生物化學與分子生物學/分子生物學發展簡史

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生物化學與分子生物學

分子生物學緒論
- 分子生物學的基本含義
- 分子生物學的主要研究內容
- 分子生物學與其他學科的關系
- 分子生物學發展簡史

分子生物學的發展大致可分為三個階段。

（一）準備和醞釀階段

19世紀后期到20世紀50年代初，是現代分子生物學誕生的準備和醞釀階段。在這一階段產生了兩點對生命本質的認識上的重大突破。

確定了蛋白質是生命的主要物質基礎。

19世紀末Buchner兄弟證明酵母無細胞提取液能使糖發酵產生酒精，第一次提出酶（enzyme）的名稱，酶是生物催化劑。20世紀20-40年代提純和結晶了一些酶（包括尿素酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、共同酶、細胞色素C、肌動蛋白等），證明酶的本質是蛋白質。隨后陸續發現生命的許多基本現象（物質代謝、能量代謝、消化、呼吸、運動等）都與酶和蛋白質相聯系，可以用提純的酶或蛋白質在體外實驗中重復出來。在此期間對蛋白質結構的認識也有較大的進步。1902年EmilFisher證明蛋白質結構是多肽；40年代末，Sanger創立二硝基氟苯（DNFB）法、Edman發展異硫氰酸苯酯法分析肽鏈N端氨基酸；1953年Sanger和Thompson完成了第一個肽分子——胰島素A鏈和B鏈的氨基酸全序列分析。由于結晶X-線衍射分析技術的發展，1950年Pauling和Corey提出了α-角蛋白的α-螺旋結構模型。所以在這階段對蛋白質一級結構和空間結構都有了認識。

確定了生物遺傳的物質是DNA。

雖然1868年F.Miescher就發現了核素（nuclein），但是在此后的半個多世紀中并未引起重視。20世紀20-30年代已確認了自然界有DNA和RNA兩類核酸，并闡明了核苷酸的組成。由于當時對核苷酸和堿基的定量分析不夠精確，得出DNA中A、G、C、T含量是大致相等的結果，因而間長期認為DNA結構只有“四核苷酸”單位的重復，不具有多樣性，不能攜帶更多的信息，當時對攜帶遺傳信息的侯選分子更多的是考慮蛋白質。40年代以后的實驗事實使人們對核酸的功能和結構兩方面的認識都有了長足的進步。1944年O.T.Avery等證明了肺炎球菌轉化因子是DNA；1952年S.Furbery等的X-線衍射分析闡明了核苷酸并非平面的空間構像，提出了DNA是螺旋結構；1948-1953年Chargaff等用新的層析和電泳技術分析組成DNA的堿基和核苷酸量，積累了大量的數據，提出了DNA堿基組成A=T、G=C的Chargaff規則，為堿基酸對的DNA結構認識打下了基礎。

（二）現代分子生物學的建立和發展階段

這一階段是從50年代初到70年代初，以1953年Watson和Crick提出的DNA雙螺旋結構模型作為現代分子生物學誕生的里程碑開創了分子遺傳學基本理論建立和發展的黃金。DNA雙螺旋發現的最深刻意義在于：確立了核酸作為信息分子的結構基礎；提出堿基配對是核酸復制、遺傳信息傳遞的基本方式；從而最后確定了核酸是遺傳的物質基礎，為認識核酸與蛋白質的關系及其生命中的作用打下了最重要的基礎。在些期間的主要進展包括：

遺傳信息傳遞中心法則的建立。

在發現DNA雙螺旋結構同時，Watson和Crick就提出DNA復制的可能模型。其后在1956年A.Kornbery首先發現DNA聚合酶;1958年Meselson及Stahl同位素標記和超速離心分離實驗為DNA半保留模型提出了證明;1968年Okazaki(岡畸)提出DNA不連續復制模型；1972年證實了DNA復制開始需要RNA作為引物；70年代初獲得DNA拓撲異構酶，并對真核DNA聚合酶特性做了分析研究；這些都逐漸完善了對DNA復制機理的認識。

在研究DNA復制將遺傳信息傳給子代的同時，提出了RNA在遺傳信息傳到蛋白質過程中起著中介作用的假說。1958年Weiss及Hurwitz等發現依賴于DNA的RNA聚合酶；1961年Hall和Spiege-lman用RNA-DNA雜增色證明mRNA與DNA序列互補；逐步闡明了RNA轉錄合成的機理。

在此同時認識到蛋白質是接受RNA的遺傳信息而合成的。50年代初Zamecnik等在形態學和分離的亞細胞組分實驗中已發現微粒體（microsome）是細胞內蛋白質合成的部位；1957年Hoagland、Zamecnik及Stephenson等分離出tRNA并對它們在合成蛋白質中轉運氨基酸的功能提出了假設；1961年Brenner及Gross等觀察了在蛋白質合成過程中mRNA與核糖體的結合；1965年Holley首次測出了酵母丙氨酸tRNA的一級結構；特別是在60年代Nirenberg、Ochoa以及Khorana等幾組科學家的共同努力破譯了RNA上編碼合成蛋白質的遺傳密碼，隨后研究表明這套遺傳密碼在生物界具有通用性，從而認識了蛋白質翻譯合成的基本過程。

上述重要發現共同建立了以中心法則為基礎的分子遺傳學基本理論體系。1970年Temin和Baltimore又同時從雞肉瘤病毒顆粒中發現以RNA為模板合成DNA的反轉錄酶，又進一步補充和完善了遺傳信息傳遞的中心法則。

對蛋白質結構與功能的進一步認識。

1956-58年anfinsen和White根據對酶蛋白的變性和復性實驗，提出蛋白質的三維空間結構是由其氨基酸序列來確定的。1958年Ingram證明正常的血紅蛋白與鐮刀狀細胞溶血癥病人的血紅蛋白之間，亞基的肽鏈上僅有一個氨基酸殘基的差別，使人們對蛋白質一級結構影響功能有了深刻的印象。與此同時，對蛋白質研究的手段也有改進，1969年Weber開始應用SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳測定蛋白質分子量；60年代先后分析得血紅蛋白、核糖核酸酶A等一批蛋白質的一級結構；1973年氨基酸序列自動測定儀問世。中國科學家在1965年人工合成了牛胰島素；在1973年用1.8AX-線衍射分析法測定了牛胰島素的空間結構,為認識蛋白質的結構做出了重要貢獻。

（三）初步認識生命本質并開始改造生命的深入發展階段

70年代后，以基因工程技術的出現作為新的里程碑，標志著人類涂認識生命本質并能主動改造生命的新時期開始。其間的重大成就包括：

1 重組DNA技術的建立和發展

分子生物學理論和技術發展的積累使得基因工程技術的出現成為必然。1967-1970年R.Yuan和H.O.Smith等發現的限制性核酸內切酶為基因工程提供了有力的工具；1972年Bery等將SV-40病毒DNA與噬菌體P22DNA在體外重組成功，轉化大腸桿菌，使本來在真核功能中合成的蛋白質能在細菌中合成，打破了種屬界限；1977年Boyer等首先將人工合成的生長激素釋放抑制因子14肽的基因重組入質粒，成功地在大腸桿菌中合成得到這14肽；1978年Itakura（板倉）等使人生長激素191肽在大腸桿菌中表達成功；1979年國基因技術公司用人工合成的人胰島素基因重組轉入大腸桿菌中合成人胰島素。至今我國已有人干擾素、人白介素2、人集落刺激因子、重組人乙型肝炎病毒為疫苗、基因工程幼畜腹瀉疫苗等多種基因工程藥物和疫苗進入生產或臨床試用，世界上還有幾百種基因工程藥物及其它基因工程產品在研制中，成為當今農業和醫藥業發展的重要方向，將對醫學和工農業發展作出新貢獻。

轉基因動植物和基因剔除植物的成功是基因工程技術發展的結果。1982年Palmiter等將克隆的生長激素基因導入小鼠受精卵細胞核內，培育得到比原小鼠個體大幾倍的”巨鼠“，激起了人們創造優良品家畜的熱情。我國水生生物研究所將生長激素基因轉入魚受精卵，得到的轉基因魚的生長顯著加快、個體增大；轉基因豬也正在研制中。用轉基因動物還能獲取治療人類疾病的重要蛋白質，導入了凝血因子IX基因的轉基因綿羊分泌的乳汁中含有豐富的凝血因子IX，能有效地用于血友病的治療。在轉基因植物方面，1994年能比普通西紅柿保鮮時間更長的轉基因西紅柿投放市場。1996年轉基因玉米、轉基因大豆相繼投入商品生產，美國最早研制得到抗蟲棉花，我國科學家將自己發現的蛋白酶抑制劑基因轉入棉花獲得抗棉鈴蟲的棉花株。到1996年全世界已有25萬公頃土地種植轉基因植物。

基因診斷與基因治療是基因工程在醫學領域發展的一個重要方面。1991年國向一患先天性免疫缺陷病（遺傳性腺苷脫氨酶ADA基因缺陷）的女孩體內導入重組的ADA基因。獲得成功。我國也在1994年用導入人凝血因子IX基因的方法成功治療了乙型血友病的患者。在我國用作基因診斷的試劑盒已有近百種之多。基因診斷和基因治療正在發展之中。

這時期基因工程的迅速進步得益于許多分子生物學新技術的不斷涌現。包括：核酸的化學合成從手工發展到全自動合成。1975-1977年Sanger、Maxam和Gilbert先后發明了三種DNA序列的快速測定法；90年代全自動核酸序列測定儀的問世；1985年Cetus公司Mullis等發明的聚合酶鏈式反應（PCR）的特定核酸序列擴增技術，更以其高靈敏度和特異性被廣泛應用、對分子生物學的發展起到重大的推動作用。

2 基因組研究的發展

目前分子生物學已經從研究單個基因發展到研究生物整個基因組的結構與功能。1977年Sanger測定了ΦX174-DNA全部5375個核苷酸的序列；1978年fiers等測出SV-40DNA全部5224對堿基序列；80年代λ噬菌體DNA合部48502堿基對的序列全部測出；一些小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因組的全序列也陸續被測定；196提底許多科學家共同努力測出了大腸桿菌基因組DNA的全序列長4×106堿基對。測定整個生物基因組核酸的全序列無疑對理解這一生物的生命信息及其功能有極大的意義。1990年人類基因組計劃（HumanGenomeProjiect）開始實施，這是生命科學領域有史以來全球性最龐大的研究計劃，將在2005年時測定出人基因組全部DNA3×109堿基對的序列、確定人類約5-10萬個基因的一級結構，這將使人類能夠更好掌握自己的命運。

3 單克隆抗體及基因工程抗體的建立和發展

1975年Kohler和Milstein首次用B淋巴細胞雜交瘤技術制備出單克隆以來，人們利用這一細胞工程技術研制出多種單克隆抗體，為許多疾病的診斷和治療提供有有效的手段。80年代以后隨著基因工程抗體技術相繼出現的單域抗體、單鏈抗體、嵌合抗體、重構抗體、雙功能抗體等為廣泛和有效的應用單克隆抗體提供了廣闊的前景。

4 基因表達調控機理

分子遺傳學基本理論建立者Jacob和Monod最早提出的操縱元學說打開了人類認識基因表達調控的窗口，在分子遺傳學基本理論建立的60年代，人們主要認識原核生物基因表達調控的一些規律，70年代以后才逐漸認識了真核基因組結構和調控的復雜性。1977年最先發現猴SV40病毒和腺病毒中編碼蛋白質的基因序列是不連續的，這種基因內部的間隔區（內含子）在真核基因組中是普遍存在的，揭開了認識真核基因組結構和調控的序幕。1981年Cech等發現四膜蟲rRNA的自我剪接，從而發現核（ribozyme）。80-90年代，使人們逐步認識到真核基因的順式調控元件與反式轉錄因子、參與蛋白南間的分子識別與相互作用是基因表達調控根本所在。

5 細胞信號轉導機理研究成為新的前沿領域

細胞信號轉導機理的研究可以追述至50年代。Sutherland1957年發現cDNA、1965年提出第二信使學說，是人們認識受體介導和細胞信號轉導的第一個里程碑。1977年Ross等用重組實驗證實G蛋白的存在和功能，將G蛋白與腺苷酸環化酶的作用相聯系起來，深化了對G蛋白偶聯信號轉導途徑的認識。70年代中期以后，癌基因和抑癌基因的發現、蛋白酪氨酸激酶的發現及其結構與功能的深入研究、各種受體蛋白基歷的克隆和結構功能的探索等，使近10年來細胞信號轉導的研究更有了長足的進步。目前，對于某些細胞中的一些信號轉導途徑已經有了初步的認識，尤其是在免疫活性細胞對抗原的識別及其活化信號的傳遞途徑方面和細胞增殖控制方面等形成了一些基本的概念，當然要達到最終目標還需相當長時間的努力。

以上簡要介紹了分子生物學的發展過程，可以看到在近半個世紀中它是生命科學范圍發展最為迅速的一個前沿領域，推動著整個生命科學的發展。至今分子生物學仍在迅速發展中，新成果、新技術不斷涌現，這也從另一方面說明分子生物學發展還處在初級階段。分子生物學已建立的基本規律給人們認識生命的本質拽出了光明的前景，分子生物學的歷史還短，積累的資料還不夠，例如：在地球上千姿百態的生物攜帶龐大的生命信息，迄今人類所了解的只是極少的一部位，還未認識核酸、蛋白質組成生命的許多基本規律；又如即使到2005年我們已經獲得人類基因組DNa 3×109bp的全序列，確定了人的5-10萬個基因的一級結構，但是要徹底搞清楚這些基因產物的功能、調控、基因間的相互關系和協調，要理解80%以上不為蛋白質編碼的序列的作用等等，都還要經歷漫長的研究道路。可以說分子生物學的發展前景光輝燦爛，道路還會艱難曲折。