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分子生物學

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分子生物學Molecular biology)是對生物分子層次上的研究。這是一門生物學化學之間跨學科的研究,其研究領域涵蓋了遺傳學生物化學生物物理學等學科。分子生物學主要致力於對細胞中不同系統之間相互作用的理解,包括DNARNA蛋白質生物合成之間的關係以及了解它們之間的相互作用是如何被調控的。

與其他「分子尺度」生物科學的關係[編輯]

現代生物學中,生物化學、遺傳學和分子生物學的關係簡圖

分子生物學的研究者們不僅應用分子生物學特有的技術(參見本條目中「技術」一節),而且越來越多地從遺傳學生物化學生物物理學的技術和思路中獲得啟迪,綜合利用。因此,這些學科間越來越多地相互融合,不再有明確的分界線。左圖抽象地展示了對相關領域之間的相互關係一種可能的闡釋:

  • 「生物化學」主要研究化學物質在生物體關鍵的生命進程中的作用。生物化學很大程度上專注於生物分子的角色,功能,和結構。生物過程背後的化學性質研究和生物活性分子的合成是生物化學的例子。
  • 「遺傳學」主要研究生物體間遺傳差異的影響。這些影響常常可以通過研究正常遺傳組分(如基因)的缺失來推斷,如研究缺少了一個或多個正常功能性遺傳組分的突變體與正常表現型(又稱為「野生型」)之間的關係。遺傳相互作用(如異位顯性)經常會使像基因敲除這類研究的結果難以解釋。
  • 「分子生物學」則主要研究遺傳物質的複製、轉錄和轉譯進程中的分子基礎。分子生物學的中心法則認為「DNA轉錄mRNA,mRNA轉譯蛋白質,蛋白質反過來協助前兩項流程,並協助DNA自我複製」;雖然這一描述對分子生物學所涵蓋的內容過於簡單化(特別是RNA的新功能仍在不斷發現中),但仍不失為了解這一領域的很好的起點。

在分子生物學中大量工作是定量的,而且最近的許多研究工作是在結合生物資訊學計算生物學的基礎之上完成的。從本世紀(二十一世紀)開始,研究基因結構和功能的分子遺傳學已經成為發展最快的領域之一。

越來越多的學科已經將目光集中到分子水平的研究中,一方面直接研究相關分子間相互作用,如細胞生物學發育生物學;另一方面利用分子生物學技術來研究並推測群體物種的歷史貢獻(非直接,遺傳水平),如進化生物學領域中的群體遺傳學種系發生學。此外,生物物理學除了研究大尺度器官構造之外,一直都有從頭研究生物分子的傳統。

技術[編輯]

DNA的結構

從1950年代晚期和1960年代早期開始,分子生物學家已經開始學習鑑定、提純和處理細胞和生物體的分子組分。這些組分包括:DNA,遺傳資訊的攜帶者;RNA,作為DNA的「近親」,既可以是DNA的臨時「工作拷貝」,又可以發揮結構分子和酶功能,同時還是蛋白質轉譯的結構和功能元件;蛋白質細胞中的主要的結構分子和酶分子。

複製表達[編輯]

轉導(Transduction)

分子生物學中最基本的技術是蛋白質的表達純化。首先是編碼目的蛋白的DNA序列被複製(用PCR技術和限制性內切酶)到作為表達載體的質粒中。隨後構建好的質粒被引入到宿主細胞。編碼序列在質粒上的特殊的啟動子元件的驅動下,被宿主細胞的表達系統所表達。質粒上通常還帶有抗生素抗性標籤以便於質粒篩選。[1]

質粒可以被插入到細菌或動物細胞。外源DNA被引入細菌被稱為轉化(transformation),可以通過電穿孔法、微注射法、正吸收和融合來實現;外源DNA被引入真核細胞,如動物細胞,被稱為轉染(transfection),轉染技術包括磷酸鈣法、脂質體法和一些有專利權的商用轉染試劑。DNA也可以以病毒病原菌為載體被帶入宿主細胞;應用這種病毒或病菌的轉染技術於細胞時,用術語來說就是「對細胞進行轉導(transduce)」。

多聚酶連鎖反應[編輯]

多聚酶連鎖反應(PCR)是一項用於體外複製DNA的極為通用的技術。簡而言之,PCR技術可以使單鏈DNA被複製數百萬次,也允許用事先確定好的方式對被複製的DNA序列進行改動。例如,PCR技術可以用於引入限制性酶切位點,或者對特定的DNA鹼基進行突變(改變)。PCR技術還可以用於從cDNA文庫獲得特定的DNA片段,或者從另一個角度,用於判斷一個cDNA文庫中是否含有特定的DNA片段。

凝膠電泳[編輯]

凝膠電泳是分子生物學最主要的一項技術。其基本原理是:DNA、RNA和蛋白質可以用電場來進行分離。在瓊脂糖凝膠電泳中,DNA和RNA可以被瓊脂糖凝膠按其分子大小進行分離。同樣,蛋白質可以被SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)按分子量大小分離;此外,蛋白質還可以由於所帶電荷的不同被等電聚焦電泳分離。

高分子印跡法和探測[編輯]

南方印跡法[編輯]

此方法的命名源自其發明者生物學家Edwin Southern南方印跡法是探測一個DNA樣品中含有特定DNA序列的方法。首先,DNA樣品為凝膠電泳所分離;然後,分離的樣品通過毛細現象被轉移到一張膜上,這一過程被稱為「印跡」(blotting)。帶有樣品的膜就可以用與目標序列互補的標記的DNA標記探針來探測。最初的操作手冊大都採用放射性標記,但現在非放射性標記已開始被採用。自從PCR技術被用於檢測特定DNA序列後,南方印跡法在實驗室中的應用大為減少。但此方法依然有着其他一些應用,如用於測量轉基因的轉基因拷貝數,以及用於構建基因敲除胚胎幹細胞系

北方印跡法[編輯]

北方印跡法示意圖

北方印跡法被用於研究特定類別的RNA分子的表達模式(豐度和大小)。與南方印跡法相似,RNA樣品為凝膠電泳按大小分離;然後轉移到膜上,並用與目標序列互補的標記的探針來探測。實驗結果可以根據所用探針的不同以多種方式來觀察,但大多數都顯示的是樣品中被探測的RNA條帶的相對位置,也就是分子大小;而條帶的強度則與樣品中目標RNA的含量相關。這一方法可以測量目標RNA在不同樣品中的情況,因此已經被普遍用於研究特定基因在生物體中表達的時刻和表達量,也是這類研究中最基本的手段。

西方印跡法[編輯]

大多數蛋白的抗體可以通過將少量的蛋白注入動物(如鼠、兔、羊)以獲得對應注入蛋白的抗體(多株抗體)或進一步通過細胞培養獲得抗體(單株抗體)。這些抗體就可為許多分析和製備技術所使用。在西方印跡法中,蛋白質首先根據分子大小用SDS-PAGE分離。然後將膠中的蛋白質轉移到膜(如PDVF膜、尼龍膜或其他可用的膜)上。然後將膜用含有抗體的溶液浸泡,由於抗體可以特異性地結合到目標蛋白上,因此就可以探測膜中的目標蛋白。同樣觀察結果的方法有很多,包括顯色產物、化學發光(chemiluminescence)或放射自顯影。一些與西方印跡法相似的方法可以用於直接對細胞組織中的特定蛋白進行染色,然而這些被稱為「免疫染色」的方法更多的是應用於細胞生物學而非分子生物學。

此外,還有並不常用的「東方印跡法」(對雙向電泳後蛋白質分子的印跡分析)、「西南方印跡法」(研究蛋白質和DNA相互作用)和「遠端西方印跡法」(Far Western blotting,研究蛋白質-蛋白質相互作用)。

值得一提的是除了南方印跡法的命名是來自於發明者的姓名,其他印跡法的命名則都是源於發明者的幽默:因為南方(Southern)既是印跡法的發明者Edwin Southern的姓,同時其英文含義為「南方」;於是隨後發明不同印跡法的研究者們紛紛將這些方法以方位命名,如Northern(「北方」),Western(「西方」)印等等。[2]

微陣列技術[編輯]

基因表達 (遺傳密碼)

DNA陣列是附着於固體支持物的斑點的集合,例如顯微鏡載玻片,其中每個斑點包含一個或多個單鏈DNA寡核苷酸片段。陣列使得在一個載玻片上能夠放下大量的非常小的(100微米直徑)的斑點。每個斑點具有一個DNA片段分子互補的單個DNA序列(類似於南方印跡法)。該技術的變化允許生物在發育的特定階段的基因表達是合格的(表達譜)。在該技術中,組織中的RNA被分離並轉化為標記的互補脫氧核醣核酸(cDNA)。 然後將該cDNA與陣列上的片段雜交,並且可以進行雜交的可視化。由於可以用完全相同的片段位置製備多個陣列,因此它們特別可用於比較兩種不同組織(例如健康和癌性組織)的基因表達。此外,人們可以測量什麼基因被表達和如何表達隨時間或與其他因素的變化而變化。 例如,常見的麵包酵母釀酒酵母含有約7000個基因; 使用微陣列,可以定量測量每種基因如何被表達,以及該表達如何變化,例如該表達如何隨着溫度的變化而變化。有許多不同的方法來製造微陣列; 最常見的是矽晶片,具有~100微米直徑的斑點的顯微鏡載片,定製陣列和在多孔膜(宏陣列)上具有較大斑點的陣列。給定陣列上可以有從100個斑點到超過10,000個斑點。

微陣列也可以用除了DNA以外的分子來製作。如抗體微陣列可被用於檢測血液樣品中含有哪些蛋白質細菌的存在。

過去的技術[編輯]

SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)

隨着新技術和新方法的不斷出現,舊的技術很快就被拋棄。一個很典型的例子就是DNA分子大小的測量:在(瓊脂糖/聚丙烯酰胺)凝膠電泳出現之前,DNA分子大小是用蔗糖梯度沉降法來測量的,這一方法費時費力而且花費昂貴;而在梯度沉降法出現之前,黏度法被使用。儘管已經不再為人們所關注,但了解這些過時的技術可能會對解決一些特別的問題有幫助。

歷史[編輯]

在1930年代,由於許多生物化學家發現細胞內的許多分子參與了各種複雜的化學反應,分子生物學由此逐步建立。但直到1938年「分子生物學」一詞才由瓦倫·韋弗(Warren Weaver)提出(也有人認為「分子生物學」一詞最早於1945年威廉·阿斯特伯里(William Astbury)首先在Harvey Lecture上應用的[3])。瓦倫是當時洛克斐勒基金會自然科學方面的主持人,他相信由於在X射線晶體學等方面的發展,生物學正在進入一個大的轉變期,他也因此將基金會的資金用於資助生物領域的研究。

知名的分子生物學家[編輯]

參見[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ 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).
  2. ^ Patricia S. Thomas, Hybridization of Denatured RNA and Small DNA Fragments Transferred to Nitrocellulose PNAS 1980; 77: 5201-5205 PNAS
  3. ^ 龍華,「分子生物學的發展」,《生物學通報》,40: 58-60,2005

擴展閱讀[編輯]

  • (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[編輯]