能产生排斥精细胞的抗体，使精子不能与卵子结合，从而达到避孕日的。美国陆军研究发 展和工程中心还从织网蜘蛛中分离出合成蜘蛛丝的基因，并利用该基因在实验室里生产 蜘蛛丝。他们将这一基因转移到细菌内，生产出一种可溶性丝蛋白，经浓缩后纺成一种强 度超过钢的特殊纤维。研究人员希望对该基因进行修饰，以生产出高性能纤维，从而用于 生产防弹背心，帽子降落伞绳索和其他高强度的轻型装备。 第三，重组DA技术还被用来进行基础研究。如果说，分子生物学研究的核心是遗 传信息的传递和控制，那么根据中心法则，我们要研究的就是从DNA到RNA,再到蛋白 质的全过程，也即基因的表达与调控。在这里，无论是对启动子的研究（包括调控元件或 称顺式作用元件)，还是对转录因子的克隆与分析，都离不开重组D八A技术的应用。 1.32基因表达调控研究 因为蛋白质分子参与并控制了细胞的一切代谢活动，而决定蛋白质结构和合成时序 的信息都由核酸（主要是脱氧核糖核酸）分子编码，表现为特定的核苷酸序列，所以基因 表达实质上就是遗传信息的转录和翻译。在个体生长发育过程中生物遗传信息的表达 按一定的时序发生变化（时序调节），并随着内外环境的变化而不断加以修正（环境调控）。 基因表达的调控主要发生在转录水平或翻译水平上。原核生物的基因组和染色体结构都 比真核生物简单，转录和翻译在同一时间和空间内发生，基因表达的调控主要发生在转录 水平。真核生物有细胞核结构，转录和翻译过程在时间和空间上都被分隔开，且在转录和 翻译后都有复杂的信息加工过程，其基因表达的调控可以发生在各种不同的水平上。基 因表达调控主要表现在信号传导研究，转录因子研究及RNA剪辑3个方面。信号传导是 指外部信号通过细胞膜上的受体蛋白传到细胞内部，并激发诸如离子通透性、细胞形状或 其他细胞功能方面的应答过程。当信号分子（配体）与相应的受体作用后，可以引发受体 分子的构型变化，使之形成专一性的离子通道，也可以激活受体分子的蛋白激酶或磷酸酯 酶活性，还可以通过受体分子指导合成cGMP、cAMP、肌醇三磷酸等第二信使分子。研究 认为，信号传导之所以能引起细胞功能的改变，主要是由于信号最后活化了某些蛋白质分 子，使之发生构型变化，从而直接作用于把位点，打开或关闭某些基因。 转录因子是能与基因5'端上游特定序列专一结合，从而保证目的基因以特定的强度 在特定的时间与空间表达的蛋白质分子。在对植物的某些性状进行遗传分析时发现，某 些基因的突变会影响其他基因的表达。例如，有20多个基因参与玉米花青素的生物合成， 但其中的C、【、或b基因发生突变后，该代谢途径中的结构酶基因全部被关闭。如果 Ap、Fz或Ubx等基因发生突变，果蝇的体节发育就会受影响，身体中的一部分就可能变 成相似于另一部分的结构，因此，它们是控制果蝇胚胎早期体节分化与发育的主要调节基 因，它们所编码的蛋白是调节与发育有关的结构基因表达的总开关。 真核基因在结构上的不连续性是近10年来生物学上的重大发现之一。当基因转录 成pre-mRNA后，除了在5'端加帽及3'端加多(A)〔poly(A)]之外，还要切去隔开各个 相邻编码区的内含子，使外显子（编码区）相连后成为成熟mRNA。研究发现，许多基因 13分子生物学主要研究内容 015
中的内含子并不是一次全部切去，而是在不同的细胞或不同的发有阶段选择性剪切其中 部分内含子，生成不同的mRNA及蛋白质分子。如降钙素基因、肌原蛋白基因和参与果 蝇体细胞分化的x基因等，都采用选择性剪切方式从而生成不同功能的蛋白质。由于 RNA的选择性剪切不牵涉到遗传信息的永久性改变，所以是真核基因表达调控中一种比 较灵活的方式。 在2008年，有科学家把人的第21号染色体转入实验小鼠细胞内，分析发现该染色体 上的基因在小鼠体内的表达模式完全模拟了人体内的模式，而不同于小鼠中与之相对应 的第16号染色体的表达模式。他们由此得出结论，基因表达完全取决于DNA序列，与细 胞核环境及表观遗传修饰无关。 13.3生物大分子的结构功能研究（结构分子生物学） 一个生物大分子，无论是核酸，蛋白质或多糖，在发挥生物学功能时，必须具备两个前 提。首先，它拥有特定的空间结构（三维结构）：其次，在它发挥生物学功能的过程中必定 存在着结构和构象的变化。结构分子生物学就是研究生物大分子特定的空间结构及结构 的运动变化与其生物学功能关系的科学。它包括结构的测定、结构运动变化规律的探索 及结构与功能相互关系的建立3个主要研究方向。目前，最常见的研究三维结构及其运 动规律的手段是X射线衍射的晶体学（又称蛋白质晶体学），其次是用二维或多维核磁共 振研究液相结构，也有人用电镜三维重组、电子衍射、中子衍射和各种频谱学方法研究生 物高分子的空间结构。 13.4基因组、功能基因组与生物信息学研究 人类基因组全序列的发表为确定基因对人类生长发育和疾病的预防治疗提供了一个 前所未有的大舞台。最新的数据表明，已有354个物种，包括脊椎动物30个，植物11个， 其他细菌、真菌及原生生物313个(htp:hww.ensembl.org,极大地丰富了人类的知识宝 库，加快了人类认识自然和改造自然的步伐。虽然完成某一生物的基因组计划就意味着 该物种所有遗传密码已经为人类所掌握，但测定基因组序列只是了解基因的第一步，因为 基因组计划不可能直接阑明基因的功能，更不能预测该基因所编码蛋白质的功能与活性， 所以，并不能指导人们充分准确地利用这些基因的产物。于是，科学家又在基因组计划的 基础上提出了“蛋白组计划”（又称“后基因组计划”或“功能基因组计划”），旨在快速、高 效、大规模鉴定基因的产物和功能。 巨大的基因组信息给科学家带来了前所未遇的挑战。以人细胞中所带有的29亿多 个碱基对为例，一个人即使每秒钟读10个碱基，每天工作24小时，一年干365天，也得花 10年时间才能把这些数据看一遍，更不用说数据分析了。依靠计算机快速高效运算并进 行统计分类和结构功能预测的生物信息学就是在这样的背景下诞生的。没有生物信息学 的知识，不借助于最先进的计算科学，人类就不可能最大限度地开发和运用基因组学所产 生的庞大数据。 016 第1章结论
1.4展望 从20世纪50年代初Watson和Cick提出DNA双螺旋模型至今，短短五六十年间， 生物学领域里的变化岂止“沧海桑田”所能形容。核苷酸序列测定技术的迅速进步，使人 类基因组29亿个碱基对全部被测定！30多年前，当人们第一次谈到这个巨大的项目时， 不免带有“谈虎色变”的感觉。X射线衍射及其他高分子研究技术的相继问世，使建立生 物大分子三维构象库的梦想成真，到目前已有数万套蛋白质构象人库；DNA重组技术的 应用使得基因克隆分析日益成为全世界数以万计生物科学工作者手中的“常规武器” 近来每年都有成千上万个新的基因序列被存人各类基因文库。 20世纪中期以来，生物学正在各个学科之间广泛渗透，相互促进，不断深入和发展， 既从宏观和微观最基本和最复杂等不同方向展开研究，也从分子水平，细胞水平，个体利 群体等不同层次深入探索各种生物学现象，逐步揭开生命的奥秘。生物学革命也为数学 物理学、化学、信息、材料与工程科学提出了许多新概念、新问题和新思路，促使这些学科 在理论和方法上得到发展。 生命世界的多样性和生命本质的一致性这个证的统一，已经为越来越多的人所接 受。尽管生命过程在不同生物中的表现形式可以是完全不同的，但生命活动的本质是高 度一致的，如核酸与蛋白质一级结构的对应关系，在整个生命世界都是一致的 除极少数生物体外，脱氧核糖核酸是地球上亿万生灵所共有的遗传密码。如果没有 这个统一性，人们就不可能把某一个基因从A生物转移到B生物体内，得到表达并发挥 相同的功能。从表面上看，动物和植物是两个完全不同的群体，它们以两种完全不同的方 式摄取能量。动物靠的是氧化磷酸化，在食物的氧化过程中合成“生命通货” —腺苷 三磷酸(ATP),而植物则通过光合作用，将光能转变成ATP,以供生命活动之需。其实，动、 植物细胞代谢活动的实质都是电子在一系列受体蛋白质之间传递，造成膜内外质子梯度 差，以合成ATP。生命活动的这种高度一致性，使分子生物学研究日益渗透到生物学的各 个领城，产生了全面的影响。 分子生物学、细胞生物学和神经生物学被认为是当代生物学研究的三大主题，分子生 物学的全面渗透推动了细胞生物学和神经生物学的发展。分子生物学研究技术的发展， 几乎完全改变了科学家对膜内外信号转导，离子通道的分子结构，功能特性及运转方式的 认识。在突触部位神经递质的合成、维持、释放及其作用的分子机制研究上，最近10年所 取得的进展远远超过了以往几十年的总和。 遗传学是受分子生物学发展影响最大的学科。孟德尔著名的皱皮豌豆和圆粒豌豆子 代分离实验以及由此得到的遗传规律，纷纷在近20年内得到分子水平上的解释。越来越 多的遗传学原理正在被分子水平的实验所证实或摈弃，许多遗传病已经得到控制或矫正， 许多经典遗传学无法解决的问题和无法破译的奥秘，也相继被攻克，分子遗传学已成为人 类了解、阐明和改造自然界的重要武器之一 14展望 017
分类和进化研究是生物学中最古老的领域，它们同样由于分子生物学的渗透而获得 了新生。过去研究分类和进化，主要依靠生物体的形态，并辅以生理特征，来探讨生物间 亲缘关系的远近。现在，反映不同生命活动中更为本质的核酸、蛋白质序列间的比较，已 被大量用于分类和进化的研究。由于核酸技术的进步，科学家已经可能从已灭绝的化石 里提取极为微量的DNA分子，并进行深人的研究，以此确证这些生物在进化树上的地位。 分子生物学还对发育生物学研究产生了巨大的影响。人们早就知道，个体生长发育 所需的全部信息都是储存在DNA序列中的，如果受精卵中的遗传信息不能按照一定的时 空顺序表达，个体发育规律就会被打乱，高度有序的生物世界就不复存在。大量分子水平 的实验证明，非编码RNA(包括miRNA和siRNA)在动植物个体发育过程中发挥了举足 轻重的作用。2006年，有科学家将四个转录调控因子基因导入小鼠胚胎成纤维细胞中， 成功获得了在表型、生长特性、基因表达和分化潜能等方面均与小鼠胚胎干细胞高度相似 的诱导性多能干细胞(induced pluripotent:stem cells,称为PS细胞)。预计这些领域的研 究将为发育生物学带来一场新的革命。 生命活动的一致性决定了21世纪的生物学将是真正的系统生物学(systems biology) 是生物学范围内所有学科在分子水平上的统一。以基因组学、转录组学、蛋白质组学以及 代谢组学等不同层次“组学"的最新成果为基础的系统生物学是研究生物系统中所有组 成成分（基因、mRNA,蛋白质等）的变化规律以及在特定遗传或环境条件下相互关系的学 科。由于分子生物学、，生物化学及生物物理学的影响，大量物理、化学工作者进入生物学 领域，既有力地推动了生命科学的发展，也极大地影响了这两个学科的发展。因此，分子 生物学不仅是目前自然科学中进展最迅速、最具活力和生气的领域，也是新世纪的带头学 科。愿有志于生命科学研究的莘莘学子及广大青年朋友们，早日掌握分子生物学的原理 和核心内容，为人类文明和社会进步做出新贡献！ 思考题 1.简述孟德尔，摩尔根和Wan等人对分子生物学发展的主要责献 2.写出DNA,RNA,mRNA和RNA的英文全名 3.试林“有其父必有其子”的生物学木质 4早期主要有些实验证实DNA是遗传物质？写出这些实验的主要步。 5.定义重组工 NA技术 6 说出分子生物学的主要研究内容。 7.你认为本世纪切叶分子生物学将在些领域取得进展 8.通过对本章的学习，科学家的哪些品质最使你受到感动？ 主要参考文献 1.Avery TO.MacLeod C M.MeCary M.Studies of the chemical naure of the inducing transformation of pneumococcal types.Exp Med.1944,79:137-15 O 第1章堵论
2.Crick FH.Bamett L.Brenner S.Gieneral nature of the genetic code for proteins Nature. 1227-123 3.Hershey A D.Chase M.Independent functions of viral protein and nucleic acid in growth of bacteriophage /Gen Physiol.1952.36:39-56 4.Mesekon M.Stahl F W.The replication of DNA in Escherichia coli.Proc Nat Acad Sci USA.1958.44 671=682 5.Watson I D.Crick F H.A structure for deoxyribose nucleic acid.Nature.1953.171:737-738. 6.Watson JD.Crick F H.Genetic implications of the structure of deoxyrbonucleic acid.Naure.93.171: 064-96 7.Wilkins MFH.StokesAR.Wihon HR.Molecular structure of deoxypentose nucleic acids Narure.1953 171:738-74 8.Gilbert W.The RNA world.Nature,1986.319:618. 9.Takahashi K.Yamanaka S.Induction of pluripotent stem cell from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors Cell.2006.126:663-676. 主要参考文献 019