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1、分子生物学前沿动态分子生物学前沿动态 1 1 引言引言 分子生物学(molecular Biology)是一门带动整个生命科 学的学科，是生物化学、遗传学、徽生物学、细胞学、生物物理学等学科相结合的基础上发展起来的学科。分子生物学是生命科学的前沿和最活跃的学科。近年来由于分子生物学的技术和方法不断为生命科学其他领域广泛运用，使本学科越来越侧重于蛋白质等生物大分子及其复合物的三维结构与功能研究方面。研究趋势的预测研究趋势的预测DNA、RNA等作为遗传信息分子，研究其本身的结构及与蛋白质的相互作用。功能基因组学研究将是今后相当长时间内是本领域中的一个重点。基因的表达调控规律，特别是基因的调控网络机
2、制。方法和技术手段对分子生物大分子的研究尤为重要，是本学科突破性进展的重要支持。分子生物学的发展的历程分子生物学的发展的历程v“分子生物学”一词最早于1945年在Harvey Lecture上出现。v一开始就将研究对象主要集中于生物大分子一核酸(DNA和RNA)的研究，并己经成为现代生命科学的“共同语言”。v分子生物学的出现使人类在认识上由宏观向微观转变技术方法由粗放向精细准确转变。v1838年，Schwann、 Schleiden 细胞理论;v1859年， Darwin 进化论;v1865年， Mendel 经典遗传学；v1915年， Morgan提出基因学说;v1940年，Beadle和Y
3、atum提出“一个基因一种酶”v1953年， Watson和Crick提出DNA双螺旋模型;v1958年，Crick提出中心法则;v1969，年全部 (三联密码子)遗传密码被破译. v随着分子生物学的发展，促使生物化学、遗传学以及整个生物学科发生了深刻的革命。v人类进入21世纪10多年了，分子生物学也进入了“基因组后时代”。v分子生物学的发展前沿，如哺乳动物克隆、基因组计划、遗传与进化、生物计算机、生物芯片、生物材料、蛋白质组、天然药物、干细胞、脑科学以及转基因等，无一不是多学科的交叉与融合、基础研究与应用的统一。人们由单一分析转向综合分析，去研究生物的多样性与生命本质的一致性，各个层次、各个
4、领域的研究都和分子水平上生物大分子的研究相关连。v促进了思维方法学上的研究：整体，统一等2 2 分子生物学的部分前沿问题分子生物学的部分前沿问题v2.1动物克隆与意义动物克隆与意义“克隆是指生命体、纯种细胞或生物大分子的无性繁殖、增克隆是指生命体、纯种细胞或生物大分子的无性繁殖、增殖或复制。殖或复制。 1）促进人类了解生物生长发育的机理，特别是发现影响生）促进人类了解生物生长发育的机理，特别是发现影响生长和衰老的因素长和衰老的因素;2）“治疗性克隆治疗性克隆”提取胚胎干细胞，为移植手术生产合适提取胚胎干细胞，为移植手术生产合适的器官的器官;（干细胞美容的应用）（干细胞美容的应用）3）生产转基因
5、动物，大批量制造某些药物的生物原料）生产转基因动物，大批量制造某些药物的生物原料;4）为科学研究提供更适合的实验动物）为科学研究提供更适合的实验动物;5)培育优良家畜鱼禽品种培育优良家畜鱼禽品种;6)复制濒危的动物物种，保存和传播动物物种资源。复制濒危的动物物种，保存和传播动物物种资源。2.22.2基因组计划基因组计划v 基因组含有生物生、老、病、死的全部遗传信息，这些遗传信基因组含有生物生、老、病、死的全部遗传信息，这些遗传信息通过转录和翻译等分子生物学过程，以密码形式先息通过转录和翻译等分子生物学过程，以密码形式先mRNAmRNA，而后再变成蛋白质。而后再变成蛋白质。v 19901990年
6、实施年实施“人类基因组计划人类基因组计划”( human genomic project)( human genomic project)是人类是人类认识自我一揭开人类的奥秘、追求健康、战胜疾病的伟大科学认识自我一揭开人类的奥秘、追求健康、战胜疾病的伟大科学工程。工程。v 已完成的已完成的“基因组计划基因组计划” ” ：家猪基因组水稻、鸡，猪，马铃薯：家猪基因组水稻、鸡，猪，马铃薯，白菜等。，白菜等。v 以研究基因组结构为主要内容的以研究基因组结构为主要内容的“基因组学基因组学”( genomics)( genomics)和以和以研究基因组功能为主要内容的研究基因组功能为主要内容的“后基因组学
7、后基因组学”( post-genomics)( post-genomics) 成为研究热点。成为研究热点。2.32.3遗传与进化遗传与进化v基因遗传机理的提出促成了DNA双螺旋结构模型和“中心法则”的创立，并在此基础上发现遗传与某些基因的表达相关。v基因表达是一个在时空上有序的生物学过程，而且基因表达的时空有序性。基因因调控存在着多重调控和调控网络。v随着分子生物学的发展，一系列的遗传、发育与进化的问题被阐明:卵子的发生和成熟、受精过程、基因表达的时空次序、细胞分化、个体三维形态发育、物种间的亲缘关系、分子进化速度和分子进化方式等。v与数学家、逻辑学家、非线性物理学家和计算机科学家合作，在对浩
8、如烟海的资料进行分析和综合的基础上，将可能破译记载在基因组DNA上的“遗传语言”，从而阐明控制发育的遗传程序在染色体上的构建和操作规则，以及在进化过程中发生的变化，最终将在分子水平上实现遗传、发育和进化的理论大综合。2.4 2.4 生物计算机生物计算机v我国唐代发明了算盘，1642年法国制成第一台机械计算机，1946年出现了第一台“二进制”电子计算机。v生物计算机 bio-computer)是以生物界处理问题的方式为模型的计算机。v目前主要有:生物分子或超分子芯片、自动机模型、仿生算法、生物化学反应算法等几种类型。 1995年发明的DNA计算机(DNA computer)是目前最有发展前景的计
9、算机之一。生物计算机的特点生物计算机的特点v依靠生物化学反应、能自我管理和自我修复；依靠生物化学反应、能自我管理和自我修复；v运算速度快；运算速度快；v元件密度高；元件密度高；v传递信息的速度快；传递信息的速度快；v可直接受人脑的指挥，为人脑的外延或扩充部分可直接受人脑的指挥，为人脑的外延或扩充部分; ;v能以从人体细胞吸收营养的方式来补充能量能以从人体细胞吸收营养的方式来补充能量v能自我发展并不断完普其智能中心，可以彻底实现现有能自我发展并不断完普其智能中心，可以彻底实现现有计算机所无法真正实现的模糊推理功能和神经网络运算计算机所无法真正实现的模糊推理功能和神经网络运算功能功能( (如思维、
10、推理、识别、理解等如思维、推理、识别、理解等). ).（弥补现代计算机（弥补现代计算机的不足。）的不足。）2.5 2.5 生物芯片生物芯片v 生物芯片生物芯片(biochip)是根据分子间特异性是根据分子间特异性相互作用的原理，将生命科学领域中不连相互作用的原理，将生命科学领域中不连续的分析过程利用微电子、微机械、化学续的分析过程利用微电子、微机械、化学、物理及计算机技术集成于芯片表面，构、物理及计算机技术集成于芯片表面，构建微流体生物化学分析系统，以实现对细建微流体生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、核酸及其它生物组分的准确胞、蛋白质、核酸及其它生物组分的准确、快速、大信息量的检侧和分析
11、，并实现、快速、大信息量的检侧和分析，并实现过程连续化、集成化、微型化。过程连续化、集成化、微型化。v生物芯片分基因芯片(gene chip) 、蛋白质芯片(protein chip)和芯片实验室(lab-on-a-chip)等；v最先实现商品化的产品是基因芯片。基因芯片(gene chip )，又称DNA阵列(DNAarray )，信息时代的主角计算机芯片有着非常相似的地方-高度的集成化；高度的集成化；v生物芯片可广泛应用于基因差异表达分析、DNA侧序、基因突变及多态性扫描、基因组DNA突变及染色体变异检侧、肿瘤与传染病的诊断、环保监测、药物筛选、食品监督、商品检验、司法鉴定及军事等方面。2
12、.62.6生物材料生物材料v 生物材料，也称仿生材料。生物材料，也称仿生材料。v是一门介于生物和材料之间的学科。是一门介于生物和材料之间的学科。v生物材料的研究主要包括生物材料的研究主要包括2个方面个方面:(1)生物医用材料，它主要用于诊断、治疗、修复人体生物医用材料，它主要用于诊断、治疗、修复人体器官或组织更换器官或组织更换;(2)仿生材料，天然生物材料的形成及其性能是由具有仿生材料，天然生物材料的形成及其性能是由具有定向生长能力的纳米微粒构成。生物材料分为生物定向生长能力的纳米微粒构成。生物材料分为生物聚合物材料、生物陶瓷材料、生物金属材料。聚合物材料、生物陶瓷材料、生物金属材料。生物材料
13、的表面改造技术生物材料的表面改造技术v植入材料与生物的相互作用仅在表面的几个原子层处，故表面改性技术应运而生。v表面改性技术是通过对金属材料的表面改性，从而达到改善材料性能的目的。v表面改性技术主要分为三大类:物理化学、形态学、生物化学方法。生化方法是将具有生物活性的物质，如大分子蛋白质或酶等有机高分子直接附着在金属基体，使其具有更优良的生物活性。生物材料发展至今，已经解决了诸多生物医学问题，如毒副作用、刺激性、组织粘结、凝血、溶血等，并且在人造血浆、人工脏器等。 2.72.7蛋白质组蛋白质组v蛋白质是体现生命体生理功能最重要的物蛋白质是体现生命体生理功能最重要的物质。蛋白质作为一种质。蛋白质
14、作为一种“表型表型”必定有其决必定有其决定它们的物质基础定它们的物质基础(基因基因)。v蛋白质组蛋白质组(proteome)是指一个基因组是指一个基因组(genome )、一种生物或一种细胞、一种生物或一种细胞/组织所组织所表达的全套蛋白质，也就是所能编码产生表达的全套蛋白质，也就是所能编码产生的所有类型的蛋白质。的所有类型的蛋白质。v蛋白质组学(proteomics)是分析一个基因组或一个细胞或组织类型所有蛋白的表达。v最近发展了几种计算机识别蛋白质功能的新方法，这些方法的依据是相同特征的蛋白质之间具有功能上的关联或直接作用，如系统发生模式、mRNA表达模式及结构域融合模式等。2.82.8天
15、然药物天然药物v天然药物是从植物、动物和微生物等天然资源中开发出来的药物。v在中国，天然药物又称为中草药，药用植物及中药材种类繁多，与中医一起构成了中华民族文化的瑰宝、国粹。v天然药物按照来源可分为动植物药物、生物技术药物及化学合成的天然药物。其中，生物工程药物是采用基因重组、生物转化、细胞或组织培养等技术研制的药物，又有基因工程药物、细胞工程药物、酶工程药物及微生物药物之分。 本学科为开发生物工程药物提供了一个崭新的技术。2.92.9干细胞干细胞v 干细胞(stem cell， SC)是一种具有多种分化潜能(多能性或全能性)、能自我更新和高度增殖能力的早期未分化细胞。它不仅能产生出与自己完全
16、相同的子细胞，同时还能分化成为祖细胞，也能在人体内分化成任何细胞类型。v干细胞分为类全能干细胞(胚胎干细胞，ES)、多能干细胞(成体干细胞)、造血干细胞(HSC)、神经干细胞、角膜缘干细胞等。干细胞的研究医学和生物学领域中最引人注目的热点之一，有可能是近几年诺贝尔奖的候选成果。干细胞的意义干细胞的意义v揭示许多有关细胞生长和发育的基础理论难题；v可望将其用于创伤修复、神经再生和抗衰老等临床医学研究，（干细胞美容）。v再造组织和器官，治疗神经系统疾病，使应用生物学进人一个崭新的领域。 从1970小鼠胚囊中分离出小鼠胚胎干细胞，到目前通过核移植技术获得第一例人胚胎干细胞，人们已经充分认识到:现在将是生命再生医学年代，而干细胞研究将在此领域内起到重大推动作用（器官移植源的获得）。2.10 2.10 脑科学脑科学v 脑是地球生命进化的尺度。v 脑或者它的任意一部分是一片有序的物质结构，具有与有序物质结构相关联的所有性质:温度、压力、化学电位、电场等;v 脑表现出新的性质，并且这些性质是不能在较低的组织水平上(如分子、细胞、突触等组织水平)观察到的。v 感知与识别、学习与记忆、运动与控制、语言与
