现代分子生物学 自1996年以来

分子生物学（molecular biology）是在分子水平和整体水平上研究生命现象、生命本质、生命活动及其规律的一门学科，其研究对象是核酸和蛋白质等生物大分子，研究内容包括生物大分子的结构、功能及其在遗传信息和代谢信息传递中的作用和作用规律。

分子生物学是生物化学与其他学科相互交叉和相互渗透而形成的一门新兴学科。

分子生物学理论和技术的不断发展将为认识生命、造福人类带来新的机遇、开拓广阔前景。

分子生物学发展简史

分子生物学的诞生和发展大致分为三个阶段。

（一）准备和酝酿阶段

19世纪后期到20世纪50年代初是分子生物学诞生前的酝酿阶段。

这一阶段在认识生命本质方面有两个重大突破。

1.确定了蛋白质是生命现象的物质基础　1897年，Büchner（1907年诺贝尔化学奖获得者）与其兄发现酵母无细胞提取液能使蔗糖发酵生成乙醇，并提出酶是生物催化剂的论断，开启了现代生物化学之门。

1926年，Sumner提取并结晶了尿素酶，提出酶的化学本质是蛋白质。

到20世纪40年代，Northrop等科学家陆续提取并结晶了胰蛋白酶、胃蛋白酶等，证明酶的化学本质的确是蛋白质（Sumner、Northrop、Stanley因此获得1946年诺贝尔化学奖），酶蛋白和其他蛋白质都与物质代谢、能量代谢联系密切，与消化、呼吸、运动等生命现象密不可分。

在此期间，科学家对蛋白质一级结构的研究也有突破：1945年，Sanger（1958年、1980年诺贝尔化学奖获得者）建立了用于分析肽链N端氨基酸残基的二硝基氟苯法；1950年，Edman建立了应用异硫氰酸苯酯分析蛋白质一级结构的Edman降解法；1953年，Sanger完成了第一种蛋白质——胰岛素的序列分析。

此外，X射线衍射技术的发展促进了对蛋白质构象的研究，Pauling和Corey于1950年提出了α角蛋白构象的α螺旋模型，Perutz和Kendrew（1962年诺贝尔化学奖获得者）于1959年阐明了血红蛋白的四级结构。

2.确定了DNA是生命遗传的物质基础　1869年，Miescher最早分离到核素，但当时并未引起重视。

20世纪30年代，核酸的结构开始得到研究，但当时认为核酸的一级结构只是核苷酸单位的重复连接，不可能携带遗传信息，蛋白质可能是遗传信息的携带者。

1944年，Avery等通过肺炎链球菌转化实验证明DNA是细菌的遗传物质；1952年，Hershey（1969年诺贝尔生理学或医学奖获得者）和Chase通过大肠杆菌（又称大肠埃希菌）T2噬菌体感染实验进一步证明DNA也是DNA病毒的遗传物质。

1953年，Chargaff提出了关于DNA组成的Chargaff规则，为研究DNA结构奠定了基础。

（二）诞生和发展阶段

1953年，Watson和Crick（1962年诺贝尔生理学或医学奖获得者）提出了DNA的双螺旋结构模型，成为分子生物学诞生的里程碑，使分子生物学基本理论的发展进入了黄金时代。

他们进一步提出的碱基配对原则、DNA半保留复制特征和中心法则为研究核酸与蛋白质的关系及其意义奠定了基础。

在此期间的主要发展包括：

1.中心法则的建立　在提出DNA双螺旋结构模型的同时，Watson和Crick提出了DNA复制的可能机制；1955年，Kornberg（1959年诺贝尔生理学或医学奖获得者）发现了大肠杆菌DNA聚合酶；1956年，Crick提出了分子生物学的中心法则；1958年，Meselson和Stahl用同位素标记技术和密度梯度离心技术证明DNA是半保留复制的；1968年，Okazaki提出DNA是不连续复制的；1971～1976年，Wang先后发现了大肠杆菌Ⅰ型DNA拓扑异构酶和Ⅱ型DNA拓扑异构酶。

这些都丰富了对DNA复制机制的认识。

在阐明DNA通过复制传递遗传信息的同时，对遗传信息表达机制的研究也取得了进展，mRNA介导遗传信息表达的假说被Jacob和Brenner等提出并于1961年提取到mRNA。

1958年，Weiss和Hurwitz等发现了RNA聚合酶；1961年，Hall和Spiegelman通过RNA-DNA杂交分析证明了mRNA与DNA序列的互补性，RNA的合成机制得以阐明。

20世纪50年代，蛋白质合成机制的研究取得突破性进展，Zamecnik等通过实验证明核糖体是蛋白质的合成机器；1957年，Hoagland、Stephenson和Zamecnik等分离出tRNA，并对它们在蛋白质合成过程中转运氨基酸的作用提出了假设；1961年，Brenner和Gross等观察到在蛋白质合成过程中mRNA与核糖体结合；尤其令人鼓舞的是Holley、Khorana和Nirenberg（1968年诺贝尔生理学或医学奖获得者）等几组科学家于1966年破译了遗传密码，从而阐明了蛋白质合成的基本机制。

上述重大发现形成了以中心法则为基础的分子生物学理论体系。

1970年，Baltimore和Temin（1975年诺贝尔生理学或医学奖获得者）分别发现了逆转录酶，进一步补充和完善了中心法则。

2.对蛋白质结构和功能的进一步认识　1956～1958年，Anfinsen（1972年诺贝尔化学奖获得者）和White根据对酶蛋白变性和复性的实验研究，提出蛋白质的空间结构是由其氨基酸序列决定的；1956年，Ingram证明一种镰状血红蛋白（HbS）和正常血红蛋白（HbA）只是β亚基的一个氨基酸不同，使人们对蛋白质一级结构决定其功能的意义有了更深刻的认识；20世纪60年代，血红蛋白、RNase A（核糖核酸酶A）等蛋白质的一级结构相继被阐明；1965年，中国科学家合成牛胰岛素，并于1973年完成对其空间结构的分析，为阐明蛋白质的结构规律做出了重要贡献。

（三）深入发展阶段

20世纪70年代，基因工程技术（重组DNA技术）的建立成为新的里程碑，标志着新阶段的开始。

1.基因工程技术的建立　分子生物学理论和分子生物学技术的发展使基因工程技术的建立成为必然。

1968年，Meselson和Yuan在大肠杆菌中发现了限制性内切酶；1972年，Berg （1980年诺贝尔化学奖获得者）等将大肠杆菌、噬菌体、病毒的DNA进行重组，成功构建了打破种属界限的重组DNA分子；1977年，Boyer等在大肠杆菌中表达生长抑素；1978年，重组人胰岛素在大肠杆菌中被成功表达。

研发基因工程产品成为医药业和农业的一个发展方向。

转基因技术和基因靶向技术的建立是基因工程技术发展的结果。

Capecchi、Evans和Smithies（2007年诺贝尔生理学或医学奖获得者）在小鼠胚胎干细胞基因靶向技术方面做出了卓越贡献。

1982年，Palmiter等用大鼠生长激素基因转化小鼠受精卵，培育得到超级小鼠，激发了人们对培育优良品系家畜的热情。

，转基因植物的培育突飞猛进：转基因玉米和转基因大豆作为农作物已经规模种植；我国科学家也成功培育出抗棉铃虫的转基因棉花和抗除草剂的转基因水稻。

基因诊断和基因治疗是基因工程技术应用于医药领域的一个重要方面。

血红蛋白病等部分遗传病已经实现产前基因诊断。

腺苷脱氨酶缺乏症等部分单基因隐性遗传病的基因治疗已经获得成功。

2.基因组研究的开展　随着分子生物学的发展，生命科学已经从研究单个基因发展到研究基因组。

分析一种生物基因组核酸的全序列对揭示该生物的遗传信息及其功能具有重要意义。

1977年，Sanger分析了ΦX174噬菌体的基因组序列；1990年，人类基因组计划开始实施，并于2003年基本完成测序工作。

截至2014年2月14日，已经有12 889种生物的基因组完成测序。

目前，基因组研究已经进入后基因组时代。

3.基因表达调控机制的揭示　在20世纪60年代之前，人们主要认识了原核基因表达调控的一些基本规律。

1977年，猿猴空泡病毒40（SV40）和腺病毒基因编码序列不连续性的发现拉开了认识真核生物基因组结构和基因表达调控机制的序幕。

20世纪80～90年代，真核基因的调控元件和转录因子开始得到研究，人们认识到核酸与蛋白质的相互识别与相互作用是基因表达调控的根本所在。

4.信号转导机制研究的深入　对信号转导机制的研究可以追溯到20世纪50年代。

Sutherland（1971年诺贝尔生理学或医学奖获得者）于1957年发现cAMP和1965年提出第二信使学说是人们认识信号转导的一个里程碑。

1977年，Gilman（1994年诺贝尔生理学或医学奖获得者）等发现了G蛋白，深化了对G蛋白介导信号转导的认识。

之后，癌基因和抑癌基因的发现、酪氨酸激酶的发现及对其结构和功能的深入研究、各种受体蛋白基因的克隆及对受体蛋白结构和功能的揭示等，使信号转导机制的研究得到进一步发展。

综上所述，分子生物学是过去半个多世纪中生命科学领域发展最快的一个前沿学科，推动着整个生命科学的发展。

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