01 绪论.ppt

第1页：分子生物学

《分子生物学》

第2页：课程大纲

课程大纲：第一章绪论第二章DNA的结构(4)第三章有机体、染色体和基因(3 12)第四章DNA的复制(5)第五章DNA的损伤、修复和突变(5)第六章RNA转录(7 12)第七章蛋白质翻译(8 9)

第3页：第八章原核生物基因表达调控

第八章原核生物基因表达调控(10)第九章真核生物基因表达调控(13)第十章遗传重组(6)第十一章病毒的分子生物学(11)第十二章免疫多样性的机制Molecular nature of macromolecules and gene replication & expression inside cells and manipulation in vitro.基因（DNA）本身的结构、组织情况、基因复制、表达过程（转录、翻译）及对表达过程的调控

第4页：考试规则考场的表现反映一个人的基本素质和

考试规则考场的表现反映一个人的基本素质和

• （2）合上书和笔记。
• （3）个人只能看和写自己的试卷（4）老师宣布停的时候，所有学生必须放下自己的笔，眼睛往前看。
• （5）老师宣布收试卷时，试卷必须快速由每排的一端传到另一端(方向当时决定).课堂随考: 缺席不补考, 但可以得当次考试的最低分课堂随考和小考: 如果主讲老师或助教发现任何学生违反以上任何一条规则，第一次违规者，扣除总考试成绩的15%，第二次违规者必须重修这们课。
• 期末考试：任何作弊者，一经发现，立刻取消考试资格，重修本门课。

第5页：正确对待和驾驭考试

正确对待和驾驭考试

• 考试不是教学目的，而是提高学生学习热情，帮助学生总结和掌握所学内容
• 考试题目要具有启发性和总结性而非刁难学生As a student
• 考试不是学习目的，而是帮助你更好掌握和使用所学内容的一个手段
• 要学习利用考试的机会来使自己对所学的内容有更好的把握。
• Enjoy your exams, but not suffer

第6页：课堂讲授进度实行互动

课堂讲授进度实行互动

• 每章给出复习题（问答、名词）
• 中间总结性抽考期末考试

第7页：第一章绪论

第一章绪论

第8页：分子生物学的产生及概念

分子生物学的产生及概念

• 二、分子生物学的发展历程
• 三、分子生物学实际应用的现状和展望
• 四、基因概念的演变与发展
• 附注：课程说明及参考书目

第9页：分子生物学的概念1

分子生物学的概念1

• 为什么“有其父必有其子”动、植物个体是怎样由一个受精卵发育而来的？

第10页：19世纪初叶以前宗教或迷信－－基督教上帝

19世纪初叶以前宗教或迷信－－基督教上帝

• 1859 Charles Darwin （英）《物种起源》“进化论”－－生物科学史上最伟大的创举“贝格尔号”历时五年达尔文学说（2）细胞学说的确立
• 1702 Leeuwenhoek（荷兰）自制显微镜观察到雨水中的“微生物”同时代的Hooke 用“细胞”来形容软木的最基本单元

第11页：1847Schleiden

1847Schleiden

• Gregor Mendel（奥）经典遗传学创始人豌豆后代的性状有一定的分离规律独立分离规律“遗传因子”（3：1 9：3：3：1）1865《植物杂交实验》1900“遗传学的奠基人”

第12页：基因学说的提出

基因学说的提出（4）生物化学的发展从开始就执行着双重使命分析细胞的组成成分弄清这些物质与细胞内生命现象的联系19～20世纪20种氨基酸肽键脂类、糖类和核酸20世纪初Morgon及其助手（美）果蝇第一次将代表某一特定性状的基因同某一特定染色体联系起来－－－连锁遗传规律种质必须由独立的要素组成－－－遗传因子或基因

第13页：分子生物学的兴起1953 Watson

2、分子生物学的兴起1953 Watson Crick DNA Double Helix Model解释了基因的两个基本属性基因的自我复制能力基因控制形状表达的能力从此核酸的分子生物学得到了异乎寻常的发展广义的分子生物学：蛋白质及核酸等生物大分子结构和功能的研究都属于分子生物学的范畴，即从分子水平阐明生命现象和生物学规律及随后Crick提出的Central Dogma 中心法则

第14页：狭义的分子生物学

狭义的分子生物学：偏重于核酸（基因）的分子生物学，主要研究基因或DNA的复制、转录、表达和调控等过程，当然也涉及与这些过程相关的蛋白质和酶的结构与功能的研究基因的分子生物学Molecular Biology

第15页：Molecular biologyseeks to

Molecular biologyseeks to

• Molecular biologyis the study of genes and their activities at the molecular level, including transcription, translation, DNA replication, recombination and translocation.---Robert Weaver

第16页：分子生物学的三大原则*构成生物大分子的单

3、分子生物学的三大原则*构成生物大分子的单体是相同的共同的核酸语言共同的蛋白质语言*生物遗传信息表达的中心法则相同DNARNApolypeptidesproteincharacterprotein*生物大分子单体的排列（核苷酸、氨基酸）的不同不同的高级结构不同的生物大分子之间的互作不同的物种特性

第17页：分子生物学研究的三大领域*基因的分子生物

4、分子生物学研究的三大领域*基因的分子生物学：基因的概念、结构、复制、表达、重组、交换（狭义的分子生物学）*结构生物学：生物大分子的结构与功能生物大分子之间的互作DNA－蛋白质激素和受体酶和底物*生物技术理论与应用基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程

第18页：分子生物学的发展简史1

分子生物学的发展简史1

• 结论：抽提液中含有一种转化因子

第19页：转化因子的证实1944 Avery

* 转化因子的证实1944 Avery（美微生物学家）从S抽提液纯化转化因子因此：Avery是首先用实验证明基因的化学本质就是DNA的科学家

第20页：1952 D.Hershery和M.Ch

* 1952 D.Hershery和M.Chase 再次用噬菌体标记实验证实了DNA是遗传物质的本质

第21页：重要机制的发现* 1949

2、重要机制的发现* 1949 Chargaff测定出不同来源的A、T、G、C四种核酸碱基*1950 Chargaff Markham A=T G=C* 1953 Watson ＆Crick DNA Double Helix Model随着DNA双螺旋结构的提出和蛋白质空间结构的解析开始了分子生物学时代,此后对遗传信息的载体DNA和生物功能的体现者蛋白质的研究的研究也成为生命科学研究的主要内容

第22页：发展历程分子生物学中重大成就与突破者

3、发展历程分子生物学中重大成就与突破者－－－Nobel Prize的获得者－－－构成了分子生物学发展的主要内容－－－里程碑1910 A.Kossel （德）蛋白质、细胞及细胞核化学的研究（首先分离到A、T和组氨酸）

第23页：1958 Joshua

1958 Joshua Lederberg（美）Phage transductionBeadle & Tatum（美）One gene-one enzyme红色面包霉突变体George Wells Beadle Edward Lawrie TatumJoshua Lederberg

第24页：1959 Ochoa(美籍西班牙裔)

1959 Ochoa(美籍西班牙裔) Kornberg（美）Severo OchoaArthur Kornberg细菌的多核苷酸磷酸化酶，成功地合成了RNA，基因（DNA）→RNA→蛋白质实现了DNA分子在试管内（细菌无细胞提取液）的复制

第25页：1962 Watson

1962 Watson（美）＆Crick（英）Wilkins（新西兰）通过对DNA分子的X射线衍射研究证实了DNA Double Helix Model其中Crick于1954年提出了中心法则

第26页：1962 Kendrew

1962 Kendrew ＆Perutz（英国）John C. KendrewMax F. Perutz测定了肌红蛋白及血红蛋白的高级结构（三级）成为研究生物大分子结构的先驱

第27页：1965 Jacob ＆Monod

1965 Jacob ＆Monod （法国）Francis JacobJacques Monod提出并证实了Operon作为调节细菌细胞代谢的分子机制首次提出mRNA分子的存在此外，1953年，Zamecnik发现蛋白质的合成场所是核糖体（无细胞系统放射性同位素标记的氨基酸）

第28页：1969 Nirenberg

1969 Nirenberg（美）Holly ＆KhoranaMarshall W. NirenbergHar Gobind KhoranaRobert W. Holley破译了遗传密码酵母phetRNA的核苷酸序列并证明了所有tRNA三级结构的相似性第一个合成了核酸分子，并人工复制了酵母基因

第29页：1975 Temin &

1975 Temin & Baltimore(美)Howard M. TeminDavid Baltimore 发现了逆转录酶（以RNA为模板，逆转录生成DNA RNA肿瘤病毒）

第30页：Frederick SangerWalter

Frederick SangerWalter GilbertPaul Berg1980 Sanger （英）Gilbert & Berg（英）酶法核苷酸测序的设计者测定了牛胰岛素的化学结构而获1958 年的Nobel 化学奖化学测序法的设计者DNA重组，在细菌中表达胰岛素DNA重组技术的元老

第31页：1984 Kohler

1984 Kohler（德）Milstein（美）Jerne（丹麦）Georges J.F.KohlerCesar MilsteinNiels K. Jerne 发展了单克隆抗体(Monoclonal Antibodies McAb)技术，完善了极微量蛋白质的检测技术

第32页：1988 McClintock

1988 McClintock(美)可移动的遗传因子（jumping gene or mobile element）Barbara McClintock 50年代初发现88年获奖

第33页：1989 Altman ＆Cech

1989 Altman ＆Cech（美）核酶即核糖核酸质酶（Ribozyme）的发现者（即某些RNA具有酶的功能）Sidney AltmanThomas R. Cech

第34页：1989 Bishop＆Varmus

1989 Bishop＆Varmus（美）正常细胞同样带有原癌基因1993 Roberts ＆Sharp（美）断裂基因（splitting gene）Mullis（美）PCR仪的发明者Smith 基因定点突变1994 Gilman ＆Rodbell发现G蛋白在细胞信号传导中的作用1995 Lewis（美）、Nusslein－Volhard（德）、Wieschaus（美）20世纪40～70年代先后独立鉴定了控制果蝇（Drosophila）体节发育基因

第35页：分子生物学实际应用的现状和展望

分子生物学实际应用的现状和展望

• 促进了以基因工程为核心的生物技术的发展，从而影响经济发展的诸多领域1、农业方面生物品种的改良速度更快、目标更准确，甚至创造新物种转基因动物－－－－－猪、牛、羊、鱼等植物－－－－－抗虫棉（Bt毒素蛋白基因）、耐贮藏番茄等

第36页：医药方面利用重组DNA产生的工程菌来大量

2、医药方面利用重组DNA产生的工程菌来大量高效地合成人体活性多肽（疾病的诊断、预防和治疗），基因工程疫苗（细菌疫苗、病毒疫苗、寄生虫疫苗）以及正在研制的癌症疫苗

第37页：工业方面*酶制剂工业用酶的生产

3、工业方面*酶制剂工业用酶的生产、酶的定向改造

第38页：环保工业上

*环保工业上：工程菌提高降解效率扩大可降解污染物的种类

第39页：化学与能源工业上

*化学与能源工业上：重组DNA技术生产丁醇，及用基因工程技术改善微生物发酵生产丙酮、酒精、醋酸等的转化效率基因工程修饰过的淀粉及重组DNA技术生产酒精等石油替代品* 食品工业上：谷氨酸、调味剂、酒类和油类例：不含软脂酸的大豆色拉油生物技术必将在世界人口问题、疾病问题、人的寿命问题、营养保健问题、农业持续发展问题、资源再利用问题、大气污染问题、世界公害问题、洁净新能源问题等各方面问题的解决中起重要作用

第40页：生物大分子的高级三维结构与功能的统一生物

生物大分子的高级三维结构与功能的统一生物大分子之间的互作→ 基因的社会学(Nature 杂志94年增设Natural developing biology分册)基因表达，基因互作器官发生胚胎形成个体发育结构生物学（Structural Biology）分子发育生物学（Molecular Developing Biology）4、分子生物学的发展导致未来生物学的新热点及领域PCD（program cell death）细胞凋亡

第41页：个体细胞分子还原论整体论细胞中的定位细胞

个体细胞分子还原论整体论细胞中的定位细胞分化神经基质神经通道信息传递大分子克隆一级结构分析三维结构重建思维感情记忆科学解释脑科学+ 计算机智能革命分子细胞生物学(Molecular Cell Biology)分子神经生物学（Molecular Neurobiology）

第42页：1986. FriendRB1第一个抑制

1986. FriendRB1第一个抑制癌基因被克隆(Tumor Suppressor gene)11个抑癌基因被证实（P53, P21, ERBA, WT1,NF1 等）1975. Bishop M. Src (Sarcoma肉瘤)癌基因的证实分子肿瘤学（Molecular Tumorology）

第43页：人类基因组计划

人类基因组计划（HGP）遗传图物理图序列图表达图基因定位基因克隆基因转移基因的分子生物学比较基因组研究水稻等作物基因组计划猪，牛等家畜基因组计划中心法则的深入研究与发展----基因组学（Genomics )

第44页：

第45页：人与大鼠的基因90%是相同的

人与大鼠的基因90%是相同的

第46页：SARS的基因组研究

SARS的基因组研究

• 4月12日，4月14日，4月16日

第47页：Characterization of a Novel

Characterization of a Novel Coronavirus Associated with Severe Acute Respiratory SyndromePaul A. Rota, M. Steven Oberste, Stephan S. Monroe, W. Allan Nix, Ray Campagnoli, Joseph P. Icenogle, Silvia Peñaranda, Bettina Bankamp, Kaija Maher, Min-hsin Chen, Suxiong Tong, Azaibi Tamin, Luis Lowe, Michael Frace, Joseph L. DeRisi, Qi Chen, David Wang, Dean D. Erdman, Teresa C. T. Peret, Cara Burns, Thomas G. Ksiazek, Pierre E. Rollin, Anthony Sanchez, Stephanie Liffick, Brian Holloway, Josef Limor, Karen McCaustland, Melissa Olsen-Rasmussen, Ron Fouchier, Stephan Günther, Albert D. M. E. Osterhaus, Christian Drosten, Mark A. Pallansch, Larry J. Anderson, and William J. Bellini Science2003 300: 1394-1399. (in Research Articles)[Abstract][Full Text]The Genome Sequence of the SARS-Associated CoronavirusMarco A. Marra, Steven J. M. Jones, Caroline R. Astell, Robert A. Holt, Angela Brooks-Wilson, Yaron S. N. Butterfield, Jaswinder Khattra, Jennifer K. Asano, Sarah A. Barber, Susanna Y. Chan, Alison Cloutier, Shaun M. Coughlin, Doug Freeman, Noreen Girn, Obi L. Griffith, Stephen R. Leach, Michael Mayo, Helen McDonald, Stephen B. Montgomery, Pawan K. Pandoh, Anca S. Petrescu, A. Gordon Robertson, Jacqueline E. Schein, Asim Siddiqui, Duane E. Smailus, Jeff M. Stott, George S. Yang, Francis Plummer, Anton Andonov, Harvey Artsob, Nathalie Bastien, Kathy Bernard, Timothy F. Booth, Donnie Bowness, Martin Czub, Michael Drebot, Lisa Fernando, Ramon Flick, Michael Garbutt, Michael Gray, Allen Grolla, Steven Jones, Heinz Feldmann, Adrienne Meyers, Amin Kabani, Yan Li, Susan Normand, Ute Stroher, Graham A. Tipples, Shaun Tyler, Robert Vogrig, Diane Ward, Brynn Watson, Robert C. Brunham, Mel Krajden, Martin Petric, Danuta M. Skowronski, Chris Upton, and Rachel L. Roper Science2003 300: 1399-1404. (in Research Articles)[Abstract][Full Text]同时发表的冠状病毒测序的文章

第48页：中科院北京基因组研究所发表的测序的文章

中科院北京基因组研究所发表的测序的文章（中国科学）

第49页：基因的识别与鉴定基因功能信息的提取与证实

基因的识别与鉴定基因功能信息的提取与证实基因表达谱的绘制(microarray)基因功能的改变（基因敲出knockout）蛋白质水平上基因互作的探测功能基因组学(Functional Genomics or post—Genomics)

第50页：蛋白质组（proteome）一词

蛋白质组（proteome）一词

• 蛋白质组的研究不仅能为生命活动规律提供物质基础，也能为众多种疾病机理的阐明及攻克提供理论根据和解决途径。
• 通过对正常个体及病理个体间的蛋白质组比较分析，我们可以找到某些“疾病特异性的蛋白质分子”，它们可成为新药物设计的分子靶点，或者也会为疾病的早期诊断提供分子标志。
• Proteomeis the total number of proteins produced by an organism.

第51页：SARS的蛋白质组研究进展

SARS的蛋白质组研究进展

第52页：SNME酵母系统表达的SARS蛋白或肽段

SNME酵母系统表达的SARS蛋白或肽段H4297360RNA polymerase A/B1011021056108109107110104103B6B5B3B9B1035363738B1280B1B1355B8B4B7H7B143Cl-proRdRp

第53页：计算计语言分辨

计算计语言分辨

• 计算计语言分辨，提取，分析，比较，预测生物信息生物大分子的结构与功能信息生物信息学(Bioinformatics)生物芯片DNA芯片蛋白质芯片
• 检测SARS病人筛选药物
• 研究蛋白质与蛋白质、核酸、及小分子物质的相互作用
• 研究病人的受体蛋白SARS 病毒全蛋白组芯片的制备及用途

第54页：基因概念的演变与发展1

四、基因概念的演变与发展1、早期的基因概念（遗传的认识）a、融合遗传理论Blending inheritance母本体液父本体液子代具有父母双亲的性状b、获得性遗传（Iheritance of acquired characters）๏获得的性状是由环境影响๏新性状一旦获得，便能遗传给后代

第55页：泛生论假说

c、泛生论假说（Hypothesis of the Pangenesis）C.Darwin๏生物体的每一个性状由一个泛生力（panger）控制d、种质论（Theroy of germplasm）A. Weismann 著名的老鼠尾巴试验种质๏种质๏体质种质๏体质（根、茎、叶）否定……….

第56页：遗传因子假说

遗传因子假说

• e、遗传因子假说（Hypothesis of the inherited factor）Mendel 1866๏生物性状由遗传因子控制๏亲代传给子代的是遗传因子(A. a;
• B.b………) ๏遗传因子在体细胞内成双(AA.aa)，在生殖细胞内为单๏杂合子后代体细胞内具有成双的遗传因子๏等位的遗传因子独立分离，非等位遗传因子间自由组合地分配到配子中该假说彻地否定了泛生论、获得性遗传理论、融合遗传理论

第57页：代表遗传性状的符号－－基因

f、代表遗传性状的符号－－基因（gene）提出1909 W.L.Johannsen（丹麦）但并不代表物质实体，还没有涉及到基因的物质概念2、经典的基因概念（Theory of the gene）1926 T. H. Morgan1910年始做果蝇杂交试验，发现“连锁遗传规律”,并概括提出“基因论”๏基因是染色体上的实体（第一次把基因和染色体联系起来）๏基因象链珠（bead）一样，孤立地成线状排列在染色体上

第58页：๏基因是集功能

๏基因是集功能、突变、交换三位一体的最小的、不可分割的基本单位（Three in one）3、基因概念的发展a、顺反子理论（Theory of cistron）1955 S. Benzer 其重要的理论基础：①“一个基因一个酶”假说1941 Beadle & Tatum红色面包酶Ingram修正为“一个基因一条多肽”对经典基因概念的第一次重要修正与发展②基因的化学本质就是DNA分子1944 Avery. O.T

第59页：互补试验Mut.T4 rII

互补试验Mut.T4 rII : rII107, rII105, rII51, rII47……(400)T4 PhageE.coli B E.coli k12噬菌斑（Plaque）W.tT4Mut.T4 rII白,小,边缘模糊白,小,边缘模糊大, 园, 边缘清晰

第60页：rII4700rII10200rII47rII104E.

rII4700rII10200rII47rII104E.

• RII regionRII 47 104 101 103 105 106 51 102重组分析How many genes ?

第61页：00rII47rII10600rII106rII51互补

00rII47rII10600rII106rII51互补

• 功能互补function complementaryrII 47rII106rII106rII51difficult 繁殖propagation重组recombinationWhy?How?

第62页：OnegeneoneenzymeMutantWild

OnegeneoneenzymeMutantWild

• A b1A b2a1 BA b2相依为命！依据；
• OnegeneoneenzymeMutantWild type无能为力！

第63页：不同的非等位基因同一等位基因功能互补效应

不同的非等位基因同一等位基因功能互补效应

• 杂合二倍体内，野生型基因对突变型等位基因，可以发生功能的补偿.产生功能互补效应
• 带有不同突变位点的噬菌体同时感染一个E.coli，构成双突变杂合二倍体，组成互补测验体系，以测定各突变位点所在基因的等位性。

第64页：rII47 104 101 103 105 106

rII47 104 101 103 105 106

• A geneB geneT4噬菌体的rⅡ区域包括两个基因rII of T4phage including two genes

第65页：顺反子假说

顺反子假说

• 顺反子假说（Theoryofcistron）
• Cistron是基因的同义词
• Cistronisthegeneticunitdefinedbythecis/transtest;
• equivalenttogene.
• 在一个顺反子内，有若干个交换单位交换子（recon）
• 基因是一个具有特定功能的，完整的，不可分割的最小的遗传单位
• 基因内可以较低频率发生基因内的重组，交换threeinoneoneinone

第66页：pseudoalleles

pseudoalleles

• mut1Xmut2W.t是基因内发生交换的结果
• cistron概念的提出是对经典的基因概念的动摇是对pseudo alleles概念的修正b、等位基因（Allele, Allomorph）概念的发展位于一对同源染色体的相同位置上控制某一性状的不同形态的基因Allele同一座位存在的两个以上不同状态的基因, 其总和称之为复等位基因（multiple alleles）（A, a1, a2..）

第67页：位点（site）Gene

位点（site）Gene locusMut a1Mut a2×W.t AMut a1Mut a2ATTCTGAGCTATTCGGAGCTATTCAGAGCTATTCGGAGCTATTCAGAGCT(mut2)ATTCAGAGCTATTCGGAGCT(mut1)全同等位基因在同一基因座位(locus)中，同一突变位点（site）向不同方向发生突变所形成的等位基因( homoallele )

第68页：非全同等位基因

非全同等位基因

• 非全同等位基因；
• 在同一基因座位（locus）中，不同突变位点（site）发生突变所形成的等位基因。
• ( heteroallele )siteGene locusMut a1Mut a2×siteW.t AMut a1Mut a2ATTCTGAGCTATTCGGAGCTATTCTGAGATATTCGGAGCTATTCGGAGAT(mut)ATTCTGAGATATTCTGAGCT (W.t)

第69页：one gene →one function

one gene →one function

• onegene→oneenzymeLac. Operon诱导物C、操纵子理论(Lactose operon1961. Jacob, Monod )
• 基因功能的表现是若干基因组成的信息表达的整体行为I P O Z Y Azonegene→onepeptideya

第70页：可转录

可转录、可翻译的（transcriptable,translatablegeneZ,Y,A)可转录但不翻译(transcriptable but nontranslatable genetDNA, rDNA)不转录、不翻译(nontranscriptable, nontranslatable gene)(promoter,operator )基因的类型Gene (cistron)is the segment of DNA involved in producing a polypeptide chain as well as a functional RNA

第71页：cisactionfactorAffectstheact

cisactionfactorAffectstheact

• (无基因产物的DNA功能区)

第72页：trans action

trans action factorAffectstheactivityofanygenelocatedongenomebyitstranslatedproduct.通过扩散自身表达产物（酶，调节蛋白）控制其他基因的表达可转录，可翻译调节蛋白的DNA功能区可通过互补测验体系确定其功能区域

第73页：新的发现－－概念断裂基因

d、新的发现－－概念断裂基因、重叠基因、跳跃基因主要参考书目：孙乃恩等.《分子遗传学》南京大学出版社.1990

第74页：

第75页：朱玉贤等.《现代分子生物学》科学出版社.

朱玉贤等.《现代分子生物学》科学出版社.2000

第76页：Robert F.Weaver 《Molecular

Robert F.Weaver 《Molecular Biology》科学出版社影印版

第77页：Lewin.B.《GeneⅦ》OxfordUnivers

Lewin.B.《GeneⅦ》OxfordUniversityPress1999Turner.PCetal《分子生物学》精要速览影印版.科学出版社2001

第78页：

第79页：复习题1

复习题1

• 复习题1、名词广义分子生物学狭义分子生物学复等位基因全同等位基因非全同等位基因2、问答题＊列举5～10位获诺贝尔奖的科学家，简要说明其贡献＊一个基因一个酶的说法是否准确,为什么？
• ＊简要回顾人类对基因的研究与认识过程并根据你的见解给基因下一个定义＊顺反子理论的提出者是谁？
• 该理论对基因概念的发展有何贡献