分子生物学：现代生物学的新领域

三、分子生物学时期

1.产生背景

分子生物学（molecular biology）是研究大分子物质——蛋白质和核酸的结构、性质与功能，从而在分子水平上揭露生命活动与遗传本质的一门新型的生物科学技术。分子生物学的诞生可视为生物学发展史上的一次飞跃，它是现代物理、化学的生物高分子结构学派和现代生物学前沿学科的细胞、遗传、微生物和生物化学等共同发展的结果。

自然界的物质运动有机械运动、物理运动、化学运动和生命运动。机械运动最为简单，因而力学最早走向成熟，生命科学最为复杂，因而发展得较晚。现代科学对物理与化学的研究是很卓越的，并对其他科学和工业生产产生了重大作用。生命科学面向人类大自然的研究也取得很大进展，但对生命本质的微观世界及其生命起源与进化问题还了解甚少。所以，今天，人类向最复杂的科学进军是科学和社会文明发展的必然结果。分子生物学兴起只是向生命世界问鼎的新起点。

2.蛋白质

蛋白质（protein）是一切生物体的细胞组织的主要组成成分，在生命活动中起着非常重要的作用。氨基酸是蛋白质的基本单位。氨基酸之间连接链叫肽，由于20种氨基酸的排列侧链在大小、形状、电荷、形成氢键的能力和化学活性方面存在着差异，导致蛋白质功能之广泛性。

蛋白质的分子量很大，一般在1×10⁴～1×10⁶Da，其结构复杂，确认有四种级别概念，这是20世纪40～50年代对蛋白质性质所揭示的最重要的基本内容。研究蛋白质的结构与功能并测定蛋白质氨基酸的序列，以揭示mRNA遗传密码在转译蛋白质中的作用是不可少的。1955年，英国生化学家F.Sanger，测定了牛胰岛素（bovine insulin）的结构和氨基酸的序列，它第一次展示蛋白质具有一个确切的氨基酸的序列。1965年，中国生化学家王应睐等用化学方法合成了具有生物活性的一级蛋白质——结晶牛胰岛素。

现在已有许多种类蛋白质的全部氨基酸被测序，从中可以了解基因编码各种蛋白质中氨基酸的排列顺序。因为蛋白质的生物合成与核酸紧密相关，它遵从DNA复制—mRNA转录—蛋白质转译的中心法则。由此，可以为蛋白质编码基因克隆进行重组与复制。这些都是现代分子生物学的重要内容。蛋白质基因组功能表达的研究还只是刚刚开始。

3.核酸

核酸（nucleic acid）早在1870年从细胞分离出来，它的前期研究比较缓慢。直到1944年由Avery等所完成的肺炎双球菌（Dip lococcus pneumoniae）转化试验，证明它的遗传性发生改变的转化基因是DNA而不是蛋白质。这一发现极大地推动了对核酸结构与功能的研究。

核酸有脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两类。DNA主要存在与细胞核内的染色质中，是遗传信息携带者；RNA在细胞核内产生，然后进入细胞质中，在蛋白质合成中起着重要的转录作用。DNA和RNA的结构单位是核苷酸（nucleotide），每个核苷酸分子含有一个戊糖（核糖或脱氧核糖）、一个磷酸和一个含氮的有机碱，即嘌呤类和嘧啶类碱基。DNA的碱基是G.A.T.C，而RNA的碱基是A.G.C.U。到20世纪50年代初期，人们对于DNA作为遗传物质和化学组成已经清楚，但是，关于四种碱基在核苷酸链上的排列，而两条长链又如何交接在一起还不明确。

1953年，美国J.Watson和英国F.Criek根据Wilkins的X衍射研究，通过计算和模型制作，在《Nature》杂志上发表了《核酸分子结构》一文，阐明DNA双螺旋的三维结构模型，为研究现代分子生物学迈进了重要一步。这可视为20世纪生物科学的最重大发现。它有效地解决了DNA作为遗传物质传递信息的半保留复制功能的可能机制。当时，剑桥大学的生化学家纳·鲍林也在攻关DNA的分子结构，这可说是一场竞赛。(www.xing528.com)

4.分子生物学建立

分子生物学的产生凝聚着当代众多科学家的辛勤与智慧，他们从不同学科、不同研究路线构成了不同学派，有人称之为结构学派、生化学派和信息学派。到后来，它们相互交叉成功地汇聚在新学科之中，因而就不分彼此了。

随着DNA分子双螺旋结构模型确立之后，更加速了对遗传信息的认识。1957年克里克提出了著名的遗传信息流的中心法则。1960年，J.Monod和F.Jacob提出大肠杆菌乳糖操纵子模型，探讨了基因调节因子。1966年，M.Nirenberg等提出了生物界通用的64个遗传密码全破译。1970年，H.Temin等在一种肉瘤病毒中发现了RNA的反转录功能。

1973年，美国柯恩（S.N.Cohen）研究组开创了体外重组DNA并成功转化大肠杆菌（E.coli）的先导。这一年被定为基因工程年。如果分子生物学，以1953年DNA双螺旋结构为标志，经20年的力量积聚得到发展，才显露锋芒。1983年，沃森等人出版《重组DNA简明教程》，从此基因工程成为分子生物学的带头学科，在世界范围内如火如荼地开展开来。

1990年，一项国际性的《人类基因组》课题启动，有计划地对约3万个基因的人体DNA结构和全部30亿个核苷酸碱基对的排列进行测序。由美、日、德、法、英、中六国参加，已与2002年完成了《人类基因组图谱》。

1997年，英国维穆特（E.N.Wilmut）利用成年羊的乳腺细胞中的DNA使之激活，转入去核的卵细胞在母羊的子宫中发育，成功地克隆出一头“多利”绵羊，一时惊动世人。它改变了过去认为高等动物分化的组织细胞，已缺乏全性能而不能逆转分化的观点。

2002年，中国《水稻基因图谱构成》完成，表示人类对主要农作物遗传育种进入基因图谱水平操作，如今，转基因动植物、转基因药物和遗传病基因治疗都已获得一定进展。此外，用PCR扩增技术，探讨生物进化的亲缘关系，更有可能使绝灭的物种以片断DNA得到扩增而获得再生。如今，分子生物学的发展渐趋成熟，必将对人类社会产生很大的影响

5.古DNA的研究与作用

古DNA是指从古代灭绝生物的遗体和遗迹中得到的DNA。近20年，自PCR技术的出现和提取化石DNA技术的成熟，促进了古DNA的研究，它将为人类起源研究，系统发育重建，动植物驯化和由来以及各类考古中的作用提供了新的前景。自英国Higuchi等（1984）首次报道了从19世纪末已灭绝的斑驴标本提取出mtDNA，瑞典Paabo（1985）从距今2400多年的埃及木乃伊中克隆出古DNA分子以来，揭开了古DNA研究序幕，使人们开始意识到古DNA在古生物学、考古学、进化生物学和法医学上的重大意义。

早在1986年，牛津大学的Clegg等研究了来自8个现代种群700个个体的β胡萝卜素基因，所得数据表明人类的祖先源于非洲。这是从分子水平上来探索，是人类起源与发展的一个重大科学问题。随后，通过古人DNA材料来论证与现代人的关系的研究成果很多，如Handt等（1994）研究了1991年发现于阿尔卑斯山的一具冷冻干尸标本，对其皮肤和骨骼的放射性碳年龄测定结果为5100～5300年，并对其古DNA的研究表明，冷冻干尸的mtDNA的类型与现代欧洲人相近。

近年来，对人类起源及进化研究的最主要成就是在对尼人（Neamdertal）的研究。1997年，德国慕尼黑大学Paado领导的研究小组和美国宾文夕法尼亚大学的同行们对尼人进行了研究。他们从距今5万年的尼人标本中获得了378bp的mtDNA，通过与现代人类基因的对比，从遗体学角度上认为尼人与现代人的祖先相距甚远，是介于现代人和黑猩猩之间的过渡类型。他们认为，早在50～60万年前尼人的祖先就与人类祖先在系统演化树上分离，因此尼人不是欧洲人的祖先，并支持现代人非洲起源说。