分子生物学概述

分子生物学发展简史
• 1953 年 Linus Pauling(1901-1994)( 莱 纳 斯 . 鲍 林 博 士 ) 提 出 著 名 的 DNA三螺旋模型。Pauling 是有史以来唯一两次独自获得诺贝尔奖的 科学家。1954化学奖，1962和平奖。他是20世纪最重要的化学家之 一。他描述了化学键的本质，并对阐明蛋白质结构作出划时代的贡献。 他既是一位声名卓著的科学家又是一位献身和平事业的活动家。他的 科学发现和为中止战争而作出的努力将对全人类产生深远的影响。
The One Gene - One Enzyme Theory
分子生物学发展简史
• 1943 年Oswald Avery等在用了约76升的细菌后终于得到了不含其 他物质的纯化DNA,并证明只有DNA在转化中起作用。
1944年，三名科学家：Oswald T. Avery, Colin MacLeod 与 Maclyn McCarty联名发表 了一篇划时代的论文，他们通过一系列用肺炎病毒进行的实验，推导出了一个与长久以来 的假说相悖的结论：DNA，而非蛋白质，是遗传信息的物质载体！ Avery OT, MacLeod CM, McCarty M (1944)Studies of the chemical nature of the substance inducing transformation ofpneumococcal types. Induction of transformation by a desoxyribonucleic acidfraction isolated from Pneumococcus Type III. J Exp Med 79:137–158
分子生物学发展简史
• 1963 M.W.Nirenberg（美1927–） & H.Matthai （德） 破译了遗传密码:在 无细胞系统(cell-free system)加入人工合成的多核苷酸，指导合成了一定序 列的多肽链，充分证明了20种氨基酸的遗传密码。
分子生物学发展简史
• 1966 年 Khorana 证明了 Nirenberg 提出的遗传密码 , 有机化学 方法合成多聚脱氧核糖核酸，以其为模板在DNA PolI催化下合 成 DNA 链；再以 DNA 为模板合成 RNA 。蛋白质的分子生物合 成，特别是与其密不可分的RNA合成，经历了漫长的发展历程。
分子生物学发展简史
• 1944年麦克林托克（1902－1992）在玉米中发现并提出了“可移动基因学 说”—转座子。

1983年度诺贝尔生理学医学奖。
真核生物中的转座因子颇为广泛，如玉米色斑的产生，果蝇复眼颜色的变异 等现象都与转座因子的移动有关。转座的效应是多种多样的。诸如引发基因 突变；或造成碱基的缺失或重组；或导致启动或关闭其他基因等。而这些均 与个体发育、进化和个体的抗药性的变化等相关。
分子生物学发展简史
• 1962年W.Arber提出限制性核酸酶(R.E.)存在的第一个证据，导致1970 H.O.Smith（1931–）纯化了第一个DNA R.E.可在特定位点切割 DNA。科学 家已从不同的细菌中分离出3000多种限制性核酸内切酶，通常识别4—8个碱 基。
1978H.O.Smith,W.Arber,D.Nathans因为发现限制酶 并用于分子生物学领域而获诺贝尔奖。
分子生物学与生物化学
生物化学与分子生物学关系最为密切
生物化学：从化学角度研究生命现象，着重研究生物体内各种 生物分子的结构、转变与新陈代谢。 分子生物学：着重阐明生命的本质，主要研究生物大分子核酸 与蛋白质的结构与功能、生命信息的传递和调控。
分子生物学重点研究领域
•核酸的结构和功能，包括遗传信息的传递 •蛋白质(包括酶)的结构和功能
拉马克学说：一个是用进废退；一个是获得性遗传。
达尔文学说：天择说。
分子生物学发展简史
• 1869年Miescher 从被丢弃的外科绷带上的脓细胞分离出核酸，初命名为核 素(nuclein)后发现是酸性的，重命名为核酸。
24岁的瑞士医生 Friedrich Miescher
• 1879年弗莱明(Walter Flemming)发现染色体，并描述了细胞分裂过程中染 色体的行为。 • 1888 Waldeyer创造染色体(Chromosome)一词。 • 1900年孟德尔的成果被重新发现。
分子诊断学
分子考古学
分子生物学发展简史
• 1865年达尔文《On the Origin of Species》：性状可遗传。
• 1865年孟德尔发表《植物杂交实验》，首次阐述了生物界有规律的 遗传现象。“遗传因子 ”。
拉马克，法国博物学家。生物学伟大的奠基 人之一，生物学一词是他发明的，最先提出 生物进化的学说，是进化论的倡导者和先驱。 他还是一个分类学家，林奈(Carl von linne' 1707～1778)的继承人。主要著作有 《法国全境植物志》、《无脊椎动物的系 统》、《动物学哲学》等。
•生物膜的结构和功能
•生物调控的分子基础 •生物进化 • • •
分子生物学相关学科 分子生物学已经渗透到生物学的所有领域
分子生物学
分子结构生物学 分子发育生物学 分子细胞生物学 分子免疫学 分子数量遗传学 分子生态学
分子神经生物学
分子育种学 分子肿瘤学
分子病毒学
分子生理学 分子药理学
分子进化学
…………….
RNA
翻译
蛋白质
Genes Dev. 2007,21:1190-1203
分子生物学发展简史
• 1960年Sydney Brenner, Francis Crick，Francois Jacob和 Jaque Monod发现信使RNA(mRNA)。 • 1961 Yanofsky & Brener 提出三联体设想: 43＝64三联体(triplet)， 三个碱基编码一个氨基酸。
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• 1961年Jacob 和 Monod提出在分子水平上特定基因被激活或抑制的
机制。操纵子的概念，解释了原核基因表达的调控。
Jacob
Monod
1965年获得诺贝尔生理或医学奖
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• 1961年Marmur & Doty发现DNA复性(renaturation, annealing)，确认了核 酸杂交反应的特异性和可行性。
分子生物学发展简史
• 1911年荷兰植物学家遗传学家H.DeVries(1848-1935)根据月见草的 遗传试验结果, 发表突变学说,认为生物的进化起因于突变(mutation)。 • 1912年英国布喇格父子建立了X射线晶体学，成功地测定了一些复杂 的分子以及蛋白质的结构。
• 1913年斯特提万特(Alfred Henry Sturtevant) 绘制出第一张线式基因图谱。
分子生物学发展简史
• 1957年Francis Crick发表《论蛋白质合成》的演讲，提出 DNA制造蛋白质的概念。
• 1958 M.Meselson（1930–） & Stahl 证明了DNA 半保留复制。
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• 1958年Crick提出中心法则。
RNA 复制 复制
D白质的合成场所, 占总RNA 的85% RNA tRNA 转移氨基酸 10% mRNA 编码多肽 4% snRNA 协助拼接反应 1%
分子生物学发展简史
• 1967年 Gellent 发现DNA连接酶用来连接DNA片段。DNA ligase是基因拼接或基因工程必不可缺的工具酶。 • 1970年Temin & Boltimore发现反转录酶。提出以RNA为模板 合成c可或缺的手段。
A
B
Z
1962年Watson、Crick与Wilkins共享诺贝尔生理或医学奖
分子生物学发展简史
• 1956年Joe Hin Tjio和Albert Levan确定人类共有23对染色体。
分子生物学发展简史
• 1956 A.Kornberg(1918–)分离出E.coli DNA Polymerase I并 在DNA模板指导下，利用4dNTPs合成了DNA，获得1959年度 诺贝尔医学或生理学奖。
分子生物学发展简史
• 1929年列文(Phoebus Levene)提出DNA 化学成分和基本结构。
• 1931年麦克林托克（McClintock）指导 她的女博士生克莱顿（Creighton, B） 证实重组是由交换引起的。
分子生物学发展简史
• 1941年 Beadle 和 Tatum ―一基因—一酶学说”在链孢霉中被证明, 使遗传学与生物化学之间的关系得以阐明。
分子生物学发展简史
• 1953年J.Watson（1928–）& F.H.C.Crick（1916–）提出DNA双螺 旋模型，A—T ,G—C 碱基按Chargaff规律配对，DNA 中储存的信 息可精确复制，提出中心法则。DNA双螺旋结构的建立，标志着分 子生物学的诞生，对以后分子生物学发展具有极其重要的指导作用。 奠定了分子生物学的理论基础，开创了分子生物学时代。
分子生物学发展简史
• 1927年H.J.Muller测定了果蝇中的自发突变率，并证明突变可被X线 诱导；C.Auerbach、J.M.Robson及F.Oehlkers分别于1941、1943 先后独立观察到某些化学物质亦能诱导突变，但是突变本质为何仍不 清楚。 • 1928年格里菲斯(Frederick Griffith) 报道了两株肺炎球菌有毒株(S) 注射小鼠可致死,而无毒株(R)不致死小鼠。将热处理杀死的有毒株和 不经处理的无毒株分别注射,不致死小鼠;但一起注射则导致小鼠死亡。 死去的毒性菌株如何将致死因子传到无毒株上?格里菲斯发现了一种 可以在细菌之间转移的遗传分子。
分子生物学发展简史
• 1952年Alfred Hershey和Martha Chase 利用病毒证实，传递遗传信 息的是DNA而不是蛋白质。
1952 Alfred Hershey & Martha Chase 用放射性磷和硫标记噬菌体， 分别感染不同的细菌菌落，追踪放射性的位置.结果放射性硫(即蛋白 质)留在细菌外，放射性磷(即DNA)则进入细菌里.而且新产生的噬菌 体含有放射性磷，这些结果有力的证明了DNA是遗传物质。基因则是 遗传的基本单位，它是位于链特定位置的一段序列，携带有形成特定 蛋白的信息。
1975年获诺贝尔生理或医学奖
分子生物学发展简史
• 1972年H.Boyer,S.Cohen,P.Berg及其同事发展了克隆技术。 • 1972 Paul Berg & Herbert Boyer第一次实现了用两个DNA分 子建立重组DNA分子，随后几年Boyer 通过将构建的重组质粒 转化细菌而构建了第一个重组微生物。接着陆续构建了青蛙核 糖体 RNA的 重组菌。 1977 Boyer参与建立第一家基因工程公司Genetech, 将生长抑 素（somatostatin）基因导入细菌，首次在人以外的生物中产 生人类蛋白。1992克隆人胰岛素基因产物上市，成为第一个 DNA重组药物。
分子生物学发展简史
• 1902年萨顿(Walter Sutton)发现染色体是成对的，并携带遗传信息。 • 1909年丹麦生物学家Wilhelm Johannsen(1857~1927)创造“基因” （gene）一词，用来表达一个可遗传的因子。 • 1911年摩尔根(Thomas Hunt Morgan)提出基因学说，阐释基因在 染色体上的分布，以及繁殖过程中染色体重组形成独特新个体过程。
分子生物学概述
Overview of Molecular Biology
郑晓飞
放射与辐射医学研究所
分子生物学(molecular biology)
定义：从分子水平研究作为生命活动主要物质基础的生物 大分子结构与功能，从而阐明生命现象本质的科学。
广义：蛋白质及核酸等生物大分子的结构与功能研究都属于分 子生物学的范畴，也就是从分子水平阐明生命现象与生物学规 律。如蛋白质的结构、运动和功能，酶的作用机理，膜蛋白的 结构功能，跨膜运输等。 狭义：侧重于核酸(或基因)的分子生物学，主要研究基因或 DNA的复制、转录、表达和调控等过程，同时涉及与这些过程 有关的蛋白质和酶的结构与功能研究。
分子生物学发展简史
• 1948年鲍林(Linus Pauling)提出蛋白质为螺旋形的理论。
• 1949年E.Chargaff 定则的提出，〔A〕=〔T〕〔G〕=〔C〕 (A＋T)／ (G＋C) 的比值因生物来源不同而不同。 • 1951年富兰克林(Rosalind Franklin)拍摄到了核酸的X射线衍射照片。