《分子生物学基础》课件

分子生物学基础欢迎参加《分子生物学基础》课程本课程将带领您探索生命科学的微观世界，了解生命的分子基础从DNA的精密结构到蛋白质的复杂功能，我们将系统学习分子生物学的核心概念、关键技术与前沿应用通过本课程，您将掌握遗传信息的储存、传递与表达的分子机制，理解基因组的组织与调控原理，熟悉分子生物学实验技术的基本原理与应用，同时了解这一学科在医学、农业等领域的广泛应用前景分子生物学发展历程年11869米歇尔在白细胞中分离出核素（后被证明是DNA）2年1944艾弗里证明DNA是遗传物质年31953沃森和克里克发现DNA双螺旋结构4年1961尼伦伯格破译基因密码年51977桑格开发DNA测序技术6年2003人类基因组计划完成分子生物学诞生于20世纪中期，是20世纪最重要的科学突破之一这一学科的形成源于物理学家对生命本质的探索和生物化学技术的快速发展，标志着生物学研究进入分子层面经典实验回顾格里菲斯转化实验（年）1928使用活的非致病性肺炎球菌和死的致病性肺炎球菌混合注射小鼠，导致小鼠死亡，证明存在转化因子赫尔希蔡斯噬菌体实验（年）-1952用放射性同位素标记噬菌体的DNA和蛋白质，证明遗传信息存在于DNA而非蛋白质中中介体的发现（年）RNA1961布伦纳、雅各布和梅塞尔森发现mRNA，验证了基因表达的中心法则，为RNA在蛋白质合成中的作用提供证据这些开创性实验奠定了分子生物学的坚实基础，推动了我们对生命本质的理解格里菲斯实验首次暗示了遗传物质可能存在转化现象，虽然他并未确认转化因子的化学本质，但为后续研究指明了方向分子生物学的基本概念DNA脱氧核糖核酸，携带遗传信息的分子基因遗传的功能单位，编码蛋白质或RNA的DNA片段染色体携带多个基因的DNA与蛋白质复合体分子生物学的核心是阐明分子水平上遗传信息的储存、传递及表达机制从微观到宏观，DNA是遗传信息的基本载体，基因是遗传的功能单位，而染色体则是DNA在细胞中的组织形式中心法则是分子生物学最基本的理论框架，描述了遗传信息从DNA流向RNA，再从RNA流向蛋白质的过程这一法则揭示了基因表达的一般方向，即DNA通过转录形成RNA，然后RNA通过翻译合成蛋白质随着科学的发展，人们发现逆转录（RNA→DNA）等现象，使中心法则得到了补充和完善细胞的分子组成蛋白质脂质约15-20%，细胞的主要功能执行者约5-10%，形成细胞膜的主要成分•催化生化反应•构成细胞膜1•提供细胞结构•能量存储•参与信号传导•信号分子核酸碳水化合物约5-10%，遗传信息载体约1-5%，能量来源•储存遗传信息•能量供应•介导蛋白质合成•细胞识别•参与细胞调控•结构组成细胞是生命的基本单位，由多种生物大分子组成这些生物大分子各司其职，共同维持细胞的正常结构和功能其中，水是细胞的主要成分，约占细胞质量的70%，为生化反应提供介质核酸的结构与功能（脱氧核糖核酸）（核糖核酸）DNA RNA结构特点结构特点•由脱氧核糖、磷酸基团和含氮碱基组成•由核糖、磷酸基团和含氮碱基组成•双链结构，碱基互补配对•一般为单链结构•碱基包括A、T、G、C•碱基包括A、U、G、C主要功能主要功能•储存遗传信息•信使RNA（mRNA）传递遗传信息•传递遗传信息给后代•转运RNA（tRNA）运载氨基酸•核糖体RNA（rRNA）组成核糖体核酸作为生命的信息分子，在细胞中承担着储存、传递和表达遗传信息的重要功能DNA和RNA虽然在化学结构上有相似之处，但其细微差异决定了它们在生物学功能上的显著区别的化学结构DNA核苷酸DNA的基本单位磷酸脱氧核糖骨架-2形成DNA链的支架含氮碱基3A、T、G、C编码遗传信息DNA由多个核苷酸通过磷酸二酯键连接而成的长链分子每个核苷酸由三部分组成磷酸基团、脱氧核糖和一个含氮碱基磷酸和脱氧核糖形成DNA的骨架，而含氮碱基则携带遗传信息DNA中的四种碱基包括两类嘌呤（A和G）和嘧啶（T和C）这些碱基按照特定规则配对腺嘌呤（A）总是与胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）总是与胞嘧啶（C）配对，这就是著名的碱基互补配对原则正是这种规则的碱基配对，维持了DNA双螺旋的稳定结构，并确保了遗传信息的准确复制的双螺旋结构DNA沃森克里克模型特点结构参数-•双链平行盘旋，形成右手螺旋•每完成一圈需要10个碱基对•碱基位于内侧，骨架位于外侧•螺旋间距为

3.4纳米•两条链方向相反（反平行）•DNA直径约为2纳米•A-T之间形成两个氢键，G-C之间形成三个•双螺旋沟槽分大小两种氢键射线衍射证据X•罗莎琳德·富兰克林提供关键X射线衍射图像•图像显示了明显的X形交叉，提示螺旋结构•衍射数据揭示了DNA的周期性和规则性1953年，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克基于罗莎琳德·富兰克林的X射线衍射数据，提出了DNA双螺旋结构模型，这一发现被认为是20世纪生物学最重要的突破之一这一模型完美解释了DNA如何储存和复制遗传信息，为理解生命的分子基础提供了关键线索的多样性与超螺旋DNA的结构多样性超螺旋DNA DNA•B型DNA生物体内最常见形式，右手螺旋•正超螺旋DNA链盘绕次数增加•A型DNA脱水条件下形成，更紧密的右手螺旋•负超螺旋DNA链盘绕次数减少•Z型DNA特定序列形成的左手螺旋，锯齿状排列超螺旋的生物学意义不同形式的DNA在结构参数、稳定性和生物学功能上存在差异，反映了•影响DNA的紧密程度，便于DNA在有限空间内紧凑排列DNA结构的适应性和多样性•影响DNA与蛋白质的相互作用•参与调节基因表达•影响DNA复制和转录的效率DNA的结构远比最初认识的B型双螺旋复杂在不同环境条件和特定序列背景下，DNA可以形成多种构象，如A型、B型和Z型DNAZ型DNA的发现特别引人注目，因为它是一种左手螺旋，与常见的右手螺旋形成鲜明对比这些不同构象的DNA在细胞中可能承担特定的生物学功能染色体的构成原核生物染色体真核生物染色体•通常为单个环状DNA分子•多条线性DNA分子•无核膜包裹，位于核区•位于由核膜包裹的细胞核内•无组蛋白包装，但有类似功能的蛋白•与组蛋白结合形成染色质•基因结构紧凑，几乎不含内含子•基因结构复杂，含有内含子•例如大肠杆菌约有

4.6Mb DNA•例如人类有23对染色体，约3Gb DNA染色体是携带遗传信息的核酸-蛋白质复合体，是遗传物质在细胞中的存在形式原核生物和真核生物的染色体在结构和组织方式上存在显著差异，反映了它们在进化过程中的不同选择真核生物染色体的一个关键特征是与组蛋白的结合组蛋白是一类碱性蛋白质，能与带负电的DNA紧密结合，帮助DNA在有限的细胞核空间内高度压缩人类细胞中的DNA总长约2米，却能被压缩装入直径仅10微米的细胞核，这一惊人的压缩比例正是通过染色质的分级折叠实现的染色质的层级结构双螺旋DNA1直径2nm核小体2DNA缠绕组蛋白八聚体，直径11nm染色质纤维30nm3核小体进一步折叠染色质环结构4形成300-700nm的环分裂期染色体5最高度压缩状态，约1400nm染色质是真核生物细胞核内DNA与蛋白质（主要是组蛋白）形成的复合物，其结构呈现出多层次的组织方式核小体是染色质的基本结构单位，由约146对碱基的DNA缠绕组蛋白八聚体（由H2A、H2B、H

3、H4各两个分子组成）形成核小体之间的DNA称为连接DNA，与组蛋白H1结合的种类与功能RNA信使（）RNA mRNA携带从DNA转录的遗传密码，作为合成蛋白质的模板真核生物mRNA含5帽子结构、编码区和多聚A尾巴，确保其稳定性和翻译效率转运（）RNA tRNA负责将特定氨基酸运送到核糖体上的蛋白质合成场所具有独特的三叶草结构，一端识别mRNA上的密码子，另一端连接对应的氨基酸核糖体（）RNA rRNA与蛋白质一起构成核糖体，是蛋白质合成的分子机器在核糖体中，rRNA不仅提供结构支架，还直接参与肽键形成的催化过程非编码调控RNA不编码蛋白质但参与调控基因表达的RNA分子，包括microRNA（miRNA）、长链非编码RNA（lncRNA）、小干扰RNA（siRNA）等，通过多种机制调控基因表达RNA是连接DNA遗传信息和蛋白质功能表达的桥梁，其种类和功能远比最初认识的要复杂和多样除了经典的信使RNA、转运RNA和核糖体RNA外，近年来发现的各类非编码RNA极大地拓展了我们对RNA世界的认识的结构特性RNA一级结构二级结构RNA RNA•核糖核苷酸线性排列•茎环结构Stem-loop短双链区域与单链环•含核糖、磷酸和碱基A、U、G、C•发卡结构Hairpin自身互补配对•尿嘧啶U替代胸腺嘧啶T•假结Pseudoknot环与远处序列配对•核糖2位有羟基，增加化学活性•内部环Internal loop双链中的未配对区三级结构RNA•二级结构元件的空间排布•涉及多种非标准碱基配对•金属离子如Mg²⁺协助稳定•对RNA功能至关重要RNA的独特结构特性源于其分子特点单链结构使其能够通过分子内碱基配对形成复杂的二级和三级结构；核糖2位羟基增加了RNA的化学反应活性，也使其比DNA更不稳定；尿嘧啶替代胸腺嘧啶导致配对特性的细微差异，影响结构稳定性分子生物学的中心法则复制DNA遗传信息从DNA传递到DNA转录遗传信息从DNA传递到RNA翻译遗传信息从RNA传递到蛋白质中心法则是由弗朗西斯·克里克于1958年提出的，描述了遗传信息在生物体内的传递方向根据这一法则，遗传信息从DNA流向RNA（通过转录），再从RNA流向蛋白质（通过翻译）DNA还能通过自我复制将信息传递给子代细胞这一法则概括了基因表达的基本过程，为理解生命活动的分子基础提供了框架复制的基本概念DNA半保留复制复制叉复制起点双向复制每条子链包含一条父链和DNA解旋并合成新链的Y形DNA复制开始的特定序列从复制起点向两个方向同一条新合成链结构区域时进行DNA复制是生命延续的基础过程，通过这一过程，遗传信息得以准确地从亲代传递给子代复制的半保留模式由梅塞尔森和斯塔尔于1958年通过巧妙的密度梯度离心实验证实，已成为分子生物学的经典在半保留复制中，双链DNA解开，每条链作为模板合成新的互补链，最终形成两个完全相同的DNA双螺旋，每个包含一条原始链和一条新合成链复制酶与机制DNA解旋酶引物酶DNA打开双螺旋结构，分离双链合成RNA引物，提供3-OH端2DNA连接酶4DNA聚合酶连接Okazaki片段，完成滞后链合成3催化脱氧核苷酸连接，延伸DNA链DNA复制是一个高度协调的过程，涉及多种酶和蛋白质的有序参与在原核生物中，DNA聚合酶III负责主要的链延伸，而在真核生物中，则主要由DNA聚合酶δ和ε承担此任务这些聚合酶不仅具有5→3方向的聚合活性，还具有3→5方向的校对活性，能够检查并纠正刚刚插入的错误碱基，大大提高了复制的准确性复制起始和延伸DNA解链DNA1解旋酶打开双螺旋，单链结合蛋白稳定单链引物合成引物酶合成短RNA片段，提供3-OH前导链合成连续不断地5→3延伸滞后链合成4以小片段（冈崎片段）方式间断合成DNA复制起始于特定的复制起点，在真核生物中，这些起点由起始复合物识别并结合复制起始后，由于DNA聚合酶只能在5→3方向合成DNA，而两条模板链方向相反，因此产生了复制方式的不对称一条链（前导链）可以连续合成，而另一条链（滞后链）必须以小片段方式间断合成修复与重组DNA修复机制重组机制DNA DNA细胞具有多种修复DNA损伤的途径DNA重组在遗传多样性和DNA修复中发挥重要作用•碱基切除修复修复小型碱基损伤•同源重组基于序列相似性的DNA片段交换•核苷酸切除修复修复扭曲DNA结构的损伤•非同源末端连接直接连接DNA断裂端•错配修复纠正复制过程中的错误•位点特异性重组发生在特定DNA序列处•双链断裂修复修复DNA双链断裂重组过程由多种酶促进，如RecA（原核）/Rad51（真核）蛋白、拓•光修复直接修复紫外线引起的胸腺嘧啶二聚体扑异构酶、核酸酶等DNA修复是维护基因组稳定性的关键机制每个人体细胞每天面临数以万计的DNA损伤，包括氧化损伤、紫外线辐射、化学物质等若不修复，这些损伤会导致突变积累，引发细胞死亡、癌变或遗传疾病不同的修复途径针对不同类型的损伤，共同构成了全面的基因组保护网络转录的基本机制起始RNA聚合酶识别并结合启动子，在转录起始位点附近形成开放复合物，DNA双链局部解开延伸RNA聚合酶沿着模板链5→3方向移动，按照碱基互补配对原则合成RNA，新合成的RNA即刻从模板链上脱离终止RNA聚合酶识别终止信号，停止合成，释放新合成的RNA链和DNA模板转录是遗传信息从DNA传递到RNA的过程，是基因表达的第一步在这一过程中，DNA的一条链（称为模板链或反义链）作为模板，RNA聚合酶沿着它合成与另一条链（编码链或正义链）序列相同的RNA（除了T被U替代）原核与真核转录差异原核生物转录真核生物转录单一RNA聚合酶完成所有RNA合成三种RNA聚合酶Pol I转录rRNA，Pol II转录mRNA，Pol III转录tRNA简单的启动子结构，通常包含-35区和-10区（TATA盒）复杂的启动子和增强子结构转录与翻译偶联进行（无核膜隔离）需要众多转录因子协助启动转录操纵子结构允许多顺反子同时转录转录与翻译在空间上分离（细胞核与细胞质）原核生物和真核生物的转录机制存在显著差异，反映了它们在进化上的不同路径真核生物转录的复杂性主要体现在转录起始过程中，需要众多蛋白质因子协同作用才能正确定位RNA聚合酶例如，RNA聚合酶II依赖的基础转录因子包括TFIIA、TFIIB、TFIID、TFIIE、TFIIF和TFIIH，它们按特定顺序组装成启动复合物加工与修饰mRNA前体合成mRNA1转录产生含内含子和外显子的初级转录本端加帽5在5端添加甲基化的鸟嘌呤核苷酸剪接RNA去除内含子，连接外显子端加尾3添加多聚腺苷酸尾巴真核生物mRNA在转录后需要经历一系列加工和修饰过程，才能成为成熟的mRNA并输出到细胞质进行翻译这些修饰不仅提高了mRNA的稳定性，还参与调控mRNA的输出、翻译和降解5端加帽（通常是m7G）保护mRNA免受5端核酸酶的降解，并在翻译起始中起关键作用3端加尾（通常添加100-250个腺苷酸）同样增强mRNA稳定性，并影响其输出和翻译效率反义与机制RNA RNAi（微小）miRNA RNA内源性非编码RNA，长约22个核苷酸，通常从发卡结构的前体剪切而来，通过不完全配对抑制靶mRNA翻译（小干扰）siRNA RNA双链RNA片段，长约21-23个核苷酸，通过完全配对诱导靶mRNA降解复合物RISCRNA诱导的沉默复合物，包含Argonaute蛋白和导向链RNA，识别并结合互补mRNA基因沉默通过mRNA降解或翻译抑制实现靶基因表达下调RNA干扰（RNAi）是一种由双链RNA触发的序列特异性基因沉默机制，在生物体防御外源基因入侵和内源基因表达调控中发挥重要作用1998年，Fire和Mello在线虫中首次描述了这一现象，因此获得2006年诺贝尔生理学或医学奖RNAi的发现揭示了基因调控的新层面，为基因功能研究和疾病治疗提供了强大工具翻译的基础过程翻译是遗传信息从mRNA传递到蛋白质的过程，是基因表达的最后环节这一过程由遗传密码指导，通过核糖体作为分子机器实现遗传密码是由mRNA上的三联体核苷酸（密码子）组成，每个密码子对应一种氨基酸或终止信号密码子的读取方向是5→3，起始密码子通常是AUG（编码甲硫氨酸），而UAA、UAG和UGA是终止密码子核糖体结构与功能原核生物核糖体（）真核生物核糖体（）70S80S•小亚基（30S）包含16S rRNA和约21种蛋白质•小亚基（40S）包含18S rRNA和约33种蛋白质•大亚基（50S）包含23S和5S rRNA，约31种蛋白质•大亚基（60S）包含28S、

5.8S和5S rRNA，约49种蛋白质•三个tRNA结合位点A位（氨酰位）、P位（肽酰位）和E位•结构更复杂，蛋白质组分更多（出口位）•翻译起始需要更多辅助因子•肽基转移酶活性中心位于大亚基核糖体是细胞内负责蛋白质合成的分子机器，由RNA和蛋白质组成的核糖核蛋白复合体其惊人之处在于，核糖体不仅是蛋白质合成的场所，其催化肽键形成的活性中心实际上是由RNA（即核糖体RNA）而非蛋白质组成，这一发现支持了RNA世界假说，暗示RNA在生命早期可能既是遗传信息的载体，又是催化反应的执行者蛋白质的生物合成翻译起始起始复合物形成起始因子协助起始tRNA（携带甲硫氨酸）和mRNA结合到小亚基，识别起始密码子AUG，随后大亚基加入，形成完整核糖体肽链延伸氨酰-tRNA在延伸因子协助下进入A位，肽基从P位tRNA转移到A位tRNA上的氨基酸，形成肽键；随后核糖体沿mRNA移动一个密码子，A位tRNA移至P位，P位tRNA移至E位并释放翻译终止当核糖体遇到终止密码子（UAA、UAG或UGA）时，终止因子取代tRNA进入A位，促使肽链从最后一个tRNA上释放，核糖体解离成亚基，释放mRNA蛋白质生物合成是细胞内最耗能的过程之一，也是基因表达的最终环节在翻译起始阶段，真核生物采用扫描机制核糖体小亚基从mRNA5端的帽子结构开始，沿着mRNA扫描直到遇到起始密码子AUG，这一过程由多种起始因子（如eIF系列蛋白）协助原核生物则直接识别起始密码子上游的核糖体结合位点（Shine-Dalgarno序列）翻译后的修饰磷酸化糖基化1蛋白激酶催化磷酸基团添加到丝氨酸、苏氨酸或酪在蛋白质上添加糖基，主要发生在内质网和高尔基氨酸残基上，可激活或抑制蛋白质功能体，影响蛋白质的稳定性和细胞识别2泛素化甲基化4泛素蛋白共价连接到靶蛋白上，标记其进入蛋白酶甲基基团添加到赖氨酸或精氨酸残基上，常见于组3体降解途径或参与其他细胞过程蛋白修饰，参与表观遗传调控蛋白质在翻译合成后，通常需要经过各种修饰才能获得完全的功能活性这些翻译后修饰（PTM）极大地扩展了蛋白质组的复杂性和多样性，使细胞能够精细调控蛋白质的活性、定位、寿命和相互作用研究表明，人类蛋白质可能存在超过200种不同类型的翻译后修饰，每种修饰都赋予蛋白质特定的生化特性蛋白质的分子结构一级结构1氨基酸的线性序列二级结构局部规则排列（α螺旋、β折叠等）三级结构3单个多肽链的完整三维折叠构象四级结构4多个蛋白质亚基组装成的功能复合体蛋白质结构的层次性是理解其功能的关键一级结构是由基因编码决定的氨基酸序列，它包含了蛋白质折叠所需的全部信息二级结构是由氢键稳定的局部构象，主要包括α螺旋（呈螺旋状，每圈

3.6个氨基酸）和β折叠（呈平行或反平行排列的链状结构）这些二级结构元件进一步折叠和组装，形成具有特定功能的三级结构蛋白质的功能类型酶类蛋白质作为生物催化剂，加速特定生化反应而自身不消耗，如消化酶、DNA聚合酶、激酶等酶能降低反应活化能，提高反应速率达百万倍，并具有高度专一性结构蛋白质提供细胞和组织的物理支撑和保护，如细胞骨架蛋白（微管蛋白、肌动蛋白）、细胞外基质蛋白（胶原蛋白、弹性蛋白）这类蛋白往往形成纤维状结构，具有高度的机械强度运输蛋白质负责分子和离子的选择性运输，如血红蛋白（运输氧气）、葡萄糖转运蛋白（跨膜运输葡萄糖）、钠钾泵（维持细胞膜电位）运输蛋白对维持细胞内环境稳态至关重要信号蛋白质参与细胞信号传导，包括受体蛋白（接收细胞外信号）、信号转导蛋白（传递和放大信号）、转录因子（调控基因表达）这类蛋白作为细胞内外通信的分子开关，对协调细胞活动至关重要蛋白质的功能多样性使其成为生命活动的主要执行者除了上述主要类型外，蛋白质还有许多其他功能，如防御蛋白（抗体、补体系统）负责免疫防御；调节蛋白（激素、生长因子）控制生长发育；储存蛋白（铁蛋白、卵白蛋白）储存氨基酸或金属离子等一种蛋白质往往具有多种功能，或在不同条件下展现不同功能，增加了蛋白质组的功能复杂性基因组组织与结构3Gb人类基因组大小约30亿个碱基对20,000蛋白质编码基因仅占基因组的1-2%98%非编码DNA比例包括调控元件、重复序列等23染色体对数22对常染色体加1对性染色体人类基因组是我们遗传信息的完整集合，其组织结构远比最初设想的复杂尽管蛋白质编码基因数量相对较少（约2万个），但通过可变剪接、不同启动子和终止子的使用，这些基因可以产生超过10万种不同的蛋白质这种少基因，多蛋白的现象反映了真核生物基因表达调控的复杂性细胞周期分子调控期期G1S1细胞生长和代谢活跃期，受cyclin D-CDK4/6复合物DNA复制期，受cyclin E-CDK2和cyclin A-CDK2复合调控物调控期期M G23细胞分裂期，受cyclin B-CDK1复合物调控细胞为分裂做准备，受cyclin A-CDK1复合物调控细胞周期是细胞生长和分裂的有序过程，由一系列精密的分子机制严格调控细胞周期蛋白（cyclins）和细胞周期依赖性激酶（CDKs）是这一调控网络的核心组件不同的cyclin-CDK复合物在细胞周期的特定阶段活化，通过磷酸化各种底物蛋白来驱动细胞周期进程除了这些正调控因子外，细胞周期还受到多种抑制因子的制约，如CDK抑制蛋白（CKIs）、肿瘤抑制蛋白p53和Rb等信号转导与基因表达信号接收细胞膜受体（如G蛋白偶联受体、酪氨酸激酶受体）或细胞内受体（如核受体）识别特定信号分子信号传递通过级联反应（如第二信使系统、蛋白激酶级联）将信号从细胞表面传递到细胞核转录调控激活或抑制特定转录因子，导致靶基因表达上调或下调细胞响应基因表达改变导致蛋白质组成变化，细胞产生相应生理反应信号转导是细胞感知和响应外部环境变化的基本机制，将细胞外信号转换为细胞内生化反应，最终影响基因表达经典信号通路包括MAPK级联、JAK-STAT途径、Wnt信号通路、Hedgehog信号通路等，它们在细胞增殖、分化、代谢和凋亡等过程中发挥关键作用这些通路不是孤立运作的，而是形成复杂的信号网络，通过交叉对话和反馈调节确保细胞对环境变化的精确响应表观遗传学基础甲基化组蛋白修饰DNA•甲基基团添加到DNA的胞嘧啶上（主要是CpG•组蛋白尾部氨基酸残基的化学修饰位点）•包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等•通常与基因表达抑制相关•形成组蛋白密码，影响染色质结构和基因活性•由DNA甲基转移酶（DNMTs）催化•由写入酶（如HATs、HMTs）和擦除酶（如•参与基因印记、X染色体失活、抑制转座子活HDACs、HDMs）调控性等染色质重塑•ATP依赖性染色质重塑复合物改变核小体位置和结构•影响DNA可及性和转录因子结合•包括SWI/SNF、ISWI、CHD和INO80等家族•参与多种核内过程如转录、复制、修复等表观遗传学研究DNA序列以外的遗传信息传递机制，这些机制影响基因表达而不改变DNA序列本身表观遗传修饰为细胞提供了一种记忆机制，使特定的基因表达模式能在细胞分裂后保持，从而维持细胞特性这种机制在胚胎发育、细胞分化和环境适应中尤为重要，使遗传相同的细胞能够表现出不同的形态和功能基因突变与遗传病点突变单个核苷酸的改变•置换一个碱基被另一个替代•插入额外碱基的加入•缺失碱基的丢失影响可能导致错义突变（氨基酸改变）、无义突变（提前终止）或沉默突变（氨基酸不变）染色体变异大片段DNA的改变•缺失染色体片段丢失•重复片段重复•倒位片段方向反转•易位片段在染色体间交换例如22q

11.2缺失综合征、猫叫综合征等遗传病例常见单基因遗传病•囊性纤维化CFTR基因突变•镰状细胞贫血症HBB基因突变•亨廷顿舞蹈症HTT基因CAG重复扩增•血友病F8或F9基因突变基因突变是遗传变异的基础，在进化中扮演着双重角色一方面提供了遗传多样性，是物种适应环境变化的基础；另一方面也可能导致有害的表型变化，引发遗传疾病突变可由多种因素引起，包括DNA复制错误、电离辐射、化学致突变剂和病毒感染等细胞具有多种DNA修复机制来纠正这些错误，但修复系统并非完美，一些突变仍会保留下来基因表达调控元件启动子增强子沉默子绝缘子Promoter EnhancerSilencer Insulator位于基因上游，是转录起始的能增强基因转录的DNA序列，抑制基因表达的DNA序列，与阻断增强子或沉默子影响的边核心区域包含RNA聚合酶结可位于远离基因的位置（可达转录抑制因子结合，可通过阻界元件，防止调控效应扩散到合位点和基本转录元件，如数百kb），通过染色质环化与止激活因子结合或招募抑制性邻近基因CTCF蛋白是关键的TATA盒（位于起始位点上游约-启动子相互作用具有组织特染色质修饰复合物发挥作用绝缘子结合蛋白，参与染色质25位置）、GC盒和CAAT盒异性，在特定细胞类型中激活在维持基因沉默状态和细胞特结构组织和基因表达区室化，等启动子强度直接影响基因特定基因集合，是细胞分化和性中具有重要作用确保基因调控的精确性的基础表达水平组织特性的关键调控元件基因表达调控元件构成了精密的基因表达控制网络，使细胞能够在合适的时间和地点表达适当水平的基因这些元件通常含有特定的DNA序列模式，能被相应的转录因子识别并结合在高等生物中，启动子往往较弱，需要增强子的协同作用才能实现高效转录，这种依赖增强子的机制使基因表达更加灵活可控转录因子的作用结合域DNA1识别并结合特定DNA序列转录激活域2招募RNA聚合酶和基础转录机器蛋白质相互作用域3与其他转录因子和辅因子结合转录因子是基因表达调控的核心组分，通过识别和结合DNA上的特定序列，促进或抑制基因转录根据DNA结合域的结构，转录因子可分为多个家族，如锌指蛋白、同源域蛋白、亮氨酸拉链蛋白等人类基因组编码约1600种转录因子，占所有蛋白质编码基因的约8%，反映了转录调控的复杂性和重要性分子杂交技术杂交杂交杂交Southern NorthernWestern检测特定DNA片段检测特定RNA分子检测特定蛋白质•DNA样本经限制酶消化•RNA样本经变性•蛋白质样本经SDS-PAGE分离•通过凝胶电泳分离•通过凝胶电泳分离•转移到膜上•转移到膜上•转移到膜上•与特异性抗体孵育•与标记的DNA探针杂交•与标记的DNA/RNA探针杂交•通过二抗-酶联反应检测应用基因组分析、基因诊断应用基因表达分析、RNA大小测定应用蛋白质表达检测、翻译后修饰分析分子杂交技术基于核酸碱基互补配对原理，是分子生物学中检测特定生物大分子的基本方法这些技术名称的来源颇有趣味Southern杂交由发明者Edwin Southern命名；而Northern和Western杂交则是后人以地理方位为灵感的幽默命名尽管近年来高通量测序和蛋白质组学技术迅速发展，但这些经典杂交技术因其特异性、相对简便和经济性，仍在许多实验室广泛应用技术原理与应用PCR变性（）退火（）94-98°C50-65°C1DNA双链解链，形成单链模板引物与互补序列结合2循环扩增延伸（）72°C重复上述步骤25-40次，实现指数级扩增DNA聚合酶合成新链聚合酶链式反应（PCR）是由Kary Mullis于1983年发明的体外DNA扩增技术，因这一重大贡献，他于1993年获得诺贝尔化学奖PCR技术使得从极少量的DNA样本中扩增出足够检测和分析的DNA成为可能，彻底改变了分子生物学研究的面貌PCR的成功依赖于耐热DNA聚合酶（最初从嗜热菌Thermus aquaticus分离，因此称为Taq聚合酶）的应用，这种酶能在高温下保持活性，使反应能够在自动化的温度循环中进行基因克隆技术片段制备DNA使用限制性内切酶消化目的基因和载体DNA，或PCR扩增目的片段连接DNADNA连接酶催化目的片段与载体连接，形成重组DNA分子转化将重组DNA导入宿主细胞（通常是细菌或酵母）筛选与鉴定通过抗生素抗性、蓝白斑筛选等方法识别含重组DNA的克隆基因克隆是分子生物学中的基础技术，用于制备和扩增特定DNA片段这一技术利用了细菌质粒自我复制的能力，将目的基因插入质粒载体，通过细菌的快速增殖实现DNA的大量扩增限制性内切酶是基因克隆的关键工具，这些酶能在特定的DNA序列处切割DNA，产生粘性末端或平末端不同的限制酶识别不同的序列，提供了分子操作的特异性和灵活性测序技术发展DNA第一代测序（年）11977-Sanger双脱氧链终止法和Maxam-Gilbert化学降解法，以Sanger法为主导特点单一DNA片段测序，读长较长（约700-900bp），准确度高，但通量低、成本高、耗时长应用人类基因组计划初期，基因克隆验证2第二代测序（年）2005-高通量并行测序技术，包括Illumina测序（合成测序）、454焦磷酸测序、SOLiD测序等特点大规模并行测序，通量高，成本大幅降低，但读长较短（通常100-300bp）应用第三代测序（年）32010-全基因组测序、转录组测序、表观组测序等单分子实时测序技术，包括PacBio SMRT测序和Oxford Nanopore纳米孔测序特点超长读长（可达几十kb至几百kb），直接检测单个DNA分子，无需PCR扩增，但错误率较高应用基因组组装、结构变异检测、全长转录本分析等DNA测序技术的飞速发展极大地推动了基因组学研究和精准医学的进步从1977年首个完整基因组（噬菌体ΦX174，5,375bp）的测序，到2003年耗资30亿美元完成的人类基因组计划，再到如今几千美元即可测序一个人类基因组，测序成本和效率的变革是惊人的这一技术进步曾被比作超越摩尔定律——测序成本下降速度快于计算机芯片性能提升速度转基因技术与基因编辑转基因技术基因编辑技术将外源基因导入生物体基因组的方法精确修改生物体基因组的工具•显微注射直接将DNA注入受精卵•锌指核酸酶（ZFNs）第一代基因编辑工具•电穿孔电脉冲使细胞膜形成暂时性孔道•TALENs提高了特异性和效率•基因枪DNA包裹金粒子高速轰击细胞•CRISPR-Cas9革命性技术，操作简便，高效•病毒载体利用病毒感染能力导入基因•Base editors单碱基精准编辑•农杆菌介导植物转基因常用方法•Prime editing更精确的基因编辑方法CRISPR-Cas9系统起源于细菌的适应性免疫系统，已被改造为强大的基因编辑工具其工作原理基于两个关键组分Cas9核酸酶和引导RNA（gRNA）gRNA包含一个与目标DNA序列互补的部分，能引导Cas9精确定位到目标位点；Cas9蛋白则在识别相邻的PAM序列（通常是NGG）后，在目标DNA上制造双链断裂细胞修复这些断裂的方式决定了编辑结果非同源末端连接通常导致基因敲除，而提供修复模板则可实现精确插入或替换分子标记与疾病诊断单核苷酸多态性（）短串联重复序列（）表达标记SNP STRDNA序列中单个核苷酸的变异，是最常见的基基因组中2-6个碱基单位重复的区域，具有高度特定疾病状态下差异表达的基因或蛋白质这因组变异形式SNP在人类基因组中约每300个多态性由于个体间重复次数差异明显，STR广类标记包括循环肿瘤DNA（ctDNA）、碱基出现一次，总数超过1000万个它们可作泛应用于法医DNA指纹识别、亲子鉴定和人类microRNA表达谱、蛋白质生物标记物等，用于为遗传标记用于疾病关联研究，药物反应预测群体遗传研究，也用于某些遗传疾病如亨廷顿疾病早期检测、预后评估和治疗反应监测，是和个体身份识别舞蹈症的诊断精准医学的重要基础分子标记在现代医学诊断中的应用日益广泛，特别是在肿瘤学领域例如，BRCA1/2基因突变检测可评估乳腺癌和卵巢癌风险；EGFR、ALK、ROS1等基因变异检测可指导非小细胞肺癌的靶向治疗选择；微卫星不稳定性（MSI）和肿瘤突变负荷（TMB）分析可预测免疫检查点抑制剂治疗效果这些分子检测已成为现代肿瘤精准医疗的基石蛋白质组学与功能分析质谱技术蛋白质相互作用分析蛋白质结构分析蛋白质组学的核心技术，通过研究蛋白质-蛋白质相互作用通过X射线晶体学、核磁共振测量离子的质荷比鉴定和定量网络，方法包括酵母双杂交、和冷冻电镜等技术解析蛋白质蛋白质包括MALDI-TOF、免疫共沉淀、亲和纯化-质谱三维结构，为理解蛋白质功能ESI-MS/MS等方法，能够分析联用等这些数据有助于理解和药物设计提供基础复杂蛋白质混合物的组成蛋白质在细胞内的功能背景生物信息学分析利用计算工具分析海量蛋白质组数据，进行功能注释、通路分析和生物标记物发现等蛋白质组学是研究生物体内全部蛋白质的表达、结构和功能的学科，它比基因组学更直接地反映细胞的功能状态与相对静态的基因组不同，蛋白质组是动态变化的，会随着细胞类型、发育阶段和环境条件而改变蛋白质组的复杂性还体现在翻译后修饰、蛋白质亚型和相互作用网络等层面，这使得蛋白质组学研究既充满挑战又极具价值基因治疗的发展与挑战基因递送通过载体将治疗基因导入靶细胞基因表达治疗基因在靶细胞中表达治疗效果表达产物纠正分子缺陷临床改善患者症状和疾病进程改善基因治疗是通过引入遗传物质来治疗或预防疾病的创新方法，可分为体细胞基因治疗和生殖细胞系基因治疗基因递送载体是基因治疗的关键技术挑战，主要包括病毒载体（如逆转录病毒、慢病毒、腺病毒、腺相关病毒等）和非病毒载体（如脂质体、纳米粒子、物理方法等）病毒载体因其高效的转导能力成为临床应用的主流，而非病毒载体则因安全性好、免疫原性低和生产简便等优势受到关注分子生物学在医学领域的应用分子诊断基于核酸或蛋白质分子检测的疾病诊断方法•PCR检测病原体（如新冠病毒检测）•基因突变检测（如EGFR突变检测指导肺癌治疗）•基因表达谱分析（如乳腺癌分子分型）•无创产前基因检测（NIPT）筛查胎儿染色体异常精准医疗基于患者分子特征的个体化治疗策略•靶向药物治疗（如EGFR抑制剂、HER2单抗）•肿瘤免疫治疗（如PD-1/PD-L1抑制剂）•药物基因组学与药物反应预测•疾病风险评估与预防策略制定再生医学基于细胞和组织工程的修复治疗•干细胞培养与定向分化•诱导多能干细胞（iPSC）技术•组织工程与3D生物打印•基因修饰细胞治疗（如CAR-T细胞治疗）分子生物学技术正在深刻改变现代医学的面貌，从疾病诊断到治疗再到预防的各个环节高通量测序技术的普及使全基因组和全外显子组测序成为临床常规，为罕见病诊断和复杂疾病的分子机制解析提供了强大工具液体活检技术通过检测循环肿瘤DNA或循环肿瘤细胞，实现了肿瘤的早期发现和动态监测，并指导治疗决策分子生物学在农业和生物工程分子生物学技术在农业领域的应用正在推动现代农业转型转基因技术通过引入外源基因，使作物获得抗病虫害、抗除草剂、抗逆境等特性，提高产量和营养价值例如，Bt棉花和玉米表达来自苏云金芽孢杆菌的杀虫蛋白，有效控制害虫危害；抗除草剂大豆允许农民使用广谱除草剂而不伤害作物，简化了田间管理合成生物学简介基本概念核心技术•将工程学原理应用于生物学•DNA合成和组装技术•标准化生物元件（BioBricks）•基因回路设计•模块化设计与组装•代谢通路工程•通过设计-构建-测试-学习循环优化系统•基因组编辑与重编程•生物CAD软件和计算工具应用案例•青蒿素前体微生物合成•合成细菌基因组创建•CAR-T细胞免疫疗法•生物传感器与诊断工具•生物计算机与逻辑电路合成生物学是21世纪兴起的新兴交叉学科，旨在通过设计和构建自然界中不存在的生物系统，解决能源、环境、健康等全球性挑战与传统遗传工程不同，合成生物学强调系统性设计、标准化元件和定量预测，更接近工程学的思维方式国际基因工程机器竞赛（iGEM）是推动该领域发展的重要平台，每年吸引全球数千名学生参与创新项目设计分子生物学前沿进展单细胞组学空间转录组学多组学整合分析单个细胞的基因组、转录组或蛋白质组，揭示细胞异在保留空间信息的条件下分析基因表达，研究细胞在组织综合分析基因组、转录组、蛋白质组、代谢组等多层次数质性和罕见细胞类型技术包括单细胞RNA-seq、单细胞中的空间排布及相互作用方法包括原位杂交（如FISH、据，全面解析生物系统的分子网络依赖高级计算方法如ATAC-seq、质谱细胞术等，已应用于肿瘤微环境解析、seqFISH）、空间转录组测序（如Visium、Slide-seq）机器学习和人工智能，帮助科学家理解复杂疾病的发病机发育轨迹重建、免疫细胞分型等研究，推动人类细胞图等这一技术为理解组织微环境、发育模式和疾病机制提制，发现新的治疗靶点和生物标志物谱等大型计划的实施供了新视角分子生物学正经历从读到写和编辑生命信息的范式转变继DNA测序技术大幅降低成本后，DNA合成技术也在快速发展，使设计和构建复杂基因组成为可能基于CRISPR系统的新一代基因编辑工具不断涌现，如碱基编辑器、prime编辑器等，提供了更精确的基因组修饰手段，减少脱靶效应分子生物学的伦理问题基因隐私权技术滥用风险个人基因组数据包含敏感健康信息，引发多重隐私担忧强大的分子生物学技术存在潜在滥用可能•基因信息可能被保险公司用于风险评估•人类胚胎基因编辑可能导致不可预见的后果•雇主可能基于遗传风险歧视求职者•生物武器研发威胁公共安全•基因数据库可被用于未授权的法医侦查•基因技术用于种族歧视或优生学•直系亲属的基因信息可被间接推断•DIY生物技术缺乏适当监管各国法律法规对基因隐私的保护程度不一，亟需建立全球性标准科技发展与伦理考量需同步，建立全球共识的管理框架至关重要分子生物学技术的快速发展带来深刻的伦理挑战，需要科学家、伦理学家、政策制定者和公众共同参与讨论人类胚胎基因编辑是目前最具争议的领域之一2018年基因编辑婴儿事件引发全球震动，暴露了科学研究缺乏有效伦理监管的风险虽然技术可能帮助预防严重遗传疾病，但也可能被滥用于设计定制婴儿，引发基因歧视和社会不平等复习与自测小结前沿进展思考实验原理应用关注分子生物学的最新研究成果，思考这些进知识点关联针对PCR、基因克隆、DNA测序等关键技术，展如何改变我们对生命本质的理解，以及它们核心概念掌握建立知识图谱，将分子生物学各部分内容联系练习设计实验方案解决特定问题思考各步骤在医学、农业等领域的潜在应用回顾课程中的关键概念，确保理解DNA结构与起来，理解它们之间的逻辑关系例如，DNA的目的、可能遇到的问题及解决方法功能、中心法则、基因表达调控、分子生物学结构如何影响其复制机制，转录调控如何影响实验技术等基础知识尝试不看笔记解释这些基因表达，等等概念，检验理解程度自测是检验学习效果的重要手段针对分子生物学核心内容，可以尝试以下自测问题解释DNA双螺旋结构的稳定性来源；比较原核和真核生物的转录过程；描述翻译的分子机制；分析基因表达调控的多层次控制；说明PCR技术的原理及其应用局限性；讨论基因组测序技术的演变及其对生命科学的影响等课程总结与展望。