分子生物学绪论ppt课件

分子生物学MolecularBiology introduction 第一节分子生物学是从分子水平探讨生命活动的本质一 分子生物学的定义二 分子生物学发展简史三 分子生物学研究对象和研究内容 生物学 研究生命现象 生命的本质 生命活动及其规律的科学 生命科学研究的三个层次 1 整体水平2 细胞水平3 分子水平 分子生物学 从分子水平研究生命现象 生命本质 生命活动及其规律的科学 核心内容 从分子水平研究基因和基因的活动 核酸和蛋白质活动 核酸和蛋白质的结构与功能基因组的结构与功能基因的复制与表达基因表达调控及其生物学效应生物大分子相互作用及其所形成的细胞间通讯和细胞内信号转导基因的结构 功能 表达调控的分析和基因制备 改造 调控 应用所需的技术体系 分子生物学 分子生物学的延伸 分子生物学已经渗透到生物学的几乎所有领域分子生物学已经成为生命科学领域的带头学科 第一节分子生物学是从分子水平探讨生命活动的本质 一 分子生物学的历史回顾 孕育时期 遗传方面 1859年 达尔文 Ontheoriginofspecies生物性状的可遗传性生物性状在自然选择压力下可变性生物性状在不同物种之间的相关性 开始触及生命本质最核心问题 生命的特征和生物性状为什么能代代相传 代代相传的性状为什么可以改变 是什么在控制生物的性状 GregorMendel 1822 1884 TheFatherofGenetics 孟德尔的遗传学规律最先使人们对性状遗传产生了理性认识 Mendel 豌豆性状遗传杂交实验 1865年GregorMendel 遗传学的奠基人 豌豆性状遗传的杂交实验生物体存在遗传单位 能够从亲代传给子代1866年发表了 植物杂交实验 细胞学方面 1879年 Walterflemming研究细胞分裂时观察到染色体1902年 Waltersutton提出 基因在染色体上 forhisdiscoveriesconcerningtheroleplayedbytheChromosomeinheredity demonstratedthatgenesareonthechromosome ThomasHuntMorgan inPhysiologyorMedicine1933NobelPrize 1910年 Huntmorgan证明基因存在于染色体上 NobelmedalHalfapoundof23 karalgold 2 5inchesacross 果蝇杂交实验 化学方面 1868年 F Miescher 米歇尔 瑞士 发现了核素 nuclein 20世纪20 30年代 已确认自然界有DNA和RNA两类核酸 并阐明了核苷酸的组成 1944年 O T Avery等证明了肺炎球菌转化因子是DNA 人们仍不相信DNA是遗传物质 这是由于 1 因认为蛋白分子量大 结构复杂 二十种氨基酸的排列组合将是个天文数字 可作为一种遗传信息 而DNA分子量小 只含4种不同的碱基 人们一度认为不同种的有机体的核酸只有微小的差异 2 认为转化实验中DNA并未能提得很纯 还附有其它物质 3 即使转化因子确实是DNA 但也可能DNA只是对荚膜形成起着直接的化学效应 而不是充当遗传信息的载体 1952年 A D Hershey和M Chase用35S和32P分别标记T2噬菌体的蛋白质和核酸 感染大肠杆菌的实验进一步证明了核酸是遗传物质 DNA是动物细胞的遗传物质 当DNA加入到某种在培养基中培养的真核单细胞生物群落中 核酸就会进入到细胞中去 其中有一部分就会合成出一些新的蛋白质 导入DNA的表达将使细胞产生一些新的特性 图 胸腺嘧啶核苷激酶的合成 在对DNA结构的研究上 1949 1952年 Wilkins等的X 线衍射分析阐明了核酸并非平面的空间构像 提出了DNA是螺旋结构 1948 1953年 Chargaff等用新的层析和电泳技术分析组成DNA的碱基和核苷酸量 积累了大量的数据 提出了DNA碱基组成A T G C的Chargaff规则 为碱基配对的DNA结构认识打下了基础 克里克 1916 2004 英国生物物理学家 沃森 1928 美国生物学家 1953年沃森 克里克在英国生物学家富兰克林 女 等人研究成果的基础上 首先提出了DNA的双螺旋结构模型 于1962年获奖 现代分子生物学诞生的里程碑 DNA双螺旋结构示意图 核酸分子的大小常用碱基 base或kilobase 数目来表示 小的核酸片段 50bp 常被称为寡核苷酸 oligonucleotide 自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基 DNA双螺旋结构的多样性 二 分子生物学早期理论形成期1953 DNA双螺旋模型建立 1970年 JamesWatson第二版 Molecularbiologyofthegene 标志分子生物学开始有了较完整的理论体系 这期间的主要内容 mRNA的发现 DNA聚合酶 RNA聚合酶 DNA半保复制留机制 操纵子学说 遗传密码的发现和破译 生物遗传的中心法则 DNA半保留复制模型 DNA pol 109kD 1958Kornberg分离出DNA聚合酶I DNA pol 250kD 1 DNA RNA 蛋白质 转录 翻译 逆转录1970年H Temin 复制 遗传信息传递的中心法则 1958年F Crick 1961 1969Nirenberg破译遗传密码 遗传密码表 三 20世纪70年代以来分子生物学飞速发展 1 逆转录酶2 限制性内切酶 连接酶基因重组3 断裂基因4 DNA测序5 核酶6 PCR发明7 增强子等调控序列8 转基因动物9 基因治疗10 人类基因组计划 转基因动植物 降糖米GLP 1 Obmice GHtransgenicmice Dollysheep 2003年4月14日 国际人类基因组测序组隆重宣布 美 英 日 法 德和中国科学家历经13年的共同努力 人类基因组序列图亦称 完成图 提前绘制成功 为此 参与研究国6国政府首脑发表联合声明表示祝贺 从现在起 生物学被重新划分为前基因组和后基因组两部分 人类正生活在后基因组时代 发现 a 2 91Gbp 约39000多个基因 平均基因大小有27kbp 1号染色体基因最丰富 而13号最少 b 发现定位了26000多个功能基因 其中尚有42 的基因尚不知道功能 在已知基因中酶占10 28 核酸酶占7 5 信号传导占12 2 转录因子占6 0 受体占5 3 等 c 人类 种属 之间没有本质的区别 d 存在 热点 和大片 荒漠 e 男性的基因突变率是女性的两倍 f 约有200个基因来自细菌基因 g 基因重排更复杂 沿DNA双轨的 淘金 热浪势不可挡 因为这是最好的致富道路之一 Gene Money 知识和理论的致富人类基因组的DNA序列 破译全部基因密码 人类基因组计划解释人类多样性 基因组DNA多态性加速对生命奥秘的阐明 重大疾病发病机理的突破物质的致富发现和设计新药 45 分子生物学研究对象和主要内容 生物学是研究生命的科学 研究生命的本质及其各种生命现象和规律 分子生物学是在分子水平认识生命本质 研究各种生命现象在分子水平的机制及其相互作用规律的科学 主要从以下几个方面阐述 1 遗传物质和遗传信息的传递2 基因结构 生物大分子的结构与功能3 以DNA重组和分子杂交为核心的现代分子生物学技术 46 染色体是遗传的物质基础 是基因的载体 HumanChromosome 1 遗传物质和遗传信息的传递 1 染色体 47 染色质 chromatin 和染色体 chromosome 染色质 细胞间期核内伸展开的DNA 蛋白质纤维 DNA deoxyribonucleicacid 主要核酸RNA ribonucleicacid 少量组蛋白 H1 H2A H2B H3 H4 蛋白质非组蛋白染色质 染色体 分裂间期 分裂期 螺旋化 48 染色质和染色体是同一遗传物质在细胞间期和分裂期的两种不同形态 49 串珠状染色质 50 遗传信息的传递 遗传物质是DNA 遗传单位是基因 遗传信息贮存于DNA中 通过半保留和半不连续复制传递到子代细胞中 分子生物学核心是研究遗传信息及其传递 51 磷酸脱氧核糖碱基脱氧核糖核苷脱氧核糖核苷酸 1 DNA结构DNA的基本结构单位 单脱氧核糖核苷酸 52 碱基种类 胸腺嘧啶Thymine T 胞嘧啶Cytosine C 鸟嘌呤Guanine G 腺嘌呤Adenine A 53 碱基互补配对 A T G C 稳定双螺旋结构的作用力为氢键和碱基堆积力 即疏水作用 55 DNA结构特征 DNA为两条多核苷酸链相互逆向缠绕的双螺旋结构 方向性 56 2 DNA复制 遗传信息传递 通过DNA复制 将亲代遗传信息传给子细胞 子代 DNA复制方向5 3 半保留复制和半不连续复制 遵循碱基互补配对原则 57 DNA结构的基本特征 A T C G互补配对结合 碱基的排列顺序就是DNA序列 储存遗传密码 双螺旋互补结构是DNA复制和修复的基础 双螺旋的沟 尤其是大沟为蛋白质分子结合的场所 双螺旋的互补性是分子识别的原理之一 也是现代分子技术核心技术 分子杂交的基础 3 DNA结构的基本特征和生物学意义 58 DNA具有重要的生物学意义 它是遗传信息的载体 贮存并传递支配生命活动的指令 它是构建生物体的蓝图 它是人为操作 研究生命和改造生命特征的元件 它是生命科学技术遵循的原则 59 2 基因表达和调控 遗传信息的表达 理解生命大分子运动的基本规律 中心法则 破解遗传密码及DNA序列 弄清基因如何转录和翻译及信息传递过程中如何调控的 60 1 中心法则 centraldogma 1958年Crick提出 1970年Baltimore和Ternin等修正并补充 61 2 基因表达 1 基因的概念是DNA序列中的一个功能片段 2 基因的结构原核生物的基因是DNA分子的一个片段 且转录部分连续编码 真核生物包括人类的基因不同于原核生物的基因 真核生物的结构基因的DNA序列 转录部分 由编码序列和非编码序列两部分组成 编码序列是不连续的 被非编码序列分割开来 称为断裂基因 splitgene 62 基因的结构和生物大分子的结构与功能 基因的物质基础是核酸基因编码的终产物是蛋白质 63 Exon和Intron Exon 编码序列 Intron 非编码序列 GT AG法则 5 GT AG 3 是真核生物基因内含子剪切和外显子拼接信号 高度保守的共有序列 旁侧 Flankingsequence 侧翼序列 每个结构基因在第一个和最后一个外显子的外侧有一段不被转录的非编码区 Flankingsequence 64 旁侧包括 启动子 promoter TATABOX 位于 19 27bp 7个碱基组成 TATAT A AT A TFII结合位点 再与RNA聚合酶II形成复合物 准确识别转录起始位点 具定量效应 CAATBOX 位于 70 80bp 9个碱基组成 GGC T CAATCT 转录因子CTF的识别位点 与之结合促进转录 65 GCBOX 位于CAATBOX两侧 6个碱基组成 GGCGGG 转录因子SP1识别位点 激活转录 增强转录效率 增强子 enhancer 位于启动子上游 下游的一段DNA序列 增强转录效率 作用方向可以是5 3 方向 或3 5 microRNA miRNA 内源性 大小在20 25nt一类非编码RNA 66 终止子 terminator 由一段回文序列以及特定的序列5 AATAAA 3 PolyA组成 是RNA聚合酶停止工作的信号 回文序列为转录终止信号polyA AATAAA 是多聚腺苷酸添加信号 67 顺式作用元件 cis actingelement 是同一DNA分子中具有转录调节功能的特异DNA序列 启动子增强子终止子沉默子 某些基因含有的一种负性调节元件 当其结合特异蛋白因子时 对基因转录起阻遏作用 与启动子结合的转录因子 称为反式作用因子 元件 顺式作用元件与反式作用因子 68 3 基因表达 geneexpression 是遗传信息通过转录产生mRNA再经翻译生成蛋白质的过程 69 基因表达 70 转录 71 RNA剪接 RNA加工过程 72 加帽 RNA加工过程 73 加尾 RNA加工过程 74 反密码子 tRNA运输 75 密码子 三联体密码子 共有64个密码子 UAAUGA为终止密码子UAG AUG为起始密码子 通用性 兼并性 76 遗传密码和遗传密码子的发现和确立 建立起了DNA 蛋白之间的桥梁 遗传信息储存在DNA的碱基排列顺序中 每3个碱基组成一个三联体 遗传密码 一个密码子编码一个氨基酸 mRNA中的三联体密码子的排列顺序决定多肽链的氨基酸的排列顺序 77 翻译 78 遗传物质是DNA固然重要 但蛋白质也具有同等重要的地位 因为DNA复制及发布合成蛋白质的指令必须要有执行工作的酶 蛋白质 的存在 也就是说是DNA复制酶使DNA完成自身复制 也是酶使DNA发布合成蛋白质的指令 所以 对于生命至少是地球上的生命DNA与蛋白质具有同等重要的地位 79 3 以DNA重组和分子杂交为核心的现代分子生物学技术 重组DNA技术是分子生物学技术的核心技术 也是遗传工程的核心技术 是人类在基因和DNA水平进行操作的技术 DNA克隆重组DNA技术核酸分子杂交 80 1 DNA克隆 克隆 clone 应用无性繁殖的方法复制一个分子 细胞 个体的过程 DNA克隆 利用重组DNA技术 利用PCR技术 81 DNA克隆 将目的基因 DNA与基因运载体重组 在宿主细胞中表达 扩增得到大量相同DNA片段的过程 基本过程 重组DNA分子的构建 目的基因 载体 转化 将重组DNA分子转移到宿主细胞 细胞克隆的选择增殖 细胞克隆 分离重组DNA分子 DNA克隆 利用重组DNA技术 82 DNA克隆 用途 大量相同拷贝DNA DNA文库和cDNA文库 基因功能研究 生产蛋白质 83 DNA克隆 利用PCR技术 聚合酶链反应 polymerasechainreaction PCR 概念 模拟体内DNA复制条件 应用DNA聚合酶反应 体外程序化地特异性扩增某一DNA片段的技术 步骤 变性复性延伸 聚合酶链反应 PolymeraseChainReaction PCR 1 构建两个寡核苷酸引物 13 30nt 以进行目的DNA选择扩增 故需了解其序列信息 2 具有4种DNA前身物 dATP dGTP dCTP dTTP3 链式反应 DNA变性 93 95 复性 50 70 延伸 70 75 4 一定条件 温度 耐热酶 Taq酶 Mg2 缓冲液5 三段反复循环 一般30 40周期 DNA扩增2n倍 85 PCR扩增 应用 生命科学疾病诊断法医学考古学等 86 87 PCR衍生技术 RT PCR 检测mRNA大小及含量PCR DGGE 检测基因点突变PCR SSCP 检测基因点突变Multiplex PCR 检测一个基因多个片段的缺失Nest PCR 检测表达量低的基因表达水平 88 2 杂交 核酸 核酸 SouthernBlot NorthernBlot cDNA芯片 Dothybridization蛋白质 蛋白质 WesternBlot 免疫沉淀 蛋白质芯片核酸 蛋白质 ChIP EMSA 89 是标记的探针 DNA RNA 与DNA RNA杂交过程 遵循的基本原则 碱基互补配对SouthernBlot印迹杂交NorthernBlot印迹杂交cDNA芯片Dothybridization 1 核酸分子杂交 核酸 核酸杂交 90 是指DNA DNA杂交 以标记的DNA探针检测靶DNA 应用于DNA分子的检测 分析 SouthernBlot印迹杂交 核酸 核酸杂交 应用 1 基因组结构分析 如缺失 插入 倒位等的检测 2 RFLP连锁分析 91 Southern印迹杂交 核酸 核酸杂交 92 Northern印迹杂交是指DNA 或RNA RNA分子杂交 以标记的DNA探针检测靶RNA 应用于RNA水平的检测分析 核酸 核酸杂交