分子生物學(xué)導(dǎo)論
2024-11-13 13:55:27
來源/作者：普拉特澤-生物醫(yī)學(xué)整體課題外包平臺
相信點進(jìn)來的小伙伴都是未來生命科學(xué)界的準(zhǔn)泰斗了，這里我想先跟大家玩兒一個腦筋急轉(zhuǎn)彎兒，3秒內(nèi)答不出來的出去罰站，想到答案的，就在彈幕里扣出你的答案吧。
準(zhǔn)備好了嗎？
問：僵尸攻入了一個住滿科學(xué)家的村子，不一會兒就被團(tuán)滅了，為什么？來，摳出你的答案
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答案就是。。。（接，植物大戰(zhàn)僵尸中，豌豆大戰(zhàn)僵尸的名場面動畫）
因為村子里啊，住著孟德爾。他種的豌豆，把僵尸們都給打死了。
好了，你，還知道多少生命科學(xué)人才能秒懂的冷笑話或腦筋急轉(zhuǎn)玩兒呢？評論區(qū)里來逗一逗大家玩兒吧！
言歸正傳，讓我們開始今天的主題內(nèi)容，跟大家一起來回顧一下，我們分子生物學(xué)的發(fā)展史。
一、分子生物學(xué)的概念
首先問大家一個問題：生命是什么？這個問題是我們醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)永恒的話題。如果我們?nèi)タ?/span>Science和Nature這兩個研究自然科學(xué)的頂級雜志上所發(fā)表的論文，就會發(fā)現(xiàn)大約有四分之三的內(nèi)容都是在研究生命的本質(zhì)問題，由此可見，“生命的本質(zhì)到底是什么？”是人類科學(xué)研究的重點。
現(xiàn)代生物學(xué)認(rèn)為，生命，是一個過程。具體來說，生命是生物體所表現(xiàn)出來的自身繁殖、生長發(fā)育、新陳代謝、遺傳變異以及對刺激產(chǎn)生反應(yīng)等的復(fù)合現(xiàn)象，其中任何單一的現(xiàn)象都不是生物所特有的。生命科學(xué)的發(fā)展，經(jīng)歷了從生物的表型，到基因型、從整體水平，到細(xì)胞水平，再到分子水平的漫長發(fā)展歷程。
圖一描述了生命科學(xué)的發(fā)展歷程。早期生物學(xué)研究主要集中在生物的表型特征上，即生物體可以觀察到的外部形態(tài)和特性。隨著生命科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家們逐漸認(rèn)識到細(xì)胞是生物體的基本結(jié)構(gòu)和功能單位，這一發(fā)現(xiàn)使得生命科學(xué)的研究深入到了細(xì)胞水平，通過細(xì)胞生物學(xué)的研究，我們可以了解到細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、功能、分裂、分化和凋亡等生命活動的基本過程。細(xì)胞水平的研究不僅為我們揭示了生物體內(nèi)部復(fù)雜而精細(xì)的結(jié)構(gòu)，還為我們理解生命的本質(zhì)提供了重要的線索。
然而，隨著遺傳學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家們開始認(rèn)識到，生物體的遺傳信息（即基因型）對其表型有著決定性的影響，這一轉(zhuǎn)變標(biāo)志著生命科學(xué)從描述性向解釋性、從現(xiàn)象到本質(zhì)的重大跨越。通過基因型研究，我們能夠更好地理解生物的遺傳規(guī)律、變異機(jī)制和進(jìn)化過程。
進(jìn)幾十年來，隨著科技的進(jìn)步，只停留在表型、細(xì)胞、基因型上的研究無法從根本上解決困擾我們的生命科學(xué)難題，因此誕生了，分子生物學(xué)。而伴隨著分子生物學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，生命科學(xué)的研究進(jìn)一步深入到了分子水平。在分子水平上，科學(xué)家們可以研究生物大分子（如DNA、RNA和蛋白質(zhì)）的結(jié)構(gòu)、功能和相互作用等生命活動的基本機(jī)制。分子生物學(xué)的研究成果最終使得我們的生命體在分子層面、細(xì)胞層面以及整體水平上的研究，得到了和諧與統(tǒng)一。
圖一、生命科學(xué)從整體水平發(fā)展到分子水平示意圖
所以說，人們對生命本質(zhì)的探索，經(jīng)歷了從整體到局部、從宏觀到微觀，從表型到機(jī)制的探索歷程。
二、分子生物學(xué)的發(fā)展進(jìn)程
那么有小伙伴不禁要問，如此重要的分子生物學(xué)是如何一步步發(fā)展起來的呢？
其實，分子生物學(xué)的研究最早可追溯到1859年，這一年查爾斯·羅伯特·達(dá)爾文（Charles Robert Darwin）出版了《物種起源》，在該書中，查爾斯·羅伯特·達(dá)爾文（Charles Robert Darwin）根據(jù)20多年積累的對古生物學(xué)、生物地理學(xué)、形態(tài)學(xué)、胚胎學(xué)和分類學(xué)等許多領(lǐng)域的大量研究資料，以自然選擇為中心，從變異性、遺傳性、人工選擇、生存競爭和適應(yīng)，等方面論證物種起源和生命自然界的多樣性與統(tǒng)一性。
1865年，格雷戈爾·孟德爾（Gregor Johann Mendel）發(fā)現(xiàn)遺傳因子，并建立孟德爾遺傳定律。孟德爾遺傳定律的建立為分子生物學(xué)提供了理論基礎(chǔ)和研究方向。但，這些規(guī)律在當(dāng)時并沒有得到重視。他，也是我們視頻開頭腦經(jīng)急轉(zhuǎn)彎兒的靈感來源。
1869年，喬治·卡特利特·馬歇爾（George Catlett Marshall）通過膿細(xì)胞提取到一種富含磷元素的酸性化合物，因存在于細(xì)胞核中，而把它命名為核素，這里的核素就是我們現(xiàn)在通常所說的核酸，而核酸這一名詞是在馬歇爾發(fā)現(xiàn)核素20年以后才被正式起用，在接下來幾十年的研究中，人們一直忽略了核酸在生命體中的功能研究。
1900年，來自3個不同國家的植物學(xué)家，幾乎同時發(fā)現(xiàn)了格雷戈爾·孟德爾（Gregor Johann Mendel）的遺傳規(guī)律，他們查閱到了被淹沒在圖書館文獻(xiàn)中達(dá)35年之久的《植物雜交的實驗》原文，并把它重新公之于世。從此，格雷戈爾·孟德爾（Gregor Johann Mendel）的發(fā)現(xiàn)得到了高度評價并被廣泛認(rèn)知。
1902年，美國的生物學(xué)家沃爾特·薩頓（Walter Sutton）和德國的細(xì)胞學(xué)家博韋里（Theodor Boveri）提出染色體理論，后托馬斯·亨特·摩爾根（Thomas Hunt Morgan）在1910年提出基因就是位于染色體上的一個重要組成元件（也就是，基因位于染色體上）。并在1913年，他發(fā)現(xiàn)基因在染色體上呈現(xiàn)線性排列。
在1927年的時候，赫爾曼·約瑟夫·穆勒（Hermann Joseph Muller）通過X射線突變研究了基因內(nèi)的物理變化。
時間來到1944年，來自英國的生物學(xué)家弗雷德里克·格里菲斯（Frederick Griffith）通過肺炎雙球菌實驗證明DNA就是遺傳物質(zhì)，從此核酸是遺傳物質(zhì)的重要地位才被確立，人們把對遺傳物質(zhì)的注意力從蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到了核酸上。
在1953年，由詹姆斯·杜威·沃森（James Dewey Watson）和弗朗西斯·哈利·康普頓·克里克（Francis Harry Compton Crick）通過它的相關(guān)的X射線衍射圖來得出數(shù)據(jù)證明了DNA為雙螺旋結(jié)構(gòu)，并暗示DNA的復(fù)制方式。
而后，西爾遜（Meselson）和斯塔爾（Stahl）在1958年證明DNA的復(fù)制方式為半保留復(fù)制，并明確半保留復(fù)制是遺傳信息能夠準(zhǔn)確傳遞的保證。同年弗朗西斯·哈利·克里克（Francis Harry Compton Crick）根據(jù)上述研究歸納總結(jié)出來了基因信息傳遞的重要法則-中心法則，確立了DNA這段一種重要的核酸物質(zhì)，在基因信息傳遞過程中處于中心位置。
1961年悉尼·布倫納（Sydney Brenner）、弗朗索瓦·雅各布（Fran?ois Jacob）、馬修·梅塞爾森（Matthew Stanley Meselson）發(fā)現(xiàn)信使 RNA ，并指出mRNA是由 DNA 的一條鏈作為模板轉(zhuǎn)錄而來的、攜帶遺傳信息能指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的一類單鏈核糖核酸。1961年，在加州理工學(xué)院的一個實驗室，以悉尼·布倫納（Sydney Brenner）為首的九名科學(xué)家首次成功提取到mRNA。
4年后，也就是1966年，馬歇爾·沃倫·尼倫伯格（Marshall Warren Nirenberg）發(fā)現(xiàn)了遺傳密碼子的相關(guān)信息。通過這樣以上的幾項研究，科學(xué)家們終于將核酸與蛋白質(zhì)兩種重要的生物大分子緊密的聯(lián)系在一起了。
上述的研究史發(fā)現(xiàn)了基因和基因的本質(zhì)，并闡明了遺傳信息的傳遞過程。而對于基因改造的研究，則是在近幾十年里才發(fā)展起來的。
1967年保羅·伯格（Paul Berg）首次發(fā)現(xiàn)了在細(xì)胞內(nèi)部能可以將DNA連接到一起的DNA連接酶，1970年漢彌爾頓·奧塞內(nèi)爾·史密斯（Hamilton Othanel Smith)又發(fā)現(xiàn)了限制性內(nèi)切酶，然后保羅·伯格（Paul Berg）在1973年建立了DNA重組技術(shù)，并獲得了第一個體外重組的DNA。
隨后，1975年戴維·巴爾的摩（David Baltimore）發(fā)現(xiàn)了逆轉(zhuǎn)錄酶，1981年，威廉·吉爾伯特（William Gilbert）和弗雷德里克·桑格（Frederick Sanger）又建立了DNA測序方法。直到1985年，凱利·穆利斯（Kary Banks Mullis）發(fā)現(xiàn)了分子生物學(xué)最重要的一個技術(shù)-PCR技術(shù)，為我們接下來基因組的進(jìn)一步的研究提供了可能，到此中心法則的內(nèi)容變得更加完整。
說到這里呀，有多少小伙伴還記得PCR技術(shù)的三板斧：高溫變性、低溫退貨、適溫延伸?，F(xiàn)在我們做PCR，只需要將Mix、引物和模版按一定比例混合并放置到PCR儀里，設(shè)定好程序就可以進(jìn)行擴(kuò)增反應(yīng)了，不可謂不方便。但是Up主年輕時候的導(dǎo)師啊，他們那一代的人做PCR，可是用一邊用水浴鍋控溫、一邊用鬧鐘計時的呢。
跑完題后，我們再跑回來。在1975年之后，發(fā)展出了基因組學(xué)研究，其中最最重要的就是1990年美國首先啟動的人類基因組計劃。伴隨著這個計劃的提出，1994年中國人類基因組計劃也正式啟動，成為世界人類基因組計劃的一個組成部分。在此之后，利用DNA重組技術(shù)，在1997年得到了第一只克隆羊多莉。2001年，美英等國家又完成了人類基因組計劃的基本框架。在2003年，人類基因組序列圖基本繪制完成。2010年5月，由美國人克萊格·文特爾（John Craig Venter）宣布世界首個人造生命在美國誕生，標(biāo)志著基因研究從改造進(jìn)入了創(chuàng)造階段。2012年，基于CRISPR-Cas9系統(tǒng)的基因編輯技術(shù)出現(xiàn)，這是一種能夠高效、精確、快速地對基因進(jìn)行替換、修正、刪除的革命性技術(shù)。2019年，人造新冠（不是），美國新冠（不是），美國人造新冠，嗶——————，病毒的出現(xiàn)，標(biāo)志著人類基因工程產(chǎn)物，大規(guī)模人群試驗開啟的新紀(jì)元。
由此可見，每隔5-10年，人類歷史上就有分子生物學(xué)領(lǐng)域重大的突破性成果出現(xiàn)。我們，一起期待未來幾十年內(nèi)的人類群星閃耀之時。
圖二、分子生物學(xué)發(fā)展簡史
分子生物學(xué)經(jīng)歷了漫長的發(fā)展歷程，其中，有幾個事件尤其重要。
① 格雷戈爾·孟德爾（Gregor Johann Mendel）首先提出遺傳因子的概念：為什么說這個事件在生物學(xué)的發(fā)展史上是非常重要的呢？因為在生物學(xué)研究歷史中，格雷戈爾·孟德爾（Gregor Johann Mendel）是第一個將有機(jī)體遺傳性狀視為組成活體生命的部分實體的人，他指出它們可以在活體生命之間互相單獨傳遞。換句話說，他在人類歷史上，率先將活體生命當(dāng)作一種具有獨立遺傳性狀的、穩(wěn)定的、能延續(xù)千萬年的、精雕細(xì)刻的“藝術(shù)品”。在格雷戈爾·孟德爾（Gregor Johann Mendel）之前，關(guān)于遺傳現(xiàn)象的解釋主要流行達(dá)爾文提出的融合學(xué)說，即將遺傳現(xiàn)象解釋為母方卵細(xì)胞與父方精子中存在的“某種液體”混合，是孩子繼承父母兩方特征的原因。然而，格雷戈爾·孟德爾（Gregor Johann Mendel）對這種解釋持懷疑態(tài)度，并決定通過實驗來探究遺傳的真相。孟德爾所在的修道院的后院中有一塊長35公尺，寬7公尺的空地，孟德爾就在這塊空地上種了許多豌豆，這一種就是兩年，他用了兩年的時間，從34種不同類型的豌豆中找到了14種明顯的性狀，組成了7對參照物進(jìn)行進(jìn)一步研究。分別是豆粒飽滿和褶皺、豆粒黃色和綠色、花瓣白色和紫色、豆莢飽滿和褶皺、豆莢黃色和綠色、花開的高與低、植株的高與低這七對不同的性狀。格雷戈爾·孟德爾（Gregor Johann Mendel）通過豌豆雜交實驗統(tǒng)計和分析后代的表現(xiàn)型比例，揭示了生物體遺傳給后代的基本規(guī)律，即遺傳信息的傳遞方式和遺傳因子的組合方式：基因的分離定律和自由組合定律。基因的分離定律是指：雜合體中決定某一性狀的成對遺傳因子，在減數(shù)分裂過程中，彼此分離，互不干擾，使得配子中只具有成對遺傳因子中的一個，從而產(chǎn)生數(shù)目相等的、兩種類型的配子，且獨立地遺傳給后代?；虻淖杂山M合定律是指：具有兩對（或更多對）相對性狀的親本進(jìn)行雜交，在F1產(chǎn)生配子時，在等位基因分離的同時，非同源染色體上的非等位基因表現(xiàn)為自由組合，這就是自由組合規(guī)律的實質(zhì)。也就是說，一對等位基因與另一對等位基因的分離與組合互不干擾，各自獨立地分配到配子中，這也之前的融合學(xué)說完全相悖。
然而，在格雷戈爾·孟德爾（Gregor Johann Mendel）生前，他的發(fā)現(xiàn)并沒有得到充分的重視和認(rèn)可。直到20世紀(jì)初，隨著遺傳學(xué)研究的深入和發(fā)展，孟德爾遺傳定律才逐漸被科學(xué)界所接受和推崇。如今，孟德爾遺傳定律已成為遺傳學(xué)領(lǐng)域不可或缺的基礎(chǔ)知識之一。
圖三、孟德爾遺傳定律
DNA是遺傳因子：1928年弗雷德里克·格里菲斯（Frederick Griffith）以肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實驗奠定了DNA是遺傳物質(zhì)的基礎(chǔ)。20世紀(jì)初，當(dāng)時科學(xué)界普遍認(rèn)為蛋白質(zhì)是生物體的遺傳物質(zhì)，因為蛋白質(zhì)由多種氨基酸連接而成，且氨基酸的排列順序可能蘊(yùn)含著遺傳信息。英國科學(xué)家弗雷德里克·格里菲斯（Frederick Griffith）進(jìn)行了著名的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗。這個實驗大家在初高中生物課上一定都學(xué)習(xí)過。如圖所示。弗雷德里克·格里菲斯（Frederick Griffith）用肺炎雙球菌在小鼠身上進(jìn)行了轉(zhuǎn)化實驗，實驗中，格里菲斯將S型菌的提取物與R型菌混合后注射給小鼠，結(jié)果小鼠死亡，并從其體內(nèi)分離出了S型菌。這表明R型菌在某種因子的作用下轉(zhuǎn)化為了S型菌，同時說明S型菌（光滑型，有毒性）中存在某種“轉(zhuǎn)化因子”，這種轉(zhuǎn)化因子能夠?qū)?/span>R型菌（粗糙型，無毒性）轉(zhuǎn)化為S型菌，但這種轉(zhuǎn)化因子到底是什么還未可知。因此，在1944年奧斯瓦爾德·西奧多·埃弗里（Oswald Theodore Avery）、約翰·詹姆士·理察·麥克勞德 （John James Richard Macleod）和麥克林·麥卡蒂（Maclyn McCarty）采用與弗雷德里克·格里菲斯（Frederick Griffith）相似的轉(zhuǎn)化實驗
① 證明了來自毒性細(xì)胞的轉(zhuǎn)化物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)。即分別用蛋白質(zhì)酶、DNA酶、RNA酶降解對應(yīng)的組分，發(fā)現(xiàn)只有DNA酶破壞了提取物的轉(zhuǎn)化能力，這些結(jié)果提示了DNA就是轉(zhuǎn)化物質(zhì)及遺傳因子。
圖四、肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗
為了進(jìn)一步證明上述的實驗結(jié)論，1952年艾爾弗雷德·赫爾希（Alfred Day Hershey）和瑪莎·蔡斯（Martha Cowles Chase）進(jìn)行了進(jìn)一步的實驗。該實驗涉及大腸桿菌T2細(xì)菌噬菌體，采用放射性同位素磷-32標(biāo)記DNA，硫-35標(biāo)記蛋白質(zhì)，因為DNA富含磷而噬菌體蛋白含硫不含磷，最后噬菌體會吸附到細(xì)菌上，并將DNA注入細(xì)胞內(nèi)。實驗發(fā)現(xiàn)，只有標(biāo)記了DNA的噬菌體能夠?qū)⑵溥z傳信息傳遞給子代噬菌體，而標(biāo)記了蛋白質(zhì)的噬菌體則不能。這一結(jié)果進(jìn)一步證實了DNA是遺傳物質(zhì)。
圖五、T2噬菌體侵染細(xì)菌
② DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)：上面的研究證實了DNA是遺傳物質(zhì)，DNA因此也成為生命研究的最核心位置，但DNA的三維結(jié)構(gòu)還未知，當(dāng)時有許多研究者致力于揭示該結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在我們知道DNA是雙螺旋結(jié)構(gòu)，但其實其中的探索歷程也是非常曲折的，我們一起來看看雙螺旋結(jié)構(gòu)是如何被發(fā)現(xiàn)的？有4位科學(xué)家在該結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)過程做出了巨大貢獻(xiàn)。首先是奧地利生物化學(xué)家埃爾文·查戈夫（Erwin Chargaff），他發(fā)現(xiàn)嘌呤的含量總是大體與嘧啶含量相等，該規(guī)則為雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。隨后英國女科學(xué)家羅莎琳德·埃爾西·富蘭克林（Rosalind Elsie Franklin）拍攝了一張DNA的X射線衍射照片，該衍射圖非常簡單，只是一系列的點排列成X形狀，表明DNA結(jié)構(gòu)本身也一定非常簡單。但DNA分子非常大，因此只有具備規(guī)則、重復(fù)的結(jié)構(gòu)，才有可能有簡單的X射線衍射照片，對于DNA分子這一種細(xì)長分子而言，最簡單重復(fù)形狀就是像瓶塞鉆一樣的螺旋結(jié)構(gòu)或螺旋，因此沃森（James Dewey Watson）和克里克（Francis Harry Compton Crick）大膽推測：DNA分子是雙螺旋結(jié)構(gòu)。但該衍射圖也存在一個令人疑惑的點：假設(shè)DNA是規(guī)則的、有重復(fù)結(jié)構(gòu)的螺旋，而它要行使其遺傳功能，就應(yīng)該是不規(guī)則的堿基順序。那這種現(xiàn)象又怎么解釋呢？這時詹姆斯·杜威·沃森（James Dewey Watson） (22歲獲得博士學(xué)位）和弗朗西斯·哈利·康普頓·克里克（Francis Harry Compton Crick）提出：DNA分子是雙螺旋結(jié)構(gòu)，糖-磷酸骨架在外面，堿基在里面。堿基是配對的，一條鏈上的嘌呤總是與另一條鏈上的嘧啶匹配。這樣既解決了上述的矛盾，又同時滿足Chargaff規(guī)則。至此，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)被提出，相關(guān)研究成果發(fā)布在Nature雜志上，同時在這篇論文中兩位科學(xué)家也暗示了DNA的復(fù)制機(jī)制。
圖六、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)
（這里有個小故事：雙螺旋結(jié)構(gòu)能夠建立最關(guān)鍵的一步是女科學(xué)家羅莎琳德·埃爾西·富蘭克林（Rosalind Elsie Franklin）拍到的DNA X射線衍射圖，這個圖為DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)奠定了重要基礎(chǔ)，沃森（James Dewey Watson）和克里克（Francis Harry Compton Crick）就是在看到這張圖之后才提出并建立了這個模型。當(dāng)時的社會環(huán)境對于對女科學(xué)家的歧視處處存在，富蘭克林（Rosalind Elsie Franklin）跟實驗室同事莫里斯·休·弗雷德里克·威爾金斯(Maurice Hugh Frederick Wilkins)關(guān)系不好，這個同事在未經(jīng)富蘭克林的同意私自把這張圖拿給了沃森（James Dewey Watson）和克里克（Francis Harry Compton Crick）看，并將相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Nature上，這篇文章只有短短的900字，堪稱史上最短的nature論文，該論文中提及他們是受到莫里斯·休·弗雷德里克·威爾金斯(Maurice Hugh Frederick Wilkins)與羅莎琳德·埃爾西·富蘭克林（Rosalind Elsie Franklin）等人的啟發(fā)，但并未詳細(xì)說明，也沒有致謝。詹姆斯·杜威·沃森（James Dewey Watson）、弗朗西斯·哈利·康普頓·克里克（Francis Harry Compton Crick）和莫里斯·休·弗雷德里克·威爾金斯(Maurice Hugh Frederick Wilkins)獲也因此獲得了諾貝爾獎，但是遺憾的是，當(dāng)1962年詹姆斯·杜威·沃森（James Dewey Watson）、弗朗西斯·哈利·康普頓·克里克（Francis Harry Compton Crick）和莫里斯·休·弗雷德里克·威爾金斯(Maurice Hugh Frederick Wilkins)獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的時候，羅莎琳德·埃爾西·富蘭克林（Rosalind Elsie Franklin）已經(jīng)在4年前因為卵巢癌而去世，患癌的原因可能與她研究的X射線有關(guān)。
而按照慣例，諾貝爾獎不授予已經(jīng)去世的人，且同一獎項至多只能由3個人分享，如果當(dāng)時羅莎琳德·埃爾西·富蘭克林（Rosalind Elsie Franklin）在世，她，會共享諾貝爾獎嗎？這里也引申出一個話題：性別的差異是否是科學(xué)家們公平競爭的障礙？覺得是的小伙伴啊在彈幕里扣1，覺得不是的小伙伴，扣2。
③ 中心法則的提出：1957年，弗朗西斯·哈利·康普頓·克里克（Francis Harry Compton Crick）最初提出的中心法則是：DNA→RNA→蛋白質(zhì)，它說明遺傳信息在不同的大分子之間的轉(zhuǎn)移都是單向的，不可逆的，只能從DNA到RNA（轉(zhuǎn)錄），從RNA到蛋白質(zhì)（翻譯）。這兩種形式的信息轉(zhuǎn)移在所有生物的細(xì)胞中都得到了證實。然而，隨著科學(xué)研究的深入，菲利普·霍利格爾（Philipp Holliger）在某種RNA病毒里發(fā)現(xiàn)了一種RNA復(fù)制酶，從而知道了某些RNA也能復(fù)制。1970年，霍華德·馬丁·特明 (Howard Martin Temin）和戴維·巴爾的摩（David Baltimore）在一些RNA致癌病毒中發(fā)現(xiàn)它們在宿主細(xì)胞中的復(fù)制過程是先以病毒的RNA分子為模板合成一個DNA分子，再以DNA分子為模板合成新的病毒RNA。前一個步驟被稱為反向轉(zhuǎn)錄，是中心法則提出后的新發(fā)現(xiàn)。因此，弗朗西斯·哈利·康普頓·克里克（Francis Harry Compton Crick）在1970年重申了中心法則的重要性，并提出了更為完整的圖解形式，也就是今天看到的形式。中心法則的提出和發(fā)展，為我們理解遺傳信息的傳遞和表達(dá)提供了重要的理論框架。
④ 遺傳密碼子的破譯：在遺傳密碼破譯的早期階段，科學(xué)家們很早就知道DNA是由多種化學(xué)物質(zhì)組成的，但對這些化學(xué)物質(zhì)的具體種類和性質(zhì)并不完全了解。隨著科學(xué)研究的深入，人們逐漸認(rèn)識到DNA分子中的這些化學(xué)物質(zhì)實際上是四種不同的核苷酸，它們以特定的順序排列，構(gòu)成了DNA的遺傳信息。這個發(fā)現(xiàn)對于理解基因和遺傳密碼的工作具有重要意義。在這之后科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的翻譯過程這個過程涉及到一種叫做密碼子的三個核苷酸序列，每個密碼子對應(yīng)著一個氨基酸，這些氨基酸連接在一起形成蛋白質(zhì)。通過進(jìn)一步的研究，馬歇爾·沃倫·尼倫伯格（Marshall Warren Nirenberg）等人成功地解讀DNA信息傳遞到蛋白質(zhì)的細(xì)節(jié)，他們發(fā)現(xiàn)，一共有64種可能的密碼子，其中三個密碼子作為停止信號，表示蛋白質(zhì)合成的終止，剩下的61個密碼子對應(yīng)著不同的氨基酸，且密碼子具有以下特點：每個密碼子三聯(lián)體決定一種氨基酸；密碼子具有連續(xù)性，密碼子之間無逗號，兩種密碼子之間無任何核苷酸或其它成分加以分離；密碼子具有方向性；密碼子有簡并性，一種氨基酸有幾個密碼子，或者幾個密碼子代表一種氨基酸；密碼子有通用性，即不論是病毒、原核生物還是真核生物密碼子的含義都是相同的。遺傳密碼的破譯對于生命科學(xué)研究的進(jìn)展具有重大意義。它揭示了基因和蛋白質(zhì)之間的密切關(guān)系，通過破譯遺傳密碼，可以幫助我們更好地理解基因如何通過蛋白質(zhì)的合成來驅(qū)動生命的各種過程。
圖七、遺傳密碼子
⑤ 人類基因組計劃：宗旨在于測定組成人類染色體（指單倍體）中所包含的30億個堿基對組成的核苷酸序列，從而繪制人類基因組圖譜，并且辨識其載有的基因及其序列，達(dá)到破譯人類遺傳信息的最終目的，該計劃由美國科學(xué)家雷納托·杜爾貝科（Renato Dulbecco）于1985年率先提出，于1990年正式啟動，美國、英國、法國、德國、日本和中國科學(xué)家共同參與了這一預(yù)算達(dá)30億美元的人類基因組計劃，中國在1994年也加入到該計劃中來。按照這個計劃的設(shè)想，在2005年，要把人體內(nèi)約2.5萬個基因的密碼全部解開，同時繪制出人類基因的圖譜，換句話說，就是要揭開組成人體2.5萬個基因的30億個堿基對的秘密。截止到2003年4月14日，人類基因組計劃的測序工作已經(jīng)完成。“人類基因組計劃”在研究人類過程中建立起來的策略、思想與技術(shù)，同樣可以用于研究微生物、植物及其他動物。
⑥ 人造生命的誕生：2010年5月20日，在美國的一家私立科研機(jī)構(gòu)克雷格·克萊格·文特爾（John Craig Venter）宣布世界首例人造生命“辛西婭”（Synthia，意為“人造兒”）誕生，標(biāo)志了基因研究從改造進(jìn)入創(chuàng)造階段。這是一種完全由人造基因控制的單細(xì)胞細(xì)菌，是地球上第一個能自我復(fù)制的人造物種，其‘生身父母’是計算機(jī)。克萊格·文特爾（John Craig Venter）首先選取了一種名為絲狀支原體（Mycoplasma mycoides）的細(xì)菌，并將其染色體進(jìn)行解碼。利用化學(xué)方法，研究人員一點一點地重新排列DNA，并將人工合成的1078條平均長度為1080bp的DNA片段拼接為支原體全長基因組，然后將重組的DNA片段植入到另一種山羊支原體中，通過生長和分離，受體細(xì)菌產(chǎn)生了帶有人造DNA的細(xì)胞，這些細(xì)胞開始自我復(fù)制，形成新一代的人造生命體-辛西婭。辛西婭能自我復(fù)制，產(chǎn)生的新一代的人造生命。 這項里程碑意義的實驗表明，新的生命體可以在實驗室里“被創(chuàng)造”，而不是一定要通過“進(jìn)化”來完成。批評者認(rèn)為，人類無論如何都不可以充當(dāng)“造物主”，也沒有資格像“上帝”或那樣創(chuàng)造生命，破壞自然界的平衡；更多人則擔(dān)心此研究成果會被居心不良者用來合成生化武器，制造恐怖威脅。而贊成者認(rèn)為，這項技術(shù)可以為人類帶來諸多好處，比如制造能產(chǎn)生生物燃料的細(xì)菌、特殊高效的藥品、能吸收二氧化碳或其他污染物的細(xì)菌，甚至制造合成疫苗所需要的蛋白質(zhì)等等。盡管有種種爭議，克萊格·文特爾（John Craig Venter）的研究仍然具有劃時代的意義。美國賓州大學(xué)生物倫理學(xué)家亞瑟·卡普蘭（ArthurCaplan）說：“該研究成果可以徹底平息有關(guān)生命到底需不需要特殊力量才能被創(chuàng)造和生存下來的爭論，甚至可以顛覆人類長久以來對于生命本質(zhì)的看法，讓人們重新審視自身和人類在宇宙中的地位，其深遠(yuǎn)意義堪比伽利略·伽利雷（Galileo di Vincenzo Bonaulti de Galilei）、克里斯托弗·哥倫布（Christopher Columbus）、查爾斯·羅伯特·達(dá)爾文（Charles Robert Darwin）和阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）等對人類發(fā)展做出的貢獻(xiàn)。”
圖八、人造生命辛西婭
⑦ 基因編輯技術(shù)的誕生：基因編輯是指通過基因編輯技術(shù)對生物體基因組特定目標(biāo)進(jìn)行修飾的過程，高效而精準(zhǔn)地實現(xiàn)基因插入、缺失或替換，從而改變其遺傳信息的表達(dá)和表型特征。在DNN雙螺旋結(jié)構(gòu)及DNA重組技術(shù)陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)后，科學(xué)家于1979年開始利用酵母等內(nèi)源重組效率高的單細(xì)胞生物實現(xiàn)基因替換，這標(biāo)志著原始的基因編輯技術(shù)登上歷史舞臺。而后隨著基因工程和分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，科學(xué)家們開始嘗試在更復(fù)雜的生物體中進(jìn)行基因編輯，基因編輯技術(shù)也得到了新的突破。ZFNs（鋅指核酸酶）和TALENs（轉(zhuǎn)錄激活效應(yīng)核酸酶）作為早期的基因編輯工具，通過特定的蛋白質(zhì)識別并結(jié)合到DNA的特定序列上，然后利用核酸酶切割DNA。然而，這些技術(shù)存在效率不高、脫靶效應(yīng)嚴(yán)重等問題。因此在2000年初，科學(xué)家們開始關(guān)注CRISPR（成簇規(guī)律間隔短回文重復(fù)序列）這一在細(xì)菌中廣泛存在的免疫系統(tǒng)。2012年詹妮弗·杜德納（Jennifer A. Doudna）和伊曼紐爾·沙彭蒂埃（Emmanuelle Charpentier）在《科學(xué)》雜志上共同發(fā)表了一篇關(guān)于CRISPR/Cas9基因編輯系統(tǒng)的里程碑式論文。她們發(fā)現(xiàn)CRISPR/Cas9系統(tǒng)能夠精確地識別并切割特定的DNA序列，從而為基因編輯技術(shù)帶來了革命性的突破。自CRISPR/Cas9技術(shù)問世以來，科學(xué)家們不斷對其進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以提高其編輯效率和準(zhǔn)確性，減少脫靶效應(yīng)。
值得我們注意的是，其實在CRISPR/Cas9系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)之前，科學(xué)家們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以通過相關(guān)的技術(shù)手段來調(diào)控基因的表達(dá)，如1998年首次發(fā)現(xiàn)的RNA干擾（RNAi）現(xiàn)象。2001年，美國科學(xué)家托馬斯·圖歇爾（Thomas Tuschl）等人將僅含有21個核苷酸的dsRNA遞送至人胚腎細(xì)胞和海拉細(xì)胞中，成功抑制了細(xì)胞內(nèi)特定蛋白質(zhì)的表達(dá)，這種僅含有21-25個核苷酸的dsRNA被正式稱為“siRNA”。此后又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了其他的能夠調(diào)控基因表達(dá)的RNA，如miRNA及shRNA等。RNA干擾技術(shù)作用于轉(zhuǎn)錄后水平，通過降解mRNA來抑制基因表達(dá)，基因編輯則作用于基因組水平，通過直接修改DNA序列來改變遺傳信息。雖然原理有所不同，但兩者都旨在調(diào)控生物體的基因表達(dá)或遺傳信息。在某些情況下，兩者可以互補(bǔ)，例如，在需要快速、短暫地抑制基因表達(dá)以研究基因功能時，RNAi是一個很好的選擇。而基因編輯則更適用于需要永久、精確地修改基因組序列的場景，如遺傳病治療、作物改良等。
三、分子生物學(xué)的研究內(nèi)容
通過上面的內(nèi)容我們大概已經(jīng)了解了分子生物學(xué)的研究對象是生物大分子（包括DNA、RNA和蛋白質(zhì)等），而分子生物學(xué)的主要研究內(nèi)容為生物大分子的結(jié)構(gòu)、功能，生物大分子之間的相互作用及其與疾病免疫發(fā)生、發(fā)展的關(guān)系。根據(jù)這個定義我們可將分子生物學(xué)的研究內(nèi)容概括為以下幾個方面。
① 基礎(chǔ)理論研究
生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能：
蛋白質(zhì)：蛋白質(zhì)作為生命活動的主要承擔(dān)者，其結(jié)構(gòu)多樣性決定了功能的多樣性。分子生物學(xué)主要研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)（包括一級、二級、三級和四級結(jié)構(gòu)）及其與功能的關(guān)系。
核酸：關(guān)注DNA和RNA的結(jié)構(gòu)、功能以及核酸的相互作用等過程，并揭示這些過程如何調(diào)控基因的表達(dá)。
糖類與脂質(zhì)：研究這些生物大分子的結(jié)構(gòu)、功能及其與蛋白質(zhì)、核酸的相互作用。例如，通過基因克隆和表達(dá)技術(shù)可以研究糖基轉(zhuǎn)移酶、脂質(zhì)合成酶等關(guān)鍵酶的基因和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而揭示糖和脂質(zhì)的生物合成途徑及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。此外，利用基因編輯技術(shù)（如CRISPR-Cas9）可以精確修改生物體內(nèi)與糖和脂質(zhì)代謝相關(guān)的基因，為疾病治療提供新的策略。
基因表達(dá)調(diào)控：基因表達(dá)調(diào)控是生物體發(fā)育、分化、代謝等生命活動的重要基礎(chǔ)。分子生物學(xué)主要研究基因在不同水平（如染色質(zhì)、DNA、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后、翻譯及翻譯后）上的表達(dá)調(diào)控機(jī)制。
結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)：結(jié)構(gòu)生物學(xué)主要研究生物大分子及其互作的空間結(jié)構(gòu)、構(gòu)象變化與功能的關(guān)系。尤其是冷凍電鏡的發(fā)明能夠更深入地了解生物大分子的三維結(jié)構(gòu)及其動態(tài)變化。值得一提的是目前我國建成了世界上最大的冷凍電鏡設(shè)施系統(tǒng)，且中國科學(xué)院院士、現(xiàn)任西湖大學(xué)校長施一公教授在結(jié)構(gòu)生物學(xué)方面有著杰出的貢獻(xiàn)，其團(tuán)隊利用冷凍電鏡技術(shù)揭示了多種蛋白分子的生物結(jié)構(gòu)，加深了我們對生物分子結(jié)構(gòu)和功能的理解，為相關(guān)疾病的治療（如阿爾茲海默癥（俗稱老年癡呆癥）和漸凍癥）提供了重要線索和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
② 技術(shù)應(yīng)用研究
DNA重組技術(shù)：DNA重組技術(shù)是在體外將不同來源的DNA重新組合以獲得新功能分子的技術(shù)，該技術(shù)可用于定向改造生物基因組結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)基因的定向轉(zhuǎn)移、克隆和表達(dá)。隨著CRISPR-Cas9等基因編輯技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，DNA重組技術(shù)將更加高效、精確和靈活地應(yīng)用于基因功能研究、疾病診斷和治療等方面。
基因組學(xué)：基因組學(xué)是對生物體所有基因進(jìn)行集體表征、定量研究及不同基因組比較研究的一門交叉生物學(xué)學(xué)科。它主要研究基因組的結(jié)構(gòu)、功能、進(jìn)化、定位和編輯等，以及它們對生物體的影響。高通量DNA測序技術(shù)（如二代測序、三代測序等）是基因組學(xué)研究的重要手段。
轉(zhuǎn)錄組學(xué)：轉(zhuǎn)錄組學(xué)主要研究細(xì)胞或組織中所有轉(zhuǎn)錄本及其表達(dá)水平，以了解基因在不同條件下的表達(dá)情況。轉(zhuǎn)錄組學(xué)有助于揭示基因表達(dá)與生命活動之間的關(guān)系。轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究方法主要包括基于雜交技術(shù)的芯片技術(shù)和基于序列分析的測序技術(shù)（如RNA-Seq）等。
蛋白質(zhì)組學(xué)：蛋白質(zhì)組學(xué)是對細(xì)胞或組織中所有蛋白質(zhì)進(jìn)行全面研究，包括蛋白質(zhì)的表達(dá)水平、翻譯后修飾和相互作用等。它旨在獲得蛋白質(zhì)水平上的關(guān)于疾病發(fā)生、細(xì)胞代謝等過程的整體而全面的認(rèn)識。蛋白質(zhì)組學(xué)的研究方法主要包括二維電泳和質(zhì)譜技術(shù)的結(jié)合使用。二維電泳用于分離蛋白質(zhì)混合物中的各個蛋白質(zhì)組分，而質(zhì)譜技術(shù)則用于鑒定蛋白質(zhì)的序列和修飾情況。
代謝組學(xué)：代謝組學(xué)是對生物體內(nèi)所有代謝物進(jìn)行定量分析，并尋找代謝物與生理病理變化的關(guān)系的一種組學(xué)研究。研究對象主要是小分子代謝產(chǎn)物。代謝組學(xué)在營養(yǎng)學(xué)、毒理學(xué)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。代謝組學(xué)的研究方法主要包括液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)等。
③ 其他相關(guān)領(lǐng)域
生物信息學(xué)：生物信息學(xué)在基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用借助計算機(jī)技術(shù)對海量生物數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理和分析，以發(fā)現(xiàn)新的生物學(xué)規(guī)律和知識。如可利用生物信息學(xué)方法進(jìn)行序列比對、結(jié)構(gòu)比對、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測、基因識別、非編碼區(qū)分析、分子進(jìn)化、藥物設(shè)計等。
基因修復(fù)與基因治療：利用分子生物學(xué)技術(shù)修復(fù)受損的基因或治療由基因突變引起的疾病。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，基因修復(fù)與基因治療有望成為未來醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要治療手段。
關(guān)于分子生物學(xué)導(dǎo)論部分的內(nèi)容就講到這里，通過上述內(nèi)容，我們可以了解到分子生物學(xué)的前世今生，分子生物學(xué)的研究內(nèi)容以及相關(guān)實驗技術(shù)，同時學(xué)習(xí)到科學(xué)家們細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲芯褚约案矣诖蚱啤罢胬怼钡挠職??？蒲胁灰祝Ｍ@些能給同樣處在生命科學(xué)研究中的大家一點啟示和慰藉。今天就先講到這里，希望大家給我們一鍵三連呀，讓我們有動力更新下去。祝大家科研順利、萬事如意！視頻版本請點擊《分子生物160年發(fā)展史，從物種起源到新冠病毒》
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