第一講 序論
二、現代分子生物學中的主要里程碑
分子生物學是研究核酸、蛋白質等所有生物大分子的形態、結構特征及其重要性、規律性和相互關系的科學，是人類從分子水平上真正揭開生物世界的奧秘，由被動地適應自然界轉向主動地改造和重組自然界的基礎學科。當人們意識到同一生物不同世代之間的連續性是由生物體自身所攜帶的遺傳物質所決定的，科學家為揭示這些遺傳密碼所進行的努力就成為人類征服自然的一部分，而以生物大分子為研究對像的分子生物學就迅速成為現代社會中最具活力的科學。
從1847年Schleiden和Schwann提出"細胞學說"，證明動、植物都是由細胞組成的到今天，雖然不過短短一百多年時間，我們對生物大分子--細胞的化學組成卻有了深刻的認識。孟德爾的遺傳學規律最先使人們對性狀遺傳產生了理性認識，而Morgan的基因學說則進一步將"性狀"與"基因"相耦聯，成為分子遺傳學的奠基石。Watson和Crick所提出的脫氧核糖酸雙螺旋模型，為充分揭示遺傳信息的傳遞規律鋪平了道路。在蛋白質化學方面，繼Sumner在1936年證實酶是蛋白質之后，Sanger利用紙電泳及層析技術于1953年首次闡明胰島素的一級結構，開創了蛋白質序列分析的先河。而Kendrew和Perutz利用X射線衍射技術解析了肌紅蛋白（myoglobin）及血紅蛋白（hemoglobin）的三維結構，論證了這些蛋白質在輸送分子氧過程中的特殊作用，成為研究生物大分子空間立體構型的先驅。
1910年，德國科學家Kossel第一個分離了腺嘌呤，胸腺嘧啶和組氨酸。
1959年，美國科學家Uchoa第一次合成了核糖核酸，實現了將基因內的遺傳信息通過RNA翻譯成蛋白質的過程。同年，Kornberg實現了試管內細菌細胞中DNA的復制。
1962年，Watson（美）和Crick（英）因為在1953年提出DNA的反向平行雙螺旋模型而與Wilkins共獲Noble生理醫學獎，后者通過X射線衍射證實了Watson-Crick模型。
1965年，法國科學家Jacob和Monod提出并證實了操縱子（operon）作為調節細菌細胞代謝的分子機制。此外，他們還首次推測存在一種與DNA序列相互補、能將它所編碼的遺傳信息帶到蛋白質合成場所（細胞質）并翻譯產生蛋白質的mRNA（信使核糖核酸）。
1972年，Paul Berg（美）第一次進行了DNA重組。
1977年，Sanger和Gilbert（英）第一次進行了DNA序列分析。
1988年，McClintock由于在50年代提出并發現了可移動遺傳因子（jumping gene或稱mobile element）而獲得Nobel獎。
1993年，美國科學家Roberts和Sharp因發現斷裂基因（introns）而獲得Nobel獎。Mullis由于發明PCR儀而與加拿大學者Smith（第一個設計基因定點突變）共享Nobel化學獎。
此外，Griffith（1928）及Avery（1944）等人關于致病力強的光滑型（S型）肺炎鏈球菌DNA導致致病力弱的粗糙型（R型）細菌發生遺傳轉化的實驗；Hershey和Chase（1952）關于DNA是遺傳物質的實驗；Crick于1954年所提出的遺傳信息傳遞規律（即中心法則）:Meselson和Stahl（1958）關于DNA半保留復制的實驗以及Yanofsky和Brener（1961）年關于遺傳密碼三聯子的設想都為分子生物學的發展做出了重大貢獻。
我國生物科學家吳憲20世紀20年代初回國后在協和醫科大學生化系與汪猷、張昌穎等人一道完成了蛋白質變性理論、血液生化檢測和免疫化學等一系列有重大影響的研究，成為我國生物化學界的先驅。20世紀60年代、70年代和80年代，我國科學家相繼實現了人工全合成有生物學活性的結晶牛胰島素，解出了三方二鋅豬胰島素的晶體結構，采用有機合成與酶促相結合的方法完成了酵母丙氨酸轉移核糖核酸的人工全合成，在酶學研究、蛋白質結構及生物膜結構與功能等方面都有世所矚目的建樹。
三、分子生物學的主要研究內容
所有生物體中的有機大分子都是以碳原子為核心，并以共價鍵的形式與氫、氧、氮及磷以不同方式構成的。不僅如此，一切生物體中的各類有機大分子都是由完全相同的單體，如蛋白質分子中的20種氨基酸、DNA及RNA中的8種堿基所組合而成的，由此產生了分子生物學的3條基本原理：
1． 構成生物體有機大分子的單體在不同生物中都是相同的；
2． 生物體內一切有機大分子的建成都遵循著各自特定的規則；
3． 某一特定生物體所擁有的核酸及蛋白質分子決定了它的屬性。
分子生物學研究內容:
DNA重組技術------基因工程
基因表達調控-------核酸生物學
生物大分子結構功能----結構分子生物學
DNA重組技術（又稱基因工程）
這是20世紀70年代初興起的技術科學，目的是將不同DNA片段（如某個基因或基因的一部分）按照人們的設計定向連接起來，在特定的受體細胞中與載體同時復制并得到表達，產生影響受體細胞的新的遺傳性狀。嚴格地說，DNA重組技術并不完全等于基因工程，因為后者還包括其他可能使生物細胞基因組結構得到改造的體系。DNA重組技術是核酸化學、蛋白質化學、酶工程及微生物學、遺傳學、細胞學長期深入研究的結晶，而限制性內切酶DNA連接酶及其他工具酶的發現與應用則是這一技術得以建立的關鍵。
DNA重組技術有著廣闊的應用前景:DNA重組技術可用于定向改造某些生物基因組結構，使它們所具備的特殊經濟價值或功能得以成百
上千倍的地提高。DNA重組技術還被用來進行基礎研究。如果說，分子生物學研究的核心是遺傳信息的傳遞和控制，那么根據中心法則，我們要研究的就是從DNA到RNA，再到蛋白質的全過程，也即基因的表達與調控。在這里，無論是對啟動子的研究（包括調控元件或稱順式作用元件），還是對轉錄因子的克隆及分析，都離不開重組DNA技術的應用。
基因表達調控研究
因為蛋白質分子參與并控制了細胞的一切代謝活動，而決定蛋白質結構和合成時序的信息都由核酸（主要是脫氧核糖核酸）分子編碼，表現為特定的核苷酸序列，所以基因表達實質上就是遺傳信息的轉錄和翻譯。在個體生長發育過程中生物遺傳信息的表達按一定的時序發生變化（時序調節），并隨著內外環境的變化而不斷加以修正（環境調控）。
原核生物的基因組和染色體結構都比真核生物簡單，轉錄和翻譯在同一時間和空間內發生，基因表達的調控主要發生在轉錄水平。真核生物有細胞核結構，轉錄和翻譯過程在時間和空間上都被分隔開，且在轉錄和翻譯后都有復雜的信息加工過程，其基因表達的調控可以發生在各種不同的水平上。基因表達調控主要表現在信號傳導研究、轉錄因子研究及RNA剪輯3個方面。
轉錄因子是一群能與基因5'端上游特定序列專一結合，從而保證目的基因以特定的強度在特定的時間與空間表達的蛋白質分子。
真核基因在結構上的不連續性是近10年來生物學上的重大發現之一。當基因轉錄成pre-mRNA后，除了在5'端加帽及3'端加多聚A[polyA]之外，還要將隔開各個相鄰編碼區的內含子剪去，使外顯子（編碼區）相連后成為成熟mRNA。研究發現，有許多基因不是將它們的內含子全部剪去，而是在不同的細胞或不同的發育階段有選擇地剪接其中部分內含子，因此生成不同的mRNA及蛋白質分子。
結構分子生物學
生物大分子的結構功能研究（又稱結構分子生物學） 一個生物大分子，無論是核酸、蛋白質或多糖，在發揮生物學功能時，必須具備兩個前提:首先，它擁有特定的空間結構（三維結構）；其次，在它發揮生物學功能的過程中必定存在著結構和構象的變化。
結構分子生物學就是研究生物大分子特定的空間結構及結構的運動變化與其生物學功能關系的科學。它包括結構的測定、結構運動變化規律的探索及結構與功能相互關系的建立3個主要研究方向。最常見的研究三維結構及其運動規律的手段是X射線衍射的晶體學（又稱蛋白質晶體學），其次是用二維核磁共振和多維核磁研究液相結構，也有人用電鏡三維重組、電子衍射、中子衍射和各種頻譜學方法研究生物高分子的空間結構。