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一、生物学的几个发展阶段简要回顾二、分子生物学的发展简史三、分子生物学的概念、原理、研究内容四、分子生物学取得的主要理论成就五、分子生物学取得的重要应用成就六、分子生物学的主要技术进步七、遗传的分子生物学八、基因工程现代生物学进展1、普通生物学阶段:以个体、群体、博物、描述为特征的生物学2、细胞生物学阶段:在细胞水平上揭示生命活动规律3、分子生物学阶段:在生物大分子水平上研究生命活动规律4、反向生物学阶段:由基因型到表型,由序列到功能的,与传统生物学研究思路反向而行的生物学,从理论上探讨生命的本质和生命运动的逻辑。一、生物学的几个发展阶段二、分子生物学发展简史1944.Avery证明DNA为遗传物质(转化试验)1953.Waston&CrickDNA双螺旋结构1958.Crick提出遗传中心法则1961.Monas&Jacob乳糖操纵子模型1966.Neriberg等破译全部遗传密码1970.Arber等DNA限制性内切酶Khorana体外合成tRNA,发现连接酶Baltimore&Temin逆转录酶1972.Bergλ噬菌体与SV40DNA体外重组1973.Boyer&Cohen重组质粒表达成功1975.Southern发明杂交技术Bishop等发现第一个癌基因Src1977.Sanger.Maxman&Gilbert快速测序1978.Miniatis建立人类基因文库1981.Cech&Altman发现核酶1983.McClintock发现的跳跃基因获奖1984.Kohler单克隆抗体技术1985.Mullis首创PCR技术1990.人类基因组计划正式启动1993.Roberts&Sharp发现断裂基因Smith进行基因的定点突变1994.Gilman&BodbellG蛋白信号转导1995.Lewis等发现果蝇体节发育基因1997.Stanley发现朊病毒1999.Gunter.Blobel阐明胞内蛋白运输机理2000.Carlsson等神经多巴胺在信号转导中的作用2001.Hartwell等发现细胞周期调控因子CDK激酶等三、分子生物学概念、原理、内容1、概念:广义:所有生物大分子的结构、功能、重要性、规律性及相互关系狭义:分子遗传学2、内容:①生物大分子的结构与功能或①蛋白质的分子生物学②基因工程②核酸的分子生物学③基因表达调控③信号转导的分子生物学3、三条基本原理:①所有生物体大分子的构成单位相同②大分子建成规则相同③生物体的特异性由其大分子的特异性所规定四、主要的理论成就1、DNA双螺旋模板学说2、遗传中心法则3、基因表达调控理论(操纵子模型)4、基因学说的丰富和发展(基因现代概念的确立)5、基因突变理论6、基因作图理论7、分子进化学说8、信号转导学说9、细胞周期调控理论10、癌变的分子机制11、通用遗传密码字典与非通用遗传密码字典12、生物信息学13、基因组学与比较基因组学14、“RNA世界”假说15、细胞衰老和程序化死亡机理五、主要的应用成就(1)已用基因工程的技术研制出了一批珍贵的基因工程药物:①人生长抑素②生产胰岛素③生产生长激素④生产组织型血纤维蛋白溶酶原激活因子⑤抗血友病因子Ⅳ⑥制备乙型肝炎疫苗⑦生产多种细胞因子⑧制备基因工程抗体1、在医学上的应用成就(2)基因诊断与基因治疗①疾病诊断:遗传病、肿瘤、病毒感染的诊断,具有特异性高,适应性强的特点,常用方法有核酸杂交、RFLP、PCR、DNA指纹图谱②法医诊断、亲子鉴定③基因治疗:方法有将目的基因与逆转录病毒重组、转染受体细胞,使之表达以弥补缺陷;将目的基因对染色体进行定位整合,即基因打靶;裸DNA直接注射。至1997年,美国已批准上市的基因工程药物有近20种,它们是:胰岛素、人生长激素、干扰素、白细胞介素2、粒细胞集落刺激因子、粒细胞巨噬细胞集落刺激因子、红细胞生成素、组织溶纤原激活剂、生长激素、促生长素、抗血友病因子Ⅷ、葡糖脑苷脂酶、脱氧核糖核酸酶、乙型肝炎疫苗、甲型肝炎疫苗、体内用单克隆抗体、鼠单克隆抗体。至1998年,我国已批准上市的基因工程药物亦有10余种,如:干扰素、白细胞介素、粒细胞集落刺激因子、链激酶、红细胞生成素、成纤维细胞生长因子等。基因工程方法生产蛋白质药物的优势是非常明显的已投入使用(含临床试验)的基因工程疫苗①转基因植物:已克隆了100多个植物基因,使作物获得高产、优质、抗病、抗虫、抗逆等多种优良性状,下表列出了各国转基因作物的大田释放情况:转基因作物性状批准项数所占比例(%)抗除草剂129729.6抗虫104623.8优质88620.2抗病毒4369.9农学性状优2114.8抗真菌2084.7其它3036.92、在农业上的应用成就作物性状批准数马铃薯抗病、抗逆、品种5,1,1水稻抗虫、抗病、抗除草剂1,4,1棉花抗虫9玉米抗虫3大豆抗除草剂1小麦抗除草剂、品质1,1广藿香抗病1烟草抗病毒、抗虫2,2杨树抗虫1微生物提高固氮效率6我国获准进入大田的转基因植物(1998)②转基因动物:相继培育成功的转基因动物包括,鼠、猪、羊、鸡、兔、鲤鱼、鲶鱼、金鱼等。③克隆动物:1997年,英国科学家克隆成功“多莉”绵羊(由成年乳腺细胞发育而来)和“波莉”绵羊,它的乳汁中含有人类基因的蛋白产物。④分子辅助育种:改选育性状为选育标记。.3、在能源开发和环保中的成就①利用超级工程菌以植物秸杆作材料生产有“绿色石油”之称的新型能源——酒精。②构建超级工程菌迅速清除海洋中的石油污染及其它环境污染。4、在采矿工业中的应用用工程菌浸矿,浸出铜、铀、钴、锰、锌、铝等金属加拿大用细菌浸出的铀已达230万吨。①人类基因组计划②水稻基因组计划③模式生物基因组研究:已阐明基因组序列的生物有19种(均为单细胞生物),此外小鼠、果蝇、家蚕、拟南芥等模式生物的基因组序列也将很快阐明。④建立了世界共享的三大分子数据库5、基因组学的重大进展六、技术进步1.超离技术2.电泳技术3.电镜技术4.X衍射与核磁共振5.分子杂交技术(Southern/Northern/Western/FISH)6.基因克隆、基因文库7.PCR8.DNA测序9.DNA化学合成10.载体构建11.染色体步查12.基因定点诱变13.基因打靶14.基因转移15.动物克隆16.单克隆抗体17.基因工程抗体18.基因诊断19.基因治疗20.基因作图21.差异显示22.分子进化工程23.分子辅助育种24.生物芯片25.DNA指纹26.酵母双杂交27.基因捕获28.RNAi29.基因敲除PCR法:PCR(polymerasechainreaction)技术是Mullis于1986年发明的一项体外快速大量扩增DNA片段的方法(获1994年诺贝尔奖)。其基本原理就是在体外模拟体内DNA复制的过程,在反应系统中加入欲被扩增的DNA片段,作为模板;人工合成的寡聚核苷酸,作为引物;耐热的DNA聚合酶(Taq)以及四种核苷酸三磷酸。反应时,先加热至约92℃,使模板变性。降温至约50℃使引物与模板结合(退火),加温至72℃,在Taq酶作用下,使新DNA链延伸。重复92℃(变性)、50℃(复性)、72℃(延伸)的过程使DNA片段得到不断的扩增,可以重复几十个周期。DNA片段将2n(n为反应周期数)的倍数增加。人类基因组计划1993-1998年的目标和截止到1998年10月全球定量完成的情况以及1998-2003年的新目标七、生物信息学简介研究内容:(1)各种生物数据库的建立和管理。这是一切生物信息学工作的基础,通常要有计算机科学背景的专业人员与生物学家密切合作。(2)数据库接口和检索工具的研制。数据库的内容来自万千生物学者的日积月累,最终又为生物学者们所用。但不能要求一般生物学工作者具有高深的计算机和网络知识,因此,必须发展查询数据库和向库里提供数据的方便接口。这是专业人员才能胜任的工作,通常在生物信息中心里进行。(3)人类基因组计划的实施,配合大规模的DNA自动测序,对信息的采集和处理提出了空前的要求。从各种图谱的分析,大量序列片段的拼接组装,寻找基因和预测结构与功能,到数据和研究结果的视像化,无不需要高效率的算法和程序。研究新算法、发展方便适用的程序,是生物信息学的日常任务。(4)生物信息学最重要的任务,是从海量数据中提取新知识。这首先是从DNA序列中识别编码蛋白质的基因,以及调控基因表达的各种信号。其次,从基因组编码序列翻译出的蛋白质序列的数目急剧增加,根本不可能用实验方法一一确定它们的结构和功能。从已经积累的数据和知识出发,预测蛋白质的结构和功能,成为常规的研究任务。(5)DNA芯片和微阵列的发展,把一定组织或生物体内万千基因时空表达的研究提上日程.研究基因表达过程中的聚群关系,从中提取调控网络和代谢途径的知识,进而从整体上模拟细胞内的全部互相辅合的生化反应,在亚细胞层次理解生命活动。只有掌握已有数据、发展崭新算法,才能创造新的知识。这是生物信息学刚刚掀开的新篇章。2、在基因组计划中的作用1)高度自动化的实验数据的获得、加工和整理2)序列片段的拼接3)基因区域的预测4)基因功能预测5)分子进化的研究遗传的分子生物学基因的化学基础是什么?–遗传的染色体理论认为:基因位于细胞核内染色体上;–染色体的主要化学成份——蛋白质和核酸何者为基因的化学基础?*“蛋白质是遗传物质”观点及其主要论据。基因化学本质的条件:具有三种功能(p31)。–遗传功能(复制与世代传递);–表型功能(具有适当的控制性状的表达机制);–进化功能(能够产生变异满足生物进化的要求)。三个学派E.Schrödinger(1945)(薛丁格):Whatislife?二十世纪,由于物理学、化学和数学研究工作者的加入,在生物学与遗传学研究领域形成了三个学派:–物理学——结构——结构学派;–化学——生化——生化学派;–数学——信息——信息学派。第一节DNA作为主要遗传物质的证据一、DNA是遗传物质的间接证据二、DNA是遗传物质的直接证据(一)、细菌转化试验(二)、噬菌体侵染与繁殖试验(三)、烟草花叶病毒拆合实验*三、非核酸类的遗传物质一、DNA是遗传物质的间接证据1.DNA含量的恒定性;2.DNA代谢的稳定性;3.基因突变与紫外线诱变波长的关系。(二)、噬菌体侵染与繁殖试验1.背景知识噬菌体侵染与繁殖基本过程:–T2噬菌体浸染大肠杆菌后,遗传物质进入细菌细胞;–利用大肠杆菌的遗传复制系统复制噬菌体遗传物质;–利用大肠杆菌的遗传信息表达系统合成噬菌体组件;–最后组装形成完整的T2噬菌体。因此只要弄清侵染时进入细菌的是噬菌体的哪一部分,就可能证明哪种物质是遗传信息的载体。另外:–P是DNA的组成部分,但不存在于蛋白质中;–S存在于蛋白质中,但DNA中没有。2.Hershey和Chase的实验(p33)结果与结论试验结果表明:–主要是由于DNA进入细胞内才产生完整的噬菌体;结论:DNA才是(噬菌体的)遗传物质。题外话:–与Avery等人研究比较,本试验的精度低得多。但是由于放射性标记法(也称为示踪原子法),当时为人们普遍采用;–同时由于核酸研究及其它相关的成果,本试验结果很快得到人们的广泛认同。(三)、烟草花叶病毒拆合试验烟草花叶病毒(TMV)是由RNA与蛋白质构成的管状微粒:–中心是单链螺旋RNA、外部是蛋白质外壳。1.拆分感染试验:–将TMV的RNA与蛋白质分离、提纯;–分别接种烟叶,发现RNA能使烟叶致病,而蛋白质不能;–用RNA酶处理RNA后接种烟叶也不能致病,表明RNA可能就是TMV的遗传物质。2.重组合试验Frankel-Conrat,Singer(1956)进行了图示试验:综上所述:到上世纪中期,多方面证据都直接或间接地表明DNA是主要的遗传物质,而在缺乏DNA的某些病毒中RNA就是遗传物质。第二节核酸的化学结构与DNA复制*一、早期对核酸化学性质的研究二、DNA的一级结构三、DNA的二级结构*四、RNA的分子结构*五、DNA的复制*一、早期对核酸化学性质的研究虽然上世纪中才认识到DNA的生物学功能,核酸研究却已有一百多年
本文标题:现代生物学进展-现代分子生物学的若干主要进展
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