A+醫(yī)學百科 >> 分子生物學

分子生物學是對生物在分子層次上的研究。這是一門生物學和化學之間跨學科的研究，其研究領域涵蓋了遺傳學、生物化學和生物物理學等學科。分子生物學主要致力于對細胞中不同系統(tǒng)之間相互作用的理解，包括DNA，RNA和蛋白質(zhì)生物合成之間的關系以及了解它們之間的相互作用是如何被調(diào)控的。

目錄 1 歷史 2 與其他“分子尺度”生物科學的關系 3 技術 3.1 克隆表達 3.2 多聚酶鏈式反應 3.3 凝膠電泳 3.4 墨點法 3.4.1 南方墨點法 3.4.2 北方墨點法 3.4.3 西方墨點法 3.5 微陣列技術 3.6 過時的技術 4 知名的分子生物學家 5 參見 6 參考文獻 7 擴展閱讀 8 外部連結(jié) 9 參考來源

歷史

主條目：分子生物學史

在1930年代，由于許多生物化學家發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)的許多分子參與了各種復雜的化學反應，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”一詞最早于1945年威廉·阿斯特伯里（William Astbury）首先在Harvey Lecture上應用的^[1]）。瓦倫是當時洛克斐勒基金會自然科學方面的主持人，他相信由于在X射線晶體學等方面的發(fā)展，生物學正在進入一個大的轉(zhuǎn)變期，他也因此將基金會的資金用于資助生物領域的研究。

與其他“分子尺度”生物科學的關系

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(jié)），而且越來越多地從遺傳學、生物化學和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系一種可能的闡釋：

• “生物化學”主要研究化學物質(zhì)在生物體關鍵的生命進程中的作用。
  參見：生物化學
• “遺傳學”主要研究生物體間遺傳差異的影響。這些影響常?？梢酝ㄟ^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(xiàn)型（又稱為“野生型”）之間的關系。遺傳相互作用（如異位顯性）經(jīng)常會使像基因敲除這類研究的結(jié)果難以解釋。
  參見：遺傳學
• “分子生物學”則主要研究遺傳物質(zhì)的復制、轉(zhuǎn)錄和翻譯進程中的分子基礎。分子生物學的中心法則認為“DNA制造RNA，RNA制造蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)反過來協(xié)助前兩項流程，并協(xié)助DNA自我復制”；雖然這一描述對分子生物學所涵蓋的內(nèi)容過于簡單化（特別是RNA的新功能仍在不斷發(fā)現(xiàn)中），但仍不失為了解這一領域的很好的起點。

主條目：分子生物學的中心法則

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(jié)合生物信息學和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(jié)構(gòu)和功能的分子遺傳學已經(jīng)成為分子生物學中發(fā)展最快的領域之一。

越來越多的學科已經(jīng)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，如細胞生物學和發(fā)育生物學；另一方面利用分子生物學技術來研究并推測群體和物種的歷史貢獻（非直接，遺傳水平），如進化生物學領域中的群體遺傳學和系統(tǒng)發(fā)生學。此外，生物物理學一直都有從頭研究生物分子的傳統(tǒng)。

技術

從1950年代晚期和1960年代早期開始，分子生物學家已經(jīng)開始學習鑒定、提純和處理細胞和生物體的分子組分。這些組分包括：DNA，遺傳信息的攜帶者；RNA，作為DNA的“近親”，既可以是DNA的臨時“工作拷貝”，又可以發(fā)揮結(jié)構(gòu)分子和酶功能，同時還是蛋白質(zhì)翻譯的結(jié)構(gòu)和功能元件；蛋白質(zhì)，細胞中的主要的結(jié)構(gòu)分子和酶分子。

克隆表達

分子生物學中最基本的技術是蛋白質(zhì)的表達和純化。首先是編碼目的蛋白的DNA序列被克隆（用PCR技術和限制性內(nèi)切酶）到作為表達載體的質(zhì)粒中。隨后構(gòu)建好的質(zhì)粒被引入到宿主細胞。編碼序列在質(zhì)粒上的特殊的啟動子元件的驅(qū)動下，被宿主細胞的表達系統(tǒng)所表達。質(zhì)粒上通常還帶有抗生素抗性標簽以便于質(zhì)粒篩選。^[2]

質(zhì)?？梢员徊迦氲?a href="/w/%E7%BB%86%E8%8F%8C" title="細菌">細菌或動物細胞。外源DNA被引入細菌被稱為轉(zhuǎn)化，可以通過電穿孔法、微注射法、正吸收和融合來實現(xiàn)；外源DNA被引入真核細胞，如動物細胞，被稱為轉(zhuǎn)染，轉(zhuǎn)染技術包括磷酸鈣法、脂質(zhì)體法和一些有專利權(quán)的商用轉(zhuǎn)染試劑。DNA也可以以病毒或病原菌為載體被帶入宿主細胞；應用這種病毒或病菌的轉(zhuǎn)染技術于細胞時，用術語來說就是“對細胞進行轉(zhuǎn)導（transduce）”。

多聚酶鏈式反應

主條目：多聚酶鏈式反應

多聚酶鏈式反應（PCR）是一項用于體外復制DNA的極為通用的技術。簡而言之，PCR技術可以使單鏈DNA被復制數(shù)百萬次，也允許用事先確定好的方式對被復制的DNA序列進行改動。例如，PCR技術可以用于引入限制性酶切位點，或者對特定的DNA堿基進行突變（改變）。PCR技術還可以用于從cDNA文庫獲得特定的DNA片段，或者從另一個角度，用于判斷一個cDNA文庫中是否含有特定的DNA片段。

凝膠電泳

主條目：凝膠電泳

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(zhì)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(zhì)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(zhì)還可以由于所帶電荷的不同被等電聚焦電泳分離。

墨點法

南方墨點法

主條目：南方墨點法

此方法的命名源自其發(fā)明者生物學家Edwin Southern。南方墨點法是探測一個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；然后，分離的樣品通過毛細現(xiàn)象被轉(zhuǎn)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采用放射性標記，但現(xiàn)在非放射性標記已開始被采用。自從PCR技術被用于檢測特定DNA序列后，Southern印跡法在實驗室中的應用大為減少。但此方法依然有著其他一些應用，如用于測量轉(zhuǎn)基因鼠的轉(zhuǎn)基因拷貝數(shù)，以及用于構(gòu)建基因敲除的胚胎干細胞系。

北方墨點法

主條目：北方墨點法

北方墨點法被用于研究特定類別的RNA分子的表達模式（豐度和大?。Ｅc南方墨點法相似，RNA樣品為凝膠電泳按大小分離；然后轉(zhuǎn)移到膜上，并用與目標序列互補的標記的探針來探測。實驗結(jié)果可以根據(jù)所用探針的不同以多種方式來觀察，但大多數(shù)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??；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(jīng)被普遍用于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。

西方墨點法

主條目：西方墨點法

大多數(shù)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（多克隆抗體）或進一步通過細胞培養(yǎng)獲得抗體（單克隆抗體）。這些抗體就可為許多分析和制備技術所使用。在西方墨點法中，蛋白質(zhì)首先根據(jù)分子大小用SDS-PAGE分離。然后將膠中的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到膜（如PDVF膜、尼龍膜或其他可用的膜）上。然后將膜用含有抗體的溶液浸泡，由于抗體可以特異性地結(jié)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(jié)果的方法有很多，包括顯色產(chǎn)物、化學發(fā)光（chemiluminescence）或放射自顯影。一些與西方墨點法相似的方法可以用于直接對細胞和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于細胞生物學而非分子生物學。

此外，還有并不常用的“東方墨點法”（對雙向電泳后蛋白質(zhì)分子的印跡分析）、“西南方墨點法”（研究蛋白質(zhì)和DNA相互作用）和“遠端西方墨點法”（Far Western blotting，研究蛋白質(zhì)－蛋白質(zhì)相互作用）。

值得一提的是除了南方墨點法的命名是來自于發(fā)明者的姓名，其他墨點法的命名則都是源于發(fā)明者的幽默：因為南方（Southern）既是墨點法的發(fā)明者Edwin Southern的姓，同時其英文含義為“南方”；于是隨后發(fā)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。^[3]

微陣列技術

主條目：DNA微陣列

微陣列也可以用除了DNA以外的分子來制作。如抗體微陣列可被用于檢測血液樣品中含有哪些蛋白質(zhì)或細菌。

過時的技術

主條目：過時的分子生物學技術

隨著新技術和新方法的不斷出現(xiàn)，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(xiàn)之前，DNA分子大小是用蔗糖密度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(xiàn)之前，使用的是黏度法。盡管已經(jīng)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。

知名的分子生物學家

佛朗西斯·克里克 詹姆斯·沃森 埃爾文·查戈夫 羅莎琳·富蘭克林 法蘭索瓦?雅各 馬修·梅瑟生 克里斯汀·紐斯林-沃爾哈德

萊納斯·鮑林 馬克斯·佩魯茨 弗雷德里克·桑格 富蘭克林·史達 利根川進 莫里斯·威爾金斯 亞歷山大·里奇

參見

• 細胞生物學（細胞的結(jié)構(gòu)和組成）
• DNA和染色體結(jié)構(gòu)
• 蛋白質(zhì)生物合成（從DNA轉(zhuǎn)錄為RNA，再從RNA翻譯成蛋白質(zhì)）
• 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)
• 基因組
• 蛋白質(zhì)組

參考文獻

1. ↑ 龍華，“分子生物學的發(fā)展”，《生物學通報》，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

擴展閱讀

• Keith Roberts, Martin Raff, Bruce Alberts, Peter Walter, Julian Lewis and Alexander Johnson, Molecular Biology of the Cell
  • 4th Edition, Routledge, March, 2002, hardcover, 1616 pages, 7.6 pounds, ISBN 0-8153-3218-1
  • 3rd Edition, Garland, 1994, ISBN 0-8153-1620-8
  • 2nd Edition, Garland, 1989, ISBN 0-8240-3695-6
• Rodgers, M. The Pandora's box congress. Rolling Stone 189, 37 – 77 (1975).

外部連結(jié)

• Frederick Sanger Freeview Video Interview/Documentary by the Vega Science Trust.
• Max Perutz Freeview Video interview with Max Perutz by the Vega Science Trust.
• Christiane Nüsslein-Volhard Freeview interview by the Vega Science Trust.
• The Collection of Biostatistics Research Archive
• Statistical Applications in Genetics and Molecular Biology
• The International Journal of Biostatistics
• The International Journal of Biological Sciences
• Institute of Molecular and Cell Biology
• Nature Reviews Molecular Cell Biology
• Stanford Encyclopedia of Philosophy entry
• The Virtual Library of Biochemistry and Cell Biology
• A brief history of molecular biology
• A Monk's Flourishing Garden: the Basics of Molecular Biology Explained - a review from the Science Creative Quarterly
• The Molecular Biology Gateway
• Scientific American Magazine (April 2004 Issue) Evolution Encoded
• National Center for Biotechnology Information

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分子生物學 計算生物學 發(fā)育生物學 功能醫(yī)學 概觀 中心法則 分子生物學史 DNA復制（脫氧核糖核酸） 轉(zhuǎn)錄（核糖核酸） 翻譯（蛋白質(zhì)） 要素 啟動子 普里布諾盒 TATA盒 操縱子 半乳糖操縱子 乳糖操縱子 色氨酸操縱子 內(nèi)含子 外顯子 終止子 強化子 阻遏物 乳糖阻遏物 色氨酸阻遏物 沉默子 組蛋白甲基化 相關科目 細胞生物學 生物化學 計算生物學 遺傳學 工程 概念 有絲分裂 細胞信息傳遞 轉(zhuǎn)錄后修飾 翻譯后修飾 干實驗室/濕實驗室 技術 細胞培養(yǎng) 模式生物 方法 核酸 蛋白質(zhì) 生命科學應用的熒光、色素與生命科學應用的放射性 高通量技術（-組學） DNA微陣列 質(zhì)譜法 實驗室芯片 基因表達調(diào)控 表觀遺傳學 基因表達調(diào)控 轉(zhuǎn)錄后調(diào)控 翻譯后調(diào)控 基因表達術語表

基因表達 遺傳學入門 遺傳密碼 經(jīng)典中心法則：DNA → RNA → 蛋白質(zhì) 擴充中心法則（RNA → RNA、RNA → DNA、蛋白質(zhì) → 蛋白質(zhì)） 轉(zhuǎn)錄 細菌轉(zhuǎn)錄 / 古菌轉(zhuǎn)錄 / 真核轉(zhuǎn)錄 （轉(zhuǎn)錄因子、RNA聚合酶、啟動子） 轉(zhuǎn)錄后修飾（hnRNA、5'端加帽、RNA剪接、多腺苷酸化） 翻譯 （核糖體、tRNA） 原核翻譯 / 古菌翻譯 / 真核翻譯 翻譯后修飾 基因表達調(diào)控 表觀遺傳學調(diào)節(jié)（基因組銘印等） 轉(zhuǎn)錄調(diào)控 轉(zhuǎn)錄后調(diào)控（P體、可變剪接、miRNA等） 翻譯調(diào)控 翻譯后調(diào)控（磷酸化、蛋白酶解等）

參考來源

• 維基百科-分子生物學

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