醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)

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第一章緒論

Chapter1Introduction

4/23/202414/23/202422.分子生物學(xué)的研究內(nèi)容1.分子生物學(xué)的定義4.分子生物學(xué)與醫(yī)學(xué)內(nèi)容概要4/23/20243一、分子生物學(xué)的定義4/23/20244從整體水平到分子水平示意圖分子水平細(xì)胞水平整體水平生命科學(xué)的開展過程：4/23/20245生命科學(xué)的研究內(nèi)容：生命物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能，生物與生物之間及生物與環(huán)境之間相互關(guān)系。

生命科學(xué)的前沿領(lǐng)域：分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)，而分子生物學(xué)是生命科學(xué)的核心前沿。

生命科學(xué)是研究生命現(xiàn)象和生命活動(dòng)規(guī)律的一門綜合性學(xué)科。4/23/20246

分子生物學(xué)——從分子水平研究生命現(xiàn)象及其規(guī)律的一門新興學(xué)科。它是生命科學(xué)中開展最快并且與其他學(xué)科廣泛交叉和滲透的前沿領(lǐng)域。4/23/202474/23/20248現(xiàn)代分子生物學(xué)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(jié)構(gòu)模型的建立4/23/202410DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立諾貝爾醫(yī)學(xué)與生理學(xué)獎(jiǎng)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(yī)學(xué)〔molecularmedicine〕：由于分子生物學(xué)滲透進(jìn)入生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的每一分支領(lǐng)域，全面推動(dòng)了生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)的各個(gè)方面的開展，如疾病的發(fā)病機(jī)理研究、疾病的診斷和治療，使醫(yī)學(xué)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)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(dǎo)入到另一種生物的基因組。

4/23/2024164/23/202417二、分子生物學(xué)的研究內(nèi)容4/23/202418分子生物學(xué)的主要研究內(nèi)容生物大分子的結(jié)構(gòu)、功能，生物大分子之間的相互作用及其與疾病發(fā)生、開展的關(guān)系。4/23/202419

核酸的分子生物學(xué)主要研究核酸的結(jié)構(gòu)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(xué)。〔一〕核酸分子生物學(xué)：4/23/2024201.核酸的發(fā)現(xiàn)早在1868年，Miescher從膿細(xì)胞中別離出細(xì)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(zhì)，當(dāng)時(shí)稱其為核素〔nuclein〕。1872年，他又在鮭魚精子細(xì)胞核中發(fā)現(xiàn)了大量的這類物質(zhì)。由于這類物質(zhì)都是從細(xì)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(fā)現(xiàn)以來的相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)，對(duì)它的生物學(xué)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(jìn)展。4/23/202422In1928,anexperimentofFrederickGriffithusingpneumoniabacteriaandmice4/23/2024231952年，HersheyAD和ChaseM用35S和32p分別標(biāo)記T2噬菌體的蛋白質(zhì)和核酸，感染大腸桿菌。在大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)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(zhì)。2.核酸功能研究的重大進(jìn)展1944年，AveryOT等首次證明肺炎雙球菌的DNA與其轉(zhuǎn)化和遺傳有關(guān)。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(fù)制模型4/23/202427DNA復(fù)制模型4/23/2024281961年，Nirenberg、Ochoa以及Khorana等幾組科學(xué)家的共同努力，破譯了RNA上編碼合成蛋白質(zhì)的遺傳密碼，證明DNA分子中的遺傳信息是以三聯(lián)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(xué)的中心法那么〔centraldogma〕。中心法那么是分子遺傳學(xué)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(fā)現(xiàn)了以RNA為模板合成DNA的逆轉(zhuǎn)錄酶，進(jìn)一步補(bǔ)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(xué)SangerF等創(chuàng)造。化學(xué)裂解法:美國MaxamI和GilbertW創(chuàng)造。4/23/2024354/23/202436

對(duì)DNA片段的一級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，導(dǎo)致一系列重大發(fā)現(xiàn)：4.從cDNA序列推導(dǎo)出蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)；

1.斷裂基因(splitgene)的發(fā)現(xiàn)，證明真核細(xì)胞的基因不是連續(xù)的DNA片段；2.前體mRNA分子的拼接，去除內(nèi)含子序列，連接成成熟mRNA；3.發(fā)現(xiàn)單基因遺傳病的基因結(jié)構(gòu)的變異；5.根據(jù)DNA序列合成基因，并與載體連接，使之在細(xì)菌中表達(dá)，合成活性蛋白質(zhì)，開創(chuàng)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(gè)完整基因。直接證實(shí)了MendelG在1865年發(fā)現(xiàn)的遺傳因子(基因)的化學(xué)本質(zhì)，就是DNA分子。DNA分子是多種多樣生命現(xiàn)象的物質(zhì)根底。4/23/2024387.基因組研究的進(jìn)展基因組〔genome〕:一個(gè)物種遺傳信息的總和。基因結(jié)構(gòu)與功能研究已經(jīng)從單個(gè)基因開展到生物體整個(gè)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(xì)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(huán)狀SV40DNA全部5243bp核苷酸序列；1980年代:λ噬菌體DNA全部48502堿基對(duì)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(xù)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(duì)；

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(dá)100Mb的線蟲的基因組序列測定也已全部完成。這是第一個(gè)完成的多細(xì)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(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者DulbeccoR于1986年在美國?Science?雜志上發(fā)表的短文中率先提出，并認(rèn)為這是加快癌癥研究進(jìn)程的一條有效途徑。主要的目標(biāo)是繪制遺傳連鎖圖、物理圖、轉(zhuǎn)錄圖，并完成人類基因組全部核苷酸序列測定。測出人體細(xì)胞中24條染色體上全部30億對(duì)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(xué)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(xué)工程。4/23/202441研究結(jié)果說明，人類基因數(shù)量僅有3萬個(gè)左右，比此前估計(jì)的要少得多。通過研究還發(fā)現(xiàn)男女可能存在巨大遺傳差異，男性染色體減數(shù)分裂的突變率是女性的兩倍。在已經(jīng)分析的序列中，找到很多與遺傳病有關(guān)的基因，包括乳腺癌、遺傳性耳聾、中風(fēng)、癲癇癥、糖尿病和各種骨骼異常的基因。4/23/202442

8.基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制的研究

1961年，Jacob和Monod提出操縱子學(xué)說，認(rèn)識(shí)了原核生物基因表達(dá)調(diào)控的一些規(guī)律。

80年代開始，人們逐步認(rèn)識(shí)到真核基因組結(jié)構(gòu)和調(diào)控的復(fù)雜性。真核基因的順式調(diào)控元件與反式作用因子、核酸與蛋白質(zhì)間的分子識(shí)別與相互作用。小分子反義RNA、核酶、siRNA等。4/23/202443〔二〕蛋白質(zhì)分子生物學(xué)：

DNA→儲(chǔ)存生命活動(dòng)的各種信息。

蛋白質(zhì)→生命活動(dòng)的執(zhí)行者。蛋白質(zhì)的分子生物學(xué)主要研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能。4/23/202444蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的研究進(jìn)展

1956年，Anfinsen和White根據(jù)對(duì)酶蛋白的變性和復(fù)性實(shí)驗(yàn)，提出蛋白質(zhì)的三維空間結(jié)構(gòu)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(xì)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(gè)氨基酸殘基的差異。中國科學(xué)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(jié)構(gòu)。4/23/202445構(gòu)成生物體的每一個(gè)細(xì)胞的分裂與分化及其他各種生物學(xué)功能，均依賴于外界環(huán)境所產(chǎn)生的各種信號(hào)。在這些外源信號(hào)的刺激下，細(xì)胞可以將這些信號(hào)通過第二信使轉(zhuǎn)變成一系列的生物化學(xué)變化。主要研究內(nèi)容：研究細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞間信息傳遞的分子根底。說明這些變化的分子機(jī)制，明確每一條信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑及參與該途徑的所有分子間的相互作用和調(diào)節(jié)方式。〔三〕細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制研究4/23/202446

1965年又提出第二信使學(xué)說。

1977年，Ross等用重組實(shí)驗(yàn)證實(shí)G蛋白的存在和功能，將G蛋白與腺苷環(huán)化酶的作用聯(lián)系起來。癌基因、抑癌基因和酪氨酸蛋白激酶的發(fā)現(xiàn)及其結(jié)構(gòu)與功能的深入研究，使得細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究有了很大的進(jìn)展。

1957年，Sutherland發(fā)現(xiàn)了cAMP。4/23/2024474/23/2024484/23/2024494/23/202450

釀酒、制醋、制酪、面包發(fā)酵；人畜排泄物循環(huán)利用；動(dòng)、植物雜交育種，嫁接等。4/23/2024514/23/2024524/23/2024534/23/202454

用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物獲取治療人類疾病的重要蛋白質(zhì)。如，導(dǎo)入了凝血因子Ⅸ基因的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)基因動(dòng)物和基因剔除動(dòng)物4/23/202455

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

轉(zhuǎn)基因植物和轉(zhuǎn)基因食品4/23/202456四、分子生物學(xué)與醫(yī)學(xué)4/23/2024571.從機(jī)體表型來認(rèn)識(shí)疾病,即根據(jù)現(xiàn)象和檢查所獲知的病癥與體征。2.從組織細(xì)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(yī)學(xué)資料。但都不能從本質(zhì)上真正認(rèn)識(shí)疾病發(fā)生的根本原因，更不能從根本上治愈疾病和說明疾病的發(fā)病機(jī)制。人類對(duì)疾病的認(rèn)識(shí)：4/23/202458現(xiàn)代分子生物學(xué)已經(jīng)對(duì)醫(yī)學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)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(xué)科。

如分子遺傳學(xué)、分子免疫學(xué)、分子病理學(xué)、分子血液學(xué)、分子腫瘤學(xué)、分子病毒學(xué)、分子流行病學(xué)等。4/23/202459由于分子生物學(xué)的開展和滲透，各種生理和病理現(xiàn)象都可能從基因水平找到答案。腫瘤發(fā)生與癌基因和腫瘤抑制基因。說明生物機(jī)體各種各樣的生命現(xiàn)象及生理和病理表現(xiàn)，幾乎無一不與基因有關(guān)。藥物的耐藥性與抗藥基因。4/23/202460由于分子生物學(xué)在醫(yī)學(xué)上的不斷滲透和影響，導(dǎo)致根底醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)從基因水平來探討多種多樣的生命現(xiàn)象，基因診斷和基因治療的開展是分子生物學(xué)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的典范。4/23/202461〔一〕分子生物學(xué)在根底醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用根底醫(yī)學(xué)是整個(gè)醫(yī)學(xué)科學(xué)的基石，分子生物學(xué)不僅是生命科學(xué)的前沿，也是整個(gè)根底醫(yī)學(xué)的前沿。今后總的開展趨勢仍然是分子生物學(xué)向醫(yī)學(xué)，特別是根底醫(yī)學(xué)廣泛交叉、滲透和影響。4/23/2024621.對(duì)人的生理功能和疾病機(jī)制的研究,已由整體水平、器官水平進(jìn)入到細(xì)胞和分子水平；對(duì)生命的了解，由外表現(xiàn)象觀察進(jìn)入了本質(zhì)的探討。4/23/2024632.根底醫(yī)學(xué)中不斷出現(xiàn)新的邊緣學(xué)科，如分子生理學(xué)、分子藥理學(xué)、分子病理學(xué)、分子遺傳學(xué)、分子免疫學(xué)、分子病毒學(xué)、分子腫瘤學(xué)、分子神經(jīng)生物學(xué)等等。4/23/2024643.傳統(tǒng)上按“形態(tài)〞和“機(jī)能〞來進(jìn)行根底醫(yī)學(xué)各個(gè)學(xué)科劃分的界限已日益模糊,出現(xiàn)了各學(xué)科在分子水平上進(jìn)行整合的趨勢。4/23/202465

4.開始改變傳統(tǒng)生物學(xué)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(guān)系。4/23/202466〔二〕分子生物學(xué)在病理學(xué)中的應(yīng)用由于分子生物學(xué)向病理學(xué)的滲透,出現(xiàn)“分子病理學(xué)〞這樣一個(gè)新學(xué)科。4/23/202467〔三〕基因診斷4/23/2024684/23/2024691985年，MullisK首創(chuàng)。體外模擬細(xì)胞內(nèi)DNA復(fù)制過程，進(jìn)行體外基因擴(kuò)增。4/23/