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Molecular Biology and Public Health （分子生物学与公共卫生）

-------Introduction（绪论）

Laboratory of Microbial Pathogens and Antimicrobial Therapy

(病原微生物与抗感染治疗课题组)

赵西林教授，博士

王岱副教授，博士

研究方向

• 细菌抗/耐药性产生分子机制；

• 细菌应激应答反应分子机制；

• 病原菌致病分子机制；

• 非传统抗/杀菌治疗方法。

课题组人员

• 课题组长赵西林 博士/教授

• 成员王岱 博士/副教授廖逸群 博士/助理教授薛云新 硕士/助理工程师

• 研究生冯锦芝、马丽娜

联系我们：电话：0592-2880630 或email：zhaox5@xmu.edu.cn；daiwang@xmu.edu.cn

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什么是分子生物学?

• 广义概念: 在分子水平上研究生命现象的科学， 涵盖了分子遗传学和生物化学等学科的研究内容。

• 狭义概念: 研究核酸和蛋白质等生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学，主要研究基因的结构和功能及基因的活动。

从整体水平到分子水平示意图

分子水平细胞水平整体水平

生命科学的发展过程：

Foodborne Pathogens

SRSVE.coliSalmonellaStaphylococcusaureusCampylobacterVibrio

parahaemolyticus

www.saraya.com/english/5food.html

abdominal cramps and diarrhoea that may in some cases progress to bloody diarrhoea (haemorrhagic colitis). Fever and vomiting

haemolytic uraemic syndrome (HUS)

EnterohemorrhagicE.Coli (EHEC)

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主要研究领域

• 基因表达及其调控

• DNA重组技术（基因工程）

• 生物大分子的结构和功能

（一）基因表达及其调控研究

• 基因表达实质上就是遗传信息流的传递过程，包括DNA的复制、转录和翻译等过程。

• 基因表达调控包括时序调节和环境调控两个方面，发育调控基因表现尤为突出。

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• 原核生物基因的转录和翻译在同一时间和空间发生，基因表达的调控主要集中在转录水平。

• 真核生物基因的转录和翻译在时间和空间上都被分隔开，而且转录和翻译后都有复杂的信息加工过程。真核生物基因表达的调控可以发生在各种不同的水平上，主要表现在信号传导、转录因子和RNA剪辑3个方面。

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（二）DNA重组技术

• DNA重组技术是20世纪70年代初兴起的技术科学，目的是将不同来源的DNA片段（如某个基因或基因的一部分）按照人们的设计定向连接起来，产生影响受体细胞的、新的遗传性状。

• 限制性内切酶、DNA连接酶及其他工具酶的发现和应用是DNA重组技

术得以建立的关键。

• DNA重组技术是核酸化学、蛋白质

化学、酶工程以及微生物学、遗传学、细胞学长期深入研究的结晶。

DNA重组技术的应用

• 用于生命现象的基础研究

如遗传信息的传递和控制，特别是启动子和

转录因子的克隆及分析。

• 用于大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低却具有重要功能的多肽

如具有溶栓作用的蛋白质因子、具有镇痛作用的神经肽、促红细胞生成素（EPO）、干

扰素、人胰岛素、生长激素等。

(一)利用重组微生物制药

• 现代生物工程的一个主要方面就是利用基因工程生产各种人用蛋白药物。不仅可以提高人类的医疗水平，还可以获得巨大的经济效益。

• 1982年，世界上第一个基因工程产业化的产品—胰岛素出现在市场上。

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• 体内胰岛产生的胰岛素不足，人就容易患一种富贵病—糖尿病，患者必需定期注射胰岛素进行治疗。经验证，基因工程胰岛素和来源于动物的胰岛素同样有效。

• 目前，治疗用的胰岛素已经有90％以上是

基因工程产品，只有极少部分是动物来源的。

• 生长激素是由人的脑垂体产生的，如果在儿童时期不能产生足够的生长激素，就会患上“侏儒症”。注射生长激素就会使患者长到正常的高度。但生长激素的来源比胰岛素还困难。

• 1987年，用基因工程生产的人生长激素进

入市场。

• 干扰素具有抗病度的特性。动物细胞受病毒刺激产生干扰素后，会引起一系列保护细胞不受病毒侵害的非特异性反应，可以用于治疗肝炎和抑制肿瘤，对流感和艾滋病等也有很好的疗效。

• α1b干扰素是我国第一个基因工程药物，

也是世界上第一个采用中国人基因生产的基因工程药物。

（二）定向改造某些生物基因组结构

如抗虫棉、含有分解各种石油成分的重组DNA的超级细菌、基因工程乙肝疫苗、含有蜘蛛丝蛋白基因的转基因动物。

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• Chakrabarty等在20世纪70年代使用不同的

质粒构建了能够分解石油中一系列碳氢化合物的菌株，该菌株被称为“superbug”，即“超级菌”，因为它的代谢能力远远高于其它菌株。这个“超级菌”的结构和功能已经获得美国的专利，这是给予重组微生物的第一项专利。

一、基因改造的农作物

• 最初的研究工作中，有相当多的课题是集中在培育产量更高的品种上，或改变其氨基酸含量使营养更好。现在人们做得更多的是把各种抗性基因转到植物体内，以获得各种抗性。

1. 转基因抗虫作物

• 用基因工程的手段培育抗虫作物新品种，是指把抗虫基因转入农作物形成新的作物品种，可以解决昆虫对化学杀虫剂产生抗性以及化学杀虫剂对生态环境的影响。

• 1991年，美国孟山都公司成功的得到了转Bt基因（原毒素基因）的抗虫棉。

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2. 转基因抗除草剂作物

• 施用除草剂也会对庄稼有损害，因为很多除草剂无法区分庄稼与杂草。培育抗除草剂的转基因植物就可以广泛使用除草剂了。

• 将突变的、对除草剂不敏感的靶蛋白基因转入植物中以及通过失活除草剂而获得抗除草剂的植物均已培育成功。

3. 抗不良环境和抗衰老的

转基因作物

• 在分子水平上，环境压力反映到生理上的不良结果之一就是氧离子基团的产生。提高植物对高含量氧离子基团的耐受能力，就能使植物抵抗各种外界不良环境的压力。

• 将番茄细胞中编码多聚半乳糖醛酸酶（PG）基因的反义基因转入植物中，就可能延迟果实的成熟过程。

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4. 改善农作物的品质 二、 转基因动物

• 随着现代生物技术的发展，传统的杂交选择法的各种缺陷日益明显。现代分子育种技术逐渐成为动物育种的趋势和主流。

• 运用相关转基因技术对多细胞动物进行遗传改造进展非常迅速。同时，转基因技术也成为一种研究很多基础问题的有力手段。

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Genetically modified cows that produce "humanised" milk

三、GMO的安全性

• GMO是Genetic Modification Organism的

简称，即基因被改变的生物。基因改造过的农作物并不比传统育种技术所培育的品种对人类健康产生更多的威胁。转基因食物和普通食物一样也存在一定的风险，只不过它并不比普通的食物有更多的负效应。转基因作物是安全的。

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（三）生物大分子的结构功能研究（结构生物学）

• 生物大分子在发挥生物学功能时，必须具备两个前提：

首先，拥有特定的空间结构（三维结

构）。

其次，在发挥生物学功能的过程中必定存

在着结构和构象的变化。

• 最常见的研究三维结构及其运动规律的手段是X-射线晶体衍射技术。

• 目前对生物大分子的研究已经达到原子水平。最典型的就是核糖体大小亚基晶体结构的研究。

核磁共振成像取得成就美英获诺贝尔生理医学奖

英国科学家彼得·曼斯菲尔德瑞典卡罗林斯卡医学院的汉斯·林格兹教授

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分子生物学的发展简史

• 19世纪60年代，Mendel遗传学规律的发现最先

使人们对性状遗传产生了理性认识。他认为基因是颗粒性因子（particulate factor），能够从亲本向子代传递，一个基因可以不同的形式（等位基因）存在。Mendel的遗传规律预示了染色体上携带着基因这一事实。

• 1869年，Friedrich Miescher发现核素（nuclein）其实核素的主要成分是DNA。

• 20世纪初，Thomas Hunt Morgan的染色体理论和基因学说进一步将“性状”与“基因”相藕联，成为分子遗传学的奠基石。Morgan等提出染色体是遗传的单位，基

因成线性排列于染色体上。

• 1910年，德国科学家Kossel首先分离出

腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸而获得诺贝尔生理医学奖。

• 1944年，美国著名微生物学家Avery进行了著名的细菌转化实验。10多年后，进一步的实验证实DNA就是转化源。证明基因就是DNA分子，在遗传学上树立了全新的观点—DNA是遗传信息的载体。

• 1952年，美国冷泉港遗传学家Hershey和Chase的噬菌体侵染细菌的实验进一步证明DNA是遗传物质。

• 1953年，美国科学家Watson和英国科学家Crick提出DNA的双螺旋模型，并在1962年与Wilkins共享了诺贝尔生理医学奖。

• 20世纪50年代，美国遗传学家McLintock提出并发现了可移动的遗传因子（jumping gene或mobile element），并在1988年获诺贝尔生理医学奖。

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• 1958年，Meselson和Stahl进行了DNA半保留复制的实验。

• 1959年，美国科学家Uchoa发现了细菌的多核苷酸磷酸化酶，成功地合成了核糖核酸，研究并重建了蛋白质的翻译过程。和Kornberg分享了当年的诺贝尔生理医学奖，后者的主要贡献在于DNA分子在细菌细胞和试管内的复制。

• 1962年，英国科学家Kendrew和Perutz由于测定了肌红蛋白和血红蛋白的高级结构而荣获诺贝尔化学奖。

• 1965年，法国科学家Jacob和Monod提出并证实了操纵子（operon）作为调节细菌细胞代谢的分子机制，而与Iwoff分享了诺贝尔生理医学奖。Jacob和Monod还首次提出mRNA分子的存在，对于以后分子生物学的发展起了及其重要的作用。

• 1969年，美国科学家Nirenberg由于在破译遗传密码方面的贡献与Holly和Khorana等人分享了诺贝尔生理医学奖。 Holly的主要功绩在于阐明了酵母丙氨酸tRNA的核酸序列，并证实所有tRNA具有结构上的相似性，而Khorana第一个合成了核酸分子，并人工复制了酵母基因。

• 1975年，美国科学家Temin和Baltimore由于发现RNA肿瘤病毒中存在以RNA为模板，逆转录生成DNA的逆转录酶，而共享诺贝尔生理医学奖。

• 1980年，Sanger因设计出一种测定DNA分子内核苷酸序列的方法，而与Berg和Gilbert分享诺贝尔生理医学奖。Sanger还由于测定了牛胰岛素的一级结构而获得1958年的

诺贝尔化学奖。

• 1984年，德国科学家Kohler、美国科学家Milstein和丹麦科学家Jerne由于发展了单克隆抗体技术，完善了极微量蛋白质的检测技术而分享了诺贝尔生理医学奖。

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• 1989年，美国科学家Altman和Cech由于发现某些RNA具有酶的功能（称为核酶）而共享诺贝尔化学奖。同年，Bishop和Varmus由于发现正

常细胞同样带有原癌基因而分享诺贝尔生理医学奖。

• 1986年，著名生物学家、诺贝尔奖获得者雷纳托杜尔贝科（Renato Dulbecco）在Science杂志上率先提出“人类基因组计划”（Human Genomic Project,简称HGP）。 1990年美国能源部与国立卫生院启动人类基因组计划。英国、法国、日本也建立基因组中心开展研究。90年代后期，HGP加速，德国和中国相继加入这一

计划。

中国于1994年正式启动人类基因组计划并于1999年9月加入这一国际协作组，负责测定人类基因组全部序列的1%，成为参与这一计划的唯一发展中国家。

在2000年6月26日由美国总统克林顿与

英国首相布莱尔联合宣布人类基因组工作框架图完成，这一天也因此成为人类历史上“值得载入史册的一天”。2001年2月12日人类基因组测序全部完成。

• 1993年，美国科学家Robert和Sharp由于在断裂基因方面的工作而荣获诺贝尔生理医学奖。同年，美国科学家Mulis由于发明PCR仪而与第一个设计基因定点突变的Smith共享诺贝尔化学奖。

• 1994年，美国科学家Gilman和Rodbell由于发现了G蛋白在细胞内信号传导中的作

用而分获诺贝尔生理医学奖。

• 1995年，美国人Lewis、德国人Nusslein-Volhard和美国人Wieschaus由于在20世纪40－70年代先后独立鉴定了控制果蝇体节发育的基因而分获诺贝尔生理医学奖。

• 1996年，澳洲籍的Peter C. Doherty和瑞士的Rolf M. Zinkernagel由于发现了在器官移植排斥反应中起作用的主要组织相容性抗原（MHC），为以后研究免疫系统对抗病毒的作用机制提供了正确的方向而荣获诺贝尔生理医学奖。

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• 1997 年诺贝尔生理医学奖颁发给美国加州大学旧金山分校的Stanley Prusiner 教授。这项殊荣是肯定布鲁希纳教授在研究引起人类脑神经退化而成痴呆的古兹菲德-雅各氏病(Creutzfeldt-Jakob disease, CJD) 病原体的贡献。发现了朊蛋白（Prion）,并在其致病机理的研究方面做出了杰出贡献。

• 1998年，弗奇戈特,伊格纳罗及穆拉德这三

位美国药理学家由于发现硝酸甘油及其他有机硝酸脂通过释放一氧化氮气体而舒张血管平滑肌,从而扩张血管，并确定一氧化氮是一种信号分子，而荣获诺贝尔生理/医学奖。

• 1999年诺贝尔生理医学奖由Rockefeller大学的分子生物学家Gunter Blobel所获得，他

的研究结果改写了以前对于细胞内蛋白质的转运机制的观点。

• 2000年的诺贝尔生理医学奖由Arvid Carlsson，Paul Greengard和Eric Kandel三位科学家获得。

他们主要研究了信号在神经系统中的传递，对于了解学习与记忆、信号传递失调所造成的神经和精神疾病与治疗药物的研发上有重要的贡献。

• 2001年的诺贝尔生理医学奖由Leland Hartwell、Tim Hunt和Paul Nurse分享。他们发现细胞周期的正常运转有赖于细胞引擎分子—Cdks-cyclin、癌基因、抑癌基因和细胞周期调节蛋白彼此相互作用而构成的一个调节网络。这些工作促成了对细胞增殖 网络调节的精细认识。

• ２００２年诺贝尔生理学或医学奖分别授予英国科学家悉尼·布雷内、美国科学家罗伯特·霍维茨和英国科学家约翰·苏尔斯顿，以表彰他们为研究器官发育和程序性细胞死亡过程中的基因调节作用所作出重大贡献。通过对线虫的研究，他们找到了调节器官发育和程序性细胞死亡的关键基因，并证实在包括人类在内的较高等物种中也存在相应的基因。这一发现对于医学研究具有重要意义，为探索许多疾病的发病机理开辟了新的途径。

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• 2002年11月21日上午，国家科技部、中国科学院、上海市人民政府在上海联合举行新闻发布会。中国科学院副院长陈竺院士在会上宣布：中国大陆科学家完成了所承担的国际水稻基因组计划第四号染色体精确测序任务，对国际水稻基因组计划测序工作的贡献率达10%。这是我国迄今为止完成的最大的基因组单条染色体的精确测序。这标志着我国在大基因组测序方面已经具备构建完成图的绘制能力，成为基因组学研究强国之一。

• 2002年12月6日，国际小鼠基因组测序合作组织(Mouse Genome Sequencing Consortium)终于在Nature上发表了这一期

待已久的，又一个具有历史性意义的基因图谱！更加令人惊奇的是，该工作表明小鼠的基因数目同样也有30,000左右，而且有99%的基因都能在人类基因组中找到相应的同源基因！人与鼠，有着相近的基因数量，相似的基因结构，却有着迥然不同的表型与性状，这又一次很清晰地向我们表明的非编码区(Non-coding Region)和基因调控(Gene Regulation)研究的重要性！

• 2003年2月14日，苏格兰罗斯林研究所向外界

宣布，多莉因早衰并患有进行性肺炎，已经病入膏肓，研 究人员无奈之下为多莉实施了安乐死。2002年1月科学家就发现多莉羊的左后腿患上了关节炎这种典型的“高龄病症”。多莉羊壮年死于老年羊常得的肺部感染疾病 ，

再次引起世人关注。

克隆动物出现早衰到底是偶然现象，还是克隆技术不可避免的结果，还是目前的克隆技术不完善所致？这有待科学家做进一步研究。

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分子生物学展望

目前分子生物学研究总的趋势是，正向生

物各学科广泛渗透，相互促进，不断深入和发展。

• DNA重组技术的应用，使得基因克隆分析

日益成为全世界生物科学工作者手中的常规武器。

• 遗传学是分子生物学发展以来受影响最大的学科。越来越多的遗传学原理正在被分子水平的实验所证实或推翻，许多遗传病已经得到控制或矫正，许多经典遗传学无法解决的问题和无法破译的奥秘，也相继被攻克。

• 分子生物学的发展全面推动了细胞生物学和神经生物学的发展。

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• 分类和进化研究是生物学中最古老的领域，它们同样由于分子生物学的渗透而获得了新生。

• 分子生物学还对发育生物学研究产生了巨大的影响。

• 总之，分子生物学的发展揭示了生命本质的高度有序性和一致性，是人类在认识论上的重大飞跃。生命活动的一致性决定了本世纪的生物学将是真正的统一生物学（general biology），是生物学范围内所有学科在分子水平上的统一。

公共卫生

• 顾名思义，公共卫生是关系到一国或一个地区人民大众健康的公共事业。公共卫生的具体内容包括对重大疾病尤其是传染病（如结核、艾滋病、SARS等）的预防、监控和医治；对食品、药品、公共环境卫生的监督管制，以及相关的卫生宣传、健康教育、免疫接种等。

当代公共卫生问题• 按人群划分

儿童疾病与死亡孕产妇疾病与死亡老年人生活质量

• 按健康问题划分

传染病：SARS、禽流感、流感、疯牛症、艾滋病 、登革热

慢性非传染性疾病：肿瘤、糖尿病、高血压意外伤害：车祸不良健康行为：吸烟、饮酒 、吸毒、 不安全的性行为精神及心理卫生:忧郁症

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Molecular Biology（分子生物学）

• Molecular biology is the branch of biology that deals with the molecular basis of biological activity.

• This field overlaps with other areas of biology and chemistry, particularly genetics and biochemistry.

• Molecular biology chiefly concerns itself with understanding the interactions between the various systems of a cell, including the interactions between the different types of DNA, RNA and protein biosynthesis as well as learning how these interactions are regulated.

William Thomas Astbury,(1961) 《Nature》

• "...not so much a technique as an approach, an approach from the viewpoint of the so-called basic sciences with the leading idea of searching below the large-scale manifestations of classical biology for the corresponding molecular plan. It is concerned particularly with the forms of biological molecules and [...] is predominantly three-dimensional and structural—which does not mean, however, that it is merely a refinement of morphology. It must at the same time inquire into genesis and function."

William Thomas Astbury, FRS1898-1961

• An English physicist and molecular biologist who made pioneering X-ray diffraction studies of biological molecules.

• His work on keratin provided the foundation for Linus Pauling's discovery of the alpha helix.

• Studied the structure for DNA in 1937 and made the first step in the elucidation of its structure.

Public Health (公共卫生)• Public health is “the science and art of preventing

disease, prolonging life and promoting health through the organized efforts and informed choices of society, organizations, public and private, communities and individuals.”

（Winslow, Charles-Edward Amory, "The UntiltledFields of Public Health". 1920,Science）

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Charles-Edward Amory Winslow(4 February 1877 – 8 January 1957)

• An American bacteriologist and public health expert;

• The first Editor-in-Chief of the Journal of Bacteriology (from 1916 to 1944 )

• Editor of the American Journal of Public Health from 1944 to 1954

Molecular Biology and Public Health (分子生物学与公共卫生)

• Molecular biology is the branch of biology that deals with the molecular basis of biological activity.

• Public health is “the science and art of preventing disease, prolonging life and promoting health ……

• Diagnostic / prevention / therapeutic

Example 1

• Bacterial infection (细菌感染)• Bacterial pathogen(s) （细菌病原体）

Outbreak（暴发）???

• Phenotype (表型)???

• Genotype (基因型) Molecular biology

Example 2

• Vaccine (疫苗)

• Antigen（抗原）--------Antibody （抗体）

• Gene recombination/modification（重组/修改） Molecular biology

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Outlines

• Basic molecules of life (DNA, RNA, and Proteins),

• Manipulating DNA, • Manipulating RNA and proteins, • Modern Molecular Genetics, • Human Genetics, • the –Omics, • the structure of Scientific discovery

分子生物学常用参考书目

1 ．Molecular Biology of the Cell (4th Edition by B Alberts)

2． Molecular Cell Biology (4th Edition by H Lodish)

3． Molecular Biology (2nd Edition by R Weaver)

4．分子生物学 (Instant Notes in Molecular Biology, 2nd Edition

by P Turner）

5．Advanced Molecular Biology (by R Twyman)

6 ．现代分子生物学（朱玉贤等）

分子生物学实验参考书目

1 . 分子克隆实验指南

2. 精编分子生物学实验指南

3. PCR技术实验指南

4. 分子生物学实验基础

5. 细胞工学实验方案

6. 现代分子生物学实验技术

7. 分子生物学实验技术

8. 分子生物学基础技术

分子生物学主要参考杂志

CellMolecular CellFASEB J.NatureNature Structural & Molecular BiologyMolecular BiologyMolecular MicrobiologyScienceEMBO J.PNAS

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评分标准

• 考勤：缺勤30% Fail，全勤加分

• 课堂提问：加分

• 课后作业：基本分数