第六章 医学分子生物学基础
分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子的结构、功能，以及相互关系，从而阐明生命现象本质的学科，是医学科学中的一门重要基础课程。
分子生物学的发展为人类认识生命现象带来了前所未有的机会，也为人类利用和改造生物创造了极为广阔的前景。
第一节 医学分子生物学的进展与研究内容
一、分子生物学的发展简史
分子生物学的发展大致可分为两个阶段。
（一）准备和酝酿阶段
从19世纪后期到20世纪50年代初，是现代分子生物学诞生的准备和酝酿阶段。在这一阶段，对生命本质的认识取得了两个重大突破：
1. 确定了蛋白质是生命的主要基础物质
19世纪中期，法国微生物学家Pasteur通过对酵母发酵研究，认为酒精发酵是酵母细胞活动的结果，没有生物则没有发酵。而德国化学家Liebig则认为发酵是由化学物质引起的。1878年, 德国科学家Kűhne首次提出“Enzyme”，意思是“在酵母中”（希腊文），确立了"酶"这个名称。1897年，E.Buchner证明发酵是由酶，而不是活酵母细胞引起的，并推测酶的化学本质是蛋白质。1926年，J.Sumner证明酶具有蛋白质性质，明确提出酶的化学本质是蛋白质。随后Northrop等又提纯和结晶了一些酶（包括尿素酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、细胞色素C、肌动蛋白等），证明酶的本质是蛋白质。后续研究发现生命的许多基本现象（物质代谢、能量代谢、消化、呼吸、运动等）都与酶和蛋白质相联系，可以用提纯的酶或蛋白质在体外实验中重复出来。
2. 确定了生物遗传的物质基础是DNA
1868年瑞士科学家F.Miescher从细胞中分离出一种含磷很高的物质，称为核素（nuclein，实际是核蛋白）。同期，奥地利的学者孟德尔提出遗传因子（hereditaryfactor）的概念。1889年，生物化学家Altmann首先制备了不含蛋白的核酸制品并引入“核酸”这一名词。1909年，丹麦生物学家W．Johannsen根据希腊文“给予生命”之义，创造了基因（gene）一词，并以此代替孟德尔的“遗传因子”。 随后，美国遗传学家摩尔根（T．H．Morgan）以果蝇作为实验材料，首次将性状与基因联系起来，创立了遗传的染色体理论，奠定了现代遗传学的基石。20世纪20-30年代已确认自然界有两大类核酸即脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA），并阐明了核苷酸的组成。1943年，E.Chargaff的研究发现四种碱基之间的比例嘌呤：嘧啶总是为1，由此提出碱基配对理论。1944年O.T.Avery等证明了肺炎球菌转化因子是DNA；1952年A.D.Hershey和M.Chase用35S和32P分别标记T2噬菌体的蛋白质和核酸，经大肠杆菌转染实验进一步证明了DNA是遗传物质。
图6-1 1953年，Watson和Crick提出了DNA的反向平行双螺旋模型，随后Wilkins通过对DNA分子的X射线衍射研究证实了这一模型。他们因此共享1962年的诺贝尔生理医学奖。
（二）现代分子生物学的建立和发展阶段
从50年代初到70年代初，以1953年Watson和Crick（图6-1）提出的DNA反向平行双螺旋结构模型作为现代分子生物学诞生的里程碑，开创了分子遗传学基本理论建立和发展的黄金时代。DNA双螺旋发现的最深刻意义在于：确立了核酸作为信息分子的结构基础, 提出了碱基配对是核酸复制、遗传信息传递的基本方式；从而最后确定了核酸是遗传的物质基础，为认识核酸与蛋白质的关系及其在生命中的作用打下了最重要的基础。在此期间的主要进展包括：
1. 遗传信息传递中心法则的建立
在发现DNA双螺旋结构同时，Watson和Crick就提出DNA复制的可能模型。其后在1956年A.Kornbery首先发现DNA聚合酶；1958年Meselson及Stahl用同位素标记和超速离心分离实验为DNA半保留模型提出了证明。1965年，法国科学家Jacob和Monod提出并证实了操纵子（Operon）作为调节细菌细胞代谢的分子机制，同时他们还预言了mRNA分子的的存在。1968年Okazaki（冈崎）提出DNA不连续复制模型；1972年，Paul Berg首次完成了体外DNA重组；同期的研究还发现DNA复制开始需要RNA作为引物，并获得了DNA拓扑异构酶；对真核DNA聚合酶特性做了分析研究, 这些都逐渐完善了对DNA复制机理的认识（图6-2）。
在研究DNA复制将遗传信息传给子代的同时，提出了RNA在遗传信息传到蛋白质过程中起着中介作用的假说。1958年Weiss及Hurwitz等发现依赖于DNA的RNA聚合酶；1961年Hall和Spiege-lman用RNA-DNA杂交证明mRNA与DNA序列互补, 逐步阐明了RNA转录合成的机理。
图6-2 遗传信息传递的中心法则
2. 认识到蛋白质是接受RNA的遗传信息而合成
50年代初Zamecnik等在形态学和分离的亚细胞组分实验中已发现微粒体（microsome）是细胞内蛋白质合成的部位；1957年Hoagland、Zamecnik及Stephenson等分离出tRNA并对它们在合成蛋白质中转运氨基酸的功能提出了假设；1961年Brenner及Gross等观察了在蛋白质合成过程中mRNA与核糖体的结合；1965年Holley（图6-3）首次测出了酵母丙氨酸tRNA的一级结构；特别是在60年代Nirenberg、Ochoa以及Khorana等几组科学家的共同努力破译了RNA上编码合成蛋白质的遗传密码，随后研究表明这套遗传密码在生物界具有通用性，从而认识了蛋白质翻译合成的基本过程。
图6-3 1968年的诺贝尔生理医学奖由Holly、Khorana和Nirenberg三人分享。他们的主要贡献：Holly首次阐明了酵母丙氨酸tRNA的核苷酸序列，并证实所有tRNA在结构上具有相似性；Khorana第一个合成了核酸分子，并且人工复制了酵母基因; Nirenberg阐明了遗传密码及其在蛋白质合成中的作用。
上述重要发现共同建立了以中心法则为基础的分子遗传学基本理论体系。1970年Temin和Baltimore又同时从鸡肉瘤病毒颗粒中发现以RNA为模板合成DNA的反转录酶，又进一步补充和完善了遗传信息传递的中心法则。
以上简要介绍了分子生物学的发展过程，从20世纪70年代开始，分子生物学逐步形成，近40年来，前沿的分子生物学和基础的生物化学出现了惊人的进展，并影响到整个生命科学，成为自然科学领域的带头学科。至今分子生物学仍在迅速发展中，新成果、新技术不断涌现，这也从另一方面说明分子生物学发展还处在初级阶段。我们对地球上千姿万态的生物携带庞大的生命信息的了解，还只是极少的一部分；还未认识核酸、蛋白质组成生命的许多基本规律。即使到2005年我们已经获得人类基因组DNA3╳109bp的全序列，确定了人的3-4万个基因的一级结构，但是要彻底搞清楚这些基因产物的功能、调控、基因间的相互关系和协调，要理解80%以上非蛋白质编码的基因序列的功能，都还要经历漫长的研究道路。可以说分子生物学的发展前景光辉灿烂，道路还会艰难曲折。
二、分子生物学的主要研究内容
分子生物学的研究内容主要包含以下四部分：
（一）DNA重组技术
DNA重组技术（又称基因工程）是20世纪70年代初兴起的技术科学，目的是将不同DNA片段（如某个基因或基因的一部分）按照人们的设计定向连接起来，在特定的受体细胞中与载体同时复制并得到表达，产生影响受体细胞的新的遗传性状。限制性内切酶、DNA连接酶及其他工具酶的发现与应用则是这一技术得以建立的关键。
（二）基因表达调控研究
基因表达调控主要表现在信号传导研究、转录因子研究及RNA剪辑3个方面。因为蛋白质分子参与并控制了细胞的一切代谢活动，而决定蛋白质结构和合成时序的信息都由核酸（主要是脱氧核糖核酸）分子编码，表现为特定的核苷酸序列，所以基因表达实质上就是遗传信息的转录和翻译。
（三）生物大分子的结构功能研究
生物大分子的结构功能研究（又称结构分子生物学）就是研究生物大分子特定的空间结构及结构的运动变化与其生物学功能关系的科学。它包括结构的测定、结构运动变化规律的探索及结构与功能相互关系的建立3个主要研究方向。最常见的研究三维结构及其运动规律的手段是X射线衍射的晶体学（又称蛋白质晶体学），其次是用二维核磁共振和多维核磁研究液相结构，也有人用电镜三维重组、电子衍射、中子衍射和各种频谱学方法研究生物高分子的空间结构。
（四）基因组、功能基因组与生物信息学研究
自1990年人类基因组计划在美国正式启动以来，不仅是人类，而且包括了现存的多种动物，植物，甚至一些已经灭绝的动物如猛犸象、尼安德特人的基因组也被相继破译。然而完成基因组的计划只是了解基因的第一步，因为基因组计划不可能直接阐明基因的功能，更不能预测该基因所编码蛋白质的功能与活性，于是提出了“蛋白质组计划”（又称“后基因组计划”或“功能基因组计划”），旨在快速、高效、大规模鉴定基因的产物和功能。巨大的基因组信息必须依靠计算机快速高效运算进行统计分类和结构功能预测，这也带动了生物信息学的发展。
