天津医科大学分子生物学研究进展绪论1013

,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,分子生物学进展,Fang ZHENG, MD. Ph.D.,Prof. Clinical Immunology,1,General,Introduction,History of Molecular Biology,Contents of Molecular Biology,Prospects of Molecular Biology,2,General,Introduction,History of Molecular Biology,Contents of Molecular Biology,Prospects of Molecular Biology,3,1. General Introduction,If you get the gene, you will get the protein.,If you want a protein, get its gene!,4,DNA双螺旋模型，使人们对基因理解由抽象化、概念化转为有准确的物质内容。这是分子生物学的,核心,。,1. General Introduction,5,20世纪90年代 ，“The International Union of Biochemistry”更名为“The International Union of Biochemistry and Molecular Biology”； “中国生物化学学会”更名为“中国生物化学与分子生物学学会” 。,分子生物学分化于生物化学。,1. General Introduction,6,分子生物学是在,分子水平上,研究生物的结构、组织和功能的科学。,主要涉及的内容有:,蛋白的结构、,酶、,抗体、,生物膜、,核酸等等。,1. General Introduction,7,分子生物学从分子水平深入探索生命与自然的奥秘，全面改造和改良生存环境与生存质量。,有了强大的分子生物学基础研究，才可能在生物工程这个21世纪的龙头产业中占有一席之地，才可能与世界列强平等对话。,1. General Introduction,8,General,Introduction,History of Molecular Biology,Contents of Molecular Biology,Prospects of Molecular Biology,9,Mendel的遗传学规律最先使人们对性状遗传产生了理性认识,Morgan的基因学说将“性状”与“基因”相偶联，成为现代遗传学的奠基石,Sumner在1936年证实酶是蛋白质,Sanger1953年首次阐明胰岛素一级结构,2. History of Molecular Biology,10,1910年，Kossel获得生理医学奖，他首先,分离出腺,嘌岭、胸腺嘧啶,和组氨酸。,1959年，Uchoa,多核苷酸磷酸化酶的发现，,成功地合成了核糖核酸，研究并重建了将基因内的遗传信息通过RNA中间体翻译成蛋白质的过程。,2. History of Molecular Biology,11,Watson和Crick在1953年提出,DNA的反向平行双螺旋模型，,于1962年与Wilkins共享生理医学奖，后者通过对,DNA分子的X射线衍射研究证实了Watson和Crick的DNA模型。,2. History of Molecular Biology,12,J.D. Watson,and,F.H.C. Crick,(1953),A structure for deoxyribose nucleic acid.,Nature,171:737,“We wish to suggest a structure for the,salt of deoxyribose nucleic acid (D.N.A.).,This structure has novel features which,are of considerable biological interest.”,Discovery of DNA Structure,One of the most important biological discovery in the 20th century,13,James D. Watson & Francis H.,Crick,Discovery of DNA Structure,14,Discovery of DNA Structure,Rosalind E. Franklin,19201958,The structure of DNA was determined using X-ray diffraction techniques. Much of the original X-ray diffraction data was generated by Rosalind E. Franklin.,15,16,J. Watson & F. Crick:,DNA structure,Max Perutz & John Kendrew:,Protein sequence,FrederickSanger:,Insulin sequence,FrederickSanger:,DNA sequencing,Cesar Milstein,& Georges Kohler:,Monoclonal,Ab,Discovery of DNA Structure,Laboratory of MolecularBiology，(LMB) (Cavendish Laboratory ),1955-,12,scientists received Noble Prize,17,1965年，Jacob和Monod 提出并证实了,操纵子理论,获生理医学奖。,1968年，Nirenberg,破译DNA遗传密码，,获生理医学奖。Holley阐明了酵母丙氨酸tRNA的核苷酸序列，证实所有tRNA具有结构上的相似性。,1975年，Dulbecco Temin和Baltimore发现,在RNA肿瘤病毒中存在以RNA为模板，逆转录生成DNA的逆转录酶,共享诺贝尔生理医学奖。,2. History of Molecular Biology,18,1980年，Sanger和Gilbert设计出一种测定,DNA分子内核甘酸序列,的方法获化学奖。,1989年，Altman和Cech发现,某些RNA具有酶的功能(称为核酶),而共享化学奖。,1993年，Mullis发明,PCR仪,与第一个设计基因定点突变的Smith共享化学奖,。,2. History of Molecular Biology,19,The PCR Revolution,Kary Mullis,1985 41y,Invention of PCR,1993 49y,Received the Noble Prize,2. History of Molecular Biology,20,2. History of Molecular Diagnostics,The PCR Revolution,PCR has greatly facilitated and revolutionized molecular diagnostics.,Its most powerful feature - large amount of copies of the target sequence generated by its exponential amplification, which allows the identification of a known mutation within a single day.,21,2. History of Molecular Diagnostics,The PCR Revolution,PCR markedly decreased need for radioactivity, allowed molecular diagnostics to enter the clinical laboratory.,PCR either is used for the generation of DNA fragments to be analyzed, or is part of the detection methods,22,General,Introduction,History of Molecular Biology,Contents of Molecular Biology,Prospects of Molecular Biology,23,分子生物学的基本原理:,构成生物体各类有机大分子的单体在不同生物中都是相同的；,生物体内一切有机大分子的建成都遵循共同的规则；,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。,3. Contents of Molecular Biology,24,分子生物学研究以下方面：,DNA重组技术,基因表达调控,生物大分子的结构功能,基因组、功能基因组与生物信息学,蛋白组学,3. Contents of Molecular Biology,25,DNA重组技术是20世纪70年代初兴起的分子生物学技术，,目的,是将DNA片段按照人们的设计定向连接起来，在特定的受体细胞中复制并得到表达，产生影响受体细胞的新的遗传性状。,3. Contents of Molecular Biology,Recombinant DNA Technology,26,A. Cloning:,（1）.A fragment of DNA is inserted into a special DNA molecule (vector) to produce a recombinant DNA molecule.,Vectors: which are tool DNA, and are used to carry target DNA( or genes of interest) into and replicate in some host cells to gain lot of the same target DNA for study or the target genes are expressed in order to get their products.,3. Contents of Molecular Biology,Recombinant DNA Technology,27,.The recombinant molecule is inserted into a host cell, usually the bacterium,Escherichia coli,but yeasts, insect, plant and animal cells can all be used.（transformant ）,.The recombinant molecule multiplies within the host cell and copies pass to the progeny cells as the host divides.,3. Contents of Molecular Biology,Recombinant DNA Technology,28,3. Contents of Molecular Biology,Recombinant DNA Technology,29,DNA重组技术的应用前景广阔。它可被用于,大量生产某些多肽；,定向改造某些生物的基因组结构，使它们所具备的特殊经济价值或功能得以成百上千倍地提高；,是研究分子生物学的重要手段。,3. Contents of Molecular Biology,Recombinant DNA Technology,30,从DNA到蛋白质的过程叫,基因表达,(gene expression)，对这个过程的调节即为,基因表达调控,(regulation of gene expression or gene control)。,基因调控是现代分子生物学研究的中心课题之一。因为要了解个体生长发育规律，形态结构特征及生物学功能，就必须搞清楚基因表达调控的时间和空间概念，掌握了基因调控机制，就等于掌握了一把揭示生物学奥秘的钥匙。,3. Contents of Molecular Biology,Gene expression regulation,31,众所周知，蛋白质控制细胞的代谢活动，而决定蛋白质结构和合成时序的信息却由,核酸编码,，基因表达实质上是遗传信息的,转录翻译,。,原核生物转录翻译在同一时间空间发生，基因表达调控主要发生在转录水平。,真核生物有细胞核，转录和翻译过程在时间和空间被隔开，基因表达的调控可以发生在各种不同的水平。,3. Contents of Molecular Biology,Gene expression regulation,32,基因表达调控主要表现在以下几个方面：, 转录水平上的调控；, mRNA加工、成熟水平上的调控；, 翻译水平上的调控；,3. Contents of Molecular Biology,Gene expression regulation,33,基因表达调控的指挥系统有很多种，不同生物使用不同的信号来指挥基因调控。原核生物和真核生物之间存在着相当大的差异。原核生物中，营养状况、环境因素对基因表达起着十分重要的作用；而真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平、发育阶段等是基因表达调控的主要手段，营养和环境因素的影响则为次要因素。,3. Contents of Molecular Biology,Gene expression regulation,34,生物大分子拥有特定的,空间结构,；在它发挥生物学功能的过程中,结构构象,发生变化。,结构分子生物学,是研究生物大分子特定空间结构及结构运动变化与其生物学功能关系的科学。,3. Contents of Molecular Biology,Structural molecular biology,35,结构分子生物学是结构生物学中最活跃的研究层次，它是在分子层次上从结构角度特别是从三维结构的角度研究和阐明当前生物学中各个前沿领域的重要学科问题。,结构分子生物学是一个包括生物学、物理学、化学和计算数学等多学科交叉的，以结构（特别是三维结构）测定为手段，以结构与功能关系研究为内容，以阐明生物学功能机制为目的的前沿学科。,3. Contents of Molecular Biology,Structural molecular biology,36,众所周知，生物大分子发挥其生物学功能（包括分子间的识别、结合，能量及信息的传递等相互作用）必需具备：（1）稳定的特征的三维结构，（2）其三维结构在各个水平上的运动。而各个层次的生命活动都是建立在生物大分子的结构、运动及其相互作用的基础上。,50年代核酸双螺旋结构模型的确定及其后肌红蛋白与血红蛋白三维结构的阐明为分子生物学奠定了学科基础。过去、现在和将来分子生物学中的每一个前沿突破都是并必将是与其三维结构研究的突破密切相关。生物大分子的结构与功能研究是分子生物学的基础和学科前沿，它更是分子生物物理学的核心。,3. Contents of Molecular Biology,Structural molecular biology,37,结构分子生物学研究内容包括：,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,常见研究的手段是,x射线衍射晶体学,二维或多维核磁共振,3. Contents of Molecular Biology,Structural molecular biology,38,基因组学,Genomics,功能基因组学,Functional Genomics,生物信息学,Bioinformatics,3. Contents of Molecular Biology,Genomics, Functional Genomics,bioinformatics,39,基因组计划,测定基因组序列。,功能基因组,：为阐明基因的功能、预测基因所编码蛋白的功能与活性、利用这些基因的产物，旨在快速、高效、大规模鉴定基因的产物和功能。,生物信息学,：依靠计算机快速高效运算并进行统计分类和结构功能预测。,3. Contents of Molecular Biology,Genomics, Functional Genomics,bioinformatics,40,基因组学,Genomics,研究生物基因组的组成,组内各基因的精确结构、相互关系及表达调控的科学,。该学科提供基因组信息以及相关数据系统利用，试图解决生物，医学，和工业领域的重大问题,主要方法,包括： 生物信息学，遗传分析,基因表达测量和基因功能鉴定基因组学出现于1980年代，1990年代随着几个物种基因组计划的启动，基因组学取得长足发展。,3. Contents of Molecular Biology,Genomics, Functional Genomics,bioinformatics,41,2003年月14日,，国际人类基因组测序组宣布：人类基因组序列图-“完成图”提前绘制成功。,人类基因组计划成果可以揭示人类生命活动的奥秘。基因遗传性疾病、严重危害人类健康的易感性疾病的致病机理有望得到彻底阐明。,3. Contents of Molecular Biology,Genomics, Functional Genomics,bioinformatics,42,U.S. Government project coordinated by the Dept. of Energy and NIH,Goals of the Human Genome Project,(19902006), To identify all of the genes in human DNA;, To determine the sequences of the 3 billion bases that make up human DNA;, To create databases;, To develop tools for data analysis; and, To address the ethical, legal, and social issues that arise from genome research,Human Genome Project,43,3. Contents of Molecular Biology,Proteomics,人类基因组计划,( HGP),全部基因测定的完成,标志着分子生物学已跨入后基因时代。,由于基因组学不能阐明蛋白质表达的水平与时间、翻译后修饰、蛋白质与蛋白质相互作用等众多问题,人们于是提出了蛋白质组学概念,并以此来探讨细胞的结构与功能以及生命活动的本质和规律。,44,3. Contents of Molecular Biology,Proteomics,1995,年,Wasinger,VC,等人提出了蛋白质组学,(proteomics ),的科学概念,其主要任务是研究蛋白质的结构与功能。蛋白质是生命活动的最终体现者。,蛋白质组学（,Proteomics,）,是从整体的角度出发来研究细胞内蛋白质的组成及其活动规律的一门科学。,45,3. Contents of Molecular Biology,蛋白质组学不同于传统蛋白质学科之处:,研究的目的,是阐明生物体全部蛋白质的表达模式与功能模式,研究的内容,十分广泛,涵盖了某个机体或某个细胞全部的蛋白质的结构和功能,包括鉴定蛋白质的表达、存在方式,(,化学修饰,),、结构与功能的相互依赖关系,从某个生物体或某个细胞全部蛋白质,(,现已知单个细胞可容纳,2,万种蛋白质,),整体活动角度揭示与阐明生命活动的基本规律,46,3. Contents of Molecular Biology,Proteomics,蛋白质组学可分为三种类型:,蛋白表达蛋白质组学(protein,expression proteomics ),结构蛋白质组学(structural,proteomics ),功能蛋白质组学(functional proteomics ),47,3. Contents of Molecular Biology,Proteomics,蛋白表达蛋白质组学,protein expression proteomics,定量研究蛋白质表达的技术,例,如鉴定某种疾病的特异性标志蛋白, 应用它已从乙型肝炎病毒(HBV)感染者血清, 原发性口舌鳞状上皮癌细胞组织中鉴定出生物标志蛋白。,48,3. Contents of Molecular Biology,Proteomics,结构,蛋白质组学,structural proteomics,其,主要任务是阐明蛋白质复合体或一个细胞器内的蛋白质的结构, 例如阐明存在于线粒体、叶绿体、细胞核内的全部结构蛋白以及转录组中蛋白质蛋白质的相互作用。,49,3. Contents of Molecular Biology,Proteomics,功能蛋白质组学,functional proteomics,其主要任务是从分子水平分析亚细胞结构中蛋白质在功能上的组织构成及蛋白质表达谱, 如研究线粒体外膜、内膜、胞液、基质间隙的各种蛋白质定位, 并进行其功能分析。,50,3. Contents of Molecular Biology,Proteomics,与研究核酸分子生物学相比, 完成以上三类蛋白质组学的研究任务, 需要更为复杂的高端技术,并需要通过生物学、分子生物学、生物物理学、生物医学与生物信息学多学科联合攻关才可望实现这个宏伟的目标。,51,General,Introduction,History of Molecular Biology,Contents of Molecular Biology,Prospects of Molecular Biology,52,从20世纪50年代Watson和Crick提出DNA双螺旋模型至今，生物学领域发生了巨变。,核苷酸序列测定技术的进步，使人类基因组30亿个碱基对全部被测定。,X射线衍射及其他高分子研究技术建立生物大分子三维构象库的梦想成真。,DNA重组技术的应用，使得基因克隆分析日益成为“常规武器”。,到2000年，全球范围内己有200多种植物被转化成功。,4. Prospects of Molecular Biology,53,生物学在各个学科之间广泛渗透，相互促进，不断深入和发展。,科学家从宏观和微观、分子水平、细胞水平、个体和群体深入探索各种生物学现象，逐步揭开生命的奥秘；,并为数学、物理、化学、信息科学、材料与工程科学提出了新概念、新问题和新思路，促使这些学科得到提高。,4. Prospects of Molecular Biology,54,生命活动的本质是高度一致的，如核酸与蛋白质一级结构的对应关系，在整个生命世界都是一致的。,4. Prospects of Molecular Biology,55,当代生物学研究的三大主题,分子生物学,细胞生物学,神经生物学,分子生物学的全面渗透推动了细胞生物学和神经生物学的发展。,4. Prospects of Molecular Biology,56,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，,分子遗传学已成为人类了解、阐明和改造自然界的重要武器。,4. Prospects of Molecular Biology,57,分类和进化研究由于分子生物学的渗透而获得了新生。,反映不同生命活动中更为本质的核酸、蛋白质序列间的比较，已被大量用于分类和进化的研究。,科学家已经可能从已灭绝的化石里提取微量的DNA分子进行研究，以此确证这些生物在进化树上的地位。,4. Prospects of Molecular Biology,58,分子生物学对发育生物学产生了巨大的影响。,个体生长发育所需的全部信息都是储存在DNA序列中的，受精卵中的遗传信息按照一定的顺序表达，高度有序的生物世界才会存在。,4. Prospects of Molecular Biology,59,分子生物学揭示了生命本质的一致性，本世纪的生物学将是统一生物学(general biology)，生物学所有学科将在分子水平上统一。,物理、化学家进入生物学领域，有力地推动了生命科学，也极大地影响了这两个学科的发展。,分子生物学进展最迅速、最具活力和生气、是新世纪的带头学科。,4. Prospects of Molecular Biology,60,END,61,