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植物分子生物学的发展历程

作者:生命科学事业部时间:2019-11-19 08:32:30浏览113 次

信息摘要:

从分子水平研究生物大分子的结构与功能从而阐明生命现象本质的科学。自20世纪50年代以来,分子生物学是生物学的前沿与生长点,其主要研究领域包括蛋白质体系、蛋白质-核酸体系 (中心是分子遗传学)和蛋白质-脂质体系(即生物膜)。1953年沃森、克里克提出DNA分子的双螺旋结构模型是分子生物学诞生的标志。

遗传学、基因组学和植物分子生物学,是如何发展至今的?

一、列文虎克、施莱登与孟德尔
遗传的故事都要从孟德尔开始讲起!
四五百年来,植物的整理和探索。明清时代,李时珍撰写《本草纲目》收录药物1892种、瑞典林奈撰写《自然系统》,创立纲目科属种的分析系统。技术方面,英国罗伯特胡克制成显微镜,撰写《显微术》,并命名了次观察到木塞细胞(死细胞)。胡克的研究主要集中在力学和光学方面,与牛顿是同时代的人。荷兰的眼镜工匠师列文虎克磨制出凸透镜适当的配合起来,竟可以将物体放大200~300倍。1674年,列文虎克发明了世界上台光学显微镜,很快利用这台显微镜观察到了血红细胞(活细胞),证明毛细血管层的存在,描述了昆虫、狗和人的精细胞。他也是个用显微镜看到细菌和原生动物的人。除了上述,描述生物学理论和技术的发展;与此同时,比利时医学与化学家海尔蒙特,与伽利略同时代,继承伽利略等人的思想,做了柳树实验,开启植物光合作用的实验生物学研究。

系统分类、光学显微镜、细胞、微生物、植物光合作用等词由此而生。
时间跨过1800年,德国植物学家施莱登,与达尔文同时代,受到做植物生理学研究叔父的影响,投入并继续使用显微镜和各种实验技术,开始植物胚胎学方面的深入研究。这对施莱登一生的科学活动起了决定性影响。施莱登根据他多年在显微镜下观察植物组织结构的结果,认为在任何植物体中,细胞是结构的基本成分;低等植物由单个细胞构成,高等植物则由许多细胞组成。发表论文《论开花植物胚株的发育史》首篇论文,《植物发生论》研究了植物细胞的形成,在这个基础上,施莱登提出了植物细胞学说。又撰写《植物学概论》、《植物及其生活》等书籍。与此同时,英国达尔文完成环球航行,撰写了《物种起源》一书,提出生物进化学说,书中达尔文提到了遗传原材料是变异。并记录了在航行船上观察到的植物向光生长现象,撰写《植物的运动力》。

细胞、植物学、植物发生、细胞发生、遗传、变异、植物向光性等词由此而生。

时间进入1865年孟德尔的时代,奥地利遗传学家孟德尔,与达尔文同时代,受到园艺家庭背景的影响,进入维也纳大学深造,受到相当系统和严格的科学教育和训练。孟德尔受到德国统计学家恩格尔(同时是细胞理论的推动者)的影响,与自己长期思索,认识到理解那些使遗传性状代代恒定的机制更为重要。1856年,从维也纳大学回到修道院不久,孟德尔就开始了长达8年的豌豆实验。孟德尔使用统计学理论、豌豆人工培植技术和大量的实验,发现了生物遗传的基本规律,并得到了相应的数学关系式。人们分别称他的发现为“孟德尔定律”(即孟德尔遗传分离规律)和“孟德尔第二定律”(即基因自由组合规律),它们揭示了生物遗传奥秘的基本规律。

遗传、遗传学、性状、表型、遗传因子等词由此而生。

Mendels-Experiment.jpg

二、萨顿与摩尔根
直到1900年孟德尔逝世16年后,他的遗传学说才又被人们重新发现。3:1的性状分离比的遗传现象引起了的注意,但是更好的解释还是孟德尔遗传定律。美国遗传学家沃尔特萨顿,在导师威尔逊已经提出“每一个生命科学问题的答案都必须在细胞中寻找”的论断后,率先在1902年观察发现细胞中存在成对的染色体成,指出染色体就是孟德尔在其工作中假设的遗传因子(孟德尔的工作被重新发现才两年)。1903年,他在另一篇论文中坚持认为:染色体带有基因;每个性细胞只具有一对染色体,具有哪是一对是随机决定的。并将遗传因子改名为基因。

接着是时间进入摩尔根的时代,美国遗传学家摩尔根,由于长期研究果蝇对孟德尔遗传定律存有质疑。他认为这些定律可能只适合于豌豆而不适用于其他生物。摩尔根着手建立了果蝇实验系统,研究果蝇的性状到底是怎样遗传的。当子二代红、白果蝇的比例正好是3:1时,摩尔根对孟德尔更加佩服了。摩尔根确信,染色体就是基因的载体!摩尔根还推算出了各种基因的染色体上的位置,绘制果蝇的4对染色体上的基因所排列的位置图,基因学说从此诞生。1926年撰写了《基因论》,对基因这一遗传学基本概念进行了具体而明确的描述。

摩尔根进一步提出,染色体上基因存在连锁群现象,但并不像铁链一样牢靠,有时染色体也会发生断裂,与另一条染色体互换部分基因。基因在染色体上的位置距离越远,它们之间出现染色体交换基因的频率就越大。摩尔根在《科学》杂志上发表一篇阐述连锁与互换定律的理论文章,“连锁与互换定律”是摩尔根在遗传学领域的一大贡献,它和孟德尔的分离定律、自由组合定律一道,被称为遗传学三大定律。

染色体、遗传学、连锁互换、基因突变重组、遗传连锁图、物理图谱等词由此出现。

摩尔根的果蝇染色体基因交换

三、德尔布吕克、鲍林、沃森与克里克
1928年,英国医生格里菲斯发现并记录了肺炎双球菌遗传转化实验,即可是了遗传转化的研究,也开始了科学界的次大探讨,遗传物质是蛋白质还是DNA?加拿大化学家艾弗里率先纯化核酸,并验证DNA是遗传物质,而不是蛋白质。德国物理学家德尔布吕克(与李比希是亲戚)采用最简单的生物来探讨“基因的化学本质是什么”的问题。德尔布吕克与摩尔根关系甚密,但是研究的果蝇使他感到一筹莫展,因为他认为果蝇过于复杂而不适应于物理学家惯有的简单性思维。德尔布吕克选择噬菌体作为自己做研究的材料,很快和赫尔希、卢利亚、蔡斯等发现噬菌体以DNA核酸的方式,遗传转化侵染了大肠杆菌,证明DNA是遗传物质。

噬菌体、大肠杆菌、模式生物等词由此出现。
美国化学家鲍林,鲍林在学习了量子力学后,率先将量子力学应用于化学键的研究中,得出关于有机化合物分子结构的“共振论”,并且成功解析蛋白质的a螺旋结构模型。1951年鲍林结合他在血红蛋白进行的实验研究,以及对肽链和肽平面化学结构的理论研究,提出了α螺旋和β折叠是蛋白质二级结构的基本构建单元的理论。同时鲍林也是首先想到x-射线衍射晶体结构测试法,引入到蛋白质结构测定的人,并且推导了衍射图谱计算蛋白质中原子坐标的公式。鲍林进一步有投入到DNA分子结构解析的工作上来。

英国卡文迪许(研究空气和引力常数,与牛顿同时代)实验室的结构生物学派的威尔金斯和富兰克林,在布拉格父子使用X射线研究晶体结构工作的基础上,研究了手关于DNA分子结构的图样。英国物理家克里克和年轻的美国生物学者沃森,基于合理的猜想和生物学知识,于1953年率先解析DNA分子的双螺旋结构。终于将基因研究推向分子水平,推动了分子生物学的诞生。DNA双螺旋结构的发现,进一步促进了DNA半保留复制方式的发现和遗传密码的研究工作。1961年,遗传密码的破译使得中心法则趋于完善。留下了更多的问题是,基因组序列的破译工作。

结构生物学、分子生物学等词由此出现。

四、雅各布、莫诺德、莱夫科维茨与克比尔卡
1961年,雅各布和莫诺德提出的乳糖操纵子学说,详细研究了大肠杆菌分解乳糖的操纵子模型。发现基因表达调控的阻遏机制和模型。提示,基因通常是在阻遏条件下表达的,基因的表达被阻遏蛋白阻遏。在外界信号改变时,信号刺激蛋白质活性的改变进而调剂基因的表达。

莱夫科维次与科比尔卡,1968年,利用放射学方法追踪细胞受体变化。与科比可卡揭示了G蛋白偶联受体,这一大类受体的工作模式。蛋白质相互作用的和受体的寻找等分子水平的工作也慢慢开始。1978年,下村修和约翰森在深海水母中发下GFP荧光蛋白,有力的推进了生命科学行业的发展。

受体、信号通路、蛋白质相互作用、激酶、转录因子、阻遏蛋白、正负调控等词由此出现。

五、史密斯、伯格、菲尔与海洛
1972年,史密斯和伯格等率先使用限制性核酸内切酶和DNA连接酶,实现了对DNA的人工操作和转基因操作。他们利用转基因技术所注册的生物技术公司,生产了市场上各种蛋白类药物,如胰岛素和人类生长激素等,市值达到3000亿元。1992年,菲儿和海洛在微生物中发现以RNA干扰的方式控制基因信息流动的机制,进而促进了RNAi基因沉默编辑技术的发展。2013年,刘大卫和张峰等人在微生物中发现以CRSPR/Cas9的方式控制基因信息流动的机制,直接促进了基因编辑技术的发展。

转基因技术、基因工程、基因编辑技术等词由此出现。

CRSPR/Cas9基因编辑技术

六、Holliday、Fischer和Krebs
1987年,Holliday提出表观遗传概念,认为DNA甲基化修饰水平的改变,可以引起基因表达活性的改变。Fischer和Krebs对蛋白质可逆磷酸化调节糖代谢过程的研究揭开了蛋白在表观修饰的研究。现代表观遗传学认为,在基因的DNA序列不发生改变的情况下,基因的表达水平与功能发生改变,可以产生可以遗传的表型。主要的表观遗传标记存在于染色体的不同水平,包括DNA和组蛋白修饰、组蛋白多样性、直接结合与DNA或组蛋白上的染色体上的非组蛋白修饰等。

表观遗传学、甲基化、磷酸化、乙酰化等词由此出现。

七、Sanger、穆利斯和田中耕一
桑格在完成蛋白质测序任务后,1975年又开发了双脱氧核苷酸末端终止测序法漂亮的完成了DNA测序任务。并测完了噬菌体的基因组。随后各种基因组计划开始了,直到2003年人类基因组也顺利测完,这意味着,测序工作进入高速发展阶段,更加趋向于变成一种试用的工具。1983年,穆利斯发现了DNA的体外扩增技术PCR,使得基因操作变得更加便捷,分子生物的工具更加丰富和高效了,极大地推动全基因组测序工作的进展。与此同时,日本岛津仪器公司研发工程师田中耕一,在使用质谱仪解析生物大分子结构的技术改进工作中发挥了突出的贡献。终于使得蛋白质组学研究,成为可能。

基因组、转录组、测序、蛋白质组、代谢组、单细胞测序等词由此出现。

 


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