01 第一章 分子生物学绪论.ppt

第1页：分子生物学课程封面

分子生物学（Molecular Biology）课程封面，标示本课程的英文名称与教材主题。

第2页：主要参考书目

主要参考书目

• 分子遗传学，张玉静著，科学出版社，2000。
• Genes VII，by Benjamin Lewin，Oxford University Express，2000.
• Molecular Biology，by Robert Waver, 2nd Version，Mc-GrawHill Company, 2002.

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第6页：第一章 绪论 目录页

Chapter 1 Introduction to Molecular Biology

• 分子生物学及其主要研究领域
• 分子生物学的发展简史
• 分子生物学展望

第7页：什么是分子生物学

什么是分子生物学

• 广义概念: 在分子水平上研究生命现象的科学，涵盖了分子遗传学和生物化学等学科的研究内容。
• 狭义概念: 研究核酸和蛋白质等生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学，主要研究基因的结构和功能及基因的活动。

第8页：主要研究领域

主要研究领域

• 基因表达及其调控
• DNA重组技术（基因工程）
• 生物大分子的结构和功能

第9页：（一）基因表达及其调控研究

（一）基因表达及其调控研究

• 基因表达实质上就是遗传信息流的传递过程，包括DNA的复制、转录和翻译等过程。
• 基因表达调控包括时序调节和环境调控两个方面，发育调控基因表现尤为突出。

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第24页：原核生物基因的转录和翻译

原核生物基因的转录和翻译

在同一时间和空间发生，基因表达的调控主要集中在转录水平。

第25页：（二）DNA重组技术

（二）DNA重组技术

DNA重组技术是20世纪70年代初兴起的技术科学，目的是将不同来源的DNA片段（如某个基因或基因的一部分）按照人们的设计定向连接起来，产生影响受体细胞的、新的遗传性状。

第26页：限制性内切酶

限制性内切酶

DNA连接酶及其他工具酶的发现和应用是DNA重组技术得以建立的关键。

第27页：DNA重组技术的应用

DNA重组技术的应用

• 用于生命现象的基础研究如遗传信息的传递和控制，特别是启动子和转录因子的克隆及分析。
• 用于大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低却具有重要功能的多肽如具有溶栓作用的蛋白质因子、具有镇痛作用的神经肽、促红细胞生成素（EPO）、干扰素、人胰岛素、生长激素等。

第28页：(一)利用重组微生物制药

(一)利用重组微生物制药

• 现代生物工程的一个主要方面就是利用基因工程生产各种人用蛋白药物。不仅可以提高人类的医疗水平，还可以获得巨大的经济效益。
• 1982年，世界上第一个基因工程产业化的产品—胰岛素出现在市场上。

第29页：体内胰岛产生的胰岛素不足

体内胰岛产生的胰岛素不足

人就容易患一种富贵病—糖尿病，患者必需定期注射胰岛素进行治疗。经验证，基因工程胰岛素和来源于动物的胰岛素同样有效。

第30页：生长激素

生长激素

是由人的脑垂体产生的，如果在儿童时期不能产生足够的生长激素，就会患上“侏儒症”。注射生长激素就会使患者长到正常的高度。但生长激素的来源比胰岛素还困难。

第31页：干扰素

干扰素

具有抗病度的特性。动物细胞受病毒刺激产生干扰素后，会引起一系列保护细胞不受病毒侵害的非特异性反应，可以用于治疗肝炎和抑制肿瘤，对流感和艾滋病等也有很好的疗效。

第32页：（二）定向改造某些生物基因组结构如抗虫棉

（二）定向改造某些生物基因组结构如抗虫棉

含有分解各种石油成分的重组DNA的超级细菌、基因工程乙肝疫苗、含有蜘蛛丝蛋白基因的转基因动物。

第33页：Chakrabarty等

Chakrabarty等

在20世纪70年代使用不同的质粒构建了能够分解石油中一系列碳氢化合物的菌株，该菌株被称为“superbug”，即“超级菌”，因为它的代谢能力远远高于其它菌株。这个“超级菌”的结构和功能已经获得美国的专利，这是给予重组微生物的第一项专利。

第34页：一、基因改造的农作物

一、基因改造的农作物

最初的研究工作中，有相当多的课题是集中在培育产量更高的品种上，或改变其氨基酸含量使营养更好。现在人们做得更多的是把各种抗性基因转到植物体内，以获得各种抗性。

第35页：1.转基因抗虫作物

1.转基因抗虫作物

• 用基因工程的手段培育抗虫作物新品种，是指把抗虫基因转入农作物形成新的作物品种，可以解决昆虫对化学杀虫剂产生抗性以及化学杀虫剂对生态环境的影响。
• 1991年，美国孟山都公司成功的得到了转Bt基因（原毒素基因）的抗虫棉。

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第38页：2.转基因抗除草剂作物

2.转基因抗除草剂作物

• 施用除草剂也会对庄稼有损害，因为很多除草剂无法区分庄稼与杂草。培育抗除草剂的转基因植物就可以广泛使用除草剂了。
• 将突变的、对除草剂不敏感的靶蛋白基因转入植物中以及通过失活除草剂而获得抗除草剂的植物均已培育成功。

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第40页：3.抗不良环境和抗衰老的转基因作物

3.抗不良环境和抗衰老的转基因作物

• 在分子水平上，环境压力反映到生理上的不良结果之一就是氧离子基团的产生。提高植物对高含量氧离子基团的耐受能力，就能使植物抵抗各种外界不良环境的压力。
• 将番茄细胞中编码多聚半乳糖醛酸酶（PG）基因的反义基因转入植物中，就可能延迟果实的成熟过程。

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第43页：4.改善农作物的品质

4.改善农作物的品质

第44页：二、转基因动物

二、转基因动物

• 随着现代生物技术的发展，传统的杂交选择法的各种缺陷日益明显。现代分子育种技术逐渐成为动物育种的趋势和主流。
• 运用相关转基因技术对多细胞动物进行遗传改造进展非常迅速。同时，转基因技术也成为一种研究很多基础问题的有力手段。

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第48页：三、GMO的安全性

三、GMO的安全性

GMO是Genetic Modification Organism的简称，即基因被改变的生物。基因改造过的农作物并不比传统育种技术所培育的品种对人类健康产生更多的威胁。转基因食物和普通食物一样也存在一定的风险，只不过它并不比普通的食物有更多的负效应。转基因作物是安全的。

第49页：（三）生物大分子

（三）生物大分子

• 的结构功能研究（结构生物学）
• 生物大分子在发挥生物学功能时，必须具备两个前提：首先，拥有特定的空间结构（三维结构）。其次，在发挥生物学功能的过程中必定存在着结构和构象的变化。

第50页：最常见的研究三维结构及其运动规律的手段

最常见的研究三维结构及其运动规律的手段

是X-射线晶体衍射技术。

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第57页：核磁共振成像取得成就美英获诺贝尔生理医学奖英

核磁共振成像取得成就美英获诺贝尔生理医学奖英

国科学家彼得·曼斯菲尔德瑞典卡罗林斯卡医学院的汉斯·林格兹教授

第58页：分子生物学的发展简史

分子生物学的发展简史

• 19世纪60年代，Mendel遗传学规律的发现最先使人们对性状遗传产生了理性认识。他认为基因是颗粒性因子（particulate factor），能够从亲本向子代传递，一个基因可以不同的形式（等位基因）存在。Mendel的遗传规律预示了染色体上携带着基因这一事实。
• 1869年，Friedrich Miescher发现核素（nuclein）其实核素的主要成分是DNA。

第59页：20世纪初

20世纪初

Thomas Hunt Morgan的染色体理论和基因学说进一步将“性状”与“基因”相藕联，成为分子遗传学的奠基石。Morgan等提出染色体是遗传的单位，基因成线性排列于染色体上。

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1944年

美国著名微生物学家Avery进行了著名的细菌转化实验。10多年后，进一步的实验证实DNA就是转化源。证明基因就是DNA分子，在遗传学上树立了全新的观点—DNA是遗传信息的载体。

第61页：1953年

1953年

美国科学家Watson和英国科学家Crick提出DNA的双螺旋模型，并在1962年与Wilkins共享了诺贝尔生理医学奖。

第62页：1958年

1958年

Meselson和Stahl进行了DNA半保留复制的实验。

第63页：1962年

1962年

英国科学家Kendrew和Perutz由于测定了肌红蛋白和血红蛋白的高级结构而荣获诺贝尔化学奖。

第64页：1969年，美国科学家Nirenberg

1969年，美国科学家Nirenberg

由于在破译遗传密码方面的贡献与Holly和Khorana等人分享了诺贝尔生理医学奖。Holly的主要功绩在于阐明了酵母丙氨酸tRNA的核酸序列，并证实所有tRNA具有结构上的相似性，而Khorana第一个合成了核酸分子，并人工复制了酵母基因。

第65页：1980年

1980年

Sanger因设计出一种测定DNA分子内核苷酸序列的方法，而与Berg和Gilbert分享诺贝尔生理医学奖。Sanger还由于测定了牛胰岛素的一级结构而获得1958年的诺贝尔化学奖。

第66页：1989年，美国科学家Altman

1989年，美国科学家Altman

和Cech由于发现某些RNA具有酶的功能（称为核酶）而共享诺贝尔化学奖。同年，Bishop和Varmus由于发现正常细胞同样带有原癌基因而分享诺贝尔生理医学奖。

第67页：中国于1994年正式启动人类基因组计划并于1

中国于1994年正式启动人类基因组计划并于1

999年9月加入这一国际协作组，负责测定人类基因组全部序列的1%，成为参与这一计划的唯一发展中国家。在2000年6月26日由美国总统克林顿与英国首相布莱尔联合宣布人类基因组工作框架图完成，这一天也因此成为人类历史上“值得载入史册的一天”。2001年2月12日人类基因组测序全部完成。

第68页：1993年

1993年

美国科学家Robert和Sharp由于在断裂基因方面的工作而荣获诺贝尔生理医学奖。同年，美国科学家Mulis由于发明PCR仪而与第一个设计基因定点突变的Smith共享诺贝尔化学奖。

第69页：1995年

1995年

美国人Lewis、德国人Nusslein-Volhard和美国人Wieschaus由于在20世纪40－70年代先后独立鉴定了控制果蝇体节发育的基因而分获诺贝尔生理医学奖。

第70页：1997 年诺贝尔生理医学奖颁发给美国加州大

1997 年诺贝尔生理医学奖颁发给美国加州大

学旧金山分校的Stanley Prusiner 教授。这项殊荣是肯定布鲁希纳教授在研究引起人类脑神经退化而成痴呆的古兹菲德-雅各氏病(Creutzfeldt-Jakob disease, CJD) 病原体的贡献。发现了朊蛋白（Prion）,并在其致病机理的研究方面做出了杰出贡献。

第71页：1998年

1998年

弗奇戈特,伊格纳罗及穆拉德这三位美国药理学家由于发现硝酸甘油及其他有机硝酸脂通过释放一氧化氮气体而舒张血管平滑肌,从而扩张血管，并确定一氧化氮是一种信号分子，而荣获诺贝尔生理/医学奖。

第72页：2000年的诺贝尔生理医学奖

2000年的诺贝尔生理医学奖

由Arvid Carlsson，Paul Greengard和Eric Kandel三位科学家获得。他们主要研究了信号在神经系统中的传递，对于了解学习与记忆、信号传递失调所造成的神经和精神疾病与治疗药物的研发上有重要的贡献。

第73页：２００２年诺贝尔生理学或医学奖分别授予英国科

２００２年诺贝尔生理学或医学奖分别授予英国科学家悉尼·布雷内

美国科学家罗伯特·霍维茨和英国科学家约翰·苏尔斯顿，以表彰他们为研究器官发育和程序性细胞死亡过程中的基因调节作用所作出重大贡献。通过对线虫的研究，他们找到了调节器官发育和程序性细胞死亡的关键基因，并证实在包括人类在内的较高等物种中也存在相应的基因。这一发现对于医学研究具有重要意义，为探索许多疾病的发病机理开辟了新的途径。

第74页：2002年11月21日上午

2002年11月21日上午

国家科技部、中国科学院、上海市人民政府在上海联合举行新闻发布会。中国科学院副院长陈竺院士在会上宣布：中国大陆科学家完成了所承担的国际水稻基因组计划第四号染色体精确测序任务，对国际水稻基因组计划测序工作的贡献率达10%。这是我国迄今为止完成的最大的基因组单条染色体的精确测序。这标志着我国在大基因组测序方面已经具备构建完成图的绘制能力，成为基因组学研究强国之一。

第75页：

第76页：2002年12月6日

2002年12月6日

国际小鼠基因组测序合作组织(Mouse Genome Sequencing Consortium)终于在Nature上发表了这一期待已久的，又一个具有历史性意义的基因图谱！更加令人惊奇的是，该工作表明小鼠的基因数目同样也有30,000左右，而且有99%的基因都能在人类基因组中找到相应的同源基因！人与鼠，有着相近的基因数量，相似的基因结构，却有着迥然不同的表型与性状，这又一次很清晰地向我们表明的非编码区(Non-coding Region)和基因调控(Gene Regulation)研究的重要性！

第77页：2003年2月14日

2003年2月14日

苏格兰罗斯林研究所向外界宣布，多莉因早衰并患有进行性肺炎，已经病入膏肓，研究人员无奈之下为多莉实施了安乐死。2002年1月科学家就发现多莉羊的左后腿患上了关节炎这种典型的“高龄病症”。多莉羊壮年死于老年羊常得的肺部感染疾病，再次引起世人关注。克隆动物出现早衰到底是偶然现象，还是克隆技术不可避免的结果，还是目前的克隆技术不完善所致？这有待科学家做进一步研究。

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分子生物学展望

目前分子生物学研究总的趋势是，正向生物各学科广泛渗透，相互促进，不断深入和发展。

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遗传学

是分子生物学发展以来受影响最大的学科。越来越多的遗传学原理正在被分子水平的实验所证实或推翻，许多遗传病已经得到控制或矫正，许多经典遗传学无法解决的问题和无法破译的奥秘，也相继被攻克。

第85页：分类和进化研究

分类和进化研究

是生物学中最古老的领域，它们同样由于分子生物学的渗透而获得了新生。

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第89页：总之，分子生物学

总之，分子生物学

的发展揭示了生命本质的高度有序性和一致性，是人类在认识论上的重大飞跃。生命活动的一致性决定了本世纪的生物学将是真正的统一生物学（general biology），是生物学范围内所有学科在分子水平上的统一。