分子生物学

分子生物学(molecular biology)广义上可以指从分子水平研究生命现象、探究生命本质的学科，实际上分子生物学主要以核酸和蛋白质的结构及其在遗传信息、细胞信息传递中的作用为研究对象，核心内容是核酸在生命过程中的作用，分子生物学更严格的定义是从分子水平研究基因的结构和功能的学科，包括遗传信息的传递、表达和调控等内容。

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。

19世纪末Buchner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（enzyme）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（包括尿素酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、共同酶、细胞色素C、肌动蛋白等），证明酶的本质是蛋白质。1953年Sanger和Thompson完成了第一个多肽分子——胰岛素A链和B链的氨基酸全序列分析。由于结晶X-线衍射分析技术的发展，1950年Pauling和Corey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。

20世纪20-30年代已确认了自然界有DNA和RNA两类核酸，并阐明了核苷酸的组成。1944年O.T.Avery等证明了肺炎球菌转化因子是DNA；1952年S.Furbery等的X-线衍射分析阐明了核苷[gān]酸并非平面的空间构像，提出了DNA是螺旋结构；1948-1953年Chargaff等用新的层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Chargaff规则，为碱基酸对的DNA结构认识打下了基础。

1953年Watson和Crick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。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生命中的作用打下了最重要的基础。在些期间的主要进展包括：

1956年A.Kornbery首先发现DNA聚合酶；1958年Meselson及Stahl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Okazaki(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。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Weiss及Hurwitz等发现依赖于DNA的RNA聚合酶；1961年Hall和Spiege-lman用RNA-DNA杂增色证明mRNA与DNA序列互补；逐步阐明了RNA转录合成的机理。1957年Hoagland、Zamecnik及Stephenson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Brenner及Gross等观察了在蛋白质合成过程中mRNA与核糖体的结合；1965年Holley首次测出了酵母丙氨酸tRNA的一级结构；特别是在60年代Nirenberg、Ochoa以及Khorana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。1970年Temin和Baltimore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。

1956-58年anfinsen和White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Ingram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。与此同时，对蛋白质研究的手段也有改进，1969年Weber开始应用SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳测定蛋白质分子量；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。

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

1967-1970年R.Yuan和H.O.Smith等发现的限制性核酸内切酶为基因工程提供了有力的工具；1977年Boyer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Itakura（板仓）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。转基因动植物和基因剔除植物的成功是基因工程技术发展的结果。1982年Palmiter等将克隆的生长激素基因导入小鼠受精卵细胞核内，培育得到比原小鼠个体大几倍的”巨鼠“，激起了人们创造优良品家畜的热情。1994年能比普通西红柿保鲜时间更长的转基因西红柿投放市场。1996年转基因玉米、转基因大豆相继投入商品生产，美国最早研制得到抗虫棉花，中国科学家将自己发现的蛋白酶抑制剂基因转入棉花获得抗棉铃虫的棉花株。到1996年全世界已有25万公顷土地种植转基因植物。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（遗传性腺苷脱氨酶ADA基因缺陷）的女孩体内导入重组的ADA基因。获得成功。中国也在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。在中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Sanger、Maxam和Gilbert先后发明了三种DNA序列的快速测定法；90年代全自动核酸序列测定仪的问世；1985年Cetus公司Mullis等发明的聚合酶链式反应（PCR）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重大的推动作用。

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Sanger测定了ΦX174-DNA全部5375个核苷酸的序列；1978年fiers等测出SV-40DNA全部5224对碱基序列；80年代λ噬菌体DNA合部48502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；1990年人类基因组计划（HumanGenomeProjiect）开始实施。

1975年Kohler和Milstein首次用B淋巴细胞杂交瘤技术制备出单克隆以来，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有有效的手段。80年代以后随着基因工程抗体技术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。

分子遗传学基本理论建立者Jacob和Monod最早提出的操纵元学说。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（内含子）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Cech等发现四膜虫rRNA的自我剪接，从而发现核（ribozyme）。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、参与蛋白南间的分子识别与相互作用是基因表达调控根本所在。

Sutherland1957年发现cDNA、1965年提出第二信使学说，是人们认识受体介导和细胞信号转导的第一个里程碑。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、各种受体蛋白基历的克隆和结构功能的探索等，使细胞信号转导的研究更有了长足的进步。

分子生物学主要包含以下三部分研究内容：

核酸的分子生物学研究核酸的结构及其功能。由于核酸的主要作用是携带和传递信息，因此分子遗传学（moleculargenetics）是其主要组成部分。由于50年代以来的迅速发展。该领域已形成了比较完整的理论体系和研究技术，是分子生物学内容最丰富的一个领域。研究内容包括核/基因组的结构、遗传信息的复制、转录与翻译，核酸存储的信息修复与突变，基因表达调控和基因工程技术的发展和应用等。遗传信息传递的中心法则（centraldogma）是其理论体系的核心。

蛋白质的分子生物学研究执行各种生命功能的主要大分子——蛋白质的结构与功能。尽管人类对蛋白质的研究比对核酸研究的历史要长得多，但由于其研究难度较大，与核酸分子生物学相比发展较慢。虽然在认识蛋白质的结构及其与功能关系方面取得了一些进展，但是对其基本规律的认识尚缺乏突破性的进展。

细胞信号转导的分子生物学研究细胞内、细胞间信息传递的分子基础。构成生物体的每一个细胞的分裂与分化及其各种功能的完成均依赖于外界环境所赋予的各种指示信号。在外源信号的刺激下，细胞可以将这些信号转变为一系列生物化学变化，例如蛋白质构象的转变、蛋白分子的磷酸化心脏蛋白与蛋白相互作用的变化等，从而使其增殖、分化及分泌状态等发生改变以适应内外环境的需要。信号转导研究的目标是简明这些变化的分子机理，明确每一种信号转导与传递的途径及参与该途径的所有分子的作用和调节方式以及认识各种途径间的网络控制系统。信号转导机理的研究在理论和技术方面与上述核酸及蛋白质分子有着紧密的联系，是当前分子生物学发展最迅速的领域之一。

由于分子生物学涉及认识生命的本质，因此，其理论和技术发展广泛地渗透到医学各学科领域中，成为现代医学重要的基础知识和应用技术。在医学各个学科中，包括生理学、免疫学、病理学、微生物学，药理学以及神经生物学、肿瘤等临床各学科，分子生物学都正在广泛地形成交叉与渗透，形成了一些交叉学科，如分子免疫学、分子肿瘤学、分子病毒学、分子病理学和分子药理学等，极大地促进了医学的发展。

生物化学与分子生物学的关系最为密切，两者同在一个二级学科中，称为“生物化学与分子生物学”，但两者存在区别。生物化学主要从化学角度研究生命现象，着重研究生物体内各种生物分子的结构与新陈代谢。传统的生物化学研究的主要内容是代谢，包括一些大分子，如糖，脂类，氨基酸和核苷酸，以及能量代谢等。而分子生物学主要的研究目的是阐明生命的本质，主要研究生物大分子的结构与功能以及遗传信息的传递和调控。

分子生物学、细胞生物学和神经生物学被认为是当代生物学研究的三大主题，分子生物学推动了细胞生物学和神经生物学的发展。细胞作为生物体基本的构成单位是由许多分子组成的复杂体系，传统的细胞生物学主要研究细胞以及亚细胞器的形态、结构与功能，探讨细胞的结构与功能的关联性;分子生物学则是从研究各个生物大分子的结构入手，研究各种生物大分子间的相互作用，尤其是细胞整体反应的分子机理，因此产生了分子细胞学或细胞分子生物学，促进了现代细胞生物学的发展。

分子生物学对遗传学发展影响最大。Mendel豌豆杂交实验以及由此得到的遗传规律，在分子生物学理论和技术发展中逐步得到分子水平上的解释。越来越多的遗传学原理被分子水平的实验所证实或摒弃;利用分子生物学技术，阐明许多遗传病的分子机制以及诊疗靶点，使其得到控制或矫正，分子遗传学已成为人类了解，阐明和改造自然界的重要武器之一。此外，分子生物学的发展也为发育生物学、考古学、数学、物理学、化学、信息与材料科学提出了许多新概念和新思路，促使这些学科在理论和方法上得到发展。

将编码某一多肽或蛋白质的基因(外源基因)组装到细菌质粒(质粒是细菌染色体外的双链环状 DNA分子)中，再将这种质粒(重组质粒)转入大肠埃希菌体内，这样重组质粒就随大肠埃希菌的增殖而复制，从而表达出外源基因编码的相应多肽或蛋白质。由于质粒具有不相容性，即同一类群的不同质粒常不能在同一菌株内稳定共存，当细胞分裂时就会分别进入到不同的子代细胞中，所以来源于一个菌株的质粒是一个分子克隆，而随质粒复制出的外源基因也就是一个分子克隆。

多聚酶链反应 (Polymerase chain Reaction简称 PCR)，是分子生物学领域中应用极广的一项，这是一种模拟天然DNA复制过程，在体外扩增特异性 DNA 片段的新技术。该项技术于 1985年由美国Cetus公司和加利福尼业大学联合建立，它的出现被认为是分子遗传学上的一项突破性进展，仅1988年一年，美国引证该项技术的杂志就高达353种。

自从琼脂糖(agarose)和聚丙烯酷胺(polyacrylamide)凝胶被发现以来，按相对分子质量大小分离DNA的凝胶电泳技术，已经成为分析鉴定重组 DNA分子及蛋白质与核酸相互作用的重要实验手段。

在电流作用下，埃德温·萨瑟恩（Edwin Southern）成功地将DNA片段从琼脂糖凝胶中转印到硝酸纤维膜上进行分子杂交分析，因此称为Southern印迹法。

艾尔文（Alwine）用类似方法也成功地将RNA从电泳胶中转印到硝酸纤维膜上作分子杂交分析，但他并没有称这一技术为Alwine印迹法，而是称之为Northern印迹法，以便与Southern印迹法相对应。

1981年布瑞特（Burette）又成功地将SDS-PAGE胶中的蛋白质转印到膜上进行免疫学分析（如抗原抗体结合、蛋白质与配基结合等），继Alwine之后，Burette称这一技术为Western印迹法。蛋白印迹法是一项广泛用于检测细胞或组织提取物中蛋白表达水平的技术。这项技术借助抗体与目的蛋白的结合作用，测量生物样品中的蛋白质水平。

后来有人提议将IEF胶（即等电聚焦电泳）中的蛋白质转印到膜上的技术称为Eastern印迹法，但这一建议并未被广泛接受。Eastern印迹法是一种检测蛋白质翻译后修饰的技术，其检测目标是蛋白质上特定的修饰基团或部位，如脂肪酸链、糖基、磷酸化的氨基酸等等。在Eastern印迹法的实验中，通常要先用2D电泳将蛋白质分离，然后转到膜上，再用特异的探针去检测。蛋白质的翻译后修饰是蛋白质执行功能过程中普遍存在的调控手段。

DNA 微阵列是一种工具，用于确定来自特定个体的 DNA 是否包含 BRCA1 和 BRCA2 等基因的突变。该芯片由一块包裹在塑料中的小玻璃板组成。一些公司使用类似于制造计算机微芯片的方法制造微阵列。从表面上看，每个芯片都包含数千个短的、合成的、单链的DNA序列，这些序列加起来就是所讨论的正常基因，以及在人群中发现的该基因的变异（突变）。

亲子鉴定近几年来，人类基因组研究的进展日新月异，而分子生物学技术也不断完善，随着基因组研究向各学科的不断渗透，这些学科的进展达到了前所未有的高度。在法医学上，STR位点和单核苷酸（SNP）位点检测分别是第二代、第三代DNA分析技术的核心，是继RFLPs（限制性片段长度多态性）VNTRs（可变数量串联重复序列多态性）研究而发展起来的检测技术。作为最前沿的刑事生物技术，DNA分析为法医物证检验提供了科学、可靠和快捷的手段，使物证鉴定从个体排除过渡到了可以作同一认定的水平，DNA检验能直接认定犯罪、为凶杀案、强奸杀人案、碎尸案、强奸致孕案等重大疑难案件的侦破提供准确可靠的依据。随着DNA技术的发展和应用，DNA标志系统的检测成为破案的重要手段和途径。此方法作为亲子鉴定已经是非常成熟的，也是国际上公认的最好的一种方法。

分子生物学作为现代科学的一门综合科学，其意义不止体现在纯粹的科学价值上；更为重要的是它的发展关系到人类自身的方方面面。分子生物学又可以细致的划分为大分子生物与电子生物学两种。上面提到的关于在刑侦方面的应用以及包括但不限于亲子鉴定、及婴儿男女鉴定方面的内容，大体为大分子分子内容的实际用途。而电子生物生物学则是从比大分子更细致的小分子及原子角度来解释生命的基本要素和构成，有着更多未解的谜题和更为广阔的科学前景。克隆技术基本上只是此项课题的一个入门阶段的应用。可以想象未来随着研究的深入以及物理学的进一步发展。人类有可能成为创造另类生物的“上帝”。

转基因生物是利用现代分子生物技术，将某些生物的基因转移到其他物种中去，改造生物的遗传物质，使其在形状、营养品质、消费品质等方面向人们所需要的目标转变。以转基因生物为直接食品或为原料加工生产的食品就是“转基因食品”，包括转基因植物食品、转基因动物食品和转基因微生物食品。转基因技术可用来改变植物的某些遗传特性，培育高产、优质、抗病毒、抗虫、抗寒、抗旱、抗涝、抗盐碱、抗除草剂等的作物新品种； 可用转基因植物或离体培养的细胞来生产外源基因的表达产物，如人的生长素、胰岛素、干扰素、白介素2、表皮生长因子、乙型肝炎疫苗等基因已在转基因植物中得到表达。

分子生物学是从研究各个生物大分子的结构入手，但各个分子不能孤立发挥作用，生命绝非组成万分的随意加和或混合，分子生物学还需要进一步研究各生物分子间的高层次组织和相互作用，尤其是细胞整体反应的分子机理。这在某种程度上是向细胞生物学的靠拢。分子细胞学或细胞分子生物学就因此而产生，成为人们认识生命的基础。由于分子生物学涉及认识生命的本质，它也就自然广泛的渗透到医学各学科领域中，成为现代医学重要的基础。已有人干扰素、人白介素2、人集落刺激因子、重组人乙型肝炎病毒为疫苗、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它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。应用分子生物学的基本理论及实验技术与病理学相互渗透形成分子病理学，研究人类疾病基本发生的过程及机制，以协助病理诊断和分型、指导靶向治疗、预测治疗反应及判断预后的一种病理诊断技术。