A+醫(yī)學(xué)百科 >> 分子生物學(xué)

分子生物學(xué)是對(duì)生物在分子層次上的研究。這是一門生物學(xué)和化學(xué)之間跨學(xué)科的研究，其研究領(lǐng)域涵蓋了遺傳學(xué)、生物化學(xué)和生物物理學(xué)等學(xué)科。分子生物學(xué)主要致力于對(duì)細(xì)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(guān)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(xué)的關(guān)系 3 技術(shù) 3.1 克隆表達(dá) 3.2 多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 3.3 凝膠電泳 3.4 墨點(diǎn)法 3.4.1 南方墨點(diǎn)法 3.4.2 北方墨點(diǎn)法 3.4.3 西方墨點(diǎn)法 3.5 微陣列技術(shù) 3.6 過時(shí)的技術(shù) 4 知名的分子生物學(xué)家 5 參見 6 參考文獻(xiàn) 7 擴(kuò)展閱讀 8 外部連結(jié) 9 參考來源

歷史

主條目：分子生物學(xué)史

在1930年代，由于許多生物化學(xué)家發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)的許多分子參與了各種復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，分子生物學(xué)由此逐步建立。但直到1938年“分子生物學(xué)”一詞才由瓦倫·韋弗（Warren Weaver）提出（也有人認(rèn)為“分子生物學(xué)”一詞最早于1945年威廉·阿斯特伯里（William Astbury）首先在Harvey Lecture上應(yīng)用的^[1]）。瓦倫是當(dāng)時(shí)洛克斐勒基金會(huì)自然科學(xué)方面的主持人，他相信由于在X射線晶體學(xué)等方面的發(fā)展，生物學(xué)正在進(jìn)入一個(gè)大的轉(zhuǎn)變期，他也因此將基金會(huì)的資金用于資助生物領(lǐng)域的研究。

與其他“分子尺度”生物科學(xué)的關(guān)系

分子生物學(xué)的研究者們不僅應(yīng)用分子生物學(xué)特有的技術(shù)（參見本條目中“技術(shù)”一節(jié)），而且越來越多地從遺傳學(xué)、生物化學(xué)和生物物理學(xué)的技術(shù)和思路中獲得啟迪，綜合利用。因此，這些學(xué)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(duì)相關(guān)領(lǐng)域之間的相互關(guān)系一種可能的闡釋：

• “生物化學(xué)”主要研究化學(xué)物質(zhì)在生物體關(guān)鍵的生命進(jìn)程中的作用。
  參見：生物化學(xué)
• “遺傳學(xué)”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(gè)或多個(gè)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(guān)系。遺傳相互作用（如異位顯性）經(jīng)常會(huì)使像基因敲除這類研究的結(jié)果難以解釋。
  參見：遺傳學(xué)
• “分子生物學(xué)”則主要研究遺傳物質(zhì)的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯進(jìn)程中的分子基礎(chǔ)。分子生物學(xué)的中心法則認(rèn)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(xiàng)流程，并協(xié)助DNA自我復(fù)制”；雖然這一描述對(duì)分子生物學(xué)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(lǐng)域的很好的起點(diǎn)。

主條目：分子生物學(xué)的中心法則

在分子生物學(xué)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(xué)和計(jì)算生物學(xué)的基礎(chǔ)之上完成的。從本世紀(jì)（二十一世紀(jì)）開始，研究基因結(jié)構(gòu)和功能的分子遺傳學(xué)已經(jīng)成為分子生物學(xué)中發(fā)展最快的領(lǐng)域之一。

越來越多的學(xué)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(guān)分子間相互作用，如細(xì)胞生物學(xué)和發(fā)育生物學(xué)；另一方面利用分子生物學(xué)技術(shù)來研究并推測群體和物種的歷史貢獻(xiàn)（非直接，遺傳水平），如進(jìn)化生物學(xué)領(lǐng)域中的群體遺傳學(xué)和系統(tǒng)發(fā)生學(xué)。此外，生物物理學(xué)一直都有從頭研究生物分子的傳統(tǒng)。

技術(shù)

從1950年代晚期和1960年代早期開始，分子生物學(xué)家已經(jīng)開始學(xué)習(xí)鑒定、提純和處理細(xì)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(shí)“工作拷貝”，又可以發(fā)揮結(jié)構(gòu)分子和酶功能，同時(shí)還是蛋白質(zhì)翻譯的結(jié)構(gòu)和功能元件；蛋白質(zhì)，細(xì)胞中的主要的結(jié)構(gòu)分子和酶分子。

克隆表達(dá)

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

質(zhì)粒可以被插入到細(xì)菌或動(dòng)物細(xì)胞。外源DNA被引入細(xì)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(shí)現(xiàn)；外源DNA被引入真核細(xì)胞，如動(dòng)物細(xì)胞，被稱為轉(zhuǎn)染，轉(zhuǎn)染技術(shù)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(xì)胞；應(yīng)用這種病毒或病菌的轉(zhuǎn)染技術(shù)于細(xì)胞時(shí)，用術(shù)語來說就是“對(duì)細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduce）”。

多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

主條目：多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）是一項(xiàng)用于體外復(fù)制DNA的極為通用的技術(shù)。簡而言之，PCR技術(shù)可以使單鏈DNA被復(fù)制數(shù)百萬次，也允許用事先確定好的方式對(duì)被復(fù)制的DNA序列進(jìn)行改動(dòng)。例如，PCR技術(shù)可以用于引入限制性酶切位點(diǎn)，或者對(duì)特定的DNA堿基進(jìn)行突變（改變）。PCR技術(shù)還可以用于從cDNA文庫獲得特定的DNA片段，或者從另一個(gè)角度，用于判斷一個(gè)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(xué)最主要的一項(xiàng)技術(shù)。其基本原理是：DNA、RNA和蛋白質(zhì)可以用電場來進(jìn)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(jìn)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(diǎn)法

南方墨點(diǎn)法

主條目：南方墨點(diǎn)法

此方法的命名源自其發(fā)明者生物學(xué)家Edwin Southern。南方墨點(diǎn)法是探測一個(gè)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(xì)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(biāo)序列互補(bǔ)的標(biāo)記的DNA標(biāo)記探針來探測。最初的操作手冊(cè)大都采用放射性標(biāo)記，但現(xiàn)在非放射性標(biāo)記已開始被采用。自從PCR技術(shù)被用于檢測特定DNA序列后，Southern印跡法在實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用大為減少。但此方法依然有著其他一些應(yīng)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(xì)胞系。

北方墨點(diǎn)法

主條目：北方墨點(diǎn)法

北方墨點(diǎn)法被用于研究特定類別的RNA分子的表達(dá)模式（豐度和大小）。與南方墨點(diǎn)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(biāo)序列互補(bǔ)的標(biāo)記的探針來探測。實(shí)驗(yàn)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(duì)位置，也就是分子大小；而條帶的強(qiáng)度則與樣品中目標(biāo)RNA的含量相關(guān)。這一方法可以測量目標(biāo)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(dá)的時(shí)刻和表達(dá)量，也是這類研究中最基本的手段。

西方墨點(diǎn)法

主條目：西方墨點(diǎn)法

大多數(shù)蛋白的抗體可以通過將少量的蛋白注入動(dòng)物（如鼠、兔、羊）以獲得對(duì)應(yīng)注入蛋白的抗體（多克隆抗體）或進(jìn)一步通過細(xì)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(shù)所使用。在西方墨點(diǎn)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(biāo)蛋白上，因此就可以探測膜中的目標(biāo)蛋白。同樣觀察結(jié)果的方法有很多，包括顯色產(chǎn)物、化學(xué)發(fā)光（chemiluminescence）或放射自顯影。一些與西方墨點(diǎn)法相似的方法可以用于直接對(duì)細(xì)胞和組織中的特定蛋白進(jìn)行染色，然而這些被稱為“免疫染色”的方法更多的是應(yīng)用于細(xì)胞生物學(xué)而非分子生物學(xué)。

此外，還有并不常用的“東方墨點(diǎn)法”（對(duì)雙向電泳后蛋白質(zhì)分子的印跡分析）、“西南方墨點(diǎn)法”（研究蛋白質(zhì)和DNA相互作用）和“遠(yuǎn)端西方墨點(diǎn)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(diǎn)法的命名是來自于發(fā)明者的姓名，其他墨點(diǎn)法的命名則都是源于發(fā)明者的幽默：因?yàn)槟戏剑⊿outhern）既是墨點(diǎn)法的發(fā)明者Edwin Southern的姓，同時(shí)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(shù)

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(xì)菌。

過時(shí)的技術(shù)

主條目：過時(shí)的分子生物學(xué)技術(shù)

隨著新技術(shù)和新方法的不斷出現(xiàn)，舊的技術(shù)很快就被拋棄。一個(gè)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(fèi)時(shí)費(fèi)力而且花費(fèi)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(guān)注，但了解這些過時(shí)的技術(shù)可能會(huì)對(duì)解決一些特別的問題有幫助。

知名的分子生物學(xué)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(dá) 利根川進(jìn) 莫里斯·威爾金斯 亞歷山大·里奇

參見

• 細(xì)胞生物學(xué)（細(xì)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(xiàn)

1. ↑ 龍華，“分子生物學(xué)的發(fā)展”，《生物學(xué)通報(bào)》，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(kuò)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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基因表達(dá) 遺傳學(xué)入門 遺傳密碼 經(jīng)典中心法則：DNA → RNA → 蛋白質(zhì) 擴(kuò)充中心法則（RNA → RNA、RNA → DNA、蛋白質(zhì) → 蛋白質(zhì)） 轉(zhuǎn)錄 細(xì)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(dòng)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(dá)調(diào)控 表觀遺傳學(xué)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(xué)

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