01 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。课程围绕核酸、蛋白质等生物大分子的结构与功能，系统讲授遗传信息的复制、转录、翻译及表达调控规律。

第2页：课程框架

课程框架

• 1 绪论
• 2 遗传的物质基础
• 3 DNA的复制与修复
• 4 转录
• 5 蛋白质的生物合成—翻译
• 6 原核生物基因表达的调控
• 7 真核生物基因表达的调控
• 8 DNA或蛋白质的化学修饰与基因表达
• 9 分子生物学研究方法

第3页：第一章绪论章节目录

第一章 绪论

• 一、二十一世纪是现代生命科学的世纪
• 二、现代分子生物学中的主要里程碑
• 三、分子生物学的主要研究内容

第4页：二十一世纪是现代生命科学的世纪

生物科学是当代自然科学中发展最迅速、对人类生存与自身发展影响最大的学科领域之一。统计美国《科学引文索引（SCI）》收录的4500余种学术刊物，约2350种为生物科学相关杂志；全世界引用指数（IF）在10以上的超一流刊物中，约80%（1997年48种中有38种）为生物科学相关刊物。

第5页：IF在10以上的自然科学刊物分科比较

表1 引用指数IF在10以上的自然科学刊物分科比较

说明：原文该表数字存在粘连，"IF>30杂志数"一列仅物理可确认为2，其余学科以「—」占位，建议对照原课件核对后补全。

另据1997年SCI收录的4500种期刊统计：Cell 48.0、Nature 28.4、Science 24.1。

第6页：二十一世纪人类生存危机

21st century crisis for human living

• 化石资源的枯竭与环境污染压力
• 人口压力与可持续发展
• 食物危机与生态恶化
• 森林锐减与土壤沙漠化扩大趋势
• 重大传染性疾病和老年病对健康与长寿威胁

第7页：生物学时代的前景与预测

前景与预测：基于碳氢化合物的经济正转变为基于碳水化合物的经济；物理学和化学时代转变为生物学时代；工业革命世纪转变到生物技术世纪。生命科学的进步与生物技术的发展带动生物经济的发展，是人类实现可持续发展的必然选择。

第8页：分子生物学的学科定位

二、现代分子生物学中的主要里程碑

分子生物学是研究核酸、蛋白质等所有生物大分子的形态、结构特征及其规律性和相互关系的科学，是人类从分子水平上真正揭开生物世界奥秘、由被动适应自然转向主动改造和重组自然界的基础学科。

第9页：分子生物学发展大事记

• 1910年，德国科学家Kossel第一个分离了腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸。
• 1959年，美国科学家Uchoa第一次合成了核糖核酸，实现将基因内的遗传信息通过RNA翻译成蛋白质的过程；同年Kornberg实现了试管内细菌细胞中DNA的复制。
• 1962年，Watson（美）和Crick（英）因1953年提出DNA反向平行双螺旋模型而与Wilkins共获诺贝尔生理医学奖，后者通过X射线衍射证实该模型；DNA双螺旋模型的提出是分子生物学产生的标志。
• Griffith（1928）与Avery（1944）的肺炎链球菌转化实验；Hershey和Chase（1952）证明DNA是遗传物质。
• Crick于1954年提出遗传信息传递规律（中心法则）；Meselson和Stahl（1958）证明DNA半保留复制；Yanofsky和Brener（1961）提出遗传密码三联子的设想。

第10页：图1-1

图1-1：本页仅标注图号，图示内容为下页所示1953年DNA双螺旋结构模型。

第11页：DNA双螺旋结构模型1953

DNA双螺旋结构模型，1953：两条反向平行的脱氧核苷酸长链盘绕成双螺旋，脱氧核糖与磷酸交替连接排在外侧构成基本骨架，碱基按A与T、G与C互补配对排列在内侧。

第12页：分子生物学的定义与研究内容

学科命名

William Astbury于1945年提出 molecular biology，即关于生物大分子的物理、化学性质与结构研究的学科。

定义

研究核酸、蛋白质等生物大分子结构和功能及其相互关系和活动规律的科学，是在分子水平上研究生命现象本质及其规律的新兴前沿学科，也是现代生物技术建立的理论基础。

研究目标

从分子水平认识生命活动的物质基础，探索遗传、生殖、生长发育等生命基本特征，实现由被动适应世界转向主动重组和改造生物界。

研究内容

1）DNA重组技术（基因工程）；2）基因的表达调控；3）生物大分子的结构和功能研究；或概括为核酸、蛋白质与细胞信号转导三大内容。

第13页：分子生物学的相关学科与产业

分子生物学理论催生现代生物技术，进而形成生物技术产业与生物经济，服务于工业、农业、医疗卫生、军事与贸易，并衍生出生物信息学、基因组学、功能基因组学、蛋白质组学、系统生物学等新学科，与动物科学、植物科学、微生物科学、遗传学、生理学、生物化学、细胞学、胚胎学、解剖学、组织学、分类学、病毒学、进化论等学科交叉。

第14页：分子生物学简史

分子生物学简史（brief story for MB）

1.2.1 准备和酝酿阶段（1820~1950年代）

确定蛋白质是生命的主要物质（Bucher 1890年发现酶）；确定生物的遗传物质是DNA（Miesher 1868年发现核素，其后确认DNA、RNA）。

1.2.2 现代生物学的建立和发展阶段（1950~1970年代）

确立遗传信息传递的中心法则；深化对蛋白质结构和功能的认识。

1.2.3 初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段（1970年代以后）

重组DNA技术的建立和发展；基因组研究的发展；单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展；基因表达调控机理；细胞信号转导机理研究的发展；基因组学、蛋白质组学、生物信息学成为新的前沿领域。

第15页：分子生物学重要发现与诺贝尔奖

• 1988年，McClintock因50年代提出并发现可移动遗传因子（jumping gene，又称mobile element）而获诺贝尔奖。
• 1993年，美国科学家Roberts和Sharp因发现断裂基因（introns）获诺贝尔奖。
• Mullis由于发明PCR仪而与加拿大学者Smith（第一个设计基因定点突变）共享诺贝尔化学奖。
• 1965年，法国科学家Jacob和Monod提出并证实了操纵子（operon）作为调节细菌细胞代谢的分子机制，并首次推测存在mRNA。
• 1972年，Paul Berg（美）第一次进行了DNA重组。
• 1977年，Sanger和Gilbert（英）第一次进行了DNA序列分析。

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第30页：分子生物学的三条基本原理

所有生物体中的有机大分子都以碳原子为核心，并以共价键与氢、氧、氮及磷以不同方式构成；各类有机大分子都由完全相同的单体（蛋白质中的20种氨基酸、DNA及RNA中的8种碱基）组合而成，由此产生分子生物学的三条基本原理：

原理A

构成生物体有机大分子的单体在不同生物中都是相同的。

原理B

生物体内一切有机大分子的建成都遵循着各自特定的规则。

原理C

某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子决定了它的属性。

第31页：分子生物学三大研究内容

1. DNA重组技术

基因工程。

2. 基因表达调控

核酸生物学。

3. 生物大分子结构功能

结构分子生物学。

第32页：DNA重组技术与基因工程

DNA重组技术（基因工程）

20世纪70年代初兴起的技术科学，目的是将不同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，在特定的受体细胞中与载体同时复制并得到表达，产生影响受体细胞的新的遗传性状。

与基因工程的关系

严格地说，DNA重组技术并不完全等于基因工程，后者还包括其他可能使生物细胞基因组结构得到改造的体系。

第33页：DNA重组技术的应用前景

DNA重组技术有着广阔的应用前景：

• 可用于定向改造某些生物基因组结构，使其特殊经济价值或功能得以成百上千倍地提高。
• 用于基础研究：分子生物学研究的核心是遗传信息的传递和控制，根据中心法则研究DNA到RNA再到蛋白质的全过程，即基因的表达与调控；无论是对启动子（调控元件或顺式作用元件）的研究，还是对转录因子的克隆及分析，都离不开重组DNA技术的应用。

第34页：基因表达调控研究

因为蛋白质分子参与并控制了细胞的一切代谢活动，而决定蛋白质结构和合成时序的信息都由核酸（主要是脱氧核糖核酸）分子编码，表现为特定的核苷酸序列，所以基因表达实质上就是遗传信息的转录和翻译。在个体生长发育过程中，生物遗传信息的表达按一定的时序发生变化（时序调节），并随着内外环境的变化而不断加以修正（环境调控）。

第35页：原核与真核基因表达调控比较

• 原核生物的基因组和染色体结构都比真核生物简单，转录和翻译在同一时间和空间内发生，基因表达的调控主要发生在转录水平。
• 真核生物有细胞核结构，转录和翻译过程在时间和空间上都被分隔开，且在转录和翻译后都有复杂的信息加工过程，其基因表达的调控可以发生在各种不同的水平上。
• 基因表达调控主要表现在信号传导研究、转录因子研究及RNA剪辑三个方面。

第36页：转录因子与RNA选择性剪接

转录因子是一群能与基因5'端上游特定序列专一结合，从而保证目的基因以特定的强度在特定的时间与空间表达的蛋白质分子。

真核基因在结构上的不连续性是近10年来生物学上的重大发现之一。基因转录成pre-mRNA后，除在5'端加帽及3'端加多聚A（polyA）之外，还要将隔开各个相邻编码区的内含子剪去，使外显子（编码区）相连后成为成熟mRNA。许多基因并非将内含子全部剪去，而是在不同的细胞或不同的发育阶段有选择地剪接其中部分内含子，从而生成不同的mRNA及蛋白质分子。

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第39页：结构分子生物学

一个生物大分子，无论是核酸、蛋白质或多糖，在发挥生物学功能时必须具备两个前提：首先，它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。结构分子生物学就是研究生物大分子特定的空间结构及结构的运动变化与其生物学功能关系的科学，包括结构的测定、结构运动变化规律的探索、结构与功能相互关系的建立。

第40页：三维结构及其运动的研究手段

常见的研究三维结构及其运动规律的手段：

• X射线衍射的晶体学（又称蛋白质晶体学）
• 二维核磁共振和多维核磁研究液相结构
• 电镜三维重组、电子衍射、中子衍射和各种频谱学方法研究生物高分子的空间结构

第41页：分子生物学的展望

分子生物学的展望：21世纪是生命科学世纪、生物经济时代，结构基因组学、功能基因组学、蛋白质组学、生物信息学、信号跨膜转导成为新的热门领域。

如何学习分子生物学：教材专著、期刊杂志、网址网页、实验。

第42页：参考文献与书目

参考文献和网页网址

• 朱玉贤、李毅《现代分子生物学》第二版，高等教育出版社，2002
• 阎隆飞、张玉麟《分子生物学》，中国农业大学出版社，1997
• 李振刚《分子遗传学》，科学出版社，2000
• Benjamin Lewin, Genes VI, Oxford Uni. Press, 1997
• P.C. Turner et al. Instant Notes in Molecular Biology，科学出版社

第43页：参考教材

参考教材：本课程建议配套使用分子生物学相关教材，用于课堂讲授之外的系统学习与查阅。

第44页：英文原版与中文译本

参考教材分为英文原版与中文译本两类，学习者可根据语言基础与阅读需要选择，亦可将两者对照阅读以准确把握专业术语。

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第46页：分子生物学网络资源

常用分子生物学网址

• 中国生物信息：http://www.biosino.org/
• 分子生物学信息网：http://www.37c.com.cn
• 生命科学商务网：http://www.e800b2b.com
• 生物软件网：http://www.bio-soft.net/
• 中华基因网：http://www.chinagenenet.com/
• Celera Genomics Education（赛莱拉）
• Biology Animation Library（冷泉港）
• Jeffrey Qinxi Shen's Page（沈庆喜教授）
• Beginner's Guide to Molecular Biology
• Ergito（Genes VII 电子版）
• Tutorials in Molecular Biology
• Graphics Gallery from gene to function

第47页：分子生物学习题集

习题集

• 郜金荣、叶林柏《分子生物学习题及解答》，武汉大学出版社，2002
• 王金发等《分子生物学与基因工程习题集》，科学出版社，2000

第48页：科研创新所需的可贵品质

从事科研创新性工作的可贵品质

• “喜新厌旧”
• 喜欢冒险和富于挑战性的工作
• 好标新立异
• 极高的洞察力，不放过反常现象
• 突破常规的自信心，不迷信所谓权威
• 有新思维，有奇思妙想，常异想天开
• 极强的好奇心
• 不为名利所扰，矢志为兴趣而探索追求

第49页：本章结束

本章结束！