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ⓘ 分子生物学




                                               

殘基

殘基 (英語: Residue )在化學中,是指化學大分子上的一個部位,例如甲基。而在生物化學與分子生物學裡,則是指一個聚合物中,如多糖、蛋白質或核酸上的某個特定單元。

                                               

轉化

轉化 可以指: 轉化 修辭,修辭的一種,主要是將抽象或無生命的事物以具體事例代替。. 轉化 生物,分子生物學技術,將外源DNA導入細胞。. 惡性轉化,指細胞經過一系列遺傳學變化獲得惡性增殖及轉移等能力,有時簡稱爲轉化。.

分子生物学
                                     

ⓘ 分子生物学

English version: Molecular biology

分子生物學 ( Molecular biology )廣義的定義是從分子的面向對生物現象的研究;狹義的定義是從基因結構和功能的分子層面研究。這是一門從遺傳學和生物化學衍生而來的學科。

分子生物學主要致力於開發對细胞中不同系统之間相互作用的研究技術,包括DNA,RNA,蛋白質和蛋白質生物合成之間的關係以及了解它們之間是如何被調控的。

                                     

1. 與其他" 分子尺度”生物科學的關系

分子生物學的研究者們不僅應用分子生物學特有的技術(參見本條目中" 技術”一節),而且越來越多地從遺傳學、生物化學和生物物理學的技術和思路中獲得啟迪,综合利用。因此,這些學科間越来越多地相互融合,不再有明確的分界線。

  • 遺傳學”主要研究生物体间遺傳差异的影响。这些影响常常可以通过研究正常遺傳组分(如基因)的缺失来推断,如研究缺少了一个或多个正常功能性遺傳组分的突变体与正常表现型(又称为" 野生型”)之间的关系。遺傳相互作用(如异位显性)经常会使像基因敲除这类研究的结果难以解释。
  • 分子生物學”则主要研究遺傳物質的复制、转录和翻译进程中的分子基础。分子生物學的中心法则认为" DNA轉錄mRNA,mRNA轉譯蛋白質,蛋白質反过来协助前两项流程,并协助DNA自我复制”;虽然这一描述对分子生物學所涵盖的内容过於简单化(特别是RNA的新功能仍在不断发现中),但仍不失为了解这一领域的很好的起点。
  • 生物化學”主要研究化學物質在生物体关键的生命进程中的作用。生物化學很大程度上专注於生物分子的角色,功能,和结构。生物过程背后的化學性質研究和生物活性分子的合成是生物化學的例子。

在分子生物學中大量工作是定量的,而且最近的许多研究工作是在结合生物信息學和计算生物學的基础之上完成的。从本世纪(二十一世纪)开始,研究基因结构和功能的分子遺傳学已经成为发展最快的领域之一。

越来越多的學科已经将目光集中到分子水平的研究中,一方面直接研究相关分子间相互作用,如细胞生物學和发育生物學;另一方面利用分子生物學技术来研究并推测群体和物种的历史贡献(非直接,遺傳水平),如进化生物學领域中的群体遺傳學和系统发生學。此外,生物物理學除了研究大尺度器官構造之外,一直都有从头研究生物分子的传统。

                                     

2. 分子生物學的技術

从1950年代晚期和1960年代早期开始,分子生物學家已经开始學习鉴定、提纯和处理细胞和生物体的分子组分。这些组分包括:DNA,遺傳信息的携带者;RNA,作为DNA的" 近亲”,既可以是DNA的临时" 工作拷贝”,又可以发挥结构分子和酶功能,同时还是蛋白質翻译的结构和功能元件;蛋白質,细胞中的主要的结构分子和酶分子。

                                     

2.1. 分子生物學的技術 克隆表达

分子生物學中最基本的技术是蛋白質的表达和纯化。首先是编码目的蛋白的DNA序列被克隆(用PCR技术和限制性内切酶)到作为表达载体的質粒中。随后构建好的質粒被引入到宿主细胞。编码序列在質粒上的特殊的启动子元件的驱动下,被宿主细胞的表达系统所表达。質粒上通常还带有抗生素抗性标签以便於質粒筛选。

質粒可以被插入到细菌或动物细胞。外源DNA被引入细菌被称为转化(transformation),可以通过电穿孔法、微注射法、正吸收和融合来实现;外源DNA被引入真核细胞,如动物细胞,被称为转染transfection,转染技术包括磷酸钙法、脂質体法和一些有专利权的商用转染试剂。DNA也可以以病毒或病原菌为载体被带入宿主细胞;应用这种病毒或病菌的转染技术於细胞时,用术语来说就是" 对细胞进行轉导(transduce)”。

                                     

2.2. 分子生物學的技術 多聚酶链式反应

多聚酶链式反应(PCR)是一项用於体外复制DNA的极为通用的技术。简而言之,PCR技术可以使单链DNA被复制数百万次,也允许用事先确定好的方式对被复制的DNA序列进行改动。例如,PCR技术可以用於引入限制性酶切位点,或者对特定的DNA碱基进行突变(改变)。PCR技术还可以用於从cDNA文库获得特定的DNA片段,或者从另一个角度,用於判断一个cDNA文库中是否含有特定的DNA片段。

                                     

2.3. 分子生物學的技術 凝膠電泳

凝膠電泳是分子生物學最主要的一项技术。其基本原理是:DNA、RNA和蛋白質可以用电场来进行分离。在瓊脂糖凝胶电泳中,DNA和RNA可以被瓊脂糖凝胶按其分子大小进行分离。同样,蛋白質可以被SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)按分子量大小分离;此外,蛋白質还可以由於所带电荷的不同被等电聚焦电泳分离。

                                     

2.4. 分子生物學的技術 南方墨點法

此方法的命名源自其发明者生物學家Edwin Southern。南方墨點法是探测一个DNA样品中含有特定DNA序列的方法。首先,DNA样品为凝膠電泳所分离;然后,分离的样品通过毛细现象被转移到一张膜上,这一过程被称为" 印迹”(blotting)。带有样品的膜就可以用与目标序列互补的标记的DNA标记探针来探测。最初的操作手册大都采用放射性标记,但现在非放射性标记已开始被采用。自从PCR技术被用於检测特定DNA序列后,Southern印迹法在实验室中的应用大为减少。但此方法依然有着其他一些应用,如用於测量转基因鼠的转基因拷贝数,以及用於构建基因敲除的胚胎干细胞系。

                                     

2.5. 分子生物學的技術 北方墨點法

北方墨點法被用於研究特定类别的RNA分子的表达模式(丰度和大小)。与南方墨點法相似,RNA样品为凝膠電泳按大小分离;然后转移到膜上,并用与目标序列互补的标记的探针来探测。实验结果可以根据所用探针的不同以多种方式来观察,但大多数都显示的是样品中被探测的RNA条带的相对位置,也就是分子大小;而条带的强度则与样品中目标RNA的含量相关。这一方法可以测量目标RNA在不同样品中的情况,因此已经被普遍用於研究特定基因在生物体中表达的时刻和表达量,也是这类研究中最基本的手段。

                                     

2.6. 分子生物學的技術 西方墨點法

大多数蛋白的抗体可以通过将少量的蛋白注入动物(如鼠、兔、羊)以获得对应注入蛋白的抗体(多克隆抗体)或进一步通过细胞培养获得抗体(单克隆抗体)。这些抗体就可为许多分析和制备技术所使用。在西方墨點法中,蛋白質首先根据分子大小用SDS-PAGE分离。然后将胶中的蛋白質转移到膜(如PDVF膜、尼龙膜或其他可用的膜)上。然后将膜用含有抗体的溶液浸泡,由於抗体可以特异性地结合到目标蛋白上,因此就可以探测膜中的目标蛋白。同样观察结果的方法有很多,包括显色产物、化學发光(chemiluminescence)或放射自显影。一些与西方墨點法相似的方法可以用於直接对细胞和组织中的特定蛋白質进行染色,然而这些被称为" 免疫染色”的方法更多的是应用於细胞生物學而非分子生物學。

此外,还有并不常用的" 東方墨點法”(对双向电泳后蛋白質分子的印迹分析)、" 西南方墨點法”(研究蛋白質和DNA相互作用)和" 遠端西方墨點法”(Far Western blotting,研究蛋白質-蛋白質相互作用)。

值得一提的是除了南方墨點法的命名是来自於发明者的姓名,其他墨點法的命名则都是源於发明者的幽默:因为南方(Southern)既是墨點法的发明者Edwin Southern的姓,同时其英文含义为" 南方”;於是随后发明不同印迹法的研究者们纷纷将这些方法以方位命名,如Northern(" 北方”),Western(" 西方”)印等等。

                                     

2.7. 分子生物學的技術 微阵列技术

DNA阵列是附着於固体支持物的斑点的集合,例如显微镜载玻片,其中每个斑点包含一个或多个单链DNA寡核苷酸片段。阵列使得在一个载玻片上能够放下大量的非常小的(100微米直径)的斑点。每个斑点具有一个DNA片段分子互补的单个DNA序列(类似於南方墨點法)。该技术的变化允许生物在发育的特定阶段的基因表現是合格的(表达谱)。在该技术中,组织中的RNA被分离并转化为标记的互補脫氧核醣核酸cDNA。 然后将该cDNA与阵列上的片段杂交,并且可以进行杂交的可视化。由於可以用完全相同的片段位置制备多个阵列,因此它们特别可用於比较两种不同组织(例如健康和癌性组织)的基因表达。此外,人们可以测量什么基因被表达和如何表达随时间或与其他因素的变化而变化。 例如,常见的面包酵母酿酒酵母含有约7000个基因; 使用微阵列,可以定量测量每种基因如何被表达,以及该表达如何变化,例如该表达如何随着温度的变化而变化。有许多不同的方法来制造微阵列; 最常见的是硅芯片,具有~100微米直径的斑点的显微镜载片,定制阵列和在多孔膜(宏阵列)上具有较大斑点的阵列。给定阵列上可以有从100个斑点到超过10.000个斑点。

微阵列也可以用除了DNA以外的分子来制作。如抗体微阵列可被用於检测血液样品中含有哪些蛋白質或细菌的存在。

                                     

2.8. 分子生物學的技術 過去的技術

随着新技术和新方法的不断出现,旧的技术很快就被抛弃。一个很典型的例子就是DNA分子大小的测量:在(瓊脂糖/聚丙烯酰胺)凝胶电泳出现之前,DNA分子大小是用蔗糖梯度沉降法来测量的,这一方法费时费力而且花费昂贵;而在梯度沉降法出现之前,黏度法被使用。尽管已经不再为人们所关注,但了解这些过时的技术可能会对解决一些特别的问题有帮助。

                                     

3. 历史

在1930年代,由於許多生物化學家發現細胞內的許多分子參與了各种複雜的化學反應,分子生物學由此逐步建立。但直到1938年" 分子生物學”一词才由瓦倫 韋弗(Warren Weaver)提出(也有人认为" 分子生物學”一词最早於1945年威廉 阿斯特伯里(William Astbury)首先在Harvey Lecture上应用的)。瓦倫是当时洛克斐勒基金會自然科學方面的主持人,他相信由於在X射线晶体學等方面的发展,生物學正在进入一个大的转变期,他也因此将基金会的资金用於资助生物领域的研究。

                                     
  • 1944年 苏联科学院院士 1953年 以及社会主义劳动英雄 1969年 他是俄罗斯科学院 分子生物学 研究所的创始人和首任主任 后更名为 分子生物学 恩格尔哈特研究所 以示纪念 恩格尔哈特被认为是苏联 分子生物学 的创始人之一 1984年7月10日 恩格尔哈特逝世于莫斯科 斯大林奖 1943年 苏联国家奖 1979年
  • 西德尼 奥尔特曼 英語 Sidney Altman 或译奥特曼 1939年3月7日 加拿大 分子生物学 家 现任耶鲁大学分子 细胞和发育生物学及化学斯特林教授 1989年 他和托马斯 切赫因为对RNA的催化作用的研究共同获得诺贝尔化学奖 Sidney Altman. nobelprize.org
  • 975年调往中国科学院生物物理研究所 1980年代起他曾先后前往美国匹兹堡大学晶体学系 日本大阪大学蛋白质研究所 匹兹堡大学生化与 分子生物学 系 乔治亚大学生化与 分子生物学 系等作访问学者 1993年出任生物大分子国家重点实验室副主任 1990年代起他主持测定了一批藻类光合作用捕光蛋白色素复合物的晶体结
  • 分子生物學 的中心法则 英語 The central dogma of molecular biology 又譯 分子生物學 的中心教條 首先由佛朗西斯 克里克於1958年提出 並於1970年在 自然 上的一篇文章中重申 中心法则經常遭到誤解 尤其與遺傳信息 由DNA到RNA到蛋白質 的標準流程相混淆
  • 大学理工学院 洛桑联邦理工学院的前身 的物理工程学专业 1969年 在日内瓦大学得到 分子生物学 文凭 开始接触电子显微镜领域 1973年 在日内瓦大学和巴塞尔大学完成博士论文 1978年 进入德国海德堡的欧洲 分子生物学 实验室 EMBL 开展研究工作 1987年起担任洛桑大学教授直至退休 雅克 杜博歇已婚 育有两名子女
  • 王恩多 1944年11月 中国生物化学与 分子生物学 家 中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所研究员 1944年生于重庆 1969年和1981年中国科学院上海生物化学研究所研究生毕业 1981年获硕士学位 2005年当选为中国科学院院士 2008年起担任全国人大代表
  • 艾瑞克 威斯喬斯 Eric F. Wieschaus 1947年6月8日 美国发育生物学家 1995年獲得諾貝爾生理學或醫學獎 出生于印第安纳南本德 圣母大学本科毕业 耶鲁大学博士 1978年开始在欧洲 分子生物学 实验室工作 1981年从海德堡搬到普林斯顿大学 主要研究果蝇胚胎发育
  • 施泰茨出生于美国威斯康星州的密尔沃基 1962年本科毕业于劳伦斯大学化学系 1966年获得哈佛大学 分子生物学 和生物化学博士学位 1967年 - 1970年在剑桥大学MRC 分子生物学 实验室作博士后 1976 - 1977年为哥廷根大学 梅西研究员 1984 - 1985年为加州理工学院 公平儿童学
  • 卡罗琳 维德尼 卡罗尔 格雷德 英語 Carolyn Widney Carol Greider 1961年4月15日 美国 分子生物学 家 现任约翰 霍普金斯大学 分子生物学 与遗传学系教授 她因为 发现端粒和端粒酶如何保护染色体 而与伊丽莎白 布莱克本和杰克 绍斯塔克一起获得2009年诺贝尔生理学或医学奖

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