1、分子生物學發展史20102010級研究生級研究生張張 海海 軍軍一、分子生物學的基本含義一、分子生物學的基本含義 二、分子生物學的主要研究內容二、分子生物學的主要研究內容 三、分子生物學發展簡史三、分子生物學發展簡史 四、分子生物學的發展趨勢四、分子生物學的發展趨勢 1 1、定義、定義 從分子水平研究生命本質的一門新興邊緣學科從分子水平研究生命本質的一門新興邊緣學科2 2、研究對象、研究對象 核酸和蛋白質等生物大分子的結構及其在遺傳核酸和蛋白質等生物大分子的結構及其在遺傳 信息和細胞信息傳遞中的作用信息和細胞信息傳遞中的作用分子水平？分子水平？l分子量大分子量大l由簡單的小分子組成由簡單的小分

2、子組成l復雜的空間結構復雜的空間結構3 3、主要任務、主要任務 闡明生物大分子的結構及結構與功能的關系闡明生物大分子的結構及結構與功能的關系1 1、核酸的分子生物學、核酸的分子生物學 研究核酸的結構及其功能。研究核酸的結構及其功能。 中心法則是其理論體系的核心中心法則是其理論體系的核心2 2、蛋白質的分子生物學、蛋白質的分子生物學 蛋白質的結構與功能蛋白質的結構與功能3 3、細胞信號轉導的分子生物學、細胞信號轉導的分子生物學 細胞內、細胞間信息傳遞的分子基礎細胞內、細胞間信息傳遞的分子基礎l生命是怎樣起源的？生命是怎樣起源的？l為什么為什么“有其父必有其子有其父必有其子”？l動、植物個體是怎樣

3、從一個受精卵發育而來的？動、植物個體是怎樣從一個受精卵發育而來的？ 施旺和施萊登的細胞學說施旺和施萊登的細胞學說達爾文的進化論達爾文的進化論孟德爾遺傳定律孟德爾遺傳定律摩根的染色體學說摩根的染色體學說 細胞學說細胞學說人人 物物主要著作及成就主要著作及成就達爾文達爾文(1809-(1809-1882)1882) 18591859年年物種起物種起源源一書的出版標一書的出版標志著生物進化論的志著生物進化論的誕生，提出誕生，提出“物競物競天擇，適者生存天擇，適者生存”。達爾文的進化論達爾文的進化論人人 物物主要著作及成就主要著作及成就孟德爾孟德爾(1822-1884)(1822-1884) 1857

4、1857年開始做豌豆雜交年開始做豌豆雜交遺傳實驗，遺傳實驗，18661866年出版年出版植物雜交的試驗植物雜交的試驗，提，提出生物形狀是可以遺傳的，出生物形狀是可以遺傳的，并且這些性狀在后代可以并且這些性狀在后代可以自由組合。自由組合。孟德爾的孟德爾的遺傳定律遺傳定律 豌豌 豆豆孟德爾選擇了豌豆作為遺傳試驗材料孟德爾選擇了豌豆作為遺傳試驗材料1.1.豌豆豌豆 自花傳粉自花傳粉閉花受粉閉花受粉自然狀態下，自然狀態下，一般是純種一般是純種2. 2. 具有易區分的性狀具有易區分的性狀 豌豆花大，易于做豌豆花大，易于做人工異花傳粉實驗人工異花傳粉實驗子房子房柱頭柱頭花柱花柱雌蕊雌蕊花藥花藥花絲花絲雄蕊

5、雄蕊人工異花授粉示意圖人工異花授粉示意圖1 1、去雄、去雄2 2、套袋隔離、套袋隔離3 3、人工授粉、人工授粉4 4、套袋隔離、套袋隔離花大，便于人工授粉花大，便于人工授粉5 5、采集種子栽培、采集種子栽培收集數據收集數據（未成熟時）（未成熟時）（成熟時）（成熟時）一種生物的同一性狀的不同表現類型。一種生物的同一性狀的不同表現類型。性狀性狀 ：指生物體的形態特征或生理特征。指生物體的形態特征或生理特征。 孟德爾在孟德爾在18571857年到年到18641864年間，用產生圓形種子年間，用產生圓形種子的豌豆同產生皺皮種子的植株雜交，得到幾百粒全的豌豆同產生皺皮種子的植株雜交，得到幾百粒全是圓形的

6、是圓形的F F1 1代種子。代種子。 第二年，他種植了第二年，他種植了253253粒粒F F1 1圓形種子并進行自交圓形種子并進行自交，得到，得到73247324粒粒F F2 2種子，其中種子，其中54745474粒圓形，粒圓形，18501850粒皺粒皺皮，圓皺比為皮，圓皺比為3:13:1。孟德爾的孟德爾的遺傳定律遺傳定律 用黃色圓形豌豆與綠色皺皮豌豆做雜交，發用黃色圓形豌豆與綠色皺皮豌豆做雜交，發現現F F1 1種子全是黃色圓形的。種子全是黃色圓形的。 自交產生自交產生556556粒粒F F2 2代種子中，黃色圓形代種子中，黃色圓形315315粒，粒，黃色皺皮黃色皺皮121121，綠色圓形，

7、綠色圓形108108，綠色皺皮，綠色皺皮3232。 四種類型接近于四種類型接近于9:3:3:19:3:3:1。綠綠 黃黃 圓圓 皺皺F2代代=9:3:3:1 孟德爾總結出生物遺傳的兩條基本規律：孟德爾總結出生物遺傳的兩條基本規律： 第一，當兩種不同植物雜交時，它們的下一代可第一，當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，他把這一現象稱為統一律。能與親本之一完全相同，他把這一現象稱為統一律。 孟德爾認為，生物的每一種性狀都是由遺傳因子孟德爾認為，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。遺傳因子在體細胞

8、內是成對存在的，一個來自父本，一傳因子在體細胞內是成對存在的，一個來自父本，一個來自母本，只有在形成配子時單獨存在。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（有些遺傳因子以顯性（dominantdominant）形式存在，）形式存在，能在雜種一代得到表達；有些因子呈隱性能在雜種一代得到表達；有些因子呈隱性（recessiverecessive）狀態，只有當父、母本同時含有這一）狀態，只有當父、母本同時含有這一因子時，才得到表現。因子時，才得到表現。 第二，將不同植物品種雜交后的第二，將不同植物品種雜交后的F F1 1代種子再進代種子再進行雜交或自交時，下一代就會按照一定的比例

9、發行雜交或自交時，下一代就會按照一定的比例發生分離，因而具有不同的形式，他把這一現象稱生分離，因而具有不同的形式，他把這一現象稱為分離規律。為分離規律。歸納綜合，總結規律分析問題，提出假說觀察實驗，發現問題設計實驗，驗證假說年代年代人人 物物主要著作及成就主要著作及成就19151915摩爾根摩爾根(1866-1945)(1866-1945) 與他的學生等與他的學生等人發表人發表孟德爾遺傳孟德爾遺傳機 理機 理 ， 后 又 發 表， 后 又 發 表遺傳的物質基礎遺傳的物質基礎和和基因論基因論，系統，系統地闡述基因學說和染地闡述基因學說和染色體理論，論證了基色體理論，論證了基因是染色體上分立的因是

10、染色體上分立的遺傳單位。遺傳單位。正常的紅眼果蠅正常的紅眼果蠅突變的白眼果蠅突變的白眼果蠅在孟德爾遺傳學基礎上，在孟德爾遺傳學基礎上，MorganMorgan又提出了基又提出了基因學說。因學說。 19101910年，年，MorganMorgan和他的助手們發現了第一只和他的助手們發現了第一只白眼雄果蠅，稱為白眼雄果蠅，稱為突變型突變型。正常情況下，果蠅都。正常情況下，果蠅都是紅眼的，稱為是紅眼的，稱為野生型野生型。MorganMorgan將白眼雄果蠅與將白眼雄果蠅與紅眼雌果蠅交配，所產生的紅眼雌果蠅交配，所產生的F1F1代不論雌雄，全為代不論雌雄，全為紅眼果蠅（孟德爾的統一規律?。?。紅眼果蠅（

11、孟德爾的統一規律?。?。 這些這些F1F1果蠅互相交配所產生的果蠅互相交配所產生的F2F2有紅眼也有白有紅眼也有白眼，但所有白眼果蠅都是雄性的，說明該性狀眼，但所有白眼果蠅都是雄性的，說明該性狀與性別有聯系。與性別有聯系。 MorganMorgan的這一連鎖遺傳規律與孟德爾的遺傳性的這一連鎖遺傳規律與孟德爾的遺傳性狀獨立分離規律是狀獨立分離規律是“背道而馳背道而馳”的！的！ 當所研究的兩個基因位于同一染色體上而又距離當所研究的兩個基因位于同一染色體上而又距離較近時，較近時，MorganMorgan的連鎖遺傳規律起主導作用。的連鎖遺傳規律起主導作用。 當所研究的兩個基因位于不同染色體上時，孟德當所

12、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律起主導作用。爾的獨立分離規律起主導作用。 達爾文的進化論，施旺和施萊登的細胞學說以及孟達爾文的進化論，施旺和施萊登的細胞學說以及孟德爾遺傳定律和摩根的染色體學說奠定了當代生物德爾遺傳定律和摩根的染色體學說奠定了當代生物學的基礎，但是他們都只是從純生物學的角度來闡學的基礎，但是他們都只是從純生物學的角度來闡述生命現象，而不能說明它的根本機理和原因。述生命現象，而不能說明它的根本機理和原因。(2)(2)確定了生物遺傳的物質基礎是確定了生物遺傳的物質基礎是DNADNA1 1、準備和醞釀階段、準備和醞釀階段(1)(1)確定了蛋白質是生命的主要基礎物

13、質確定了蛋白質是生命的主要基礎物質2 2、現代分子生物學的建立和發展階段、現代分子生物學的建立和發展階段(1)1953(1)1953年年WatsonWatson和和CrickCrick提出的提出的DNADNA雙螺旋結構模型雙螺旋結構模型(2)(2)遺傳信息傳遞中心法則的建立遺傳信息傳遞中心法則的建立 DNA DNA復制機理復制機理 RNA RNA的轉錄的轉錄(3)(3)對蛋白質結構與功能的進一步認識對蛋白質結構與功能的進一步認識 蛋白質的翻譯蛋白質的翻譯 3 3、初步認識生命本質并開始改造生命的深入發展階段初步認識生命本質并開始改造生命的深入發展階段(1)(1)重組重組DNADNA技術的建立和

14、發展技術的建立和發展 轉基因動物轉基因動物: : 轉基因植物轉基因植物 基因診斷與基因治療基因診斷與基因治療(2)(2)基因組研究的發展基因組研究的發展(3)(3)單克隆抗體及基因工程抗體的建立和發展單克隆抗體及基因工程抗體的建立和發展(4)(4)基因表達調控機理基因表達調控機理(5)(5)細胞信號轉導機理研究成為新的前沿領域細胞信號轉導機理研究成為新的前沿領域l18971897年，年，BuchnerBuchner兄弟證明酵母無細胞提取液能使糖發酵產生兄弟證明酵母無細胞提取液能使糖發酵產生酒精酒精l19021902年年EmilFisherEmilFisher證明蛋白質結構是多肽證明蛋白質結構是

15、多肽l19261926年，年，SumnerSumner結晶了尿素酶結晶了尿素酶l19301930年，年，NorthropNorthrop結晶了胰蛋白酶結晶了胰蛋白酶l19321932年，年，NorthropNorthrop及及KunitzKunitz等結晶了胃蛋白酶等結晶了胃蛋白酶l4040年代末，年代末，SangerSanger創立二硝基氟苯（創立二硝基氟苯（DNFBDNFB）法、）法、EdmanEdman發展異發展異硫氰酸苯酯法分析肽鏈硫氰酸苯酯法分析肽鏈N N端氨基酸端氨基酸l19501950年年PaulingPauling和和CoreyCorey提出了提出了-角蛋白的角蛋白的-螺旋結構

16、模型。螺旋結構模型。 l19531953年年SangerSanger和和ThompsonThompson完成了第一個多肽分子完成了第一個多肽分子-胰島素胰島素A A鏈鏈和和B B鏈的氨基全序列分析。鏈的氨基全序列分析。18681868年年F.MiescherF.Miescher就發現了核素（就發現了核素（nucleinnuclein）2020世紀世紀20-3020-30年代已確認自然界有年代已確認自然界有DNADNA和和RNARNA兩類核酸并闡明了兩類核酸并闡明了 核苷酸的組成。核苷酸的組成。19441944年年O.T.AveryO.T.Avery等證明了肺炎球菌轉化因子是等證明了肺炎球菌轉化

17、因子是DNADNA；19521952年年A.D.HersheyA.D.Hershey和和M.ChaseM.Chase用用T2T2噬菌體感染大腸桿菌；噬菌體感染大腸桿菌； Griffith, 1928lMice injected with S strain pneumococcus dielMice injected with R strain livelExtracts from S strain transform the R strain into virulent S strainlObservation gives a potential assay for the genetic m

18、aterialAvery, MacLeod, and McCarty, 1944Purified S strain extracts to characterize the transforming principle. Material was resistant to proteases; it contained no lipid or carbohydrate. If DNA in the extract is destroyed, the transforming principle is lost. Pure DNA isolated from the S strain extra

19、ct transforms R strain. Avery cautiously suggested that DNA was the genetic material.DNADNA是細菌的遺傳物質是細菌的遺傳物質 Hershey and Chase 1952 噬菌體侵染細菌的主要過程噬菌體侵染細菌的主要過程l噬菌體尾部的末端（基片、噬菌體尾部的末端（基片、尾絲）吸附在細菌表面；尾絲）吸附在細菌表面；l噬菌體通過尾軸把噬菌體通過尾軸把DNADNA全部全部注入細菌細胞內，噬菌體的注入細菌細胞內，噬菌體的蛋白質外殼則留在細胞外面；蛋白質外殼則留在細胞外面；l利用細菌的生命過程合成噬利用細菌的生命過

20、程合成噬菌體自身的菌體自身的DNADNA和蛋白質；和蛋白質；l用新合成的用新合成的DNADNA和蛋白質組和蛋白質組裝成與親代完全相同的子噬裝成與親代完全相同的子噬菌體；菌體；l細菌解體，釋放子代噬菌體，細菌解體，釋放子代噬菌體，侵染其他細菌。侵染其他細菌。DNA was the hereditary materialProtein was NOT the hereditary material DNADNA是病是病毒的遺傳毒的遺傳物質物質DNADNA是動物細胞的遺傳物質是動物細胞的遺傳物質當當DNADNA加入到某種在培養基中加入到某種在培養基中培養的真核單細胞生物群落培養的真核單細胞生物群落中

21、，核酸就會進入到細胞中中，核酸就會進入到細胞中去，其中有一部分就會合成去，其中有一部分就會合成出一些新的蛋白質。出一些新的蛋白質。導入導入DNADNA的表達將使細胞產生的表達將使細胞產生一些新的特性。一些新的特性。圖圖. . 胸腺嘧啶核苷激酶的合成胸腺嘧啶核苷激酶的合成l1949-521949-52年年S.FurberyS.Furbery等的等的X-X-線衍射分析闡明了核苷線衍射分析闡明了核苷酸并非平面的空間構像，提出了酸并非平面的空間構像，提出了DNADNA是螺旋結構；是螺旋結構；l1948-19531948-1953年年ChargaffChargaff等用新的層析和電泳技術分等用新的層析和

22、電泳技術分析組成析組成DNADNA的鹼基和核苷酸量，積累了大量的數據的鹼基和核苷酸量，積累了大量的數據l同一生物的不同組織的同一生物的不同組織的DNADNA堿基組成相同堿基組成相同l一種生物一種生物DNADNA堿基組成不堿基組成不隨生物體的年齡、營養狀隨生物體的年齡、營養狀態或者環境變化而改變；態或者環境變化而改變；lA=TA=T，G=CG=C，A AG=CG=CT Tl不同生物來源不同生物來源A AT/GT/GC C比值不同比值不同l同一生物的不同組織的同一生物的不同組織的DNADNA堿基組成相同堿基組成相同l一種生物一種生物DNADNA堿基組成不隨生物體的年齡、營養狀態堿基組成不隨生物體的

23、年齡、營養狀態或者環境變化而改變；或者環境變化而改變；lA=TA=T，G=CG=C，A AG=CG=CT Tl不同生物來源不同生物來源A AT/GT/GC C比值不同比值不同Rosalind E. Franklin1920-1958衍射照片表明：衍射照片表明： DNADNA是由兩條長鏈組成的雙螺旋，寬度為是由兩條長鏈組成的雙螺旋，寬度為2020埃。埃。 WatsonWatson和和CrickCrick所提出的脫氧核糖酸雙螺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旋模型，為充分揭示遺傳信息的傳遞規律鋪平了道路。律鋪平了道路。l右手反平行雙螺旋右手反平行雙螺旋l主鏈位于螺旋外側，堿

24、基位于內側主鏈位于螺旋外側，堿基位于內側l兩條鏈間存在堿基互補兩條鏈間存在堿基互補l螺旋的螺距為螺旋的螺距為3.4nm，直徑為，直徑為2nml螺旋的穩定因素為氫鍵和堿基堆砌力螺旋的穩定因素為氫鍵和堿基堆砌力19621962年，年，WatsonWatson和和CrickCrick與與WilkinsWilkins共共獲獲NobleNoble生理醫學獎。生理醫學獎。lConservative replication lSemiconservative replication lDispersive replication Meselson and Stahl in 1957Conclusion- a

25、s predicted by Watson and Crick, DNA strands serve as templates for their own replication.Results show that after one generation, the double stranded DNA is 1/2 heavy (from the parent) and 1/2 light (newly synthesized). This result is predicted by semiconservative replication.中心法則中心法則CrickCrick于于195

26、41954年所提出的遺傳信息傳遞規律年所提出的遺傳信息傳遞規律1954年首次年首次提出的提出的“中心法則中心法則” 1970-1980年年的的“中心法則中心法則” 21世紀后修正的世紀后修正的“中心法則中心法則” 分子遺傳中心法則分子遺傳中心法則 (centraldogma(centraldogma) ) 基因工程是其中最富生命力的基因工程是其中最富生命力的核心核心技術技術 基因工程是根據人們的意愿對不同生物的基基因工程是根據人們的意愿對不同生物的基因在體外進行切割、拼接和重新組合，然后再導因在體外進行切割、拼接和重新組合，然后再導入受體細胞內進行繁殖，使重組基因再受體細胞入受體細胞內進行繁殖

27、，使重組基因再受體細胞內表達，產生出人們所希望的基因產物，或創造內表達，產生出人們所希望的基因產物，或創造出具有新的遺傳特征的生物類型。出具有新的遺傳特征的生物類型。 一個完整的一個完整的DNADNA重組過程應包括：重組過程應包括： 目的基因的獲??；目的基因的獲?。?基因載體的選擇與構建；基因載體的選擇與構建； 目的基因與載體的拼接；目的基因與載體的拼接； 重組重組DNADNA分子導入受體細胞；分子導入受體細胞； 篩選并無性繁殖含重組分子的受體細胞。篩選并無性繁殖含重組分子的受體細胞。Transgenic plant producing the biodegradable plastic po

28、lyhydroxybutyrate (PHB). The PHB granules are visualised by epifluorescence microscopy as foci of red fluorescence.改變花色的轉基因矮牽?；ǜ淖兓ㄉ霓D基因矮牽牛花轉入熒光素酶蛋白基因轉入熒光素酶蛋白基因的發熒光煙草的發熒光煙草轉轉 基基 因因 甜甜 椒椒轉轉 基基 因因 西西 紅紅 柿柿藍色玫瑰藍色玫瑰Transgenic pigMicroinjection of genes into pig egg克隆羊克隆羊“多莉多莉 伊斯維姆伊斯維姆.穆特穆特 A羊羊 B羊羊 從雌性成年綿

29、羊從雌性成年綿羊 從從B羊取出卵子用電擊羊取出卵子用電擊 乳腺組織抽取細胞乳腺組織抽取細胞 法將細胞核除去法將細胞核除去 殖入載有殖入載有A綿羊綿羊 遺傳信息的細胞核遺傳信息的細胞核 卵子卵子 C綿羊綿羊 遺傳特性上完全遺傳特性上完全 與與A相同的小綿羊相同的小綿羊 “多莉多莉” 二十世紀人類的二十世紀人類的“三大計劃三大計劃”曼哈頓原子彈計劃曼哈頓原子彈計劃阿波羅登月計劃阿波羅登月計劃人類基因組計劃人類基因組計劃六國科學家公布人類基因組細節研究成果六國科學家公布人類基因組細節研究成果 20012001年年2 2月月1111日人類基因組計劃、美國塞萊拉日人類基因組計劃、美國塞萊拉遺傳信息公司、

30、美國遺傳信息公司、美國科學科學雜志和英國雜志和英國自然自然雜志聯合宣布，繼科學家去年繪制成功人類基因組雜志聯合宣布，繼科學家去年繪制成功人類基因組工作框架圖之后，他們又繪制出了更加準確、清晰、工作框架圖之后，他們又繪制出了更加準確、清晰、完整的人類基因組圖譜，對人類基因的面貌有了新完整的人類基因組圖譜，對人類基因的面貌有了新的發現。的發現。 基因數量少得驚人基因數量少得驚人 一些研究人員曾經預測人類約有一些研究人員曾經預測人類約有1414萬個萬個基因，但塞萊拉公司將人類基因總數定在基因，但塞萊拉公司將人類基因總數定在2.63832.6383萬萬到到3.91143.9114萬個之間。如果最終確定

31、出的基因數在這萬個之間。如果最終確定出的基因數在這個范圍內，比如個范圍內，比如3 3萬個左右，那么，人類只比果蠅萬個左右，那么，人類只比果蠅多大約多大約1.31.3萬個基因。塞萊拉公司的科學家測出的萬個基因。塞萊拉公司的科學家測出的序列準確地覆蓋了基因組的序列準確地覆蓋了基因組的95%95%，并已經確定了所，并已經確定了所有基因的有基因的2 23 3，平均測序精度為，平均測序精度為99.96%99.96%。 人類基因組中存在人類基因組中存在“熱點熱點”和大片和大片“荒漠荒漠” 人類基因組序列中所謂的人類基因組序列中所謂的“荒漠荒漠”就是包含極就是包含極少或根本不包含基因的部分，基因組上大約少或根本不包含基因的部分，基因組上大約1 14 4的的區域是長長的、沒有基因的片段?；蛎芏仍诘趨^域是長長的、沒有基因的片段。基因密度在第1717、第第1919和第和第2222號染色體上最高，在號染色體上最高，在X X染色體、第染色體、第4 4、第、第1818號和號和Y Y染色體上相對貧瘠。染色體上相對貧瘠。 35.3% 35.3%的基因組包含重復的序列的基因組包含重復的序列 這意味著所有這些重復序列，即原來被認這意味著所有這些重復序列，即原來被認為的為的“垃圾垃圾DNA”DNA”應該被進一步研究。事實上，第應該被進一步研究。事實上，第