分子生物学 第一章 绪论

• 在转基因植物方面，1994年能比普通西红柿保鲜时间更长 的转基因西红柿投放市场。（怕冻的蔬菜） • 1996年转基因玉米、转基因大豆相继投入商品生产， • 我国科学家将自己发现的蛋白酶抑制剂基因转入棉花获得 抗棉铃虫的棉花株。到1996年全世界已有250万公顷土地 种植转基因植物。
（2）基因表达调控研究
原核表达载体pET-30a-CbMAPK3 的构建
CbMAPK3基因CDS 序列PCR扩增产物 EcoR I , Sal I 酶切 EcoR I , Sal I 酶切
T4DNA连接酶连接
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表达产物的SDS-PAGE电泳图 1. 阴性对照 2. 阳性菌株
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DNA重组技术的应用前景:
• 用于大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低的多肽，如 激素、抗生素、酶类以及抗体。美国批准上市的基因工程产品
1982年Palmiter等首次将大鼠生长激素基因导人小鼠受精卵雄性 原核中，获得了个体比对照组大一倍的转基因“超级小鼠”
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囊性纤维变性是一种 遗传病，患者体内会产生粘 稠的粘液，阻塞肺部、胰腺 和消化器官的内部通道，大 约有一半的患者活不过 31 岁。 英国 PPT 公司培育了植入人 体基因的克隆羊，羊奶中含 有能够治疗囊性纤维变性的 人 体 蛋 白 。 维尔莫特所在的研究所曾 向德国一家药厂出售一头这 样的转基因羊，获得 50 万英 镑 。
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基因工程与环境污染治理
• 基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环 境的物质。
通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程培育 成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能 吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。
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举例
• 转基因动植物和基因剔除动植物的成功是基因工程技术发展的 结果。 • 1982年Palmiter等将克隆的生长激素基因导入小鼠受精卵细 胞核内，培育得到比原小鼠个体大几倍的“巨鼠”，激起了人 们创造优良品系家畜的热情。 • 我国水生生物研究所将生长激素基因转入鱼受精卵，得到的转 基因鱼的生长显著加快、个体增大； • 用转基因动物还能获取治疗人类疾病的重要蛋白质，导入了凝 血因子基因的转基因绵羊分泌的乳汁中含有丰富的凝血因子， 能有效地用于血友病的治疗。
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真核生物和原核生物基因表达的对比
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• 4℃处理下，CbMAPK3激酶基因的转录水 平迅速增长，并在处理0.5小时时达到 最高值，然后表达量逐渐降低，处理 24h后，降低到了基础水平。 • －4℃下处理时，CbMAPK3激酶基因的转 录水平同样迅速增长，并且在处理24小 时时仍然保持在较高的水平。 • 在ABA的处理下，CbMAPK基因的转录在 30min内明显升高，并在处理12小时之 后逐渐降低。 • 高盐处理下， CbMAPK基因的转录在2-6 小时达到一个很高的水平，在12-48小 时表达量有所降低，但仍然维持在一个 较高的水平。
四 分子生物学与其他学科的关系
• 分子生物学是由生物化学、生物物理学、 遗传学、微生物学、细胞学、以至信息科 学等多学科相互渗透、综合融会而产生并 发展起来的，凝聚了不同学科专长的科学 家的共同努力。它虽产生于上述各个学科， 但已形成它独特的理论体系和研究手段， 成为一个独立的学科。
（1）生物化学与分子生物学关系
Molecular Biology 《分子生duction
• 分子生物学的基本含义是什么？ • 分子生物学的研究对象是什么，它与生物 化学，细胞生物学，以及生物医学的关系 如何？ • 分子生物学的研究内容有哪些？ • 分子生物学发展史上有哪些重要事件？
一、分子生物学的基本含义
• 蛋白质分子参与并控制了细胞的一切代谢活动，而决定蛋 白质结构和合成时序的信息都由核酸（主要是脱氧核糖核 酸）分子编码，表现为特定的核苷酸序列。基因表达实质 上就是遗传信息的转录（从DNA到RNA）和翻译（从 RNA到蛋白质）。在个体生长发育过程中生物遗传信息 的表达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）。基因由此而分 为两类：管家基因，其表达产物大致以恒定水平始终存在 于细胞内，这类基因的表达为组成型表达；可调基因，它 们的产物只有在细胞需要时才表达，称为可调型表达或诱 导型表达。
抑制和调节多 种激素的作用
人体生长激素释放激素(SS) 9升大肠杆菌 培养液 基因工程
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从动物脑中提取:
5mg---50万只羊脑
基因工程胰岛素（一）
• 胰岛素是治疗糖尿病的特效药，长期以来只能依靠从 猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g 的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。
生物化学与分子生物学关系最为密切。两者 同在我国教委和科委颁布的一个二级学科中，称 为“生物化学与分子生物学”，但两者还是有区 别的。
生命信息（信号）的传递和调控
分子生物学的相关学科：
1.生物化学 生物化学是分子生物学的基础，学好生化便于分子生物 学的基本原理和方法的理解。 2.微生物学 作为分子生物学研究的模型生物,分子生物学操作的一 部分（基因扩增、克隆、表达） 3.遗传学 研究生物的遗传及变异规律，遗传变异的本质—DNA 4.细胞生物学 细胞是生命的基本功能单位，基因功能必须通过细胞来 表现，离开细胞，就没有生命。
胰 岛 素 分 子 结 构
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基因工程胰岛素（二）
• 将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L 培养液就能产生100g胰岛素！大规模工业化生 产不但解决了这种比黄金还贵的药品产量问题， 还使其价格降低了30%-50%! 胰 岛 素 生 产 车 间
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超级动物
• 导入贮藏蛋白基因的超级羊和超级小鼠
载体DNA ( 限制性内切酶切开 )
＋
目的基因
＋
宿主细胞
重组体
已转化的宿主细胞
繁殖 阳性克隆株
表达
表达载体包括的元件
3D基因
PCR定点诱变
Not I,Avr II酶切
Not I,Avr II酶切
重组连接
重组表达载体 pPIC9K/3D的构建图
图4 表达产物的SDS-PAGE电泳分析 1 Mark(94000 、 67000 、 43000 、 30000 、20100) 2,3 expression supernatant of SMD1168/pPIC9K/3D
• 高山粒子芥悬浮细胞在4℃ 处理下，CbMAPK3激酶蛋白 质水平在处理前3个小时有 所增加，并在3小时时达到 最高值，然后逐渐降低，处 理24h后，降低到了基础水 平。
4℃处理下CbMAPK3激酶 蛋白质水平变化
（3）结构分子生物学
•
结构分子生物学就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。一个生物大分子，无论是 核酸、蛋白质或多糖，在发挥生物学功能时，必须具备两个前提: 首先，它拥有特定的空间结构（三维结构）；其次，在它发挥生 物学功能的过程中必定存在着结构和构象的变化。 主要研究方向：包括结构的测定、结构运动变化规律的探索及 结构与功能相互关系的建立。最常见的研究三维结构及其运动规 律的手段是X射线衍射的晶体学（又称蛋白质晶体学），其次是 用二维核磁共振和多维核磁研究液相结构，也有人用电镜三维重 组、电子衍射、中子衍射和各种频谱学方法研究生物高分子的空 间结构。 结构和功能是密切相关的
分子生物学是从分子水平研究生命 本质为目的的一门新兴边缘学科。
二 分子生物学的基本原理：
• 1.构成生物体的有机大分子的单体在不同 生物体内都是相同的； • 2.生物体内一切有机大分子的构成都遵 循共同的规律； • 3.某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白 质决定了生物的属性。
三 研究对象：
• 核酸 遗传信息的载体，决定生物性状； 稳定遗传，保证种的延续，母代→ 子代； 易于操作，易于保存， • 蛋白质 蛋白质分子参与并控制了细胞的一 切代谢活动，它是一切生命活动的执行者。
五 分子生物学的主要研究内容
1、DNA重组技术——————基因工程 2、基因表达调控———————核酸生物学 3、生物大分子结构功能————结构分子生物 学 4、基因组、功能基因组与生物信息学研究
（1）DNA重组技术（又称基因工程）
• 基因工程就是将不同DNA片段（如某个基因或基 因的一部分）按照人们的设计与载体定向连接起 来，导入受体细胞，进行持久稳定的复制和表达， 使受体细胞产生外源DNA的蛋白质。 • 1972年,美国斯坦福大学的P.Berg教授把猴病毒 （SV40）DNA和λ噬菌体DNA片段用限制性内切 酶剪切后，经噬菌体T4DNA连接酶连接，在体外 建成了杂种病毒的DNA分子，并在猴组织培养细 胞中得到繁殖。 • 限制性内切酶和DNA连接酶及其他工具酶的发现 与应用则是这一技术得以建立的关键。 •
六 分子生物学发展史：
• 1869 Miescher 第一次分离了DNA；(为DNA分子 操作奠定了基础) • 1941Astbury 获得了第一张DNA X—衍射图谱； （开始了DNA空间结构的研究） • 1953 J.D.Watson和F.H.C.Crick提出DNA分子结构 的双螺旋模型。M.Wilkins用X-射线衍射法证实了 这一结构。 • 1961Jacob和Monod 提出操纵子学说——遗传调 节机理； • 1966 M.W.Nirenberg，S.Ochoa、H.G.Khorana、 F.H.C.Crick等人破译了全部遗传密码。
基因的功能研究 ；(function) 生化功能：基因的直接活性及蛋白产物的活性 （例如—与DNA的结合，信号因子，受体，运输蛋 白，酶活性等） 生理功能：基因表现出来的性状，与生物个体的 生 存的关系。 生化功能是单个分子（基因）的作用或活性，生 理功能是分子 群的“集体”行为，是多个基因及环 境共同作用的行为。 生化功能是生理功能的基础，生理功能是表现， 由于生物体基因表达的组织和发育阶段的特异性等， 生化功能相同生理功能并不一定相同。