分子生物学概论.ppt

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1、分子生物学概论 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望10/31/202222.分子生物学的研究内容1.分子生物学的定义 3.分子生物学与医学内容概要内容概要10/31/20223 从从分子分子水平水平研究生物大分子的结构与功研究生物大分子的结构与功能从而阐明生命现象本质的科学能从而阐明生命现象本质的科学，主要指，主要指遗传信息遗传信息的的传递传递（复制）、（复制）、保持保持（损伤和修（损伤和修复）、复）、基因的表达基因的表达（转录和翻译）与（转录和翻译）

2、与调控调控。一、分子生物学的定义一、分子生物学的定义10/31/20224从整体水平到分子水平示意图从整体水平到分子水平示意图分子水平分子水平细胞水平细胞水平整体水平整体水平 生命科学的发展过程生命科学的发展过程：10/31/20225 生命科学的研究内容：生命科学的研究内容：生命物质的结构与功能，生物与生物生命物质的结构与功能，生物与生物之间及生物与环境之间相互关系。之间及生物与环境之间相互关系。生命科学的前沿领域：生命科学的前沿领域：分子生物学分子生物学、分子遗传学、细胞生物学、分子遗传学、细胞生物学、发育生物学和神经生物学，而分子生物学是发育生物学和神经生物学，而分子生物学是生命科学的核

3、心前沿。生命科学的核心前沿。生命科学是研究生命现象和生命活动生命科学是研究生命现象和生命活动规律的一门综合性学科。规律的一门综合性学科。10/31/20226 由于分子生物学以其崭新的观由于分子生物学以其崭新的观点和技术对其他学科的全面渗透，点和技术对其他学科的全面渗透，推动了细胞生物学、遗传学、发育推动了细胞生物学、遗传学、发育生物学和神经生物学向分子水平的生物学和神经生物学向分子水平的方向发展，使这些学科已不再是原方向发展，使这些学科已不再是原来的经典学科，而成为生命科学的来的经典学科，而成为生命科学的前沿。前沿。10/31/20227二、分子生物学研究内容 生物大分子的结构和功能研究 基

4、因的表达调控 基因组、功能基因组与生物信息学研究 DNA重组技术（基因工程）10/31/20228生物大分子的结构和功能研究l生物大分子结构的测定l结构运动变化规律l结构与功能的关系lX射线衍射（蛋白质晶体学）、核磁共振等波谱学方法10/31/20229基因表达调控机制基因表达调控机制 19611961年年，JacobJacob和和MonodMonod提提出出操操纵纵子子学学说说，认识了原核生物基因表达调控的一些规律。认识了原核生物基因表达调控的一些规律。8080年年代代开开始始，人人们们逐逐步步认认识识到到真真核核基基因因组组结构和调控的复杂性。结构和调控的复杂性。真真核核基基因因的的顺顺式

5、式调调控控元元件件与与反反式式作作用用因因子子、核酸与蛋白质间的分子识别与相互作用。核酸与蛋白质间的分子识别与相互作用。小分子反义小分子反义RNARNA、核酶、核酶、siRNAsiRNA等。等。信号转导研究转录因子研究RAN剪接10/31/202210基因组与功能基因组学研究l 基因组（基因组（genomegenome）:一个物种遗传信息的一个物种遗传信息的总和。总和。l 基因结构与功能研究已经从单个基因发展基因结构与功能研究已经从单个基因发展到生物体整个基因组。基因组研究已从简单的到生物体整个基因组。基因组研究已从简单的低等生物到真核生物，从多细胞生物到人类。低等生物到真核生物，从多细胞生物

6、到人类。10/31/202211 人类基因组计划（人类基因组计划（human genome project,HGPhuman genome project,HGP）美美国国科科学学家家、诺诺贝贝尔尔奖奖获获得得者者Dulbecco Dulbecco R R于于19861986年年在在美美国国 Science Science 杂杂志志上上发发表表的的短短文文中中率率先先提提出出，并并认认为为这这是是加加快快癌癌症症研研究进程的一条有效途径。究进程的一条有效途径。主主要要的的目目标标是是绘绘制制遗遗传传连连锁锁图图、物物理理图图、转转录录图图，并并完完成成人人类类基基因因组组全全部部核核苷苷酸酸序

7、序列列测测定定。测测出出人人体体细细胞胞中中2424条条染染色色体体上上全全部部3030亿亿对对核核苷苷酸酸的的序序列列，把把所所有有人人类类基基因因都都明明确确定定位位在在染染色色体体上上，破破译人类的全部遗传信息。译人类的全部遗传信息。HGPHGP是是人人类类自自然然科科学学史史上上与与曼曼哈哈顿顿原原子子弹弹计计划划和和阿阿波波罗罗登登月月计计划相媲美的伟大科学工程。划相媲美的伟大科学工程。10/31/202212 研研究究结结果果表表明明，人人类类基基因因数数量量仅仅有有3 3万万个个左左右右，比比此此前前估估计计的的要要少少得得多多。通通过过研研究究还还发发现现男男女女可可能能存存在

8、在巨巨大大遗遗传传差差异异，男男性性染染色色体体减减数数分分裂裂的的突突变变率率是是女女性性的的两两倍倍。在在已已经经分分析析的的序序列列中中，找找到到很很多多与与遗遗传传病病有有关关的的基基因因，包包括括乳乳腺腺癌癌、遗遗传传性性耳耳聋聋、中中风风、癫癫痫症、糖尿病和各种骨骼异常的基因。痫症、糖尿病和各种骨骼异常的基因。10/31/202213DNA重组技术重组技术1、可被用于大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低的多肽2、可用于定向改造某些生物的基因组结构3、可被用来进行基础研究 10/31/2022141972年,Boyer获得第一个重组DNA分子10/31/2022151972-Berg

9、EcoRI recognition sites phage DNAEcoRI cuts DNA into fragmentsSticky endSV40 DNAThe two fragments stick together by base pairingDNA ligaseRecombinant DNA10/31/202216三、分子生物学与医学10/31/202217 1.1.从从机机体体表表型型来来认认识识疾疾病病,即即根根据据现现象象和和检检查所获知的症状与体征。查所获知的症状与体征。2.2.从从组组织织细细胞胞的的病病理理、生生理理变变化化来来分分析析和和诊断疾病。诊断疾病。使使人人

10、类类积积累累了了十十分分丰丰富富的的医医学学资资料料。但但都都不不能能从从本本质质上上真真正正认认识识疾疾病病发发生生的的根根本本原原因因，更更不能从根本上治愈疾病和阐明疾病的发病机制。不能从根本上治愈疾病和阐明疾病的发病机制。人类对疾病的认识：10/31/202218 现现代代分分子子生生物物学学已已经经对对医医学学的的各各个个领领域域产产生生了了全全面面而而深深刻刻的的影影响响，并并逐逐步步形形成成了了一一系系列列以分子冠名的交叉学科。以分子冠名的交叉学科。如如分分子子遗遗传传学学、分分子子免免疫疫学学、分分子子病病理理学学、分分子子血血液液学学、分分子子肿肿瘤瘤学学、分分子子病病毒毒学学

11、、分分子子流行病学流行病学等。等。由由于于生生命命本本质质的的高高度度一一致致性性，使使得得这这些些学学科科可可以以使使用用同同一一套套理理论论、同同一一套套技技术术，来来解解释释和和研研究究不不同同的的病病理理、生生理理现现象象，甚甚至至治治疗疗不不同同的疾病的疾病。10/31/202219 由由于于分分子子生生物物学学的的发发展展和和渗渗透透，各各种种生生理理和和病理现象都可能从基因水平找到答案。病理现象都可能从基因水平找到答案。肿瘤发生与癌基因和肿瘤抑制基因。肿瘤发生与癌基因和肿瘤抑制基因。表表明明生生物物机机体体各各种种各各样样的的生生命命现现象象及及生生理理和和病理表现，几乎无一不与

12、基因有关。病理表现，几乎无一不与基因有关。药物的耐药性与抗药基因。药物的耐药性与抗药基因。10/31/202220 由由于于分分子子生生物物学学在在医医学学上上的的不不断断渗渗透透和和影影响响，导导致致基基础础医医学学和和临临床床医医学学从从基基因因水水平平来来探探讨讨多多种种多多样样的的生生命命现现象象，基基因因诊诊断断和和基基因因治治疗疗的的开开展展是是分分子子生生物物学在医学领域中应用的典范。学在医学领域中应用的典范。10/31/202221（一）分子生物学在基础医学中的应用（一）分子生物学在基础医学中的应用 基基础础医医学学是是整整个个医医学学科科学学的的基基石石，分分子子生生物物学学

13、不不仅仅是是生生命命科科学学的的前前沿沿，也也是是整整个个基基础础医医学学的的前前沿沿。今今后后总总的的发发展展趋趋势势仍仍然然是是分分子子生生物物学学向向医医学学，特特别别是是基基础础医医学学广泛交叉、渗透和影响。广泛交叉、渗透和影响。10/31/202222 1.1.对对人人的的生生理理功功能能和和疾疾病病机机制制的的研研究究,已已由由整整体体水水平平、器器官官水水平平进进入入到到细细胞胞和和分分子子水水平平；对对生生命命的的了了解解，由由表表面面现现象象观察进入了本质的探讨。观察进入了本质的探讨。10/31/202223 2.2.基基础础医医学学中中不不断断出出现现新新的的边边缘缘学学科

14、科，如如分分子子生生理理学学、分分子子药药理理学学、分分子子病病理理学学、分分子子遗遗传传学学、分分子子免免疫疫学学、分分子子病病毒毒学学、分分子子肿肿瘤瘤学学、分分子子神神经经生生物物学学等等等。等。10/31/202224 3.3.传传统统上上按按“形形态态”和和“机机能能”来来进进行行基基础础医医学学各各个个学学科科划划分分的的界界限限已已日日益益模模糊糊,出出现现了了各各学学科科在在分分子子水水平平上上进进行行整整合的趋势。合的趋势。10/31/202225 4.4.开开始始改改变变传传统统生生物物学学的的研研究究方方法法和和策策略略，形形成成了了直直接接从从基基因因水水平平入入手手,

15、研研究究基基因因型型和和表表型型的的相相互关系。互关系。10/31/202226（二）分子生物学在病理学中的应用（二）分子生物学在病理学中的应用 由由于于分分子子生生物物学学向向病病理理学学的的渗渗透透,出出现现“分子病理学分子病理学”这样一个新学科。这样一个新学科。分分子子生生物物学学理理论论和和技技术术彻彻底底改改变变了了病病理理学学和和实实验验医医学学的的面面貌貌,开开始始从从基基因因水水平平来来进进行行疾疾病病诊诊断断。应应用用于于分分子子病病理理学学的的基基因因检测技术，揭示了疾病发生的分子事件。检测技术，揭示了疾病发生的分子事件。10/31/202227（三）基因诊断（三）基因诊断

16、 由由于于重重组组DNADNA技技术术的的问问世世,人人们们对对于于许许多多疾疾病病的的认认识识,已已经经深深入入到到基基因因水水平平。一一种种从从基基因因水水平平对对疾疾病病进进行行诊诊断断的的新新技技术术基基因因诊诊断断技技术术得得以以诞诞生和发展。生和发展。基基因因诊诊断断：在在DNADNA水水平平或或RNARNA水水平平,应应用用核核酸酸分分 子子 杂杂 交交 技技 术术、限限 制制 性性 内内 切切 酶酶 长长 度度 多多 态态 性性（RFLPRFLP）连连锁锁分分析析、PCRPCR技技术术、DNADNA序序列列分分析析技技术术以以及及近近年年发发展展起起来来的的DNADNA芯芯片片

17、技技术术等等,对对人人类类疾疾病病进行诊断。进行诊断。10/31/202228 基因诊断基因诊断技术技术核酸分子杂交：核酸分子杂交：Southern Southern 印迹印迹杂交杂交技术：技术：19751975年，年，Southern EMSouthern EM发明。发明。从生物体的细胞中提取基因组从生物体的细胞中提取基因组DNADNA，并从中鉴别出某一特，并从中鉴别出某一特异的核苷酸序列。异的核苷酸序列。Northern Northern印迹杂交技术：印迹杂交技术：19771977年年Alwine JCAlwine JC等发明。等发明。用于样品中某种用于样品中某种mRNAmRNA分子的定量

18、，分子量大小的测定。分子的定量，分子量大小的测定。原理：原理：RNARNA分子在变性琼脂糖凝胶中电泳，按分子量大小分子在变性琼脂糖凝胶中电泳，按分子量大小不同而相互分离，其原理与不同而相互分离，其原理与SouthernSouthern转移技术的方法类似。转移技术的方法类似。细胞原位杂交技术：细胞原位杂交技术：19691969年，年，ParduePardue等建立。等建立。10/31/202229基因诊断技术基因诊断技术聚合酶链式反应聚合酶链式反应 (polymerase chain(polymerase chain reaction,PCR)reaction,PCR)：19851985年，年，

19、Mullis KMullis K首创。首创。体外模拟细胞内体外模拟细胞内DNADNA复制过程，进行体外基复制过程，进行体外基因扩增。因扩增。10/31/202230基因诊断技术基因诊断技术基因芯片（基因芯片（Gene chipsGene chips）技术：）技术：基基因因芯芯片片技技术术:将将大大量量探探针针固固定定于于支支持持物物上上，与与标标记记的的样样品品进进行行杂杂交交。可可一一次次性性对对样样品品中中大大量量序序列列进进行行检检测测和分析。和分析。解解决决了了传传统统核核酸酸杂杂交交技技术术操操作作繁繁杂杂、检检测测效效率率低低的的问题。问题。通通过过设设计计不不同同的的探探针针阵阵

20、列列和和使使用用特特定定的的分分析析方方法法，使该技术具有多种不同的应用价值。使该技术具有多种不同的应用价值。如如基基因因表表达达谱谱分分析析、基基因因突突变变检检测测、多多态态性性分分析析、基因诊断等。基因诊断等。10/31/202231叠加图：绿色代表下调；红色代表上调；黄色无差异。正常样品Cy3标记待测样品Cy5标记叠加石奕武，胡维新等：多发性骨髓瘤的基因表达谱分析，湖南医科大学学报，2003，28（3）：20120510/31/20223210/31/20223310/31/202234 在在法法医医学学中中利利用用DNADNA指指纹纹图图谱谱技技术术进进行行刑刑事事侦破和亲子鉴定。侦

21、破和亲子鉴定。临临床床上上对对遗遗传传病病、传传染染病病及及常常见见疾疾病病（如如肿瘤、心血管疾病等）的诊断。肿瘤、心血管疾病等）的诊断。基因分型。基因分型。基基因因诊诊断断是是通通过过直直接接检检测测目目的的基基因因（或或该该基基因因的的转转录录产产物物）的的存存在在状状态态对对疾疾病病作作出出诊诊断断的的方法。方法。基因诊断的用途10/31/202235 基基因因诊诊断断技技术术不不仅仅用用于于出出生生后后人人群群的的疾疾病病诊诊断断,而而且且还还应应用用于于产产前前基基因因诊诊断断和和着着床床前前诊诊断断，这这样样可可大大大大减减少少有有先先天天性性疾疾病病或或携携带带遗遗传传性性疾疾病

22、病基基因因的的胎胎儿儿出出世世，促促进进优优生生优育，提高人口素质。优育，提高人口素质。产前基因诊断和着床前诊断产前基因诊断和着床前诊断10/31/202236 基基因因诊诊断断技技术术也也为为流流行行病病学学调调查查以以及及食食品品卫卫生生检检验验和和环环境境卫卫生生监监测测等等工工作作开开创创了了崭崭新新的的领领域域,使使诊诊断断技技术术进进入入一一个个新新的的、更更高高的的水水平平,从从而而刷刷新新了了医医学学诊诊断的面貌。断的面貌。10/31/202237(四四)基因治疗基因治疗(gene therapy)(gene therapy)基基因因治治疗疗是是分分子子生生物物学学理理论论与与

23、技技术术的的飞飞速速发发展展给给医医学学带带来来新新的的希希望望和和新新的的治治 疗疗 手手 段段，开开 辟辟 了了 治治 疗疗 学学(therapeutics)(therapeutics)的的新新纪纪元元。基基因因治治疗疗是是临临床床医医学学中中发发展展起起来来的的新新领领域域，发发展展十十分迅速。分迅速。10/31/202238 基基因因治治疗疗技技术术的的发发展展与与整整个个医医学学科科学学的的发发展展以以及及许许多多分分子子生生物物学学新新理理论论、新新技技术术、新新方方法法的的应应用用密密切切相关。相关。临临床床基基因因治治疗疗研研究究已已经经得得到到了了迅迅速速发发展展，基基因因治

24、治疗疗的的范范围围从从单单基基因因缺缺陷陷遗遗传传病病扩扩大大到到多多基基因因遗遗传传病病（恶恶性性肿肿瘤瘤、心心血血管管病病、免免疫疫性性疾疾病病等等）以以及及传传染染性性疾病（如肝炎、艾滋病等）。疾病（如肝炎、艾滋病等）。10/31/202239 狭狭义义基基因因治治疗疗：目目的的基基因因导导入入靶靶细细胞胞后后与与宿宿主主细细胞胞内内的的基基因因发发生生整整合合、成成为为宿宿主主基基因因组组的的一一部部分分，目目的的基基因因表表达达产产物起治疗疾病的作用。物起治疗疾病的作用。广广义义基基因因治治疗疗：包包括括通通过过基基因因转转移移技技术术，使使目目的的基基因因得得到到表表达达，封封闭闭

25、、剪剪切切致致病病基基因因的的mRNAmRNA，或或自自杀杀基基因因产产物物催催化化药药物物前前体体转转化化为为细细胞胞毒毒性性物物质质，杀杀死死肿肿瘤瘤细细胞胞，从而达到治疗疾病的目的。从而达到治疗疾病的目的。10/31/202240 随随着着人人类类基基因因组组遗遗传传信信息息的的全全部部破破译译和和基基因因功功能能的的澄澄清清，临临床床医医生生有有可可能能根根据据病病人人的的需需要要，将将外外源源基基因因导导入入患患病病的细胞，替换有缺陷的基因以治疗疾病。的细胞，替换有缺陷的基因以治疗疾病。在新的世纪，可以预期基因治疗将在新的世纪，可以预期基因治疗将会有一个更大的发展。会有一个更大的发展。10/31/202241