现代分子生物学与环境科学优秀课件

Molecular Biology: The biology (structure and function) of macro-molecules
Protein Nucleic acid (DNA/ RNA/
Coding-/ non-coding/ functional/ junk/ ... Fatty acid Polysaccharide (sugar) Small molecules
Then what?
Amplification (PCR) +Separation
ROCHE Strategy
Emulsion PCR; 1 fragment/ bead
Primer
dNTP (each)
Polymerase
Template
Not clearly demonstrated
PCR amplification (Chain extension) Emulsion breaking Template dissociation
FOCUSing on NUCLEIC ACID; Molecular Genetics
DNA Sequrncing
Cost: Speed: Effeciency: Method:
Generation: DNA cloning:
...:
Expensive – morderately expensive – relatively cheap Time consumming – below endurnce – fast Low – fast - high throughput PAGE+autoradiography – automatic – massively paralell reversible chain termination + length based detection -

Then what?
Amplification (PCR) +Separation
ROCHE Strategy
Emulsion PCR; 1 பைடு நூலகம்ragment/ bead
Primer
dNTP (each)
Polymerase
Template
Not clearly demonstrated
PCR amplification (Chain extension) Emulsion breaking Template dissociation
Around 100 million emPCR-prepared template beads are deposited onto a glass slide. On annealing of a universal primer, a library of 1,2-probes is added. Appropriate conditions enable selective hybridization and ligation of probes to complementary positions. The first (Y) and second (Z) positions of the 1,2-probes are designed as interrogation bases, such that the 16 dinucleotides are encoded by four dyes. Following four-colour imaging, the ligated 1,2probes are chemically cleaved to generate a 5′-PO4 group (P). The cycle of hybridization, ligation, imaging, and cleavage is repeated six more times. The extended primer is then stripped from the templates, and a second ligation round is performed with an n–1 primer, which resets the interrogation bases one position to the left. Interrogating each base twice improves the accuracy of the colour call. Seven ligation cycles ensue, followed by three more ligation rounds. A string of 35 data bits, encoded in colour space, are then aligned to a reference genome to decode the DNA sequence. Substitutions are the most common error type.

蛋白质的合成与加工
蛋白质的生物合成包括转录和翻译两 个过程，其中转录是以DNA为模板合 成RNA的过程，翻译则是以mRNA为 模板合成蛋白质的过程。
在蛋白质合成过程中，还需要进行一系 列的加工和修饰，如剪切、磷酸化、糖 基化等，以确保蛋白质的正确折叠和功 能。
蛋白质在细胞中的作用
蛋白质可以作为酶催化生物体内 的化学反应，维持生命活动的正 常进行。
表观遗传学调控 通过DNA甲基化、组蛋白修饰等方式影响基因表 达。
3
microRNA调控 microRNA与mRNA结合，抑制其翻译或促进其 降解。
基因表达调控的分子机制
DNA结合蛋白的作用
识别并结合特定DNA序列，影响基因转录。
染色质结构与基因表达
染色质结构的变化可影响基因的可及性和转 录活性。
分子生物学全套课 件
contents
目录
• 分子生物学概述 • DNA的结构与功能 • RNA的结构与功能 • 蛋白质的结构与功能 • 基因表达的调控 • 分子生物学技术与应用
01
分子生物学概述
分子生物学的定义与发展
分子生物学的定义
分子生物学是研究生物大分子，特别 是蛋白质和核酸的结构、功能、相互 作用及其在生命过程中的作用机制和 调控的科学。
重组噬菌体。
目
的
基
通过蓝白斑筛选、PCR
因
鉴定等方法筛选并鉴定
与
含有目的基因的重组子。 载 体
连
基
接
因
表 达
将重组质粒或重组噬菌
系
体导入表达宿主细胞，
统
建立基因表达系统。
建
立
通过Western blot等方
法检测目的蛋白的表达

土壤污染对生物的影响
影响植物生长
01
土壤中的污染物，如重金属、农药等，会破坏土壤结构，影响
植物根系的生长和养分的吸收。
危害土壤生物
02
土壤污染会对土壤中的微生物、昆虫等生物造成危害，破坏土
壤生态系统的平衡。
通过食物链危害人类
03
受污染的土壤中的有害物质会通过食物链传递到人类体内，对
人类健康造成威胁。
加强物种保护和恢复计划
控制外来物种入侵
环境保护与生物多样性保护的互动关系
01
02
03
环境保护对生物多样性 保护的影响
改善生态环境质量，提 高生物多样性
减少污染和生态破坏， 保护物种栖息地
环境保护与生物多样性保护的互动关系
01
生物多样性保护对环境保护的 促进
02
维护生态系统稳定性，提高环 境抵抗力
03
促进生态恢复和修复，改善环 境质量
环境保护与生物多样性保护的互动关系
01
环境保护与生物多样性保护的协同作用
02
共同构建生态安全屏障
03
促进人与自然和谐共生
06
环境生物学研究方法与技术
野外调查与观测方法
生态环境调查
对研究区域的自然环境、生物群落及其相互关系 进行全面、系统的调查。
物种多样性观测
数据分析与建模
运用统计学和计算机技术等手段，对实验数据进行处理、分析和建 模。
现代生物技术在环境生物学中的应用
分子生物学技术
利用PCR、基因克隆、基因编辑等技术，研究生物大分子与环境因 子的相互作用。
生物信息学技术
运用计算机算法和软件工具，对生物信息进行存储、检索、分析和 可视化。

FOCUSing on NUCLEIC ACID; Molecular Genetics
DNA Sequrncing
Cost: Speed: Effeciency: Method:
Generation: DNA cloning:
...:
Expensive – morderately expensive – relatively cheap Time consumming – below endurnce – fast Low – fast - high throughput PAGE+autoradiography – automatic – massively paralell reversible chain termination + length based detection -
Then what?
Amplification (PCR) +Separation
ROCHE Strategy
Emulsion PCR; 1 fragment/ bead
Primer
dNTP (each)
Polymerase
Template
Not clearly demonstrated
PCR amplification (Chain extension) Emulsion breaking Template dissociation
Reads, not template
The recorded is the sequence of dNTP flow; FLOWGRAM; Reads averaging 400 bases; Homopolymer repeats up to six nucleotides; The number of dNTPs added is directly proportional to the light signal, with fluctuation.

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分类
非编码RNA 从长度上来划分可以分为3类： 小于50 nt，包括microRNA，siRNA，piRNA； 50 nt到500 nt，包括rRNA，tRNA，snRNA，snoRNA， SLRNA，SRPRNA 等等； 大于500 nt，包括长的mRNA-like 的非编码RNA，长的不 带polyA 尾巴的非编码RNA等等。
回收50-110nt（fractionalⅠ）和 110-500nt （fractional） → Poly(A)聚合酶加尾 → cDNApSPORTI → PCR → 高密度陈列 → 杂交 除去高丰度已知的小RNA → 未杂交的cDNA测序。
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蛋白质-RNA复合物分离法
分离蛋白质-RNA复合物，除去蛋白 质，纯化RNA分子，反转录cDNA ， 克隆、测序、结果分析。所得RNA 的cDNA分子必须进行Northern杂交， 除去断裂的小RNA。
cDNA克隆策略可鉴别已知的高丰度非编码RNA，如 tRNAs或小核糖体RNA。
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实时荧光定量（RT-PCR技术）
实时荧光定量PCR技术是一种高通量、灵 敏的基因表达检测技术，常用于蛋白编码 基因表达检测，也被广泛地应用于 microRNA或其他非编码RNA的表达检测。
通过该技术，可定量监测目的基因的表达 情况，筛选生物学功能相关的非编码RNA。
发现，越来越多的研究表明RNA在遗传方面的重要作 用。
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Non-coding RNA（非编码RNA）
非编码RNA是指不编码蛋白质的RNA。其 中包括rRNA，tRNA，snRNA，snoRNA 和microRNA 等多种已知功能的 RNA，还 包括未知功能的RNA。这些RNA的共同特 点是都能从基因组上转录而来，但是不翻 译成蛋白，在RNA 水平上就能行使各自的 生物学功能了。

• 因此，分子生物学开辟了研究各种不同种属生物 的生命现象最基本、最重要的途径。 • 分子生物学的发展为人类认识生命现象带来 了前所未有的机遇，也为人类利用和改造生物创 造了极为广阔的前景。 •
• 由于生物化学、生物物理学、细胞生物学、 遗传学、应用微生物学及免疫学以及数学、 化学、物理学、计算机科学和信息学等专 业技术的渗透，分子生物学已发明和创造 了一系列新的技术。 • 例如DNA及RNA的印迹转移、核酸分子杂 交、DNA克隆或重组DNA、基因体外扩增、 DNA 测序等等，以及研究蛋白质一级结构、 二级结构和三维结构与功能的分析技术。
• 6．聚合酶链式反应 (polymerase chain reaction， PCR) ： • 1985年，Mullis K首创聚合酶链式反应 (PCR) 技术（化学奖）。该技术在体外模拟细胞内 DNA的复制过程，进行体外“基因扩增”。
• (二) 分子生物学技术的应用与发展 • 由于分子生物学的广泛渗透和应用，反 过来又推动了重组DNA技术和分子生物学本 身的发展。有关这方面的研究进展事例不胜 枚举。现仅就具有重大历史意义、影响广泛 深远的主要事件简述如下。
一、定义 分子生物学是从分子水平研究生命现象 及其规律的一门新兴、前沿学科。 它以核酸和蛋白质等生物大分子的结 构、功能及其在信号传递中的作用为研究 对象，其发展非常迅速。 分子生物学以其崭新的观点和技术向 其他学科的全面渗透，推动了许多学科向 分子水平发展。
•
使细胞生物学、遗传学、发育生物学、神经 生物学和生态学由原来的经典学科变成了生命科 学的真正前沿科学，形成了一系列交叉学科，如 分子遗传学、分子生态学、分子免疫学、分子病 毒学、分子病理学、分子肿瘤学和分子药理学等。 分子生物学是生命科学的核心前沿。 • 不同种属生物的表现形式多种多样和千姿百 态，但是，生命活动的本质却是高度一致的。例 如绝大多数生物遗传取决于DNA；除少数例外， 遗传密码在整个生命世界中都是一致的。又如核 酸一级结构和蛋白质一级结构的对应关系以及蛋 白质的有序合成，也表现出高度一致性。