医学分子生物学 Medical Molecular Biology 绪论 Introduction 2014

一、分子生物学的定义

分子生物学——从分子水平(核酸与蛋白质)研究生命现象本质及其规律的一门学科。 生命科学的发展过程： 整体水平 细胞水平 分子水平 分子生物学——从分子水平(核酸与蛋白质)研究生命现象本质及其规律的一门学科。

由于分子生物学以其崭新的观点和技术对其他学科的全面渗透，推动了细胞生物学、免疫学、遗传学、发育生物学和神经生物学向分子水平的方向发展，使这些学科已不再是原来的经典学科，而成为生命科学的前沿。

(二) 医学分子生物学的主要研究内容 生物大分子的结构、功能，生物大分子之间的相互作用及其与疾病发生、发展的关系。

（一） 核酸分子生物学： 核酸分子生物学主要研究内容之一是核酸的结构及其功能。核酸的主要作用是携带和传递遗传信息，因此形成了分子遗传学。

1. 核酸的发现 1869年，F.Miescher从脓细胞中提取核素 1885—1900年，Kossel、Johnew、Levene 确定核酸的基本单元是核苷酸 1929年又确定了核酸有两种：DNA和RNA。

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知。 2.核酸功能研究的重大进展 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知。 发现DNA的遗传功能，始于1928年格里菲斯（F．Griffith）所做的用肺炎双球菌感染小鼠的实验。 Frederic Griffith 1879—1941

肺炎双球菌有两种类型： S型 菌体包有多糖类荚膜，菌落光滑（smooth），有毒性，可以使人患肺炎或使小鼠患败血症 R型 不具荚膜， 菌落粗糙（rough），无毒性，不致病 R型实际上是S型的突变类型，二者属于同一个物种。

S型 R型 S型 R型 S型 死而复活： “格里菲斯之谜” In 1928, an experiment of Frederick Griffith using pneumonia bacteria and mice.

R型肺炎球菌转化为S型肺炎球菌的现象，称为转化（transformation） 。 导致R型细菌发生转化的因子，其化学本质究竟是什么？ ●加热杀死的S型菌中似乎存在某种导致细菌类型发生转化的物质。这种物质究竟是什么，人们尚不知道，暂时叫做“转化因子”（transforming principle）。 R型肺炎球菌转化为S型肺炎球菌的现象，称为转化（transformation） 。 导致R型细菌发生转化的因子，其化学本质究竟是什么？ 在美国纽约洛克菲勒研究所工作的Avery立刻敏感地抓住了这一问题，并在此基础上继续研究，取得了重大突破。 　

艾弗里等人的实验证据： 分离S型死菌的提取液→分别检测各分离组分（蛋白质、类脂、多糖、RNA和DNA）的转化活性

Polysaccharide-extract S strain DNA-extract RNA-extract Polysaccharide-extract Protein-extract R strain S strain R strain R strain R strain R strain

死去的S型菌并未复活，而是S型菌的DNA进入了R型菌，使其转化为新的S型致病肺炎双球菌。 艾弗里等人的实验揭开了“格里菲斯之谜”。 他们的试验和结论是DNA认识史上的一次重大突破，彻底改变了DNA在生物体内无足轻重的传统观念。 Oswald Theodore Avery （ 1877～1955 ）

但当时的主流观点并不接受艾弗里DNA是遗传物质的观念，认为提取的DNA无论如何纯净，仍然可能有残余的蛋白质，蛋白质才是有活性的转化因子。

针对学术界的否定意见，艾弗里于1946年用蛋白酶、RNA酶和DNA酶分别处理肺炎球菌的细胞抽提物。 结果: （1）用蛋白酶处理后，转化活性无影响； （2）用RNA酶处理后，转化活性无影响； （3）用DNA酶后，转化活性丧失。 进一步证明了DNA作为遗传信息载体的功能。

发现遗传物质的化学本质是DNA，这是基因研究上一个重要的里程碑。

更具说服力的实验证据 1951年，赫里奥特（R·Herriott）提出一个十分富有魅力和启发性的假说： “病毒的作用可能像一个充满着转化因子的注射针。这样的病毒本身不会进入细胞，但它不仅用尾部接触寄生细胞，并可能通过酶的作用在细胞外膜上钻一小孔，然后病毒头部的DNA就钻入细胞。”

当人们为艾弗里的实验而激烈争论时，研究噬菌体的美国微生物学家赫尔希等人在考虑，能否将蛋白质和DNA完全分开，单独观察DNA的作用呢？ 他们设计了一个精巧的噬菌体感染实验。 Alfred Day Hershey （1908～1997）

噬菌体感染实验 35S标记蛋白质外壳的噬菌体感染细菌细菌无放射性 32P标记DNA内芯的噬菌体感染细菌细菌有放射性

赫尔希与德布吕克和卢里亚一起，获1969年的诺贝尔生理学医学奖奖。 1952年，赫尔希（A．D．Hershey）和蔡斯（M．Chase）证明了噬菌体DNA能携带遗传信息到后代中去以后，科学界才终于接受了DNA是遗传信息载体的理论。 赫尔希与德布吕克和卢里亚一起，获1969年的诺贝尔生理学医学奖奖。

人们彻底摒弃蛋白质是基因的化学本质的概念，是在1953年沃森和克里克提出著名的DNA双螺旋分子结构模型之后。 1953年4月25日，英国的《Nature》刊登了沃森和克立克的DNA的双螺旋结构模型，这一天是分子生物学的诞生日。

1953年Watson 和Crick提出了DNA的双螺旋结构模型 获1962年诺贝尔生理学与医学奖

富兰克林拍摄的DNA晶体的X射线衍射照片，这张照片正是发现DNA结构的关键 罗沙琳德·弗兰克林 （Rosalind Franklin，1920－1958）英国 DNA的X光衍射照片 1952年5月拍摄 富兰克林拍摄的DNA晶体的X射线衍射照片，这张照片正是发现DNA结构的关键

稀缺的想像力,胜于艰苦的实验 Watson(JD)-Crick(F) ·Pauling: 蛋白质alpha螺旋结构 ·威尔金斯与富兰克林：DNA的 X射线衍射照片。 ·威尔金斯将照片给沃森、克里克看。 ·沃森、克里克顿悟：双螺旋模型 罗莎琳德·富兰克林 稀缺的想像力,胜于艰苦的实验

DNA分子双螺旋结构模型的发现，是生物学史上的一座里程碑： ●为DNA复制提供了构型上的解释，使人们对DNA作为基因的物质基础不再怀疑 ●DNA双螺旋模型在科学上的影响是深远的

DNA如何储存并表达遗传信息？这个问题引起了很多物理学家的兴趣，1945年，薛定谔在《生命是什么》一书中提出了遗传密码的概念。 1954年，物理学家伽莫夫提出三联体密码的概念。 1961年，尼伦伯格和马太利用三联体密码合成了由苯丙氨酸组成的多肽长链。 到1966年，64种遗传密码的含义全部得到了解答，形成了一部密码辞典。

Marshall Warren Nirenberg 美国生物学家尼伦伯格等人在1961～1966年期间成功破译了遗传密码，以无可辩驳的科学依据证实了DNA双螺旋结构的正确性。人们对遗传机制有了更深刻的认识。1968年获得诺贝尔生理学医学奖。 Marshall Warren Nirenberg （ 1927～）

DNA只存在于细胞核中，蛋白质的合成在细胞质中进行，细胞核中的遗传信息如何转达到细胞质中呢？ mRNA和tRNA的发现给这个问题提供了答案，1958年Crick提出的“中心法则”很快得到了证实。

中心法则阐述了基因两大基本属性： 复制：DNA→DNA； 表达：DNA→mRNA→蛋白质；

1970年，Temin和Baltimore从鸡Rous肉瘤病毒(Rous sarcoma virus，RSV)颗粒中发现了以RNA为模板合成DNA的逆转录酶，进一步补充了遗传信息传递的中心法则。

3．DNA序列分析技术： 双脱氧末端终止法:1977年，剑桥大学Sanger F等发明。 化学裂解法: 美国Maxam I和Gilbert W发明。

3．DNA序列分析技术 基因的一级结构是指脱氧核苷酸的排列顺序，解析一级结构最精确的技术就是DNA测序（DNA sequencing）。

两种经典常规的DNA测序方法 Sanger双脱氧测序（dideoxy sequencing）法

Maxam-Gilbert化学降解测序法

在Sanger双脱氧法基础上发展起来的全自动激光荧光DNA测序技术 1. 四色荧光法： 采用四种不同的荧光染料标记同一引物或4种不同的终止底物ddNTP，最终结果均相当于赋予DNA片段4种不同的颜色。因此，一个样品的4个反应产物可在同一个泳道内电泳。 2. 单色荧光法： 采用单一荧光染料标记引物5′-端或dNTP，所有产物的5′-末端均带上了同一种荧光标记，一个样品的四个反应必须分别进行，相应产物也必须在四个不同的泳道内电泳

循环芯片测序被称为第二代测序技术 循环芯片测序（cyclic-array sequencing） 优势： ① 可实现大规模并行化分析 ② 不需电泳，设备易于微型化 ③ 样本和试剂的消耗量降低，降低了测序成本 技术平台：454测序、Solexa测序（Illumina测序）、SOLiD测序等。

单分子测序技术被称为第三代测序技术 主要策略： ① 通过掺入并检测荧光标记的核苷酸，来实现单分子测序，如单分子实时技术（single molecule real time technology，SMRT）； ② 利用DNA聚合酶在DNA合成时的天然化学方式来实现单分子测序； ③ 直接读取单分子DNA序列信息。

1. 断裂基因(split gene)的发现，证明真核细胞的 基因不是连续的DNA片段； 2. 前体mRNA分子的拼接，去除内含子序列，连接成 成熟mRNA； 3. 发现单基因遗传病的基因结构的变异； 4. 从cDNA序列推导出蛋白质的一级结构； 5. 根据DNA序列合成基因，并与载体连接，使之在细 菌中表达，合成活性蛋白质，开创了基因工程。

4.分子生物学技术： 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各专业技术的渗透、综合而成，并在此基础上发明和创造了一系列新的技术。 例如：DNA及RNA的印迹转移、核酸分子杂交、基因克隆、DNA 测序、PCR等，形成了独特的重组DNA技术及其相关技术。

5.基因组研究 基因组（genome）: 一个物种遗传信息的总和。 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低等生物到真核生物，从多细胞生物到人类。

6.基因表达调控机制的研究 1961年，Jacob和Monod提出操纵子学说，认识了原核生物基因表达调控的一些规律。 80年代开始，人们逐步认识到真核基因组结构和调控的复杂性。 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。 小分子反义RNA、核酶、siRNA等。

改变细胞内的某些代谢过程，或改变生长速度，或改变细胞迁移或进入细胞凋亡等生物学行为 7. 细胞信号转导 细胞外信号 受体 细胞内各种分子数量、分布或活性变化 改变细胞内的某些代谢过程，或改变生长速度，或改变细胞迁移或进入细胞凋亡等生物学行为

蛋白质的分子生物学主要研究蛋白质的结构与功能。 （二）蛋白质分子生物学：  DNA →储存生命活动的各种信息。 蛋白质→生命活动的执行者。 蛋白质的分子生物学主要研究蛋白质的结构与功能。

蛋白质结构与功能的研究进展 1956年，Anfinsen和 White根据对酶蛋白的变性和复性实验，提出蛋白质的三维空间结构是由其氨基酸序列来确定的。 1958年，Ingram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酸残基的差别。 1969年，Weber开始应用 SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳测定蛋白质分子量；20世纪60年代先后分析了血红蛋白、核糖核酸酶A等一批蛋白质的一级结构。 中国科学家在1965年人工合成了牛胰岛素； 1973年又用X射线衍射分析法测定了牛胰岛素的空间结构(1.8埃）。

三、分子生物学与医学

现代分子生物学已经对医学的各个领域产生了全面而深刻的影响，并逐步形成了一系列以分子冠名的交叉学科。 如分子遗传学、分子免疫学、分子病理学、分子血液学、分子肿瘤学、分子病毒学、分子流行病学等。 由于生命本质的高度一致性，使得这些学科可以使用同一套理论、同一套技术，来解释和研究不同的病理、生理现象，甚至治疗不同的疾病。

由于分子生物学的发展和渗透，各种生理和病理现象都可能从基因水平找到答案。 肿瘤发生与癌基因和肿瘤抑制基因。 基因诊断和基因治疗的开展是分子生物学在医学领域中应用的典范。 药物的耐药性与抗药基因。

本课程教学安排 1.绪论、基因与基因组 2.基因表达与调控 3.细胞信息转导（1） 4.细胞信息转导（2） 5.染色质的结构与表观遗传学 6.分子生物学技术(1) 印迹技术；DNA测序 7.分子生物学技术(2) PCR技术 8.分子生物学技术(3) 大分子的相互作用 9.基因克隆 10.基因的体外表达与纯化 11.癌基因、抑癌基因与生长因子 12.基因与疾病;基因诊断与基因治疗 13.考查

参考书 查锡良主编，《生物化学》（第八版）.人民卫生出版社 冯作化主编，《医学分子生物学》. 人民卫生出版社. 2005 吴乃虎主编，《基因工程原理》（第二版）（上、下册）. 科学出版社. 1998 [美]J.莎姆布鲁克，《分子克隆实验指南》（第三版）（上、下册），科学出版社 ，2002 卢圣栋主编，《现代分子生物学实验技术》（第二版）.中国协和医科大学出版社. 1999