医学分子生物学(第三版)

**章绪论 分子生物学是在分子水平上研究生命现象、生命活动及其规律的一门新兴学科。它以核酸和蛋白质等生物大分子的结构、功能及其在细胞信号转导中的作用为研究对象，与其他学科广泛交叉与渗透。由于分子生物学以其崭新的观点和技术对其他学科进行了全面渗透，推动了细胞生物学、遗传学、发育生物学、神经生物学等学科向分子水平的方向发展，使它们巳不再是原来的经典学科，而成为生命科学的前沿。尽管生命现象在数以百万计的不同种属生物中的表现形式多种多样和千姿百态，但生命活动的本质在不同生物中却是高度一致的。例如，绝大多数生物遗传的分子基础取决于DNA;除少数例外，遗传密码在整个生命世界中都是一致的。分子生物学开辟了研究各种不同种属生物的生命现象的*基本、*重要的途径。分子生物学的发展为人类认识生命现象带来了前所未有的机遇，也为人类利用和改造生物创造了极为广阔的前景。 **节 分子生物学的研究对象 一、分子生物学的定义 生命科学的发展经历了从生物的表型到基因型，从整体水平到细胞水平，再到分子水平的漫长过程。图1-1形象地描述了生命科学发展的历程，即经历了从整体水平、细胞水平到分子水平三个层次。细胞是生命机体构建的基本单位（病毒等生物体例外），活的细胞具有遗传、变异、生长、增殖、分化、衰老及凋亡等基本特征，这些生命的特征是一系列极其复杂但又井然有序的化学反应链，是细胞本身及其制造的生物大分子（核酸及蛋白质等）相互作用的结果。不同生命机体具有不同的遗传特征，遗传特征取决于特异基因。而所谓基因就是携带有遗传信息的DNA片段，遗传信息是指DNA片段中的核苷酸特异序列，它们编码蛋白质多肽链中氨基酸序列。人类每个细胞中的全部遗传信息均包含在24条（或23对）染色体及线粒体上，由30亿对核苷酸组成，总共编码2.5万～3万个不同的基因。但在不同细胞中，哪些基因表达、如何表达、表达量多少，又与基因本身及其旁侧DNA序列和蛋白质（DNA结合蛋白）有极为密切的关系。 分子生物学技术是由传统生物化学、生物物理学、细胞生物学、遗传学、应用微生物学及免疫学等各专业技术的渗透、综合而形成的，同时包含了数学、化学、物理学、计算机科学和信息学技术的广泛渗人，并在此基础上发明和创造了一系列新的技术，如DNA及RNA的印迹转移、核酸分子杂交、DNA克隆或重组DNA、基因体外扩增、DNA测序、基因编辑等，形成了独*的重组DNA技术及其相关技术。重组DNA技术和其他分子生物学技术的发明和应用，带动了整个生命科学的发展。重组DNA（recombinant DNA）技术是现代分子生物学技术的核心，又称为基因操作（gene manipulation）、分子克隆（molecular cloning）、基因克隆（gene cloning）或基因工程（gene engineering）等。这些名词彼此间存在某些微小的差别，在不同情况和不同条件下常常交换使用。这种技术的不同名词只不过是人们对“基因操作”的不同理解，但对基因操作或重组DNA有其明确的定义。一般将“基因操作”定义为：通过任何方法在细胞外构建的DNA分子（或片段）插入病毒、质粒或其他载体系统，形成遗传物质的重新组合，并使它们能够进入宿主细胞内；虽然它们在天然宿主中并不存在，但能在其中继续扩增。而“重组DNA技术”狭义上也具有“基因操作”相同的含义，但它涉及的范围更广泛，甚至用以泛指分子生物学中与DNA水平研究有关的技术。分子生物学技术还包括研究蛋白质一级结构、二级结构和三级结构与功能分析的技术。 1953年，沃森（Watson）和克里克（Crick）提出了DNA双螺旋结构模型，从此开创了现代分子生物学的新纪元。经典遗传学中的决定生物遗传性状的基本单位一基因，其化学本质就是一个DNA片段。DNA印迹转移、核酸分子杂交、基因重组、DNA体外扩增和序列分析等技术，使得对DNA分子进行体外操作和分析成为可能。特别是1985年K.Mullis发明的聚合酶链反应（PCR），可在体外将DNA大量扩增，并使DNA操作技术更为简便，所需样品更微量。过去难以诊治的遗传性疾病和某些常见病，以及各种生命现象（包括生命的起源和演化、生长和发育、遗传与变异、细胞增殖、分化、凋亡及自噬等）的机制有可能在分子基础（核酸与蛋白质）上进行研究。分子生物学已成为当代生命科学研究中的核心前沿和推动整个生命科学发展的重要基础。 二、分子生物学的研究内容 由于分子生物学涉及研究和认识生命的本质，它已广泛渗透到医学科学各个领域，成为现代医学的理论和研究基础。在医学各个学科中，包括生理学、微生物学、免疫学、病理学、药理学及临床各学科都与分子生物学有着广泛的交叉与渗透，在研究内容上也有着广泛的交叉，从而大大促进了医学的发展。 分子生物学主要研究生物大分子的结构、功能，以及生物大分子之间的相互作用及其与疾病发生、发展的关系。分子生物学的研究内容主要包括以下三个方面。 1.核酸分子生物学核酸分子生物学主要研究核酸的结构及其功能。核酸的主要作用是携带和传递遗传信息，因此形成了分子遗传学。20世纪50年代以来，分子遗传学已形成了比较完整的理论体系和研究技术，它是目前分子生物学中内容*丰富、研究*活跃的一个领域。研究内容包括基因和基因组的结构，遗传信息的复制、转录与翻译，核酸信息的储存、修复与突变，基因表达调控和基因工程技术的发展和应用等。遗传信息传递的中心法则是其理论体系的核心部分。 2.蛋白质分子生物学DNA分子中虽然储存了生命活动的各种信息，但生命活动的执行者则是蛋白质。蛋白质分子生物学主要研究蛋白质的结构与功能。尽管人类对蛋白质的研究比对核酸研究的历史要长得多，但由于其研究难度较大，与核酸分子生物学相比，蛋白质分子生物学发展仍较慢。近年来虽然在认识蛋白质的结构与功能关系方面取得了一些进展，但是对其基本规律的认识仍缺乏突破性进展。 3.细胞信号转导分子生物学细胞信号转导分子生物学主要研究细胞内、细胞间信息传递的分子基础。构成生物体的每一个细胞的分裂与分化及其他生物学功能，均依赖于外界环境所产生的各种信号。在这些外源信号的刺激下，细胞可以将这些信号通过第二信使转变成一系列生物化学变化。例如，蛋白质构象的转变、蛋白质分子的磷酸化、蛋白质与蛋白质之间及蛋白质与核酸之间的相互作用等，从而使细胞的增殖、分化及分泌状态等发生改变，以适应细胞内外环境的需要。信号转导研究的目的主要是阐明这些变化的分子机制，明确每一条信号转导途径及参与该途径的所有分子间的相互作用和调节方式，以及认识各种途径间的网络控制系统。信号转导机制的研究在理论和技术方面与核酸和蛋白质的功能研究有紧密的联系，是当前分子生物学中发展*迅速、*热门的领域之一。 第二节分子生物学发展简史 一、生物遗传物质的发现 早在1868年，F.Miescher就从脓细胞中分离出细胞核。他用稀碱抽提再加入酸，得到了一种含氮和磷特别丰富的物质，当时称其为核素（nuclein）。1872年，他又在鲑鱼精子细胞核中发现了大量的这类物质。由于这类物质都是从细胞核中提取出来的，而且又呈酸性，故称其为核酸（nucleic acid）。 早期实验证明，核酸是由嘌呤碱、嘧啶碱、戊糖和磷酸组成的高分子物质。同时还发现，胸腺及许多其他动物组织细胞的核酸中所含有的戊糖都是D-脱氧核糖，称这类核酸为“脱氧核糖核酸”（DNA）;而酵母及多种植物细胞中所含的戊糖都是D-核糖，称这类核酸为“核糖核酸”（RNA）。这些发现是核酸研究中的重要成果，但也给人们带来了一些错觉，以至长期以来，人们误认为DNA只存在于动物组织，而RNA只存在于植物组织，而且二者都只存在于细胞核。直到20世纪40年代，这些事实才被逐步澄清。 自核酸被发现以来的相当长一段时期内，对它的生物学功能几乎毫无所知。直到1944年，O.T.Avery等将S型肺炎双球菌（外面有一层多糖荚膜）中提取的DNA与R型肺炎双球菌（外面没有荚膜）一起温育，可使R型肺炎双球菌转化为S型肺炎双球菌，而且还能传代，表明肺炎双球菌的DNA与其转化和遗传有关。1952年，A.D.Hershey和M.Chase用35S和32P分别标记T2噬菌体的蛋白质和核酸，将其感染大肠杆菌。在大肠杆菌细胞内增殖的噬菌体中都只含32P而不含35S，这表明噬菌体的增殖直接取决于DNA而不是蛋白质。这些实验充分证明了DNA是遗传的物质基础。 在对DNA结构的研究上，1949～1952年，S.Furbery等应用X射线衍射分析阐明了核苷酸并非平面的空间构象，提出了DNA是螺旋形结构；1948～1953年，E.Chargaff等用新的层析和电泳技术分析了组成DNA的碱基和核苷酸量，积累了大量的数据，提出了DNA碱基组成含量比A=T、G=C的Chargaff规则，为碱基配对的DNA结构打下了基础。 二、现代分子生物学的建立 1950年W.T.Astbury在一次题为“Adventures in Molecular Biology”的讲演中首先使用了“分子生物学”这一术语，用以说明它研究的是生物大分子的化学和物理学结构。但现代分子生物学并不是从那时开始的，因为分子生物学创始的里程碑是在1953年J.D.Watson和F.H.Crick提出的“DNA双螺旋结构学说”以后。该学说启动了分子生物学及重组DNA技术的发展，开创了分子遗传学基本理论建立和发展的黄金时代。DNA双螺旋发现的*深刻意义在于：确立了核酸作为信息分子的结构基础；提出了碱基配对是核酸复制、遗传信息传递的基本方式，从而*终确定了核酸是遗传的物质基础，为认识核酸与蛋白质的关系及其在生命活动中的作用打下了*重要的基础。20世纪50年代至70年代为DNA和遗传信息的研究和认识阶段，其主要进展包括以下几个方面。 （1）1953年，Watson和Crick通过分析DNA的X射线衍射数据，提出DNA分子的双螺旋结构模型，并在Nature杂志上发表了一篇震动生物学界的论文“脱氧核糖核酸的结构”。根据这一模型，DNA的二级结构是由两条平行但方向相反的多核苷酸链组成，两条链由氢键相连，如同一架梯子。每一条多核苷酸链由脱氧核糖、磷酸和碱基组成。组成DNA的碱基有四种：腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）。在两条平行链上，A-T、G-C配对，DNA分子中嘌呤数与嘧啶数相等，即A=T、G=C。四种碱基可任意排列，形成无数种排列方式。数周后他们又发表了第二篇论文，对DNA复制过程作了更详尽的阐明。Watson和Crick的DNA双螺旋结构学说已普遍地被视为分子生物学发展的*主要里程碑，也是分子生物学及其技术的重要理论基础。 （2）在发现DNA双螺旋结构的同时，Watson和Crick还提出了DNA复制的可能模型。其后在1956年A.Kornbery首先发现了DNA聚合酶；1958年，M.Meselson及F.W.Stahl提出了DNA半保留复制模型；1968年，R.Okazaki（冈崎）等提出了DNA不连续复制模型；并于1972年证实了DNA复制开始时需要短RNA片段作为引物，在RNA引物基础上分段合成DNA片段，这个不连续的DNA片段被称为“冈崎片段”（Okazaki fragment）；20世纪70年代初科学家获得了DNA拓扑异构酶，并对真核DNA聚合酶特性做了分析研究。这些都逐渐完善了对DNA复制机制的认识。1958年，S.B.Weiss及J.Hurwitz等发现了依赖于DNA的RNA聚合酶；1961年B.D.Hall等用RNA-DNA杂交证明了mRNA与DNA序列互补。这些工作使RNA转录合成的机制得以逐步阐明。 （3）20世纪50年代初，P.C.Zamecnik等在形态学和亚细胞组分实验中发现微粒体（microsome）是细胞内蛋白质合成的部位；1957年，M.B.Hoaglan