分子生物学的发展

!" 生 物 学 通 报 #$$! 年 第 %$ 卷 第 ! 期 ! 前言 分子生物学 !&’()*+(,- ./’(’01"是一门现代生物 学#一门带动整个生命科学的前沿学科 #是生物化学 与遗传学$微生物学$细胞学$生物物理学等学科相结 合的基础上发展起来的崭新学科% &分子生物学’一词 最早于 23%! 年 4/((/,5 6789+-1 首先在 :,-;)1 <)*8+-) 上应用的#由于它能从分子水平了解各种生命现象的 根本原因#一开始就将研究对象主要集中于生物大分 子(((核酸 !=>6 和 ?>6"的研究 #并已经成为现代 生命科学的&共同语言’% 分子生物学的出现归功于人 类对生命现象的观察和看法以及研究技术和方法的 逐步深化和精密# 即在认识上由宏观向微观转变#技 术方法由粗放向精确转变% @"A" 年德国植物学家 B*CD,EE 和 B*C()/F)E 确立 了细胞理论 )@"!3 年英国生物学家 GC,-()7 =,-D/E 确 立了进化论 )@"H! 年奥地利科学家 I-)0’- &)EF)( 建 立了遗传学 )@3@! 年美国遗传学家 &’-0,E 提出基因 学说)@3%$ 年美国科学家 .),F() 和 J,8+5 提出&一个 基因一种酶 ’ 的关系 )@3!A 年英国科学家 4,87’E 和 G-/*K 提出 =>6 双螺旋模型 )@3!" 年 G-/*K 提出中心 法则)@3H3 年全部!三联密码子"遗传密码被破译** 随着分子生物学的发展#促使生物化学 $遗传学以及 整个生物学科发生了深刻的&革命’% 人类进入 #@ 世 纪#分子生物学也进入了&基因组后时代’% 分子生物 学的发展前沿#如哺乳动物克隆$基因组计划$遗传与 进化$生物计算机$生物芯片$生物$蛋白质组$天 然药物$干细胞$脑科学以及转基因等#无一不是多学 科的交叉与融合$基础研究与应用的统一% 人们由单 一转向综合分析#去研究生物的多样性与生命本 质的一致性 #各个层次$各个领域的研究都和分子水 平上生物大分子的研究相关连% " 分子生物学的发展前沿 "#! 哺乳动物克隆 &克隆 !G(’E)"’一词于 @3$A 年 被引入园艺学#意为生物体通过细胞进行的无性繁殖 形成的基因型完全相同的后代个体组成的种群#简称 为&无性繁殖’% 时至今日#&克隆’的含义已不仅仅是 &无性繁殖’#已经逐渐应用于植物学$动物学和医学 等方面 #即指纯种生命体$纯种细胞或生物大分子的 无性繁殖$增殖或复制% 克隆技术作为一种成熟的分 子生物学技术 #至少可在 H 个方面为人类造福+促进 人类了解生物生长发育的机理#特别是发现影响生长 和衰老的因素)&治疗性克隆’提取胚胎干细胞#为移 植手术生产合适的器官)生产转基因动物#大批量制 造某些药物的生物原料)为科学研究提供更适合的生 产实验动物 )培育优良家畜鱼禽品种)复制濒危的动 物物种#保存和传播动物物种资源% "#" 基因组计划 基因 !I)E)"学说以及 =>6 双螺 旋模型的建立# 证明了基因是决定蛋白质的物质基 础% 基因含有生物生$老$病$死的全部遗传信息#这些 遗传信息通过转录和翻译等复杂的分子生物学过程# 以密码形式先变成信使核糖核酸 !5?>6"#而后再变 成蛋白质%@33$ 年正式出台和实施&人类基因组计划’ !:+5,E I)E’5/* L-’M)*8N:IL"是人类认识自我(((揭 开人类的奥秘$追求健康$战胜疾病#是人类科学史上 与阿波罗登月计划及曼哈顿原子弹计划相媲美的伟 大科学% 目前许多国家都有本国的&基因组计划’ 在实施之中O如家猪基因组计划P#有的已经完成!如水 稻$鸡等基因组计划"% 随着 :IL 的实施#以研究基因 组结构为主要的&基因组学’!I)E’5/*7"和以研究 基因组功能为主要内容的 &后基因组学 ’!L’78QI)! E’5/*7"也已被提到日程上来% "#$ 遗传与进化 #$ 世纪 %$ 年代证明了遗传物质 就是 =>6% =>6 分子中包含着基因#基因遗传机理的 提出促成了 =>6 双螺旋结构模型的构想和 &中心法 则 ’的创立#并在此基础上发现遗传与某些基因的 达相关 % 基因表达是一个在时空上有序的生物学过 程#而且基因表达的时空有序性是调控的结果#基因 调控存在着多重调控和调控网络% 随着分子生物学的 发展#一系列的遗传$发育与进化的问题被一一阐明+ 卵子的发生和成熟$受精过程$基因表达的时空次序$ 细胞分化$个体三维形态发育$物种间的亲缘关系$分 子进化速度和分子进化方式等% 与数学家$逻辑学家$ 非线性物理学家和计算机科学家合作#在对浩如烟海 的资料进行分析和综合的基础上#将可能破译记载在 基因组 =>6 上的 &遗传语言 ’#从而阐明控制发育的 遗传程序在染色体上的构建和操作规则#以及在进化 过程中发生的变化# 最终将在分子水平上实现遗传$ 发育和进化的理论大综合% "#% 生物计算机 人类在同大自然斗争中# 创造并逐 步发展了计算工具% 我国唐代发明了算盘#@H%# 年法国 制成第一台机械计算机#@3%H 年出现了世界第一台&二 进制’电子计算机**而生物计算机!./’Q*’5R+8)-"是 以生物界处理问题的方式为模型的计算机% 目前主要 有+生物分子或超分子芯片$自动机模型$仿生算法$生 物化学反应算法等几种类型% 其中#=>6 计算机!=>6 *’5R+8)-"是目前最有发展前景的计算机之一#自 @33! 分 子 生 物 学 的 发 展 龙 华 !中国水产科学研究院长江水产研究所#农业部淡水鱼类种质资源与生物技术重点开放实验室 湖北荆州 %A%$$$" !""#年 第 $" 卷 第 # 期 生 物 学 通 报 #% 年出现以来已取得了较大进展! 它是一种有生物化学 反应的"能自我管理和自我修复的计算机! 生物计算 机几十小时的运算量就相当于目前全球所有计算机 运算量的总和# 其元件密度比人的神经密度还要高 &"" 万倍$ 而且其传递信息的速度也比人脑进行思维 的速度快 &"" 万倍# 它可以直接接受人脑的指挥$成 为人脑的外延或扩充部分#它能以从人体细胞吸收营 养的方式来补充能量#它能不断地自我发展并不断完 善其智能中心$可以彻底实现现有计算机所无法真正 实现的模糊推理功能和神经网络运算功能 %如思维" 推理"识别"理解等&! !"# 生物芯片 生物芯片%’()*+(,&是根据分子间特 异性相互作用的原理$将生命科学领域中不连续的分 析过程利用微电子"微机械"化学"物理及计算机技术 集成于芯片表面$ 构建微流体生物化学分析系统$以 实现对细胞"蛋白质"核酸及其他生物组分的准确"快 速"大信息量的检测和分析$并实现过程连续化"集成 化"微型化! 生物芯片分基因芯片%-./. *+(,&或 012 芯片 %012 *+(,&"312 芯片 %312 *+(,&"蛋白质芯片 %,4)5.(/ *+(,&和芯片实验室%6789)/979*+(,&等!生物 芯片可广泛应用于基因差异表达分析 "012 测序 "基 因突变及多态性扫描" 基因组 012 突变及染色体变 异检测"肿瘤与传染病的诊断 "环保监测"药物筛选" 食品监督"商品检验"司法鉴定及军事等方面! 在生物 芯片研究中最先实现商品化的产品是基因芯片! 基因 芯片 %:./. ;+(,&$又称 012 阵列 %012 7447<&$和计 算机芯片有着非常相似的地方’’’高度的集成化! !"$ 生物材料 生物材料$也称仿生材料$兴起于 !" 世纪 =" 年代$是一门介于生物和材料之间的学科! 生 物材料的研究主要包括 ! 个方面(&& 生物医用材料$ 它主要用于诊断"治疗"修复人体器官或组织更换#!& 仿生材料$天然生物材料的形成及其性能是由具有定 向生长能力的纳米微粒构成! 生物材料分为生物聚合 物材料"生物陶瓷材料"生物金属材料! 由于植入材料 与人体的相互作用仅在表面的几个原子层处$故表面 改性技术应运而生! 表面改性技术是通过对金属材料 的表面改性$从而达到改善材料性能的目的! 表面改 性技术主要分为三大类(物理化学方法"形态学方法" 生物化学方法! 其中生物化学方法是近年发展起来的 一项较新的技术! 该方法将具有生物活性的物质$如 大分子蛋白质或酶等有机高分子直接附着在金属基 体$使其具有更优良的生物活性! 生物材料发展至今$ 已经解决了诸多生物医学问题$如毒副作用"刺激性" 组织粘结"凝血"溶血等以及人造血浆"人工脏器等! !"% 蛋白质组 蛋白质是体现生命体生理功能最重 要的物质! 蛋白质作为一种)表型*必定有决定它们的 物质基础%基因&! 蛋白质组%34)5.)>.&是指一个基因 组 %:./)>.&"一种生物或一种细胞 !组织所表达的全 套蛋白质$ 也就是所能编码产生的所有类型的蛋白 质!蛋白质组学%34)5.)>(*?&是分析一个基因组或一个 细胞或组织类型所有蛋白的表达! 在 !" 世纪 =" 年代 末蛋白质晶体学诞生之时$人们对蛋白质结构测定的 效率是很悲观的! 有幸的是$随着计算机科学和衍射 仪的发展$ 使收集数据和计算分析的时间大大缩短$ 研究新生肽链的折叠及蛋白质三级结构折叠规律是 了解蛋白质结构与功能关系的关键之一! )分子伴娘* %也称分子伴侣$@)A.*BA74 ;+7,4)/.&的最新概念解释 了在肽链折叠成正确的三级结构过程中这类蛋白质 所起的作用! 最近发展了几种计算机识别蛋白质功能 的新方法$这些方法的依据是相同特征的蛋白质之间 具有功能上的关联或直接作用 $ 如系统发生模式 " >C12 表达模式及结构域融合模式等! !"& 天然药物 天然药物是从植物" 动物和微生物 等天然资源中开发出来的药物$是药物的一个重要的 组成部分! 远古时代$人类在以身试药"日积月累了大 量的实践经验后$ 开始利用这些天然物质来治疗疾 病! 在非洲的热带丛林中$有些部落迄今还在采用这 种原始的方式治病! 在中国$天然药物又称为中草药$ 药用植物及中药材种类繁多$与中医一起构成了中华 民族文化的瑰宝! 此外$ 占地球表面积 !DE 的海洋中 所含生物资源正在得到逐步的开发! 天然药物按照来 源可分为动植物药物"生物技术药物及化学合成的天 然药物! 其中$生物工程药物是采用基因重组"生物转 化 "细胞或组织培养等技术研制的药物$又有基因工 程药物"细胞工程药物"酶工程药物及微生物药物之 分! 克隆动物亦为开发生物工程药物提供了一个崭新 的技术! !"’ 干细胞 干细胞%F5.> *.AA$F;&是一种具有多种 分化潜能%多能性或全能性&"能自我更新和高度增殖 能力的早期未分化细胞! 它不仅能产生出与自己完全 相同的子细胞$同时还能分化成为祖细胞$也能在人 体内分化成任何细胞类型! 干细胞分为类全能干细胞 %胚胎干细胞$GF&"多能干细胞%成体干细胞&"造血干 细胞%HF;&"神经干细胞"角膜缘干细胞等! 干细胞的 研究是 !" 世纪 %" 年代以来医学和生物学领域中最 引人注目的热点之一!一方面I它揭示了许多有关细胞 生长和发育的基础理论难题 #另一方面$可望将其用 于创伤修复"神经再生和抗衰老等临床医学研究! 另 外$利用干细胞再造组织和器官$治疗神经系统疾病$ 可使应用生物学进人一个崭新的领域 ! 从 &%J" 年 @745(/ GK7/? 首次从小鼠胚囊中分离出小鼠胚胎干细 胞 $ 到目前通过核移植技术获得第一例人胚胎干细 胞! 人们已经充分认识到(!& 世纪将是生命再生医学 年代I而干细胞研究将在此领域内起到重大推动作用! !" 生 物 学 通 报 #""$ 年 第 %& 卷 第 $ 期 !"#$ 脑科学 脑不仅是动物体内最重要的器官 ’更 是地球生命进化的尺度! 脑同时是 "物质的#$"精神 的#$"思维的#$"生物的#$"物理的#和"计算的#!一方 面 ’脑或者它的任意一部分是有序的物质结构 ’具有与 有序物质结构相关联的所有性质 (温度$压力$化学电 位$电场等 )另一方面%脑表现出新的性质 ’并且这些性 质是不能在较低的组织水平上&如分子$细胞$突触等 组织水平’观察到的! 这就是与大脑的高级功能相关 联的集体现象 (感知与识别 $学习与记忆 $运动与控 制$语言与思维$情感与意识$智能与创造等! 事实上% 人们对脑的了解 *$!是在 #& 世纪 +& 年代获得的! 脑 科学和神经科学进入 #& 世纪 *& 年代后%模型与实验 之间的辩证关系已变得明显起来! 计算模型在作出关 于神经系统如何工作的特定预测上已变得较为成熟! 而关于脑的生理学知识又反过来修正模型%使它们与 生物学真实更加一致! 它的科学使命是(揭示人脑的 奥秘)防治神经系统疾病)发展神经计算机! !%&& 转基因 转基因技术&,-./012/3040’是 #& 世纪 +& 年代初发展起来的一项生物领域高新技术!转基因 是以物理$ 化学或生物方法将外源克隆化遗传物质 &567’直接转移给实验受体细胞%并发育成生命个体 或后代的过程%包括基因转移 $基因保存$转录$翻译 以及代谢功能的表达等! 外源基因导入受体细胞主要 有显微注射$电脉冲&电穿孔’$精子携带$磷酸钙共沉 淀$脂质体融合$逆转录病毒转染$微弹轰击 $激光介 导$基因枪&粒子枪’等方法! 目前%转基因技术在外源 基因片段长度$外源基因定点整合率$外源基因表达 率$ 转基因生物存活率等技术方面都有了很大提高! 在人类刚刚步入定向驾驭生物遗传改良的初期%转基 因生物不仅要顾及生产方式$社会伦理和生活习惯对 这种革命性变革的认可程度和承受能力 ’ 转基因生物 使用的外源基因更直接关系到转基因生物的环境安 全 $理论意义和实际价值 ! 从 8*+8 年第 8 只转基因 &,-./012/49’小鼠诞生开始%转基因技术的研究对象就 很快从小鼠扩大到农业动植物上来%8*+$ 年第一例转 基因家畜诞生%8*+! 年第一个转基因作物被释放到环 境中进行田间实验! 今天%全球转基因植物的产值达 8&& 亿美元%所增加的收益达 #& 亿":& 亿美元! 分子生物学 %正对生物科学各个领域 %包括医学 和农学$医药工业和生物技术产业进行广泛渗透和影 响! 近年来%分子生物学的发展得益于物理$化学和计 算机等学科的理论$ 方法与研究手段向生物学的渗 透%借助于这些学科的成果使分子生物学逐渐向精密 科学过渡%并跃居到现代自然科学的前沿! 分子生物 学的发展不仅是科技进步$农业发展$医疗先进的物 质基础%同时也改变着人类社会的思维方式和实践方 式%推动着社会的进步! 与此同时%随着它的发展%已 出现越来越多的生态环境$伦理道德$社会和法律上 的问题! 分子生物学对社会生产力发展产生深远的影 响%并有可能从根本上解决目前人类所面临的一系列 问题%如环境$粮食$能源$疾病等重大的问题! 因此% 对分子生物学发展前沿的问题不仅需要从环境 $生 态$资源$人口等方面来考虑%还需要从道德$伦理$法 律和社会等方面来考虑%从而最终达到辩证统一! 参考文献 8 王正平 ’叶贤富 ; 生物材料的应用及进展 ; 应用科技 ;#&&#’#*&<’( !+*<&; # 林翠梧%蒋林斌%赵树凯 ; 天然药物的研究与开发 ;广西大学学报 &自然科学版 ’;#&&8%#!&:’(8!#*8!%! : 龙华 ; 鱼类基因转移研究中存在的问题与对策 ;上海水产大学学 报 ;#&&:%&%’(:$:*:$+; % 李湘萍% 徐慰倬% 李宁 ; 动物基因敲除研究的现状与展望 ;遗传 ; #&&:%#$&8’(+8*++; =>?@ "垃圾 567#加速人类大脑进化 在基因水平上很难对一个人和一只黑猩猩作出判断 ! 但 是在对两者的大脑和行为进行对比后%就会发现差别是显而易 见的! 中国研究人员发现%一种与大脑发育有关的重要基因的 进化或许将有助于解释这一区别! 他们怀疑这些基因在加速大脑发育从而促进人类进化的 过程中扮演了一个重要的角色! 中国科学院昆明动物研究所的遗传学家宿兵研究小组 % 在对大量动物的基因序列进化过程进行比较后发现 %一种名为 A7B7A 前体的基因一直稳定地存在于动物体内 % 但是当人类 与黑猩猩在进化树上 "分道扬镳 #后 %它却在人类的 "家系 #中 以一种反常的速度进行着演化 ! A7B7A 前体至少曾经编码了 多种不同的蛋白质! 在人体内%8 个能够生成 A7B7A:+ 蛋白质 的基因区域与此有着密切的关系 %据推测 %这种蛋白质在神经 细胞的传递中扮演了不同的角色%并且对于小脑的正常发育和 影响脑细胞的转移起到了关键作用! 但是另一个名为 "未知领 域 #&C5’ 的基因序列却显示该基因曾经在人类的进化过程中 发生了极为迅速的变化***其速度大约是 C5 基因在其他哺 乳动物体内演化速度的 < 倍***基因序列还显示 %C5 基因曾 经在进化过程中得到了优先选择!研究人员断定%C5 基因在人 类的进化过程中形成了一种新的蛋白质%这种蛋白质具有一种 重要的功能%可能相当于 A7B7A:+ 的调节剂! 有科学家认为 % 对这样一个基因区域进行研究***由于 这些基因并没有转化为蛋白质而通常被视为 "垃圾脱氧核糖核 酸&567’#***将是发现以前未知蛋白质的一条有效途径! 摘自!科学时报"!""# 年 $ 月 !# 日 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!