分子生物学的建立和发展

分子生物学的建立和发展_从亚里士多德谈生

分子生物学的建立和发展

一个人的活动，如果不是被高尚的思想所鼓舞，那它是无益的、小的。

——车尔尼雪夫斯基

一、准备和酝酿阶段

19世纪后期到20世纪50年代初，是现代分子生物学诞生的准备和酝酿阶段。在这一阶段产生了两点对生命本质的认识上的重大突破：

1．确定了蛋白质是生命的主要基础物质。

大肠杆菌质粒的分子结构图

19世纪末布赫约兄弟证明酵母无细胞提取液能使糖发酵产生酒精，第一次提出酶的名称，酶是生物催化剂。20世纪20～40年代提纯和结晶了一些酶，证明酶的本质是蛋白质。随后陆续发现生命的许多基本现象都与酶和蛋白质相联系，可以用提纯的酶或蛋白质在体外实验中重复出来。在此期间对蛋白质结构的认识也有较大的进步。1902年埃米尔·菲舍尔证明蛋白质结构是多肽；20世纪40年代末，桑格创立二硝基氟苯法；1953年桑格和斯姆波逊完成了第一个多肽分子——胰岛素A链和B链的氨基全序列分析。由于结晶X－线衍射分析技术的发展，1950年鲍林提出了α－角蛋白的α－螺旋结构模型。所以在这阶段对蛋白质一级结构和空间结构都有了认识。

2．确定了生物遗传的物质基础是DNA。

用水稻的雄性不育系育种

虽然1868年米歇尔就发现了核素，但是在此后的半个多世纪中并未引起重视。20世纪20～30年代已确认自然界有DNA和RNA两类核酸，并阐明了核苷酸的组成。由于当时对核苷酸和碱基的定量分析不够精确，得出DNA中A、G、C、T含量是大致相等的结果，因而曾长期认为DNA结构只是“四核苷酸”单位的重复，不具有多样性，不能携带更多的信息，当时对携带遗传信息的候选分子更多的是考虑蛋白质。20世纪40年代以后实验的事实使人们对核酸的功能和结构两方面的认识都有了长足的进步。1944年艾弗里等证明了肺炎球菌转化因子是DNA；1952年赫尔希和蔡斯用DNA35S和32P分别标记T2噬菌体的蛋白质和核酸，感染大肠杆菌的实验进一步证明了是遗传物质。在对DNA结构的研究上，1949～1952年菲布瑞等的X－线衍射分析阐明了核苷酸并非平面的空间构像，提出了DNA是螺旋结构；1948～1953年查哥夫等用新的分析和电泳技术分析组成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A＝T、G＝C的查哥夫规则，为碱基配对的DNA结构认识打下了基础。

二、现代分子生物学的建立和发展阶段

花斑紫茉莉这一阶段是从20世纪50年代初到70年代初，以1953年沃森和克里克提出的DNA双螺旋结构模型作为现代分子生物学诞生的里程碑开创了分子遗传学基本理论建立和发展的黄金时代。DNA双螺旋发现的最深刻意义在于：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；从而最后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中的作用打下了最重要的基础。在此期间的主要进展包括：

花斑紫茉莉

1．遗传信息传递中心法则的建立。

在发现DNA双螺旋结构同时，沃森和克里克就提出DNA复制的可能模型。其后在1956年科恩贝戈首先发现DNA聚合酶；1958年麦塞尔逊及斯塔勒用同位素标记和超速离心分离实验为DNA半保留模型提出了证明；1968年冈畸提出DNA不连续复制模型；1972年证实了DNA复制开始需要RNA作为引物；70年代初获得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复制机理的认识。

H根瘤的形成

在研究DNA复制将遗传信息传给子代的同时，提出了RNA在遗传信息传到蛋白质过程中起着中介作用的假说。1958年韦斯及休韦兹等发现依赖于DNA的RNA聚合酶；1961年霍尔和斯皮基门用RNA和DNA杂交证明mRNA与DNA序列互补，逐步阐明了RNA转录合成的机理。

在此同时认识到蛋白质是接受RNA的遗传信息而合成的。20世纪50年代初让姆尼克等在形态学和分离的亚细胞组分实验中已发现微粒体是细胞内蛋白质合成的部位；1957年霍基德、让姆尼克及斯弗逊等分离出tRNA并对它们在合成蛋白质中转运氨基酸的功能提出了假设；1961年布赫纳及尼伦伯格等观察了在蛋白质合成过程中mRNA与核糖体的结合；1965年霍利首次测出了酵母丙氨酸tRNA的一级结构；特别是在60年代尼伦伯格、克霍以及霍拉纳等几组科学家的共同努力破译了RNA上编码合成蛋白质的遗传密码，随后研究表明这套遗传密码在生物界具有通用性，从而认识了蛋白质翻译合成的基本过程。

上述重要发现共同建立了以中心法则为基础的分子遗传学基本理论体系。1970年特米和拜狄摩尔又同时从鸡肉瘤病毒颗粒中发现以RNA为模板合成DNA的反转录酶，又进一步补充和完善了遗传信息传递的中心法则。

2．对蛋白质结构与功能的进一步认识。1956、1958年安夫森和怀特根据对酶蛋白的变性和复性实验，提出蛋白质的三维空间结构是由其氨基酸序列来确定的。1958年易基姆证明正常的血红蛋白与镰刀状细胞溶血症病人的血红蛋白之间，亚基的肽链上仅有一个氨基酸残基的差别，使人们对蛋白质一级结构影响功能有了深刻的印象。与此同时，对蛋白质研究的手段也有改进，1969年韦伯开始应用SDS－聚丙烯酰胺凝胶电泳测定蛋白质分子量；20世纪60年代先后分析得血红蛋白、核糖核酸酶A等一批蛋白质的一级结构；1973年氨基酸序列自动测定仪问世。中国科学家在1965年人工合成了牛胰岛素；在1973年用1．8AX－线衍射分析法测定了牛胰岛素的空间结构，为认识蛋白质的结构做出了重要贡献。

三、初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段

20世纪70年代后，以基因工程技术的出现作为新的里程碑，标志着人类深入认识生命本质并能够改造生命的新时期开始。其间的重大成就包括：

1．重组DNA技术的建立和发展。

氮循环示意图

分子生物学理论和技术发展的积累使得基因工程技术的出现成为必然。1967～1970年史密斯发现的限制性核酸内切酶为基因工程提供了有力的工具；1972年贝格等将SV－40病毒DNA与噬菌体P22DNA在体外重组成功，转化大肠杆菌，使本来在真核细胞中合成的蛋白质能在细菌中合成，打破了种属界限；1977年波耳等首先将人工合成的生长激素释放抑制因子14肽的基因重组入质粒，成功地在大肠杆菌中合成得到这14肽；1978年伊塔库那等使人生长激素191肽在大肠杆菌中表达成功；1979年美国基因技术公司用人工合成的人胰岛素基因重组转入大肠杆菌中合成人胰岛素。至今我国已有人干扰素、人白介素二、人集落刺激因子、重组人乙型肝炎疫苗、基因工程幼畜腹泻疫苗等多种基因工程药物和疫苗进入生产或临床试用，世界上还有几百种基因工程药物及其他基因工程产品在研制中，成为当今农业和医药业发展的重要方向，将对医学和工农业发展作出新贡献。

钠的来源和去路

钠的来源和去路基因诊断与基因治疗是基因工程在医学领域发展的一个重要方面。1991年美国向一患先天性免疫缺陷病的女孩体内导入重组的ADA基因，获得成功。我国也在1994年用导入人凝血因子Ⅸ基因的方法成功治疗了乙型血友病的患者。在我国用作基因诊断的试剂盒已有近百种之多。基因诊断和基因治疗正在发展之中。

这时期基因工程的迅速进步得益于许多分子生物学新技术的不断涌现。包括：核酸的化学合成从手工发展到全自动合成，1975～1977年桑格、伯格和吉尔伯特先后发明了三种DNA序列的快速测定法；20世纪90年代全自动核酸序列测定仪的问世；1985年Cetus公司姆林斯等发明的聚合酶链式反应的特定核酸序列扩增技术，更以其高灵敏度和特异性被广泛应用，对分子生物学的发展起到了重大的推动作用。

2．基因组研究的发展。

肾小管和集合管

肾小管和集合管目前分子生物学已经从研究单个基因发展到研究生物整个基因组的结构与功能。1977年桑格测定了ΦX174－DNA全部5375个核苷酸的序列；1978年费尔等测出SV－40DNA全部5224对碱基序列；20世纪80年代λ噬菌体DNA全部48，502碱基对的序列全部测出；一些小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因组的全序列也陆续被测定；1996年底许多科学家共同努力测出了大肠杆菌基因组DNA的全序列长4x106碱基对。测定一个生物基因组核酸的全序列无疑对理解这一生物的生命信息及其功能有极大的意义。1990年人类基因组计划开始实施，这是生命科学领域有史以来全球性最庞大的研究计划，将在2005年时测定出人基因组全部DNA3x109碱基对的序列、确定人类约5～10万个基因的一级结构，这将使人类能够更好掌握自己的命运。人体体温的昼夜变动

3．单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展。

人体体温的昼夜变动

自1975年首次用B淋巴细胞杂交瘤技术制备出单克隆抗体以来，人们利用这一细胞工程技术研制出多种单克隆抗体，为许多疾病的诊断和治疗提供了有效的手段。80年代以后随着基因工程抗体技术而相继出现的单域抗体、单链抗体、嵌合抗体、重构抗体、双功能抗体等为广泛和有效的应用单克隆抗体提供了广阔的前景。

4．基因表达调控机理。

分子遗传学基本理论建立者雅各布和莫诺最早提出的操纵元学说打开了人类认识基因表达调控的窗口，在分子遗传学基本理论建立的20世纪60年代，人们主要认识了原核生物基因表达调控的一些规律，70年代以后才逐渐认识了真核基因组结构和调控的复杂性。1977年最先发现猴SV40病毒和腺病毒中编码蛋白质的基因序列是不连续的，这种基因内部的间隔区在真核基因组中是普遍存在的，揭开了认识真核基因组结构和调控的序幕。1981年发现四膜虫rRNA的自我剪接，从而发现核酶。20世纪80～90年代，使人们逐步认识到真核基因的顺式调控元件与反式转录因子、核酸与蛋白质间的分子识别与相互作用是基因表达调控根本所在。

5．细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域。

细胞信号转导机理的研究可以追述至20世纪50年代。1957年发现cAMP、1965年提出第二信使学说，是人们认识受体介导的细胞信号转导的第一个里程碑。1977年用重组实验证实G蛋白的存在和功能，将G蛋白与腺苷环化酶的作用相联系起来，深化了对G蛋白偶联信号转导途径的认识。70年代中期以后，癌基因和抑癌基因的发现、蛋白酪氨酸激酶的发现及其结构与功能的深入研究、各种受体蛋白基因的克隆和结构功能的探索等，使30年来细胞信号转导的研究更有了长足的进步。目前，对于某些细胞中的一些信号转导途径已经有了初步的认识，尤其是在免疫活性细胞对抗原的识别及其活化信号的传递途径方面和细胞增殖控制方面等都形成了一些基本的概念，当然要达到最终目标还需相当长时间的努力。

地球上最后一株雄性苏铁，移植在英国皇家植物园内

以上简要介绍了分子生物学的发展过程，可以看到在近半个世纪中它是生命科学范围发展最为迅速的一个前沿领域，推动着整个生命科学的发展。至今分子生物学仍在迅速发展中，新成果、新技术不断涌现，这也从另一方面说明分子生物学发展还处在初级阶段。分子生物学已建立的基本规律给人们认识生命的本质指出了光明的前景，但分子生物学的历史还短，积累的资料还不够，例如：在地球上千姿万态的生物携带庞大的生命信息，迄今人类所了解的只是极少的一部分，还未认识核酸、蛋白质组成生命的许多基本规律；又如即使到2005年我们已经获得人类基因组DNA3x109bp的全序列，确定了人的5～10万个基因的一级结构，但是要彻底搞清楚这些基因产物的功能、调控、基因间的相互关系和协调，要理解80%以上不为蛋白质编码的序列的作用等等，都还要经历漫长的研究道路。可以说分子生物学的发展前景光辉灿烂，道路还会艰难曲折。

四、分子生物学发展（20世纪90年代）

1990年

1．斯坦福大学发布了他们的第100个重组DNA专利的许可证。在1991财务年度以前，两个学校已经从该专利挣得4000万美元。

2．干扰素微克－1b被批准用于慢性的肉芽肿病的治疗。

3．腺嘌呤核苷脱氨基酶被批准用于严重免疫缺陷并发症的治疗。

4．Calgene公司成功完成了第一个以基因水平设计的棉花作物野外种植试验，该植物被设计成可抵抗除草剂溴苯晴。

5．美国食品和药物管理局准许Chiron公司进行C型肝炎抗体试验，以帮助确保血库产品的纯净。

6．植物基因表达中心的分子生物学家迈克尔报道：高速基因枪可使玉米稳定变换。

7．伯克利流行病学家玛丽克莱尔全报道：患有乳癌的家族在45岁前，与乳癌相关的基因有很高的发病率。

8．GenPharmInternational公司制培养出第一头转基因奶牛，该种奶牛为婴儿提供具有人奶蛋白质的牛奶。

9．第一次基因治疗发生在一名患有免疫系统紊乱疾病的4岁女孩身上，治疗显示出效果，但是引起了学术界和媒体对伦理道德规范的激烈讨论。

10．人类基因组工程绘制全部基因的表达谱，在国际上全面开始，预计成本为130亿美元。1990年正式开始人类基因组工程。

11．迈克尔克赖顿的出版物《新侏罗纪公园》中，通过生物工程制造的恐龙漫步在主题公园里，但实验出现了错误，造成致命的结果。

1991年

碳循环

1．著名的参考作品“人类孟德尔遗传法则”可在计算机网络上即时获得，目录中列出被认为很好的验证了孟德尔遗传法则的5600条基因。

2．加利弗尼亚大学贝克来分校的玛丽克莱尔全分析易患基因家族的女性的染色体，发现17号染色体上的基因引起乳癌遗传，而且增加患乳房癌的危险。

1992年

1．美国陆军开始收集新兵的血和组织样品，作为“基因身份标志”的一部分，目的是更好的辨别在战斗中被杀士兵的身份。

2．美国和英国的科学家公开了在试管婴儿中找出遗传性变异的技术，如包囊性纤维症和血友病。

1993年

1．卡瑞·缪勒因发明聚合酶连锁反应的技术而获诺贝尔化学奖。

2．在近20年中，Chiron公司的“干扰素－1b”第一次被批准用于治疗多硬化症。

3．美国食品和药物管理局声称以基因水平设计的食物“并非天生危险”，因此不需要特别的规则加以限制。

4．在合并2个较小的贸易联盟的基础上建立了生物技术产业组织。

5．乔治·华盛顿大学研究人员克隆出人类胚胎，并且在培养皿中生存了几天。

6．生物工程激起种族学家、政治家和批评家引起的抗议。

7．巴黎人类研究中心由丹尼尔科恩领导的一个研究小组完成人类全部23对染色体的粗略图谱。

8．Genentech公司花费1000万美元在全国范围内开展名为“通向卓越之门”的通信网络计划，该计划的目的是促使高中的生物老师成为与专家同样优秀的人才。

生态演替

1994年

1．第一个基因工程食品——FlavrSavr西红柿得到了食品和药物管理局的批准。

2．Genentech公司被批准用于成长激素缺乏症的治疗。

3．第一个乳癌基因被发现。

4．BRCA1基因，早前被认为只存在于稀有家族形式的乳癌中，现在看来在许多非遗传性乳癌中也扮演重要角色。

5．大批人类基因被识别，并且他们的功能也被确定。这些基因包括：A．Ob，易肥胖基因，B．BCR，乳癌易感基因，C．BCL－2，与凋亡相关的基因“刺猬”基因，D．Vpr－控制艾滋病病毒繁殖的基因。

6．基因疾病种类的相关研究：两极紊乱，天然白内障，黑素瘤，听力损失，诵读困难，甲状腺癌，幼儿突然死亡综合症，前列腺癌和侏儒症。

7．遗传研究人员成功地将CFTR移植到老鼠的肠内。这将是治疗包囊性纤维症的重要一步。研究人员宣称通过脂质体的方法将CFTR移植到人体内，并取得初步成功。

8．基因工程设计的人类DNA酶被批准使用，该酶可打破肺无载体病人肺中的蛋白质堆积物。它是近30年来第一个治疗包囊性纤维症的药物。

9．另一组研究人员报道：第一次成功使用反义寡聚核苷酸完成系统选择性抑制基因的表达。

10．美国食品和药物管理局和欧洲联盟体允许Centocor＇sReoPro在美国及欧洲市场交易，CPMP用于患有极危险的球状血管成行术。

11．GenzymeCeredaseCerezyme被批准用于I型不对称疾病。

12．虽然粗糙，但人类第一个完整的基因组相关图谱出版。

13．本年在谁拥有基因组问题上的争论大大增加。

14．科学家和研究公司设计出进入拥有35，000条详细人类基因数据库，并分享数据库信息的方法。

15．在得克萨斯大学的研究人员报导了端粒酶导致人类细胞不可抑制的增长。这一发现可产生很多新的诊断、治疗应用。

16．重组体GM－CSF被批准用于化学诱导嗜中型白血球减少症。

1995年

1．欧洲一个研究小组识别出一种基因失误是导致耳聋的原因。

2．公爵大学医疗中心的研究人员将转基因猪的心脏移植到狒狒身上，证明物种的交叉手术是可行的。随后，第一次成功将狒狒的骨髓移植到一名艾滋病人身上。

进化树

3．第一个活体器官中的流感嗜血杆菌完成测序，而不再只是对病毒的测序。

4．PCR和DNA采指纹技术证明足球选手辛普森在双重谋杀案中无罪，但该结果不具说服力。

5．主流宗教又一次新的结合，着手推翻现行的法律，允许取得专利的基因可用于医学和研究应用。该组织也包括颇具争议和坦率直言的生物技术产业批评家杰里米。

6．疾病控制和预防中心的研究者确认了埃博拉病毒在扎伊尔出血性发热爆发后出现。

7．研究人员称迄今仍未能认为RNA是生命起源的中心分子。

8．动物实验显示，最近识别的肥胖基因蛋白产物Leptin可能是造成体重降低的原因。

DNA螺旋结构

9．一种新的基因表达谱技术，STS基因表达谱，将大大加快国际人类基因组计划。

10．一个单一的基因已经被识别，该基因可能控制所有动物眼睛的成长和发展。

11．携带人类阿尔兹莫病的转基因鼠被开发。

12．基因疗法，基因调节免疫系统和基因工程抗体已进入抗癌的临床应用。

1996年

1．英国政府声称已经有10人因吃牛肉而感染牛海绵状脑病。

2．生命素重组干扰素药物Avonex被批准用于多硬化症的治疗。

3．科学家联合报导：已测序完成一个合成器官、啤酒酵母、面包酵母及其他的测序。该工作完成了最大的染色体组的完整测序，测序大于1200万对碱基的DNA。

4．在南极大陆发现约1500万年以前来自火星的meteorite，经过科学家分析找到火星上存在生命的可能性的

红藻

5．对海底活火山口深处不适宜生存的气温下发现的太古代有机体进行测序，大大提高我们对地球上生命进化的了解。这些微生物即不是真核生物，也不是原核生物。

6．研究人员发现T－细胞免疫系统的临界三维空间结构。

7．一种便宜的诊断性生物体传感器可用于检验菌株为E0157：H7的大肠杆菌。

8．帕金森病相关基因的发现提供了一种新的方法去研究神经衰弱疾病的起因和可能的治疗方法。

9．调查显示公众对人类基因组和基因疗法的研究存在恐惧和猜疑。

1997年

1．苏格兰若斯林研究所的研究人员报导他们从母羊的细胞中克隆得到第一头克隆羊——多利羊。随后使用核子转移技术从人类基因中克隆出又一个克隆羊——Polly羊。

2．第一次生成人工的人类染色体。

3．滤泡刺激激素Follistim被批准用于不育症的治疗。

4．俄勒冈研究人员声称已经克隆到2头猕猴。

5．美国专利局宣告允许EST申请专利，重要遗传学家对此表示震惊及沮丧。

6．Orasure，一种不失血的艾滋病病毒抗体试验被批准。

7．Clock基因被识别与哺乳动物的生物钟相关。

8．研究人员使用一小段DNA和一些平常的生物学实验室技术，设计了第一个DNA计算机“硬件”：由DNA决定的逻辑思路。

9．一种预防泌尿管道感染的新大肠杆菌疫苗被开发。

10．莱姆关节炎病原体——疏螺旋体的基因组被完整测序，同时被测序的还有大肠杆菌和H型幽门。

11．食品和药物管理局宣布美华罗成为公认最成功的动物抗癌药之一。

12．新的DNA技术：合成PCR，DNA接头和计算机设计，成为研究疾病起因的新工具。

1998年

1．夏威夷大学的科学家从成人子房堆积细胞的核中克隆出三代老鼠。

2．美国食品和药物管理局允许治疗Crohn病的单克隆抗体RemicadeTM出口。

3．两个研究小组成功使胚胎的茎干细胞生长，这是分子生物学的重要一步。

绿藻

4．日本近畿大学的科学家用从一头母牛中取出的细胞克隆出8头完全一样的小牛。

5．HER2neu可用于治疗乳癌的新抗体，这一结果预言以分子瘤细胞为基础的治疗将跨入新的纪元。

6．福米韦生（抗病毒药）成为用反义医学技术开发的第一个被批准的治疗试剂。

7．对饥饿瘤生物制品的研究，包括制管张素和内稳定素，被批准用于临床。

8．第一个完整的动物线虫基因组测序完成。

9．人类基因组粗糙草图完成，显示了30，000以上基因的定位。

褐藻

1999年

1．以唯一抗体外型为基础的一项新技术可替换现行用DNA采指纹的方法。这种方法易于操作，引起了法律机构的广泛关注。

2．一种新的医药诊断试剂被批准用于快速检测牛海绵状脑病/CJD病，牛海绵状脑病/CJD病非常稀有，但可从牛转移到人体中，并导致破坏神经系统的疾病。

3．研究在不断继续，与此同时，伦理的讨论越来越激烈。在美国有1，274个生物技术公司，至少已有300个以上的生物药物和疫苗正在进行临床实验，并有数以百计的生物药物和疫苗在进行早期开发。这些产品包括药品、诊断试剂、生物杀虫剂和转基因农作物。人类基因组在预算时间内进行，预计将在5年或更短的时间内完成全部人类基因的表达谱。