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1、分子生物学与基因工程分子生物学与基因工程Molecular Biology and Gene Engineering王王 忠忠 华华 2012.5.72012.5.7Tel：620043 QQ：576128448办公室：办公室：64号楼305室第一讲第一讲 绪论绪论主主 要要 内内 容容 分子生物学与基因工程含义分子生物学与基因工程含义 分子生物学与基因工程发展简史分子生物学与基因工程发展简史 分子生物学与基因工程基本内容分子生物学与基因工程基本内容 与其他学科的关系与其他学科的关系 几个热点问题几个热点问题 其他其他 生物学经历了一个漫长的研究历程。最早生物学经历了一个漫长的研究历程。最早人
2、们从研究人们从研究动物和植物的形态、解剖和分类动物和植物的形态、解剖和分类开开始，随着始，随着细胞学、遗传学、微生物学、生理学、细胞学、遗传学、微生物学、生理学、生物化学生物化学的发展，研究进入细胞水平。到的发展，研究进入细胞水平。到20世世纪中叶以来，生物学以生物大分子为研究目标，纪中叶以来，生物学以生物大分子为研究目标，分子生物学（分子生物学（Molecular Biology）开始形成了开始形成了独立的学科，这是对生物界的认识不断深入的独立的学科，这是对生物界的认识不断深入的过程。过程。从广义来讲，蛋白质及核酸等生物大分从广义来讲，蛋白质及核酸等生物大分子结构和功能的研究都属于分子生物学
3、的范子结构和功能的研究都属于分子生物学的范畴，也就是从畴，也就是从分子水平阐明生命现象和生物分子水平阐明生命现象和生物学规律学规律。例如，。例如，蛋白质的结构、运动和功能蛋白质的结构、运动和功能，酶的作用机理和动力学酶的作用机理和动力学，膜蛋白结构与功能膜蛋白结构与功能及跨膜运输及跨膜运输等都属于分子生物学的研究内容。等都属于分子生物学的研究内容。1 1 分子生物学与基因工程的含义分子生物学与基因工程的含义 从狭义上讲，分子生物学主要是从狭义上讲，分子生物学主要是研究生物体主要遗传物质研究生物体主要遗传物质-基因或基因或DNA的结构及其复制、转录、表达的结构及其复制、转录、表达和调节控制和调节
4、控制等过程的科学。当然，也等过程的科学。当然，也涉及到与这些过程有关的涉及到与这些过程有关的蛋白质和酶蛋白质和酶的结构与功能的结构与功能的研究。的研究。基因工程是指将一种或多种生物体基因工程是指将一种或多种生物体(共共体体)的基因或基因组提取出来的基因或基因组提取出来,或者人工合或者人工合成的基因成的基因,按照人们的愿望按照人们的愿望,进行严密的设进行严密的设计计,经过体外加工重组经过体外加工重组,通过一定的方法通过一定的方法,转转移到另一种生物体移到另一种生物体(受体受体)的细胞内的细胞内,使之能使之能在受体细胞遗传并获得新的遗传性状的技在受体细胞遗传并获得新的遗传性状的技术。术。2 2 分
5、子生物学与基因工程发展简史分子生物学与基因工程发展简史 1944年，年，Avery在肺炎双球菌转化实验中证实了在肺炎双球菌转化实验中证实了DNA是遗传的物质基础是遗传的物质基础，标志着分子生物学的诞生；，标志着分子生物学的诞生；1953年，年，Watson和和Crick在在Nature杂志（杂志（171：737738）上提出了著名的）上提出了著名的DNA双螺旋模型双螺旋模型，为分子生物学，为分子生物学的发展奠定了坚实的基础；的发展奠定了坚实的基础；1956年，年，Kornberg在大肠杆菌的无细胞提取液中实在大肠杆菌的无细胞提取液中实现了现了DNA的合成的合成；1958年，年，Crick提出了
6、遗传信息的传递规律，即著名的提出了遗传信息的传递规律，即著名的“中心法则中心法则”；同年，同年，Meselson与与Stahl 用实验证明了用实验证明了DNA复制是一种复制是一种半保留复制半保留复制；1959年，年，Uchoa发现了细菌的发现了细菌的多核苷酸磷酸化酶多核苷酸磷酸化酶，成功，成功地合成了地合成了RNA，研究并重建了将基因内的遗传信息通过，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；中间体翻译成蛋白质的过程；1961年，年，NirenbergNirenberg和和MatthaeiMatthaei破译了所有破译了所有三联体密码三联体密码子子；同年，法国科学家同年
7、，法国科学家Jacob和和Monod提出了提出了著名的乳糖操著名的乳糖操纵子模型纵子模型；1962年，年，Arber首次发现首次发现DNA限制性内切酶限制性内切酶的存在；的存在；1970年，年，Smith首次从大肠杆菌中分离到第一个限制性首次从大肠杆菌中分离到第一个限制性内切酶；同年，内切酶；同年，Temin和和Baltimore首次发现在病毒中存在以首次发现在病毒中存在以RNA为模板，逆转录成为模板，逆转录成DNA的的逆转录酶逆转录酶；1972年，年，Berg构建了世界上第一个构建了世界上第一个重组重组DNA分子分子，开辟，开辟了生物学新领域了生物学新领域-遗传工程遗传工程；1977年，年，
8、Robert和和Sharp在研究腺病毒的在研究腺病毒的mRNA合成时，合成时，首次发现了首次发现了断裂基因断裂基因的存在；的存在；1977年，年，Sanger和和Gilbert分别提出了两种分别提出了两种DNA测序技术测序技术-酶法（或酶法（或双脱氧链终止法双脱氧链终止法）和）和化学修饰法化学修饰法；1981年，年，Cech和和Altman首次发现首次发现RNA具有生物催化功能具有生物催化功能；1983年，年，Mullis发明了发明了聚合酶链式反应（聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）技术）技术，极大地推动了分子生物学的发展；，极大地推动了分子生物学的发
9、展；1990年，年，人类基因组计划人类基因组计划启动，同时先后开展多种模式生启动，同时先后开展多种模式生物的基因组测序。标志着生命科学研究进入物的基因组测序。标志着生命科学研究进入“基因组学基因组学”时代；时代；1994年，年，Wilkins和和Williams等首次提出了等首次提出了蛋白质组蛋白质组的概念；的概念；1997年，年，Wilmut等首次成功地从体细胞中克隆出羊等首次成功地从体细胞中克隆出羊-Dolly；到目前为止，人们已完成包括人和水稻等重要模式生物的到目前为止，人们已完成包括人和水稻等重要模式生物的基因组测序工作。生命科学研究进入基因组测序工作。生命科学研究进入“蛋白质组学蛋白
10、质组学”的新的发的新的发展阶段。展阶段。分子生物学与基因工程发展的几个里程碑分子生物学与基因工程发展的几个里程碑 上个世纪上个世纪50年代，年代，Watson和和Crick提出了的提出了的DNA双螺旋双螺旋模型；模型；60年代，年代，法国科学家法国科学家Jacob和和Monod提出了的乳糖操纵提出了的乳糖操纵子模型；子模型；70年代，年代，Berg首先发现了首先发现了DNA连接酶，并构建了世界连接酶，并构建了世界上第一个重组上第一个重组DNA分子；分子；80年代，年代，Mullis发明了聚合酶链式反应（发明了聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）技术；）技
11、术；90年代，开展了年代，开展了“人类基因组计划人类基因组计划”和模式生物的基和模式生物的基因组测序，分子生物学进入因组测序，分子生物学进入“基因组时代基因组时代”；目前，分子生物学进入了目前，分子生物学进入了“后基因组时代后基因组时代”或或“蛋白质组蛋白质组时代时代”。人人 名名年年 份份获获 奖奖 内内 容容Kossel1910分离出分离出腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸UchoaKornberg1959RNA的合成的合成DNA的复制的复制WatsonCrick1962提出提出DNA双螺旋结构双螺旋结构KendrewPerutz1962测定了测定了肌红蛋白和血红蛋白的高级结
12、构肌红蛋白和血红蛋白的高级结构JacobMonod1965提出了提出了乳糖操纵子学说乳糖操纵子学说NirenbergHollyKhorana1969破译破译DNA遗传密码遗传密码阐明阐明tRNA的结构的结构首次首次人工合成核酸分子人工合成核酸分子分子生物学领域获得诺贝尔奖一览表分子生物学领域获得诺贝尔奖一览表人人 名名年年 份份获获 奖奖 内内 容容TeminBaltimore1975逆转录酶逆转录酶的发现的发现Arber1978DNA限制性内切酶限制性内切酶的发现的发现Sanger19581980测定了测定了牛胰岛素的一级结构牛胰岛素的一级结构提出提出DNA测序法测序法-酶法酶法Gilber
13、t1980提出提出DNA测序法测序法-化学修饰法化学修饰法Berg1980发现发现DNA连接酶连接酶并构建了第一个重组分子并构建了第一个重组分子KohlerMilsteinJerne1984提出了提出了单克隆抗体技术单克隆抗体技术McClintock1988跳跃基因跳跃基因的发现的发现AltmanCech1989RNA具有生物催化功能具有生物催化功能人人 名名年年 份份获获 奖奖 内内 容容BishopVarmus1989正常细胞同样带有正常细胞同样带有原癌细胞原癌细胞RobertsSharp1993断裂基因断裂基因的发现的发现Mullis1993发明了发明了PCR仪仪Smith1993发明了
14、发明了寡聚核苷酸定点突变法寡聚核苷酸定点突变法GilmanRodbell1994G蛋白蛋白的发现的发现LewisNussleinWieschaus1995鉴定了控制鉴定了控制果蝇体节发育基因果蝇体节发育基因人人 名名年年 份份获获 奖奖 内内 容容Stanley1997蛋白致病因子朊蛋白的发现蛋白致病因子朊蛋白的发现Gunter1999蛋白质具有控制其运输和定位的内在信号蛋白质具有控制其运输和定位的内在信号 HartwellHunt Nurse2001发现了细胞周期的关键调节因子发现了细胞周期的关键调节因子Agre MacKinnon2003细胞膜离子通道的结构和机理研究细胞膜离子通道的结构和
15、机理研究 ROSE等等2004泛素调节的蛋白质降解泛素调节的蛋白质降解Kornberg2006发现真核生物转录的分子基础发现真核生物转录的分子基础Andrew、Craig 2006发现发现RNA干扰现象干扰现象Smith等等2007胚胎干细胞和哺乳动物胚胎干细胞和哺乳动物DNA重组重组 Hausen 等2008人乳头状瘤病毒人乳头状瘤病毒(HPV)和和HIV的发现的发现 钱永健等钱永健等2008绿色荧光蛋白的发现与应用绿色荧光蛋白的发现与应用3.1 3.1 分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容 核酸的结构核酸的结构 基因与基因组的结构与序列特征基因与基因组的结构与序列特征 DNA生物合成（
16、复制）生物合成（复制）DNA损伤与修复损伤与修复 DNA重组重组 RNA生物合成（转录）生物合成（转录）蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成 基因表达调控基因表达调控基因工程研究的主要内容克隆载体研究:cloning vector受体系统的研究:host cell system 目的基因的研究:target gene 生物基因组学的研究:genomic research 应用研究:application3.2 3.2 基因工程的主要研究内容基因工程的主要研究内容基因工程的基本操作程序基因工程的基本操作程序分离获得目的基因分离获得目的基因限制性核酸内切酶将切割外源限制性核酸内切酶将切割外源DNADN
17、A和载体和载体DNADNA连接酶将外源连接酶将外源DNADNA和载体连接，组成重和载体连接，组成重组组DNADNA分子。分子。将重组将重组DNADNA分子引入受体细胞分子引入受体细胞带有重组体的细胞培养扩增，获得大量的带有重组体的细胞培养扩增，获得大量的细胞繁殖群体细胞繁殖群体筛选和鉴定转化细胞筛选和鉴定转化细胞进一步研究分析，实现功能蛋白的表达进一步研究分析，实现功能蛋白的表达发育生物学与分子生物学的关系发育生物学与分子生物学的关系 许多发育相关基因纷纷克隆成功，如控制果许多发育相关基因纷纷克隆成功，如控制果蝇体节发育的蝇体节发育的Homeo基因、金鱼草的的花瓣发育基因、金鱼草的的花瓣发育基
18、因基因DEF等。等。上述基因的克隆已开辟了发育分子生物学的上述基因的克隆已开辟了发育分子生物学的崭新研究领域，并在近年来获得较大进展。崭新研究领域，并在近年来获得较大进展。4 分子生物学与其他学科的关系分子生物学与其他学科的关系 在植物生理学方面光合作用的研究已在植物生理学方面光合作用的研究已进入分子水平。一些植物的进入分子水平。一些植物的叶绿体叶绿体DNA的全序列测定已经完成，的全序列测定已经完成，光合作用有关的光合作用有关的基因如光系统基因如光系统I和和II、电子传递链、二磷、电子传递链、二磷酸核酮糖羧化酸核酮糖羧化/加氧酶等加氧酶等的表达调控研究的表达调控研究都已基本完成，使光合作用研究
19、进入了一都已基本完成，使光合作用研究进入了一个新的阶段。个新的阶段。植物生理学与分子生物学的关系植物生理学与分子生物学的关系神经科学与分子生物学的关系神经科学与分子生物学的关系 神经系统分子生物学的研究造成神经神经系统分子生物学的研究造成神经生物学的革命性变化。如生物学的革命性变化。如乙酰胆碱受体的乙酰胆碱受体的分离纯化和基因克隆分离纯化和基因克隆已经完成。已经完成。神经通道神经通道也已得到纯化和基因克隆，分子生物学渗也已得到纯化和基因克隆，分子生物学渗入神经科学已产生了入神经科学已产生了分子神经生物学分子神经生物学。5 当前分子生物学与基因工程的几个热点问题当前分子生物学与基因工程的几个热点
20、问题 一些重大疾病的致病分子机理研究（如癌症、HIV、SARS和禽流感等）；基因与发育的关系；抗病分子作用机制研究；分子育种技术的建立与发展主要参考书主要参考书现代分子生物学现代分子生物学朱玉贤主编朱玉贤主编 高等教育出版社高等教育出版社分子生物学基础分子生物学基础 杨歧生杨歧生 编著编著 浙江大学出版社浙江大学出版社分子生物学分子生物学阎隆飞主编阎隆飞主编 中国农业大学出版社中国农业大学出版社分子生物学分子生物学杨荣武主编杨荣武主编 南京大学出版社南京大学出版社分子生物学分子生物学 陈启民等陈启民等 编著编著 南开大学出版社南开大学出版社高级分子生物学要义高级分子生物学要义 特怀曼特怀曼 编
21、著编著 科学出版社科学出版社分子生物学精要分子生物学精要 Malacinski著著 化学工业出版社化学工业出版社 Genes Lewin.Pearson prentice hall.2004 Molecular biology of gene （fifth edition）Watson,et al Gold spring harbor Laboratory press.2004张惠展张惠展 基因工程基因工程 华东理工大学出版社华东理工大学出版社 2005 2005 闫新甫闫新甫 转基因植物转基因植物 科学出版社科学出版社 20032003王关林等王关林等 植物基因工程植物基因工程（第二版）（第
22、二版）科学出版社科学出版社20022002吴乃虎吴乃虎 基因工程原理基因工程原理（第二版）（第二版）高等教育出版社高等教育出版社1998 1998 Adrian Slater,et al Plant Biotechnology-The genetic manipulation of plant Oxford universsity press.2003相关学术性刊物相关学术性刊物n1 外文期刊外文期刊nNature/Science nCellnPNASnEMBO JnGene&DevelopmentnPlant Cell/Plant JournalnPlant Molecular Biolog
23、ynBiotechnology and Genetic Engineering ReviewsnBiotechnology&BioengineeringnTrends in Biotechnology Nature 自然自然 出版：英国出版：英国MacMillan.Ltd 创刊：刊：1869年年 刊期：周刊刊期：周刊 定位：兼定位：兼顾学学术期刊和科学期刊和科学杂志，即科学志，即科学论文具文具较高的新高的新闻性和广泛的性和广泛的读者群。者群。论文不文不仅要求具有要求具有“突出的科学突出的科学贡献献”，还必必须“令交叉学科的令交叉学科的读者感者感兴趣趣”。英文名：英文名：Science Maga
24、zine科学科学是发表最好的原始研究论文、以及综述和分析当前研究和科学是发表最好的原始研究论文、以及综述和分析当前研究和科学政策的同行评议的期刊。政策的同行评议的期刊。该杂志于该杂志于1880年由爱迪生投资年由爱迪生投资1万美元创办，于万美元创办，于1894年成为美国最大的年成为美国最大的科学团体科学团体“美国科学促进会美国科学促进会”American Association for the Advancement of Science(AAAS)的官方刊物。全年共的官方刊物。全年共51期，为周刊，期，为周刊，全球发行量超过全球发行量超过150万份。万份。l 中国科学l 科学通报l 植物学报l 遗传学报l 分子生物学与生物化学学报l 植物分子生物学与生理学报l 生物工程学报2 中文期刊中文期刊（1）分子生物学的发展史给我们带来什么样的启示？（2）分子生物学热点问题的解决将为人类未来带来什么样的影响？思思 考考 题题Thanks for your attention!