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分子生物学

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分子生物学是对生物分子層次上的研究。这是一门生物学化学之间跨学科的研究,其研究领域涵盖了遗传学生物化学生物物理学等学科。分子生物学主要致力于对细胞中不同系统之间相互作用的理解,包括DNARNA蛋白质生物合成之间的关系以及了解它们之间的相互作用是如何被调控的。

历史[编辑]

在1930年代,由于許多生物化學家發現細胞內的許多分子參與了各种複雜的化學反應,分子生物学由此逐步建立。但直到1938年“分子生物学”一词才由瓦倫·韋弗(Warren Weaver)提出(也有人认为“分子生物学”一词最早于1945年威廉·阿斯特伯里(William Astbury)首先在Harvey Lecture上应用的[1])。瓦倫是当时洛克斐勒基金會自然科学方面的主持人,他相信由于在X射线晶体学等方面的发展,生物学正在进入一个大的转变期,他也因此将基金会的资金用于资助生物领域的研究。

與其他“分子尺度”生物科学的关系[编辑]

生物化学、遗传学和分子生物学的关系简图

分子生物学的研究者们不仅应用分子生物学特有的技术(参见本条目中“技术”一节),而且越来越多地从遗传学生物化学生物物理学的技术和思路中获得启迪,综合利用。因此,这些学科间越来越多地相互融合,不再有明确的分界线。左图抽象地展示了对相关领域之间的相互关系一种可能的阐释:

  • “生物化学”主要研究化学物质在生物体关键的生命进程中的作用。
  • “遗传学”主要研究生物体间遗传差异的影响。这些影响常常可以通过研究正常遗传组分(如基因)的缺失来推断,如研究缺少了一个或多个正常功能性遗传组分的突变体与正常表现型(又称为“野生型”)之间的关系。遗传相互作用(如异位显性)经常会使像基因敲除这类研究的结果难以解释。
  • “分子生物学”则主要研究遗传物质的复制、转录和翻译进程中的分子基础。分子生物学的中心法则认为“DNA制造RNA,RNA制造蛋白质,蛋白质反过来协助前两项流程,并协助DNA自我复制”;虽然这一描述对分子生物学所涵盖的内容过于简单化(特别是RNA的新功能仍在不断发现中),但仍不失为了解这一领域的很好的起点。

在分子生物学中大量工作是定量的,而且最近的许多研究工作是在结合生物信息学计算生物学的基础之上完成的。从本世纪(二十一世纪)开始,研究基因结构和功能的分子遗传学已经成为分子生物学中发展最快的领域之一。

越来越多的学科已经将目光集中到分子水平的研究中,一方面直接研究相关分子间相互作用,如细胞生物学发育生物学;另一方面利用分子生物学技术来研究并推测群体物种的历史贡献(非直接,遗传水平),如进化生物学领域中的群体遗传学系统发生学。此外,生物物理学一直都有从头研究生物分子的传统。

技術[编辑]

从1950年代晚期和1960年代早期开始,分子生物学家已经开始学习鉴定、提纯和处理细胞和生物体的分子组分。这些组分包括:DNA,遗传信息的携带者;RNA,作为DNA的“近亲”,既可以是DNA的临时“工作拷贝”,又可以发挥结构分子和酶功能,同时还是蛋白质翻译的结构和功能元件;蛋白质细胞中的主要的结构分子和酶分子。

克隆表达[编辑]

分子生物学中最基本的技术是蛋白质的表达纯化。首先是编码目的蛋白的DNA序列被克隆(用PCR技术和限制性内切酶)到作为表达载体的质粒中。随后构建好的质粒被引入到宿主细胞。编码序列在质粒上的特殊的启动子元件的驱动下,被宿主细胞的表达系统所表达。质粒上通常还带有抗生素抗性标签以便于质粒筛选。[2]

质粒可以被插入到细菌或动物细胞。外源DNA被引入细菌被称为转化,可以通过电穿孔法、微注射法、正吸收和融合来实现;外源DNA被引入真核细胞,如动物细胞,被称为转染,转染技术包括磷酸钙法、脂质体法和一些有专利权的商用转染试剂。DNA也可以以病毒病原菌为载体被带入宿主细胞;应用这种病毒或病菌的转染技术于细胞时,用术语来说就是“对细胞进行转导(transduce)”。

多聚酶链式反应[编辑]

多聚酶链式反应(PCR)是一项用于体外复制DNA的极为通用的技术。简而言之,PCR技术可以使单链DNA被复制数百万次,也允许用事先确定好的方式对被复制的DNA序列进行改动。例如,PCR技术可以用于引入限制性酶切位点,或者对特定的DNA碱基进行突变(改变)。PCR技术还可以用于从cDNA文库获得特定的DNA片段,或者从另一个角度,用于判断一个cDNA文库中是否含有特定的DNA片段。

凝膠電泳[编辑]

凝膠電泳是分子生物学最主要的一项技术。其基本原理是:DNA、RNA和蛋白质可以用电场来进行分离。在瓊脂糖凝胶电泳中,DNA和RNA可以被瓊脂糖凝胶按其分子大小进行分离。同样,蛋白质可以被SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)按分子量大小分离;此外,蛋白质还可以由于所带电荷的不同被等电聚焦电泳分离。

墨點法[编辑]

南方墨點法[编辑]

此方法的命名源自其发明者生物学家Edwin Southern南方墨點法是探测一个DNA样品中含有特定DNA序列的方法。首先,DNA样品为凝膠電泳所分离;然后,分离的样品通过毛细现象被转移到一张膜上,这一过程被称为“印迹”(blotting)。带有样品的膜就可以用与目标序列互补的标记的DNA标记探针来探测。最初的操作手册大都采用放射性标记,但现在非放射性标记已开始被采用。自从PCR技术被用于检测特定DNA序列后,Southern印迹法在实验室中的应用大为减少。但此方法依然有着其他一些应用,如用于测量转基因的转基因拷贝数,以及用于构建基因敲除胚胎干细胞系

北方墨點法[编辑]

北方墨點法被用于研究特定类别的RNA分子的表达模式(丰度和大小)。与南方墨點法相似,RNA样品为凝膠電泳按大小分离;然后转移到膜上,并用与目标序列互补的标记的探针来探测。实验结果可以根据所用探针的不同以多种方式来观察,但大多数都显示的是样品中被探测的RNA条带的相对位置,也就是分子大小;而条带的强度则与样品中目标RNA的含量相关。这一方法可以测量目标RNA在不同样品中的情况,因此已经被普遍用于研究特定基因在生物体中表达的时刻和表达量,也是这类研究中最基本的手段。

西方墨點法[编辑]

大多数蛋白的抗体可以通过将少量的蛋白注入动物(如鼠、兔、羊)以获得对应注入蛋白的抗体(多克隆抗体)或进一步通过细胞培养获得抗体(单克隆抗体)。这些抗体就可为许多分析和制备技术所使用。在西方墨點法中,蛋白质首先根据分子大小用SDS-PAGE分离。然后将胶中的蛋白质转移到膜(如PDVF膜、尼龙膜或其他可用的膜)上。然后将膜用含有抗体的溶液浸泡,由于抗体可以特异性地结合到目标蛋白上,因此就可以探测膜中的目标蛋白。同样观察结果的方法有很多,包括显色产物、化学发光(chemiluminescence)或放射自显影。一些与西方墨點法相似的方法可以用于直接对细胞组织中的特定蛋白进行染色,然而这些被称为“免疫染色”的方法更多的是应用于细胞生物学而非分子生物学。

此外,还有并不常用的“東方墨點法”(对双向电泳后蛋白质分子的印迹分析)、“西南方墨點法”(研究蛋白质和DNA相互作用)和“遠端西方墨點法”(Far Western blotting,研究蛋白质-蛋白质相互作用)。

值得一提的是除了南方墨點法的命名是来自于发明者的姓名,其他墨點法的命名则都是源于发明者的幽默:因为南方(Southern)既是墨點法的发明者Edwin Southern的姓,同时其英文含义为“南方”;于是随后发明不同印迹法的研究者们纷纷将这些方法以方位命名,如Northern(“北方”),Western(“西方”)印等等。[3]

微阵列技术[编辑]

微阵列也可以用除了DNA以外的分子来制作。如抗体微阵列可被用于检测血液样品中含有哪些蛋白质细菌

過時的技術[编辑]

随着新技术和新方法的不断出现,旧的技术很快就被抛弃。一个很典型的例子就是DNA分子大小的测量:在(瓊脂糖/聚丙烯酰胺)凝胶电泳出现之前,DNA分子大小是用蔗糖密度梯度沉降法来测量的,这一方法费时费力而且花费昂贵;而在梯度沉降法出现之前,使用的是黏度法。尽管已经不再为人们所关注,但了解这些过时的技术可能会对解决一些特别的问题有帮助。

知名的分子生物學家[编辑]

参见[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ 龙华,“分子生物学的发展”,《生物学通报》,40: 58-60,2005
  2. ^ Cohen, S.N., Chang, A.C.Y., Boyer, H. & Heling, R.B. Construction of biologically functional bacterial plasmids in vitro. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 70, 3240 – 3244 (1973).
  3. ^ Patricia S. Thomas, Hybridization of Denatured RNA and Small DNA Fragments Transferred to Nitrocellulose PNAS 1980; 77: 5201-5205 PNAS

扩展阅读[编辑]

  • (英文)Keith Roberts, Martin Raff, Bruce Alberts, Peter Walter, Julian Lewis and Alexander Johnson, Molecular Biology of the Cell
  • (英文)Rodgers, M. The Pandora's box congress. Rolling Stone 189, 37 – 77 (1975).

外部連結[编辑]