分子生物学概论基因、基因组和基因组学
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三、分子生物学的主要研究内容
1. 核酸的分子生物学 研究核酸的结构及其功能，包括核酸/基因组 的结构、遗传信息的复制、转录与翻译，核酸 存储的信息修复与突变，基因表达调控和基因 工程技术的发展和应用等。遗传信息传递的中 心法则是其理论体系的核心。
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2. 蛋白质的分子生物学
研究蛋白质的结构与功能。
蛋白质的研究比早，但难度较 大，发展较慢。近年来在蛋白质 的结构及其与功能关系方面取得 了一些进展，但是对其基本规律 的认识尚缺乏突破性的进展。
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3. 细胞信号转导的分子生物学
研究细胞内、细胞间信息 传递的分子基础。
生物体的细胞分裂与分化及其它各种功能的完 成，均依赖于环境所赋予的各种信号。
在外源信号的刺激下，细胞将信号转变为一系 列的生物化学变化，例如蛋白质构象的转变、蛋 白质分子的磷酸化以及蛋白与蛋白互作的变化等， 从而使其发生改变以适应内外环境的需要。
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二、分子生物学发展简史
• 分子生物学的发展大致可分为三个阶段： 1. 准备和酝酿阶段 2. 现代分子生物学的建立和发展阶段 3. 初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展
阶段
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1.准备和酝酿阶段
19世纪后期---20世纪50年代初。该阶段产生了两点对生命 本质的认识上的重大突破：
确定了蛋白质是生命活动的主要物质基础
● 1900年，孟德尔遗传规律被证实，成为近代遗传 学基础。
● 1910年，Morgan的染色体—基因遗传理论 ， Gene 存在于染色体上。进一将“性状”与“基 因”相耦联，成为现代遗传学的奠基石。
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● 1944年，美 国微生物学家 Avery证明肺炎 球菌转化因子 就是DNA分子， 提出 DNA是遗 传信息的载体。
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2. 现代分子生物学的建立和 发展阶段
从50年代初到70年代初， 以1953 年Watson 和Crick 提 出的DNA双螺旋结构模型作 为现代分子生物学诞生的里 程碑，开创了分子遗传学基 本理论建立和发展的黄金时 代。
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（1）遗传信息传递中心法则的建立
逐渐完善了对DNA复制机理的认识
1953年Watson和Crick提出DNA复制的模型； 1954年Crick提出遗传信息传递的规律—— 中心法则； 1970年Crick提出了完整的中心法则。
• 对蛋白质研究的方法手段也有很大改进。 • 1969 年 Weber 应用 SDS-PAGE 测定蛋白质分子量； • 1973 年氨基酸自动测序仪问世。 • 中国科学家在 1973 年通过 1.8A X －线衍射，分析测
定了牛胰岛素的空间结构。
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3.认识生命本质并改造生命的发展阶段
70年代后，以基因工程技术的出现作为新 的里程碑，标志着人类深入认识生命本质 并能动改造生命的新时期开始。其间的重 大成就包括：
1
分子生物学∙ 第一章
绪论
• 分子生物学定义 • 分子生物学发展简史 • 分子生物学研究内容 • 分子生物学与医学的关系
2
一、分子生物学定义
从分子水平研究生物分子的结构与功能从而阐明 生命现象本质和生命过程规律的一门交叉科学 ；主要 研究遗传信息的传递（复制）、保持（损伤和修复）、 基因的表达（转录和翻译）与调控。
Cohen
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(2) 基因组研究的发展
目前分子生物学已经从研究单个基因发展到研 究生物基因组的结构与功能。
1977年Sanger测定了ΦX174-DNA全部5375个核 苷酸的序列；
1978年Fiers等测出SV-40DNA全部5224bp序列； 80年代λ噬菌体DNA全部48,502bp的序列全部测 出； 一些小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等 基因组的全序列也陆续被测定；
• 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。
朊病毒？10
• 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。
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2 对蛋白质结构和功能的进一步认识
• 1956-1958 年 Anfinsen 和 White根据对酶蛋白的变性和 复性实验，提出蛋白质的三维空间结构是由其氨基酸 序列来确定的。
• 1958 年 Ingram 证明正常的血红蛋白与镰刀状红细胞 贫血病人的血红蛋白之间，肽链上仅有一个氨基酸残 基的差别，使人们对蛋白质的一级结构影响功能有了 深刻的印象。
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(1) 重组DNA技术的建立和发展
1967-1970年R.Yuan和H.O.Smith等发现的限制性核酸内切 酶为基因工程提供了有力的工具；
第一个实现DNA重组的人－Berg 1972年斯坦福大学的 Paul Berg 小组首次完成了体外重组实验：用E.coR Ⅰ切 割SV40 DNA和λ噬菌体DNA，经过连接组成重组的DNA 分子。(1980年诺贝尔化学奖)
SV40
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l噬菌体
Paul Berg
第一个取得基因工程成功的人－Cohen
1973年，美国斯坦福大学的Cohen 组将 E. coli的tetr质粒psclol和neorsr Rb-3质粒 体外限制酶切割，连接成一个新的质 粒，转化E. coli，在含有四环素和新霉 素的平板上筛选出了tetrner，实现了细 菌遗传性状的转移。这是基因工程史 上的第一个克隆化并取得成功的例子， 由此宣告了基因工程的诞生，这一年 被定为基因工程诞生的元年。
1902年Emil Fisher证明蛋白质结构是多肽；
1950年Pauling和Corey提出了α-角蛋白的α-螺旋结 构模型。
1953年Sanger和Thompson完成了第一个多肽分 子——胰岛素A链和B链的氨基全序列分析。
6
确定了生物遗传的物质基础是DNA
● 1865年，孟德尔发表了他的《植物杂交实验》一 文，首次阐述了生物界有规律的遗传现象-分离定 律和自由组合定律。“遗传因子 ”
19 世纪末 Buchner 兄弟证明酵母无细胞提取液能使糖发酵产生 酒精，第1次提出酶(enzyme)的名称，酶是生物催化剂。
20 世纪 20-40 年代提纯和结晶了一些酶（包括尿素酶、胃蛋 白酶、胰蛋白酶、黄酶、细胞色素C、肌动蛋白等），证明酶的 本质是蛋白质。
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对蛋白质一级结构和空间结构的认识
三、分子生物学的主要研究内容
1. 核酸的分子生物学 研究核酸的结构及其功能，包括核酸/基因组 的结构、遗传信息的复制、转录与翻译，核酸 存储的信息修复与突变，基因表达调控和基因 工程技术的发展和应用等。遗传信息传递的中 心法则是其理论体系的核心。
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2. 蛋白质的分子生物学
研究蛋白质的结构与功能。
蛋白质的研究比早，但难度较 大，发展较慢。近年来在蛋白质 的结构及其与功能关系方面取得 了一些进展，但是对其基本规律 的认识尚缺乏突破性的进展。
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3. 细胞信号转导的分子生物学
研究细胞内、细胞间信息 传递的分子基础。
生物体的细胞分裂与分化及其它各种功能的完 成，均依赖于环境所赋予的各种信号。
在外源信号的刺激下，细胞将信号转变为一系 列的生物化学变化，例如蛋白质构象的转变、蛋 白质分子的磷酸化以及蛋白与蛋白互作的变化等， 从而使其发生改变以适应内外环境的需要。
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二、分子生物学发展简史
• 分子生物学的发展大致可分为三个阶段： 1. 准备和酝酿阶段 2. 现代分子生物学的建立和发展阶段 3. 初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展
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1.准备和酝酿阶段
19世纪后期---20世纪50年代初。该阶段产生了两点对生命 本质的认识上的重大突破：
确定了蛋白质是生命活动的主要物质基础
● 1900年，孟德尔遗传规律被证实，成为近代遗传 学基础。
● 1910年，Morgan的染色体—基因遗传理论 ， Gene 存在于染色体上。进一将“性状”与“基 因”相耦联，成为现代遗传学的奠基石。
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● 1944年，美 国微生物学家 Avery证明肺炎 球菌转化因子 就是DNA分子， 提出 DNA是遗 传信息的载体。
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2. 现代分子生物学的建立和 发展阶段
从50年代初到70年代初， 以1953 年Watson 和Crick 提 出的DNA双螺旋结构模型作 为现代分子生物学诞生的里 程碑，开创了分子遗传学基 本理论建立和发展的黄金时 代。
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（1）遗传信息传递中心法则的建立
逐渐完善了对DNA复制机理的认识
1953年Watson和Crick提出DNA复制的模型； 1954年Crick提出遗传信息传递的规律—— 中心法则； 1970年Crick提出了完整的中心法则。
• 对蛋白质研究的方法手段也有很大改进。 • 1969 年 Weber 应用 SDS-PAGE 测定蛋白质分子量； • 1973 年氨基酸自动测序仪问世。 • 中国科学家在 1973 年通过 1.8A X －线衍射，分析测
定了牛胰岛素的空间结构。
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3.认识生命本质并改造生命的发展阶段
70年代后，以基因工程技术的出现作为新 的里程碑，标志着人类深入认识生命本质 并能动改造生命的新时期开始。其间的重 大成就包括：
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分子生物学∙ 第一章
绪论
• 分子生物学定义 • 分子生物学发展简史 • 分子生物学研究内容 • 分子生物学与医学的关系
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一、分子生物学定义
从分子水平研究生物分子的结构与功能从而阐明 生命现象本质和生命过程规律的一门交叉科学 ；主要 研究遗传信息的传递（复制）、保持（损伤和修复）、 基因的表达（转录和翻译）与调控。
Cohen
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(2) 基因组研究的发展
目前分子生物学已经从研究单个基因发展到研 究生物基因组的结构与功能。
1977年Sanger测定了ΦX174-DNA全部5375个核 苷酸的序列；
1978年Fiers等测出SV-40DNA全部5224bp序列； 80年代λ噬菌体DNA全部48,502bp的序列全部测 出； 一些小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等 基因组的全序列也陆续被测定；
• 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。
朊病毒？10
• 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。
11
2 对蛋白质结构和功能的进一步认识
• 1956-1958 年 Anfinsen 和 White根据对酶蛋白的变性和 复性实验，提出蛋白质的三维空间结构是由其氨基酸 序列来确定的。
• 1958 年 Ingram 证明正常的血红蛋白与镰刀状红细胞 贫血病人的血红蛋白之间，肽链上仅有一个氨基酸残 基的差别，使人们对蛋白质的一级结构影响功能有了 深刻的印象。
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(1) 重组DNA技术的建立和发展
1967-1970年R.Yuan和H.O.Smith等发现的限制性核酸内切 酶为基因工程提供了有力的工具；
第一个实现DNA重组的人－Berg 1972年斯坦福大学的 Paul Berg 小组首次完成了体外重组实验：用E.coR Ⅰ切 割SV40 DNA和λ噬菌体DNA，经过连接组成重组的DNA 分子。(1980年诺贝尔化学奖)
SV40
14
l噬菌体
Paul Berg
第一个取得基因工程成功的人－Cohen
1973年，美国斯坦福大学的Cohen 组将 E. coli的tetr质粒psclol和neorsr Rb-3质粒 体外限制酶切割，连接成一个新的质 粒，转化E. coli，在含有四环素和新霉 素的平板上筛选出了tetrner，实现了细 菌遗传性状的转移。这是基因工程史 上的第一个克隆化并取得成功的例子， 由此宣告了基因工程的诞生，这一年 被定为基因工程诞生的元年。
1902年Emil Fisher证明蛋白质结构是多肽；
1950年Pauling和Corey提出了α-角蛋白的α-螺旋结 构模型。
1953年Sanger和Thompson完成了第一个多肽分 子——胰岛素A链和B链的氨基全序列分析。
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确定了生物遗传的物质基础是DNA
● 1865年，孟德尔发表了他的《植物杂交实验》一 文，首次阐述了生物界有规律的遗传现象-分离定 律和自由组合定律。“遗传因子 ”
19 世纪末 Buchner 兄弟证明酵母无细胞提取液能使糖发酵产生 酒精，第1次提出酶(enzyme)的名称，酶是生物催化剂。
20 世纪 20-40 年代提纯和结晶了一些酶（包括尿素酶、胃蛋 白酶、胰蛋白酶、黄酶、细胞色素C、肌动蛋白等），证明酶的 本质是蛋白质。
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对蛋白质一级结构和空间结构的认识