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基因的研究一直是影响整个分子生物学发展的主线。

在不同的历史时期对基因的研究有不同的内容，主要包括从细胞染色体水平上以及DNA大分子水平上的研究。

近20年来，由于重组DNA技术的应用，使人们改变了传统研究基因的模式。

能够从克隆目的基因出发，研究基因的功能及其与表型的关系，使基因的研究进入了反向生物学阶段。

例如，你要研究胰岛素分子的结构功能，可以由基因设计开始，利用基因工程技术做出各种各样结构的胰岛素来，从中可以很快地得到速效胰岛素分子。

你也可以把功能还不太清楚的基因引入小鼠，做成特殊的转基因鼠，来研究此基因的功能，或者相反的敲除这个基因来研究其功能。

这都与传统生物学的由表及里不同，而是由生命的核心——基因物质出发，反向而行，这就是反向生物学。

2．DNA的复制、转录和翻译

DNA或基因怎样在各组相关的酶与蛋白因子的作用下，按照中心法则的规定进行自我复制、转录和反转录以及翻译。

同时，对mRNA分子剪接、加工、编辑以及对新生多肽链折叠成为有功能的结构的研究。

3．基因表达调控的研究

基因表达的调控主要发生在转录和翻译水平上。

4．DNA重组技术

作为分子生物学研究内容之一，它的主要目的是：

（1）用于大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低的多肽，如：

激素、抗生素、酶类及抗体等，提高产量，降低成本，使许多有价值的多肽类物质得到广泛的应用。

（2）用于定向改造某些生物的基因组结构，使它们所具备的特殊功能更符合人类生存和生活的需要，能成百上千倍地提高其经济价值。

（3）重组DNA技术还被用来进行基础研究。

5．结构分子生物学

结构分子生物学就是研究生物大分子特定的空间结构以及结构的运动变化与其生物学功能相互关系的科学。

它包括结构的测定、结构运动变化规律的探索和结构与功能相互关系三个方向的研究。

结构分子生物学在今后仍然是生命科学发展的基础学科。

分子生物学已经渗透到生物学科的各个领域中，并正在产生一系列新的分子科学，改变了或正在改变着整个生物学的面貌。

其研究成果已在工业、农业、医学以及生物制药等领域得到广泛的应用。

0-4分子生物学发展简史

随着化学及物理学的渗透,构成生物细胞的生物大分子的结构与功能的研究日益获得突破性的进展。

早在1871年MiesCher从死的白细胞核中分离出脱氧核糖核酸（DNA）,迄今已有120年的历史。

1928年Griffith发现肺炎链球菌（Pneumococcus）的无毒菌株与其被杀死的有毒菌株混合,即变成致病菌株（图0-1）。

1944年Avery等人发现从致病力强的光滑型（S型）肺炎链球菌提取的DNA能使致病力弱的粗糙型（R型）转化成S型。

如果加少量DNA酶,这种转化立即消失,但加入各种蛋白水解酶则不能改变这种转化。

他们的实验充分证明引起细菌遗传改变的物质为DNA（图0-2）。

由于核酸化学的研究进展,Ｃhargaff（1949）从不同来源DNA测定出4种核酸碱基,即胸腺嘧啶（thymidine,T）、胞嘧啶（cytocinhC）、腺嘌呤（adenine,A）和鸟嘌呤（guanine,G）。

腺嘌呤与胸腺嘧啶的量和鸟嘌呤与胞嘧啶的量相等：

G=C　A=T　称为Chargaff规律。

⁗atsů和CѲick枎1953年眨Ná

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ure权矗（171：

ķ37－738）上提出亇D࡮A双股螺旋樥型。

DNA以磷酸糖链忢成了双股螺旋,脱氧核糖上的碱基按Chargaff规律构成双股磷酸糖链之间的碱基对。

这个模型表明DNA具有自身互补的结构,根据碱基对原则,DNA中贮存的遗传信息可以精确地进行复制。

他们的理论奠定了分子生物学的基础。

DNA双螺旋模型已经预示出DNA复制的规则。

Kornberg于1956年在大肠杆菌的无细胞提取液中分离出DNA聚合酶I（DNApoly-meraseI，图0-4）,能使4种dNTP（即dATP,dGTP,dCTP和dTTP）连接成DNA。

DNA的复制需要以一个DNA作为模板。

以后证明DNA的复制是一个非常杂的过程ž包含着许多种酶的参与。

DNA复制在分子生物学中是一亪常重要的问题。

Meseison丞Stࡡh聬用精彩的⦜证明,DNA复制时DNA分子的丬条链先行分元。

他们用15N重同位素及密度梯度超速离心、于明DNÁ

复制是一种半保留复制（图0-耵）。

耍

Crigk캎1954廴提出了遗传濡息켠递的规律,DNC是合成RNQ的模板（Ｔemplate）,RNA又是合成蛋白质模,称之为中心法则（图0-6）。

这个中心法则对以后分子生物学的发展起了极其重要的指导作用。

由于多年的研究编码组成蛋白质的氨基酸的遗传密码得到解决,对分子生物学的发展有重要推动作用。

蛋白质由20种氨基酸组成,而DNA仅由4种核苷酸构成,按照中心法则,氨基酸与核苷酸的关系如何？

Yanofsky和Brener（1961）提出了三联体　（triplet）的设想,即3个碱基编码一种氨基酸。

这个问题经过Nirenberg和Matthai的努力研究，编码氨基酸的遗传密码终于得到了破译。

他们在无细胞系统中加人一定序列的人工合成的多核苷酸即合成了一定序列的多肽链,充分证明编码20种氨基酸的遗传密码。

Ｋhorana（1966）用实验证实了Nirenberg提出的遗传密码。

Ｋhorana用有机化学方法合成了多聚脱氧核糖核苷酸,并以它为模板用DNA聚合酶I合成DNA链,然后他以DNA为模板用RNA聚合酶合成了RNA链,二者具有互补的关系。

蛋白质合成是分子生物学的重要课题,它的研究经历了很长的过程。

早在1953年Zamkecni及其同事就开始在无细胞系统中利用放射性同位素标记的氨基酸研究蛋白质合成过程,发现蛋白质合成的场所为核糖体（ribosome）。

他们还证明白质合成需要ATP作为肽链形成的能源。

氨基酸掺入蛋白质之前首先要与转移RNA（tRNA）结合,它是由氨基酸合成酶（aminoacylsynthetase）催化的。

在细胞总RNA中tRNA约占10%,RNA的85%存在于核糖体（rRNA）中,1960年以后利用T4噬菌体感染Eschericlmcoli作为系统,噬菌体侵染细菌后,寄主的RNA合成被中止,只有T4DNA被转录成T4RNA。

令人惊奇的是T4RNA的碱基组成与T4DNA非常相似,但它并不与rRNA结合形成核糖体。

后来这种RNA携带DNA的信息转移到核糖体上合成蛋白质,故称为信使RNA（messenger-RNA,mRNA）。

mRNA约占总RNA的4%。

继mRNA被发现后，Hurwitz,Stevans及Weiss等人发现了RNA聚合酶,这种酶以DNA为模板利用ATP,GTP,CTP,UTP等合成RNA,这就是转录（transcription）过程。

在细胞中蛋白质合成是受到控制的。

例如,E.coli中的β-半乳糖苷酶（β-galactosidase）的含量就随着对它的需要而变化。

当乳糖存在时含量高,将乳糖分解成葡萄糖和半乳糖,而在乳糖不存在时,细菌合成的β-半乳糖苷酶则极少。

Monod和Jacob于50年代末对此问题做了详细研究,提出了操纵子学说（operontheory，图0-7）,指出在操纵子中存在调节基因（regulatorygene）,它可以产生阻遏蛋白（repressor）,在乳糖不存在时阻遏蛋白就关闭结构基因,使之不能合成半乳糖苷酶。

按照中心法则信息传递的方向是从DNA到RNA,再从RNA到蛋白质。

但是RNA在反转录病毒（retrovirus）中并非如此,它们能以RNA为模板合成单链的DNA,然后再以这条ssDNA（single-strandDNA）为模板合成互补DNA（complementarycDNA）。

以RNA为模板催化DNA合成的酶称为反转录酶（reversetranscriptase-RTase）,它是由Temi和卫Balimore（1970）首次发别发现的,我们可以利用反转录酶以分离得到的mRNA为模板合成cDNA,从而进行基因结构及其表达的研究（图0-8）。

DNA是一个长链的生物高分子,在研究DNA重组、表达质粒的构造及它的碱基序列分析之前往往需要将DNA分子切割成为较短的片段,这就需要一种酶来完成，Smith于1970年从E.coli中分离出第一个能切割DNA的酶。

由于它能在DNA核苷酸序列的专一性位点上切割DNA分子,他将这种酶称为限制性酶（restrictionenzyme-RE，图0-9）。

以后很多种限制性酶陆续被分离出来,目前已有数百种限制性内切酶作为商品出售,给分子生物学研究带来极大的方便。

在研究分子生物学中了解DNA的核苷酸的排列顺序无疑是非常重要。

Sanger（1977）及Gilbert（1977）分别用与测定蛋白质序列截然不同的方法解决了DNA分子中碱基序列（DNAsequence）的复杂问题。

Sanger采用的是酶法（图0-10）,而Glibert采用化学法。

他们都将DNA分子中碱基的序列准确地测定出来,使我们对基因甚至基因组的结构得到了解。

限制性内切酶的分离成功使得重组DNA成为可能。

在此以前已经发现细菌中存在DNA连接酶（DNAligase）（图0-11）。

它能将被限制性酶切割的DNA片段连接在一起,1972年Berg首次将不同的DNA片段连接起来，并且将这个重组的DNA分子有效地插入到细菌细胞之中,重组的DNA进行繁殖,于是产生了重组DNA的克隆（clone，图0-11）。

Berg是重组DNA或基因工程技术的创始人,于1980年获得了Nobel奖。

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__臺Ｓumm聥r（1936）证明녶是蛋白质以来,峲有50多年的历史,人们一直认为酶蛋白质。

佇是鿑年有一个惊人的发现,即一些RNA也具杉催化功能。

Cech于19࠸6年发现四膜虫（Tetrahymena）的永糖体RNA能够自我嘇除．ѭRNI中的内含子能被RNA本身准确无误圲切除。

这种冇含子衍生出来的VNA在特定位点冬化R葎A链的剪切和连接,而自身并不被消耗,完凨符合酶的性质。

这种催化剂被定名为核酶Ĩࡲ䁩bozࡹme）も这一现콿薺推测在生物进匞的早期可能先形成ࡒNAာ然后以њNA为模板形成D䁎A。

DNA后来代替ࡒNA作为遗传物质,箃的富螺旋翓构篔ŒN聁单链更稳定Ĭ銂宜侎镗漠物质的存贮,而RюA在椸绖优乭仍保留着催化性跊。

由于分子生物学皆研究对生命科学的发展起着巨大的推动作用,受到国际科学界的뫘度重视,许多位娆子生物学家获得了诺贝尔化学奖或生理学奖。

爆子生物学从开始到如今只有50多年的发展历史,在캺类文明史中只是短暂的一段,却使生物学卑生了巨大变化,其进展可谓极其迅猛。

无数分子生物学家的刻苦研究,使我们现在츍但能滎分子水平上了解DNA的结构、复制、转和表辿的详尽过程,而且对某些重要生物如果蝇（Drosopè

ࡩla）或拟南芥（ቁrabidopsis）复杂的发育过程澉了深入地了解,使生物科学进入了一个新阶段,这在过去是办不到的。

0-4分子生物学垨生命科学中的位置分子生物学漯从生物化学发峕出来的一门学科。

但是,分子生物学并不能与生物化学相分离,而是关系日益密切。

例如,国际生物化学协会（TheInternat聩onalUnionofBiochemistry）现已改名为国际生物化学与爆子生物学协会（TheInternqtional0UnionofBiochemistryandMolࡥc⁵ѬarBiology）,足以襨渎二者的关系十分密切。

此外‬近年来蛋白质与DNA结合的研究日益受到重视,成为晶体学（crѹstá

llography）的重要内容,这个问题深入探讨将使分子生物学的重要机理,如复制、转录、翻诐、调控的本质得以充分阐明,也就是蛋白质和酶究竟昿如何使复杂的复制、转录及翻译过程进行的。

DNA虽然可以复制,但是DNA本身却不能复制。

RNA可以转录,但RNA本身却不能转录。

复制和转录都是由蛋白质咎实现的。

翻译过程也是由核酸和蛋白质完成的儂由此可相辅相成的。

目前分子生物学的研究虽然仍以DNA重租技术主要手段,但是愈来愈多的事实表明,蛋白质和酶的研究在分子生物学研究中的重要地位,例如,研究基因的表达问题,必然涉及到基因表达的产物,也就是蛋白质和酶。

而要想深刻阐明所表达的蛋白质和酶,就必须彻底了解其结构和功能。

因此,在分子生物学的研究中,蛋白质的纯化、一级结构、晶体的三维结构、溶液构象、光谱性质、酶的动力学等就成为必须研究的内容,这样才能对基因表达的产物做出确切的解释。

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