）和德国动物学家施旺 （Schwann）共同提出著名的“细胞学说”。 Matthias Jacob Schleiden 1804～1881 Theodar Schwann 1810～1882

Recognizing the beauty of science: Mendel’s discovery 遗传因子在生物性状世代间传递遵循分离和独立分配两个基本规律。 “遗传学的奠基人” 豌豆后代的性状有一定的分离规律（3：1 9：3：3：1）

大致分为三个阶段： 准备和酝酿阶段：人类对DNA和遗传信息传递的认识阶段 现代分子生物学的建立和发展阶段：重组DNA技术的建立和发展 分子生物学的发展至今只有50多年的历史，在人类文明史上只是短暂的时间，但是其发展速度却使整个生物学发生了巨大变化，可将其发展过程大致分为三个阶段：

准备和酝酿阶段—19世纪后期到20世纪50年代初 1944年，著名微生物学家Avery证实DNA是遗传信息载体的理论； 1952年，Hershey用搅拌实验最终确定核酸是遗传物质 The Double Helix (1953) DNA双螺旋结构 遗传信息传递的中心法则（1954）

确定DNA是遗传物质是分子生物学发展的重大里程碑，DNA双螺旋结构模型的建立是分子生物学发展的又一重大里程碑（分子生物学诞生的标志） RNA Francis H. Crick DNA James D. Watson

The Central Dogma (1953-1956) DNA Protein RNA Transcription DNA Protein RNA reverse transcription Translation Replication

基因的两个基本属性 基因的自我复制能力 基因控制性状表达的能力 从此核酸的分子生物学得到了飞速发展 广义的分子生物学：蛋白质及核酸等生物大分子结构和功能的研究都属于分子生物学的范畴，即从分子水平阐明生命现象和生物学规律

狭义的分子生物学：偏重于核酸（基因）的分子生物学， 主要研究基因或DNA的复制、转录、 表达和调控等过程，当然也涉及与这 些过程相关的蛋白质和酶的结构与功 能的研究 基因的分子生物学（核酸生物学） Molecular Biology

What is Molecular Biology? Molecular biology seeks to explain the relationships between the structure and function of biological molecules and how these relationships contribute to the operation and control of biochemical processes. ---Turner et al. Molecular biology is the study of genes and their activities at the molecular level, including transcription, translation, DNA replication, recombination and translocation. --- Robert Weaver

不同的高级结构 不同的生物大分子之间的互作 构成生物大分子的单体是相同的 核酸 蛋白质 脂质 糖类 * 生物大分子单体的排列（核苷酸、氨基酸）的不同 不同的高级结构 不同的生物大分子之间的互作 不同的物种特性

现代分子生物学的建立和发展阶段 1967-1970年R.Yuan和H.O.Smith等发现的限制性核酸内切酶为基因工程提供了有力的工具； 1972年Berg等将SV-40病毒DNA与噬菌体P22DNA在体外重组成功，转化大肠杆菌，使本来在真核细胞中合成的蛋白质能在细菌中合成,打破了种属界限（完成了第一个细菌克隆，开创了基因工程新纪元）； 1975-1977年，Sanger、Maxam和Gilbert发明了DNA序列测定技术；

近半个世纪以来 医学，化学中重大突破与成就者 Nobel Prize 分子生物学发展的 里程碑与主要内容

分子生物学中重大成就与突破者－－－Nobel Prize的获得者－－－构成了分子生物学发展的主要内容－－－里程碑 了解具有卓越成就的科学家，了解分子生物学发展的发展历程 1910，蛋白质、细胞及细胞核化学的研究（首先分离到A、T和组氨酸） A.Kossel （德）

1958 Joshua Lederberg（美） Phage transduction George Wells Beadle Edward Lawrie Tatum Joshua Lederberg 但是有些酶是由不同的多肽链特异地聚合起来才会呈现有活性，也有一个基因所决定的同样多肽链是两种或两种以上不同酶的组成成分。此外，有的基因能决定具有两种或两种以上作用的酶，也有几个基因所决定的多肽链通过聚合才能发挥作用。随着酶学、蛋白质化学的进展、遗传学方法的进步，进一步弄清楚了基因与酶的关系是建立在基因与多肽链严密对应的关系基础上的。表示这种对应关系的学说就是一个基因一条多肽链假说。 Beadle & Tatum（美） One gene-one enzyme 红色面包霉突变体

1959 Ochoa(美籍西班牙裔) Kornberg（美） Severo Ochoa Arthur Kornberg 细菌的多核苷酸磷酸化酶，成功地合成了RNA，DNA→RNA→蛋白质 实现了DNA分子在试管内（细菌无细胞提取液）的复制

1962 Watson（美） ＆ Crick（英） Wilkins（新西兰）

测定了肌红蛋白及血红蛋白的高级结构（三级） 1962 Kendrew ＆ Perutz（英国） John C. Kendrew Max F. Perutz 测定了肌红蛋白及血红蛋白的高级结构（三级） 成为研究生物大分子结构的先驱

提出并证实了Operon作为调节细菌细胞代谢的分子机制首次提出mRNA分子的存在 1965 Jacob ＆ Monod （法国） Francis Jacob Jacques Monod 提出并证实了Operon作为调节细菌细胞代谢的分子机制首次提出mRNA分子的存在

1969 Nirenberg（美） Holly ＆ Khorana Marshall W. Nirenberg Robert W. Holley Har Gobind Khorana 酵母phetRNA的核苷酸序列并证明了所有tRNA三级结构的相似性 第一个合成了核酸分子，并人工复制了酵母基因 破译了遗传密码

1975 Temin & Baltimore(美) David Baltimore Howard M. Temin 发现了逆转录酶（以RNA为模板，逆转录生成DNA RNA肿瘤病毒）

1980 Sanger （英） Gilbert & Berg（英） Frederick Sanger Walter Gilbert Paul Berg Sanger 历时8年 完成了牛胰岛素测序 酶法核苷酸测序的设计者 化学测序法的设计者 DNA重组技术的元老 测定了牛胰岛素的化学结构而获 1958 年的 Nobel 化学奖

1984 Kohler（德） Milstein（美） Jerne（丹麦） Georges J.F.Kohler Cesar Milstein Niels K. Jerne 发展了单克隆抗体(Monoclonal Antibodies McAb)技术，完善了极微量蛋白质的检测技术

1989 Altman ＆ Cech（美） Sidney Altman Thomas R. Cech 核酶即核糖核酸质酶（Ribozyme）的发现者（即某些RNA具有酶的功能）

1989 Bishop＆Varmus（美） Michael Bishop Harold E. Varmus 正常细胞同样带有原癌基因

断裂基因（splitting gene）的发现 1993 Roberts ＆ Sharp（美） Richard J. Roberts Phillip A. Sharp 断裂基因（splitting gene）的发现

Kary Mullis Michael Smith PCR仪的发明者 基因定点突变

Alfred G.Gilman Martin Rodbell 1994 Gilman ＆ Rodbell 发现G蛋白在细胞信号传导中的作用

1998年，美国药理学家Ｒ. Ｆ. Furchgott（1916-）、Ｌ. Ｊ. Ignrro（1941-）和Ｆ 1998年，美国药理学家Ｒ.Ｆ.Furchgott（1916-）、Ｌ.Ｊ.Ignrro（1941-）和Ｆ.Murad（1936-）因发现“ＮＯ作为信号传递分子”而获奖。他们的研究首次表明气体分子可以穿过细胞膜而发挥信使作用，提出了生物信号传递的新理论。

1999年度诺贝尔生理学奖授予给了Gunter Bolbdl,因为他的重大成果-----发现蛋白质有内部信号决定蛋白质在细胞内的转移和定位。

2000年度诺贝尔生理学或医学奖颁发给瑞典人阿尔维德-卡尔森、美国人保罗-格林加德和埃里克-坎德尔，以表彰他们三人在人类“神经系统信号传递”领域做出的突出贡献。

2001年诺贝尔生理或医学奖授予美国的利兰·哈特韦尔、英国的保罗·纳斯和蒂莫西·亨特，三名科学家所作出的重大贡献在于发现了具有调节包括酵母、植物、动物和人类等所有真核有机体中控制细胞周期的关键分子，这些基础性研究对研究细胞发育具有重要意义。

2002年，英国人悉尼·布雷诺尔、美国人罗伯特·霍维茨和英国人约翰·苏尔斯顿，因在器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡方面的研究 ，获诺贝尔生理与医学奖。

2004年诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家理查德·阿克塞尔和琳达·巴克，以表彰两人在气味受体和嗅觉系统组织方式研究中作出的杰出贡献。

2005年诺贝尔生理学或医学奖授予两名澳大利亚科学家罗宾·沃伦和巴里·马歇尔。,以表彰他们发现了导致人类罹患胃炎、胃溃疡和十二指肠溃疡的罪魁———幽门螺杆菌。 以上图片文字均摘自973cn@cpums.edu.cn

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2006 "for their discovery of RNA interference - gene silencing by double-stranded RNA"

2007年度诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家马里奥·卡佩基（Mario R 2007年度诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家马里奥·卡佩基（Mario R.Capecchiand）和奥利弗·史密斯（Oliver Smithies）、英国科学家马丁·埃文斯（Martin J. Evans），以表彰他们在干细胞研究方面所作的贡献。

2008年10月6日,诺贝尔生理学或医学奖授予了德国科学家哈拉尔德·楚尔·豪森、法国科学家弗朗索瓦丝·巴尔西诺西和吕克·蒙塔尼,以表彰他们对揭示病毒感染在肿瘤、传染病等人类重大疾病中的致病机制所做出的突出贡献.

2009,三位美国科学家伊丽莎白·布兰克波恩(Elizabeth H. Blackburn)、卡罗尔·格雷德(Carol W 2009,三位美国科学家伊丽莎白·布兰克波恩(Elizabeth H. Blackburn)、卡罗尔·格雷德(Carol W. Greider)以及杰克·绍斯塔克(Jack W. Szostak)共同获得该奖项。他们发现了由染色体根冠制造的端粒酶(telomerase)，这种染色体的自然脱落物将引发衰老和癌症。

2010年，英国生理学家罗伯特·爱德华兹因为在试管婴儿方面的研究获得2010年诺贝尔生理学或医学奖。

初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段 数、理、化相关学科 生物学实验技术 渗透 交叉 近代生物学 生物学 个性 共性 宏观生物学 （生态学为核心） 微观生物学 （分子生物学为核心） 细胞水平 分子水平 结构生物学，发育生物学，神经生物学等新兴学科发展 生物多样性 研究 资源保护与 利用 人类生态环境的保护 工农业生产持续发展

分子生物学 分子结构生物学 分子发育生物学 分子神经生物学 分子育种学 分子肿瘤学 分子细胞生物学 分子免疫学 分子病毒学 分子生理学 分子考古学 分子遗传学 分子数量遗传学 分子生态学 分子进化学 ……………. 分子生物学渗透到生物学几乎所有学科 分子生物学成为现代生命科学的共同语言

综合分子生物学发展历程：20世纪以核酸为研究核心，带动分子生物学向纵深发展。20世纪50年代的双螺旋结构，60年代的操纵子学说，70年代的DNA重组，80年代的PCR技术，90年代的DNA测序都是分子生物学发展的里程碑，将生命科学带向一个由宏观到微观，再到宏观的过程。

分子生物学的主要内容 分子生物学概念： Molecular biology is the study of genes and their activities at the molecular level, including transcription, translation, DNA replication, recombination and translocation. 《Molecular Biology》--Robert F. Weaver (Version 2) 分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学，是人类从分子水平上真正揭示生物世界的奥秘，由被动地适应自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学科。 《现代分子生物学》-- 朱玉贤、李毅 （第二版）

分子生物学研究的三大主要领域 DNA—protein 生物大分子的结构与功能 Hormone—receptor 生物大分子之间的互作 Enzyme--substrate 结 构 生 物 学 基因分子生物学 生物技术理论 与应用 生物大分子的结构与功能 生物大分子之间的互作 基因的概念 基因的结构 基因的复制 基因的表达 基因的重组 基因的突变 基因工程 细胞工程 酶工程 发酵工程 蛋白质工程 狭义的分子生物学——分子遗传学 Hormone——激素 substrate——底物

21 世 纪 分 子 生 物 学 展 望 未来生物学形成的新热点及领域 结构生物学（Structural Biology） 生物大分子的高级三维结构与功能的统一 分子发育生物学（Molecular Developing Biology） 基因表达，基因互作 器官发生 胚胎形成 个体发育

分子神经生物学（Molecular Neurobiology） 分子细胞生物学 (Molecular Cell Biology) 个体 细胞 分子 还原论 整体论 细胞中的定位 细胞分化 分子神经生物学（Molecular Neurobiology） 神经基质 神经通道 信息传递 大分子克隆 一级结构分析 三维结构重建 思维 感情 记忆 科学解释

基因表达谱的绘制 (microarray) 蛋白质水平上基因互作的探测 功能基因组学(Functional Genomics or post—Genomics) 基因的识别与鉴定 基因功能信息的提取与证实 基因表达谱的绘制 (microarray) 蛋白质水平上基因互作的探测 生物信息学(Bioinformatics) 生物大分子的结构与功能信息 计算机语言 分辨，提取，分析， 比较， 预测生物信息

应用生物学发展 生物技术 诊断试剂 治疗药物 植物品种 环境工程 食品加工 生物塑料 废物处理 再生能源 ……

分子生物学实际应用的现状和展望 ※ 促进了以基因工程为核心的生物技术的发展，从而 影响经济发展的诸多领域 1、农业方面 生物品种的改良速度更快、目标更准确，甚至创造 新物种 转基因动物－－－－－猪、牛、羊、鱼等 植物－－－－－抗虫棉（Bt毒素蛋白基因）、 耐贮藏番茄等

利用重组DNA产生的工程菌来大量高效地合成人体 活性多肽（疾病的诊断、预防和治疗）， 2、 医药方面 利用重组DNA产生的工程菌来大量高效地合成人体 活性多肽（疾病的诊断、预防和治疗）， 基因工程疫苗（细菌疫苗、病毒疫苗、寄生虫疫苗） 以及正在研制的癌症疫苗 血友病 缺乏某种凝血因子而导致的严重凝血障碍

工业方面 * 酶制剂工业用酶的生产、酶的定向改造

环保工业上：工程菌 提高降解效率 扩大可降解污染物的种类

* 食品工业上：谷氨酸、调味剂、酒类和油类 例：不含软脂酸的大豆色拉油 * 化学与能源工业上： 重组DNA技术生产丁醇，及用基因工程技术改善微生 物发酵生产丙酮、酒精、醋酸等的转化效率 基因工程修饰过的淀粉及重组DNA技术生产酒精等石 油替代品 生物技术必将在世界人口问题、 疾病问题、人的寿命问题、营 养保健问题、农业持续发展问题、资源再利用问题、大气污染问 题、世界公害问题、洁净新能源问题等各方面问题的解决中起重 要作用

21世纪——生命科学的世纪 分子生物学理论的突破 生物技术的有效应用 新旧技术的有机结合 人口与粮食 能源与资源 健康与疾病

学习分子生物学的意义 更加深刻 更为明确 阐明生物大系统 生长发育 遗传变异 繁殖死亡 生命本质 更加主动 更为有效 利用生物技术 改造生物 创造生物 新兴产业 推动工，农，医 的 发 展 学习分子生物学的意义

中心法则的深入研究与发展----基因组学（Genomics ) 水稻等作物基因组计划 猪，牛等家畜基因组计划 人类基因组计划（HGP） 遗传图 物理图 序列图 表达图 基因定位 基因克隆 基因转移 中心法则的深入研究与发展（Genomics & Post-genomics） 人类基因组计划 1990年 2003年完成 基因的分子生物学 比较基因组研究

Comparative genomics (molecular marker) ( DNA sequence) 进化理论研究 同源基因克隆

人与大鼠的基因90%是相同的

现代分子生物学的研究成功还包括以下几个方面的重要突破： 对人类基因组计划的实施已经取得了重要成果，建立了多种文库 微生物基因组：噬菌体、大肠杆菌、酵母等的基因组计划 动物基因组：果蝇、线虫、小鼠等的基因组计划 植物：水稻、拟南芥等的基因组计划 对肿瘤、艾滋病、心血管疾病、高血压、糖尿病等的防治已经取得了可喜的成果 农作物抗病虫害、品质改良、抗病毒病等方面已经逐步走向实用阶段

教 材 朱玉贤，李毅。 现代分子生物学（第二版），北京：高等教育出版社，2002 教 材 朱玉贤，李毅。 现代分子生物学（第二版），北京：高等教育出版社，2002 叶林柏，郜金荣。基础分子生物学 （第一版），北京：科学出版社，2004

参 考 书 吴乃虎。基因工程原理 （第二版）， 北京: 科学出版社，2001 参 考 书 吴乃虎。基因工程原理 （第二版）， 北京: 科学出版社，2001 Robert F. Weaver. Molecular Biology (second edition), 北京，科学出版社，2002 Benjamin Lewin. 《Gene VIII》2004 Joseph Sambrook, David W. Russell. 《 Molecular Cloning: A Laboratory Manual》, 2002 孙乃恩等，分子遗传学。南京：南京大学出版社，1990。

如何学好分子生物学 系统的阅读一本选定的参考书（基础理论） 《Gene VIII》 by Benjamin Lewin, 2004 科学出版社（中文） 掌握一定的实验操作技术（实验操作） 《分子克隆实指南》第三版 科学出版社 《Molecular Cloning: A Laboratory Manual》 By Joseph Sambrook, David W. Russell, 2001 了解最新信息（相关期刊杂志，网络资源） http://www.ncbi.nlm.nih.gov

本章内容结束

本章习题 从广义和狭义上写出分子生物学定义？ 写出三个分子生物学发展的重大事件（年代、发明者、简要内容）？ 现代分子生物学研究的主要内容？