Molecular Biology in Medicine
制
作；
董
彩
虹
Chapter 1 Preface
? 分子生物学和医学分子生物学研
究的主要内容
? 分子生物学的历史
? 分子生物学在医学上的应用
分子生物学的主要内容
? 分子水平研究生命现象、生命本质、生
命活动及规律。
? 包括生物大分子、基因组的结构与功能；
基因的复制、表达、调控；细胞内信号
传导；基因工程的各种技术体系。
医学分子生物学主要内容
? 生物大分子的结构与功能
? 基因组的结构与功能
? 基因的复制、表达、调控
? 细胞通讯与细胞内信号传导；
? 基因工程的各种技术体系（克隆、测序、杂交、
PCR、转基因,DNA芯片）
? 基因与疾病
? 基因诊断与基因治疗
分子生物学的历史
一、孕育阶段
? 1871年 Miescher核素 ;
? 1900年,Gene
? 1910年,Morgan, Gene 存在于染色体上
? 1944年,Avery证实 DNA携带遗传信息。
创立阶段
? 二十年代,Levene研究了核酸的结构，并提出
了四核苷酸假说。
? 1953年 Watson 和 Crick DNA双螺旋
? 1958年 Crick中心法则
? 1958年,Meselson 和 Stahl DNA半保留复制。
? 1960年发现 mRNA,DNApol
? 1961年,Jacob 和 Monod操纵子学说
? 1961年,Nirenberg破译第一个遗传密码
发展阶段
? 1970年,Temin 和 Baltimore发现逆转录酶。
? 阿尔伯 (Arber)、史密斯 (Smith)和内森斯
(Nathans)，发现限制性内切酶,获 1978年诺贝尔
生理学和医学奖。
? Sanger 设计测定 DNA分子内核苷酸序列,1980
年与 伯格 (Berg)（ 重组 DNA技术）分享
Nobel 生理医学奖。
? 1989年 Altman,Cech发现核酶共享 Nobel化学
奖,
? PCR技术的建立。
? 显微注射术开始转基因动物的研究。
? 转基因植物的诞生。
? 基因治疗技术。
? 人类基因组计划。
? 克隆羊的诞生。
参考书
张 蘅主编,医学分子生物学,北京医科大学出
版社,1999
Robert F.Weaver 编,分子生物学,科学出版社。
王琳芳，杨克恭编,医学分子生物学原理,高教出
版社。
王琳芳，杨克恭编,蛋白质与核酸,北京医科大
学中国协会医科大学联合出版社,1998。
Chapter 2 Structures &functions of
nucleic acid &protein
? Nucleic acids
DNA Structures &functions
RNA Structures &functions
? Proteins
? Interaction between biopolymer
protein-protein interaction
DNA-protein interaction
DNA Structures &functions
? Primary structure,DNA分子中核苷酸的排
列顺序。
? Secondary structure：
双螺旋（ double helix）
三股螺旋（ triple helix）
? Tertiary structure：超螺旋（ supercoil）
DNA携带的遗传信息
※ 有功能活性的 DNA序列所携带的遗传信息。
※ 调控信息：能被各种蛋白质分子特异性
识别和结合。
replicati on
t r a n s l a t i o nt r a n s c r i p t i o n
P ro t ei nR NAD NA
reverse t ranscrirtion
DNA Secondary Structures
&functions
? 1、双螺旋结构（ double helix）
三股螺旋 DNA（ triple helix）
? 三链 DNA（ triple strands DNA,tsDNA）
1957年由 Felesnfeld及 Davis首先发现。
? 三条链均为同型 嘌呤（ homopurine,Hpu）
或同型嘧啶（ homopyrimidine,Hpy）。
? 两种基本类型：
Pu-Pu-Py型：在碱性介质中稳定。
Py-Pu-Py型：在偏酸性介质中稳定。
? 三链 DNA既可以是 B-DNA与另一条 DNA链
结合成的链间的三链 DNA，又可以是 B-
DNA与其自身的一条链结合形成的链内的
三链 DNA。
? 分子内三链 DNA于 1987年由 Mirkin在超螺
旋中发现。其形成要求双螺旋中存在连续
的嘌呤或嘧啶序列，而且必须是 镜像重复
序列 。
?镜像重复序列,由反方向完全相同的两个
序列组成。
5 ′GGAATCGATCTTTTCTAGCTAAGG 3 ′
3′CCTTAGCTAGAAAAGATCGATTCC 3′
? 反转重复（ inverted repeated)：由反方向互补的
两个 DNA片段组成，两个反转重复序列又叫 回
文序列 (palindrome sequence)。
? 镜像重复 (mirror repeat)：由反方向完全相同的
两个序列组成。
? 直接重复 (direct repeat),由同一方向完全相同
的两个序列组成。正向重复序列、顺向重复序
列。
DNA的三级结构 —— 超螺旋
（ supercoil）
? 生物体闭环 DNA都以 超螺旋 形式存在，如
细菌质粒、病毒、线粒体 DNA。线性 DNA
分子或环状 DNA分子中有一条链有缺口时
不能形成超螺旋。
? 超螺旋的意义,紧密，体积更小；能影响
双螺旋的解链程序，因而影响 DNA分子与
其它分子之间的相互作用。
? 真核生物染色体三级结构：
RNA Structures &functions
一,mRNA,messenger RNA
二,tRNA,transfer RNA
三,rRNA,ribosomal RNA
四、核酶（ ribozyme）
五、核内不均一 RNA（ heterogeneous nuclearRNA，
hnRNA）
六、小分子核内 RNA（ small nuclear RNA，
snRNA）
七、反义 RNA（ antisense RNA）
mRNA
原核生物 mRNA结构特点：
1、多顺反子（ polycistron）,一分子 mRNA
带有几种蛋白质的遗传信息，可以作为
几种蛋白质的模板，能翻译出几种蛋白
质。
2,mRNA5′端无帽子结构,3 ′端一般无多聚
A的尾巴。
3、一般没有修饰碱基 。
每 种顺反子是一个特异的翻译区；每个翻译
区与核蛋白体之间有一个独立的结合部位；
各个翻译区之间借一段无编码功能的核苷酸
序列相连,5 ′端, 3 ′端也有非编码区。
真核生物 mRNA结构的特点
1,5 ′末端有帽子结构。
2,3′端多数带有多聚 A的尾巴
(polyadenylate tail),其长度为 20~200个 A.
3、分子中可能有修饰碱基,主要是甲基化,
4、分子中有编码区与非编码区 。
非编码区（ untranslated region UTR）
位于编码区的两端； 5 ′非编码区有翻译
起始信号。
tRNA：转运氨基酸
1、单链小分子，含 73~93个核苷酸。
2、含有很多稀有碱基或修饰碱基。多为
甲基化。
3,5 ′端总是磷酸化，且常是 pG。
4,3 ′端为 CCAOH。
5、二级结构为三叶草形。
6、三级结构为倒 L型。
rRNA
原核生物 真核生物
核糖体 70S 80S
小亚基 30S 40S
rRNA 16S(1542个核苷酸 ) 18S（ 1874个核苷酸）
蛋白质 21种 (占总重量的 40%) 33种（占总重量的 50%）
大亚基 50S 60S
rRNA 23S(2940个核苷酸 ) 28S（ 4718个核苷酸）
5S(120个核苷酸 ) 5.85S(160个核苷酸 )
5S(120个核苷酸 )
蛋白质 31种 (占总重量的 30%) 49种 (占总重量的 35%)
核糖体的组成
核酶：有催化活性的 RNA
? 1982年，美国 Thomas Cech 在研究四膜虫
rRNA自我剪接时发现，同时加拿大的 Sidney Altman
发现 RNase P分子中的 RNA组分有催化活性； 1989
年分享了 Noble 化学奖。
不仅拓宽了生物催化剂的领域，而且对 RNA的生
物学功能开创了一种历史性的新认识,RNA不仅
具有 储存和传递遗传信息 的功能，而且还具有 生
物催化剂 的功能，在一定程度上可以说,RNA一
身兼有 DNA和蛋白质两大类生物大分子的功能。
? 核酶的二级结构对于催化活性很重要。
Symons提出,锤头”（ hammerhead）状
二级结构。
? 三个螺旋区； 13（或 11）个保守核苷酸
序列。
核内不均一 RNA（ hnRNA）
? 真核细胞转录生成 mRNA的前体。
? 加工过程包括,5′加帽； 3′端加尾；内含
子的切除和外显子的拼接；分子内部的
甲基化修饰作用；核苷酸序列的编辑作
用。
小分子核内 RNA(snRNA)
? 真核细胞核内一组小分子 RNA,含 70~300碱基,
序列中尿嘧啶含量较高,因此又用 U命名,
? 既非任何 RNA的前体,也非某种 RNA代谢的中
间产物,而是具有独特功能且独立存在的实体,
参与 mRNA的加工。
? 常与多种特异的蛋白质结合在一起，形成小分
子核内核蛋白颗粒（ small nuclear
ribonucleoprotein particle,snRNP）
反义 RNA
? 碱基序列正好与有意义 mRNA互补的 RNA，又称
为调节 RNA。
? 可与 mRNA配对结合形成双链，最终抑制 mRNA
作为模板进行翻译。
? 还可作为 DNA复制的抑制因子，与引物 RNA互
补结合抑制 DNA复制，及在转录水平上与
mRNA5′端互补，阻止 RNA合成转录。
? 可以人工合成反义 RNA来调节基因的表达,用于
疾病治疗。
? 原核生物中也有一种 mRNA干扰互补 RNA（ Mrna
interfering complementary RNA,micRNA），也
可与特异 mRNA结合并阻止翻译。
核酸的酚抽提
? 原理：交替使用酚、氯仿两种蛋白质变
性剂，更有效去除蛋白质。
? 氯仿还可加速有机相与水相的分层。
? 异戊醇：抑制界面泡沫的形成。
? 标准程序：酚 —— 酚 -氯仿 —— 氯仿。
核酸的沉淀
? 原理：核酸与钠、钾、镁形成的盐在许
多有机溶剂中不溶，也不会变性。
? 醋酸钠为沉淀 DNA,RNA的最常用盐类。
? 有机溶剂：乙醇、异丙醇、聚乙二醇。
? 温度：冰水
真核细胞 RNA的提取纯化
? 一个典型的哺乳动物细胞约含 10-5μgRNA，
其中 80~85%为 rRNA,mRNA为细胞总
RNA的 1~5%。
? 制备高质量真核细胞 RNA的关键是在抽提
的最初步骤就需要 抑制核糖核酸酶 的活性，
并避免所用玻璃器皿及液体污染微量核糖
核酸酸酶。
创造一个无 RNA酶的环境
? 洁净实验室环境
一次性手套，勤换
环境洁净（避免飞尘中细菌真菌产生外
源性 RNA酶污染）
? 玻璃和塑料器皿处理
玻璃：常规洗净后,200℃ 干烤 4小时
塑料：一次性。
? 溶液配制,加 0.1%DEPC37℃ 12~16Hr，
高压除去残留的 DEPC。 不能高压灭菌的
溶液，用 DEPC处理过的无 RNA酶的三蒸
水配制，用滤膜过滤除菌。
DEPC：焦碳酸二乙酯，是一种强烈但并
不彻底的 RNA酶抑制剂，通过和 RNA酶
中 His结合使蛋白质变性，抑制 RNA酶活
性。 C2H5-O-CO-O-CO-O-C2H5
? 抑制内源性 RNA酶酶活
异硫氰酸胍：强烈变性剂，能迅速溶解蛋白质，
导致细胞结构破碎，使 RNA从细胞中释放，又
称解偶剂。
β-巯基乙醇和异硫氰酸胍能使细胞内各种 RNA
酶失活。
十二烷基肌酸钠：可使核糖体蛋白质与 RNA分
子分离。
Rnasin：核糖核酸酶素,是 RNA酶的一种非竞争
性抑制剂 。
制
作；
董
彩
虹
Chapter 1 Preface
? 分子生物学和医学分子生物学研
究的主要内容
? 分子生物学的历史
? 分子生物学在医学上的应用
分子生物学的主要内容
? 分子水平研究生命现象、生命本质、生
命活动及规律。
? 包括生物大分子、基因组的结构与功能；
基因的复制、表达、调控；细胞内信号
传导；基因工程的各种技术体系。
医学分子生物学主要内容
? 生物大分子的结构与功能
? 基因组的结构与功能
? 基因的复制、表达、调控
? 细胞通讯与细胞内信号传导；
? 基因工程的各种技术体系（克隆、测序、杂交、
PCR、转基因,DNA芯片）
? 基因与疾病
? 基因诊断与基因治疗
分子生物学的历史
一、孕育阶段
? 1871年 Miescher核素 ;
? 1900年,Gene
? 1910年,Morgan, Gene 存在于染色体上
? 1944年,Avery证实 DNA携带遗传信息。
创立阶段
? 二十年代,Levene研究了核酸的结构，并提出
了四核苷酸假说。
? 1953年 Watson 和 Crick DNA双螺旋
? 1958年 Crick中心法则
? 1958年,Meselson 和 Stahl DNA半保留复制。
? 1960年发现 mRNA,DNApol
? 1961年,Jacob 和 Monod操纵子学说
? 1961年,Nirenberg破译第一个遗传密码
发展阶段
? 1970年,Temin 和 Baltimore发现逆转录酶。
? 阿尔伯 (Arber)、史密斯 (Smith)和内森斯
(Nathans)，发现限制性内切酶,获 1978年诺贝尔
生理学和医学奖。
? Sanger 设计测定 DNA分子内核苷酸序列,1980
年与 伯格 (Berg)（ 重组 DNA技术）分享
Nobel 生理医学奖。
? 1989年 Altman,Cech发现核酶共享 Nobel化学
奖,
? PCR技术的建立。
? 显微注射术开始转基因动物的研究。
? 转基因植物的诞生。
? 基因治疗技术。
? 人类基因组计划。
? 克隆羊的诞生。
参考书
张 蘅主编,医学分子生物学,北京医科大学出
版社,1999
Robert F.Weaver 编,分子生物学,科学出版社。
王琳芳，杨克恭编,医学分子生物学原理,高教出
版社。
王琳芳，杨克恭编,蛋白质与核酸,北京医科大
学中国协会医科大学联合出版社,1998。
Chapter 2 Structures &functions of
nucleic acid &protein
? Nucleic acids
DNA Structures &functions
RNA Structures &functions
? Proteins
? Interaction between biopolymer
protein-protein interaction
DNA-protein interaction
DNA Structures &functions
? Primary structure,DNA分子中核苷酸的排
列顺序。
? Secondary structure：
双螺旋（ double helix）
三股螺旋（ triple helix）
? Tertiary structure：超螺旋（ supercoil）
DNA携带的遗传信息
※ 有功能活性的 DNA序列所携带的遗传信息。
※ 调控信息：能被各种蛋白质分子特异性
识别和结合。
replicati on
t r a n s l a t i o nt r a n s c r i p t i o n
P ro t ei nR NAD NA
reverse t ranscrirtion
DNA Secondary Structures
&functions
? 1、双螺旋结构（ double helix）
三股螺旋 DNA（ triple helix）
? 三链 DNA（ triple strands DNA,tsDNA）
1957年由 Felesnfeld及 Davis首先发现。
? 三条链均为同型 嘌呤（ homopurine,Hpu）
或同型嘧啶（ homopyrimidine,Hpy）。
? 两种基本类型：
Pu-Pu-Py型：在碱性介质中稳定。
Py-Pu-Py型：在偏酸性介质中稳定。
? 三链 DNA既可以是 B-DNA与另一条 DNA链
结合成的链间的三链 DNA，又可以是 B-
DNA与其自身的一条链结合形成的链内的
三链 DNA。
? 分子内三链 DNA于 1987年由 Mirkin在超螺
旋中发现。其形成要求双螺旋中存在连续
的嘌呤或嘧啶序列，而且必须是 镜像重复
序列 。
?镜像重复序列,由反方向完全相同的两个
序列组成。
5 ′GGAATCGATCTTTTCTAGCTAAGG 3 ′
3′CCTTAGCTAGAAAAGATCGATTCC 3′
? 反转重复（ inverted repeated)：由反方向互补的
两个 DNA片段组成，两个反转重复序列又叫 回
文序列 (palindrome sequence)。
? 镜像重复 (mirror repeat)：由反方向完全相同的
两个序列组成。
? 直接重复 (direct repeat),由同一方向完全相同
的两个序列组成。正向重复序列、顺向重复序
列。
DNA的三级结构 —— 超螺旋
（ supercoil）
? 生物体闭环 DNA都以 超螺旋 形式存在，如
细菌质粒、病毒、线粒体 DNA。线性 DNA
分子或环状 DNA分子中有一条链有缺口时
不能形成超螺旋。
? 超螺旋的意义,紧密，体积更小；能影响
双螺旋的解链程序，因而影响 DNA分子与
其它分子之间的相互作用。
? 真核生物染色体三级结构：
RNA Structures &functions
一,mRNA,messenger RNA
二,tRNA,transfer RNA
三,rRNA,ribosomal RNA
四、核酶（ ribozyme）
五、核内不均一 RNA（ heterogeneous nuclearRNA，
hnRNA）
六、小分子核内 RNA（ small nuclear RNA，
snRNA）
七、反义 RNA（ antisense RNA）
mRNA
原核生物 mRNA结构特点：
1、多顺反子（ polycistron）,一分子 mRNA
带有几种蛋白质的遗传信息，可以作为
几种蛋白质的模板，能翻译出几种蛋白
质。
2,mRNA5′端无帽子结构,3 ′端一般无多聚
A的尾巴。
3、一般没有修饰碱基 。
每 种顺反子是一个特异的翻译区；每个翻译
区与核蛋白体之间有一个独立的结合部位；
各个翻译区之间借一段无编码功能的核苷酸
序列相连,5 ′端, 3 ′端也有非编码区。
真核生物 mRNA结构的特点
1,5 ′末端有帽子结构。
2,3′端多数带有多聚 A的尾巴
(polyadenylate tail),其长度为 20~200个 A.
3、分子中可能有修饰碱基,主要是甲基化,
4、分子中有编码区与非编码区 。
非编码区（ untranslated region UTR）
位于编码区的两端； 5 ′非编码区有翻译
起始信号。
tRNA：转运氨基酸
1、单链小分子，含 73~93个核苷酸。
2、含有很多稀有碱基或修饰碱基。多为
甲基化。
3,5 ′端总是磷酸化，且常是 pG。
4,3 ′端为 CCAOH。
5、二级结构为三叶草形。
6、三级结构为倒 L型。
rRNA
原核生物 真核生物
核糖体 70S 80S
小亚基 30S 40S
rRNA 16S(1542个核苷酸 ) 18S（ 1874个核苷酸）
蛋白质 21种 (占总重量的 40%) 33种（占总重量的 50%）
大亚基 50S 60S
rRNA 23S(2940个核苷酸 ) 28S（ 4718个核苷酸）
5S(120个核苷酸 ) 5.85S(160个核苷酸 )
5S(120个核苷酸 )
蛋白质 31种 (占总重量的 30%) 49种 (占总重量的 35%)
核糖体的组成
核酶：有催化活性的 RNA
? 1982年，美国 Thomas Cech 在研究四膜虫
rRNA自我剪接时发现，同时加拿大的 Sidney Altman
发现 RNase P分子中的 RNA组分有催化活性； 1989
年分享了 Noble 化学奖。
不仅拓宽了生物催化剂的领域，而且对 RNA的生
物学功能开创了一种历史性的新认识,RNA不仅
具有 储存和传递遗传信息 的功能，而且还具有 生
物催化剂 的功能，在一定程度上可以说,RNA一
身兼有 DNA和蛋白质两大类生物大分子的功能。
? 核酶的二级结构对于催化活性很重要。
Symons提出,锤头”（ hammerhead）状
二级结构。
? 三个螺旋区； 13（或 11）个保守核苷酸
序列。
核内不均一 RNA（ hnRNA）
? 真核细胞转录生成 mRNA的前体。
? 加工过程包括,5′加帽； 3′端加尾；内含
子的切除和外显子的拼接；分子内部的
甲基化修饰作用；核苷酸序列的编辑作
用。
小分子核内 RNA(snRNA)
? 真核细胞核内一组小分子 RNA,含 70~300碱基,
序列中尿嘧啶含量较高,因此又用 U命名,
? 既非任何 RNA的前体,也非某种 RNA代谢的中
间产物,而是具有独特功能且独立存在的实体,
参与 mRNA的加工。
? 常与多种特异的蛋白质结合在一起，形成小分
子核内核蛋白颗粒（ small nuclear
ribonucleoprotein particle,snRNP）
反义 RNA
? 碱基序列正好与有意义 mRNA互补的 RNA，又称
为调节 RNA。
? 可与 mRNA配对结合形成双链，最终抑制 mRNA
作为模板进行翻译。
? 还可作为 DNA复制的抑制因子，与引物 RNA互
补结合抑制 DNA复制，及在转录水平上与
mRNA5′端互补，阻止 RNA合成转录。
? 可以人工合成反义 RNA来调节基因的表达,用于
疾病治疗。
? 原核生物中也有一种 mRNA干扰互补 RNA（ Mrna
interfering complementary RNA,micRNA），也
可与特异 mRNA结合并阻止翻译。
核酸的酚抽提
? 原理：交替使用酚、氯仿两种蛋白质变
性剂，更有效去除蛋白质。
? 氯仿还可加速有机相与水相的分层。
? 异戊醇：抑制界面泡沫的形成。
? 标准程序：酚 —— 酚 -氯仿 —— 氯仿。
核酸的沉淀
? 原理：核酸与钠、钾、镁形成的盐在许
多有机溶剂中不溶，也不会变性。
? 醋酸钠为沉淀 DNA,RNA的最常用盐类。
? 有机溶剂：乙醇、异丙醇、聚乙二醇。
? 温度：冰水
真核细胞 RNA的提取纯化
? 一个典型的哺乳动物细胞约含 10-5μgRNA，
其中 80~85%为 rRNA,mRNA为细胞总
RNA的 1~5%。
? 制备高质量真核细胞 RNA的关键是在抽提
的最初步骤就需要 抑制核糖核酸酶 的活性，
并避免所用玻璃器皿及液体污染微量核糖
核酸酸酶。
创造一个无 RNA酶的环境
? 洁净实验室环境
一次性手套，勤换
环境洁净（避免飞尘中细菌真菌产生外
源性 RNA酶污染）
? 玻璃和塑料器皿处理
玻璃：常规洗净后,200℃ 干烤 4小时
塑料：一次性。
? 溶液配制,加 0.1%DEPC37℃ 12~16Hr，
高压除去残留的 DEPC。 不能高压灭菌的
溶液，用 DEPC处理过的无 RNA酶的三蒸
水配制，用滤膜过滤除菌。
DEPC：焦碳酸二乙酯，是一种强烈但并
不彻底的 RNA酶抑制剂，通过和 RNA酶
中 His结合使蛋白质变性，抑制 RNA酶活
性。 C2H5-O-CO-O-CO-O-C2H5
? 抑制内源性 RNA酶酶活
异硫氰酸胍：强烈变性剂，能迅速溶解蛋白质，
导致细胞结构破碎，使 RNA从细胞中释放，又
称解偶剂。
β-巯基乙醇和异硫氰酸胍能使细胞内各种 RNA
酶失活。
十二烷基肌酸钠：可使核糖体蛋白质与 RNA分
子分离。
Rnasin：核糖核酸酶素,是 RNA酶的一种非竞争
性抑制剂 。
