分子生物学与检验技术

首 页
退 出
20世纪人类科技发展史上的三大创举
90年代人类基因组计划 60年代人类首次登上月球
40年代第一颗原子弹爆炸
46
第一章 绪论
二、临床分子生物学检验技术的发展与进步
（一）DNA分子交杂技术 （二）聚合酶链反应PCR
（三）生物芯片技术
（四）DNA测序技术
细胞亚显微结构
Introduction
35
1970年Crick提出了完整的中心法则。
• •
• •
实线箭头的转移普遍地存在于所有生 物细胞中。 虚线箭头是特殊情况下的遗传信息转 移。
RNA复制只在RNA病毒中存在。 逆转录最初在RNA致癌病毒中发现，现在在 人的白细胞和胎盘滋养层中也测出逆转录酶 的活性。 遗传信息从DNA到蛋白质的直接转移仅在理 论上具可能性，在活细胞中尚未发现。
• 在佛罗里达州杰克逊维尔的MAYO诊所研究员成功的繁殖 出了大脑患有神经纤维缠结，具有人类老年性痴呆症病理 特征的小鼠。 这只小鼠模拟了人类神经纤维缠结的形成 过程，为研究者希望攻克预防、治疗老年性痴呆和其他痴 呆症提供了重要的基础。
51
52
微生物基因工程与多肽类产品的生产
• 2008年，美国华盛顿大学的罗伊· 卡斯蒂斯和他的研究小 组成员共同研制成功避孕疫苗。对老鼠的实验已经取得了 成功。 • 新型的避孕疫苗是由沙门氏菌进行基因改造而成的。经过 基因改后，沙门氏菌就不会产生有害感染。这种经过基因 改造过的沙门氏菌之所以能够阻止怀孕，就是因为它会产 生一种重要的蛋白质。这种蛋白质一旦附在卵子的表面后， 可以有效地阻止精子与卵子的结合，从而达到避孕的目的。
25
James Dewey Watson （1928-） Francis Harry Compton Crick （1916-2004）
26
27
• Maurice Hugh Frederick Wilkins (1916-2004)
通过X射线证实了Watson-Crick 模型 三人获noble 生理医学奖
首 页
退 出
第一章 绪论
一、分子生物学发展历程及其主要的里程碑
（一）准备与酝酿阶段
19世纪中后期到20世纪50年代初期 1.遗传学诞生的遗传规律 1865 孟德尔 性状遗传
2.确定了蛋白质是生命的主要组分 3.揭示了生物遗传的物质基础是DNA
细胞亚显微结构
Introduction
首 页 退 出
肺炎双球菌遗传转化实验
分子生物学与检验技术
• 徐美兰
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Fra Baidu bibliotek1
• 黄金大米（Golden Rice）是一种转基因大米，它 通过转基因技术将β-胡萝卜素转化酶系统转入到大 米中而获得，外表为金黄色，故称黄金大米。 • 苏黎世瑞士联邦理工学院的 Ingo Potrykus 教授和 德国弗赖堡大学的Peter Beyer（分别为育种专家 和分子生物学家）是这一大米作用机制的创始人。 • 1999年，研发此大米，并于2004年在美国进行试 验。
28
• Rosalind Elsie Franklin
（1920-1958） • 1952年她所拍摄的DNA晶 体衍射图片“照片51号”， 以及关于此物质的相关数据， 是沃森与克里克解出DNA 结构的关键线索。
29
• 《 Nature》于1953年4月25日同时发表三篇论文，顺序是 以Watson和Crick为先，再是Wilkins等人，最后是 Franklin等人。沃森与克里克在论文中提及他们是受到 Wilkins与Franklin等人的启发，但并未详细说明，也没有 致谢。而Wilkins与Franklin 则是在论文中表示自己的数据 与Watson和Crick的模型相符。
project，HGP）的完成，逐渐发展起来的基因组学
和蛋白质组学，以及新近于真核细胞内发现的控制
基因信息流通的非编码RNA（noncoding RNA）和 不依赖DNA序列的表观遗传（epigenetics)等新兴领
域生命信息和新技术体系的引入，预示着分子生物
学又将发生一场深刻的革命。
Introduction
• Oswald Avery （1877-1955）
• 1944年证实DNA是遗传 信息的载体。
22
23
第一章 绪论
一、分子生物学发展历程及其主要的里程碑
（二）建立与发展阶段
20世纪50年代到70年代 Watson和 Crick DNA双螺旋结构模型 意义：确立了核酸作为信息分子的结构基础；提出了碱基配 对是核酸复制、遗传信息传递的基本方式；最终阐明了遗传 的物质基础是核酸。这三点为认识核酸与蛋白质的关系及其 在生命中的作用打下了最为重要的基础。
12
13
争议核心问题
转基因
作物的
安全性
？！……
14
主要质疑
• 转基因食品对人体有害，甚至造成不孕不育等等。
• 转基因农业会导致基因扩散，对生态环境造成危害。 • 转基因会导致病菌产生抗性。
• 转抗虫基因会导致害虫产生抗性，因此不得不继续 打农药。
• 转基因技术的专利大都掌握在外国人手中，对中国 的粮食安全不利。 • 转基因技术只适用于大农场，不适合小农。 • 转基因技术只应用了十几年，将来很可能会发现有 害，因此必须谨慎。
38
mRNA的发现
• 1961年，Monod和Jacob提出了mRNA的概念，认为 在DNA与其表达产物蛋白质之间存在一种传递信息 的中间物质，这种物质极可能是一种RNA。 • Brenner、 Monod和Jacob的实验和此后Spiegelman 的实验证实了mRNA的存在。
39
遗传密码的破解
53
微生物基因工程与多肽类产品的生产
• 美国陆军研究发展和工程中心将合成蜘蛛丝的基因转入细 菌，生产出一种可溶性丝蛋白，可纺成一种强度超过钢的 特殊纤维。
54
转基因动物与蛋白药物的生产
• 将生物活性蛋白基因导入动物的受精卵，在发育成的转 基因动物体液或血液、乳汁、尿、腹水中收获基因产物， 通常将此动物称为“动物生物反应器”。 • 英国用转基因绵羊来试行生产人类抗胰蛋白酶因子，在 每升羊奶中可取得35克这种蛋白质。 • tPA（组织型纤溶蛋白元激活因子）已在转基因小鼠的乳 汁中得到了表达，成为治疗血栓的理想药物。 • 转基因小鼠可表达羊奶的主要成分——β-乳糖球蛋白。 • 凝血因子Ⅳ也在转基因绵羊中得到了表达。
细胞亚显微结构
Introduction
首 页 退 出
重组DNA技术
Paul Berg（1926-）
• 1972年，Paul Berg 创造出第 一个重组DNA分子。 • 1973年，Herbert Boyer和 Stanley Cohen发展了重组 DNA技术，发现改造后的DNA 分子可在外来细胞中复制。
•
36
• 中心法则合理地说明了在细胞的生命活动中两类大分子的 联系和分工： • 核酸的功能是储存和转移遗传信息，指导和控制蛋白质的 合成。 • 蛋白质的主要功能是进行新陈代谢活动和作为细胞结构的 组成成分。
37
乳糖操纵子模型
• 1961年，Monod和Jacob提出乳糖操纵子模型。他们还提 出了mRNA的概念。预言并参与证实存在
（四）恶性肿瘤与肿瘤相关基因
细胞亚显微结构
Introduction
首 页 退 出
第一章 绪论
一、分子生物学检验技术的理论基础
（一）人类感染性疾病与病原微生物 （二）单基因病与基因变异
（三）线粒体遗传病与线粒体基因变异
（四）恶性肿瘤与肿瘤相关基因
细胞亚显微结构
Introduction
首 页 退 出
转基因动物模型
2. 熟悉分子生物学与检验技术的发展及主
要里程碑
3. 了解分子生物学检验技术的临床应用前
景
Introduction
第一节
第二节
第三节
中英文
退 出
第一章 绪论
绪论
现代分子生物学兴起的标志：20世纪50年代Watson 和 Crick DNA双螺丝结构
分子生物学以揭示生命现象本质为目的，以
研究生物分子的结构与功能为对象，为
首 页 退 出
第一章 绪论
第二节 分子生物学检验技术的主要任务
一、分子生物学检验技术的理论基础 二、分子生物学检验技术的分析对象
Introduction
首 页
退 出
第一章 绪论
一、分子生物学检验技术的理论基础
（一）人类感染性疾病与病原微生物 （二）单基因病与基因变异
（三）线粒体遗传病与线粒体基因变异
1. 广为人知的，DNA由6种小分子组成：脱氧核糖， 磷酸和4种碱基（A、G、T、C），由这些小分子 组成了4种核苷酸，这4种核苷酸组成了DNA. 2. 最新的， Franklin得到的衍射照片表明，DNA是由 两条长链组成的双螺旋，宽度为20埃。 3. 最为关键的，1950年美国生物化学家Chargaff发现 DNA中的4种碱基的含量并不是传统认为的等量的， 虽然在不同物种中4种碱基的含量不同，但是A和T 的含量总是相等，G和C的含量也相等。
42
DNA测序技术
• 1977年，Sanger与Maxam和Gilbert等发明了DNA测序技 术。
43
PCR技术
• 1985年，Kary Mullis发 明聚合酶链式反应 （PCR）技术。
• 1988年，Saiki发现耐热 的Taq DNA聚合酶， PCR技术迅速推广。
44
第一章 绪论
随着2003年人类基因组计划（ human genome
15
需要具备的基础知识
• 什么是基因？ • 什么是转基因？ • 如何进行转基因操作？
16
第一章 绪论
Introduction
• 第一节 分子生物学的兴起与发展 • 第二节 分子生物学检验技术的主要任务 • 第三节 分子生物学检验技术的临床应用前景
第一章 绪论
学习目的和要求
1. 掌握分子生物学检验技术的主要任务与 分析对象
• 1954年，Gamov提出密码子是三 联体。 • 1961年，Crick等证实密码子是非 重叠、无标点的三联体。 • 1966年，在Nirenberg、Khorana 等的努力下，完成了全部64个遗传 密码子的解码。
40
第一章 绪论
一、分子生物学发展历程及其主要的里程碑
（三）深入发展阶段
20世纪70年代以后 1.重组DNA技术的建立和发展 2.后继研究和持续发展阶段
细胞亚显微结构
Introduction
首 页 退 出
DNA双螺旋模型：里程碑
• 1953年，Watson和Crick在《Nature》上发表论文， 提出DNA为双螺旋结构。碱基位于双螺旋内侧，磷 酸与糖基在外侧，通过磷酸二脂键相连，形成核酸 的骨架。碱基平面与中心轴垂直，糖环平面则与轴 平行，两条链皆为右手螺旋。碱基按A-T，G-C配 对互补，彼此以氢键相连。并指出，DNA的特定配 对原则，立即使人联想到遗传物质可能有的复制机 制。 • 标志着分子生物学这一崭新学科的正式诞生。
32
DNA作为遗传物质需具备的特点
1. 能够携带遗传信息。 2. 能够自我复制传递遗传信息。 3. 能够让遗传信息得到表达以控制细胞活动。 4. 能够突变并保留突变。 • DNA双螺旋模型完美地解释1、2和4。 • 1958年，Meselson和Stahl完成了DNA半保留复制的实验。
33
遗传信息传递规律：中心法则
破解生命奥秘、探究疾病现象、疾病的
诊断治疗及预防控制等，实现个体化循 征医护等奠定基础。
Introduction
第一节 第二节 第三节 中英文 退 出
第一章 绪论
第一节 分子生物学的兴起与发展
一、分子生物学发展历程及其主要的 里程碑 二、临床分子生物学检验技术的发展 与进步
Introduction
• 1957年， Crick提出中心法则： DNA→RNA→蛋白质 • 遗传信息在不同的大分子之间的转移都是单向的，不可逆 的，只能从DNA到RNA(转录)，从RNA到蛋白质（翻译）。 • 这两种形式的信息转移在所有生物的细胞中都得到了证实。
34
• 1950年，科学家发现RNA可复制。 • 1970年Temin和Baltimore在RNA致癌病毒中发现了以 RNA为模板合成DNA的逆转录酶。
30
当时研究DNA分子模型的3个实验室
• 伦敦国王学院的Wilkins、Franklin实验室，用X射 线衍射法研究DNA的晶体结构。 • 加州理工学院的大化学家Pauling实验室，他已发 现了蛋白质的α-螺旋结构。 • 剑桥大学卡文迪许实验室的非正式研究小组， Watson和Crick。
31
Watson和Crick依据的3条数据