分 子 生 物 学 任课教师：宋方洲 马永平 易发平 刘智敏 卜友泉 基础医学院生物化学与分子生物学教研室.

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1 分 子 生 物 学 任课教师：宋方洲 马永平 易发平 刘智敏 卜友泉 基础医学院生物化学与分子生物学教研室

2 第一章 绪论 第一节 分子生物学的概念 第二节 分子生物学与生物化学的联系和区别 第三节 分子生物学研究的主要内容
第一章 绪论 第一节 分子生物学的概念  第二节 分子生物学与生物化学的联系和区别 第三节 分子生物学研究的主要内容 第四节 分子生物学发展历史 第五节 分子生物学在医学上的应用 第六节 21世纪分子生物学发展的新趋势 （陈启民 主编 《分子生物学》P5-7）

3 第一节 分子生物学的概念 分子生物学（molecular biology）是一门从分子水平研究生命现象、生命本质、生命活动及其规律的科学。
第一节 分子生物学的概念 分子生物学（molecular biology）是一门从分子水平研究生命现象、生命本质、生命活动及其规律的科学。 21世纪被称为“生物学世纪”,或称为“生物学时代”(其他还有信息时代、知识经济时代等的说法)，生命科学已成为科学的前沿，而分子生物学是生命科学的带头学科。可见其地位和重要性。 分子生物学既是一门年轻又是一门发展非常迅速的学科，真正可谓是日新月异。分子生物学技术（如重组DNA技术）已广泛应用和渗透到生物学、遗传学、细胞学、微生物学、进化学、肿瘤学、免疫学、药理学、发育学、病毒学、神经生物学、生药学、法医学等与基础医学和临床医学有关的研究领域。

4 由于分子生物学与其他学科的渗透和结合，从而形成了众多的分子生物学分支：如分子遗传学、分子细胞生物学、分子微生物学、分子进化学，分子肿瘤学、分子免疫学、分子药理学、分子发育学、分子病毒学、分子神经生物学、分子生药学、分子法医学等等……随着分子生物学科学和分子生物学技术的发展和进步，几乎所有的生物学都可与分子生物学结合，都可能用到分子生物学知识和分子生物学技术。乃至科学界都认为，21世纪将是分子生物学得到进一步发展并占统治地位，将深刻影响到生命科学的各个领域。 医学分子生物学（medical molecular biology）是分子生物学的一个重要分支，又是一门新兴的交叉学科。它是从分子水平上研究人体在正常和疾病状态下的生命活动规律，从分子水平开展人类疾病的预防、诊断和治疗研究的一门科学。

5 第二节 分子生物学与生物化学的 联系和区别 1.联系 2.区别 （1）研究方向上 （2）研究方法上

6 1.联系 “分子生物学”顾名思义，必须研究分子，是从分子水平上研究生物学，研究生命现象、生命活动及其规律。但其研究的重点不是化学，而是生物学。 现代生物化学是从分子水平上研究生命化学现象。其研究的重点是化学，而不是生物学。 因为分子生物学是从生物化学、生物物理、遗传学、微生物学等多门学科，经过相互杂交、相互渗透而产生出来的所以： 从学科范畴讲，分子生物学包括了生物化学；从研究的基本内容讲,遗传信息流 DNA→mRNA→蛋白质的过程，其许多内容又属于生物化学的范畴。因此，分子生物与生物化学这两门学科是“你中有我”“我中有你”而难于区分。但是，生物化学不等于分子生物学。可从其研究方向和研究方法来区别。

7 2．区别 （1）研究方向上 分子生物学主要研究蛋白质、核酸和其它大分子的结构与功能以及它们之间的相互作用，着重解决细胞中信息传递和代谢调节的问题。 生物化学主要研究大、小分子在生命活动的代谢过程，特别是参与糖酵解过程、脂肪氧化过程、三羧酸循环等代谢过程的大量的小分子的代谢转化更是生物化学的重要课题。但这些都不属于分子生物学的研究范畴。所以，两者在研究内容上有相同之处，但在研究方向上，分子生物学的着重点是大分子的结构和功能，而生物化学则是分子的代谢转化。

8 （2）研究方法上 分子生物学是以射线衍射等物理学方法研究大分子结构，采用生物化学与遗传学相结合的方法探索其功能，解决大分子结构与功能及其代谢调节的关系。 生物化学主要是采用生物化学与化学的方法，探索生命化学过程，解决分子转化与能量转换的问题。所以，两者在分离、纯化生物分子时，可能采用同样的方法，但在分别探索其研究内容时，却会采用明显不同的方法。

9 第三节 分子生物学研究的主要内容 分子生物学如前所述，必须研究分子。所以，分子生物学的研究，几乎都是围绕核酸和蛋白质进行的（因为这两类大分子在生物体内和生命活动中扮演了最重要的角色）。从核酸和蛋白质的结构与功能、基因组的结构与功能到基因的复制、表达、调控及其生物学效应，从生物大分子之间的相互作用到这些相互作用构成的细胞间通讯和细胞内信号转导，从对基因的结构、功能、表达调控的分析到基因的制备、改造、调控、应用所需的各种技术体系，构成了分子生物学的基本研究内容。

10 医学分子生物学是分子生物学的一个重要分支，它主要研究人体发育、分化和衰老的分子生物学基础，细胞增殖调控的分子基础，人体三大功能调控系统（神经、内分泌和免疫）的分子生物学基础，基因的结构异常或调控异常与疾病发生、发展之间的关系；同时，应用分子生物学理论和技术体系开展疾病的基因诊断和基因治疗、生物制药以及卫生防疫。

11 第四节 分子生物学发展历史 重点：1950年代后分子生物学的发展 一、分子生物学的形成 二、分子生物学的发展 三、分子生物学取得的成就

12 一、分子生物学的形成 分子生物学这门学科的孕育和形成经历了100多年的时间。
1、1859年C. Darwin 在《On the Origin of Species》这一名著中，提 出了物种进化的自然选择学说——达尔文进化论。 （1） 生物的来源——进化 （2） 生物的性状——遗传 （3） 进化的动力——选择 2、1865年 G.Mendel 发表豌杂交实验结果，提出了遗传学的两大遗传规 律——分离规律和独立分配规律，并认为是生物体内的遗传因子或遗 传颗粒控制生物性状。但他的结论直到1900年才被得到认可和重视。 人们又把控制遗传性状的遗传单位称为基因(gene)。 3、1839年 细胞学说的提出； 4、1869年 发现DNA；随后，RNA也被发现;

13 5、1879年 染色体的发现；并认为染色体最可能是DNA 、RNA和蛋白质
的一种； 6、1902年染色体学说的产生。合理解释了Mendel的实验结果； 7、1910年发现了遗传学的第三大遗传规律——连锁遗传规律，证明基 因的确存在于染色体上，并呈线状排列。 8、1944年证实了DNA是携带遗传信息、构成染色体的生物大分子； 9、1953年J. Watson F. Crick借助于几个实验室的研究成就，根据DNA 的X射衍射图谱，提出了DNA双螺旋结构模型，用分子结构的特征解 释了生命现象的最基本问题——基因复制的机制，从而真正开始从 分子水平上研究生命活动。生物学研究也从此进入了分子生物学时 代。

14 10、1953—1970年，随着DNA双螺旋结构的发现和确定，带来了发展
生物学的迅猛发展，也就是分子生物学理论和技术体系逐步形成 的时期。mRNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶的发现；DNA半保留复制机 理、操纵子学说等的提出；遗传密码的发现，其通用性的证明； 1966年，64个密码子破译；中心法则：DNA→RNA→蛋白质建立， 标志着分子生物学学科理论体系形成；重组DNA技术的建立，使得 分子生物学的技术体系初步形成。 11、1965年Watson等编著了《Molecular biology of the gene》； 1970年他们又出版了第二版《Molecular biology of the gene》 标志着分子生物学形成了较为完整的理论体系，从而形成了一门 较为独立的学科。

15 二、分子生物学的发展 1970年代以后，分子生物学飞速发展，理论体系和技术体系不断完善。
1、逆转录酶的发现，修正和完善了中心法则：DNA→mRNA→蛋白质 2、工具酶的发现、重组DNA技术的建立、表达外源基因成为可能； 3、“断裂基因”的发现，揭示了真核生物与原核生物基因结构的差异； 4、DNA测序方法建立，读取遗传信息成为可能； 5、PCR技术建立，基因克隆和基因分析有了强有力的手段； 6、基因表达与调控研究的不断拓宽和深入； 7、转基因动物成功；

16 8、人类疾病的基因诊断（1978年开创）和基因治疗(1990
年9月首例腺苷脱氨酶缺陷病患者接受基因治疗并获疗效) 9、1990年人类基因组计划启动(包括人类基因组作图及序 列分析、基因的鉴定、基因组研究技术的建立与创新、 模式生物基因组作图和测序、信息系统的建立、储存及 相应软件的开发、相关产业的开发 等等)。 关于医学分子生物学的进展请参考 来茂德:《分子生物学》P5-8

17 S. Brenner, F. Jacob, M. Meselson 发现mRNA 1966
三、分子生物学取得的主要成就 时 间 人 物 或 单 位 事 件 1953 J. Watson, F. Crick 建立DNA双螺旋模型 1958 M. Meselson, F. Stahl 证明DNA的半保留复制机制 1961 S. Brenner, F. Jacob, M. Meselson 发现mRNA 1966 M. Nirengerg, H. G. Khorana 破译全部64个密码子 1972 Paul Berg 首次将重组DNA插入细菌细胞 1973 Herb Boyer, Stanley Cohen 首次用质粒克隆DNA 1977 Walter Gilbert, Frederick Sanger 化学法、酶法测序 1981 美国 Brinster和 Palmiter 第一只转基因动物—“巨鼠”产生 1990 James Watson and others 人类基因组计划开始实施（预计15完成） 1997 Lan Wilmut and colleagues 克隆“多利”（Dolly）羊 世界上第一只羚长类转基因动物诞生 2000.6 国际联盟和Celera Genomics公司 人类基因组计划 工作草图完成 2001.2 人类基因组计划宣布基因分析结果 2003 预计人类基因组计划提前完成

18 第五节、分子生物学在医学上的应用 一、人体发育调控和人体功能调控 二、基因与疾病 2、细胞增殖调控的机理 3、神经、内分泌和免疫调控的机理
1、发育、分化与衰老的机理 2、细胞增殖调控的机理 3、神经、内分泌和免疫调控的机理 二、基因与疾病 1、因与疾病关系的研究 2、基因诊断 3、基因治疗

19 三、生物工程与生物制药 四、预防医学 2、酶工程 3、蛋白质工程 4、微生物工程 5、细胞工程 6、转基因动、植物 2、环境监测与净化
1、基因工程 2、酶工程 3、蛋白质工程 4、微生物工程 5、细胞工程 6、转基因动、植物 四、预防医学 1、疫苗研究 2、环境监测与净化

20 第六节、21世纪分子生物学发展的新趋势 （陈启民 主编 《分子生物学》P5-7）
纵观分子生物学的发展史，我们可以看出20世纪是以核酸的研究为中心，从而带动了分子生物学不断向纵深发展。 50年代的DNA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测序都具有里程碑的意义，将生命科学带向一个由宏观到微观再到宏观、由分析到综合的时代。

21 那么，21世纪分子生物学发展趋势怎样呢？ 当前，随着人类基因组计划的实施和完成，人类基因组研究的重点正在由“结构”向“功能”转移。所以，我们可以展望21世纪的分子生物学已进入了“后基因组（post-genomics）时代”。主要的重点研究领域有： 一、功能基因组学（functional genomics） 二、蛋白质组学(proteomics) 三、生物信息学(Bioinformatics) 四、脑计划(脑研究、脑科学)

22 一、功能基因组学（functional genomics）
所谓功能基因组学，是依附于对DNA序列的了解，应用基因组学的知识和工具去了解影响发育和整个生物体的特定序列表达谱。这是建立在人类基因组计划实施和完成的基础之上。例如：酿酒酵母的16条染色体的全部序列已于1996年完成，已知它的基因组全长12086kb,含有5885个可能编码蛋白质的基因，140个编码rRNA基因，40个编码snRNA(small nuclear RNA,小核RNA。参与RNA的剪接等)基因和275个编码tRNA基因，共计6340个基因。而功能基因组学，就是要进一步研究这6000多个基因，在一定条件下，譬如酵母孢子形成期，有多少个基因同时协同表达才能完成这发育过程。要解决如此复杂的问题，就必须在方法学上有重大的突破，创造出高效快

23 速地同时测定基因组成千上万个基因活动的方法。目前，用于检测分化细胞基因表达谱的方法，有：基因表达连续分析法(serial analysis of gene expression, SAGE)、微阵列法(microarray)、有序差异显示(ordered differential display, ODD)和DNA芯片(DNA chips)技术等。今后，随着功能基因组学的深入发展，将会有更新更好的方法和技术出现。 功能基因组学亦包括了在测序后对基因功能的研究。 当前，研究者一把酵母基因作为研究真核生物基因组功能的模式。总之，功能基因组学的任务，是对成千上万的基因表达进行分析和比较，从基因组整体水平上阐明基因活动的规律。起核心问题是基因组的多样性和进化规律、基因组的表达及调控、模式生物体基因组研究等。 这门学科的形成，是在后基因组时代生物学家的研究重点从揭示生命的所有遗传信息转移到在整体水平上对生物功能研究的重要标志。

24 二、蛋白质组学(proteomics) 人类基因组计划在2000年获得了划时代的人类基因组序列草图。随着，其战略重点从结构基因组学转移至功能基因组学研究，特别是蛋白质组学的研究。因为基因组的功能都是通过蛋白质的表达、调控而实现的。 蛋白质组学对不少人来说，还是一个比较陌生的术语。它最初是在1994年由澳大利亚Macguarie大学的Wilkins等首先提出的，之后不久就得到了国际生物学界的广泛承认。他们对蛋白质组的定义是：“蛋白质组指的是一个基因组所表达的全部蛋白质”(Proteome indicates the proteins expressed by a genome); “proteome”是由蛋白质一词的前几个字母 “prote”和基因组一词的后几个字母“ome”拼接而成。（现在有人认为，应改为细胞内的全部蛋白质，比较更为全面而准确）。

25 蛋白质组学是以蛋白质组为研究对象，研究细胞内所有蛋白质及其动态变化规律的科学。
蛋白质组与基因组不同：基因组基本上是固定不变的，即同一生物不同细胞中基因组基本上是一样的，如人的基因总数大致为3～4万个。单从DNA序列尚不能回答某个基因的表达时间、表达量等；而蛋白质组则是动态的，有时空性、可调节性。所以，基因的表达可在蛋白质组研究中找到答案。 从提出蛋白质组的概念到现在短短几年中，已于1997年构建成第一个完整的蛋白组数据库——酵母蛋白质数据库（yeast protein database, YPD），进展速度极快，新的思路的技术不断涌现，蛋白质组学这门新兴学科，在今后的实践中将会不断完善，充实壮大，发展成为后基因组时代的带头学科。

26 三、生物信息学(Bioinformatics)
HGP大量序列信息的积累，导致了生物信息学（Bioinformatics）这门新兴的学科产生，对DNA和蛋白质序列资料中各种类型信息进行识别、存储、分析、模拟和转输。它常由数据库、计算机网络和应用软件三大部分组成。 国际上现有4个大的生物信息中心，即美国生物工程信息中心（GenBank）和基因组序列数据库（GSDB），欧洲分子生物学研究所（EMBL）和日本DNA数据库（DDBJ）。这些中心和全球的基因组研究实验室通过网站、电子邮件或者直接与服务器和数据库联系而获得的搜寻系统，使得研究者可以在多种不同的分析系统中对序列数据进行查询，利用和共享巨大的生物信息资源。 随着DNA大规模自动测序的迅猛发展，序列数据爆炸性地积累，HGP正式启动之时，就与信息科学和数据库技术同步发展，收集、存储、处理了庞大的数据，生物信息学逐步走向成熟，在基因组计划中发挥了不可取代的作用。建立的核苷酸数据库，已存有数百种生物的cDNA和基因组DNA序列的信息。

27 在已应用的软件中,有DNA分析、基因图谱构建、RNA分析、多序列比较、同源序列检索、三维结构观察与演示、进化树生成与分析等。
在蛋白质组计划中，由于蛋白质组随发育阶段和所处环境而变化，mRNA丰度与蛋白质的丰度不是显著相关，以及需要经受翻译后的修饰，因而对蛋白质的生物信息学研究，在内容上有许多特殊之处。现在建立的数据库，有蛋白质序列、蛋白质域、二维电泳、三维结构、翻译后修饰、代谢及相互作用等。而通用的软件，主要包括蛋白质质量+蛋白质序列标记、模拟酶解、翻译后修饰等。 当今的潮流是利用生物信息学研究基因产物——蛋白质的性质并估计基因的功能。传统的基因组分析是利用一系列方法来得到连续的DNA序列的信息，而蛋白质组连续系（proteomic cortigs）则源于多重相对分子质量和等电范围，由此来构建活细胞内全部蛋白质表达的图像。氨基酸序列与其基因的DNA序列将被联系在一起，最终与蛋白质组联系在一起，从而充许人们研究不同条件下的细胞和组织。

28 四、脑计划(脑研究、脑科学) 脑和神经系统是人体结构功能中最复杂的系统，研究难度大，必须通过多学科的高度集成，才有可能取得突破性进展。在分子近年来分子和细胞生物学方法及功能磁共振（FMRI）等无创性脑功能检测技术的应用，为此领域的发展提供了强有力的工具。脑科学正在崛起，并可能成为生物科学下一个高峰。脑科学与信息科学及技术的结合将引起以脑为中心的科技革命——智能革命。

29 从国家需要来看，我国国民预期寿命的提高使脑的退行性疾病的发病率大增；高节奏的现代生活增加了精神应激，使精神病的发病率成倍增加；建筑业和高速交通的迅速发展增加了脑脊髓损伤的发病率；而提高教育质量、增强学习记忆和创新能力，也需要神经科学的新知识提供有力的保证和支撑。 主要研究方向和内容： （1）神经信息的传递、加工、整合、调整及不同信号转导系统之间的 相互作用； （2）脑和神经系统的发育、退变以及损伤的修复和再生； （3）脑的复杂性及学习记忆、意识认知与人工智能研究； （4）神经——内分泌——免疫网络的研究

30  主要教学参考书： 1、冯作化 主编 《分子生物学》 人民卫生出版社 2、陈启民 主编 《分子生物学》 南开大学出版社 3、来茂德 主编 《分子生物学》 人民卫生出版社 4、高天祥 田竟生主编 《分子生物学》 科学出版社 （第一版） 5、Robert F. Weaver:《Molecular biology》(影印版)科学出版社 2001 6、Benjamin Lewin : 《Gene》(Ⅶ) 2000