分子生物学如何发展？

一、准备和酝酿阶段

19世纪末到50年代初是现代分子生物学诞生的准备和酝酿阶段。在这个阶段，对生命本质的理解取得了两个重大突破:

决定了蛋白质是生命的主要基础物质。

19年底，Buchner兄弟证明了酵母无细胞提取液可以发酵糖产生酒精，并首次提出了酶的名称。酶是一种生物催化剂。在20世纪20年代和40年代，一些酶(包括脲酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、黄原酸酶、细胞色素C、肌动蛋白等。)进行纯化和结晶。证明了酶的本质是蛋白质。后来生命的许多基本现象(物质代谢、能量代谢、消化、呼吸、运动等。)都与酶和蛋白质有关，可以用纯化的酶或蛋白质重复体外实验。在此期间，对蛋白质结构的认识也有了很大的进步。EmilFisher证明了蛋白质结构是多肽；20世纪40年代末，桑格创立了DNFB法，埃德曼发展了异硫氰酸苯酯法来分析肽链的N端氨基酸。Sanger和Thompson在1953年完成了第一个多肽分子——胰岛素A链和胰岛素B链的完整氨基酸序列分析。由于晶体X射线衍射分析技术的发展，Pauling和Corey在1950中提出了α-角蛋白的α-螺旋结构模型。在这个阶段，蛋白质的一级结构和空间结构都被理解了。

决定了生物遗传的物质基础是DNA。

虽然原子核是由F.Miescher在1868年发现的，但在随后的半个世纪里并没有受到重视。20世纪二三十年代，证实了核酸有DNA和RNA两种，并明确了核苷酸的组成。因为当时对核苷酸和碱基的定量分析不够准确，所以得出DNA中A、G、C、T的含量大致相等的结论。因此，很长一段时间以来，人们认为DNA结构只是“四核苷酸”单元的重复，并不多样化，无法携带更多的信息。当时蛋白质更多被认为是携带遗传信息的候选分子。20世纪40年代以后的实验事实使人们对核酸的功能和结构的认识有了很大的进步。O.T.Avery等人证明肺炎球菌转化因子是DNA1952 A.D.Hershey和M.Cha-se分别用DNA35S和32P标记T2噬菌体的蛋白质和核酸，感染大肠杆菌的实验进一步证明了它是遗传物质。关于DNA结构的研究，S.Furbery等人在1949-52中的X射线衍射分析阐明了核苷酸不是平面的空间图像，并提出。1948-1953年，Chargaff等人利用新的色谱和电泳技术分析了组成DNA的碱基和核苷酸的数量，积累了大量数据，提出了DNA碱基组成A=T，G=C的Chargaff法则，为理解碱基配对的DNA结构奠定了基础。

二、现代分子生物学的建立和发展阶段

这一阶段是20世纪50年代初至70年代初，以1953年Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构模型为现代分子生物学诞生的里程碑，开启了分子遗传学基础理论建立和发展的黄金时代。提出碱基配对是核酸复制和遗传信息传递的基本方式。从而最终确定核酸是遗传的物质基础，为理解核酸与蛋白质的关系及其在生命中的作用奠定了最重要的基础。这一期间的主要进展包括:

建立遗传信息传递的核心规则

在发现DNA双螺旋结构的同时，Watson和Crick提出了DNA复制的可能模型，DNA聚合酶是在A.Kornbery于1956首次发现的。在1958中，Meselson和Stahl通过同位素标记和超速离心实验证明了DNA半保留模型。1968冈崎(Okazaki)提出了DNA的不连续复制模型；1972证实DNA复制需要RNA作为引物；20世纪70年代初获得了DNA拓扑异构酶，并分析了真核DNA聚合酶的特性。这些都逐渐提高了对DNA复制机制的认识。

本文在研究遗传信息从DNA复制传递给后代的同时，提出了RNA在遗传信息传递给蛋白质的过程中起中介作用的假说。Weiss和Hurwitz在1958+0958年发现了依赖DNA的RNA聚合酶。1961年，Hall和Spiegel-Mann用RNA-DNA杂交证明了mRNA和DNA序列是互补的。RNA转录和合成的机制逐渐被阐明。

同时认识到蛋白质是通过接收RNA的遗传信息合成的。20世纪50年代初，Zamecnik等人在形态学和分离亚细胞组分的实验中发现，微粒体是细胞内蛋白质合成的场所。1957年，霍格兰德、扎梅克尼克和斯蒂芬森分离出tRNA，并提出了转运氨基酸在蛋白质合成中的功能假说。1961年，Brenner和Gross观察到蛋白质合成过程中mRNA和核糖体的结合。1965年，Holley首次测定了酵母丙氨酸tRNA的一级结构；特别是在20世纪60年代，几组科学家，如尼伦伯格、奥乔亚和科兰纳，作出了巨大的努力来破译编码蛋白质在RNA上合成的遗传密码。随后的研究表明，这种遗传密码在生物界是普遍存在的，从而理解了蛋白质翻译和合成的基本过程。

上述重要发现* * *建立了基于中心法则的分子遗传学基础理论体系。1970年，Temin和Baltimore还从鸡肉瘤病毒颗粒中发现了逆转录酶，它以RNA为模板合成DNA，进一步补充和完善了遗传信息传递的中心法则。

对蛋白质结构和功能的进一步认识

在1956-58中，Anfinsen和White根据酶蛋白的变性和复性实验，提出了蛋白质的三维空间结构是由其氨基酸序列决定的。在1958中，Ingram证明了正常血红蛋白和镰状细胞溶血患者血红蛋白的肽链只有一个氨基酸残基的差异。蛋白质一级结构的功能给人们留下了深刻的印象。同时改进了蛋白质的研究方法。1969年，韦伯开始用SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳测定蛋白质的分子量。20世纪60年代，血红蛋白和核糖核酸酶A等许多蛋白质的一级结构相继被分析出来。氨基酸序列自动分析仪是1973出来的。中国科学家在1965人工合成牛胰岛素。在1973中，通过1.8AX-射线衍射分析确定了牛胰岛素的空间结构，为理解蛋白质的结构做出了重要贡献。

三、初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段。

20世纪70年代后，基因工程技术作为新的里程碑的出现，标志着人类深刻理解生命本质并积极改造生命的新时代的开始。在此期间，重大成就包括:

1.重组DNA技术的建立和发展

分子生物学理论的积累和技术的发展使得基因工程技术的出现成为必然。R.Yuan和H.O.Smith在1967-1970中发现的限制性内切酶为基因工程提供了强有力的工具。1972年，Berg等人在体外成功重组SV-40病毒DNA和噬菌体P22DNA，转化大肠杆菌，使原本在真核细胞中合成的蛋白质在细菌中合成，打破了物种界限；1977年，Boyer等人首先将合成生长激素释放抑制因子14肽的基因重组到质粒中，并在大肠杆菌中成功合成。1978板仓(板仓)等。在大肠杆菌中成功表达了人生长激素191肽；1979年，美国基因泰克公司将合成人胰岛素基因转化到大肠杆菌中，合成人胰岛素。截至目前，我国已有干扰素、人白细胞介素-2、人集落刺激因子、重组人乙肝疫苗、基因工程犊牛腹泻疫苗等多种基因工程药物和疫苗投入生产或临床试验，国际上正在开发的基因工程药物和其他基因工程产品有数百种，已成为农业和医药工业、农业发展的重要方向。

转基因动植物和基因敲除动植物的成功是基因工程技术发展的结果。1982年，帕尔米特等人将克隆的生长激素基因导入小鼠受精卵的细胞核中，培育出比原始小鼠大几倍的“巨鼠”，激起了人们创造家畜优良品系的热情。中国水生生物研究所将生长激素基因转入鱼类受精卵中，获得的转基因鱼生长明显加快，个体增大。转基因猪也正在开发中。转基因动物还可以获得治疗人类疾病的重要蛋白质。转凝血因子ⅸ基因绵羊分泌的乳汁富含凝血因子ⅸ，可有效用于血友病的治疗。在转基因植物方面，比普通番茄保存时间更长的转基因番茄在1994投放市场。从65438年到0996年，转基因玉米和大豆相继投入商业化生产，抗虫棉最早在美国研制成功。中国科学家将自己的蛋白酶抑制剂基因转入棉花，获得抗棉铃虫的棉花植株。到65438到0996年，转基因植物已经在全世界250万公顷的土地上种植。

基因诊断和基因治疗是医学领域基因工程发展的一个重要方面。1991年，美国将重组ADA基因导入一名先天性免疫缺陷(腺苷脱氨酶的遗传性ADA基因缺陷)女孩体内，获得成功。1994年，我国还通过引入人凝血因子IX基因成功治疗了血友病B患者，在我国用于基因诊断。

这一时期基因工程的快速进步得益于许多新的分子生物学技术的不断出现，包括:核酸的化学合成从手工发展到自动合成，桑格、无极生组合和吉尔伯特在1975-1977年发明了三种DNA序列的快速测定方法；自动核酸序列分析仪于90年代问世；1985年，塞特斯公司的Mullis发明的聚合酶链式反应(PCR)特异性核酸序列扩增技术以其高度的敏感性和特异性而被广泛应用，极大地促进了分子生物学的发展。

2.基因组研究的发展

目前，分子生物学已经从研究单个基因发展到研究整个基因组的结构和功能。1977 Sanger测定了φ x 174-DNA的全部5375个核苷酸的序列。1978 Fiers等检测出SV-40DNA的全部5224个碱基序列；在20世纪80年代，λ噬菌体DNA的所有48，502个碱基对被测序。包括乙肝病毒和艾滋病病毒在内的一些小病毒的全序列也相继确定。1996年底，众多科学家* * *齐心协力，测得大肠杆菌4x106碱基对的基因组DNA全序列长度。通过测量生物体基因组核酸的全序列，对了解生物体的生命信息和功能无疑具有重要意义。人类基因组计划于1990年实施。这是生命科学史上世界上最大的研究项目。2005年，人类基因组的所有DNA A3x109碱基对将被测序，约5000-65438+万个人类基因的一级结构将被确定，这将使人类能够更好地掌握自己的命运。

3.单克隆抗体和基因工程抗体的建立和发展。

自从科勒和米尔斯坦于1975年首次利用B淋巴细胞杂交瘤技术制备单克隆抗体以来，人们利用这种细胞工程技术研制出了多种单克隆抗体，为多种疾病的诊断和治疗提供了有效手段。20世纪80年代以后，随着基因工程抗体技术的发展，单域抗体、单链抗体、嵌合抗体、重组抗体和双功能抗体相继出现，为单克隆抗体的广泛有效应用提供了广阔的前景。

4.基因表达的调控机制

分子遗传学基础理论的奠基人雅各布和莫诺首先提出的操纵子理论，为人类了解基因表达的调控打开了一扇窗。在分子遗传学基础理论建立的20世纪60年代，人们主要了解原核生物基因表达调控的一些规律。直到20世纪70年代以后，人们才逐渐认识到真核生物基因组结构和调控的复杂性。1977首次发现猴SV40病毒和腺病毒中编码蛋白质的基因序列是不连续的，该基因内的间隔区(内含子)在真核基因组中普遍存在。揭开了了解真核生物基因组结构和调控的序幕。1981年，切赫等人发现了四膜虫的自剪接，并由此发现了核酶。20世纪八九十年代，人们逐渐认识到真核基因的顺式调控元件与反式转录因子之间、核酸与蛋白质之间的分子识别和相互作用是基因表达调控的根本因素。

5.细胞信号转导机制的研究已成为一个新的前沿领域。

细胞信号转导机制的研究可以追溯到20世纪50年代。萨瑟兰在1957年发现了cAMP，在1965年提出了第二信使理论，这是人们认识受体介导的细胞信号转导的第一个里程碑。Ross等人在1977中通过重组实验证实了G蛋白的存在和功能，并将G蛋白与腺苷环化酶的功能联系起来。加深了对G蛋白偶联信号转导通路的认识。20世纪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和功能的深入研究，各种受体蛋白基因的克隆及其结构和功能的探索，使10年来细胞信号转导的研究有了很大的进展。目前已经初步了解了一些细胞中的一些信号转导通路。特别是在免疫活性细胞对抗原的识别、激活信号的传递途径和细胞增殖的控制等方面已经形成了一些基本概念。当然，最终目标的实现还需要很长的时间。

简要介绍了分子生物学的发展过程，可以看出它是半个世纪以来生命科学中发展最快的前沿领域，推动了整个生命科学的发展。到目前为止，分子生物学仍在快速发展，新的成果和技术不断涌现，这也说明分子生物学的发展仍处于初级阶段。既定的分子生物学基本规律，为人们认识生命本质指明了光明的前景。但是分子生物学的历史还短，积累的资料还不够。比如地球上的各种生物都携带着巨大的生命信息，而人类至今只知道极小的一部分，还没有搞清楚核酸和蛋白质的许多基本规律。又如，即使到2005年我们已经获得了人类基因组DNA3x109bp的全序列，并确定了565438+万个人类基因的一级结构，但要彻底了解这些基因产物的功能、调控、相互关系和协调性，了解80%以上非蛋白质编码的序列的功能等，我们还有很长的路要走。可以说，分子生物学大有可为。