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與其他“分子尺度”生物科學(xué)的關(guān)系

  現(xiàn)代生物學(xué)中，生物化學(xué)、遺傳學(xué)和分子生物學(xué)的關(guān)系簡(jiǎn)圖

分子生物學(xué)的研究者們不僅應(yīng)用分子生物學(xué)特有的技術(shù)（參見本條目中“技術(shù)”一節(jié)），而且越來越多地從遺傳學(xué)、生物化學(xué)和生物物理學(xué)的技術(shù)和思路中獲得啟迪，綜合利用。因此，這些學(xué)科間越來越多地相互融合，不再有明確的分界線。左圖抽象地展示了對(duì)相關(guān)領(lǐng)域之間的相互關(guān)系一種可能的闡釋：

“生物化學(xué)”主要研究化學(xué)物質(zhì)在生物體關(guān)鍵的生命進(jìn)程中的作用。生物化學(xué)很大程度上專注于生物分子的角色，功能，和結(jié)構(gòu)。生物過程背后的化學(xué)性質(zhì)研究和生物活性分子的合成是生物化學(xué)的例子。

“遺傳學(xué)”主要研究生物體間遺傳差異的影響。這些影響常常可以通過研究正常遺傳組分（如基因）的缺失來推斷，如研究缺少了一個(gè)或多個(gè)正常功能性遺傳組分的突變體與正常表現(xiàn)型（又稱為“野生型”）之間的關(guān)系。遺傳相互作用（如異位顯性）經(jīng)常會(huì)使像基因敲除這類研究的結(jié)果難以解釋。

“分子生物學(xué)”則主要研究遺傳物質(zhì)的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯進(jìn)程中的分子基礎(chǔ)。分子生物學(xué)的中心法則認(rèn)為“DNA轉(zhuǎn)錄mRNA，mRNA翻譯蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)反過來協(xié)助前兩項(xiàng)流程，并協(xié)助DNA自我復(fù)制”；雖然這一描述對(duì)分子生物學(xué)所涵蓋的內(nèi)容過于簡(jiǎn)單化（特別是RNA的新功能仍在不斷發(fā)現(xiàn)中），但仍不失為了解這一領(lǐng)域的很好的起點(diǎn)。

在分子生物學(xué)中大量工作是定量的，而且最近的許多研究工作是在結(jié)合生物信息學(xué)和計(jì)算生物學(xué)的基礎(chǔ)之上完成的。從本世紀(jì)（二十一世紀(jì)）開始，研究基因結(jié)構(gòu)和功能的分子遺傳學(xué)已經(jīng)成為發(fā)展最快的領(lǐng)域之一。

越來越多的學(xué)科已經(jīng)將目光集中到分子水平的研究中，一方面直接研究相關(guān)分子間相互作用，如細(xì)胞生物學(xué)和發(fā)育生物學(xué)；另一方面利用分子生物學(xué)技術(shù)來研究并推測(cè)群體和物種的歷史貢獻(xiàn)（非直接，遺傳水平），如進(jìn)化生物學(xué)領(lǐng)域中的群體遺傳學(xué)和系統(tǒng)發(fā)生學(xué)。此外，生物物理學(xué)除了研究大尺度器官構(gòu)造之外，一直都有從頭研究生物分子的傳統(tǒng)。

技術(shù)

  DNA的結(jié)構(gòu)

從1950年代晚期和1960年代早期開始，分子生物學(xué)家已經(jīng)開始學(xué)習(xí)鑒定、提純和處理細(xì)胞和生物體的分子組分。這些組分包括：DNA，遺傳信息的攜帶者；RNA，作為DNA的“近親”，既可以是DNA的臨時(shí)“工作拷貝”，又可以發(fā)揮結(jié)構(gòu)分子和酶功能，同時(shí)還是蛋白質(zhì)翻譯的結(jié)構(gòu)和功能元件；蛋白質(zhì)，細(xì)胞中的主要的結(jié)構(gòu)分子和酶分子。

克隆表達(dá)

  轉(zhuǎn)導(dǎo)（Transduction）

分子生物學(xué)中最基本的技術(shù)是蛋白質(zhì)的表達(dá)和純化。首先是編碼目的蛋白的DNA序列被克?。ㄓ肞CR技術(shù)和限制性內(nèi)切酶）到作為表達(dá)載體的質(zhì)粒中。隨后構(gòu)建好的質(zhì)粒被引入到宿主細(xì)胞。編碼序列在質(zhì)粒上的特殊的啟動(dòng)子元件的驅(qū)動(dòng)下，被宿主細(xì)胞的表達(dá)系統(tǒng)所表達(dá)。質(zhì)粒上通常還帶有抗生素抗性標(biāo)簽以便于質(zhì)粒篩選。

質(zhì)粒可以被插入到細(xì)菌或動(dòng)物細(xì)胞。外源DNA被引入細(xì)菌被稱為轉(zhuǎn)化（transformation），可以通過電穿孔法、微注射法、正吸收和融合來實(shí)現(xiàn)；外源DNA被引入真核細(xì)胞，如動(dòng)物細(xì)胞，被稱為轉(zhuǎn)染(transfection)，轉(zhuǎn)染技術(shù)包括磷酸鈣法、脂質(zhì)體法和一些有專利權(quán)的商用轉(zhuǎn)染試劑。DNA也可以以病毒或病原菌為載體被帶入宿主細(xì)胞；應(yīng)用這種病毒或病菌的轉(zhuǎn)染技術(shù)于細(xì)胞時(shí)，用術(shù)語來說就是“對(duì)細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduce）”。

多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）是一項(xiàng)用于體外復(fù)制DNA的極為通用的技術(shù)。簡(jiǎn)而言之，PCR技術(shù)可以使單鏈DNA被復(fù)制數(shù)百萬次，也允許用事先確定好的方式對(duì)被復(fù)制的DNA序列進(jìn)行改動(dòng)。例如，PCR技術(shù)可以用于引入限制性酶切位點(diǎn)，或者對(duì)特定的DNA堿基進(jìn)行突變（改變）。PCR技術(shù)還可以用于從cDNA文庫獲得特定的DNA片段，或者從另一個(gè)角度，用于判斷一個(gè)cDNA文庫中是否含有特定的DNA片段。

凝膠電泳

凝膠電泳是分子生物學(xué)最主要的一項(xiàng)技術(shù)。其基本原理是：DNA、RNA和蛋白質(zhì)可以用電場(chǎng)來進(jìn)行分離。在瓊脂糖凝膠電泳中，DNA和RNA可以被瓊脂糖凝膠按其分子大小進(jìn)行分離。同樣，蛋白質(zhì)可以被SDS－聚丙烯酰胺凝膠電泳（SDS-PAGE）按分子量大小分離；此外，蛋白質(zhì)還可以由于所帶電荷的不同被等電聚焦電泳分離。

高分子印跡法和探測(cè)

Southern印跡法

此方法的命名源自其發(fā)明者生物學(xué)家Edwin Southern。Southern印跡法是探測(cè)一個(gè)DNA樣品中含有特定DNA序列的方法。首先，DNA樣品為凝膠電泳所分離；然后，分離的樣品通過毛細(xì)現(xiàn)象被轉(zhuǎn)移到一張膜上，這一過程被稱為“印跡”（blotting）。帶有樣品的膜就可以用與目標(biāo)序列互補(bǔ)的標(biāo)記的DNA標(biāo)記探針來探測(cè)。最初的操作手冊(cè)大都采用放射性標(biāo)記，但現(xiàn)在非放射性標(biāo)記已開始被采用。自從PCR技術(shù)被用于檢測(cè)特定DNA序列后，Southern印跡法在實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用大為減少。但此方法依然有著其他一些應(yīng)用，如用于測(cè)量轉(zhuǎn)基因鼠的轉(zhuǎn)基因拷貝數(shù)，以及用于構(gòu)建基因敲除的胚胎干細(xì)胞系。

Northern印跡法

  Northern印跡法示意圖

Northern印跡法被用于研究特定類別的RNA分子的表達(dá)模式（豐度和大小）。與Southern印跡法相似，RNA樣品為凝膠電泳按大小分離；然后轉(zhuǎn)移到膜上，并用與目標(biāo)序列互補(bǔ)的標(biāo)記的探針來探測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以根據(jù)所用探針的不同以多種方式來觀察，但大多數(shù)都顯示的是樣品中被探測(cè)的RNA條帶的相對(duì)位置，也就是分子大??；而條帶的強(qiáng)度則與樣品中目標(biāo)RNA的含量相關(guān)。這一方法可以測(cè)量目標(biāo)RNA在不同樣品中的情況，因此已經(jīng)被普遍用于研究特定基因在生物體中表達(dá)的時(shí)刻和表達(dá)量，也是這類研究中最基本的手段。

Western印跡法

大多數(shù)蛋白的抗體可以通過將少量的蛋白注入動(dòng)物（如鼠、兔、羊）以獲得對(duì)應(yīng)注入蛋白的抗體（多克隆抗體）或進(jìn)一步通過細(xì)胞培養(yǎng)獲得抗體（單克隆抗體）。這些抗體就可為許多分析和制備技術(shù)所使用。在Western印跡法中，蛋白質(zhì)首先根據(jù)分子大小用SDS-PAGE分離。然后將膠中的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到膜（如PDVF膜、尼龍膜或其他可用的膜）上。然后將膜用含有抗體的溶液浸泡，由于抗體可以特異性地結(jié)合到目標(biāo)蛋白上，因此就可以探測(cè)膜中的目標(biāo)蛋白。同樣觀察結(jié)果的方法有很多，包括顯色產(chǎn)物、化學(xué)發(fā)光（chemiluminescence）或放射自顯影。一些與Western印跡法相似的方法可以用于直接對(duì)細(xì)胞和組織中的特定蛋白進(jìn)行染色，然而這些被稱為“免疫染色”的方法更多的是應(yīng)用于細(xì)胞生物學(xué)而非分子生物學(xué)。

此外，還有并不常用的“東方印跡法”（對(duì)雙向電泳后蛋白質(zhì)分子的印跡分析）、“西Southern印跡法”（研究蛋白質(zhì)和DNA相互作用）和“遠(yuǎn)端Western印跡法”（Far Western blotting，研究蛋白質(zhì)－蛋白質(zhì)相互作用）。

值得一提的是除了Southern印跡法的命名是來自于發(fā)明者的姓名，其他印跡法的命名則都是源于發(fā)明者的幽默：因?yàn)槟戏剑⊿outhern）既是印跡法的發(fā)明者Edwin Southern的姓，同時(shí)其英文含義為“南方”；于是隨后發(fā)明不同印跡法的研究者們紛紛將這些方法以方位命名，如Northern（“北方”），Western（“西方”）印等等。

微陣列技術(shù)

  基因表達(dá) (遺傳密碼)

DNA陣列是附著于固體支持物的斑點(diǎn)的集合，例如顯微鏡載玻片，其中每個(gè)斑點(diǎn)包含一個(gè)或多個(gè)單鏈DNA寡核苷酸片段。陣列使得在一個(gè)載玻片上能夠放下大量的非常小的（100微米直徑）的斑點(diǎn)。每個(gè)斑點(diǎn)具有一個(gè)DNA片段分子互補(bǔ)的單個(gè)DNA序列（類似于Southern印跡法）。該技術(shù)的變化允許生物在發(fā)育的特定階段的基因表達(dá)是合格的（表達(dá)譜）。在該技術(shù)中，組織中的RNA被分離并轉(zhuǎn)化為標(biāo)記的互補(bǔ)脫氧核糖核酸(cDNA)。 然后將該cDNA與陣列上的片段雜交，并且可以進(jìn)行雜交的可視化。由于可以用完全相同的片段位置制備多個(gè)陣列，因此它們特別可用于比較兩種不同組織（例如健康和癌性組織）的基因表達(dá)。此外，人們可以測(cè)量什么基因被表達(dá)和如何表達(dá)隨時(shí)間或與其他因素的變化而變化。 例如，常見的面包酵母釀酒酵母含有約7000個(gè)基因; 使用微陣列，可以定量測(cè)量每種基因如何被表達(dá)，以及該表達(dá)如何變化，例如該表達(dá)如何隨著溫度的變化而變化。有許多不同的方法來制造微陣列; 最常見的是硅芯片，具有~100微米直徑的斑點(diǎn)的顯微鏡載片，定制陣列和在多孔膜（宏陣列）上具有較大斑點(diǎn)的陣列。給定陣列上可以有從100個(gè)斑點(diǎn)到超過10,000個(gè)斑點(diǎn)。

微陣列也可以用除了DNA以外的分子來制作。如抗體微陣列可被用于檢測(cè)血液樣品中含有哪些蛋白質(zhì)或細(xì)菌的存在。

過去的技術(shù)

 SDS－聚丙烯酰胺凝膠電泳（SDS-PAGE）

隨著新技術(shù)和新方法的不斷出現(xiàn)，舊的技術(shù)很快就被拋棄。一個(gè)很典型的例子就是DNA分子大小的測(cè)量：在（瓊脂糖／聚丙烯酰胺）凝膠電泳出現(xiàn)之前，DNA分子大小是用蔗糖梯度沉降法來測(cè)量的，這一方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且花費(fèi)昂貴；而在梯度沉降法出現(xiàn)之前，黏度法被使用。盡管已經(jīng)不再為人們所關(guān)注，但了解這些過時(shí)的技術(shù)可能會(huì)對(duì)解決一些特別的問題有幫助。

歷史

在1930年代，由于許多生物化學(xué)家發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)的許多分子參與了各種復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，分子生物學(xué)由此逐步建立。但直到1938年“分子生物學(xué)”一詞才由瓦倫·韋弗（Warren Weaver）提出（也有人認(rèn)為“分子生物學(xué)”一詞最早于1945年威廉·阿斯特伯里（William Astbury）首先在Harvey Lecture上應(yīng)用的 ）。瓦倫是當(dāng)時(shí)洛克斐勒基金會(huì)自然科學(xué)方面的主持人，他相信由于在X射線晶體學(xué)等方面的發(fā)展，生物學(xué)正在進(jìn)入一個(gè)大的轉(zhuǎn)變期，他也因此將基金會(huì)的資金用于資助生物領(lǐng)域的研究。

知名的分子生物學(xué)家

佛朗西斯·克里克

詹姆斯·沃森

埃爾文·查戈夫

羅莎琳·富蘭克林

法蘭索瓦?雅各

馬修·梅瑟生

克里斯汀·紐斯林-沃爾哈德

萊納斯·鮑林

馬克斯·佩魯茨

弗雷德里克·桑格(Frederick Sanger)

富蘭克林·史達(dá)

利根川進(jìn)

莫里斯·威爾金斯

亞歷山大·里奇

參見

細(xì)胞生物學(xué)（細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和組成）

DNA和染色體結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)生物合成（從DNA轉(zhuǎn)錄為RNA，再從RNA翻譯成蛋白質(zhì)）

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

基因組

蛋白質(zhì)組

擴(kuò)展閱讀

（英文） Keith Roberts, Martin Raff, Bruce Alberts, Peter Walter, Julian Lewis and Alexander Johnson, Molecular Biology of the Cell

（英文） Rodgers, M. The Pandora"s box congress. Rolling Stone 189 , 37 – 77 (1975).

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