分子生物学导论

从物理学角度的定义:“生命”=“负 熵”
热力学第二定律指出，任何自发过程 总是朝着使体系越来越混乱、越来越无 序的方向，即朝着熵增加的方向变化。
生命的演化过程总是朝着熵减少的方 向进行，一旦负熵的增加趋近于零，生 命将趋向终结，走向死亡。
从生物物理学角度的定义 生命有三要素：物质、能量、信息
在生物体的整个运动过程中，贯 穿了物质、能量、信息三者的变化、 协调和统一。
1990年6月，法国的国家HGP开始启 动；
同月，欧共体通过了“欧洲HGP研 究计划”，主要资助23个实验室；
1990年10月1日 美国国会正式批准 美国的“HGP”启动，计划在15年内 投入至少30亿美元进行人类全基因 组的分析；
1994年初，在吴旻、强伯勤、陈竺 院士和杨焕明教授的倡导下，中国 的HGP开始启动；
1986年美国能源部宣布实施这一草案；
1987年美国能源部（DOE）和 国家健康研究院（NIH）为HGP 下拔了经费1.66亿美元，开始筹 建HGP实验室；
1988美国成立了“国家人 类基因组研究中心”由诺 贝尔奖获得者Watson J出 任第一任主任。
世界的行动
1987年，意大利的国家研究委 员会（NRC）组织了15个（后 来发展到30个）实验室，开始 HGP的研究； 1989年2月，英国的HGP开始启 动;
（三）RNA剪接研究
生物大分子结构功能研究（又称结构 分子生物学）
（一）概念：
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。
（二）结构分子生物学的研究方向：
结构测定； 结构运动变化规律； 结构与功能关系的建立。
（三）结构分子生物学的研究手段
物理和化学手段：Ｘ射线衍射的晶 体学（蛋白质晶体学）；二维和多 维核磁共振；电镜三维重组、电子 衍射、中子衍射和各种频谱学方法； 化学合成；
1984年，德国人Kohler、美国人 Milstein和丹麦科学家Jern由于发 展了单克隆抗体技术而分享了诺贝 尔生理医学奖。
1986年，Mullis发明了PCR技 术。1993年Mullis与第一个设 计定点突变的Smith共享了诺贝 尔化学奖。
1988年Waston出任“人类基 因组计划”首席科学家，举世瞩 目的人类基因组测序工作开始启 动。
1967年发现了可将DNA连接起来的 DNA连接酶。
1970年Smith、Qilcox及Kelley分离到 第一种可以在DNA特定位点将DNA分子 切开的限制性核酸内切酶。同年，美国 的Temin和Baltimore发现RNA肿瘤病 毒中存在逆转录酶，他们于1975年共享 诺贝尔生理学奖。
1972年，Berg、Boyer等人第一次成 功地完成了DNA重组实验。 1974年，首次实现了异源真核生物的基 因在大肠杆菌中的表达。
大气紊乱导致强烈的雷电 简单有机物产生并被收集在早期的海洋之中
Earth was very different then!
Essentially no atmospheric O2
Highly corrosive, destroys molecules
Highly energetic
Lightning, volcanic activity, UV radiation high
绪论
分子生物学发展的基础
（一）创世说和进化论 三个与生命现象相关的基本问题 生命是怎样起源的？ 为什么“有其父必有其子”？ 动、植物个体Fra Baidu bibliotek怎样从一个受精卵发育而来的？
生命的起源
创世说（creationist）
圣经 旧约全书
自然起源
奥巴林假说（Oparin hyperthesis）
地球起源早期，空气中包含甲烷、水蒸气、氨和一些 氢气
1910年，德国科学家Kossel首先分离得 到了腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸。
经典遗传学的建立和发展
1865年，奥地利科学家孟德尔 （Gregor Mendel）发表了《植物杂交 试验》一书，提出了遗传学的两条基本 规律：统一律和分离律。他认为：生物 的每一种性状都是由遗传因子控制的， 这些因子可以从亲代到子代，代代相传。
Provide energy for chemical reactions
什么是生命？生命如何定义？
从生物学角度的定义 从物理学角度的定义 从生物物理学角度的定义 “生命”的完整的、系统的定义
从生物学角度
“生命”被定义为： 由核酸和蛋白质等 物质组成的多分子体系，它具有不断自 我更新、繁殖后代以及对外界产生反应 的能力。
（二）达尔文学说
1859年达尔文发表了著名的《物种起源》
一书，提出了进化论学说。其进化论思想 的精髓可概括为“物竞天择，适者生存” 几个字。他认为世界上的一切生物都是可 变的，物种的变异是由于大自然的环境和 生物群体的生存竞争造成的。
（三）细胞学说的建立
十七世纪末十八世纪初，荷兰的 Leeuwenhoek制作了世界上第一台显微 镜，并观察了诸多生物样本。 大约与其同时代的Hooke第一个提出“细 胞”一词。
1961年，法国科学家Jacob和Monod 提出了调节基因表达的操纵元（operon） 模型，1965年获得诺贝尔生理医学奖。 他们还首次提出了信使核糖酸（mRNA） 的存在及作用。
同年，Nirenberg等人应用合成的 mRNA分子[poly(U)]破译出第一批遗 传密码。
1966年，美国科学家Nirenberg等人破 译了全部的DNA遗传密码，1969年与 Holley和Khorana分享了诺贝尔生理医 学奖。
第二节 分子生物学发展简史
分子生物学的定义：
• 是研究核酸、蛋白质等所有生物大分子
的形态、结构特征及其重要性、规律性 和相互关系的科学。
1928年英国科学家Griffith等人发现肺 炎链球菌可以引起肺炎，导致小鼠死亡。
1944年美国微生物学家Avery通过肺炎 链球菌对小鼠的感染实验，证明DNA是
（一）信号转导（singnal transduction) 信号转导：指外部信号通过细胞膜上的受 体传到细胞内部，并激发诸如离子通透性、 细胞形状或其他细胞功能方面的应答过程。
（二）转录因子研究 转录因子：是指一群能与基因5’端 上游特定序列专一结合，从而保证 目的基因以特定的强度在特定的时 间与空间表达的蛋白质分子。
1975~1977年，美国人Sanger和 Gilbert发明了快速DNA序列测定技术， 并于1977年完成了噬菌体ΦX174基因 组（5386bp）的序列测定。1980年 Sanger和Gilbert与Berg分享了诺贝尔 化学奖。
1982年Prusiner提出“感染性蛋白质颗 粒”的存在；次年将这种蛋白颗粒命名 为朊病毒蛋白（prion protein, PrP）。 1997年，Prusiner因为发现朊病毒而获 得诺贝尔生理医学奖。
分子生物学手段
人类基因组计划简介
Human Genome Project，HGP
问题的提出
70年代对人类基因组的研究已具有 一定的雏形；
1986年著名遗传学家Mckusick V 提出从整个基因组的层次研究遗传 学的科学称“基因组学”；
同年，诺贝尔奖获得者Dulbecco R在 Science杂志上发表了题为“癌症研究 的转折点——人类基因组的全序列分 析”，得到了世界范围的响应；
分子生物学
课程内容
细胞与大分子 蛋白质结构 核酸的性质 原核与真核生物的染色体结构 DNA复制 DNA损伤、修复与重组 基因操作
克隆载体 基因文库与筛选 克隆DNA的分析与应用 原核生物的转录 原核生物的转录调控 真核生物的转录 真核生物的转录调控
RNA加工与核糖核蛋白复合体 遗传密码与tRNA 蛋白质合成 噬菌体与真核生物病毒 肿瘤病毒与癌基因
1909年，丹麦遗传学家 W. Johannsen首先使用 “基因”一词。
二十世纪初，美国遗传学家Morgan提 出了基因学说。他指出：种质必须由独 立的要素组成，我们把这些要素称为遗 传因子，或者简单地称为基因。
Morgan及其助手发现了连锁遗传 规律，并且第一次将代表某一性 状的基因，同某一特定的染色体 联系起来。
经典的遗传图谱（以基因表型为 标记）
现代遗传图谱（以DNA为标记）
第一代多态性标记：限制性片段长 度多态性（restriction fragment length polymorphism, RFLP)，位 点数目可达105以上。
第二代多态性标记：小卫星/可变数 量串联重复（minisatellite /
其他说法
生理学的定义：生命体是具有进食、代谢、排泄、呼 吸、运动、生长、生殖和反应性功能的系统； 新陈代谢的定义：生命系统具有界面，与外界经常交 换物质、但不改变自其身性质； 生物化学的定义：生命系统包含着储藏遗传信息的核 酸和调节代谢的酶蛋白； 遗传学的定义：生命系统是通过基因复制、突变和自 然选择而进化的系统； 热力学的定义：生命系统是一个开放系统，它通过能 量流动和物质循环而不断增加内部秩序。
1993年，美国科学家Roberts和 Sharp由于在不连续基因方面的 工作而获得诺贝尔生理医学奖。
1996年，酵母基因组DNA的全 部序列测定工作完成。 2000年6月26日，人类基因组 工作框架图绘制完成
第三节 分子生物学的研究内容
DNA重组技术（基因工程）
（一）DNA重组技术的含义： 指在体外将核酸分子插入病毒、质 粒或其他载体分子，构成遗传物质 的新组合，并将之导入到原先没有 这类分子的寄主细胞内，从而使接 受者产生新的遗传性状的技术。
1998国家科技部在上海成立了中国 南方基因中心，由陈竺院士挂帅；
1998年~1999年成立了中国科学院北 京人类基因组中心和北方人类基因 组中心，由中科院遗传所的杨焕明 教授，强伯勤院士等人牵头；
1995年6月，德国正式开始HGP。
任务与进展
遗传图谱（genetic map)： 定义
又称连锁图谱（linkage map)或遗传连锁 图谱（genetic linkage map)，是指人类 基因组内基因以及专一的多态性DNA标记 (marker)相对位置的图谱，其研究经历了 从经典的遗传图谱到现代遗传图谱的过程。
variable number tandem repeat, VNTR) 及微卫星/简短串联重复 （microsatellite / simple tandem repeat, STR)。个数在6000个以上。 其中STR具高度多态性，有的可形成 几十种等位片段，是目前在基因定 位的研究中应用最多的标记系统。
十九世纪，德国植物学家Schleiden和动物学 家Schwann建立了细胞学说。他们认为：所有 组织的最基本单元是形状非常相似而又高度分 化的细胞。细胞的发生和形成是生物界普遍和 永久的规律。
（四）经典的生物化学和遗传学
进化论和细胞学说的结合，产生了现代生物 学。而以研究动、植物遗传变异规律为目标 的遗传学和以分离纯化、鉴定细胞内含物质 为目标的生物化学则是这一学科的两大支柱。
遗传信息的载体。
1953年Watson和Crick提出DNA右手 双螺旋模型，于1962年和Wilkins共享 诺贝尔生理医学奖。
同年，Sanger首次阐明了胰岛素的一级 结构，开创了蛋白质序列分析的先河，
他于1958年获诺贝尔化学奖。
1954年Crick提出遗传信息传递的 中心法则。
1958年，Meselson和Stahl提出了 DNA的半保留复制。
经典的生物化学的成就
十九世纪，人们就已经发现了蛋白质。 到二十世纪初，组成蛋白质的20种氨 基酸被相继发现。Fisher还论证了连 接相邻氨基酸的“肽键”的形成。细 胞的其他成分，如脂类、糖类和核酸 也相继被认识和部分纯化。
1869年，Misescher首次从莱茵河鲑鱼 精子中分离到DNA。
（二）DNA重组技术的建立
关键技术：限制性内切酶、 DNA连接酶及其他工具酶的发 现和应用。
（三）DNA重组技术的应用
可用于大量生产某些在正常细胞代谢 中产量很低的多肽；
可用于定向改造某些生物基因组结构 可用于基础研究
基因表达调控研究
生物个体在生长发育过程中，基因表达 是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）的。基因表达调控研究的主 要方面有：