The Wayback Machine - https://web.archive.org/web/20221025092347/https://baike.sogou.com/kexue/d10578.htm

分子生物学

编辑

分子生物学 /məˈlɛkjʊlər/ 是生物学的一个分支，它是研究细胞不同系统中生物分子之间生物活性的分子基础，包括DNA、RNA、蛋白质之间的相互作用和生物合成，以及这些相互作用的调控。

威廉·阿斯特伯里（William Astbury）在1961年的《自然》杂志上将分子生物学描述为：......与其说是一种技术，不如说是一种方法，一种从所谓基础科学的观点出发的方法，其主导思想是在经典生物学的大规模表现之下寻找相应的分子计划。它特别关注生物分子的形成和[……]主要是三维和结构层面——然而，这并不意味着它仅仅是形态学的一种细化。它必须同时探讨起源和功能。[1]

1 分子生物学与其他生物科学的关系编辑

生物化学、遗传学和分子生物学之间的关系示意图

分子生物学的研究人员使用分子生物学特有的技术，而且他们越来越多地将这些技术与遗传学和生物化学的技术和思想结合起来。这些学科之间没有明确的界限。在下面的示意图中，描述了领域之间相关关系的一种可能的阐释：[2]

  • 生物化学是对生物体内化学物质和生命过程的研究。生物化学家非常关注生物分子的作用、功能和结构。例如生物过程背后的化学和生物活性分子的合成就是生物化学研究的一个方面。[3]
  • 遗传学是对生物体基因差异影响的研究。这通常可以通过正常元件缺失（例如一个基因的缺失）来推断。对“突变体”的研究——即相对于所谓的“野生型”或正常表型缺乏一种或多种功能元件的生物体。遗传相互作用（上位性）经常会混淆对这种“敲除”研究的简单解释。[4]
  • 分子生物学是对复制、转录、翻译和细胞功能过程的分子基础的研究。分子生物学的中心法则，即遗传物质被转录成核糖核酸，然后被翻译成蛋白质，尽管这一法则被描述的过于简单化，仍然为理解这个领域提供了一个很好的起点。根据核糖核酸被发现的新功能这个法则已经进行了改进。[5]

许多分子生物学方面的工作是定量的，最近的许多研究工作是在结合生物信息学和计算生物学的基础之上完成的。在21世纪初，研究基因结构和功能的分子遗传学，已经成为分子生物学最突出的领域之一。越来越多的其他生物学领域关注分子水平研究，要么直接研究分子自身的相互作用，如细胞生物学和发育生物学，要么间接地利用分子技术推断种群或物种的历史属性，如进化生物学领域的种群遗传学和系统发育学。另外在生物物理学中，“从头开始”研究生物分子也有悠久的传统。

2 分子生物学技术编辑

脱氧核糖核酸动画

2.1 分子克隆

File:Transduction image.pdf 分子生物学研究蛋白质功能的最基本技术之一是分子克隆。在该技术中，使用聚合酶链式反应和/或限制性内切酶的方法将编码感兴趣蛋白质的脱氧核糖核酸克隆到质粒（表达载体）中。一个载体有三个独特的特征：一个复制起点，一个多克隆位点，和一个选择性标记，通常是抗生素抗性。位于多克隆位点上游的是调节克隆基因表达的启动子区和转录起始位点。这种质粒可以插入细菌或动物细胞。将脱氧核糖核酸引入细菌细胞可以通过直接将裸脱氧核糖核酸进行转化，通过细胞-细胞接触进行接合，或者通过病毒载体进行转导。通过物理或化学方法将脱氧核糖核酸引入真核细胞，如动物细胞，称为转染。几种不同的转染技术都是可用的，例如磷酸钙转染、电穿孔、显微注射和脂质体转染。质粒可以整合到基因组中，导致稳定转染，或者可以保持独立于基因组，称为瞬时转染。[5][6]

如果编码感兴趣蛋白质的脱氧核糖核酸在细胞内，那么蛋白质现在就可以表达了。有多种不同的系统可用于帮助高水平表达感兴趣的蛋白质，如诱导型启动子和特定的细胞信号因子。然后就可以从细菌或真核细胞中提取大量蛋白质。该蛋白可以在不同条件下进行酶活性测定。蛋白质可以结晶，因此也可以研究其三级结构，或者在制药产业中，可以研究新药对蛋白质的活性。

2.2 聚合酶链式反应

聚合酶链式反应是一种极其通用的复制脱氧核糖核酸的技术。简而言之，聚合酶链反应允许特定的脱氧核糖核酸序列以预先设定的方式被复制或改动。这种反应非常强大，在理想的条件下，一个脱氧核糖核酸分子可以在不到两个小时内扩增成10.7亿个分子。聚合酶链反应技术可用于将限制性酶位点引入到脱氧核糖核酸分子的末端，或突变脱氧核糖核酸的特定碱基，后者是一种称为定点突变的方法。聚合酶链反应也可用于确定在cDNA文库中是否存在特定的脱氧核糖核酸片段。聚合酶链式反应衍生了很多种技术，例如用于扩增核糖核酸的反转录聚合酶链式反应，以及最近的定量聚合酶链式反应，这种技术允许定量地测量脱氧核糖核酸或核糖核酸分子。[7][8]

2.3 凝胶电泳

用硼酸盐缓冲液制成2%琼脂糖凝胶浇注在凝胶盘中。

凝胶电泳是分子生物学的主要工具之一。基本原理是：脱氧核糖核酸、核糖核酸和蛋白质都可以通过电场和大小来分离。在琼脂糖凝胶电泳中，通过带电的琼脂糖凝胶，可以基于大小来分离脱氧核糖核酸和核糖核酸。蛋白质可以通过使用SDS-PAGE凝胶根据大小进行分离，或者使用所谓的2D凝胶电泳技术根据大小和电荷进行分离。[9]

2.4 高分子印迹和探针

术语“northern”、“western”和“eastern”印迹源自最初对术语“Southern印迹”开的一个分子生物学玩笑，Southern印迹源自埃德温·萨瑟恩（Edwin Southern）描述脱氧核糖核酸的杂交技术。核糖核酸印迹的发明者帕特里夏托马斯（Patricia Thomas）实际上没有使用这个术语，是后来被称为northern印迹。[10]

Southern印迹

以其发明者、生物学家埃德温·萨瑟恩（Edwin Southern）命名的“Southern印迹”是一种探测一个基因样本中特定基因序列存在的方法。在限制性酶（限制性内切酶）消化之前或之后的脱氧核糖核酸样品通过凝胶电泳分离，然后通过毛细作用的印迹转移到膜上。然后将膜暴露于标记的脱氧核糖核酸探针，该探针具有与感兴趣的脱氧核糖核酸序列互补的碱基序列。[11]由于聚合酶链式反应等其他技术的能够有类似检出特定脱氧核糖核酸序列的能力，Southern印迹在实验室科学中不太常用。然而，这些印迹仍然有其他的应用，例如测量转基因小鼠中的转基因拷贝数或构建基因敲除的胚胎干细胞系。

Northern印迹

Northern印迹示意图

Northern印迹用于研究特定类型核糖核酸分子的表达模式，如比较一组不同核糖核酸样品之间表达情况。它本质上是变性核糖核酸凝胶电泳和印迹的结合。在这个过程中，根据大小分离核糖核酸，然后转移到膜上，接着用目标序列互补的已标记好的探针进行探测。根据所使用的标签，结果可以通过多种方式直观的观察到。然而，大多数结果显示了样品中被检测到的核糖核酸大小的条带。这些条带的强度与分析样品中目标核糖核酸的量有关。这个方法通常用于测量不同样品中存在多少核糖核酸，进一步来研究基因表达发生的时间和数量。它是确定某些基因在什么时间、什么条件下在活组织中表达的最基本的工具之一。[12][13]

Western印迹

在Western印迹法中，蛋白质首先根据大小通过一种被称为SDS-PAGE的技术（将薄凝胶夹在两块玻璃板之间）被分离出来。然后凝胶中的蛋白质被转移到如聚偏二氟乙烯（PVDF）、硝化纤维、尼龙或其他支撑膜上。接着可以用含抗体的溶液探测这层膜。最后可以通过多种方法来观察特异性结合的感兴趣蛋白质，包括显色剂、化学发光或放射自显影技术。通常，抗体被酶标记。当化学发光底物暴露于酶时就会被检测到。使用蛋白质印迹技术不仅可以检测，还可以进行定量分析。类似于蛋白质印迹的方法可用于直接对活细胞或组织切片中的特定蛋白质进行染色。[14][15]

Eastern印迹

Eastern印迹技术用于检测蛋白质的翻译后修饰。涂在聚偏二氟乙烯或硝酸纤维素膜上的蛋白质用特定底物进行探测。[16]

2.5 微阵列

正在打印的基因芯片

靶序列与探针的杂交

脱氧核糖核酸微阵列是附着在固体支持物如显微镜载玻片上的点的集合，其中每个点包含一个或多个单链脱氧核糖核酸寡核苷酸片段。阵列使得在单个载玻片上放置大量非常小（100微米直径）的斑点成为可能。每个点都有一个与单个脱氧核糖核酸序列互补的脱氧核糖核酸片段分子。这种技术的一种变体允许生物体在特定发育阶段的基因表达被鉴定（表达谱）。在这项技术中，组织中的核糖核酸被分离出来并转化为标记的互补脱氧核糖核酸。然后，将这种cDNA与阵列上的片段杂交，可以实现杂交的可视化。由于可以用完全相同的片段位置制作多个阵列，因此它们对于比较两种不同组织（例如健康和癌组织）的基因表达特别有用。此外，我们可以测量哪些基因被表达，以及这种表达如何随时间或其他因素而变化。制造微阵列有许多不同的方法；最常见的是硅芯片、直径约为100微米的显微镜载玻片、定制阵列和多孔膜上斑点较大的阵列（大阵列）。给定阵列上可以有100个点到10000多个点。微阵列也可以用除了脱氧核糖核酸以外的分子来制成。[17][18][19][20]

2.6 等位基因特异性寡核苷酸

等位基因特异性寡核苷酸（ASO）是一种无需聚合酶链式反应或凝胶电泳即可检测单碱基突变的技术。短的（长度为20-25个核苷酸）、标记的探针暴露于非片段化的靶脱氧核糖核酸，由于探针长度短，杂交以高特异性发生，甚至单个碱基变化也会阻碍杂交。然后清洗目标脱氧核糖核酸，去除没有杂交的标记探针。通过放射性或荧光来确定目标脱氧核糖核酸中探针的存在。在这个实验中，同大多数分子生物学技术中一样，必须设置对照来确保实验成功。[21][22]

SDS-PAGE

在分子生物学中，程序和技术不断发展改善，旧技术不断被抛弃。例如，在脱氧核糖核酸凝胶电泳（琼脂糖或聚丙烯酰胺）出现之前，脱氧核糖核酸分子的大小通常是由蔗糖梯度中的沉淀速率决定的，这是一种缓慢且费力的技术，需要昂贵的仪器；在蔗糖梯度技术之前，使用粘度测定法。除了基于对历史技术的兴趣之外，了解旧技术通常是值得的，因为在解决新技术不适合的其他问题有时是很有用的。

3 历史编辑

分子生物学建立于20世纪30年代，这个术语是瓦伦·韦弗（Warren Weaver）在1938年提出的。韦弗（Weaver）当时是洛克菲勒基金会的自然科学主任，他认为，鉴于x光晶体学等领域的最新进展，生物学将经历一个重大变革时期。[23][24]

由分子生物学产生的临床研究和医学治疗部分包含在基因治疗中。分子生物学或分子细胞生物学方法在医学中的应用现在被称为分子医学。分子生物学在理解细胞各部分的形成、作用和调节方面也起着重要作用，可用于研究有效靶向新药、诊断疾病和理解细胞的生理机能。[25]

参考文献

  • [1]

    ^Astbury, W.T. (1961). "Molecular Biology or Ultrastructural Biology?" (PDF). Nature (in English). 190 (4781): 1124. Bibcode:1961Natur.190.1124A. doi:10.1038/1901124a0. PMID 13684868. Retrieved 2008-08-04.CS1 maint: Unrecognized language (link).

  • [2]

    ^Lodish, Harvey; Berk, Arnold; Zipursky, S. Lawrence; Matsudaira, Paul; Baltimore, David; Darnell, James (2000). Molecular cell biology (4th ed.). New York: Scientific American Books. ISBN 978-0-7167-3136-8..

  • [3]

    ^Berg, Jeremy M.; Tymoczko, John L.; Stryer, Lubert; Berg, Jeremy M.; Tymoczko, John L.; Stryer, Lubert (2002). Biochemistry (5th ed.). W H Freeman. ISBN 978-0-7167-3051-4.chapter 1.

  • [4]

    ^Reference, Genetics Home. "Help Me Understand Genetics". Genetics Home Reference. Retrieved 31 December 2016..

  • [5]

    ^Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Morgan, David; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter (2014). Molecular Biology of the Cell, Sixth Edition. Garland Science. pp. 1–10. ISBN 978-1-317-56375-4..

  • [6]

    ^Lessard, Juliane C. (1 January 2013). Molecular cloning. Methods in Enzymology. 529. pp. 85–98. doi:10.1016/B978-0-12-418687-3.00007-0. ISBN 978-0-12-418687-3. ISSN 1557-7988. PMID 24011038..

  • [7]

    ^"Polymerase Chain Reaction (PCR)". www.ncbi.nlm.nih.gov. Retrieved 31 December 2016..

  • [8]

    ^"Polymerase Chain Reaction (PCR) Fact Sheet". National Human Genome Research Institute (NHGRI). Retrieved 31 December 2016..

  • [9]

    ^Lee, Pei Yun; Costumbrado, John; Hsu, Chih-Yuan; Kim, Yong Hoon (20 April 2012). "Agarose Gel Electrophoresis for the Separation of DNA Fragments". Journal of Visualized Experiments (62). doi:10.3791/3923. ISSN 1940-087X. PMC 4846332. PMID 22546956..

  • [10]

    ^Thomas, P.S. (1980). "Hybridization of denatured RNA and small DNA fragments transferred to nitrocellulose". PNAS. 77 (9): 5201–5205. Bibcode:1980PNAS...77.5201T. doi:10.1073/pnas.77.9.5201. ISSN 1091-6490. PMC 350025. PMID 6159641..

  • [11]

    ^Brown, T. (1 May 2001). Southern blotting. Current Protocols in Immunology. Chapter 10. pp. Unit 10.6A. doi:10.1002/0471142735.im1006as06. ISBN 978-0-471-14273-7. ISSN 1934-368X. PMID 18432697..

  • [12]

    ^Nielsen, Henrik, ed. (2011). RNA methods and protocols. Methods in Molecular Biology. 703. New York: Humana Press. pp. 87–105. doi:10.1007/978-1-59745-248-9_7. ISBN 978-1-59745-248-9. PMID 21125485..

  • [13]

    ^He, Shan L. (1 January 2013). Northern blot. Methods in Enzymology. 530. pp. 75–87. doi:10.1016/B978-0-12-420037-1.00003-8. ISBN 978-0-12-420037-1. PMC 4287216. PMID 24034315..

  • [14]

    ^Mahmood, Tahrin; Yang, Ping-Chang (2016-12-31). "Western Blot: Technique, Theory, and Trouble Shooting". North American Journal of Medical Sciences. 4 (9): 429–434. doi:10.4103/1947-2714.100998. ISSN 2250-1541. PMC 3456489. PMID 23050259..

  • [15]

    ^Kurien, Biji T.; Scofield, R. Hal (1 April 2006). "Western blotting". Methods. 38 (4): 283–293. doi:10.1016/j.ymeth.2005.11.007. ISSN 1046-2023. PMID 16483794. – via ScienceDirect (Subscription may be required or content may be available in libraries.).

  • [16]

    ^Thomas, S.; Thirumalapura, N.; Crossley, E. C.; Ismail, N.; Walker, D. H (1 June 2009). "Antigenic protein modifications in Ehrlichia". Parasite Immunology (in 英语). 31 (6): 296–303. doi:10.1111/j.1365-3024.2009.01099.x. ISSN 1365-3024. PMC 2731653. PMID 19493209..

  • [17]

    ^"Microarrays". www.ncbi.nlm.nih.gov. Retrieved 31 December 2016..

  • [18]

    ^Bumgarner, Roger (31 December 2016). Frederick M. Ausubel; et al., eds. "DNA microarrays: Types, Applications and their future". Current protocols in molecular biology. Chapter 22, Unit–22.1. doi:10.1002/0471142727.mb2201s101. ISBN 978-0-471-14272-0. ISSN 1934-3639. PMC 4011503. PMID 23288464..

  • [19]

    ^Govindarajan, Rajeshwar; Duraiyan, Jeyapradha; Kaliyappan, Karunakaran; Palanisamy, Murugesan (31 December 2016). "Microarray and its applications". Journal of Pharmacy & Bioallied Sciences. 4 (Suppl 2): S310–S312. doi:10.4103/0975-7406.100283. ISSN 0976-4879. PMC 3467903. PMID 23066278..

  • [20]

    ^Tarca, Adi L.; Romero, Roberto; Draghici, Sorin (31 December 2016). "Analysis of microarray experiments of gene expression profiling". American Journal of Obstetrics and Gynecology. 195 (2): 373–388. doi:10.1016/j.ajog.2006.07.001. ISSN 0002-9378. PMC 2435252. PMID 16890548..

  • [21]

    ^Cheng, Liang; Zhang, David Y., eds. (2008). Molecular genetic pathology (in 英语). Totowa, NJ: Humana. p. 96. ISBN 978-1-59745-405-6. Retrieved 31 December 2016..

  • [22]

    ^Leonard, Debra G.B. (2016). Molecular Pathology in Clinical Practice (in 英语). Springer. p. 31. ISBN 978-3-319-19674-9. Retrieved 31 December 2016..

  • [23]

    ^Weaver, Warren (6 November 1970). "Molecular Biology: Origin of the Term". Science (in 英语). 170 (3958): 581–582. doi:10.1126/science.170.3958.581-a. Retrieved 31 December 2016..

  • [24]

    ^Bynum, William (1 February 1999). "A History of Molecular Biology". Nature Medicine (in 英语). 5 (2): 140. doi:10.1038/5498. ISSN 1078-8956. Retrieved 31 December 2016. (Subscription required (help))..

  • [25]

    ^Bello EA, Schwinn DA. Molecular biology and medicine. A primer for the clinician. Anesthesiology 1996; 85: 1462–1478..

阅读 1.1w
版本记录

  • 暂无