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1860至1870年奥地利学者孟德尔根据豌豆杂交实验提出遗传因子概念,并总结出孟德尔遗传定律。
1909年丹麦植物学家和遗传学家约翰逊首次提出“基因”这一名词 ,用以表达孟德尔的遗传因子概念 。
1944年3位美国科学家分离出细菌的DNA(脱氧核糖核酸),并发现DNA是携带生命遗传物质的分子。
1953年美国人沃森和英国人克里克通过实验提出了DNA分子的双螺旋模型。
1969年科学家成功分离出第一个基因。
1980年科学家首次培育出世界第一个转基因动物转基因小鼠 。
1983年科学家首次培育出世界第一个转基因植物转基因烟草。
1988年K.Mullis发明了PCR技术。
1990年10月被誉为生命科学“阿波罗登月计划”的国际人类基因组计划启动 。
1998年一批科学家在美国罗克威尔组建塞莱拉遗传公司,与国际人类基因组计划展开竞争。
1998年12月一种小线虫完整基因组序列的测定工作宣告完成 ,这是科学家第一次绘出多细胞动物的基因组图谱。
1999年9月中国获准加入人类基因组计划,负责测定人类基因组全部序列的1% 。中国是继美 、英、日、德 、法之后第6个国际人类基因组计划参与国,也是参与这一计划的唯一发展中国家。
1999年12月1日国际人类基因组计划联合研究小组宣布,完整破译出人体第二十二对染色体的遗传密码。这是人类首次成功地完成人体染色体完整基因序列的测定 。
2000年4月6日美国塞莱拉公司宣布破译出一名被实验者的完整遗传密码 ,但遭到不少科学家的质疑。
2000年4月底中国科学家按照国际人类基因组计划的部署,完成了1%人类基因组的工作框架图。
2000年5月8日德、日等国科学家宣布,已基本完成了人体第二十一对染色体的测序工作 。
2000年6月26日科学家公布人类基因组工作草图 ,标志着人类在解读自身“生命之书 ”的路上迈出了重要一步。
2000年12月14日美英等国科学家宣布绘出拟南介基因组的完整图谱,这是人类首次全部破译出一种植物的基因序列。
2001年2月12日中、美、日 、德、法、英六国科学家和美国塞莱拉公司联合公布人类基因组图谱及初步分析结果。科学家首次公布人类基因组草图“基因信息” 。
2002年10月国际人类基因组单体型图计划启动,中国承担10%任务。
2003年人类基因组计划宣布完成。
2003年11月西南农业大学和中国科学院北京基因组研究所合作 ,完成了家蚕基因组“框架图”绘制工作 。
2004年12月英国《柳叶刀》杂志报道,英国伦敦的医生近日用基因疗法为严重联合免疫缺陷儿童进行治疗获得成功。
2005年12月美国NIH启动的肿瘤基因组计划诞生,这项准备时间长达三年 ,耗资1亿美元的试点工程专门研究人类基因与癌症之间的联系。
2007年9月克雷·文特公开了他自己的基因组排列结果 。
2009年9月1日《Science》杂志专题报道了中国科学家张亚平院士历时七年的研究成果,从基因溯源角度证实了狗起源于中国的论点。
基因工程学是由谁创立的?它的创立主要历经了什么过程呢?
基因组研究应该包括两方面的内容:以全基因组测序为目标的结构基因组学(structural genomics)和以基因功能鉴定为目标的功能基因组学(functional genomics),又被称为后基因组(postgenome)研究 ,成为系统生物学的重要方法。
基因组学能为一些疾病提供新的诊断,治疗方法 。例如,对刚诊断为乳腺癌的女性,一个名为“Oncotype DX ”的基因组测试 ,能用来评估病人乳腺癌复发的个体危险率以及化疗效果,这有助于医生获得更多的治疗信息并进行个性化医疗。基因组学还被用于食品与农业部门。基因组学的主要工具和方法包括: 生物信息学,遗传分析 ,基因表达测量和基因功能鉴定 。
基因组学出现于1980年代,1990年代随着几个物种基因组计划的启动,基因组学取得长足发展。 相关领域是遗传学 ,其研究基因以及在遗传中的功能。
1980年,噬菌体Φ-X174;(5,368 碱基对)完全测序,成为第一个测定的基因组。
1995年 ,嗜血流感菌(Haemophilus influenzae,1.8Mb)测序完成,是第一个测定的自由生活物种 。从这时起 ,基因组测序工作迅速展开。
2001年,人类基因组计划公布了人类基因组草图,为基因组学研究揭开新的一页。
基因组学是研究生物基因组的组成,组内各基因的精确结构 、相互关系及表达调控的科学 。基因组学、转录组学、蛋白质组学与代谢组学等一同构成系统生物学的组学(omics)生物技术基础。
分子生物学的发展历程有哪些
基因工程是波兰遗传学家斯吉巴尔斯基提出。首先确定了遗传信息的携带者,即基因的分子载体是DNA而不是蛋白质 ,从而明确了遗传的物质基础问题;不久之后就揭示了DNA分子的双螺旋结构模型和半保留复制机制,解决了基因的自我复制和传递的问题;之后相继提出了中心法则和操纵子学说,并成功的破译了遗传密码 ,从而阐明了遗传信息的流向和表达问题 。
遗传学的建立和发展可分为哪几个时期,各时期有什么特征?
分子生物学的发展大致可分为三个阶段。
(一)准备和酝酿阶段
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。
在这一阶段产生了两点对生命本质的认识上的重大突破 。
确定了蛋白质是生命的主要物质基础。
19世纪末Buchner兄弟证明酵母无细胞提取液能使糖发酵产生酒精 ,第一次提出酶(enzyme)的名称,酶是生物催化剂。
20世纪20-40年代提纯和结晶了一些酶(包括尿素酶 、胃蛋白酶、胰蛋白酶、共同酶 、细胞色素C、肌动蛋白等),证明酶的本质是蛋白质 。
随后陆续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。
在此期间对蛋白质结构的认识也有较大的进步。
1902年EmilFisher证明蛋白质结构是多肽;40年代末,Sanger创立二硝基氟苯(DNFB)法、Edman发展异硫氰酸苯酯法分析肽链N端氨基酸;1953年Sanger和Thompson完成了第一个多肽分子――胰岛素A链和B链的氨基酸全序列分析。
由于结晶X-线衍射分析技术的发展,1950年Pauling和Corey提出了α-角蛋白的α-螺旋结构模型 。
所以在这阶段对蛋白质一级结构和空间结构都有了认识。
确定了生物遗传的物质是DNA。
虽然1868年F.Miescher就发现了核素(nuclein) ,但是在此后的半个多世纪中并未引起重视 。
20世纪20-30年代已确认了自然界有DNA和RNA两类核酸,并阐明了核苷酸的组成。
由于当时对核苷酸和碱基的定量分析不够精确,得出DNA中A 、G、C、T含量是大致相等的结果,因而间长期认为DNA结构只有“四核苷酸”单位的重复 ,不具有多样性,不能携带更多的信息,当时对携带遗传信息的侯选分子更多的是考虑蛋白质。
40年代以后的实验事实使人们对核酸的功能和结构两方面的认识都有了长足的进步 。
1944年O.T.Avery等证明了肺炎球菌转化因子是DNA;1952年S.Furbery等的X-线衍射分析阐明了核苷酸并非平面的空间构像 ,提出了DNA是螺旋结构;1948-1953年Chargaff等用新的层析和电泳技术分析组成DNA的碱基和核苷酸量,积累了大量的数据,提出了DNA碱基组成A=T 、G=C的Chargaff规则 ,为碱基酸对的DNA结构认识打下了基础。
(二)现代分子生物学的建立和发展阶段
这一阶段是从50年代初到70年代初,以1953年Watson和Crick提出的DNA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。
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生命中的作用打下了最重要的基础 。
在些期间的主要进展包括:
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;1968年Okazaki(冈畸)提出DNA不连续复制模型;1972年证实了DNA复制开始需要RNA作为引物;70年代初获得DNA拓扑异构酶,并对真核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 。
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杂增色证明mRNA与DNA序列互补;逐步阐明了RNA转录合成的机理。
在此同时认识到蛋白质是接受RNA的遗传信息而合成的。
50年代初Zameik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、Zameik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 。
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。
对蛋白质结构与功能的进一步认识 。
1956-58年anfinsen和White根据对酶蛋白的变性和复性实验,提出蛋白质的三维空间结构是由其氨基酸序列来确定的。
1958年Ingram证明正常的血红蛋白与镰刀状细胞溶血症病人的血红蛋白之间 ,亚基的肽链上仅有一个氨基酸残基的差别,使人们对蛋白质一级结构影响功能有了深刻的印象。
与此同时,对蛋白质研究的手段也有改进 ,1969年Weber开始应用SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳测定蛋白质分子量;60年代先后分析得血红蛋白、核糖核酸酶A等一批蛋白质的一级结构;1973年氨基酸序列自动测定仪问世 。
中国科学家在1965年人工合成了牛胰岛素;在1973年用1.8AX-线衍射分析法测定了牛胰岛素的空间结构,为认识蛋白质的结构做出了重要贡献。
(三)初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段
70年代后,以基因工程技术的出现作为新的里程碑,标志着人类涂认识生命本质并能主动改造生命的新时期开始。
其间的重大成就包括:
1 重组DNA技术的建立和发展
分子生物学理论和技术发展的积累使得基因工程技术的出现成为必然 。
1967-1970年R.Yuan和H.O.Smith等发现的限制性核酸内切酶为基因工程提供了有力的工具;1972年Bery等将SV-40病毒DNA与噬菌体P22DNA在体外重组成功 ,转化大肠杆菌,使本来在真核功能中合成的蛋白质能在细菌中合成,打破了种属界限;1977年Boyer等首先将人工合成的生长激素释放抑制因子14肽的基因重组入质粒 ,成功地在大肠杆菌中合成得到这14肽;1978年Itakura(板仓)等使人生长激素191肽在大肠杆菌中表达成功;1979年美国基因技术公司用人工合成的人胰岛素基因重组转入大肠杆菌中合成人胰岛素。
至今我国已有人干扰素、人白介素2 、人集落 *** 因子、重组人乙型肝炎病毒为疫苗、基因工程幼畜腹泻疫苗等多种基因工程药物和疫苗进入生产或临床试用,世界上还有几百种基因工程药物及其它基因工程产品在研制中,成为当今农业和医药业发展的重要方向 ,将对医学和工农业发展作出新贡献。
转基因动植物和基因剔除植物的成功是基因工程技术发展的结果 。
1982年Palmiter等将克隆的生长激素基因导入小鼠受精卵细胞核内,培育得到比原小鼠个体大几倍的”巨鼠“,激起了人们创造优良品家畜的热情。
我国水生生物研究所将生长激素基因转入鱼受精卵,得到的转基因鱼的生长显著加快 、个体增大;转基因猪也正在研制中。
用转基因动物还能获取治疗人类疾病的重要蛋白质 ,导入了凝血因子IX基因的转基因绵羊分泌的乳汁中含有丰富的凝血因子IX,能有效地用于血友病的治疗。
在转基因植物方面,1994年能比普通西红柿保鲜时间更长的转基因西红柿投放市场 。
1996年转基因玉米、转基因大豆相继投入商品生产 ,美国最早研制得到抗虫棉花,我国科学家将自己发现的蛋白酶抑制剂基因转入棉花获得抗棉铃虫的棉花株。
到1996年全世界已有25万公顷土地种植转基因植物。
基因诊断与基因治疗是基因工程在医学领域发展的一个重要方面 。
1991年美国向一患先天性免疫缺陷病(遗传性腺苷脱氨酶ADA基因缺陷)的女孩体内导入重组的ADA基因。
获得成功。
我国也在1994年用导入人凝血因子IX基因的方法成功治疗了乙型血友病的患者 。
在我国用作基因诊断的试剂盒已有近百种之多。
基因诊断和基因治疗正在发展之中。
这时期基因工程的迅速进步得益于许多分子生物学新技术的不断涌现 。
包括:核酸的化学合成从手工发展到全自动合成。
1975-1977年Sanger、Maxam和Gilbert先后发明了三种DNA序列的快速测定法;90年代全自动核酸序列测定仪的问世;1985年Cetus公司Mullis等发明的聚合酶链式反应(PCR)的特定核酸序列扩增技术,更以其高灵敏度和特异性被广泛应用、对分子生物学的发展起到重大的推动作用。
2基因组研究的发展
目前分子生物学已经从研究单个基因发展到研究生物整个基因组的结构与功能 。
1977年Sanger测定了ΦX174-DNA全部5375个核苷酸的序列;1978年fiers等测出SV-40DNA全部5224对碱基序列;80年代λ噬菌体DNA合部48502碱基对的序列全部测出;一些小的病毒包括乙型肝炎病毒 、艾滋病毒等基因组的全序列也陆续被测定;196提底许多科学家共同努力测出了大肠杆菌基因组DNA的全序列长4×106碱基对。
测定整个生物基因组核酸的全序列无疑对理解这一生物的生命信息及其功能有极大的意义。
1990年人类基因组计划(HumanGenomeProjiect)开始实施 ,这是生命科学领域有史以来全球性最庞大的研究计划,将在2005年时测定出人基因组全部DNA3×109碱基对的序列、确定人类约5-10万个基因的一级结构,这将使人类能够更好掌握自己的命运。
3 单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展
1975年Kohler和Milstein首次用B淋巴细胞杂交瘤技术制备出单克隆以来 ,人们利用这一细胞工程技术研制出多种单克隆抗体,为许多疾病的诊断和治疗提供有有效的手段 。
80年代以后随着基因工程抗体技术相继出现的单域抗体、单链抗体 、嵌合抗体、重构抗体、双功能抗体等为广泛和有效的应用单克隆抗体提供了广阔的前景。
4 基因表达调控机理
分子遗传学基本理论建立者Jacob和Monod最早提出的操纵元学说打开了人类认识基因表达调控的窗口,在分子遗传学基本理论建立的60年代 ,人们主要认识原核生物基因表达调控的一些规律,70年代以后才逐渐认识了真核基因组结构和调控的复杂性。
1977年最先发现猴SV40病毒和腺病毒中编码蛋白质的基因序列是不连续的,这种基因内部的间隔区(内含子)在真核基因组中是普遍存在的,揭开了认识真核基因组结构和调控的序幕 。
1981年Cech等发现四膜虫rRNA的自我剪接 ,从而发现核(ribozyme)。
80-90年代,使人们逐步认识到真核基因的顺式调控元件与反式转录因子 、参与蛋白南间的分子识别与相互作用是基因表达调控根本所在。
5 细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域
细胞信号转导机理的研究可以追述至50年代 。
Sutherland1957年发现cDNA、1965年提出第二信使学说,是人们认识受体介导和细胞信号转导的第一个里程碑。
1977年Ross等用重组实验证实G蛋白的存在和功能 ,将G蛋白与腺苷酸环化酶的作用相联系起来,深化了对G蛋白偶联信号转导途径的认识。
70年代中期以后,癌基因和抑癌基因的发现、蛋白酪氨酸激酶的发现及其结构与功能的深入研究 、各种受体蛋白基历的克隆和结构功能的探索等 ,使近10年来细胞信号转导的研究更有了长足的进步 。
目前,对于某些细胞中的一些信号转导途径已经有了初步的认识,尤其是在免疫活性细胞对抗原的识别及其活化信号的传递途径方面和细胞增殖控制方面等形成了一些基本的概念 ,当然要达到最终目标还需相当长时间的努力。
以上简要介绍了分子生物学的发展过程,可以看到在近半个世纪中它是生命科学范围发展最为迅速的一个前沿领域,推动着整个生命科学的发展。
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 。
分子生物学已建立的基本规律给人们认识生命的本质拽出了光明的前景,分子生物学的历史还短,积累的资料还不够 ,例如:在地球上千姿百态的生物携带庞大的生命信息,迄今人类所了解的只是极少的一部位,还未认识核酸、蛋白质组成生命的许多基本规律;又如即使到2005年我们已经获得人类基因组DNa 3×109bp的全序列 ,确定了人的5-10万个基因的一级结构,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%以上不为蛋白质编码的序列的作用等等 ,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。
1900年,孟德尔定律的重新发现是遗传学形成和建立的开端 ,遗传学建立之初主要研究领域为经典遗传学,以个体为研究对象研究遗传特征从亲代到子代的传递规律,一般将具有不同特征的个体进行交配 ,通过对几个连续世代的分析研究性状从亲代传递给子代的一般规律。
细胞遗传学时期大致是1910—1940年,细胞遗传学是通过细胞学手段对遗传物质进行研究,最初利用光学显微镜观察细胞分裂过程中染色体的行为特征,后来通过电子显微镜能够直接观察遗传物质的结构特征及其在基因表达过程中的行为 。
微生物遗传学时期大致是1940—1960年 ,这个时期以微生物为实验材料研究基因的原初作用、精细结构、化学本质 、突变机制,以及细菌的基因重组和基因调控等。
1953—1990年是分子遗传学时期,分子遗传学研究遗传物质的结构特征、遗传信息的复制、基因的结构与功能 、基因突变与重组、基因的调节表达等内容 ,分子遗传学采用类似于工程设计的方法,把基因在体外人工的进行剪接和搭配,然后引入不同物种的受体细胞从而定向的改变生物的遗传性状。
1990年以人类基因组计划开始实施作为标志 ,遗传学进入基因组时代,这一时代把整个基因组作为研究对象 。
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