分子生物學有哪些技術(shù)

【專家解說】：分子生物學的基本含義 分子生物學是從分子水平研究生命本質(zhì)為目的的一門新興邊緣學科，它以核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)及其在遺傳信息和細胞信息傳遞中的作用為研究對象，是當前生命科學中發(fā)展最快并正在與其它學科廣泛交叉與滲透的重要前沿領(lǐng)域。分子生物學的發(fā)展為人類認識生命現(xiàn)象帶來了前所未有的機會，也為人類利用和改造生物創(chuàng)造了極為廣闊的前景。 所謂在分子水平上研究生命的本質(zhì)主要是指對遺傳、 生殖、生長和發(fā)育等生命基本特征的分子機理的闡明，從而為利用和改造生物奠定理論基礎(chǔ)和提供新的手段。這里的分子水平指的是那些攜帶遺傳信息的核酸和在遺傳信息傳遞及細胞內(nèi)、細胞間通訊過程中發(fā)揮著重要作用的蛋白質(zhì)等生物大分子。這些生物大分子均具有較大的分子量，由簡單的小分子核苷酸或氨基酸排列組合以蘊藏各種信息，并且具有復雜的空間結(jié)構(gòu)以形成精確的相互作用系統(tǒng)，由此構(gòu)成生物的多樣化和生物個體精確的生長發(fā)育和代謝調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。闡明這些復雜的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系是分子生物學的主要任務(wù)。 二、分子生物學發(fā)展簡史 分子生物學的發(fā)展大致可分為兩個階段。 1、準備和醞釀階段 19世紀后期到20世紀50年代初，是現(xiàn)代分子生物學誕生的準備和醞釀階段。在這一階段產(chǎn)生了兩點對生命本質(zhì)的認識上的重大突破: 確定了蛋白質(zhì)是生命的主要基礎(chǔ)物質(zhì) 19世紀末Buchner兄弟證明酵母無細胞提取液能使糖發(fā)酵產(chǎn)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(jié)晶了一些酶(包括尿素酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、黃酶、細胞色素C、肌動蛋白等)，證明酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)。隨后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)生命的許多基本現(xiàn)象(物質(zhì)代謝、能量代謝、消化、呼吸、運動等)都與酶和蛋白質(zhì)相聯(lián)系，可以用提純的酶或蛋白質(zhì)在體外實驗中重復出來。 確定了生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA 雖然1868年F.Miescher就發(fā)現(xiàn)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鹼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(jié)果，因而曾長期認為DNA結(jié)構(gòu)只是“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(zhì)。40年代以后實驗的事實使人們對核酸的功能和結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)化因子是DNA;1952年A.D.Hershey和M.Cha-se用DNA35S和32P分別標記T2噬菌體的蛋白質(zhì)和核酸，感染大腸桿菌的實驗進一步證明了是遺傳物質(zhì)。 2、現(xiàn)代分子生物學的建立和發(fā)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(jié)構(gòu)模型作為現(xiàn)代分子生物學誕生的里程碑開創(chuàng)了分子遺傳學基本理論建立和發(fā)展的黃金時代。DNA雙螺旋發(fā)現(xiàn)的最深刻意義在于:確立了核酸作為信息分子的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ);提出了鹼基配對是核酸復制、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(zhì)基礎(chǔ)，為認識核酸與蛋白質(zhì)的關(guān)系及其在生命中的作用打下了最重要的基礎(chǔ)。在此期間的主要進展包括: 遺傳信息傳遞中心法則的建立 在發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)DNA聚合酶;1958年Meselson及Stahl用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(xù)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(gòu)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(zhì)過程中起著中介作用的假說。1958年Weiss及Hurwitz等發(fā)現(xiàn)依賴于DNA的RNA聚合酶;1961年Hall和Spiege-lman用RNA-DNA雜交證明mRNA與DNA序列互補;逐步闡明了RNA轉(zhuǎn)錄合成的機理。 在此同時認識到蛋白質(zhì)是接受RNA的遺傳信息而合成的。50年代初Zamecnik等在形態(tài)學和分離的亞細胞組分實驗中已發(fā)現(xiàn)微粒體(microsome)是細胞內(nèi)蛋白質(zhì)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(zhì)中轉(zhuǎn)運氨基酸的功能提出了假設(shè);1961年Brenner及Gross等觀察了在蛋白質(zhì)合成過程中mRNA與核糖體的結(jié)合;1965年Holley首次測出了酵母丙氨酸t(yī)RNA的一級結(jié)構(gòu);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(zhì)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(zhì)翻譯合成的基本過程。 上述重要發(fā)現(xiàn)共同建立了以中心法則為基礎(chǔ)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(fā)現(xiàn)以RNA為模板合成DNA的反轉(zhuǎn)錄酶，又進一步補充和完善了遺傳信息傳遞的中心法則。 以上簡要介紹了分子生物學的發(fā)展過程，可以看到在近半個世紀中它是生命科學范圍發(fā)展最為迅速的一個前沿領(lǐng)域，推動著整個生命科學的發(fā)展。至今分子生物學仍在迅速發(fā)展中，新成果、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，這也從另一方面說明分子生物學發(fā)展還處在初級階段。分子生物學已建立的基本規(guī)律給人們認識生命的本質(zhì)指出了光明的前景，但分子生物學的歷史還短，積累的資料還不夠，例如:在地球上千姿萬態(tài)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分，還未認識核酸、蛋白質(zhì)組成生命的許多基本規(guī)律;又如即使到2005年我們已經(jīng)獲得人類基因組DNA3x109bp的全序列，確定了人的5-10萬個基因的一級結(jié)構(gòu)，但是要徹底搞清楚這些基因產(chǎn)物的功能、調(diào)控、基因間的相互關(guān)系和協(xié)調(diào)，要理解80%以上不為蛋白質(zhì)編碼的序列的作用等等，都還要經(jīng)歷漫長的研究道路?？梢哉f分子生物學的發(fā)展前景光輝燦爛，道路還會艱難曲折。 三、分子生物學的主要研究內(nèi)容 分子生物學主要包含以下三部分研究內(nèi)容: 1.核酸的分子生物學 核酸的分子生物學研究核酸的結(jié)構(gòu)及其功能。由于核酸的主要作用是攜帶和傳遞遺傳信息，因此分子遺傳學(moleculargenetics)是其主要組成部分。由于50年代以來的迅速發(fā)展，該領(lǐng)域已形成了比較完整的理論體系和研究技術(shù)，是目前分子生物學內(nèi)容最豐富的一個領(lǐng)域。研究內(nèi)容包括核酸/基因組的結(jié)構(gòu)、遺傳信息的復制、轉(zhuǎn)錄與翻譯，核酸存儲的信息修復與突變，基因表達調(diào)控和基因工程技術(shù)的發(fā)展和應用等。遺傳信息傳遞的中心法則(centraldogma)是其理論體系的核心。 2.蛋白質(zhì)的分子生物學 蛋白質(zhì)的分子生物學研究執(zhí)行各種生命功能的主要大分子──蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能。盡管人類對蛋白質(zhì)的研究比對核酸研究的歷史要長得多，但由于其研究難度較大，與核酸分子生物學相比發(fā)展較慢。近年來雖然在認識蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其與功能關(guān)系方面取得了一些進展，但是對其基本規(guī)律的認識尚缺乏突破性的進展。 3.細胞信號轉(zhuǎn)導的分子生物學 細胞信號轉(zhuǎn)導的分子生物學研究細胞內(nèi)、細胞間信息傳遞的分子基礎(chǔ)。構(gòu)成生物體的每一個細胞的分裂與分化及其它各種功能的完成均依賴于外界環(huán)境所賦予的各種指示信號。在這些外源信號的刺激下，細胞可以將這些信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗械纳锘瘜W變化，例如蛋白質(zhì)構(gòu)象的轉(zhuǎn)變、蛋白質(zhì)分子的磷酸化以及蛋白與蛋白相互作用的變化等，從而使其增殖、分化及分泌狀態(tài)等發(fā)生改變以適應內(nèi)外環(huán)境的需要。信號轉(zhuǎn)導研究的目標是闡明這些變化的分子機理，明確每一種信號轉(zhuǎn)導與傳遞的途徑及參與該途徑的所有分子的作用和調(diào)節(jié)方式以及認識各種途徑間的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。信號轉(zhuǎn)導機理的研究在理論和技術(shù)方面與上述核酸及蛋白質(zhì)分子有著緊密的聯(lián)系，是當前分子生物學發(fā)展最迅速的領(lǐng)域之一。