醫學分子生物學

MedicalMolecularBiology

第一章緒論

Chapter1Introduction

4/23/202414/23/202422.分子生物學的研究內容1.分子生物學的定義4.分子生物學與醫學內容概要4/23/20243一、分子生物學的定義4/23/20244從整體水平到分子水平示意圖分子水平細胞水平整體水平生命科學的開展過程：4/23/20245生命科學的研究內容：生命物質的結構與功能，生物與生物之間及生物與環境之間相互關系。

生命科學的前沿領域：分子生物學、分子遺傳學、細胞生物學、發育生物學和神經生物學，而分子生物學是生命科學的核心前沿。

生命科學是研究生命現象和生命活動規律的一門綜合性學科。4/23/20246

分子生物學——從分子水平研究生命現象及其規律的一門新興學科。它是生命科學中開展最快并且與其他學科廣泛交叉和滲透的前沿領域。4/23/202474/23/20248現代分子生物學的建立4/23/20249DNA的X光衍射照片1952年5月拍攝羅沙琳德·弗蘭克林〔RosalindFranklin，1920－1958〕英國DNA雙螺旋結構模型的建立4/23/202410DNA雙螺旋結構模型的建立諾貝爾醫學與生理學獎1962年4/23/2024114/23/2024124/23/202413分子克隆(molecularcloning)

基因操作(genemanipulation)

基因克隆(genecloning)基因工程(geneengineering)4/23/202414分子醫學〔molecularmedicine〕：由于分子生物學滲透進入生物學和醫學的每一分支領域，全面推動了生命科學和醫學的各個方面的開展，如疾病的發病機理研究、疾病的診斷和治療，使醫學進入了一個嶄新的時代。4/23/202415?遺傳性狀改變或治療疾病可能從某一生物體的基因組中別離出某一特定功能基因，導入到另一種生物的基因組。

4/23/2024164/23/202417二、分子生物學的研究內容4/23/202418分子生物學的主要研究內容生物大分子的結構、功能，生物大分子之間的相互作用及其與疾病發生、開展的關系。4/23/202419

核酸的分子生物學主要研究核酸的結構及其功能。核酸的主要作用是攜帶和傳遞遺傳信息，因此形成了分子遺傳學。〔一〕核酸分子生物學：4/23/2024201.核酸的發現早在1868年，Miescher從膿細胞中別離出細胞核，用稀堿抽提再參加酸，得到了一種含氮和磷特別豐富的物質，當時稱其為核素〔nuclein〕。1872年，他又在鮭魚精子細胞核中發現了大量的這類物質。由于這類物質都是從細胞核中提取出來的，而且又是酸性，故稱其為核酸〔nucleicacid〕。FriedeichMiescher4/23/202421

自核酸被發現以來的相當長時期內，對它的生物學功能幾乎毫無所知。1928年(FrederickGriffith)以后，核酸功能研究取得了重大進展。4/23/202422In1928,anexperimentofFrederickGriffithusingpneumoniabacteriaandmice4/23/2024231952年，HersheyAD和ChaseM用35S和32p分別標記T2噬菌體的蛋白質和核酸，感染大腸桿菌。在大腸桿菌細胞內增殖的噬菌體中都只含有32P而不含35S,這說明噬菌體的增殖直接取決于DNA而不是蛋白質。2.核酸功能研究的重大進展1944年，AveryOT等首次證明肺炎雙球菌的DNA與其轉化和遺傳有關。4/23/202424In1952,AlfredHersheyandMarthaChasedidanexperimentwhichissosignificant,ithasbeennicknamedthe“Hershey-ChaseExperiment”.4/23/202425In1952,AlfredHersheyandMarthaChasedidanexperimentwhichissosignificant,ithasbeennicknamedthe“Hershey-ChaseExperiment”.4/23/202426TheMeselson-Stahlexperiment〔1958〕showedthatDNAisreplicatedsemi-conservativelyDNAsemi-conservativeduplication

3.DNA復制模型4/23/202427DNA復制模型4/23/2024281961年，Nirenberg、Ochoa以及Khorana等幾組科學家的共同努力，破譯了RNA上編碼合成蛋白質的遺傳密碼，證明DNA分子中的遺傳信息是以三聯密碼的形式貯存。

遺傳密碼在生物界具有通用性。4/23/2024294/23/2024304/23/2024314.中心法那么的建立

1958年，Crick提出了分子生物學的中心法那么〔centraldogma〕。中心法那么是分子遺傳學根本理論體系。4/23/2024324/23/2024331970年，Temin和Baltimore從雞Rous肉瘤病毒(Roussarcomavirus，RSV)顆粒中發現了以RNA為模板合成DNA的逆轉錄酶，進一步補充了遺傳信息傳遞的中心法那么。4/23/202434雙脫氧末端終止法:1977年，劍橋大學SangerF等創造。化學裂解法:美國MaxamI和GilbertW創造。4/23/2024354/23/202436

對DNA片段的一級結構進行分析，導致一系列重大發現：4.從cDNA序列推導出蛋白質的一級結構；

1.斷裂基因(splitgene)的發現，證明真核細胞的基因不是連續的DNA片段；2.前體mRNA分子的拼接，去除內含子序列，連接成成熟mRNA；3.發現單基因遺傳病的基因結構的變異；5.根據DNA序列合成基因，并與載體連接，使之在細菌中表達，合成活性蛋白質，開創了基因工程。4/23/2024376.基因的人工合成1978年體外首次成功地人工合成第一個完整基因。直接證實了MendelG在1865年發現的遺傳因子(基因)的化學本質，就是DNA分子。DNA分子是多種多樣生命現象的物質根底。4/23/2024387.基因組研究的進展基因組〔genome〕:一個物種遺傳信息的總和。基因結構與功能研究已經從單個基因開展到生物體整個基因組。基因組研究已從簡單的低等生物到真核生物，從多細胞生物到人類。4/23/202439

1977年:Sanger測定了ΦX174DNA全部5375bp核苷酸序列；

1978年:Fiers等測出環狀SV40DNA全部5243bp核苷酸序列；1980年代:λ噬菌體DNA全部48502堿基對的序列被測出；一些小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因組的全序列也陸續被測定;1996年底:大腸桿菌基因組DNA的全部序列長4×106堿基對；

1996年底:完成了真核生物酵母〔Saccharomyceserevisiae〕的基因組全序列測定；1998年底:長達100Mb的線蟲的基因組序列測定也已全部完成。這是第一個完成的多細胞生物體的全基因組序列測定。4/23/202440人類基因組方案〔humangenomeproject,HGP〕美國科學家、諾貝爾獎獲得者DulbeccoR于1986年在美國?Science?雜志上發表的短文中率先提出，并認為這是加快癌癥研究進程的一條有效途徑。主要的目標是繪制遺傳連鎖圖、物理圖、轉錄圖，并完成人類基因組全部核苷酸序列測定。測出人體細胞中24條染色體上全部30億對核苷酸的序列，把所有人類基因都明確定位在染色體上，破譯人類的全部遺傳信息。HGP是人類自然科學史上與曼哈頓原子彈方案和阿波羅登月方案相媲美的偉大科學工程。4/23/202441研究結果說明，人類基因數量僅有3萬個左右，比此前估計的要少得多。通過研究還發現男女可能存在巨大遺傳差異，男性染色體減數分裂的突變率是女性的兩倍。在已經分析的序列中，找到很多與遺傳病有關的基因，包括乳腺癌、遺傳性耳聾、中風、癲癇癥、糖尿病和各種骨骼異常的基因。4/23/202442

8.基因表達調控機制的研究

1961年，Jacob和Monod提出操縱子學說，認識了原核生物基因表達調控的一些規律。

80年代開始，人們逐步認識到真核基因組結構和調控的復雜性。真核基因的順式調控元件與反式作用因子、核酸與蛋白質間的分子識別與相互作用。小分子反義RNA、核酶、siRNA等。4/23/202443〔二〕蛋白質分子生物學：

DNA→儲存生命活動的各種信息。

蛋白質→生命活動的執行者。蛋白質的分子生物學主要研究蛋白質的結構與功能。4/23/202444蛋白質結構與功能的研究進展

1956年，Anfinsen和White根據對酶蛋白的變性和復性實驗，提出蛋白質的三維空間結構是由其氨基酸序列來確定的。1958年，Ingram證明正常的血紅蛋白與鐮狀細胞溶血癥病人的血紅蛋白之間，在其亞基的肽鏈上僅有一個氨基酸殘基的差異。中國科學家在1965年人工合成了牛胰島素；1973年又用1.8AX射線衍射分析法測定了牛胰島素的空間結構。4/23/202445構成生物體的每一個細胞的分裂與分化及其他各種生物學功能，均依賴于外界環境所產生的各種信號。在這些外源信號的刺激下，細胞可以將這些信號通過第二信使轉變成一系列的生物化學變化。主要研究內容：研究細胞內、細胞間信息傳遞的分子根底。說明這些變化的分子機制，明確每一條信號轉導途徑及參與該途徑的所有分子間的相互作用和調節方式。〔三〕細胞信號轉導機制研究4/23/202446

1965年又提出第二信使學說。

1977年，Ross等用重組實驗證實G蛋白的存在和功能，將G蛋白與腺苷環化酶的作用聯系起來。癌基因、抑癌基因和酪氨酸蛋白激酶的發現及其結構與功能的深入研究，使得細胞信號轉導的研究有了很大的進展。

1957年，Sutherland發現了cAMP。4/23/2024474/23/2024484/23/2024494/23/202450

釀酒、制醋、制酪、面包發酵；人畜排泄物循環利用；動、植物雜交育種，嫁接等。4/23/2024514/23/2024524/23/2024534/23/202454

用轉基因動物獲取治療人類疾病的重要蛋白質。如，導入了凝血因子Ⅸ基因的轉基因綿羊分泌的乳汁中含有豐富的凝血因子Ⅸ，能有效地用于血友病的治療。

轉基因動物和基因剔除動物4/23/202455

在轉基因植物方面取得重大進展，比普通西紅柿保鮮時間更長的轉基因西紅柿投放市場。轉基因玉米、轉基因大豆相繼投入商品生產。我國科學家將蛋白酶抑制劑基因轉入棉花，獲得抗棉鈴蟲的棉花株。

轉基因植物和轉基因食品4/23/202456四、分子生物學與醫學4/23/2024571.從機體表型來認識疾病,即根據現象和檢查所獲知的病癥與體征。2.從組織細胞的病理、生理變化來分析和診斷疾病。使人類積累了十分豐富的醫學資料。但都不能從本質上真正認識疾病發生的根本原因，更不能從根本上治愈疾病和說明疾病的發病機制。人類對疾病的認識：4/23/202458現代分子生物學已經對醫學的各個領域產生了全面而深刻的影響，并逐步形成了一系列以分子冠名的交叉學科。

如分子遺傳學、分子免疫學、分子病理學、分子血液學、分子腫瘤學、分子病毒學、分子流行病學等。4/23/202459由于分子生物學的開展和滲透，各種生理和病理現象都可能從基因水平找到答案。腫瘤發生與癌基因和腫瘤抑制基因。說明生物機體各種各樣的生命現象及生理和病理表現，幾乎無一不與基因有關。藥物的耐藥性與抗藥基因。4/23/202460由于分子生物學在醫學上的不斷滲透和影響，導致根底醫學和臨床醫學從基因水平來探討多種多樣的生命現象，基因診斷和基因治療的開展是分子生物學在醫學領域中應用的典范。4/23/202461〔一〕分子生物學在根底醫學中的應用根底醫學是整個醫學科學的基石，分子生物學不僅是生命科學的前沿，也是整個根底醫學的前沿。今后總的開展趨勢仍然是分子生物學向醫學，特別是根底醫學廣泛交叉、滲透和影響。4/23/2024621.對人的生理功能和疾病機制的研究,已由整體水平、器官水平進入到細胞和分子水平；對生命的了解，由外表現象觀察進入了本質的探討。4/23/2024632.根底醫學中不斷出現新的邊緣學科，如分子生理學、分子藥理學、分子病理學、分子遺傳學、分子免疫學、分子病毒學、分子腫瘤學、分子神經生物學等等。4/23/2024643.傳統上按“形態〞和“機能〞來進行根底醫學各個學科劃分的界限已日益模糊,出現了各學科在分子水平上進行整合的趨勢。4/23/202465

4.開始改變傳統生物學的研究方法和策略，形成了直接從基因水平入手,研究基因型和表型的相互關系。4/23/202466〔二〕分子生物學在病理學中的應用由于分子生物學向病理學的滲透,出現“分子病理學〞這樣一個新學科。4/23/202467〔三〕基因診斷4/23/2024684/23/2024691985年，MullisK首創。體外模擬細胞內DNA復制過程，進行體外基因擴增。4/23/