《分子生物学教程》课件

分子生物学教程欢来这课将带领观迎到分子生物学教程，门程您探索生命科学的微世界在现础分子水平上理解生命的奥秘，是代生物学研究的基课将讲质结阐本程系统解DNA、RNA和蛋白等生物大分子的构与功能，述基调绍当术领因表达控的精密机制，并介代分子生物学技及其在医学、农业等应域的广泛用过这课将验术通门程，您掌握分子生物学的核心概念和实技，建立系统的知识为进习坚础框架，一步的学和研究奠定实基绪论什么是分子生物学？学科定义研究范围现础结组分子生物学是研究生命象和生命活动的分子基的科学，主要分子生物学的研究主要聚焦于基因的构与表达、基因学、蛋质结质组调络研究生物大分子（如DNA、RNA和蛋白）的构、功能及其白学以及各种生物大分子之间的相互作用与控网过在生命程中的作用机制过层为现通理解分子面的生命活动，分子生物学代医学、农业和该纪现术坚论础术学科形成于20世40-50年代，是代生物学的核心分支之生物技提供了实的理基和技支持遗传关一，与学、生物化学等学科密切相分子生物学的发展历程11869年细为米歇尔首次从胞核中分离出DNA，命名核素21944年证遗传质转验艾弗里明DNA是物的化实31953年结沃森和克里克提出DNA双螺旋构模型41961年伦译遗传码尼伯格破第一个密52003年组计开组时人类基因划完成，启基因学代细胞与分子水平的生命观细胞是生命的基本单位分子是细胞的构建基础细细细结赖所有生物体都由胞构成，胞胞的构和功能依于各种生单组协是生命活动的最小功能位从物分子的精确装和同作用单细杂细质胞生物到复的多胞有机DNA、RNA、蛋白等生物大分细终结细体，胞始是生命的基本构子构成了胞的分子机器，支持单过进和功能元生命程的行分子互作网络维持生命现数杂结谢生命象是无分子之间复相互作用的果基因表达、代通路、转导过赖络调信号等生命程均依于精密的分子网控生命的分子基础蛋白质执行生命功能的主要分子RNA遗传传调信息的递者和控者DNA3遗传储传信息的存和递分子础质这为遗传质储遗传为生命活动的基本分子基是DNA、RNA和蛋白三大生物大分子DNA作物，存生命的信息；RNA作中间媒介，参与遗传传质则执结信息的递；蛋白是生命活动的主要行者，承担构和功能作用这关称为则过传遗传过转录产过译质这三大分子之间的系被中心法DNA通复制保存并递信息，通生RNA，RNA再通翻合成蛋白一法则构成了分子生物学的核心框架遗传信息的存储的结构DNA双螺旋结构碱基互补配对主沟与次沟链结两条多核苷酸以反平腺嘌呤A与胸腺嘧啶T双螺旋构形成大小不盘绕过氢键对这行方式形成右手双通两个配，鸟等的主沟和次沟，些侧质识别螺旋，外是磷酸糖骨嘌呤G与胞嘧啶C通沟槽是蛋白特定内侧对过氢键对结架，是配的碱三个配DNA序列的重要构基础基结这现为遗传DNA的双螺旋构由沃森和克里克于1953年提出，一发理解信息的储传础结稳储遗传存和递奠定了基DNA分子的特殊构使其能够定存信息，并通过传给半保留复制机制准确递后代结稳来对氢键积这DNA构的定性主要源于碱基互补配形成的以及碱基堆作用种结为遗传质关键构特点也是DNA能够作物的所在遗传基因组组织真核生物基因组线多条性DNA分子形成多条染色体原核生物基因组细内2•位于胞核结杂内为单环状•基因构复，含有含子通常一DNA分子编码•大量非DNA序列•无核膜包裹1编码区染色体结构•基因密度高，很少有非转录顺组进•多基因共同形成多反子3DNA与蛋白形成核小体，一步折叠成级结mRNA高构质单•核小体是染色的基本位紧质质•不同密程度形成常染色和异染色组遗传组结组显组组基因是一个生物体所有信息的总和不同生物的基因在大小、构和织方式上存在著差异基因的织方式直接影响调础基因表达的控机制，是生物多样性的重要分子基复制的机制概述DNA复制起始识别开链起始蛋白起始位点，解双，形成复制起泡引物合成为引物酶合成短RNA引物，DNA聚合酶提供3端链延伸领链连续滞链DNA聚合酶按5→3方向延伸，先合成，后分段合成终止与连接连连链移除RNA引物，DNA接酶接相邻片段，形成完整子传遗传过链DNA复制是生命递信息的基本程，采用半保留复制方式，即新合成的双链来旧链链DNA中，每条都含有一条自母体的和一条新合成的过错误约为这赖复制程高度精确，率10^-9至10^-10，种高保真度依于DNA聚合酶的对协校功能和DNA修复系统的同作用复制的分子机制DNADNA聚合酶解旋酶引物酶DNA连接酶连开链单为连催化脱氧核苷酸按模板序列接成解DNA双螺旋，使双分离成合成短的RNA引物，DNA聚合酶提接相邻DNA片段，修复缺口，形成链对链为连续链，具有5→3聚合活性和3→5校，复制提供模板供所需的3-OH端的DNA活性协杂过结质DNA复制是一个多酶同作用的复程复制叉是DNA复制的核心构，在复制叉处，多种酶类和蛋白因子共同参与，确保复制的准确性和高效性链质链领链连续滞链则须连链由于DNA的反平行性，两条子的合成方式不同先沿5→3方向合成；后必以短片段（冈崎片段）的形式分段合成，然后接成完整复制的调控与修复DNA简修复类型机制述特点错单损伤碱基切除修复切除配碱基并合成新序列修复碱基损伤损伤核苷酸切除修复切除含碱基的寡核苷酸修复紫外片段错识别过配修复并修复复制程中的碱提高复制保真度错基配组单为链断同源重修复利用姐妹染色体作模板修复双裂修复连连断导非同源末端接直接接裂的DNA末端可能致序列丢失组稳关键过尽对DNA修复系统是保障基因定性的机制在复制程中，管DNA聚合酶具有校功能，仍有错误时纠时挥识别这错误维组少量无法被及正，此修复系统发作用，并修复些，持基因的完整性结组线端粒是染色体末端的特殊构，由短的重复序列成由于DNA聚合酶无法完整复制性DNA的末缩转录遗端，端粒在每次复制后会短端粒酶是一种特殊的逆酶，能够延长端粒，防止染色体末端的传对细调信息丢失，胞寿命控有重要意义的种类与结构RNA信使RNA mRNA带编码为质结携基因的信息，作蛋白合成的模板真核生物mRNA具有5帽子构和3多聚A稳译尾，增强定性和翻效率转运RNA tRNA负责将质结码氨基酸运送到核糖体上参与蛋白合成具有特征性的三叶草构，包含反密子和氨基酸接受臂核糖体RNA rRNA质质场与蛋白一起构成核糖体，是蛋白合成的所不同的rRNA具有不同的大小和功能，在核杂维结糖体中形成复的三构非编码RNA译质调细不翻成蛋白的功能性RNA，包括microRNA、lncRNA等，参与基因表达控和其他胞过程结显为单链RNA在构上与DNA有著差异RNA通常，含有核糖而非脱氧核糖，碱基中尿嘧啶U替代过内对杂级级结这结对了胸腺嘧啶TRNA分子可以通分子碱基配形成复的二和三构，些构其功能关至重要基因的转录过程概述起始延伸结开链RNA聚合酶合启动子，解DNA双，形链为2转录按照DNA模板合成RNA，方向5→3成起泡终止RNA加工4终释饰在止信号处，RNA与DNA模板分离，放新生RNA经剪接、加帽等修形成成熟RNA新合成的RNA转录遗传传过转录过链链为是DNA信息向RNA递的程，是基因表达的第一步在程中，DNA的一条（模板）作模板，RNA聚合酶催化合成与另一条链编码链（）互补的RNA分子转录区时转录这转录调具有高度的特异性，只有特定基因的特定域在特定间被种特异性主要由启动子序列和各种因子共同决定，是基因表达控的环节重要原核生物转录机制聚合酶操纵子结构转录终止RNA纵调单转录终原核生物只有一种RNA聚合酶，由多个亚操子是原核生物基因表达的基本控原核生物止有两种主要方式Rho组负责纵结赖终基成核心酶α2ββ催化RNA合位，通常包含启动子、操基因和构基依型止需要Rho蛋白因子的参与；负责识别结纵赖终夹结成，σ因子启动子，二者合形成因典型的如乳糖操子lac由启动子、Rho非依型止依靠RNA形成的发识别纵调节结组调区额全酶不同的σ因子可不同的启动子，操子、基因和构基因成，控构和随后的U-富集，不需要外蛋白因转录调谢关是控的重要机制乳糖代相酶的合成子真核生物转录机制多种RNA聚合酶1转录转录转录I型:rRNA；II型:mRNA；III型:tRNA复杂的启动子结构顺调包含核心启动子和多种式控元件转录因子与辅助因子转录转录通用因子与特异性因子共同参与RNA后加工处理包括5加帽、3加尾和RNA剪接转录为杂层调别负责负责真核生物机制比原核生物更复，具有多次的控真核生物有三种主要的RNA聚合酶，分不同类型RNA的合成其中RNA聚合酶II合成质编码关键mRNA，是蛋白基因表达的酶转录质转录转录过过内真核生物基因起始需要多种蛋白因子的参与，形成前起始复合物后，初生RNA需要经一系列加工程，包括5端加帽、3端加尾和含子的剪终除，最形成成熟的RNA分子基因转录调控基础顺式调控元件反式作用因子转结质位于DNA上的特定序列，如启动子、增强子、沉默子等，是可合特定DNA序列的蛋白，包括激活因子和抑制因子录结因子合的靶点转录转录组•通用因子基本机器的成部分结区转录调•启动子RNA聚合酶合的核心域•特异性因子控特定基因表达远转录辅调节调节质结•增强子可距离增强活性•助因子染色构调辅连转录转录•沉默子抑制基因表达的控序列•激活因子接因子与基本机器应应调•答元件响特定信号的控序列转录调证当时当细当转录调杂基因控是控制基因表达的主要机制，保基因在适的间、适的胞中以适的水平表达控的复性是生物体发环应础来育和境适的分子基，也是生物多样性的重要源信号调控与转录因子细过转导径转录进调转导胞外信号分子（如激素、生长因子）通特定的信号途影响因子的活性，而控基因表达信号通常包括信号的传终导转录接收、递和放大，最致因子的激活或抑制转录连转导关键结转录结转录为锌因子是接信号与基因表达的分子，通常含有DNA合域和激活/抑制域根据构特征，因子可分指蛋转链调细调肿挥关键损伤白、螺旋-角-螺旋、亮氨酸拉等多种类型典型的控因子如p53在胞周期控和瘤抑制中发作用，能够感知DNA胁关进细滞等迫信号，激活相基因表达，促胞周期阻或凋亡基因的剪接和加工RNA25%15,000平均内含子比例内含子平均长度内约内内约对人类基因中含子占比25%，部分基因含人类基因含子平均长度15,000个碱基子比例更高95%可变剪接基因组约显人类基因中95%的多外子基因存在可变剪接将内将显连来过过RNA剪接是前体mRNA中的含子切除并外子接起的程剪接程由剪接体质组（spliceosome）完成，剪接体是由snRNA和蛋白成的大型核糖核蛋白复合物过产现质可变剪接是指同一前体mRNA通不同剪接方式生多种成熟mRNA的象，是增加蛋白多样显显内组性的重要机制可变剪接形式包括外子跳跃、外子互斥、含子保留等多种类型，受织特阶调异性和发育段特异性的精密控的编辑与降解mRNA5端加帽稳进译在mRNA5端添加7-甲基鸟苷酸，增强定性并促翻起始3端加尾稳协在mRNA3端添加多聚腺苷酸序列，增强定性并助核输出RNA编辑改变RNA序列中特定核苷酸，如腺苷脱氨作用（A→I）mRNA降解过通去帽化、脱腺苷酸化和核酸酶切割降解mRNA证遗传传骤仅稳还mRNA加工是保信息准确递的重要步5端加帽和3端加尾不增强mRNA定性，参译过编辑转录遗传与核输出和翻起始等程RNA可在后水平上改变核苷酸序列，增加信息的多样性，别特是在神经系统和免疫系统中起重要作用调径转录mRNA降解是控基因表达的重要机制真核生物中存在多种mRNA降解途，包括非正常本的监导导这细控机制（如无义介的mRNA降解）和微小RNA介的基因沉默些机制共同确保胞中只有正译质确的mRNA被翻成蛋白翻译过程总体框架核糖体1质蛋白合成的分子机器遗传密码2码对应关mRNA密子与氨基酸的系翻译过程终阶起始、延伸、止三个段译遗传质传过环节这过进译翻是信息从RNA到蛋白的递程，是基因表达的最后一程在核糖体上行，需要mRNA、tRNA、多种翻因子和能量的质组参与核糖体是RNA和蛋白成的复合体，由大小两个亚基构成，具有三个主要位点A位点（氨酰位点）、P位点（肽酰位点）和E位点（退出位点）遗传码码对应关遗传码码对应简密是指mRNA上的核苷酸三联体（密子）与氨基酸之间的系密具有特异性（一个密子只一种氨基酸）、并性码编码（一种氨基酸可由多个密子）和普遍性（几乎在所有生物中通用）的特点与氨酰合成酶tRNA tRNAtRNA的结构结码区结过内对维结带tRNA分子呈特征性的三叶草构，包含接受臂、反密臂、D臂和TψC臂四个主要域三叶草构通分子碱基配形成，在空间上折叠成L形三构，一端携反密码连子，另一端接氨基酸氨酰tRNA合成酶将对应连关键识别这证氨酰tRNA合成酶是氨基酸与tRNA接的酶类，每种氨基酸都有特定的合成酶合成酶具有高度特异性，能够准确正确的氨基酸和tRNA，种特异性是保遗传码转译密准确的重要机制tRNA的功能连遗传码译过将码转换为码码过对识别tRNA是接密和氨基酸的适配器分子，在翻程中密子信息氨基酸序列tRNA的反密子与mRNA的密子通碱基互补配，确保正确的氨基酸链被添加到新生肽中蛋白质合成的启动1起始复合物形成结eIF2-GTP-起始tRNAMet-tRNAi与40S核糖体亚基合，形成43S前起始复合物2mRNA结合识别结结43S复合物mRNA的5帽子构，在多种启动因子的帮助下合到mRNA上3扫描机制扫当码核糖体沿mRNA5→3方向描，直到遇到适的起始密子（通常是AUG）4大亚基结合结译开60S核糖体亚基合，形成完整的80S起始复合物，翻正式始质译过调严环节译蛋白合成的启动是翻程中受控最格的，直接影响基因表达效率真核生物翻起为杂过始比原核生物更复，需要多种起始因子eIFs的参与起始复合物的形成是一个有序的译码开程，确保翻从正确的密子始码选择扫开扫码起始密子的遵循描模型，核糖体从mRNA5端始描，通常在遇到第一个AUG密开译码识别调质子处停下并始翻起始密子的上下文（如Kozak序列）会影响效率，是控蛋白合成的重要因素蛋白质的延伸与终止翻译后修饰磷酸化糖基化质残在蛋白特定氨基酸基上添加磷酸基团质链丝残在蛋白上添加糖基或寡糖•主要发生在氨酸、苏氨酸和酪氨酸12连连基•N-接糖基化和O-接糖基化调质细内质稳细识别•控蛋白活性、胞定位和相互作•影响蛋白定性和胞间内质进用•在网和高尔基体中行过调•可逆程，由激酶和磷酸酶共同控泛素化甲基化质连43质残在蛋白上接泛素分子在蛋白特定基上添加甲基基团标记质进组观遗传调•蛋白行蛋白酶体降解•常见于蛋白，参与表控转导质•参与DNA修复和信号•影响蛋白功能和相互作用连•由泛素接酶催化译饰扩质组杂过饰细调节质翻后修极大地展了蛋白的多样性和功能复性通各种化学修，胞可以快速蛋白的活性、定位和相互作用，而无需重新合质这为细应环成蛋白胞响境变化提供了灵活性和效率分子伴侣与错误折叠分子伴侣的功能蛋白质错误折叠与疾病侣辅质质们识质错误导称为这分子伴是一类助蛋白正确折叠的特殊蛋白，它能够蛋白折叠可致一系列疾病，统构象病类疾病的别链质区错误质新生肽或变性蛋白中暴露的疏水域，防止折叠和聚共同特点是特定蛋白采取异常构象，形成不溶性聚集体或淀粉维细集样纤，干扰胞正常功能侣热错误主要分子伴家族包括休克蛋白（Hsp）家族，如Hsp

70、典型例子包括阿尔茨海默病（β-淀粉样蛋白和tau蛋白折热们质转错误Hsp90和小分子休克蛋白等它在蛋白合成、运、折叠叠）、帕金森病（α-突触核蛋白聚集）和朊病毒病（朊蛋白应对细应应挥关键这对开疗关和胞激反中发作用折叠）等了解些疾病的分子机制发治策略至重要质挥须维质挤细环错误侣蛋白要发正常功能，必采取正确的三构象然而，新合成的蛋白在拥的胞境中容易发生折叠分子伴系统通过识别辅质维细质组稳态、保护和助蛋白正确折叠，持胞蛋白的基因表达的时空调控时间调控空间调控阶状态调组细选择基因表达在不同发育段和生理下的精确基因在不同织、胞类型中的性表达如胰时细岛仅细红控如胚胎发育中特定基因的序性表达，或者素基因在胰腺β胞表达，血蛋白基因主要在红细胞周期中周期性基因的周期性表达胞前体中表达阶组•发育段特异性表达•织特异性表达细•周期性表达模式•胞类型特异性昼节调细调•夜律控•亚胞定位控调控层次层进调杂调络质译饰层协基因表达可在多个面行控，形成复的控网从染色水平到翻后修，多次同确保基因表达的精确控制质结调•染色构控转录调•水平控稳•RNA加工与定性译•翻效率控制质调节•蛋白活性时调细维组础细尽组基因表达的空控是多胞生物发育和持织功能的基不同胞类型管拥有相同的基因，但由于基因现态这调对关表达模式的差异而表出不同的形和功能种控的精确性于生物体的正常发育和功能至重要表观遗传学引论观遗传遗传传观遗传饰组饰质编码调表学研究不改变DNA序列的信息递机制表修包括DNA甲基化、蛋白修、染色重塑和非RNA控这过质结来调等，些机制通影响染色构和基因可及性控基因表达关组饰组DNA甲基化主要发生在CpG二核苷酸的胞嘧啶上，通常与基因表达抑制相蛋白修包括乙酰化、甲基化、磷酸化等，形成码质结质调节这观遗传蛋白密，影响染色构和基因活性染色重塑复合物可改变核小体位置，DNA的可及性些表机制共同构成基因调层过挥关键表达控的重要面，在发育、分化和疾病程中发作用表观遗传与疾病癌症观遗传挥肿导许时肿细质饰组饰关表改变在癌症发生发展中发重要作用瘤抑制基因的启动子高甲基化致其表达沉默，是多癌症的共同特征同，瘤胞中常见染色修异常和蛋白修模式改变，影响键基因的表达神经系统疾病观遗传关综结关顿组观多种神经发育障碍和神经退行性疾病与表异常相如雷特合征与MeCP2基因（甲基化CpG合蛋白）突变相，亨廷舞蹈症涉及蛋白乙酰化异常，阿尔茨海默病中察到DNA甲基化模式改变代谢性疾病谢观遗传关营养环观遗传编谢这论础糖尿病和肥胖等代性疾病也与表改变密切相研究表明，境可影响胚胎发育期间的表程，增加后代患代性疾病的风险，是发育起源健康与疾病理的分子基观遗传疗为疗针对观遗传转剂杂组剂恶肿疗表法已成疾病治的新方向目前FDA已批准多种表靶点的药物，如DNA甲基移酶抑制5-氮胞苷和蛋白去乙酰化酶抑制SAHA，主要用于血液系统性瘤的治观遗传标诊断预评标检测状态诊断观组进将进表志物也是疾病和后估的潜在生物志物如甲基化特异性PCR可特定基因的甲基化，有助于癌症早期表基因学研究的展一步推动精准医学的发展非编码的功能RNAmicroRNA miRNA约转录长度22nt的小RNA，参与后基因沉默长非编码RNA lncRNA2编码长度200nt的非RNA，功能多样piRNA细组与PIWI蛋白相互作用，保护生殖胞基因小干扰RNA siRNA诱导参与RNA干扰，靶mRNA降解编码译质转录组们调质饰组细过挥非RNA是不翻成蛋白的RNA分子，占人类的大部分它在基因表达控、染色修、核仁织和RNA加工等多种胞程中发重要作用过译区结译进细调microRNA通与靶mRNA的3非翻合，抑制翻或促mRNA降解，是基因表达精控的重要机制编码为质饰组饰为诱饵获结还长非RNA功能多样，可作支架分子募集染色修复合物，如HOTAIR参与蛋白修；可作分子捕microRNA或RNA合蛋白；可影响RNA剪接质编码关疗诊断标和核运输非RNA的异常表达与多种疾病相，如癌症、神经系统疾病和心血管疾病，是重要的治靶点和志物分子生物学的经典实验

（一）格里菲斯转化实验时现将荚灭荚1928年，弗雷德里克•格里菲斯在研究肺炎球菌发，致死的S型菌（有膜）的活菌与无害的R型菌（无膜）混合注射入小鼠，小鼠死亡并能从中分离出活的S型这转则获遗传菌表明R型菌被某种化原改变，得了S型菌的特性艾弗里转化实验进鉴验转则们将质质现1944年，奥斯瓦尔德•艾弗里及其同事一步分离并定了格里菲斯实中的化原他S型菌裂解，分离出不同成分（蛋白、DNA、脂等），发只有DNA转当转这证遗传质部分能引起化用DNA酶处理后，化能力消失，明DNA是物实验意义这验为遗传质证战当时认为质遗传质观为来结些实首次提供了DNA作物的直接据，挑了蛋白是物的主流点格里菲斯和艾弗里的工作沃森和克里克后解析DNA构奠定了概念础认为基，被是分子生物学发展的里程碑分子生物学的经典实验

（二）标记噬菌体标记标记质用放射性磷32P DNA，用放射性硫35S蛋白感染细菌标记肠的噬菌体感染大杆菌分离组分进细质离心分离噬菌体外壳和入菌的物检测结果细内32P在菌，35S留在外部计验1952年，赫尔希（Alfred Hershey）和蔡斯（Martha Chase）设了一个巧妙的实，使用T2噬菌体遗传质质们别标记质让这研究物的本他分用放射性同位素噬菌体的DNA（32P）和蛋白（35S），然后标记肠些的噬菌体感染大杆菌们搅过细结现感染后，他用拌机剪切噬菌体的外壳蛋白，然后通离心分离菌和噬菌体外壳果发，大部分标记进细内标记质进细32P（DNA）入了菌部，而大部分35S（蛋白）留在了外部更重要的是，入菌的质导产这验证遗传质质进物能指生新的噬菌体一实有力地明了DNA是物，而非蛋白，一步强化了艾弗里验结论为坚础实的，分子生物学的发展奠定了实基分子生物学的经典实验

（三）实验设计实验结果与结论现轻1958年，梅塞尔森（Matthew Meselson）和斯塔尔第一代复制后，DNA分子全部呈中间密度（介于重和计验验证们现现（Franklin Stahl）设实DNA复制模式他用含有重之间）；第二代复制后，一半DNA呈中间密度，另一半呈养养肠轻氮同位素（15N）的培基培大杆菌多代，使菌体DNA中的密度为氮全部15N（重DNA）这结链开一果完美符合半保留复制模型原有的双DNA分后，将转养养链为链链链随后菌体移到含普通氮（14N）的培基中培一代和两每条作模板合成互补，形成两个各含一条原和一条新过铯这现代，然后通氯化密度梯度离心分析DNA密度，以确定DNA的子DNA分子一发否定了保守复制和分散复制模型，确复制的方式立了DNA半保留复制机制验誉为验标记术梅塞尔森-斯塔尔实被分子生物学中最优美的实，它巧妙地运用同位素和密度梯度离心技，提供了DNA半保留复制模证验计这验仅验证为遗传传式的直接据，是实设和推理的典范一实不了沃森-克里克提出的DNA复制模型，也理解信息的递机制提供关键证了据基因突变类型损伤与修复机制DNA光修复线断开环特异性修复紫外引起的嘧啶二聚体光解酶在可见光照射下，直接嘧啶二聚体之间的，恢复正常碱结简单基构，是最的修复方式切除修复单损伤围损包括碱基切除修复BER和核苷酸切除修复NERBER修复个碱基；NER可修复更大范的DNA伤线，如紫外引起的大型加合物错配修复识别过产错区链链选择链错误并修复DNA复制程中生的碱基配系统能分新合成和模板，性地修复新上的，大大提高复制保真度重组修复链断组连利用同源DNA序列修复双裂包括同源重修复HR和非同源末端接NHEJ两种主要方式，前者精确度高但需同源模板，后者可在无模板情况下快速修复维组稳关键识别损伤DNA修复系统是护基因定性的机制，能够并修复各种类型的DNA不同修复通路处理特定类型损伤组导遗传的DNA，共同确保基因的完整性修复系统的缺陷可致突变率升高，增加癌症和其他疾病的风险关卢综组遗传典型的修复缺陷相疾病包括色素性干皮症（XP，NER缺陷）、布姆合征（BS，重修复缺陷）和性非结肠错这仅为疗息肉性直癌（HNPCC，配修复缺陷）等了解些修复机制不有助于理解疾病发生，也癌症治提供了新思路基因重组的分子基础末端处理双链断裂单链单链2酶切除，形成3突出1链断DNA双裂，暴露出末端链入侵单链区对与同源域配，形成D-loop解析组组产DNA合成切割重中间体，形成重物4为链以同源序列模板延伸组遗传质组组组基因重是指物在分子水平上的重新排列，包括同源重和位点特异性重两种主要类型同源重发生在具有高度序列相似性的DNA片段之间，是修复DNA链断维遗传数组进换产组双裂和持多样性的重要机制在减分裂中，同源重促同源染色体之间的基因交，生新的等位基因合组则这组组过挥细质位点特异性重发生在特定DNA序列之间，不要求序列同源性类重由特异性重酶催化，在某些生理程中发重要作用，如菌粒的整合与分离、噬菌细组对遗传术开体的整合与裂解，以及免疫球蛋白和T胞受体基因的重排了解基因重机制于学研究和基因工程技发具有重要意义分子克隆技术导论DNA片段获取过内扩获标通限制性切酶切割或PCR增得目DNA片段载体准备选择载质合适的克隆体（粒、噬菌体、人工染色体等）连接反应连将标载连组用DNA接酶目片段与体接，形成重DNA分子转化宿主细胞将组导细细重DNA入菌、酵母或哺乳动物胞筛选与鉴定过报筛选组转通抗性或告基因含重DNA的化体术现术许为术应础这术关键内这分子克隆技是代分子生物学的核心技之一，它允研究者分离、增殖特定DNA片段，基因功能研究和生物技用奠定基一技的工具是限制性切酶，类酶能在产连载开扩术应围组为特定DNA序列处切割，生可接的末端各种体系统的发极大地展了克隆技的用范，从小片段DNA到大片段基因的克隆都成可能现组组库库组图谱计获遗传单组代基因学研究中，构建基因文和cDNA文是重要策略泛基因划（Human Pan-genome Project）旨在捕人类群体中的多样性，超越一参考基因的局限，为组础这术进时精准医学提供更全面的基因信息基些技的发展正推动生物医学研究入新代技术原理PCR30-40循环次数标进环论环标准PCR通常行30-40个循，理上每循使目序列翻倍94°C变性温度链单链为结高温使DNA双分离成，引物合做准备55-65°C退火温度单链结引物与模板DNA特异性合的最适温度72°C延伸温度连Taq聚合酶最适工作温度，催化脱氧核苷酸按模板序列接链应扩术细内过过聚合酶式反PCR是一种体外增特定DNA片段的强大技，由Kary Mullis于1983年发明PCR的基本原理是模拟胞DNA复制程，通反复的环标数级扩环骤热温度循，使目DNA序列呈指增每个PCR循包括变性、退火和延伸三个步，利用耐DNA聚合酶（如Taq聚合酶）在高温条件下合成DNA术转录检测时时扩PCR技已发展出多种变体，如逆PCR（RT-PCR，用于RNA）、实定量PCR（qPCR，用于定量分析）、多重PCR（同增多个靶序列）、巢术应遗传诊断鉴检测领现式PCR（提高特异性）、长片段PCR等PCR技广泛用于基因克隆、、法医定、古DNA分析和病原体等域，是代分子生物学和生物术础技的基工具基因编辑技术前沿CRISPR-Cas91简单组编辑高效的基因工具TALEN转录应激活因子样效物核酸酶锌指核酸酶3编编辑第一代可程基因工具细获导组导CRISPR-Cas9系统源自菌的得性免疫机制，由Cas9核酸酶和引RNA（gRNA）成gRNA引Cas9到特定DNA序列，使其在特定位点切割链断细过连导组编辑这断DNA，形成双裂胞通非同源末端接（可能致基因敲除）或同源重修复（用于基因敲入或精确）修复些裂术现简组编辑过该术应础开CRISPR技的出革命性地化了基因程，使其更加高效、经济且易于实施技已被用于基研究、药物发、农作物改良和疾病疗领应预编辑伦别编辑监问题战来治等域然而，脱靶效（非期位点的）、理考量（特是生殖系）以及安全性和管仍是需要解决的重要挑未发展扩编辑质转进方向包括提高精确性、展功能（如碱基器和粒化子）以及探索递送系统的改基因测序技术第一代测序链终为过标记终产以Sanger双脱氧止法代表，通的双脱氧核苷酸止DNA合成，生不同长度的片段，经电泳分离后确定序列准确度高，但通量低、成本高、自动化程度低第二代测序称测测测终测也高通量序或次世代序，包括Illumina序（可逆末端止序）、454焦磷酸测导测规测显读序和离子半体序等特点是大模平行序，著提高通量，降低成本，但长较短第三代测序单时测纳测为测单以分子实序PacBio和米孔序Oxford Nanopore代表，直接序扩产读数数个DNA分子，无需PCR增，能生超长长（千至十万碱基），有助于解决复杂区结测问题域和构变异的序测术组进组计费数基因序技的快速发展极大地推动了基因学研究的展从人类基因划耗十亿美元时内组测测术进和十余年间，到如今几天完成个人基因序，并且成本降至千美元以下，序技的步组时是基因代的重要推动力来测术趋势进读组未序技发展包括一步提高长和准确度；降低成本，推动个人化基因分析；发测现现场检测组术单细测转录组展便携式序设备，实快速；整合其他学技，如胞序、空间学等这进将为传监测带来些展精准医学、染病、农业育种和生物多样性研究革命性变化蛋白质结构与功能分析结构解析技术功能分析方法质结关键线过质质术测数蛋白构是理解其功能的X射晶体学通分析蛋白蛋白功能研究需要多种技酶动力学分析定酶的活性参对线图维结质络杂晶体X射的衍射案确定三构，分辨率可达原子水平，（Km、Vmax等）；蛋白互作网分析采用酵母双交、免获质质术译饰质谱术鉴但需要得高量晶体疫共沉淀、蛋白芯片等技；翻后修分析利用技饰谱场定修位点和类型核磁共振波学NMR利用原子核在磁中的共振特性确定溶液质结态结质组术时细组质中蛋白的构，适合研究动构变化，但限于小分子蛋白蛋白学技能同分析胞、织或生物体中所有蛋白的冻镜术结饰为质冷电技近年取得突破，能分析无需晶的大型蛋白复合表达、修和互作，系统了解蛋白功能提供全局视角生物结数预测进关物信息学分析整合构和功能据，未知蛋白的功能和化系质进结质组质结仅进对过认识为蛋白研究的展催生了构生物学和蛋白学的蓬勃发展蛋白构与功能的深入理解不增了生命程的，也疾开础病机制研究和药物发提供了重要基基因功能研究策略正向遗传学反向遗传学系统生物学观鉴关组数络从表型到基因，先察突变体表型，再定相基从基因到表型，先确定感兴趣的基因，再研究其功整合多学据，从系统水平理解基因功能网诱筛选连锁图术过转录组质组谢组因经典策略包括变、分析和位克隆能包括基因敲除/敲入、RNA干扰、反义技等通学、蛋白学、代学等高通量技这预组组计编辑术术结等种方法不需要先了解基因信息，适用于方法随着基因划的完成和基因技的发，合生物信息学分析，全面揭示基因功能及其遗传调络新物种的功能基因研究展，反向学研究日益普及控网诱创库转录组•随机变造突变体•基因敲除/敲入•分析表达模式筛选调质络•特定表型的突变体•RNA干扰下基因表达•蛋白互作网研究图过获协•位克隆确定致突变基因•表达研究功能得•多基因同作用分析关键残释•点突变分析基作用•系统水平的功能注术结来应筛选为基因功能研究需要多种策略和技的合近年，CRISPR-Cas9系统的用大大加速了基因功能研究，使高通量基因功能成可能模式生物系统（如小鼠、斑马蝇线为鱼、果、虫、酵母等）的建立基因功能研究提供了重要平台人类基因组计划概述1990年1组计计时预人类基因划正式启动，划耗15年，算30亿美元21998年测竞赛组枪私人公司Celera Genomics加入序，采用全基因鸟法2000年6月3顿组图计计克林总统宣布人类基因工作草完成，公共划和私人划共同参与42003年4月组计组人类基因划基本完成，覆盖99%的人类基因，准确度达

99.99%2022年5组计测区端粒到端粒人类基因划（T2T）宣布完成，填补最后8%的未序域组计现项组约对鉴该项卫领导来人类基因划是代科学史上最具雄心的研究目之一，旨在确定人类基因中30亿个碱基的完整序列和定所有人类基因目由美国国立生研究院和能源部，包括自美国、英国、日本、法国、德国和中国等国家的科研机构参与该计对践产远组测术进关现为疗础续划的完成科学研究和医学实生了深影响加速了基因序技的发展；推动了生物信息学的兴起；促了疾病相基因的发；个体化医奠定了基；引发了一系列后研究计计组计时该计带来伦问题遗传隐遗传划，如ENCODE划（确定所有功能元件）和人类微生物划等同，划也了理、法律和社会，如私、歧视和商业利用等分子生物学与药物研发靶向药物设计计针对关传针对细基于分子生物学理解设的新型药物，特异性疾病相的分子靶点与统药物相比，靶向药物具有更高的特异性和更少的副作用典型例子包括慢性粒胞白血病疗单的伊马替尼（靶向BCR-ABL融合蛋白）和治乳腺癌的曲妥珠抗（靶向HER2受体）基因治疗过导调来疗获疗产疗缩疗遗传营养通入正常基因或控基因表达治疾病的方法目前已批的基因治品包括治脊髓性肌萎症的Zolgensma和治性视网膜不良的Luxturna基因递关键术载关载质纳颗送系统是技，包括病毒体（如腺相病毒）和非病毒体（如脂米粒）RNA干扰药物疗获疗转状利用小干扰RNAsiRNA或反义寡核苷酸特异性沉默靶基因表达的法首个批的siRNA药物Patisiran用于治甲腺素蛋白淀粉样变性多发性神经病RNA药物的优势传开围在于能靶向统不可成药的靶点，拓展了药物发的范癌症的分子基础信号通路异常表观遗传改变关键细传导调组饰胞信号通路的失DNA甲基化和蛋白修异常细•PI3K/AKT/mTOR通路（胞生长）•抑癌基因启动子高甲基化组饰•Ras/Raf/MEK/ERK通路（增殖）•蛋白修模式改变驱动基因突变质肿瘤微环境•Wnt/β-catenin通路（分化）•染色重塑复合物突变关键肿细围质细激活癌基因或失活抑癌基因的突变瘤胞与周基和免疫胞的相互作用调•EGFR突变（肺癌）•血管生成失•BRAF V600E突变（黑色素瘤）•免疫逃逸机制谢编•TP53突变（多种癌症）•代重程34组组骤结现术组测转录组质组鉴驱关键为疗癌症是一由基因异常引起的疾病，其发生是多步、多基因改变的果代分子生物学技，如基因序、和蛋白分析，已定出多种癌症动基因和通路，精准医提供了础分子基诊断检测检环肿诊断疗这术现预测预导疗选择监测疗应分子方法，如基因突变、液体活（循瘤DNA分析）和分子分型，正在改变癌症的和治策略些技能够早期发癌症，后，指个体化治，并治反和耐药础开疗疗关键性发展理解癌症的分子基是发新型靶向治和免疫治的遗传病罕见病机制/称遗传疾病名模式致病基因分子机制贫隐链地中海血常染色体性HBA/HBB珠蛋白合成减少或缺失维隐囊性纤化常染色体性CFTR氯离子通道功能异常顿显扩亨廷舞蹈症常染色体性HTT CAG三核苷酸重复增营养连锁隐营养杜氏肌不良X性DMD肌不良蛋白缺失连锁隐血友病A X性F8凝血因子VIII缺乏遗传遗传为单遗传镰状细贫病是由基因突变或染色体异常引起的疾病根据方式，可分基因病（如胞遗传脏综数较血）、多基因病（如某些心病）和染色体病（如唐氏合征）罕见病是指患病人少的疾约遗传础病，大80%的罕见病具有学基术鉴许遗传贫导分子生物学技已定出多病的致病基因和机制如地中海血是由珠蛋白基因突变致珠蛋链维导顿则白合成减少；囊性纤化是由CFTR基因突变致氯离子通道功能异常；亨廷舞蹈症是由HTT扩诊断术进疗许认为基因中CAG三联体重复增引起随着基因技的步和基因治的发展，多曾被无法治遗传现疗将进疗愈的病在有了治希望精准医学的发展一步推动个体化治方案的制定分子生物学与免疫学免疫球蛋白基因重排细细来过这组为连区组细B胞和T胞受体的多样性主要源于基因重排程，是一种特殊的DNA重机制以免疫球蛋白例，其基因由V可变、D多样、J接和C恒定段成在B过过组选择连独识别区胞发育程中，通VDJ重，从多个V、D、J片段中各一个接，形成特的抗原CAR-T细胞疗法细疗疗术细该术内细过导编嵌合抗原受体T胞CAR-T法是一种革命性的癌症免疫治方法，利用分子生物学技改造患者自身T胞技首先从患者体分离T胞，然后通基因工程入码转录载细识别肿CAR的基因（通常使用慢病毒或逆病毒体），使T胞表面表达能特定瘤抗原的受体抗体工程应术结领过组术创时识别抗体工程是用分子生物学技优化抗体构和功能的域通基因重和点突变等技，科学家可以造人源化抗体（减少免疫原性）、双特异性抗体（同两种抗组渗进进单开原）和抗体片段（更好的织透性）等抗体工程的步极大地促了克隆抗体药物的发分子生物学前沿热点单细胞组学空间转录组学合成生物学单细组转录组结在胞水平分析基因表达、保留织空间信息的分合工程学原理和生物学知质状态质组术将数识计染色和蛋白的技析技能够基因表达据，设和构建新的生物系术传组术组态结创线计克服了统学技只能与织形学相合，建统包括基因路设、最小获图关键术组谢得群体平均信息的局限，揭分子地技包括原基因合成和代工程等方细质细杂获测应产示胞异性和罕见胞亚群位交、空间捕序和基于向用于生物燃料生、疾应肿图对组环疗环传的特征用于胚胎发育、像的方法理解织微病治、境修复和生物感环领细讯过开领瘤微境和神经系统研究等境、胞通和发育程具有器发等域，正在重新定义术域重要价值生物技的边界术进维组为趋随着技步，分子生物学研究正向多度、高通量和整合性方向发展多学整合分析成势过综组转录组质组谢组数杂，通合基因、、蛋白和代据，全面理解生物系统的复性人工智能习应进数读和机器学的用也极大地促了生物大据的分析和解这领进仅们对础过为诊断疗带来些前沿域的展不深化了我基生物学程的理解，也疾病和治新机单细术应肿质疗开计遇如胞分析技正用于瘤异性研究和精准治策略发；合成生物学正致力于设传疗细来这术将进用于生物感和靶向治的智能胞系统未，些技的融合一步推动生命科学的革命进性展生物信息学与分子数据分析基因组注释序列比对与进化分析鉴组编码过较定基因序列中的功能元件，包括通比不同物种或个体间的DNA、RNA区调编码结验质进关、控元件和非RNA等合实或蛋白序列，研究化系和功能保守数计预测结对据和算方法，基因构和功能性多序列比工具如CLUSTAL和释软自动化注流程如NCBI的Prokaryotic MUSCLE，系统发育分析件如MEGA和为进Genome AnnotationPipeline和真核生PhyML，研究分子化和物种分类提物的MAKER等工具极大提高了效率供强大支持生物数据库与知识挖掘数质整合和管理海量生物学据的系统，如GenBank（核酸序列）、UniProt（蛋白序列和功质结能）、PDB（蛋白构）等文本挖掘工具如PubTator能从科学文献中自动提取生物实体关识现和系，加速知发术产数为随着高通量技生的据量呈爆炸性增长，生物信息学已成分子生物学研究不可或缺的部分大数术杂数关现据分析技和算法的发展使研究者能够从复据中提取有意义的模式和联，推动科学发和假设生成当临战数标问题计资养前生物信息学面的挑包括据准化和整合、算源需求增加、以及跨学科人才培来组数习数等未发展方向包括整合多学据的系统生物学方法、人工智能和机器学在生物据分析中的应数用、以及面向精准医学的个性化据分析策略分子生物学研究伦理本课程总结与展望60+20K+年发展历程人类基因数量现积编码质组规从DNA双螺旋发至今的学科累多样功能蛋白的基因模2T+每年产生数据组产数全球基因学研究生的据量TB为现们结现分子生物学作代生命科学的核心学科，已经深刻改变了我理解生命的方式从DNA构的发到人组测术编辑历辉类基因的序，从基因克隆技到CRISPR基因，分子生物学的发展程是人类探索生命奥秘的课绍质结调现煌篇章本程系统介了DNA、RNA和蛋白的构与功能，基因表达的控机制，以及代分子生物术应为识学技及其用，学生构建了完整的知框架来将继续领单细术组将展望未，分子生物学引生命科学的前沿发展胞技和空间学提供前所未有的分辨编辑术将赋们计组将率；合成生物学和基因技予我重新设生命的能力；多学整合和人工智能分析揭示更复杂规这进仅础将疗产环领产的生物系统律些展不推动基研究，也在医健康、农业生、境保护等域生重大为时术负责态影响作新代的分子生物学研究者，既要掌握前沿技，也要具备跨学科视野和任的科学度参考文献与拓展阅读绍础识推荐教材《分子生物学原理》（Robert F.Weaver著），全面系统介分子生物学基知；《基因》（Siddhartha Mukherjee著），通过历讲绍数计现史视角述基因概念的发展；《生物信息学》（David W.Mount著），介生物据分析的算方法；《代免疫生物学》（Kenneth讨Murphy著），深入探免疫系统的分子机制细顶级专核心期刊Nature（《自然》）、Science（《科学》）和Cell（《胞》）是发表分子生物学突破性研究的期刊；业期刊如Nature专报线资Genetics、Genome Research、Molecular Cell、RNA和Journal ofMolecular Biology等提供更注的研究道在源方面，NCBI、数库质频课线习资励Ensembl、UniProt等据是查询基因和蛋白信息的重要平台；iBiology和Coursera等提供优的视程和在学源鼓学生定期关这资注些源，跟踪学科前沿发展。