1、Welcome to Molecular Biology!第1頁人類對本身認識歷史第2頁人類了解自己歷史整體水平細胞水平分子水平器官水平第3頁 重點掌握分子生物學基本概念和基本理論。重點掌握分子生物學技術，為學位論文服務。 考評方式：考試學位課，70分，考查60分。平時成績(考查遲到、早退，課堂提問、討論、恪守課堂紀律等方面)占10%，期末考試占90%。 農(nóng)業(yè)與園林學院 分子生物學概論課程要求第4頁講課教師： 陳昌杰教授 夏俊教授 楊清玲教授第5頁緒 論分子生物學定義分子生物學發(fā)展簡史分子生物學教學內(nèi)容參考書目第6頁一、分子生物學定義從分子水平碩士物大分子結(jié)構(gòu)與功效從而說明生命現(xiàn)象本質(zhì)科學 ，

2、主要指遺傳信息傳遞（復制）、保持（損傷和修復）、基因表示（轉(zhuǎn)錄和翻譯）與調(diào)控。第7頁分子生物學與其它學科關系分子生物學是由生物化學、生物物理學、遺傳學、微生物學、細胞學、以及信息科學等多學科相互滲透、綜合融會而產(chǎn)生并發(fā)展起來，凝聚了不一樣專長科學家共同努力。它雖產(chǎn)生于上述各個學科，但已形成它獨特理論體系和研究伎倆，成為一個獨立學科。第8頁生物化學與分子生物學關系最為親密。二者同在我國教委和科委頒布一個二級學科中，稱為“生物化學與分子生物學”，但二者還是區(qū)分。 第9頁1 生物化學與分子生物學關系最為親密生物化學是從化學角度碩士命現(xiàn)象，著重碩士物體內(nèi)各種生物分子結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變與新陳代謝。分子生物學著重

3、說明生命本質(zhì)-主要碩士物大分子核酸與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功效、生命信息傳遞和調(diào)控。第10頁2 細胞生物學與分子生物學關系也十分親密傳統(tǒng)細胞生物學主要研究細胞和亞細胞器形態(tài)、結(jié)構(gòu)與功效。分子生物學則是從各個生物大分子結(jié)構(gòu)入手，深入研究各生物分子間高層次組織和相互作用，尤其是細胞整體反應分子機理。第11頁分子生物學：從分子水平了解生命活動細胞生物學：從細胞水平了解生命活動遺傳學： 從遺傳角度了解生命活動 生物化學：從化學組成角度來了解生物大分子和生物代謝。普通生物學（動物&植物）& 微生物學：不一樣生物類型特點。生物物理學：從物理學角度了解生物大分子結(jié)構(gòu)和功效。第12頁分子結(jié)構(gòu)生物學分子發(fā)育生物學分子神經(jīng)

4、生物學分子育種學分子腫瘤學分子細胞生物學分子免疫學分子病毒學分子生理學分子考古學分子數(shù)量遺傳學分子生態(tài)學分子進化學.分子生物學延伸分子生物學已經(jīng)滲透到生物學幾乎全部領域分子生物學已經(jīng)成為生命科學領域帶頭學科第13頁二、分子生物學發(fā)展簡史第14頁3 分子生物學發(fā)展歷程20世紀以核酸研究為關鍵，帶動著分子生物學向縱深發(fā)展DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)50s操縱子學說60sDNA重組70sPCR技術Add Your TextDNA測序80s90s第15頁1、孕育階段（18201950年代）1865年，孟德爾發(fā)表了植物雜交試驗，首次闡述了生物界有規(guī)律遺傳現(xiàn)象。“遺傳因子 ”19，孟德爾遺傳規(guī)律被證實，成為近代遺傳學

5、基礎。第16頁孟德爾(Gregor Mendel) (1822-1884):奧地利科學家，經(jīng)典遺傳學奠基人第17頁19，約翰遜依據(jù)希臘文“給予生命”之意，創(chuàng)造了基因（gene）一詞。約翰遜（Wilhelm Ludwig Johannsen，18571927）丹麥生物學家第18頁摩爾根(T.H.Morgan,1866-1945):美國試驗胚胎學家，遺傳學家19，Morgan染色體基因遺傳理論 第一次將基因定位于染色體上。深入將“性狀”與“基因”相耦聯(lián)，成為當代遺傳學奠基石。第19頁1、Avery肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化試驗DNA是遺傳信息載體；2、Hershey和Chase噬菌體侵染細菌試驗DNA是能夠進

6、入寄主細胞轉(zhuǎn)染因子。證實DNA是遺傳物質(zhì)兩個著名試驗：第20頁1944年，Avery肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化試驗，證實基因就是DNA分子，提出 DNA是遺傳信息載體。艾弗里（Oswald Theodore Avery，18771955 ）第21頁第22頁1952年，Hershey和Chase噬菌體侵染細菌試驗DNA是能夠進入寄主細胞轉(zhuǎn)染因子赫爾希（Alfred Day Hershey，19081997）美國微生物學家第23頁30%有32P標識，子代僅含不足1%原噬菌體蛋白質(zhì)第24頁1957年，Heinz Fraenkel-Conrat和B. Singre雜合病毒試驗證實RNA也是主要遺傳物質(zhì)煙草花葉病毒

7、感染和繁殖過程第25頁2、創(chuàng)建階段（19501970年代）1953年， 美國科學家Watson 和英國科學家Crick提出 DNA Double Helix model第26頁沃森（James Dewey Watson，1928）美國生物化學家克里克（Francis Harry Compton Crick，1916）英國生物物理學家威爾金斯（Maurice Wilkins，1916）弗蘭克林（Rosalind Franklin，19201958）第27頁 Wilkins經(jīng)過對DNA分子X射線衍射研究證實了前二者提出DNA模型。 1962年Watson、 Crick與Wilkins共享諾貝爾生理

8、醫(yī)學獎。第28頁1958年Crick提出中心法則第29頁1958年，Meselson 和Stahl證實 DNA半保留復制。StahlMeselson第30頁1959年，美籍西班牙裔科學家Uchoa和美國Kornberg發(fā)覺了DNA和RNA生物合成機理而分享了諾貝爾生理醫(yī)學獎。第31頁1961年，法國科學家Jacob（雅各布） 和Monod（莫諾）提出操縱子(operon)學說.第32頁1965年取得諾貝爾生理醫(yī)學獎第33頁1968年，Nirenberg、Holley和Khorana解讀了遺傳密碼及其在蛋白質(zhì)合成方面技能.1968年取得諾貝爾生理醫(yī)學獎第34頁1970年，Temin 和Balti

9、more在RNA腫瘤病毒中發(fā)覺逆轉(zhuǎn)錄酶。3、發(fā)展階段（1970年代以后）第35頁1975年，獲諾貝爾生理醫(yī)學獎第36頁1977年，Sanger等人創(chuàng)造了一個測定DNA分子內(nèi)核苷酸序列方法（雙脫氧鏈終止法）。 桑格(Sanger） 吉爾伯特( Gilbert） 伯格（Berg） 1980年，與Gilbert和Berg共享諾貝爾化學獎第37頁1983年，美國遺傳學家McClintoc發(fā)覺可移動遺傳因子(mobile element)。諾貝爾生理醫(yī)學獎第38頁皇家卡羅林醫(yī)學研究院第39頁1989年Altman、 Cech因發(fā)覺核酶（ Ribozyme）獲Nobel化學獎。1982年，Cech等四膜蟲

10、細胞大核期間26SrRNA前體含有自我剪接功效。1984年，Altman等RNaseP核酸組分M1RNA有該酶活性，蛋白質(zhì)部分C5并無酶活性。第40頁 Roberts & Sharp Splitting gene PCR technique & gene mutation in locusMullis & Smith第41頁 Gilman & Rodball G-protein as a signal molecular in cell Lewis & Nusslein-Volhard & Wieschaus Control gene of body developing in Drosoph

11、ilaNusslein-Volhard第42頁1997年，普魯西納發(fā)覺了朊病毒(prion)蓋達塞克普魯西納1997年，諾貝爾生理醫(yī)學獎第43頁1997，Wilmut成功取得克隆羊Dolly誕生第44頁年，人類基因組草圖繪制完成第45頁美國國家人類基因組研究所所長弗朗西斯柯林斯在介紹情況。第46頁年月日，人類基因組序列圖亦稱“完成圖”（99.99%），提前繪制成功。第47頁分子生物學教學內(nèi)容基因和基因組原核基因表示調(diào)控真核基因表示調(diào)控分子生物學技術細胞信號傳導原癌基因和抑癌基因基因工程第48頁必須掌握基礎理論細胞中遺傳物質(zhì)組成DNA結(jié)構(gòu)、復制、中心法則第49頁1.細胞中遺傳物質(zhì)組成原核生物核D

12、NA質(zhì)粒DNA真核生物核基因組細胞質(zhì)基因組線粒體DNA質(zhì)體DNA第50頁真核生物染色體結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋“串珠”“螺旋管”“袢環(huán)”“放射環(huán)”中期染色體一級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)“超螺旋管”四級結(jié)構(gòu)第51頁真核生物染色體組第52頁2. DNA結(jié)構(gòu)、復制、中心法則DNA結(jié)構(gòu)基本組成單位是核苷酸核苷酸由脫氧核糖、堿基和磷酸組成堿基分別是腺嘌呤 (A)、鳥嘌呤 (G)、胸腺嘧啶 (T)和胞嘧啶(C)兩個核苷酸以磷酸二酯鍵相連深入盤旋、折疊，形成三級 或四級結(jié)構(gòu)RNA：核糖、尿嘧啶(U)第53頁DNA(或RNA)是水溶性含有磷酸基因、羥基和氨基在核酸提取中，保留水相核酸是兩性電離,既帶正電荷，又帶負電荷等電

13、點(PI)為22.5,在中性溶液中帶負電荷核酸電泳時，點樣時應點在負極雜交時，最好選擇帶正電荷尼龍膜DNA(或RNA) 結(jié)構(gòu)啟示第54頁在解旋酶作用下，打開DNA雙鏈 在特定復制起始點以每條DNA鏈為模板在DNA聚合酶催化下以4種脫氧核苷酸為前體物，合成一條互補DNA鏈DNA復制半保留半不連續(xù)復制第55頁DNA 半 保 留 復 制第56頁合成新鏈方向為5-3端前導鏈是連續(xù)后隨鏈合成是不連續(xù)先合成RNA引物再合成不連續(xù)小片段(岡崎片段，1001000核苷酸長度)最終在DNA連接酶作用下，將小片段連接起，形成完整DNA鏈 DNA半不連續(xù)復制第57頁DNA 半 不 連 續(xù) 復 制第58頁PCR技術：

14、DNA體外復制體外無解旋酶，要靠溫度(90以上)解開雙鏈以DNA為模板，需要引物，需DNA聚合酶，需要dNTP為前體PCR與體內(nèi)DNA復制最大差異是溫度DNA復制啟示第59頁中心法則理論：遺傳信息傳遞是： DNARNA多肽(蛋白質(zhì))在逆轉(zhuǎn)錄酶作用下，RNA可形成cDNA，然后再由RNA蛋白質(zhì)中心法則第60頁RT中 心 法 則第61頁有意義鏈(sense/coding strand)：非模板鏈、信息鏈反意義鏈(antisense/template strand)：轉(zhuǎn)錄模板鏈以DNA一條鏈為模板，RNA聚合酶活性誘導RNA聚合酶識別并結(jié)合在轉(zhuǎn)錄起始位點以ATP、GTP、CTP和UTP為前體 合成(

15、轉(zhuǎn)錄)RNA當碰到轉(zhuǎn)錄終止信號時，轉(zhuǎn)錄即停頓轉(zhuǎn)錄(transcription) 以DNA分子中一條鏈為模板，合成RNA過程轉(zhuǎn)錄過程第62頁間接：剪切掉內(nèi)含子，將外顯子連接同一轉(zhuǎn)錄本，在不一樣組織，因剪接差異可產(chǎn)生不一樣mRNA.戴帽：在5-端加一特殊核苷酸：7-甲基鳥嘌呤核苷酸穿靴(多聚腺苷酸化，3-加尾)：3-端加上一串腺苷酸(AMP)poly(A)RNA編輯(RNA Edit)一些mRNA核苷酸序列,在生成轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物后還需插入、刪除或取代一些核苷酸殘基,方能生成含有正確翻譯功效模板,遺傳信息在mRNA水平上改變過程，稱為RNA編輯轉(zhuǎn)錄后加工(真核生物mRNA)第63頁只有mRNA才翻譯成蛋白

16、質(zhì)基因(DNA)上三個相鄰堿基組成一個密碼子在轉(zhuǎn)錄過程中，基因上三聯(lián)密碼子轉(zhuǎn)錄成mRNA上三聯(lián)密碼子mRNA由核內(nèi)轉(zhuǎn)移至細胞漿中核糖體上，以三聯(lián)密碼子指導合成蛋白質(zhì)翻譯后蛋白質(zhì)需要加工修飾 翻譯（Transtation）由RNA 蛋白質(zhì)過程第64頁中心法則啟示遺傳信息由DNA上基因決定mRNA更能準確反應DNA所攜帶遺傳信息 RT-PCR：以RNA為模板，在逆轉(zhuǎn)錄酶作用下形成cDNA 反轉(zhuǎn)錄時能夠mRNA3 poly(A)為模板設計引物能夠利用poly(A)對mRNA進行純化 基因表示有組織特異性，且受許多原因影響，mRNA表示增強、降低甚至關閉，會影響機體正常生理功效，所以，可經(jīng)過檢測mRN

17、A豐度檢測基因表示第65頁3.基因結(jié)構(gòu) 調(diào)整基因 結(jié)構(gòu)基因 I P O 抑制基因(I) ：是阻遏物編碼區(qū)開啟基因(P) ：有cAMP受體蛋白(CRP) 和RNA聚合酶結(jié)合位點操縱基因(O)：是阻遏物結(jié)合位點 ：-半乳糖苷酶結(jié)構(gòu)基因：透過酶結(jié)構(gòu)基因：轉(zhuǎn)乙酰酶結(jié)構(gòu)基因乳糖操縱子：原核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控經(jīng)典 第66頁真核生物基因結(jié)構(gòu)多數(shù)基因是單獨調(diào)控DNA結(jié)構(gòu)斷裂基因（split gene）編碼序列稱外顯子(exon)，編碼多肽鏈；非編碼序列稱為內(nèi)含子(Intron)側(cè)翼序列（Flanking sequence） ：第一個和最終一個外顯子外側(cè)不被轉(zhuǎn)錄區(qū)域；是基因調(diào)控序列，包含開啟子、增強子、終止子等第67

18、頁真核生物mRNA結(jié)構(gòu)mRNA結(jié)構(gòu)5 帽子結(jié)構(gòu)5 UTRCDS3 UTR3 poly(A)注意：開啟子啟始密碼子終止子終止密碼子第68頁DNA重組三個工具：內(nèi)切酶能特異地識別DNA堿基序列，并在DNA鏈當中將DNA切開重組載體，質(zhì)粒、噬菌體、病毒表示載體，細菌、細胞、組織4.DNA重組第69頁DNA重組普通步驟第70頁小結(jié)深入、清楚了解基礎理論，在以后學習才能夠分析、了解、處理所碰到問題遺傳物質(zhì)DNA、RNAIs it really clear？第71頁 基因與基因組結(jié)構(gòu)與功效分子生物學研究內(nèi)容最基礎最主要部分20世紀50年代以前：基因染色體遺傳學；20世紀50年代以后：基因分子生物學研究；最

19、近，重組DNA技術完善應用，從克隆目標基因出發(fā)，直接研究基因功效與表型關系，基因研究進入反向生物學階段。1928年摩爾根證實了染色體是遺傳基因載體，從而取得了生理醫(yī)學諾貝爾獎。 第72頁基因表示調(diào)控研究 轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控 翻譯水平調(diào)控-真核生物尤為復雜。上游調(diào)控序列；信號轉(zhuǎn)導；轉(zhuǎn)錄因子；RNA剪輯第73頁 DNA重組技術（基因工程）用于大量生產(chǎn)一些在正常細胞代謝中產(chǎn)量很低多肽，如激素、抗體等，降低成本；用于定向改造一些生物基因組結(jié)構(gòu)，使得其具備特殊功效更符合人類生活需要；是分子生物學基礎研究不可缺乏伎倆之一。第74頁分子生物學技術 PCR測序核酸雜交RNAimiRNA第75頁結(jié)構(gòu)分子生物學概念：碩

20、士物大分子特定空間結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)運動改變與其生物學功效關系科學。結(jié)構(gòu)測定結(jié)構(gòu)運動改變規(guī)律探索結(jié)構(gòu)與功效相互關系研究方向第76頁 基因診療與基因治療是基因工程在醫(yī)學領域發(fā)展一個主要方面。 1991年美國向一患先天性免疫缺點病（遺傳性腺苷脫氨酶ADA基因缺點）女孩體內(nèi)導入重組ADA基因。 我國也在1994年用導入人凝血因子IX基因方法成功治療了乙型血友病患者。在我國用作基因診療試劑盒已經(jīng)有近百種之多。基因診療和基因治療正在發(fā)展之中。 第77頁第78頁第79頁Lewin,B, Oxford University Press第80頁一些網(wǎng)站和論壇中國期刊全文數(shù)據(jù)庫維普漢字科技期刊愛思維爾(Elsevie

21、r Science)丁香園論壇(/bbs)中國生命科學論壇()第81頁生物大分子高級三維結(jié)構(gòu)與功效統(tǒng)一 生物大分子之間互作 基因社會學 基因表示，基因互作 器官發(fā)生胚胎形成個體發(fā)育 結(jié)構(gòu)生物學（Structural Biology） 分子發(fā)育生物學（Molecular Developing Biology） 4 分子生物學發(fā)展造成未來生物學新熱點及領域第82頁個體細胞分子還原論整體論細胞中定位細胞分化神經(jīng)基質(zhì)神經(jīng)通道信息傳遞大分子克隆一級結(jié)構(gòu)分析三維結(jié)構(gòu)重建思維感情記憶科學解釋分子細胞生物學 (Molecular Cell Biology)分子神經(jīng)生物學（Molecular Neurobiol

22、ogy）第83頁1986. Friend RB1第一個抑制癌基因被克隆 (Tumor Suppressor gene) 11個抑癌基因被證實 （P53, P21, ERBA, WT1,NF1 等） 1975. Bishop M. Src (Sarcoma肉瘤)癌基因證實 分子腫瘤學（Molecular Tumorology）第84頁人類基因組計劃（HGP）遺傳圖物理圖序列圖表示圖基因定位 基因克隆 基因轉(zhuǎn)移 基因分子生物學 比較基因組研究水稻等作物基因組計劃豬，牛等家畜基因組計劃中心法則深入研究與發(fā)展-基因組學（Genomics )第85頁 功效基因組學(Functional Genomics

23、 or postGenomics) 研究內(nèi)容包含基因功效發(fā)覺、基因表示分析及突變檢測。 大規(guī)模水平上研究蛋白質(zhì)特征，包含蛋白質(zhì)表示水平，翻譯后修飾，蛋白與蛋白相互等，由此取得蛋白質(zhì)水平上關于疾病發(fā)生，細胞代謝等過程整體而全方面認識。蛋白質(zhì)組學（Proteome）第86頁 分子生物學發(fā)展趨勢I功效基因組學functional genomicsII蛋白質(zhì)組學proteomicsIII生物信息學bioinformatics發(fā) 展 趨 勢第87頁概念：利用結(jié)構(gòu)基因組學提供信息，以大規(guī)模試驗方法及統(tǒng)計與計算機分析，全方面系統(tǒng)地分析全部基因功效學科。 分子生物學發(fā)展趨勢功效基因組學 functional genomics思索：一個或少數(shù)幾個基因功效分析方法？第88頁分子生物學發(fā)展趨勢批量(高通量)基因表示分析：3 同源性分析(homology searching)1 DNA芯片(DNA chips)2 基因表示系統(tǒng)分析(serial analysis of gene expression