一、現(xiàn)代分子生物學(xué)史中的主要里程碑

孟德爾的遺傳學(xué)規(guī)律最先使人們對性狀遺傳產(chǎn)生了理性認(rèn)識，而Morgan的基因?qū)W說則進(jìn)一步將“性狀”與“基因”相耦聯(lián)，成為分子遺傳學(xué)的奠基石。

GregorMendel

(1822-1884).

TheFatherofGenetics1910年，德國科學(xué)家Kossel第一個分離了腺嘌呤，胸腺嘧啶和組氨酸。1959年，美國科學(xué)家Uchoa第一次合成了核糖核酸，實現(xiàn)了將基因內(nèi)的遺傳信息通過RNA翻譯成蛋白質(zhì)的過程。同年，Kornberg實現(xiàn)了試管內(nèi)細(xì)菌細(xì)胞中DNA的復(fù)制。1962年，Watson和Crick因為在1953年提出DNA的反向平行雙螺旋模型而與Wilkins共獲Noble生理醫(yī)學(xué)獎，后者通過X射線衍射證實了Watson-Crick模型。Watson和Crick所提出的脫氧核糖酸雙螺旋模型，為充分揭示遺傳信息的傳遞規(guī)律鋪平了道路。1965年，法國科學(xué)家Jacob和Monod提出并證實了操縱子（operon）作為調(diào)節(jié)細(xì)菌細(xì)胞代謝的分子機(jī)制.他們還推測存在一種與DNA序列相互補(bǔ)、能將它所編碼的遺傳信息帶到蛋白質(zhì)合成場所并翻譯產(chǎn)生蛋白質(zhì)的mRNA（信使核糖核酸）.1972年，PaulBerg（美）第一次進(jìn)行了DNA重組.1977年，Sanger和Gilbert（英）第一次進(jìn)行了DNA序列分析.1987年，McClintock由于在50年代提出并發(fā)現(xiàn)了可移動遺傳因子（jumpinggene或稱mobileelement）而獲得Nobel獎。BarbraMcClintock1993年，美國科學(xué)家Roberts和Sharp因發(fā)現(xiàn)斷裂基因（introns）而獲得Nobel獎；Mullis由于發(fā)明PCR儀而與加拿大學(xué)者Smith（第一個設(shè)計基因定點突變）共享Nobel化學(xué)獎。此外，Griffith（1928）及Avery（1944）等人關(guān)于致病力強(qiáng)的光滑型（S型）肺炎鏈球菌DNA導(dǎo)致致病力弱的粗糙型（R型）細(xì)菌發(fā)生遺傳轉(zhuǎn)化的實驗;Hershey和Chase（1952）關(guān)于DNA是遺傳物質(zhì)的實驗;Crick于1954年所提出的遺傳信息傳遞規(guī)律（即中心法則）；Meselson和Stahl（1958）關(guān)于DNA半保留復(fù)制的實驗;Yanofsky和Brener（1961）年關(guān)于遺傳密碼三聯(lián)子的設(shè)想都為分子生物學(xué)的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。我國生物科學(xué)家吳憲20世紀(jì)20年代與汪猷、張昌穎等人一道完成了蛋白質(zhì)變性理論、血液生化檢測和免疫化學(xué)等一系列有重大影響的研究。20世紀(jì)中下葉，我國科學(xué)家相繼實現(xiàn)了人工全合成有生物學(xué)活性的結(jié)晶牛胰島素，解出了三方二鋅豬胰島素的晶體結(jié)構(gòu)，采用有機(jī)合成與酶促相結(jié)合的方法完成了酵母丙氨酸轉(zhuǎn)移核糖核酸的人工全合成。二、分子生物學(xué)的主要研究內(nèi)容與基本定理分子生物學(xué)是研究核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子的形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征及其重要性、規(guī)律性和相互關(guān)系的科學(xué)，是人類從分子水平上真正揭示生物世界的奧秘，由被動適應(yīng)自然界轉(zhuǎn)向主動地改造和重組自然界的基礎(chǔ)學(xué)科。二、分子生物學(xué)的主要研究內(nèi)容與基本定理主要研究內(nèi)容：一切生物體中的各類有機(jī)大分子都是由完全相同的單體，如蛋白質(zhì)分子中的20種氨基酸、DNA及RNA中的8種堿基所組合而成的。DNA重組技術(shù)(基因工程)基因表達(dá)調(diào)控(核酸生物學(xué))生物大分子結(jié)構(gòu)功能(結(jié)構(gòu)分子生物學(xué))基因組、功能基因組與生物信息學(xué)研究基本定理：

1.構(gòu)成生物體有機(jī)大分子的單體在不同生物中都是相同的；2.生物體內(nèi)一切有機(jī)大分子的建成都遵循著各自特定的規(guī)則；3.某一特定生物體所擁有的核酸及蛋白質(zhì)分子決定了它的屬性。1、DNA重組技術(shù)是20世紀(jì)70年代初興起的技術(shù)科學(xué)，目的是將不同DNA片段（基因或基因的一部分）按照人們的設(shè)計定向連接起來，在特定的受體細(xì)胞中與載體同時復(fù)制并得到表達(dá)，產(chǎn)生影響受體細(xì)胞的新的遺傳性狀。DNA重組技術(shù)是核酸化學(xué)、蛋白質(zhì)化學(xué)、酶工程及微生物學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞學(xué)長期深入研究的結(jié)晶，而限制性內(nèi)切酶DNA連接酶及其他工具酶的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用則是這一技術(shù)得以建立的關(guān)鍵。通過DNA連接酶把不同的DNA片段連接成一個整體。a.DNA的粘性末端;b.DNA的平末端;c.化學(xué)合成的具有EcoRI粘性末端的DNA片段。

重組DNA操作過程示意圖

根癌土壤農(nóng)桿菌（Agrobaoteriumtumefaciens）侵染植物細(xì)胞后能將其Ti（tumorinducing）質(zhì)粒上的一段DNA（T-DNA）插入到被侵染細(xì)胞的基因組，并能穩(wěn)定地遺傳給后代，植物的遺傳轉(zhuǎn)化(植物基因工程)技術(shù)隨之得到迅速發(fā)展。DNA重組技術(shù)的應(yīng)用：大量生產(chǎn)某些正常細(xì)胞代謝中產(chǎn)量很低的多肽，如激素、抗生素、酶類及抗體等，提高產(chǎn)量，降低成本。定向改造某些生物的基因組結(jié)構(gòu)、使它們所具有的特殊經(jīng)濟(jì)價值或功能得以成百上千倍地提高。進(jìn)行基礎(chǔ)研究。2、基因表達(dá)調(diào)控研究

蛋白質(zhì)分子控制了細(xì)胞的一切代謝活動，而決定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和合成時序的信息都由核酸（主要是脫氧核糖核酸）分子編碼，所以，基因表達(dá)實質(zhì)上就是遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程。3、結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)研究

三維結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動規(guī)律，研究生物大分子特定的空間結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的運(yùn)動變化與其生物學(xué)功能的關(guān)系。X射線衍射的晶體學(xué)（又稱蛋白質(zhì)晶體學(xué)）二維和多維核磁共振法液相結(jié)構(gòu)電鏡三維重組、電子衍射、中子衍射和各種頻譜學(xué)方法研究生物高分子的空間結(jié)構(gòu)。一個生物大分子，無論是核酸、蛋白質(zhì)或多糖，在發(fā)揮生物學(xué)功能時，必須具備兩個前提：1．擁有特定的空間結(jié)構(gòu)（三維結(jié)構(gòu)）；2．在它發(fā)揮生物學(xué)功能的過程中必定存在著結(jié)構(gòu)和構(gòu)象的變化。4、基因組、功能基因組與生物信息學(xué)研究2001年2月，Nature和Science同時發(fā)表了人類基因組全序列。已有數(shù)十種生物基因組被基本破譯。測定基因組序列只是了解基因的第一步，在基因組計劃的基礎(chǔ)上提出了蛋白質(zhì)組計劃（又稱后基因組計劃或功能基因組計劃），旨在快速、高效、大規(guī)模鑒定基因的產(chǎn)物和功能。生物信息學(xué)依靠計算機(jī)快速高效運(yùn)算并進(jìn)行統(tǒng)計分離和結(jié)果功能預(yù)測。三、證明DNA就是遺傳物質(zhì)的主要歷史事件

多少年來，人們反復(fù)提出的幾個與一切生命現(xiàn)象有關(guān)的問題：1.生命是怎樣起源的？2.為什么“有其父必有其子”？3.動、植物個體是怎樣從一個受精卵發(fā)育而來的？1847年，Schleiden和Schwann提出“細(xì)胞學(xué)說”，證明動、植物都由細(xì)胞組成。孟德爾在1857年到1864年間，用產(chǎn)生圓形種子的豌豆同產(chǎn)生皺皮種子的植株雜交，得到幾百粒全是圓形的F1代種子。第二年，他種植了253粒F1圓形種子并進(jìn)行自交，得到7324粒F2種子，其中5474粒圓形，1850粒皺皮，圓皺比為3:1。用黃色圓形豌豆與綠色皺皮豌豆做雜交，發(fā)現(xiàn)F1種子全是黃色圓形的。自交產(chǎn)生556粒F2代種子中，黃色圓形315粒，黃色皺皮121，綠色圓形108，綠色皺皮32。四種類型接近于9:3:3:1。綠?黃×圓?皺

F2代=9:3:3:1孟德爾總結(jié)出生物遺傳的兩條基本規(guī)律：第一，當(dāng)兩種不同植物雜交時，它們的下一代可能與親本之一完全相同，他把這一現(xiàn)象稱為統(tǒng)一律。孟德爾認(rèn)為，生物的每一種性狀都是由遺傳因子控制的，這些因子可以從親代到子代，代代相傳。遺傳因子在體細(xì)胞內(nèi)是成對存在的，一個來自父本，一個來自母本，只有在形成配子時單獨存在。有些遺傳因子以顯性（dominant）形式存在，能在雜種一代得到表達(dá)；有些因子呈隱性（recessive）狀態(tài)，只有當(dāng)父、母本同時含有這一因子時，才得到表現(xiàn)。第二，將不同植物品種雜交后的F1代種子再進(jìn)行雜交或自交時，下一代就會按照一定的比例發(fā)生分離，因而具有不同的形式，他把這一現(xiàn)象稱為分離規(guī)律。在孟德爾遺傳學(xué)基礎(chǔ)上，Morgan又提出了基因?qū)W說。1910年，Morgan和他的助手們發(fā)現(xiàn)了第一只白眼雄果蠅，稱為突變型。正常情況下，果蠅都是紅眼的，稱為野生型。Morgan將白眼雄果蠅與紅眼雌果蠅交配，所產(chǎn)生的F1代不論雌雄，全為紅眼果蠅（孟德爾的統(tǒng)一規(guī)律?。?。這些F1果蠅互相交配所產(chǎn)生的F2有紅眼也有白眼，但所有白眼果蠅都是雄性的，說明該性狀與性別有聯(lián)系。Morgan的這一連鎖遺傳規(guī)律與孟德爾的遺傳性狀獨立分離規(guī)律是背道而馳的！當(dāng)所研究的兩個基因位于同一染色體上而又距離較近時，Morgan的連鎖遺傳規(guī)律起主導(dǎo)作用。當(dāng)所研究的兩個基因位于不同染色體上時，孟德爾的獨立分離規(guī)律起主導(dǎo)作用。1928年，英國科學(xué)家Griffith等人發(fā)現(xiàn)，具有光滑外表的S型肺炎鏈球菌能使小鼠發(fā)病，具有粗糙外表的R型細(xì)菌沒有致病力。莢膜多糖能保護(hù)細(xì)菌免受動物白細(xì)胞的攻擊。首先用實驗證明基因就是DNA分子的是美國著名的微生物學(xué)家Avery。他首先將光滑型致病菌（S型）燒煮殺滅活性以后再侵染小鼠，發(fā)現(xiàn)這些死細(xì)菌自然喪失了致病能力。圖：DNA是轉(zhuǎn)化源解剖死鼠，發(fā)現(xiàn)有大量活的S型細(xì)菌。他們推測，死細(xì)菌中的某一成分——轉(zhuǎn)化源（transformingprinciple）將無致病力的細(xì)菌轉(zhuǎn)化成病原細(xì)菌。進(jìn)一步的實驗表明，DNA就是轉(zhuǎn)化源。死細(xì)菌DNA指導(dǎo)了這一可遺傳的轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致了小鼠死亡。Avery等人的工作樹立了遺傳學(xué)理論上全新的觀點——DNA是遺傳信息的載體。美國冷泉港卡內(nèi)基遺傳學(xué)實驗室科學(xué)家Hershey和他的學(xué)生Chase在1952年從事噬菌體侵染細(xì)菌的實驗。噬菌體專門寄生在細(xì)菌體內(nèi)，它的頭、尾外部都是由蛋白質(zhì)組成的外殼，頭內(nèi)主要是DNA。噬菌體侵染細(xì)菌的主要過程如下：①噬菌體尾部的末端（基片、尾絲）吸附在細(xì)菌表面；②噬菌體通過尾軸把DNA全部注入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，噬菌體的蛋白質(zhì)外殼則留在細(xì)胞外面；③利用細(xì)菌的生命過程合成噬菌體自身的DNA和蛋白質(zhì)；④用新合成的DNA和蛋白質(zhì)組裝成與親代完全相同的子噬菌體；⑤細(xì)菌解體，釋放子代噬菌體，侵染其他細(xì)菌。T2噬菌體用32P標(biāo)記DNA用35S標(biāo)記蛋白

如果侵染細(xì)菌后讓噬菌體復(fù)制一代，那么，新生代噬菌體中50%的DNA鏈上帶有32P標(biāo)記，而噬菌體總蛋白中只有不到1%仍帶有35S標(biāo)記。

侵染細(xì)菌后立即收集噬菌體，可得到70%32P標(biāo)記的DNA，但只能得到20%標(biāo)記的蛋白質(zhì)。

那么，DNA到底是什么樣的呢？Avery在1944年的報告中這樣寫道：當(dāng)溶液中酒精的體積達(dá)到9/10時，有纖維狀物質(zhì)析出；如稍加攪動，這種物質(zhì)便會像棉線繞在線軸上一樣繞在硬棒上，溶液中的其他成分則以顆粒狀沉淀留在下面。溶解纖維狀物質(zhì)并重復(fù)沉淀數(shù)次，可提高其純度。這一物質(zhì)具有很強(qiáng)的生物學(xué)活性，初步實驗證實它很可能就是DNA（誰能想到！）。對DNA分子的物理化學(xué)研究導(dǎo)致了現(xiàn)代生物學(xué)翻天覆地的革命，這更是Avery所沒有想到的！四、分子生物學(xué)展望在不同層次水平上研究生物：宏觀和微觀；分子、細(xì)胞、個體、群體水平。學(xué)科相互滲透。分子生物學(xué)研究影響許多學(xué)科的發(fā)展：細(xì)胞生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、遺傳學(xué)、分類和進(jìn)化、發(fā)育生物學(xué)等。二十一世紀(jì)的生物學(xué)將是真正的系統(tǒng)生物學(xué)，是生物學(xué)范圍內(nèi)所有學(xué)科在分子水平上的統(tǒng)一。功能基因組學(xué)：是應(yīng)用基因組學(xué)的知識和工具來了解影響發(fā)育和整個生物體的特定序列表達(dá)譜。蛋白質(zhì)組學(xué)：一個基因組所表達(dá)的全部蛋白質(zhì)；或細(xì)胞內(nèi)的全部蛋白質(zhì)。在特定時間、特定環(huán)境和實驗條件下基因組活躍表達(dá)的蛋白質(zhì)，稱為功能蛋白質(zhì)組學(xué)。生物信息學(xué)：利用數(shù)據(jù)庫、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件等對DNA和蛋白質(zhì)序列資料中各類信息進(jìn)行識別、存儲、分析、模擬和傳輸?shù)囊婚T科學(xué)。本章參考文獻(xiàn)Watson&Crick,Nature171,964-967,1953Wilkinsetal.,Nature171,738-740,1953Wa