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分子生物学第一章--绪论.ppt
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1、分子生物学与基因操作技术分子生物学与基因操作技术Molecular Biology&Gene Manipulation1 1生物学:研究生命现象、生命本质、生命活动生物学:研究生命现象、生命本质、生命活动及其规律的科学。及其规律的科学。细胞水平细胞水平整体水平整体水平分子水平分子水平分子生物学是生物学研究的一个分支分子生物学是生物学研究的一个分支2 2细胞生物学:从细胞水平 理解生命活动遗传学:从遗传角度理解生命活动 生物化学:从化学组成角度来理解生物大分子和生物代谢。普通生物学(动物&植物)&微生物学:不同生物类型的特点分子生物学:从分子水平理解生命活动3 3基因工程的发展基因工程的发展第1
2、代基因工程:DNA重组技术第2代基因工程:蛋白质工程(是指在基因工程的基础上,结合蛋白质结晶学,计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识通过对基因的人工定向改造等手段,对蛋白质进行修饰,改造和拼接以生产出能满足人类需要的新型蛋白质的技术。)第3代基因工程:代谢工程(metabolic engineering)(是指通过基因工程的方法改变细胞的代谢途径。)第4代基因工程:合成生物学(synthetic biology)(与传统生物学通过解剖生命体以研究其内在构造的办法不同,合成生物学的研究方向完全是相反的,它是从最基本的要素开始一步步建立零部件。与基因工程把一个物种的基因延续、改变并转移至另
3、一物种的作法不同,合成生物学的目的在于建立人工生物系统(artificial biosystem),让它们像电路一样运行。)4 4通过研究通过研究“基因敲基因敲除除”的耗子将帮助研究的耗子将帮助研究人类的癌症、糖尿病和人类的癌症、糖尿病和高血压等慢性疾病与遗高血压等慢性疾病与遗传的关系。传的关系。转基因羊转基因羊具有生长快、毛具有生长快、毛质、肉质好、疾病少质、肉质好、疾病少及耐粗饲料等优点。及耐粗饲料等优点。5 5在猴子的未受精卵中加入在猴子的未受精卵中加入附加基因,并利用它成功培育附加基因,并利用它成功培育出健康活泼的小猴出健康活泼的小猴“安迪安迪”。通过对通过对“安迪安迪”的研究我的研究
4、我们可以简单地引进如老年性痴们可以简单地引进如老年性痴呆病的基因、帕金森病基因等,呆病的基因、帕金森病基因等,加快针对这类疾病疫苗的开发加快针对这类疾病疫苗的开发研究。研究。6 6教材教材:朱玉贤等,现代分子生物学朱玉贤等,现代分子生物学 ,第三版,第三版 References:Sambrook J,et al.Molecularcloning-A Laboratory manual.3rd ed.2001,ColdSpringHarborLaboratoryPressTechnologyPress此书被誉为分子生物学的此书被誉为分子生物学的“圣经圣经”7 7Gene EngineeringC
5、ourse description:The objective of this course is to systemically impart the theories and techniques in gene engineering,covering(1)Relevant theories(2)Gene manipulation(3)Strategies for gene cloning and function identification(4)Applications of gene engineering(5)Guide to relevant literature.In eac
6、h part,worked examples are presented to elucidate the subject areas 8 8General SyllabusChapter 1 Introduction to Gene Engineering(2 hours)1 Brief course introduction 2 Overview of gene engineeringChapter 2 Protein(2 hours)Protein structure,function and biosynthesisEpigenetics,ncRNA(miRNA,siRNA,piRNA
7、)Chapter 3 Nucleic Acid(2 hours)1 Structure and function2 Gene expression and regulation9 9Chapter 4 Enzymology of Gene Manipulation(2 hours)Chapter 5 PCR techniques(2 hours)1 Principle of PCR techniques 2 RT-PCR3 NEST-PCR4Application of PCR techniques in evolution research or related,such as RFLP,R
8、APD,SSAR,SNP etc.Chapter 6 Molecular Hybridization(4 hours)1 Southern blot2 Northern blot3 Fluorescence in situ hybridization4Yeast two-hybrid1010Chapter 7 Vector Construction and Gene Transformation(4 hours)1 Construction of co-expression vector 2 Vector construction of fusion Protein3 Gene transfo
9、rmation and screening4 Safety assessment of gene transformationChapter 8 Protein Expression(4 hours)1 Procaryotic expression system2 Eucaryotic expression system 3SDS-PAGE 2D-electropheris4 Antibody preparation5 Western blot 1111Chapter 9 Introduction of Bioinformatics(2 hours)1 Principle and preval
10、ent softwares2Available database on websiteChapter 10 Strategy of Gene Cloning(4 hours)1 Map-based cloning2Transposon tagging cloning3 Gene cloning based on known protein4 Cloning of Homologous Genes1212Chapter 11 Function Identification of Novel Genes(3 hours)Chapter 12 Application of Gene Engineer
11、ing(4 hours)Practical application of gene engineering in chemical technology,pharmacy,agriculture,energy resource,environmental protection and materials1313Chapter 13 Guide to Scientific Literature(4 hours)Selected from distinguished periodicals such as Nature,Science,Cell,Pnas,Jacs,Agrew,Plos Biolo
12、gy,etc.1414生命科学主要网址生命科学主要网址NCBI(http:/www.ncbi.nlm.nih.gov)NATURE(http:/)SCIENCE(http:/www.sciencemag.org)Cell(http:/)PNAS(http:/www.pnas.org)JBC(http:/www.jbc.org)Plos(http:/www.plos.org)1515生命科学主要刊物生命科学主要刊物Nature,Naturegenetics,Naturebiotechnology,Naturemethods,Naturemedicine,NatureprotocolScience
13、Cell,currentopinioninbiotechPNASPlos系列(系列(Plosbiology等)等)NucleicAcidResGeneanddevelopmentJBCEMBOLJJACS美国化学会刊美国化学会刊 (刊登了许多生物合成文章刊登了许多生物合成文章)Angew德国应用化学德国应用化学。1616第一章第一章 绪论绪论引言分子生物学概念分子生物学简史分子生物学的主要研究内容基因工程未来分子生物学发展趋势1717第一节第一节 引言引言一、创世说与进化论一、创世说与进化论达尔文 1859年物种起源,确立了进化论的概念1818分子进化论RNA世界世界 RNA催化活性的发现解决
14、了以往关于先有多聚核苷酸还是先有多肽链的两难困境,表明最初的生化系统整个地集中在RNA。RNA世界的核心内容:作为核酶的世界的核心内容:作为核酶的RNA可以可以任意方式作为模板,进行缓慢地自发地复制。任意方式作为模板,进行缓慢地自发地复制。最初的RNA分子复制产生的RNA分子已经具备生命所具有的两种基本属性:因为复制,成为遗传信息载体;可以催化,直接扮演了表型的角色。这些RNA组成了原基因组(protogenome),形成了一个能自我复制和指令简单生化反应的体系。1919基因组的起源基因组的起源RNA世界转变为DNA世界的关键一步:具有酶学活性的蛋白质的出现,可以补偿并最终取代核酶的大部分催化
15、活性。RNA的催化活性转移到蛋白质是RNA原始基因组功能的根本性改变,使RNA与蛋白质的分工逐渐明朗,进而提高了整个生化系统的效率。RNA原始基因组的主要功能逐步转向指令蛋白质合成。DNA比RNA结构更为稳定,RNA的编码功能转移到DNA是一种必然趋势。RNA世界向DNA世界的过渡过程:兼具催化和编码功能的RNA大分子最先出现 RNA催化肽键形成并合成蛋白质 RNA与蛋白质联手以RNA为模板合成DNA2020生命三界生命三界真细菌、古细菌、真核生物。它们是三个独立起源的生命系统,来自共同的单细胞祖先,彼此间不存在承继关系。2121二、细胞学说(二、细胞学说(18471847)德国 植物学家Sc
16、hleiden德国 动物学家Schwann2222早期生物学家的另一大贡献是提出了细胞理论。动植物的基本单元是细胞,这是细胞学说的核心。细胞学说的主要内容有:细胞是有机体,一切动植物都是由单细胞发育而来,即生物是由细胞和细胞的产物所组成;所有细胞在结构和组成上基本相似;新细胞是由已存在的细胞分裂而来;生物的疾病是因为其细胞机能失常。2323三、经典的生物化学和遗传学三、经典的生物化学和遗传学 19世纪中叶,蛋白质(发现动植物细胞提取液中主要是一些能受热或酸变性形成纤维状沉淀的物质)19世纪中叶到20世纪初,组成蛋白质的20种基本氨基酸被相继发现(1935年,苏氨酸)著名生物化学家Fisher还
17、论证了连接相邻氨基酸的“肽键”的形成。2424孟孟 德德 尔尔 GregorMendel(1822-1884),奥地利科学家,经典遗传学的奠基人2525孟德尔孟德尔(18221884)1857-1864的7年中,进行了豌豆的杂交研究,1865 年发表了他的划时代的论文植物杂交试验在论文中提出了“遗传因子”的概念,并得出了两条基本规律:等位基因随机分离 独立分配定律 2626孟德尔第一定律孟德尔第一定律 等位基因随机分离等位基因随机分离(The Law of Segregation)(The Law of Segregation)AAaaAaF1ParentsF2AAaaAa1:2:1A:a=1
18、:12727孟德尔第二定律孟德尔第二定律 独立分配定律独立分配定律(the law of independent(the law of independent assortment)assortment)F1ParentsF2AaBb AB Ab aB ab 25%25%25%25%AB(25%)Ab(25%)aB(25%)Ab(25%)AABB AABb AaBB AaBbAABb AAbb AaBb AabbAaBB AaBb aaBB aaBbAaBb Aabb aaBb aabbA:a=1:1 B:b=1:1AABBaabb2828在孟德尔遗传学的基础上,美国著名的遗传学家Morgan
19、又提出了基因学说。连锁遗传规律2929摩尔根(T.H.Morgan,1866-1945)因发现染色体的遗传机制,创立染色体遗因发现染色体的遗传机制,创立染色体遗传理论而于传理论而于1933年获诺贝尔生理学医学奖年获诺贝尔生理学医学奖摩尔根果蝇遗传实验具有划时代意义摩尔根果蝇遗传实验具有划时代意义 人类第一次把基因与染色体联系起来,人类第一次把基因与染色体联系起来,认为基因是一种物质,是染色体上的认为基因是一种物质,是染色体上的一个特定的区段。一个特定的区段。确立并发展了染色体的遗传理论。确立并发展了染色体的遗传理论。3030第二节第二节 分子生物学概念分子生物学概念分子生物学是研究核酸、蛋白质
20、等所有生物大分子生物学是研究核酸、蛋白质等所有生物大分子的分子的结构结构与与功能功能,并从分子水平上阐明蛋白,并从分子水平上阐明蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸之间的互作及其基质与蛋白质、蛋白质与核酸之间的互作及其基因表达调控机理的学科因表达调控机理的学科广义上,分子生物学包括对蛋白质和核酸等生物大分子结构与功能的研究,以及从分子水平上阐明生命现象和生物规律3131生物技术理论生物技术理论与应用与应用分子生物学研究的主要领域分子生物学研究的主要领域生物大分子的结构与功能生物大分子的结构与功能生物大分子之间的互作生物大分子之间的互作 DNA-protein receptor-ligand Enzym
21、e-substrate基因的概念基因的概念基因的结构基因的结构基因的复制基因的复制基因的表达基因的表达基因的重组基因的重组基因的突变基因的突变基因工程基因工程细胞工程细胞工程酶工程酶工程发酵工程发酵工程蛋白质工程蛋白质工程狭义的分子生物学狭义的分子生物学(核酸生物学)(核酸生物学)酶催化与生物合成酶催化与生物合成广义分子生物学广义分子生物学代谢工程代谢工程与与系统生物学与合成系统生物学与合成生物学生物学3232引自引自Neil CampbellNeil Campbell著著BiologyBiology第第4 4版版,1996,1996胰岛素胰岛素蛋白酶蛋白酶蜘蛛毒素蜘蛛毒素光合作用受体光合作用
22、受体金属硫蛋白金属硫蛋白3333Crosstalk-Crosstalk-分子互作分子互作分子互作分子互作Myriads of Myriads of metabolicmetabolicpathwayspathwayscellular cellular networknetworkreprogrammingreprogrammingdiverse diverse phenotypes phenotypes beyond beyond imagination imagination RNAiRNAi3434第三节第三节 分子生物学的发展历程分子生物学的发展历程一、一、194419661944196
23、6年,人类对年,人类对DNADNA和遗传信息传递的和遗传信息传递的 认识阶段认识阶段二、二、1967197819671978年,重组年,重组DNADNA技术的建立和发展阶段技术的建立和发展阶段三、三、19791979年至今,重组年至今,重组DNADNA技术的应用和分子生物技术的应用和分子生物 学迅速发展阶段学迅速发展阶段3535一、认识阶段一、认识阶段1944年,年,Avery 证明证明DNA是遗传物质是遗传物质1950年,年,Chargaff 提出提出Chargaff定则定则1953年,年,Watson&Crick 成功解析了成功解析了DNA分子二分子二级结构级结构1958年,年,DNA半保
24、留复制半保留复制1961年,年,Jacob&Monod 提出了调节基因表达的提出了调节基因表达的操纵子模型操纵子模型3636DNA携带遗传信息RNARNA携带遗传信息携带遗传信息37371 1、遗传信息携带者、遗传信息携带者的确定的确定2 2、DNADNA结构的确定结构的确定1869年年 Miescher发现发现Nuclein 核素。核素。1875年提出核素的实验式。年提出核素的实验式。Altman建立了制备不含蛋白的核素的方法,并定名为建立了制备不含蛋白的核素的方法,并定名为Nucleic acidKessel研究了核酸的化学组成,分离出研究了核酸的化学组成,分离出四种四种碱基。明确提出碱基
25、。明确提出核酸具有含氮碱基。核酸具有含氮碱基。(1910年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖)1909年年Levene.P.A发现酵母的核酸含有核糖,以后他又发现发现酵母的核酸含有核糖,以后他又发现脱氧核糖,正确指出了核酸的糖基组成。核苷、核苷酸的分脱氧核糖,正确指出了核酸的糖基组成。核苷、核苷酸的分子结构子结构3838Levene的四核苷酸假说的四核苷酸假说3939AGCTLevenes four necleoside theoryLeveneLevene四核苷酸假说四核苷酸假说:核酸由核酸由4 4种种核苷酸等比例组成核苷酸等比例组成,缺缺乏结构多样性乏结构多样性,不大可能具有重要生理功能不大可能具有重
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