分子生物学前几章讲义.docx
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分子生物学前几章讲义
《医学分子生物学》讲义
MolecularBiology
刘伟
石河子大学医学院
医学分子生物学MolecularBiology
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，SmithWilcox在流感嗜血杆菌（Haemophilusinfluenzae）中分离纯化了HindII，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，WatsonandCrick提出DNA双螺旋模型。
1958年，MeselsonandStahl证明DNA半保留复制。
1958年，Crick提出分子生物学中心法则。
1961年，JaconandMonod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，TeminandBaltimore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，KaryMullis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。
因此围绕衰老特别是脑衰老机理以及对防老保健对策将有裨益。
可喜的是，90年代以来，分离衰老基因的序幕已经拉开，其成功前景已初见端倪。
（五）中医学
中医学是人类文明的一大结晶，是伟大的医学瑰宝。
但传统中医理论的封闭性和较少证伪性，致使与现代科学（包括西医学）缺少若同语言，这是中医学受到的最大挑战。
因此未来的中医学可能逐渐借鉴现代科学（不是依靠也不是被验证）一切有用的知识来充实自己，更显著提高防治疾病，促进健康的水平。
此外，中医学的特殊领域，如气功、针灸、经络和传统药物作用等，其内容丰富多彩不少现象用现代科学知识不能解释。
在这些领域中，未来医学有很多探讨和研究机会，并可能成为人类潜在能力的开发的先河。
分子生物学研究现状和发展趋势
（一）分子生物学的研究和发展轨迹基本上遵循两个大方向：
1.不断把本学科理论和技术引向深入。
目前及今后相当长时期内，将在基因研究、基因表达调控研究、结构分子生物学研究、信号传导等四大前沿领域开展深入持久的工作，并由此开拓新的前沿领域和新的生长点。
2.不断与其他学科进入深入的横向联系和交叉融合，以期分子，细胞，整体水平研究和得到和谐的统一，使表型和基因型的关系得到客观准确的解释。
在这一方面，细胞分子生物学、发育分子生物学和神经分子生物学作为生物医学中最具有重要和生命力的“三驾马车”，将率先组合，启动和快速向前奔跑，并将取得突破性成果。
（二）结构分子生物学
生物功能由结构所决定。
生物大分子在表现其生理功能过程中，必须具备特定的空间立体结构（即三维结构）。
现已知道，在DNA，基因或RNA水平，存在各种体现功能的结构或，结构或本身结构特点和形态以及它们所处的空间大分子的空间结构形态都直接影响DNA、基因或RNA的功能发挥。
在蛋白质水平，由于它们是直接体现生理功能的物质,其空间结构对其功能影响更直接。
因此，蛋白质空间结构与功能的关系的研究是结构分子生物学研究的主体。
（三）人类基因组研究
人类的全部遗传信息包含在23对染色体上，每个DNA分子由3.3×109核苷酸组成,编码5～10万个基因。
人类基因组研究的对象是人类基因组，因此也称为“基因组学”。
“人类基因组计划”（HumanGenomicProject.HGP）于1990年正式出台和实施，该计划的主要科学目标是绘制遗传连销图、物理图、序列图和转录图。
一般说来，“基因组学”主要解决的问题是基因组的“结构”，即上述4张结构图，当HGP完成后，下一步该做什么？
下步是将重心逐步由“结构”向“功能”转移，人们提出1个新的名词，称“后基因组学”（post-genomics）。
（四）后基因组学大致包含下述内容
1.人类基因的识别和鉴定
2.基因功能信息的提取和鉴定
1）人类基因突变体的系统鉴定
2）基因表达图谱的绘制
3）“基因改变一功能改变”的鉴定
4）蛋白质水平，修饰状态和相互作用的探测
3.基因表达的调控
4.信号传导
总结回顾
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
1研究方向
2研究内容
3研究现状与发展趋势
第二章基因
基因的分类
结构基因：
编码蛋白质或RNA的基因。
（tRNA、rRNA、SnRNA）
调节基因：
DNA上起调节功能的片段或序列。
作用：
提供信号，结构基因的开始和结束
参与打开或关闭结构基因的转录
复制及重组的起始点的作用
DNA的复制是半保留的
Meselson-Stahl试验使用密度标记证明：
单一多聚核苷酸链是DNA单位，在复制过程中，它是保守的。
DNA螺旋的每一条链可以充当合成子链的模板。
子链序列根据碱基互补原则，由分开的亲链决定。
碱基配对是DNA复制的机制
DNA在复制叉处分离
DNA的复制是由一组酶复合物来执行完成的，这些酶具有分开亲链和合成子链的功能。
复制叉
复制叉是亲链分开的点。
合成DNA的酶称为DNA聚合酶，合成RNA的酶称为RNA聚合酶。
核酸酶能够降解核酸，包括DNA酶和RNA酶，可以分为核酸内切酶和核酸外切酶。
DNA复制形成复制叉是指从未解旋的母链向新复制的子链过渡的DNA区域。
核酸通过碱基配对进行杂交
通过加热可以使DNA的两条链分开。
降低温度，互补单链可以复性。
变性和复性可以发生在DNA—DNA、DNA—RNA、RNA—RNA间，也可以为分子内或分子间的组合。
两条待测单链核酸杂交的能力衡量了他们的互补能力。
碱基配对对于任何涉及核酸的过程都很重要。
碱基配对的破坏是双链分子发挥功能至关重要的方面，而形成碱基配对的能力对单链核酸的活性是必需的。
变性（Denaturation）
复性（Renaturation）
退火（annealing）
核酸通过碱基配对进行杂交
基因突变
突变可以改变DNA序列
所有的突变都包括DNA序列的改变。
突变可以由自发产生，或由诱变剂诱导。
自发突变：
正常细胞过程或与环境随机接触使所有生物发生一定数量的突变。
诱导突变：
用适当的化合物即突变试剂处理，可以增加突变的发生。
基因突变的类型
任何一个碱基对都会发生突变。
一个点突变只改变一个碱基对，它可以发生在如下两种情况：
1）对DNA直接修饰改变碱基。
2）DNA复制过程中的功能失常导致错误碱基在
DNA合成时插入多核苷酸链。
基因突变的类型：
转换，颠换，错配
碱基的化学修饰可以引起突变。
基因突变集中在热点
自发突变发生在整个基因组中，但是主要集中在一些突变热点上。
基因突变
基因突变的效应可以逆转
1）正向突变是基因失活，反向突变（或突变体）可以逆转其效应。
2）插入突变可由插入物质的缺失而回复，但是缺失突变不能回复。
3）当第二条基因的突变弥补第一条基因的突变效应时，就会发生抑制作用。
点突变和插入突变可以逆转，但是缺失突变不能逆转
一条基因编码一条多肽链
“一条基因对应了一种酶”假说
新陈代谢中的每一个过程都是由单一的酶催化，且能被不同基因中的突变所抑制，这样就产生了“一条基因对应于一种酶的假说”。
一条基因对应于一条肽链
但一些蛋白不是由一个亚基组成的，如果亚基是相同的，蛋白质是同源多聚体，它可由单一基因编码。
如果亚基不同，蛋白质就形成了异源多聚体，基因和蛋白之间的关系应该更为精确的表述为“一条基因对应于一条肽链”。
遗传密码是三联体
遗传密码是根据三个核苷酸组成的密码子来阅读的。
三联密码子不重叠，而且从固定点开始读码。
插入或者缺失单个碱基的突变可以导致突变位点后的三联密码子序列的移码。
同时插入或者缺失三个碱基（或三的倍数）导致插入或缺失几个氨基酸，但不改变剩下的三联密码子的读框。
遗传密码是三联体
移码突变表明遗传密码从一个固定的起始点以三联体方式阅读。
本章小结
基因
DNA的结构及其特点
DNA复制特点
DNA突变
一条基因对应于一条肽链
遗传密码是三联体
第三章基因组
细胞基因组（cellulargenome）:
一个细胞所有不同染色体上全部基因和基因间的DNA的总和。
细胞基因组（cellulargenome）中不同区域有不同的功能。
有些编码蛋白质的结构基因。
些是复制及转录的调控信号。
有些区域功能不详
不同生物正常染色体数目:
细菌（bacteria）1果蝇（fruitfly）8
酵母（yesat）16猫（cat）38
小鼠（mouse）40大鼠（rat）42
兔（rabbit）44人（human）46
鸡（chicken）78
生物种类:
原核生物（prokaryote）
真核生物（eukaryote）
病毒（virus）
生物种类:
真核生物（eukaryote）
有结构分明的细胞核，遗传物质与蛋白质结合，多细胞动物、植物酵母属于此类。
生物种类:
原核生物（prokaryote）单细胞生物，无核膜，仅有环状DNA。
不含组蛋白，无核仁，无明显的细胞核。
细菌、立克次体、支原体属于此类生物
病毒（virus）
由蛋白质与核酸组成，噬菌体既不是原核生物
也不是真核生物，可以认为是一种病毒
病毒（virus）是不能单独繁殖的生物体，是一类只能在宿主细胞内进行复制的最小微生物。
病毒基因组为增殖、遗传和变异功能提供遗传信息
病毒基因组
基因组（genome）1个配子（精子或卵子），1个单倍体细胞或1个病毒所包含的全套基因。
病毒核酸或为DNA或为RNA，可以统称为病毒染色体。
完整的病毒颗粒具有蛋白质外壳，以保护病毒核酸不受核酸酶的破坏，并能识别和侵袭特定的宿主。
类病毒例外，它是一类植物病毒，为很小的单链闭环RNA（250-400碱基）。
病毒基因组核酸的主要类型：
1、病毒基因组的核酸有DNA,也有RNA.
RNA病毒基因组所携带的遗传信息一般都在同一条链上，因而病毒RNA链有正负之分。
序列与mRNA相同的为正股（+），与mRNA互补的为负股（-）。
病毒核酸与所有的原、真核生物的核酸组比较，最为突出的特点是每种病毒颗粒只含1种核酸，或DNA或RNA，两者不共存于1种病毒颗粒中，据此，病毒可以分成两组，即DNA病毒和RNA病毒。
病毒核酸分子量大小：
RNA病毒小106-107D，DNA病毒大；107-108D
基因数：
3-几百个
病毒基因组核酸的主要类型：
1、病毒基因组的核酸有DNA,也有RNA.
RNA病毒基因组所携带的遗传信息一般都在同一条链上，因而病毒RNA链有正负之分。
序列与mRNA相同的为正股（+），与mRNA互补的为负股（-）。
病毒核酸与所有的原、真核生物的核酸组比较，最为突出的特点是每种病毒颗粒只含1种核酸，或DNA或RNA，两者不共存于1种病毒颗粒中，据此，病毒可以分成两组，即DNA病毒和RNA病毒。
病毒核酸分子量大小：
RNA病毒小106-107D，DNA病毒大；107-108D
基因数：
3-几百个
2、病毒基因组的主要类型（根据核酸的性质、基因组结构及复制的特点来划分）
双链DNA:
每种病毒依赖宿主细胞代谢系统的程度有所不同，基因组DNA的复制特点也不同
通过DNA复制过程完成基因组的复制
病毒的基因组为双链DNA组成，但不能直接通过DNA复制过程基因组复制，需要先转录出一个RNA中间体（前基因组），再通过逆转录过程方能完成基因组复制，如乙肝病毒（HBV）
2、病毒基因组的主要类型（根据核酸的性质、基因组结构及复制的特点来划分）
单链正股DNA：
基因组为单链的正股DNA，进入宿主细胞后形成双链，其基因转录方式类似细胞基因
单链正股RNA：
基因组为单链正股RNA。
基因组的复制和基因组转录具有不同的机制。
通过DNA中间体完成病毒基因组的复制：
如逆转录病毒，其基因组是单链正股RNA。
基因组复制需要由逆转录酶以RNA为模板合成双链cDNA，cDNA插入细胞基因组成为前病毒，然后以前病毒为模板，转录出正股RNA，即为病毒基因组。
病毒基因组共同特点：
1、基因组可以是DNA也可以是RNA，一种病毒只含有一种核酸
HPV、HBV双链环状；腺病毒、疱疹病毒双链线状DNA
脊髓灰质炎病毒单链RNA;呼肠孤病毒双链RNA
2、基因组同原核及真核相比，小、基因数少。
依赖宿主复制。
HBV基因组仅有3.2Kb，编码4种蛋白质，痘病毒300Kb,编码几百种蛋白质
3、有重叠基因存在。
同一段DNA片段可以编码2-3种蛋白质分子。
其它生物只有质粒和线粒体存在重叠基因。
使较小的基因组携带更多的遗传信息。
由于各基因ORF不同，因此，翻译出的蛋白质氨基酸序列也不同。
4、噬菌体（bacteriaphage）的基因是连续的，基因组中无内含子。
感染真核细胞的病毒基因是不连续的，具有内含子。
5、病毒基因组的大部分是用来编码蛋白质的，只有一小部分不被翻译。
不翻译的DNA序列包括基因之间的间隔区和基因表达的调控序列。
6、功能相关的基因集中在基因组特定部位，构成一个功能单位或转录单元。
7、逆转录病毒基因组有两个拷贝，其它基因组都是单倍体。
病毒颗粒中每个基因只有一个拷贝。
（四）逆转录病毒
1.逆转录病毒一般分类
逆转录病毒可以说就是RNA肿瘤病毒。
第一个被发现的RNA肿瘤病毒是劳氏肉瘤病毒（RousSarcomavivus,RSV,1911）。
至今为止所发现的r
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