绪论

分子生物学（molecular biology）是在分子水平和整体水平上研究生命现象、生命本质、生命活动及其规律的一门学科，其研究对象是核酸和蛋白质等生物大分子，研究内容包括生物大分子的结构、功能及其在遗传信息和代谢信息传递中的作用和作用规律。分子生物学是生物化学与其他学科相互交叉和相互渗透而形成的一门新兴学科。分子生物学理论和技术的不断发展将为认识生命、造福人类带来新的机遇、开拓广阔前景。

一、分子生物学发展简史

分子生物学的诞生和发展大致分为三个阶段。

（一）准备和酝酿阶段

19世纪后期到20世纪50年代初是分子生物学诞生前的酝酿阶段。这一阶段在认识生命本质方面有两个重大突破。

1.确定了蛋白质是生命现象的物质基础　1897年，Büchner（1907年诺贝尔化学奖获得者）与其兄发现酵母无细胞提取液能使蔗糖发酵生成乙醇，并提出酶是生物催化剂的论断，开启了现代生物化学之门。1926年，Sumner提取并结晶了尿素酶，提出酶的化学本质是蛋白质。到20世纪40年代，Northrop等科学家陆续提取并结晶了胰蛋白酶、胃蛋白酶等，证明酶的化学本质的确是蛋白质（Sumner、Northrop、Stanley因此获得1946年诺贝尔化学奖），酶蛋白和其他蛋白质都与物质代谢、能量代谢联系密切，与消化、呼吸、运动等生命现象密不可分。在此期间，科学家对蛋白质一级结构的研究也有突破：1945年，Sanger（1958年、1980年诺贝尔化学奖获得者）建立了用于分析肽链N端氨基酸残基的二硝基氟苯法；1950年，Edman建立了应用异硫氰酸苯酯分析蛋白质一级结构的Edman降解法；1953年，Sanger完成了第一种蛋白质——胰岛素的序列分析。此外，X射线衍射技术的发展促进了对蛋白质构象的研究，Pauling和Corey于1950年提出了α角蛋白构象的α螺旋模型，Perutz和Kendrew（1962年诺贝尔化学奖获得者）于1959年阐明了血红蛋白的四级结构。

2.确定了DNA是生命遗传的物质基础　1869年，Miescher最早分离到核素，但当时并未引起重视。20世纪30年代，核酸的结构开始得到研究，但当时认为核酸的一级结构只是核苷酸单位的重复连接，不可能携带遗传信息，蛋白质可能是遗传信息的携带者。1944年，Avery等通过肺炎链球菌转化实验证明DNA是细菌的遗传物质；1952年，Hershey（1969年诺贝尔生理学或医学奖获得者）和Chase通过大肠杆菌（又称大肠埃希菌）T2噬菌体感染实验进一步证明DNA也是DNA病毒的遗传物质。1953年，Chargaff提出了关于DNA组成的Chargaff规则，为研究DNA结构奠定了基础。

（二）诞生和发展阶段

1953年，Watson和Crick（1962年诺贝尔生理学或医学奖获得者）提出了DNA的双螺旋结构模型，成为分子生物学诞生的里程碑，使分子生物学基本理论的发展进入了黄金时代。他们进一步提出的碱基配对原则、DNA半保留复制特征和中心法则为研究核酸与蛋白质的关系及其意义奠定了基础。在此期间的主要发展包括：

1.中心法则的建立　在提出DNA双螺旋结构模型的同时，Watson和Crick提出了DNA复制的可能机制；1955年，Kornberg（1959年诺贝尔生理学或医学奖获得者）发现了大肠杆菌DNA聚合酶；1956年，Crick提出了分子生物学的中心法则；1958年，Meselson和Stahl用同位素标记技术和密度梯度离心技术证明DNA是半保留复制的；1968年，Okazaki提出DNA是不连续复制的；1971～1976年，Wang先后发现了大肠杆菌Ⅰ型DNA拓扑异构酶和Ⅱ型DNA拓扑异构酶。这些都丰富了对DNA复制机制的认识。

在阐明DNA通过复制传递遗传信息的同时，对遗传信息表达机制的研究也取得了进展，mRNA介导遗传信息表达的假说被Jacob和Brenner等提出并于1961年提取到mRNA。1958年，Weiss和Hurwitz等发现了RNA聚合酶；1961年，Hall和Spiegelman通过RNA-DNA杂交分析证明了mRNA与DNA序列的互补性，RNA的合成机制得以阐明。

20世纪50年代，蛋白质合成机制的研究取得突破性进展，Zamecnik等通过实验证明核糖体是蛋白质的合成机器；1957年，Hoagland、Stephenson和Zamecnik等分离出tRNA，并对它们在蛋白质合成过程中转运氨基酸的作用提出了假设；1961年，Brenner和Gross等观察到在蛋白质合成过程中mRNA与核糖体结合；尤其令人鼓舞的是Holley、Khorana和Nirenberg（1968年诺贝尔生理学或医学奖获得者）等几组科学家于1966年破译了遗传密码，从而阐明了蛋白质合成的基本机制。

上述重大发现形成了以中心法则为基础的分子生物学理论体系。1970年，Baltimore和Temin（1975年诺贝尔生理学或医学奖获得者）分别发现了逆转录酶，进一步补充和完善了中心法则。

2.对蛋白质结构和功能的进一步认识　1956～1958年，Anfinsen（1972年诺贝尔化学奖获得者）和White根据对酶蛋白变性和复性的实验研究，提出蛋白质的空间结构是由其氨基酸序列决定的；1956年，Ingram证明一种镰状血红蛋白（HbS）和正常血红蛋白（HbA）只是β亚基的一个氨基酸不同，使人们对蛋白质一级结构决定其功能的意义有了更深刻的认识；20世纪60年代，血红蛋白、RNase A（核糖核酸酶A）等蛋白质的一级结构相继被阐明；1965年，中国科学家合成牛胰岛素，并于1973年完成对其空间结构的分析，为阐明蛋白质的结构规律做出了重要贡献。

（三）深入发展阶段

20世纪70年代，基因工程技术（重组DNA技术）的建立成为新的里程碑，标志着新阶段的开始。

1.基因工程技术的建立　分子生物学理论和分子生物学技术的发展使基因工程技术的建立成为必然。1968年，Meselson和Yuan在大肠杆菌中发现了限制性内切酶；1972年，Berg （1980年诺贝尔化学奖获得者）等将大肠杆菌、噬菌体、病毒的DNA进行重组，成功构建了打破种属界限的重组DNA分子；1977年，Boyer等在大肠杆菌中表达生长抑素；1978年，重组人胰岛素在大肠杆菌中被成功表达。研发基因工程产品成为医药业和农业的一个发展方向。

转基因技术和基因靶向技术的建立是基因工程技术发展的结果。Capecchi、Evans和Smithies（2007年诺贝尔生理学或医学奖获得者）在小鼠胚胎干细胞基因靶向技术方面做出了卓越贡献。1982年，Palmiter等用大鼠生长激素基因转化小鼠受精卵，培育得到超级小鼠，激发了人们对培育优良品系家畜的热情。自1996年以来，转基因植物的培育突飞猛进：转基因玉米和转基因大豆作为农作物已经规模种植；我国科学家也成功培育出抗棉铃虫的转基因棉花和抗除草剂的转基因水稻。

基因诊断和基因治疗是基因工程技术应用于医药领域的一个重要方面。血红蛋白病等部分遗传病已经实现产前基因诊断。腺苷脱氨酶缺乏症等部分单基因隐性遗传病的基因治疗已经获得成功。

2.基因组研究的开展　随着分子生物学的发展，生命科学已经从研究单个基因发展到研究基因组。分析一种生物基因组核酸的全序列对揭示该生物的遗传信息及其功能具有重要意义。1977年，Sanger分析了ΦX174噬菌体的基因组序列；1990年，人类基因组计划开始实施，并于2003年基本完成测序工作。截至2014年2月14日，已经有12 889种生物的基因组完成测序。目前，基因组研究已经进入后基因组时代。

3.基因表达调控机制的揭示　在20世纪60年代之前，人们主要认识了原核基因表达调控的一些基本规律。1977年，猿猴空泡病毒40（SV40）和腺病毒基因编码序列不连续性的发现拉开了认识真核生物基因组结构和基因表达调控机制的序幕。20世纪80～90年代，真核基因的调控元件和转录因子开始得到研究，人们认识到核酸与蛋白质的相互识别与相互作用是基因表达调控的根本所在。

4.信号转导机制研究的深入　对信号转导机制的研究可以追溯到20世纪50年代。Sutherland（1971年诺贝尔生理学或医学奖获得者）于1957年发现cAMP和1965年提出第二信使学说是人们认识信号转导的一个里程碑。1977年，Gilman（1994年诺贝尔生理学或医学奖获得者）等发现了G蛋白，深化了对G蛋白介导信号转导的认识。之后，癌基因和抑癌基因的发现、酪氨酸激酶的发现及对其结构和功能的深入研究、各种受体蛋白基因的克隆及对受体蛋白结构和功能的揭示等，使信号转导机制的研究得到进一步发展。

综上所述，分子生物学是过去半个多世纪中生命科学领域发展最快的一个前沿学科，推动着整个生命科学的发展。

二、分子生物学的主要研究内容

化学家和物理学家对生物大分子组成和结构，特别是对核酸构象和蛋白质构象的研究，奠定了分子生物学的物质基础；而遗传学家和生物化学家对生物大分子功能和作用机制的研究，确立了以中心法则为核心的遗传信息传递理论。分子生物学的诞生是多学科研究相互融合的结果。

（一）核酸的分子生物学

核酸的分子生物学研究核酸的结构和功能，其研究内容包括核酸和基因组的结构，基因的鉴定，遗传信息的复制、转录和翻译，基因表达的调控，基因改造及基因工程相关技术的发展和应用等。中心法则是核酸分子生物学理论体系的核心。基因组学的建立和发展使核酸的分子生物学成为生命科学的领头学科。

（二）蛋白质的分子生物学

蛋白质的分子生物学研究执行各种生命活动的主要大分子——蛋白质的结构和功能。核酸的功能往往要通过蛋白质的作用来实现。因此，两类大分子的代谢与生命活动密切相关。人类研究蛋白质的历史比研究核酸的历史长，但是与核酸分子生物学相比，蛋白质分子生物学的发展较慢，因为蛋白质的研究难度更大。蛋白质组学的建立将从根本上推动蛋白质分子生物学的发展。

（三）信号转导的分子生物学

信号转导的分子生物学研究细胞之间信号传递、细胞内部信号转导的分子基础。细胞的增殖、分化及其他活动均依赖各种环境信号。这些信号直接或间接刺激细胞，使其作出反应，表现为一系列生物化学变化，例如蛋白质构象的改变、蛋白质相互作用的改变等，以适应环境。信号转导研究的目标是阐明这些变化的分子机制，阐明各种信号转导分子及信号通路的效应和调节方式，认识由众多信号通路形成的信号网络。信号转导的研究在理论和技术方面与核酸的分子生物学、蛋白质的分子生物学联系密切，是分子生物学目前发展最快的领域之一。

三、分子生物学与其他学科及医学的关系

分子生物学是由生物化学、生物物理学、遗传学、微生物学、细胞生物学和信息科学等学科相互渗透、综合融汇而建立和发展起来的，已经形成独特的理论体系和研究手段。

（一）分子生物学与其他学科及医学相辅相成

分子生物学与生物化学的关系最为密切，但研究侧重点不同。生物化学通过研究生物体的化学组成、代谢、营养、酶功能、遗传信息传递、生物膜、细胞结构及分子病等阐明生命现象；分子生物学则着重阐明生命的本质，主要研究核酸和蛋白质等生物大分子的结构和功能、生命信息的传递和调控。

分子生物学与细胞生物学的关系也十分密切。传统的细胞生物学主要研究细胞及细胞器的形态、结构和功能。细胞作为生命的基本单位是由众多分子组成的复杂体系，在光学显微镜和电子显微镜下见到的结构是各种分子的有序集合体。阐明细胞成分的分子结构可以让我们更深入地认识细胞的结构和功能，因而现代细胞生物学的发展越来越多地应用分子生物学的理论和技术。分子生物学则从生物大分子的结构入手，研究生物分子之间的高层次联系和作用，特别是细胞整体代谢的分子机制。

分子生物学研究生命的本质，因而广泛地融合到医学领域中，成为重要的医学基础。分子生物学与微生物学、免疫学、病理学、药理学以及临床学科广泛交叉和渗透，形成了一些交叉学科，如分子病毒学、分子免疫学、分子病理学和分子药理学等，极大地推动着医学的发展。

（二）分子生物学促进中医药研究

近年来，中医药研究在继承的基础上借鉴现代科学特别是分子生物学技术，拓宽研究思路，为中医药现代化开辟了一个新的研究领域。

1.分子生物学在中医基础理论研究中的应用　中医基础理论研究是中医药现代化研究的基石。一个时期以来，虽然在某些方面取得了一些进展，但就本质而言，依旧没有重大突破。在新的形势下，研究人员将分子生物学技术与中医基础理论相结合，探索从微观角度阐明中医基础理论如藏象和证候的实质，为进一步研究提供理论基础。在证候的理论研究方面，研究人员还提出通过对足够数量的同一疾病证候患者的基因表达进行分析，建立辨证要素的基因表达谱数据库，再相互组合，建立证型的基因表达谱数据库，作为客观且规范的辨证标准，开展证候与易感基因相关性的研究，探索证候相关的易感基因型及其表达，寻找证候易感性差异的遗传学基础，从遗传多态性方面为证候学研究提供基因组依据。

2.分子生物学在中药研究中的应用　中药是中医学的组成部分，其保健作用和治疗作用已经为几千年的生活实践所证实。不过，中药至今仍未在国际上得到广泛认知，大多数中药还不能作为药品进入国际市场。影响中药产业现代化和国际化的重要原因是大多数中药的有效成分还不明确。此外，还有药品质量控制不够标准、疗效评价不够规范、药理和毒理作用不够明确等问题有待解决。分子生物学技术应用于中药研究领域，不仅可以深化中药理论、提高中药疗效、减少中药副作用，而且有利于中药与现代医药接轨。运用分子生物学研究中药主要有以下几方面。

（1）中药材的鉴定　为了保证中药的疗效，首先要控制中药材的质量。目前应用于中药材鉴定的分子生物学技术有电泳技术、免疫技术和DNA多态性分析等。

（2）药用植物资源的研究和优质药材的培育　运用分子生物学技术进行分子亲缘研究，广泛收集并保护药用植物种质资源，可以筛选优质药用植物，防止现有品种退化；可以改良传统药用植物的遗传性状，提高其有效成分含量；还可以保护和繁殖濒危动植物药材，大量生产高品质道地药材，在传统药材的生产和加工过程中发挥作用。

（3）中药有效成分的转化增量　中药有效成分（如生物碱、皂苷、糖苷、黄酮、挥发油等）大部分为次生代谢产物。应用基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程等技术可以大量获取这些原本含量很低的次生代谢产物。

（4）中药分子药理学的研究　近年来，随着分子生物学和现代药理学研究方法的结合，中药分子药理学已现雏形。在分子水平和基因水平上研究中药有效成分的作用机制，阐明中药药性理论，建立中药活性检测系统，或以受体和基因为靶点开发新药甚至开展基因治疗，将成为分子药理学的重要内容。中药作用的受体机制和受体的药理学特性、中药对基因表达的调控、基因水平的药物筛选、药物代谢酶及其基因的鉴定、中药诱发基因突变的分析等，将成为中药分子药理学研究中既有挑战性又有前景的新领域。

目前，中医药尚处于传统医学和现代医学的交会点。在传统医学这一层次上，中医药已经进入了后科学时期。中医药走向世界，一方面要通过更广泛的医疗实践来丰富中医药，另一方面要汇集全人类的智慧，结合现代医学成果来发展中医药，而分子生物学技术等现代科学技术将是完成这一使命的重要工具。