《分子生物学》课件

分子生物学导论分子生物学是现代生命科学的核心学科，专注于从分子水平理解生命现象的本质它主要研究生物大分子（如DNA、RNA、蛋白质）的结构、功能及其相互作用，揭示生命活动的分子基础和调控机制这门学科涵盖基因表达调控、蛋白质合成、细胞信号传导等核心内容，为疾病诊断治疗、药物开发、生物技术创新提供理论基础分子生物学的发展极大推动了精准医疗、合成生物学等前沿领域的进步分子生物学发展简史年是遗传物质11944DNA艾弗里、麦克劳德和麦卡蒂证明DNA是转化因子，确立了DNA作为遗传物质的地位，奠定了分子生物学的基础2年双螺旋结构1953DNA沃森和克里克基于富兰克林的X射线衍射数据，提出DNA双螺旋模型，揭示了遗传信息存储和传递的分子基础年中心法则31958克里克提出分子生物学中心法则，描述遗传信息从DNA到RNA再到蛋白质的流向，成为理解基因表达的核心理论4年代重组技术1970DNA限制酶发现和基因克隆技术建立，开启了现代生物技术时代，为基因工程和分子诊断奠定基础分子生物学的基本任务1揭示生命现象分子基础2基因结构功能与表达调控通过研究生物大分子的结构和功能，阐明细胞增殖、分化、深入研究基因的组织结构、转凋亡等基本生命过程的分子机录调控、翻译过程，探索基因制，为理解生命本质提供科学表达的时空特异性和调控网依据络，解析遗传信息如何精确控制细胞功能3分子水平疾病机理探究从分子角度分析疾病发生发展机制，识别致病基因和关键分子靶点，为疾病的早期诊断、精准治疗和药物开发提供理论指导分子生物学与相关学科关系生物化学遗传学研究生物分子化学性质探索遗传规律本质•酶催化机制•基因传递模式12•代谢途径•突变与变异•分子结构功能•遗传病机理生物信息学细胞生物学计算分析生物数据细胞结构功能研究•序列分析43•细胞器功能•结构预测•信号传导•网络建模•细胞周期调控细胞的分子组成有机小分子生物大分子细胞的基本构建单元包括氨基酸、核苷酸、单糖和脂肪酸等这些DNA、RNA和蛋白质是细胞的主要功能分子DNA存储遗传信小分子是合成生物大分子的原料，参与细胞代谢、能量转换和信号息，RNA参与基因表达调控，蛋白质执行各种生物学功能，三者传递过程协同维持细胞正常运转•20种标准氨基酸构成蛋白质•DNA遗传信息载体•4种核苷酸组成DNA和RNA•RNA信息传递和调控•葡萄糖等单糖提供能量•蛋白质功能执行者基因的分子本质是遗传信息载体一基因一酶假说现代基因概念DNA通过转化实验证明DNA携带遗传信息，比德尔和塔特姆提出每个基因控制一种酶基因是DNA上具有特定功能的序列片能够改变细菌的遗传性状，确立了基因的的合成，建立了基因与蛋白质功能的直接段，包括编码序列和调控元件，控制特定分子本质联系性状的表达的结构DNA双螺旋结构特征碱基互补配对DNA由两条反平行的多核苷酸链腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）形构成右手双螺旋结构每个螺旋周成2个氢键，鸟嘌呤（G）与胞嘧期包含10个碱基对，螺距为

3.4纳啶（C）形成3个氢键，确保双链米，直径约2纳米结构稳定性结构稳定性因素氢键维持碱基配对，范德华力稳定碱基堆积，磷酸基团负电荷排斥保持双链间距，共同维持DNA结构稳定的分子多样性DNA

3.2B人类基因组包含约32亿个碱基对，编码约2万个蛋白质基因

4.6M大肠杆菌基因组约460万个碱基对，包含4300个基因150B变形虫基因组某些变形虫基因组可达1500亿碱基对，是人类的50倍23人类染色体数目二倍体细胞含46条染色体，分为23对同源染色体复制的基本原理DNA半保留复制模式梅塞尔森-斯塔尔实验证明DNA复制采用半保留模式，每条新合成的DNA分子都保留一条原始链作为模板，确保遗传信息准确传递聚合酶作用DNADNA聚合酶是复制的关键酶，具有5→3聚合活性和3→5外切酶活性，能够合成新链并校正错误，保证复制的准确性引物酶启动合成DNA聚合酶需要3-OH基团才能开始合成，引物酶合成短的RNA引物提供起始点，为DNA链延伸创造条件复制起始、延伸与终止原核生物复制真核生物复制原核生物如大肠杆菌具有单个复制起点，DNA复制呈双向进行真核生物染色体较长，具有多个复制起点以加快复制速度复制过复制叉以恒定速度移动，整个染色体复制时间约40分钟程更加复杂，涉及多种调控蛋白和检查点机制，确保基因组稳定性•单一复制起点（oriC）•多个复制起点（ARS）•双向复制叉进行•复制速度50bp/秒•复制速度750bp/秒•严格的细胞周期调控损伤与修复DNA紫外线损伤化学损伤修复机制紫外线照射导致相邻胸烷化剂、氧化剂等化学细胞具备完善的DNA修腺嘧啶形成嘧啶二聚物质可引起碱基修饰、复系统，包括碱基切除体，干扰DNA复制和转DNA交联和链断裂等多修复、核苷酸切除修录过程种损伤类型复、错配修复等机制基因组稳定高效的DNA修复机制维持基因组完整性，修复缺陷与癌症、早衰等疾病密切相关染色体与基因组结构染色质纤维最高级压缩结构1螺线管结构2核小体进一步压缩核小体串珠3DNA缠绕组蛋白八聚体双螺旋DNA4基本遗传信息载体真核细胞基因组结构比原核细胞复杂得多，DNA与组蛋白结合形成染色质，通过多级压缩装配成染色体这种分级结构既保证了遗传信息的稳定存储，又允许在需要时解开特定区域进行转录真核基因的分子结构启动子区域1调控转录起始的核心元件外显子序列2编码蛋白质的序列片段内含子序列3不编码蛋白质的间隔序列终止子区域4控制转录终止和mRNA加工真核基因具有复杂的分段结构，外显子和内含子交替排列这种结构允许通过可变剪接产生多种mRNA变体，大大增加了蛋白质的多样性启动子和增强子等调控元件精确控制基因的表达时机和强度基因的功能单位转录单位顺式作用元件从启动子到终止子的完整转录区域，包含1位于基因附近的DNA序列，如启动子、编码序列和调控信息2增强子，直接影响该基因转录操纵子系统反式作用因子4原核生物中多个功能相关基因组成的调控转录因子等蛋白质，可从远处作用于多个3单位，协调表达基因的表达调控的种类与功能RNARNA家族成员功能多样，mRNA携带遗传密码指导蛋白质合成，tRNA作为适配器分子识别密码子，rRNA构成核糖体催化中心近年来发现的非编码RNA如miRNA、lncRNA在基因表达调控中发挥重要作用，极大拓展了我们对RNA功能的认识转录的分子机制启动子识别RNA聚合酶在转录因子帮助下识别并结合启动子区域，形成转录前起始复合物转录起始DNA双链解开，RNA聚合酶开始以反义链为模板合成RNA分子，脱离启动子进入延伸阶段转录延伸聚合酶沿DNA移动持续合成RNA，转录泡随之移动，新合成的RNA从酶复合物中释放转录终止遇到终止信号后，RNA聚合酶停止合成并从DNA上解离，释放完整的RNA转录产物原核与真核转录对比特征原核生物真核生物RNA聚合酶单一酶系统三种聚合酶（I、II、III）启动子结构-

10、-35盒子TATA盒、CAAT盒、GC盒转录因子因子系统复杂的转录因子网络σ转录后加工无需加工5加帽、3加尾、剪接转录位置细质中细胞核内后加工修饰mRNA1端加帽修饰2端多聚腺苷酸化53在mRNA5端添加7-甲基鸟苷在mRNA3端添加约200个腺帽子结构，保护mRNA免受5苷酸残基形成polyA尾，增强外切核酸酶降解，同时促进核mRNA稳定性，延长半衰期，糖体识别和翻译起始提高翻译效率3内含子剪接剪接体识别剪接位点，精确切除内含子序列，连接外显子形成成熟mRNA可变剪接产生多种蛋白质异构体基因的表达与调控转录水平调控转录后调控控制基因转录的启动、延伸和终止mRNA加工、稳定性和定位调控•启动子活性调节•可变剪接调节12•增强子/沉默子作用•mRNA稳定性控制•转录因子调控•microRNA调控表观遗传调控翻译水平调控不改变DNA序列的可遗传调控控制蛋白质合成的起始和效率•DNA甲基化43•核糖体结合调节•组蛋白修饰•翻译起始因子•染色质重塑•翻译抑制蛋白转录调控因子转录激活子转录阻遏子信号通路整合结合增强子序列，招募结合操纵子或沉默子，转录因子响应细胞内外RNA聚合酶和辅激活因阻止RNA聚合酶接近启信号，如激素、生长因子，促进基因转录起始动子，抑制基因转录进子等，实现基因表达的和延伸过程行精确调控结合特异性DNA通过特定的DNA结合域识别靶基因启动子区域的特定序列元件，确保调控精确性基因沉默与干扰RNA双链识别RNADicer酶识别并切割长双链RNA或具有发夹结构的前体RNA，产生21-23个核苷酸的小RNA分子复合物装载RISC小RNA分子装载到RNA诱导沉默复合物（RISC）中，其中一条链作为向导链保留在复合物内靶识别mRNARISC复合物通过向导链与靶mRNA的互补配对识别特定mRNA分子，实现序列特异性结合基因表达抑制根据互补程度，RISC可切割靶mRNA（完全互补）或抑制其翻译（部分互补），实现基因沉默蛋白质的结构层次一级结构氨基酸序列决定蛋白质基本性质二级结构α螺旋、β折叠等局部规则结构三级结构整个多肽链的三维空间构象四级结构多个亚基组装的完整功能蛋白蛋白质结构层次性体现了生物分子组织的复杂性一级结构的氨基酸序列信息最终决定了蛋白质的三维结构和生物功能分子伴侣蛋白协助新生多肽链正确折叠，避免错误聚集导致的功能丧失蛋白质的生物合成总览转录加工mRNA1DNA信息转录为mRNA真核细胞中mRNA成熟化过程2后修饰翻译4蛋白质折叠和功能性修饰3核糖体读取密码子合成蛋白质蛋白质生物合成是细胞内最重要的生命过程之一核糖体作为蛋白质合成工厂，精确读取mRNA上的遗传密码，tRNA携带相应氨基酸参与翻译过程这个高度协调的过程确保了遗传信息从基因准确转化为功能蛋白质翻译的分子过程1翻译起始核糖体小亚基结合mRNA起始密码子AUG，大亚基加入形成完整的翻译复合物，第一个tRNA携带甲硫氨酸进入P位点2翻译延伸新的氨酰-tRNA进入A位点，肽酰转移酶催化肽键形成，核糖体向3方向移动一个密码子，循环进行3翻译终止遇到终止密码子时，释放因子进入A位点，水解肽酰-tRNA键，新生肽链从核糖体释放，翻译复合物解离单基因与多基因家族单拷贝基因多基因家族细胞中只有一个拷贝的基因，通常编码重要的管家蛋白或调节蛋由共同祖先基因通过重复和分化形成的基因群成员间具有相似序白这类基因的表达水平相对稳定，突变往往导致严重的生理后列和功能，但在表达时空和功能上有所分化，增加了生物体的适应果性•管家基因如GAPDH•血红蛋白基因家族•转录因子基因•免疫球蛋白基因•关键酶基因•组蛋白基因簇基因组学与蛋白组学基因组学研究蛋白组学意义人类基因组计划的完成标志着基因蛋白质是基因功能的最终执行者，组学时代的到来现在我们能够全蛋白组学研究揭示蛋白质的表达面分析基因组序列、结构变异和功谱、修饰状态和相互作用网络，填能注释，为理解遗传疾病和进化提补基因型与表型之间的空缺供基础整合组学方法结合基因组、转录组、蛋白组和代谢组数据，构建系统性的生物学理解框架，推动精准医学和个性化治疗的发展转座子和跳跃基因的发现转座机制类型McClintock芭芭拉·麦克林托克在玉米研究转座子分为DNA转座子和逆转中发现了可移动的基因元件，录转座子两类DNA转座子通揭示了基因组的动态性质，颠过切割-插入机制移动，逆转录覆了基因位置固定的传统观转座子通过RNA中间体进行复念制性转座基因组进化影响转座元件是基因组重排和进化的重要驱动力，可产生新的基因调控元件，促进基因重复和分化，但也可能引起有害突变分子突变与疾病点突变大片段变异癌症相关基因突变检测技术单个核苷酸的替换、插染色体重排、大片段缺BRCA1/2基因突变增加PCR、测序、基因芯片入或缺失，可能导致氨失或重复，可能影响多乳腺癌风险，TP53基因等技术使突变检测更加基酸改变、提前终止或个基因的功能，导致严突变见于多种癌症，体精确高效，为遗传咨询移码突变，影响蛋白质重的遗传综合征现了特定基因与疾病的和精准治疗提供依据功能关联基因变异与个体差异

0.1%人类基因组差异任意两个人之间的基因组序列差异约为

0.1%，约300万个位点10M数量SNP人类基因组中约有1000万个单核苷酸多态性位点7000已知遗传病目前已确认的单基因遗传病超过7000种1%致病变异频率每个人携带约100个隐性致病变异，但大多不表现症状重组技术基础DNA限制酶切割限制酶识别特定的DNA序列并在固定位点切割，产生具有粘性末端或平端的DNA片段，为重组提供基础载体连接DNA连接酶将目标基因与载体（质粒、噬菌体等）连接，形成重组DNA分子，载体提供复制和表达所需元件转化克隆重组DNA导入宿主细胞，利用宿主的复制机制大量扩增目标基因，实现基因克隆和蛋白质表达技术原理与应用PCR退火结合2降温（50-65°C）使引物与模板DNA特异性结合，确定扩增区域变性步骤1高温（94-98°C）使双链DNA解开成单链，为引物结合创造条件延伸合成适温（72°C）下Taq酶合成新的DNA3链，完成一轮扩增循环PCR技术实现了DNA的指数式扩增，从极少量样本中获得足够的目标序列该技术在疾病诊断、法医鉴定、亲子鉴定、考古研究等领域有广泛应用，是现代分子生物学最重要的技术之一基因编辑技术进展系统发现CRISPR源于细菌免疫系统的CRISPR-Cas9技术能够精确识别和切割特定DNA序列，开创了基因编辑新时代向导设计RNA通过设计特异性向导RNA，可引导Cas9蛋白定向切割任意目标基因位点，实现精准的基因修饰临床应用探索CRISPR技术在治疗遗传性疾病、癌症等方面显示巨大潜力，多项临床试验正在进行中伦理挑战思考基因编辑特别是胚胎编辑引发伦理争议，需要在技术发展与伦理规范间寻求平衡分子生物学实验常用技术分子生物学实验技术不断发展更新，从早期的电泳、杂交技术到现代的高通量测序、质谱分析，技术进步极大推动了研究效率和精度的提升掌握这些基本技术原理对理解分子生物学研究至关重要基因表达与调控网络主调控因子核心转录因子控制细胞命运1信号通路整合2多条信号通路交汇调控效应基因群3功能相关基因协调表达反馈调节机制4正负反馈维持系统稳定性基因调控网络体现了生命系统的复杂性和精确性转录因子、信号分子和调控RNA构成多层次的调控网络，确保基因在正确的时间、地点以适当的强度表达，维持细胞功能和个体发育的正常进行真核基因调控的复杂性表观遗传修饰染色质重塑机制DNA甲基化和组蛋白修饰在不改变DNA序列的前提下调控基因表ATP依赖的染色质重塑复合物能够移动、弹出或交换核小体，改变达这些修饰可以稳定遗传给子代细胞，在细胞分化和发育过程中染色质结构的紧密程度，调节转录因子和RNA聚合酶对DNA的可发挥关键作用及性•DNA甲基化抑制转录•SWI/SNF复合物家族•组蛋白乙酰化促进转录•核小体滑动机制•组蛋白甲基化双重效应•转录激活与抑制细胞分化与基因表达全能干细胞1具有分化为所有细胞类型的潜能多能干细胞2可分化为三胚层来源的各种细胞组织特异性祖细胞3分化潜能逐渐限制于特定组织终末分化细胞4获得特定功能但失去分化能力细胞分化是一个不可逆的过程，通过特定转录因子的表达和基因调控网络的重编程实现诱导多能干细胞（iPSC）技术的发展证明了分化过程的可逆性，为再生医学提供了新的希望分子生物学在医学中的应用遗传病诊断肿瘤分子分型药物基因组学通过基因测序和分基于肿瘤细胞的基研究个体基因变异子标记检测，可以因表达谱和突变状对药物反应的影准确诊断单基因遗态进行分子分型，响，实现药物的个传病、染色体疾病指导个性化治疗方性化使用，提高疗等，为遗传咨询提案的制定和预后评效并减少不良反供科学依据估应生物标志物发现识别与疾病相关的分子标志物，用于早期诊断、疗效监测和复发预测，提高临床诊疗水平分子生物学与生物信息学结合序列数据库比较分析工具GenBank、EMBL等数据库存储海量生1BLAST、ClustalW等工具进行序列比对物序列信息2和进化分析系统生物学建模功能预测算法4整合多组学数据构建生物学网络和通路模基于序列和结构信息预测蛋白质功能和相3型互作用生物信息学与分子生物学的结合催生了计算生物学这一新兴领域大数据分析和人工智能技术的应用，使我们能够从海量生物学数据中挖掘有价值的信息，加速科学发现的进程分子进化与系统发育1分子钟假说2系统发育分析基于分子序列差异推断物种分利用DNA、RNA或蛋白质序列化时间，假设分子进化速率在构建系统发育树，揭示不同物不同谱系中相对恒定，为研究种间的进化关系和共同祖先，生物进化提供了定量方法重构生命演化历程3分子进化机制研究基因重复、基因转换、水平基因转移等分子水平的进化事件，理解基因组复杂性和多样性的形成机制人类基因组计划年计划启动年项目完成19902003国际人类基因组计划正式启动，目标是测定人类基因组全序列，预计耗高质量的人类基因组序列正式发布，覆盖99%的基因组，准确度达时15年，投入30亿美元

99.99%，开启后基因组时代123年草图完成2000工作草图发布，覆盖约90%的基因组序列，标志着人类基因组测序取得重大突破新一代测序与精准医疗$1000测序成本个人全基因组测序成本已降至1000美元以下小时24测序速度最新技术可在24小时内完成全基因组测序300+精准药物已有300多种药物获得基于基因检测的个性化用药指导70%罕见病诊断率基因检测可将罕见病诊断率提高到70%以上分子生物学在农业中的应用转基因作物育种抗逆基因应用通过导入外源基因改良作物性状，克隆和应用抗旱、抗盐、抗病等抗如抗虫棉花、抗除草剂大豆等分逆基因，培育适应恶劣环境的作物子标记辅助选择加速了传统育种进品种，应对气候变化对农业生产的程，提高了育种效率和精确性挑战营养强化改良通过基因工程提高作物的营养价值，如富含维生素A的黄金大米，为解决营养不良问题提供了新途径分子生物学在环境科学应用污染物检测利用生物传感器和分子标记技术检测环境中的污染物微生物修复工程微生物降解污染物，恢复受损环境生态系统生物多样性监测DNA条形码技术监测生态系统中的物种多样性变化溯源技术应用分子标记追踪污染源头，为环境保护提供科学依据分子生物学发展前沿合成生物学正在重新定义生命的边界，通过设计和构建人工生物系统实现特定功能单细胞组学技术揭示了细胞异质性的复杂性，空间组学技术则在保持组织空间信息的前提下分析基因表达，为理解发育和疾病机制提供了新的视角诺贝尔奖与分子生物学年份获奖者主要贡献1962沃森、克里克、威尔DNA双螺旋结构金斯1975巴尔的摩、特明、杜逆转录酶发现尔贝科1993罗伯茨、夏普RNA剪接机制2006费尔、梅洛RNA干扰机制2020杜德纳、夏彭蒂耶CRISPR基因编辑。