分子生物學的研究及發(fā)展

1、分子生物學的應用及開展摘要：本文在文獻檢索的根底上，對分子生物學的開展簡史，根本原理，研究領域等作了簡單介紹，闡述了分子生物學在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽貌⒔Y合藥學專業(yè)著重討論了其在藥學及中藥開發(fā)發(fā)面的應用，并進一步對分子生物學未來的研究技術、方向和前景做了展望。一 前言生物以能夠復制自己而區(qū)別于非生物。生命現(xiàn)象最根本的特征是進行“自我更新。進行“自我更新表達了一種最高級和最復雜的運動狀態(tài)。這種運動就是生物機體從環(huán)境中攝取物質和能量，以更新本身的物質組成，而山現(xiàn)生長、繁殖，在這樣的過程中保證了將自身的特征傳給歷代；同時也不斷地向環(huán)境輸送一些物質和釋放能量。在生物機體的組成物質中，防水分外，有各種無機

2、鹽類和各種有機化合物。其中生物大分子核酸和蛋白質在進行自我更新運動中，以其功能的重要性占第一位。為探索生命現(xiàn)象的本質問題，產(chǎn)生了分子生物學這一學科1。分子生物學(molecular biology)是從分子水平研究生命本質為目的的一門新興邊緣學科，它是研究核酸、蛋白質等生物大分子的形態(tài)、結構特征及其重要性、規(guī)律性和相互關系的科學，是當前生命科學中開展最快并正在與其它學科廣泛交叉與滲透的重要前沿領域2。分子生物學的最終目標是遠大的，從產(chǎn)生根本細胞行為類型的各種分子的角度，來理解這五類行為類型：生長、分裂、分化、運動和相互作用。即分子生物學力圖完整地描述細胞大分子的結構、功能和相互聯(lián)系，從而理解細

3、胞為什么要采取這種方式3。分子生物學作為一門新興的邊緣學科。它的迅速開展及其在整個生命科學領域的廣泛滲透和應用，促使人們對生物學等生命科學的認識從細胞水平進入分子水平。在農(nóng)業(yè)、畜牧、林業(yè)、微生物學等領域開展十分迅速，如轉基因動植物等。在醫(yī)學領域，為醫(yī)學診斷、治療及新的疫苗、新藥物研制等開辟了新的途徑，使醫(yī)學科學中原有的學科發(fā)生分化組合，醫(yī)學分子生物學等新的學科分支不斷產(chǎn)生，使醫(yī)學科學發(fā)生了深刻的變革，不認識到這一點就很難跟上科學開展的步伐。分子生物學的開展為人類認識生命現(xiàn)象帶來了前所未有的時機，也為人類利用和改造生物創(chuàng)造了極為廣闊的前景。二 分子生物學開展簡史分子生物學的開展大致可分為三個階段

4、4-7：2.1準備和醞釀階段19世紀后期到20世紀50年代初，是現(xiàn)代分子生物學誕生的準備和醞釀階段。在這一階段產(chǎn)生了兩點對生命本質的認識上的重大突破：一是確定了蛋白質是生命的主要根底物質，二是確定了生物遺傳的物質根底是DNA。這也為以后分子生物學的開展提供了理論根底。2.2現(xiàn)代分子生物學的建立和開展階段 這一階段是從50年代初到70年代初，以1953年Watson和Crick提出的DNA雙螺旋結構模型作為現(xiàn)代分子生物學誕生的里程碑開創(chuàng)了分子遺傳學根本理論建立和開展的黃金時代。DNA雙螺旋發(fā)現(xiàn)的最深刻意義在于：確立了核酸作為信息分子的結構根底;提出了鹼基配對是核酸復制、遺傳信息傳遞的根本方式；從

5、而最后確定了核酸是遺傳的物質根底，為認識核酸與蛋白質的關系及其在生命中的作用打下了最重要的根底。在此期間的主要進展包括：遺傳信息傳遞中心法那么的建立和對蛋白質結構與功能的進一步認識。2.3初步認識生命本質并開始改造生命的深入開展階段70年代后，以基因工程技術的出現(xiàn)作為新的里程碑，標志著人類深入認識生命本質并能動改造生命的新時期開始。其間的重大成就包括：(1) 重組DNA技術的建立和開展。(2) 基因組研究的開展。(3) 單克隆抗體及基因工程抗體的建立和開展。(4) 基因表達調(diào)控機理。(5) 細胞信號轉導機理研究成為新的前沿領域。以上簡要介紹了分子生物學的開展過程，可以看到在近半個世紀中它是生命

6、科學范圍開展最為迅速的一個前沿領域，推動著整個生命科學的開展。至今分子生物學仍在迅速開展中，新成果、新技術不斷涌現(xiàn)，這也從另一方面說明分子生物學開展還處在初級階段。分子生物學已建立的根本規(guī)律給人們認識生命的本質指出了光明的前景，但分子生物學的歷史還短，積累的資料還不夠，要想進一步開展分子生物學并使其更好的為人類效勞，都還要經(jīng)歷漫長的研究道路?？梢哉f分子生物學的開展前景光輝燦爛，道路還會艱難曲折。三 分子生物學的根本原理及研究領域3.1分子生物學的根本原理分子生物學的根本原理包括三方面的內(nèi)容8：(1) 構成生物體的有機大分子的單體在不同生物體內(nèi)都是相同的；(2) 生物體內(nèi)一切有機大分子的建成都遵

7、循共同的規(guī)律；(3) 某一特定生物體所擁有的核酸及蛋白質決定了生物的屬性。3.2分子生物學的研究領域分子生物學主要包含以下幾局部研究內(nèi)容8：(1) 核酸的分子生物學。核酸的分子生物學研究核酸的結構及其功能。由于核酸的主要作用是攜帶和傳遞遺傳信息，因此分子遺傳學是其主要組成局部。由于50年代以來的迅速開展，該領域已形成了比較完整的理論體系和研究技術，是目前分子生物學內(nèi)容最豐富的一個領域。研究內(nèi)容包括核酸/基因組的結構、遺傳信息的復制、轉錄與翻譯，核酸存儲的信息修復與突變，基因表達調(diào)控和基因工程技術的開展和應用等。遺傳信息傳遞的中心法那么是其理論體系的核心。(2) 蛋白質的分子生物學。蛋白質的分子

8、生物學研究執(zhí)行各種生命功能的主要大分子蛋白質的結構與功能。盡管人類對蛋白質的研究比對核酸研究的歷史要長得多，但由于其研究難度較大，與核酸分子生物學相比開展較慢。近年來雖然在認識蛋白質的結構及其與功能關系方面取得了一些進展，但是對其根本規(guī)律的認識尚缺乏突破性的進展。(3) 細胞信號轉導的分子生物學。細胞信號轉導的分子生物學研究細胞內(nèi)、細胞間信息傳遞的分子根底。構成生物體的每一個細胞的分裂與分化及其它各種功能的完成均依賴于外界環(huán)境所賦予的各種指示信號。在這些外源信號的刺激下，細胞可以將這些信號轉變?yōu)橐幌盗械纳锘瘜W變化，例如蛋白質構象的轉變、蛋白質分子的磷酸化以及蛋白與蛋白相互作用的變化等，從而使

9、其增殖、分化及分泌狀態(tài)等發(fā)生改變以適應內(nèi)外環(huán)境的需要。信號轉導研究的目標是說明這些變化的分子機理，明確每一種信號轉導與傳遞的途徑及參與該途徑的所有分子的作用和調(diào)節(jié)方式以及認識各種途徑間的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。信號轉導機理的研究在理論和技術方面與上述核酸及蛋白質分子有著緊密的聯(lián)系，是當前分子生物學開展最迅速的領域之一。(4) 癌基因與抑癌基因、肽類生長因子、細胞周期及其調(diào)控的分子機理等。從基因調(diào)控的角度研究細胞癌變也已經(jīng)取得不少進展。分子生物學將為人類最終征服癌癥做出重要的奉獻。(5) 分子生物學技術：主要包括分子雜交技術、鏈反響技術、生物工程等。互補的核苷酸序列通過Walson-Crick堿基配對形成

10、穩(wěn)定的雜合雙鏈分子DNA分子的過程稱為雜交。雜交過程是高度特異性的,可以根據(jù)所使用的探針序列進行特異性的靶序列檢測。聚合酶鏈反響技術簡稱PCR技術，是一種利用DNA變性和復性原理在體外進行特定的DNA片斷高效擴增的技術，可檢出微量靶序列甚至少到1個拷貝。生物工程的包括五大工程，即基因工程、細胞工程、酶工程、蛋白質工程和微生物工程。四 分子生物學的實際應用近幾年來，隨著人類基因組研究的完成，分子生物學技術也不斷完善，隨著基因組研究向各學科的不斷滲透，這些學科的進展到達了前所未有的高度。分子生物學也越來越廣泛的應用于人們的日常生活中。4.1分子生物學在農(nóng)業(yè)方面的應用運用分子生物學的根本原理，生物品

11、種的改良速度更快、目標更準確，甚至創(chuàng)造新物種，目前已經(jīng)出現(xiàn)了很多轉基因動物和轉基因植物。轉基因就是利用分子生物學技術，將某些生物的基因轉移到其它物種中去，改造生物的遺傳物質，使其在性狀、營養(yǎng)品質、消費品質方面向人類所需要的目標轉變9。4.2分子生物學在工業(yè)方面的應用分子生物學在工業(yè)方面的應用主要有：(1) 酶制劑：工業(yè)用酶的生產(chǎn)、酶的定向改造。(2) 食品工業(yè)上：氨基酸，助鮮劑，甜味劑，食品添加劑 淀粉酶，纖維素酶等的生產(chǎn)。(3) 環(huán)境保護：其中生物傳感器可用于環(huán)境的監(jiān)測，利用分子生物技術可以對環(huán)境進行生物修復。(4)化學與能源工業(yè)上：基因工程修飾過的淀粉及重組DNA技術生產(chǎn)酒精等石油替代品.

12、4.3分子生物學在醫(yī)學方面的應用10-12(1) 分子生物學在某些發(fā)病機制方面的應用。如遺傳性高脂血癥誘發(fā)的冠狀動脈粥樣硬化機制的研究，某些病毒致病作用乙肝與肝癌的研究等 (2) 基因診斷。所謂基因診斷是采用基因工程的方法來制備特異性的DNA探針,來對各種疾病進行診斷的方法。這種方法對于與遺傳相關的疾病診斷特別準確。在不久將來,DNA檢測將成為醫(yī)學的常用工具。用基因探針來查找病毒:現(xiàn)在有許多傳染病都是由病毒引起的。用常規(guī)的方法檢查病毒需要較長時間,用基因探針只要幾小時就可以檢查出病毒。例如肝炎病毒就可以用PCR技術或酶切電泳技術查找。(3) 基因治療。所謂基因治療就是用正確基因替換缺損基因。具

13、體地說,就是取病人有缺陷的細胞在體外導入正確的基因,以替換缺損的基因,然后輸入患者體內(nèi)或者用帶有正常基因的載體植入到有需要的組織中,使之表達出正確的蛋白質,從而得到治療。將來,基因療法可以變得更簡便、本錢更低。分子生物學的進展向人們展示十分令人振奮的醫(yī)學前景,未來醫(yī)學將發(fā)生革命性變化,處處充滿生機與活力。4.4分子生物學在藥學方面的應用過去和現(xiàn)在，發(fā)現(xiàn)新藥物作用靶位和受體是非常昂貴和漫長的，科學家只是依賴試錯法來實現(xiàn)其藥物研究和開發(fā)的目標。人類基因組研究方案完成后將削弱試錯法在藥物研究和開發(fā)中的突出地位，進而科學家可以直接根據(jù)基因組研究成果確定靶位和受體設計藥物。這將大大縮短藥物研制時間和大大

14、降低藥物研制費用，從而從整體上動搖人類制藥工業(yè)的現(xiàn)狀，使藥物的開發(fā)研究過度到基因制藥階段。利用重組DNA產(chǎn)生的工程菌來大量高效地合成人體活性多肽疾病的診斷、預防和治療，基因工程疫苗細菌疫苗、病毒疫苗、寄生蟲疫苗以及正在研制的癌癥疫苗。常見的利用DNA重組技術生產(chǎn)的藥物見表4-1：表4-1 常見的重組藥物及功能重組藥物 功能促紅細胞生成素 刺激紅細胞生成生長因子(bFGF, EGF) 刺激細胞生長與分化生長素 治療侏儒癥胰島素 治療糖尿病干擾素(a 1b, a2a, a 2b, g) 抗病毒感染及某些腫瘤白細胞介素 激活、刺激各類白細胞超氧化物歧化酶 抗組織損傷另外，藥物基因組學是主要以說明藥物

15、代謝、藥物轉運和藥物靶分子的基因多態(tài)性與藥物作用包括療效和毒副作用之間關系的一門科學，是一門新興的研究領域。研究的分子根底是基因多態(tài)性，因此可指導藥物設計、開發(fā)新藥及合理用藥。藥物蛋白質組學是基因、蛋白質、疾病三者相連的橋梁科學，其研究內(nèi)容比藥物基因組學更復雜。4.5分子生物學在中藥開發(fā)研究中的應用中藥現(xiàn)代化研究,應該大力借鑒和引入分子生物學的新觀念和新技術,開展和完善自身理論體系,使傳統(tǒng)中藥的研究能夠與現(xiàn)代科技研究接軌,開創(chuàng)中藥現(xiàn)代化研究的新局面。分子生物學用于中藥研究主要有以下幾個方面:(1) 從分子生物學水平研究中藥藥理。采用分子生物學系統(tǒng)地說明中藥的作用機制是十分迫切和必要的,也是中藥

16、現(xiàn)代化的重要組成局部。如蛋白質組技術從細胞、分子水平研究中藥控制細胞的路徑、對信號轉導途徑的干預及效應的蛋白質圖譜等,生物芯片、酵母雙雜交系統(tǒng)、噬菌體展示技術等可用于研究中藥如何調(diào)控機體內(nèi)的基因和蛋白質的表達及其相互作用13,14。(2) 引入分子生物學技術與中藥新藥研制的創(chuàng)新，其中蛋白質組技術在中藥新藥的創(chuàng)新和二次開發(fā)中具有廣闊的應用前景13。(3) 應用分子生物學技術于中藥鑒定。隨著分子生物學和基因工程技術的日趨成熟，通過基因工程分析手段，從遺傳物質的DNA分子水平檢測生物遺傳多樣性并進行分類與鑒定成為一個新的便捷、準確的鑒定方法13,15。(4) 中藥毒副作用的分析。通過檢測化合物作用于

17、細胞后基因的改變來研究其毒性,可到達省時、省力,且可減輕對實驗動物的依賴13。(5) 瀕危中藥材的細胞培養(yǎng)、相關替代及道地中藥材功能基因組研究。在后基因組時代,通過功能基因組和蛋白質組的研究,在了解遺傳信息表達和調(diào)控規(guī)律根底上,用控制遺傳信息的方式來促進中藥材有效成分的細胞培養(yǎng)合成13。(6) 分子生物學與中藥基因組方案的研究。“中藥基因組方案是將分子生物學、生物信息學等現(xiàn)代生物技術與其他現(xiàn)代科學技術相結合來研究、開發(fā)中藥。其根本點就在于從基因組學的高度,從分子水平上來發(fā)現(xiàn)研究中藥的基因,尋找有效成分基因,將功能基因克隆表達并進行“工廠化生產(chǎn)或轉入植物進行“田間種植;尋找、發(fā)現(xiàn)和克隆表達那些用

18、于合成具有生物活性的小分子有機物的酶基因;利用代謝酶工程在實驗室合成這局部中藥有效成分。在這種研究中,將會運用到細胞工程技術、發(fā)酵工程技術、酶和蛋白質工程技術、基因工程技術以及基因芯片技術等,尤其是基因工程與基因芯片技術13。利用分子生物學技術在中藥領域中的研究已經(jīng)取得了很大的成就,建立和完善了多種系統(tǒng)方法學。分子生物學、中藥基因組學及蛋白質組學等應運而生,使中藥正在走向世界。在今后的研究中應大力借助于分子生物學技術對藥用植物的遺傳多樣性的分子檢測、中藥材品種的系統(tǒng)整理與質量標準化及藥用植物生物多樣性保護與生藥資源可持續(xù)利用等方面進行更進一步的研究。由此可見，生物技術必將在世界人口問題、 疾病

19、問題、人的壽命問題、營養(yǎng)保健問題、農(nóng)業(yè)持續(xù)開展問題、資源再利用問題、大氣污染問題、世界公害問題、潔凈新能源問題等各方面問題的解決中起重要作用。五 分子生物學展望分子生物學的成就說明：生命活動的根本規(guī)律在形形色色的生物體中都是統(tǒng)一的。例如，不管在何種生物體中，都由同樣的氨基酸和核苷酸分別組成其蛋白質和核酸。遺傳物質，除某些病毒外，都是DNA，并且在所有的細胞中都以同樣的生化機制進行復制。分子遺傳學的中心法那么和遺傳密碼，除個別例外，在絕大多數(shù)情況下也都是通用的。分子生物學從分子水平深入探索生命與自然的奧秘，全面改造和改良我們的生存環(huán)境與生存質量。隨著社會與科學的不斷開展，分子生物學將在各學科之間

20、廣泛滲透、相互促進，不斷深入和開展。例如，它將全面滲透并推動細胞生物學、神經(jīng)生物學和發(fā)育生物學的開展，促進分類和進化研究的進行16。在應用方面，生物膜能量轉換原理的說明，將有助于解決全球性的能源問題。了解酶的催化原理就能更有針對性地進行酶的人工模擬，設計出化學工業(yè)上廣泛使用的新催化劑，從而給化學工業(yè)帶來一場革命。各種分子診療方法的應用及重組藥物的開發(fā)將使人類克服更多的疾病，從基因調(diào)控的角度研究細胞癌變也已經(jīng)取得不少進展，分子生物學將為人類最終征服癌癥做出重要的奉獻。轉基因食品的開展將解決人類的溫飽和營養(yǎng)問題未來的社會中，分子生物學理論將被進一步完善，人類最終將會完全解開“生命物質這一謎團并將其運用到生產(chǎn)、生活的各個方面。作為藥學的一名研究工作者，我們平時也應注意分子生物學知識的學習與積累，將其有效的運用到我們研究的領域，實現(xiàn)學科間的交叉與融合，為