律性和相互关系的科学，是人类从分子水平上直正揭开生物世界的奥秘，由被动地适应白 然界转向主动地改造和重组自然界的基础学科。当人们意识到同一生物不同世代之间的 连续性是由生物体自身所携带的遗传物质所决定的，科学家为揭示这些遗传密码所进行 的努力就成为人类征服自然的一部分，而以生物大分子为研究对象的分子生物学就迅速 成为现代生物学领域里最具活力的科学。 从I847年Schleiden和Schwann提出“细胞学说"到今天，虽然不过短短一百多年时 间，我们对细胞的化学组成有了深刻的认识。孟德尔的遗传学规律使人们开始了解性状 遗传，而Morgan的基因学说侧进一步将“性状”与“基因”相偶联，成为现代遗传学的莫基 石。随着核酸化学研究的进展，Watson和Cck又提出了脱氧核糖核酸的双螺旋模型，为 充分揭示遗传信息的传递规律铺平了道路。在蛋白质化学方面，继Sumner在1936年证 实酶是蛋白质之后，Sanger利用纸电泳及层析技术于1953年首次阐明胰岛素的一级结构. 开创了蛋白质序列分析的先河。而Kendrew和Perutz利用X射线衍射技术解析了肌红 蛋白(myoglobin)及血红蛋白(hemoglobin)的三维结构，论证了这些蛋白质在输送分子氧 过程中的特殊作用，成为研究生物大分子空间立体构型的先驱。为了解分子生物学进程】 我们不妨来看一看以部分诺贝尔生理学或医学奖和化学奖作为纽带的分子生物学发展 简史。 1910年，德国科学家Ks因为蛋白质、细胞及细胞核化学的研究而获得诺贝尔生 理学或医学奖，他首先分离出腺嘌吟，胸腺密啶和组氨酸。 1959年，美籍西班牙裔科学家S.0cha发现了细菌的多核苷酸磷酸化酶，成功地合 成了核糖核酸，研究并重建了将基因内的遗传信息通过RNA中间体翻译成蛋白质的过 程。他和Kornberg分享了当年的诺贝尔生理学或医学奖，而后者的主要贡献在于实现了 DNA分子在细菌细胞和试管内的复制。 1962年，美国科学家Watson和英国科学家Cnck因为在1953年提出DNA的反向平 行双螺旋模型而与Wkis共享诺贝尔生理学或医学奖，后者通过对DNA分子的X射线 衍射研究证实了Watson和Cick的DNA模型。同年，英国科学家Kendrew和Perutz由于 测定了肌红蛋白及血红蛋白的高级结构而荣获诺贝尔化学奖。 1965年，法国科学家Jacob和Monod由于提出并证实了操纵子(operon)作为调节细 菌细胞代谢的分子机制而与1w分享了诺贝尔生理学或医学奖。除了著名的操纵子模 型以外，Jacb和Monod还首次提出存在一种与染色体脱氧核糖核酸序列相互补，能将编 码在染色体DNA上的遗传信息带到蛋白质合成场所（细胞质）并翻译产生蛋白质的信使 核糖核酸，即mRNA分子。他们的这一学说对分子生物学的发展起了极其重要的指导 作用 1968年，美国科学家Nirenberg由于在破译DNA遗传密码方面的贡献，与Holy和 Khorana等人分享了诺贝尔生理学或医学奖。Hoy的主要功绩在于阐明了酵母丙氨酸 RNA的核苷酸序列，并证实所有RNA具有结构上的相似性，而Khorana第一个合成了核 酸分子，并且人工复制了酵母基因。 010 第1章绪论
1975年，美国人Temin、Dulbeeeo和Baltimore由于发现在RNA肿病毒中存在以 RNA为模板，反转录生成DNA的反转录酵而共享诺贝尔生理学或医学奖。 198O年，Sanger因设计出一种测定DNA分子内核苷酸序列的方法，而与Gilbert和 Berg分获诺贝尔化学奖。Berg是研究DNA重组技术的元老，他最早(I972)获得了含有 编码哺乳动物激素基因的工程菌株。Sanger与Gilbert发明的DNA序列分析法至今仍被 广泛使用，成为分子生物学最重要的研究手段之一。此外，Sagr还由于测定了牛胰岛素 的一级结构而获得1958年诺贝尔化学奖。 1983年，美国遗传学家MeClintock由于在50年代提出并发现了可移动的遗传因子 (jumping gene,或称mobile element)而获得诺贝尔生理学或医学奖。 1984年，德国人Kohler美国人Milstein和丹麦科学家Jeme由于发展了单克隆抗体 技术，完善了极微量蛋白质的检测技术而分享了诺贝尔生理学或医学奖。 I989年，美国科学家Altman和Ceh由于发现某些RNA具有酶的功能（称为核酶） 而共享诺贝尔化学奖。Bishop和Varmus由于发现正常细胞同样带有原癌基因而分享当 年的诺贝尔生理学或医学奖。 1993年，美国科学家Roberts和ShaP由于在断裂基因方面的工作而荣获诺贝尔生理 学或医学奖，美国科学家Mullis由于发明PCR仪而与第一个设计基因定点突变的Smit山 共享诺贝尔化学奖。 1994年，美国科学家Gilman和Rodbell由于发现了G蛋白在细胞内信息传导中的作 用而分享诺贝尔生理学或医学奖。 199s年，美国人Lewis,德国人Nusslein-Volhard和美国人Wieschaus由于在40-70 年代先后独立鉴定了控制果蝇体节发育基因而分享诺贝尔生理学或医学奖。 I996年，澳大利亚科学家Doherty和瑞上人Zinkernage由于闹明了T-淋巴细胞的 免疫机制而分享了当年的诺贝尔生理学或医学奖。他们发现，白血细胞只有同时识别人 侵病原物和与之相伴的主要组织不相容抗原，才能准确识别受病原侵害的细胞并将其 清除掉。 1997年，美国科学家Prusiner由于发现阮病椒Prion)作为早老性痴呆症(CJD综合征) 等疾病的病原并能直接在宿主细胞中繁殖传播而获得诺贝尔生理学或医学奖。 1999年，美国科学家Blobel由于闲述了蛋白质在细胞间的运转机制，明确了信号肽 及信号识别复合物((signal-recognition particles,SRPS)在蛋白质跨膜运转过程中的主导作 用而获得诺贝尔生理学或医学奖。 20O6年，美国科学家Kornberg由于在揭示真核细胞转录机制方面的杰出贡献获得 诺贝尔化学奖。美国科学家Fire和Meln由于在揭示控制遗传信息流动的基本机制 RNA干扰方面的杰出贡献而获得诺贝尔生理学或医学奖。 2009年，澳籍美国科学家E.Blackbum由于揭示了端粒(telomere)和端粒酶(telomerase) 在保护染色体免遭降解方面的贡献，与她早期的博士生C.Greider以及J.Szostak共同获得 诺贝尔生理学或医学奖。这是第10届诺贝尔生理学或医学奖，也是诺贝尔科学奖史上 12分子生物学筒史 011
第一次有两个女科学家同时获奖。 2010年，英国科学家R.G.Edwards因为在试管婴儿和体外授精方面的杰出研究获得 诺贝尔生理学或医学奖。Ed小wads从20世纪50年代开始体外授精实验，长期得不到科学 界和奥论的支持，英国医学研究基金会曾完全停止资助该项目。获奖时，他已经完全瘫痪， 他的夫人在病床前“告诉"他这个迟来的褒奖。从1978年世界上第一例试管婴儿至今已 有超过400万“IVF babies'"诞生。 此外，Avery等人(1944)关于强致病性光滑型(S型)肺炎链球菌DNA导致无毒株 粗糙型(R型)细菌发生遗传转化的实验，Meselson和Stahl(1958)关于DNA半保留复 制的实验，Cick于1954年所提出的遗传信息传递规律1（即中心法则），Yanofsky 和Brener(I961)关于遗传密码三联子的设想都对分子生物学的发展起了重大作用 将被水远记入史册。图1-5罗列了从19世纪50年代到21世纪初现代分子生物学 和遗传学研究中最著名的历史事件，对这些事件的认知可能有助于读者掌握学科发 展方向。 我国生物科学家吴宪20世纪20年代初在协和医科大学生化系与汪除、张昌颖 等人一道完成了蛋白质变性理论、血液生化检测和免疫化学等一系列有重大影响的 研究，成为我国生物化学界的先驱。20世纪60年代，70年代和80年代，我国科学 家相继实现了人工全合成有生物学活性的结品牛胰岛素，解出了三方二锌猪胰岛素 的品体结构，采用有机合成与酶促相结合的方法完成了酵母丙氨酸转移核糖核酸的 人工全合成，在酶学研究，蛋白质结构及生物膜结构与功能等方面都有世所瞩目的 建树。 a (aCnck在1954 DNA转RNA泽蛋白质 生理功能 草图：b)20世纪 7和-0年代广为流 ( 转录 修正的中心法则”示 DNA RNA 翻译，蛋白质 →生理功能 意图 反 RNA和rRNA 转录 DNA →生理功能 012 第1章绪论
遗传学百年大事记 生物学和遗传学领 域从1850年代到 1850 65基因的物质 2!世纪初最苦名的 1871核酸的发现 190基使色体 1900 19基在牵色体上兰找性排列 理恋 191非同源染色体的交又互换学致幕组 1945是透传 1950 1951首个蛋白质测 子完成 96 民体 传 的发现 197完体中X174DNA序列测定 200人类基组序完成 1.3分子生物学主要研究内容 现代生物学研究发现，所有生物体中的有机大分子都是以碳原子为核心，并以共价键 的形式与氢、氧，氮及磷等以不同方式构成的。不仅如此，一切生物体中的各类有机大分 子都是由完全相同的单体，如蛋白质分子中的20种氨基酸、DNA及RNA中的8种碱基 所组合而成的，由此产生了分子生物学的3条基本原理： ()构成生物体各类有机大分子的单体在不同生物中都是相同的。 (2)生物体内一切有机大分子的构成都遵循共同的规则。 (3)某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子决定了它的属性。 图1-6比较了生物体内各种大分子、亚细胞结构及原核、真核细胞的大小，了解并熟 记它们的相对体积对于我们深入领会分子生物学所研究的生命过程有着不容忽视的作 用。如在B-DNA中每个碱基对中心距离为0.34nm,DNA双螺旋的直径为1.9nm,而 个相对分子质量为5.0×10的球状蛋白的直径则为5.0nm,仅相当于15-20个碱基对 核小体(nucleosome)由于外表面缠绕了146个戴基对，其相对分子质量则达到3.0×10， 直径为11nm。负责蛋白质合成的核糖体，其相对分子质量高达数百万，直径为20nm以 上。在一个体积为1一2m的细菌细胞内，多核糖体确实可以算是一个不小的工厂了。 现代分子生物学主要包括如下四个方面的研究： 1.3.1重组DNA技术（基因工程） 这是20世纪70年代初兴起的技术科学，目的是将不同的DNA片段（如某个基因或 基因的一部分)按照人们的设计定向连接起来，在特定的受体细胞中与载体同时复制并得 到表达，产生影响受体细胞的新的遗传性状。严格地说，重组DNA技术并不完全等于 13分子生物学主要研究内容 %
图16生牛物t界 丰要战分的长俊利 体积比较 88 ()生物界各种特征性 生物大分子，各种亚年 红细 蛋白质RNA聚合核 100u 10mm100m 光 人类肉限 (a) 细菌RNA聚合简 每个 减基对0.34n 相对分蛋010 人染色中 宽i (b) 基因工程，因为后者还包括其他可能使生物细胞基因组结构得到改造的体系。重组DNA 技术是核酸化学，蛋白质化学酶工程及微生物学，遗传学，细胞学长期深人研究的结晶 而限制性内切酶，D小A连接酶及其他工具酶的发现与应用则是这一技术得以建立的关键 重组DNA技术有着广阔的应用前景。首先，它可被用于大量生产某些在正常细胞代 谢中产量很低的多肽，如激素、抗生素、酶类及抗体等，提高产量，降低成本，使许多有价值 的多肽类物质得到广泛应用。由于发现了根癌农杆菌，发明了植物基因的轰击转化法，用 转基因模式大规模改良农作物的抗病抗逆，抗虫性，提高产量，改善品质或用传统农作物 产生特种资源已经成为世界农业发展的潮流。 其次，重组DNA技术可用于定向改造某些生物的基因组结构，使它们所具备的特殊 经济价值或功能得以成百上千倍地提高。如有一种含有分解各种石油成分的重组DNA 的超级细菌，能快速分解石油，可用来恢复被石油污染的海域或土壤。美国科学家应用该 技术构建了“工程沙门氏菌”，在研制避孕疫苗方面取得了重要进展。他们先去掉沙门氏 菌致病基因部分，再引入来自精子的某些遗传信息，将改造后的细菌送入雌鼠体内，发现 014 第1章绪论