分子生物学前几章讲义

《医学分子生物学》讲义Molecular Biology刘伟石河子大学医学院医学分子生物学Molecular Biology刘伟石河子大学医学院分子生物学教学大纲第一章绪论第二章基因第三章基因组第四章DNA损伤与修复第五章翻译后功能蛋白质的形成与降解第六章基因表达调控第七章基因工程与基因体外表达第八章基因水平整段疾病第九章基因功能分析的基本策略第一章绪论一、分子生物学的研究对象二、分子生物学发展简史三、分子生物学与相关学科的关系四、分子生物学与医学未来第一节分子生物学的研究对象（一）分子生物学的定义与简介广义：是从分子水平上，研究生命现象、本质、活动、规律的一门科学。

狭义：从分子水平来研究基因结构和功能。

分子生物学由遗传学和生物化学发展而来。

一、分子生物学的研究对象（二）分子生物学的研究内容分子生物学主要研究生物大分子的结构、功能，生物大分子之间的互作用及其疾病发生、发展的关系。

医学分子生物学主要是研究人体生长、发育、衰老、死亡等生命现象及其人体疾病的发生发展的关系。

第二节分子生物学的发展简史分子生物学的发展过程遗传和变异是生物的一对重要概念。

遗传赋于生物种的稳定，保证生物种的延锦不断；变异则赋于生物种的进化，保证生物种对环境的适应。

遗传和变异这一对矛盾在一个生物体内统一起来。

遗传学要解决问题是生命科学和医学中极为关键的问题。

分子水平技术手段一旦与遗传学研究相结合，就可在分子水平上解释遗传学的问题，促使分子遗传学的形成和发展。

随后遗传学以及生物化学的发展，分子生物学逐步形成和掘起，从40年代起，在理论和技术方面奠定了雄厚的基础。

分子生物学的发展简史分子生物学发展过程中的重大成果(一）理论上的三大发现1.40年代，Avery发现了生物遗传物质的化学本质是DNA。

2.50年代，Walson-crick提出DNA结构的双螺旋模型，弄清生物遗传的分子机制。

3.60年代，确定了遗传信息的传递方式：DNA→RNA→protein分子生物学的发展简史分子生物学发展过程中的重大成果（二）技术上的3大发明1. “基因剪刀”—限制性核酸内切酶发明从40～60年代，科学家们就为基因工程设计好了美丽的蓝图，但是而对庞大ds-DNA，无从下手把它切成单个的基因片段，当时酶学知识已有相当的发展，但没有1个已发现的酶能够完成这样的使命。

1970年，Smith Wilcox在流感嗜血杆菌(Haemophilus influenzae)中分离纯化了Hind II，取得了突破，打破了基因工程的禁固，迎来了改造生物、基因工程技术、分子生物学技术奠定了最主要的技术基础。

分子生物学的发展简史分子生物学发展过程中的重大成果（二）技术上的3大发明2. 载体（“车子”）有了切割与缝合（连接酶）基因DNA，还没一个载体“车子”，将重组DNA 送到主细胞中去。

从1946年起，Lederberg就研究细菌性因子，即F因子，50～60年代相继发现了R因子（抗药性因子）、COE（大肠杆菌因子）等质粒。

直到1973年，Cohen才将质粒作为基因工程载体使用，这是基因工程的第2个技术准备。

分子生物学的发展简史分子生物学发展过程中的重大成果（二）技术上的3大发明3. 逆转录酶的发现1970年，Baltimore和Temin等同时各自发现了逆转录酶，打破了遗传学的中心法则，使真核基因的制备成为可能。

有了这些理论和技术武装，分子生物学迎来了飞速发展的春天。

1973年，分子生物学最重要的技术­——基因工程，由Berg和Cohen两位科学的“助产士”接到了人间，首次人类在体外产生第一个重组DNA分子，此过程称之为分子克隆。

分子生物学的发展过程国外：1944年，Avery 证明DNA是遗传因子。

1953年，Watson and Crick提出DNA双螺旋模型。

1958年，Meselson and Stahl证明DNA半保留复制。

1958年，Crick提出分子生物学中心法则。

1961年，Jacon and Monod提出操纵子学说。

1961年，Nirenberg破译第一遗传密码。

1967年，发现DNA 连接酶。

1969年，Crick-Nirenberg确定全部遗传密码。

1970年，Temin and Baltimore发现反转录酶。

1972年，Smith发现第一个Ⅱ型限制性核酸内切酶。

1973年，Cohen成功做成基因克隆。

1975年，Southern发明Southern 杂交。

1977年，Sanger创造了DNA序列测定。

1979年，Northern发明了Northern 杂交。

1985年，Kary Mullis发明PCR技术。

1995年，美国实验室第一次做出基因芯片（microarray）。

2001年2月绘制完成人类基因组序列图.第三节分子生物学与相关学科的关系（一）分子生物学与生物化学生物化学与分子生物学的关系最为密切。

分子生物学虽然主要起源于生物化学，但又不同于生物化学。

生物化学主要是从化学角度上研究生命现象的科学，它着重研究生物体内各种生物分子的结构、转化和新陈代谢。

而分子生物学着重阐明生命物质（核酸和蛋白质）的结构与功能的关系、细胞内信号转导途径和基因表达调控的机制。

分子生物学与相关学科的关系（二）分子生物学与细胞生物学细胞生物学与分子生物学的关系十分密切。

传统上，细胞生物学主要是利用光学显微镜和电子显微镜研究细胞和亚细胞器的形态、结构与功能。

细胞作为生物体的基本构成单位，探讨组成细胞的生物大分子结构与功能，比单纯观察细胞的形态更能深入了解细胞的结构与功能。

因此现代细胞生物学越来越多利用分子生物学的理论和方法。

分子生物学则从生物大分子的结构入手，并进一步研究各种生物分子之间高层次的组织、结构和相互作用，尤其是细胞整体反应的分子机制，这在某种程度上反映了分子生物学与细胞生物学的交叉与融合。

分子生物学与相关学科的关系（三）分子生物学与遗传学遗传学是研究生物体遗传和变异的科学。

由于分子生物学的兴起与发展，从分子水平上确认了生物遗传信息—DNA，随着DNA双螺旋结构的发现，经典遗传学进入了分子水平，从而诞生了分子遗传学。

分子遗传是分子生物学和遗传学相互交叉和渗透的结果。

分子遗传学和分子生物学的研究界限越来越模糊，但并不能说分子遗传学就等于分子生物学，因为分子生物学的研究范围更为广泛，几乎包括生命科学各领域在分子水平上的研究。

分子生物学与相关学科的关系（四）分子生物学与生物技术生物技术（biotechnology）是指:利用细胞和分子过程来解决问题制造产品的技术。

现代生物技术是分子生物学在生物加工过程中的应用，并及时和充分地反映了近代分子生物学的研究成果。

例如基因工程在临床医学上的应用，已经发展为基因治疗；同时发展形成新一代的核算产业或DNA药物产业，使对疾病的治疗开始进入利用人类自身基因或DNA分子的新时代。

第四节分子生物学与医学未来分子生物学与医学的发展（一）基础医学基础医学是整个医学的基石，其发展趋势将是分子生物学作为基础医学纽带继续向各分支学科渗透，形成医学分子生物学，免疫学，神经科学，人体遗传学，内分泌学和药理学等前沿科学竞相争艳的局面。

医学分子生物学将在基因和分子水平上探讨某些疑难疾病的发生、发展和转归规律，试图从根本上诊治和预防重大疾病。

基因、蛋白质和生物膜的结构和功能是其主攻方向。

免疫学将在分子水平，细胞水平和临床水平研究重要的细胞因子，抗原的性质，免疫细胞的分化与调节及免疫与病理、药理、移植、生殖和衰老的关系。

神经科学将包括：脑研究、神经递质、神经肽及受体研究，神经调节、神经细胞的发育与分化，痛与镇痛研究，学习、记忆、情绪和行为的神经基础研究等。

药理学将研究药物对基因、受体、功能蛋白质和生物膜的影响，药物对基因、受体、功能蛋白质和生物膜的影响，药物代谢和调节，内源性和外源性活性物质等。

人体遗传学将研究染色体的结构和功能，遗传病及易感性的分子基础，群体遗传学，基因诊断和基因治疗。

内分泌学将研究激素的结构与功能及相互作用，活性肽和受体结构与功能，内分泌疾病发病机理等。

随着众研究和认识的深入，基因图谱和基因调控机制将给很多疑难病症（包括产前、胎内）诊断和治疗方面显示巨大的威力，基因诊断技术将广泛开展，对人体疾病和健康预报可能逐步做到象天气预报一样及时和准确。

矫正基因本身结构缺陷第一代基因治疗现在刚刚开始临床试验，正逐步完善，它将成为最具希望的崭新疗法，随后针对基因表达调控的第二代基因治疗亦将产生。

（二）重大疾病的防治疾病谱的改变使癌症、心血管脑病、呼吸系统疾病、艾滋病和遗传病等明显成为当今重大疾病。

攻克这些疾病的科学途径仍然是搞清发病机理，掌握有效的防治手段及预防机理的探索、实施。

80年代至今对癌基因和抑癌基因认识不断深入，有可能在遗传基础这一根本环节上了解细胞癌变原理和反分化、反调控等生物医学现象，为探明与癌变有关的因素提供线索，而这又是癌症一级预防和二级预防所必需的理论依据。

心脑血管病与胆固醇和脂蛋白代谢和调节异常有关。

探明这些代谢与调节诸因子的基因结构与功能及其相互关系和变化规律，是解决血管病防治的关键。

现在已知的遗传病达6000多种，大部分发病机理不详，表型不明，致病机理未知。

目前正悄然兴起的“定位克隆”、“候选定位克隆”、“表型克隆”、“基因组扫描”和“突变检测体系”等新技术，能够跨越表型这道屏障，直捣基因组，找出致病基因，进而搞清基因结构，表达产物（表型）的生物学功能，从而为杜绝患儿出生和进行基因治疗开辟广阔前景。

药物仍将是疾病治疗中的主角之一。

目前，以基因工程药物（蛋白质和活性物质）、内源性多肽和根据各种生物学原理（如受体，分子结构及构型等）设计的新型药物分子为主导的药物新时代正在到来。

药物定向治疗（如生物导弹）与免疫疗法，基因治疗，顺式疗法及中医疗法等疗法，将相得益彰，大有用武之地。

（三）医学高技术基因工程已在生产医疗保健所需的特殊物质，基因工程疫苗将在传染病和一系列严重，恶性疾病的防治中发挥作用。

第二代基因工程——蛋白质工程的雏形已经显露，医学家将掌握自然界不存在、却恰为人体需要的特殊蛋白质，这无疑是克制病魔的一把利剑。

由基因工程与细胞工程，酶工程及发酵工程组成的生物技术，基因产品（蛋白质、酶、单克隆抗体和药物）将使医疗保健的水平提高一个或几个等级，使诊断、治疗和保健面貌发生巨变。

未来医学还有第二把利剑，即生物医学工程。

它从工程角度研究人体结构与功能的关系，并为防病治疗及开发人体功能提供辅助装置及系统服务。

（四）老年医学对衰老的解释，越来越多地被认知为遗传因素与环境作用的结果。

如果确实这样，则理论上应当存在“老年基因”或“衰老基因”，有的学者预言：再过20年一定能够找到所有机体的老年基因。