分子生物學

分子生物學的基本要求

熟知核酸的基本生物化學特性；熟知生物信息的儲存與表達過程；掌握DNA、RNA和蛋白質的基本代謝過程，特別是基因的一般結構與生物功能，基因活性的修飾與調節；掌握分子克隆與DNA重組的基本技術與原理，了解現代分子生物學基本研究方法，了解基因治療與基因組學的新成果，新進展。一、現代分子生物學史中的主要里程碑

孟德爾的遺傳學規律最先使人們對性狀遺傳產生了理性認識，而Morgan的基因學說則進一步將“性狀”與“基因”相耦聯，成為分子遺傳學的奠基石。

1910年，德國科學家Kossel第一個分離了腺嘌呤，胸腺嘧啶和組氨酸。1959年，美國科學家Uchoa第一次合成了核糖核酸，實現了將基因內的遺傳信息通過RNA翻譯成蛋白質的過程。同年，Kornberg實現了試管內細菌細胞中DNA的復制。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生理醫學獎，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律鋪平了道路。1965年，法國科學家Jacob和Monod提出并證實了操縱子（operon）作為調節細菌細胞代謝的分子機制.他們還推測存在一種與DNA序列相互補、能將它所編碼的遺傳信息帶到蛋白質合成場所并翻譯產生蛋白質的mRNA（信使核糖核酸）.1972年，PaulBerg（美）第一次進行了DNA重組.1977年，Sanger和Gilbert（英）第一次進行了DNA序列分析.1987年，McClintock由于在50年代提出并發現了可移動遺傳因子（jumpinggene或稱mobileelement）而獲得Nobel獎。1993年，美國科學家Roberts和Sharp因發現斷裂基因（introns）而獲得Nobel獎；Mullis由于發明PCR儀而與加拿大學者Smith（第一個設計基因定點突變）共享Nobel化學獎。此外，Griffith（1928）及Avery（1944）等人關于致病力強的光滑型（S型）肺炎鏈球菌DNA導致致病力弱的粗糙型（R型）細菌發生遺傳轉化的實驗;Hershey和Chase（1952）關于DNA是遺傳物質的實驗;Crick于1954年所提出的遺傳信息傳遞規律（即中心法則）；Meselson和Stahl（1958）關于DNA半保留復制的實驗;Yanofsky和Brener（1961）年關于遺傳密碼三聯子的設想都為分子生物學的發展做出了重大貢獻。二、分子生物學的主要研究內容與基本定理分子生物學是研究核酸、蛋白質等生物大分子的形態、結構特征及其重要性、規律性和相互關系的科學，是人類從分子水平上真正揭示生物世界的奧秘，由被動適應自然界轉向主動地改造和重組自然界的基礎學科。二、分子生物學的主要研究內容與基本定理主要研究內容：一切生物體中的各類有機大分子都是由完全相同的單體，如蛋白質分子中的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(基因工程)基因表達調控(核酸生物學)生物大分子結構功能(結構分子生物學)基因組、功能基因組與生物信息學研究1、DNA重組技術是20世紀70年代初興起的技術科學，目的是將不同DNA片段（基因或基因的一部分）按照人們的設計定向連接起來，在特定的受體細胞中與載體同時復制并得到表達，產生影響受體細胞的新的遺傳性狀。DNA重組技術是核酸化學、蛋白質化學、酶工程及微生物學、遺傳學、細胞學長期深入研究的結晶，而限制性內切酶DNA連接酶及其他工具酶的發現與應用則是這一技術得以建立的關鍵。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.化學合成的具有EcoRI粘性末端的DNA片段。

重組DNA操作過程示意圖

DNA重組技術的應用：大量生產某些正常細胞代謝中產量很低的多肽，如激素、抗生素、酶類及抗體等，提高產量，降低成本。定向改造某些生物的基因組結構、使它們所具有的特殊經濟價值或功能得以成百上千倍地提高。進行基礎研究。2、基因表達調控研究

蛋白質分子控制了細胞的一切代謝活動，而決定蛋白質結構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，基因表達實質上就是遺傳信息的轉錄和翻譯過程。4、基因組、功能基因組與生物信息學研究2001年2月，Nature和Science同時發表了人類基因組全序列。已有數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上提出了蛋白質組計劃（又稱后基因組計劃或功能基因組計劃），旨在快速、高效、大規模鑒定基因的產物和功能。生物信息學依靠計算機快速高效運算并進行統計分離和結果功能預測。三、證明DNA就是遺傳物質的主要歷史事件

多少年來，人們反復提出的幾個與一切生命現象有關的問題：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育而來的？1847年，Schleiden和Schwann提出“細胞學說”，證明動、植物都由細胞組成。孟德爾在1857年到1864年間，用產生圓形種子的豌豆同產生皺皮種子的植株雜交，得到幾百粒全是圓形的F1代種子。第二年，他種植了253粒F1圓形種子并進行自交，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，發現F1種子全是黃色圓形的。自交產生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。有些遺傳因子以顯性（dominant）形式存在，能在雜種一代得到表達；有些因子呈隱性（recessive）狀態，只有當父、母本同時含有這一因子時，才得到表現。第二，將不同植物品種雜交后的F1代種子再進行雜交或自交時，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，他把這一現象稱為分離規律。在孟德爾遺傳學基礎上，Morgan又提出了基因學說。1910年，Morgan和他的助手們發現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，所產生的F1代不論雌雄，全為紅眼果蠅（孟德爾的統一規律！）。這些F1果蠅互相交配所產生的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系。Morgan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背道而馳的！當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，孟德爾的獨立分離規律起主導作用。1928年，英國科學家Griffith等人發現，具有光滑外表的S型肺炎鏈球菌能使小鼠發病，具有粗糙外表的R型細菌沒有致病力。莢膜多糖能保護細菌免受動物白細胞的攻擊。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，發現這些死細菌自然喪失了致病能力。圖：DNA是轉化源解剖死鼠，發現有大量活的S型細菌。他們推測，死細菌中的某一成分——轉化源（transformingprinciple）將無致病力的細菌轉化成病原細菌。進一步的實驗表明，DNA就是轉化源。死細菌DNA指導了這一可遺傳的轉化，從而導致了小鼠死亡。Avery等人的工作樹立了遺傳學理論上全新的觀點——DNA是遺傳信息的載體。美國冷泉港卡內基遺傳學實驗室科學家Hershey和他的學生Chase在1952年從事噬菌體侵染細菌的實驗。噬菌體專門寄生在細菌體內，它的頭、尾外部都是由蛋白質組成的外殼，頭內主要是DNA。噬菌體侵染細菌的主要過程如下：①噬菌體尾部的末端（基片、尾絲）吸附在細菌表面；②噬菌體通過尾軸把DNA全部注入細菌細胞內，噬菌體的蛋白質外殼則留在細胞外面；③利用細菌的生命過程合成噬菌體自身的DNA和蛋白質；④用新合成的DNA和蛋白質組裝成與親代完全相同的子噬菌體；⑤細菌解體，釋放子代噬菌體，侵染其他細菌。T2噬菌體用32P標記DNA用35S標記蛋白

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

侵染細菌后立即收集噬菌體，可得到70%32P標記的DNA，但只能得到20%標記的蛋白質。

那么，DNA到底是什么樣的呢？Avery在1944年的報告中這樣寫道：當溶液中酒精的體積達到9/10時，有纖維狀物質析出；如稍加攪動，這種物質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。溶解纖維狀物質并重復沉淀數次，可提高其純度。這一物質具有很強的生物學活性，初步實驗證實它很可能就是DNA（誰能想到！）。對DNA分子的物理化學研究導致了現代生物學翻天覆地的革命，這更是Avery所沒有想到的！四、分子生物學展望在不同層次水平上研究生物：宏觀和微觀；分子、細胞、個體、群體水平。學科相互滲透。分子生物學研究影響許多學科的發展：細胞生物學、神經生物學、遺傳學、分類和進化、發育生物學等。二十一世紀的生物學將是真正的系統生物學，是生物學范圍內所有學科在分子水平上的統一。功能基因組學：是應用基因組學的知識和工具來了解影響發育和整個生物體的特定序列表達譜。蛋白質組學：一個基因組所表達的全部蛋白質；或細胞內的全部蛋白質。在特定時間、特定環境和實驗條件下基因組活躍表達的蛋白質，稱為功能蛋白質組學。生物信息學：利用數據庫、計算機網絡和應用軟件等對DNA和蛋白質序列資料中各類信息進行識別、存儲、分析、模擬和傳輸的一門科學。本章參考文獻Watson&Crick,Nature171,964-967,1953Wilkinsetal.,Nature171,738-740,1953Watson&Crick,Nature171,