分子生物学导论

相信点进来的小伙伴都是未来生命科学界的准泰斗了，这里我想先跟大家玩儿一个脑筋急转弯儿，3秒内答不出来的出去罚站，想到答案的，就在弹幕里扣出你的答案吧。

准备好了吗？

问：僵尸攻入了一个住满科学家的村子，不一会儿就被团灭了，为什么？来，抠出你的答案

答案就是。。。（接，植物大战僵尸中，豌豆大战僵尸的名场面动画）

因为村子里啊，住着孟德尔。他种的豌豆，把僵尸们都给打死了。

好了，你，还知道多少生命科学人才能秒懂的冷笑话或脑筋急转玩儿呢？评论区里来逗一逗大家玩儿吧！

言归正传，让我们开始今天的主题内容，跟大家一起来回顾一下，我们分子生物学的发展史。

一、分子生物学的概念

首先问大家一个问题：生命是什么？这个问题是我们医学和生命科学永恒的话题。如果我们去看Science和Nature这两个研究自然科学的顶级杂志上所发表的论文，就会发现大约有四分之三的内容都是在研究生命的本质问题，由此可见，“生命的本质到底是什么？”是人类科学研究的重点。

现代生物学认为，生命，是一个过程。具体来说，生命是生物体所表现出来的自身繁殖、生长发育、新陈代谢、遗传变异以及对刺激产生反应等的复合现象，其中任何单一的现象都不是生物所特有的。生命科学的发展，经历了从生物的表型，到基因型、从整体水平，到细胞水平，再到分子水平的漫长发展历程。

图一描述了生命科学的发展历程。早期生物学研究主要集中在生物的表型特征上，即生物体可以观察到的外部形态和特性。随着生命科学的发展，科学家们逐渐认识到细胞是生物体的基本结构和功能单位，这一发现使得生命科学的研究深入到了细胞水平，通过细胞生物学的研究，我们可以了解到细胞的结构、功能、分裂、分化和凋亡等生命活动的基本过程。细胞水平的研究不仅为我们揭示了生物体内部复杂而精细的结构，还为我们理解生命的本质提供了重要的线索。

然而，随着遗传学的发展，科学家们开始认识到，生物体的遗传信息（即基因型）对其表型有着决定性的影响，这一转变标志着生命科学从描述性向解释性、从现象到本质的重大跨越。通过基因型研究，我们能够更好地理解生物的遗传规律、变异机制和进化过程。

进几十年来，随着科技的进步，只停留在表型、细胞、基因型上的研究无法从根本上解决困扰我们的生命科学难题，因此诞生了，分子生物学。而伴随着分子生物学技术的飞速发展，生命科学的研究进一步深入到了分子水平。在分子水平上，科学家们可以研究生物大分子（如DNA、RNA和蛋白质）的结构、功能和相互作用等生命活动的基本机制。分子生物学的研究成果最终使得我们的生命体在分子层面、细胞层面以及整体水平上的研究，得到了和谐与统一。

图一、生命科学从整体水平发展到分子水平示意图

所以说，人们对生命本质的探索，经历了从整体到局部、从宏观到微观，从表型到机制的探索历程。

二、分子生物学的发展进程

那么有小伙伴不禁要问，如此重要的分子生物学是如何一步步发展起来的呢？

其实，分子生物学的研究最早可追溯到1859年，这一年查尔斯·罗伯特·达尔文（Charles Robert Darwin）出版了《物种起源》，在该书中，查尔斯·罗伯特·达尔文（Charles Robert Darwin）根据20多年积累的对古生物学、生物地理学、形态学、胚胎学和分类学等许多领域的大量研究资料，以自然选择为中心，从变异性、遗传性、人工选择、生存竞争和适应，等方面论证物种起源和生命自然界的多样性与统一性。

1865年，格雷戈尔·孟德尔（Gregor Johann Mendel）发现遗传因子，并建立孟德尔遗传定律。孟德尔遗传定律的建立为分子生物学提供了理论基础和研究方向。但，这些规律在当时并没有得到重视。他，也是我们视频开头脑经急转弯儿的灵感来源。

1869年，乔治·卡特利特·马歇尔（George Catlett Marshall）通过脓细胞提取到一种富含磷元素的酸性化合物，因存在于细胞核中，而把它命名为核素，这里的核素就是我们现在通常所说的核酸，而核酸这一名詞是在马歇尔发现核素20年以后才被正式起用，在接下来几十年的研究中，人们一直忽略了核酸在生命体中的功能研究。

1900年，来自3个不同国家的植物学家，几乎同时发现了格雷戈尔·孟德尔（Gregor Johann Mendel）的遗传规律，他们查阅到了被淹没在图书馆文献中达35年之久的《植物杂交的实验》原文，并把它重新公之于世。从此，格雷戈尔·孟德尔（Gregor Johann Mendel）的发现得到了高度评价并被广泛认知。

1902年，美国的生物学家沃尔特·萨顿（Walter Sutton）和德国的细胞学家博韦里（Theodor Boveri）提出染色体理论，后托马斯·亨特·摩尔根（Thomas Hunt Morgan）在1910年提出基因就是位于染色体上的一个重要组成元件（也就是，基因位于染色体上）。并在1913年，他发现基因在染色体上呈现线性排列。

在1927年的时候，赫尔曼·约瑟夫·穆勒（Hermann Joseph Muller）通过X射线突变研究了基因内的物理变化。

时间来到1944年，来自英国的生物学家弗雷德里克·格里菲斯（Frederick Griffith）通过肺炎双球菌实验证明DNA就是遗传物质，从此核酸是遗传物质的重要地位才被确立，人们把对遗传物质的注意力从蛋白质转移到了核酸上。

在1953年，由詹姆斯·杜威·沃森（James Dewey Watson）和弗朗西斯·哈利·康普顿·克里克（Francis Harry Compton Crick）通过它的相关的X射线衍射图来得出数据证明了DNA为双螺旋结构，并暗示DNA的复制方式。

而后，西尔逊（Meselson）和斯塔尔（Stahl）在1958年证明DNA的复制方式为半保留复制，并明确半保留复制是遗传信息能够准确传递的保证。同年弗朗西斯·哈利·克里克（Francis Harry Compton Crick）根据上述研究归纳总结出来了基因信息传递的重要法则-中心法则，确立了DNA这段一种重要的核酸物质，在基因信息传递过程中处于中心位置。

1961年悉尼·布伦纳（Sydney Brenner）、弗朗索瓦·雅各布（François Jacob）、马修·梅塞尔森（Matthew Stanley Meselson）发现信使 RNA ，并指出mRNA是由 DNA 的一条链作为模板转录而来的、携带遗传信息能指导蛋白质合成的一类单链核糖核酸。1961年，在加州理工学院的一个实验室，以悉尼·布伦纳（Sydney Brenner）为首的九名科学家首次成功提取到mRNA。

4年后，也就是1966年，马歇尔·沃伦·尼伦伯格（Marshall Warren Nirenberg）发现了遗传密码子的相关信息。通过这样以上的几项研究，科学家们终于将核酸与蛋白质两种重要的生物大分子紧密的联系在一起了。

上述的研究史发现了基因和基因的本质，并阐明了遗传信息的传递过程。而对于基因改造的研究，则是在近几十年里才发展起来的。

1967年保罗·伯格（Paul Berg）首次发现了在细胞内部能可以将DNA连接到一起的DNA连接酶，1970年汉弥尔顿·奥塞内尔·史密斯（Hamilton Othanel Smith)又发现了限制性内切酶，然后保罗·伯格（Paul Berg）在1973年建立了DNA重组技术，并获得了第一个体外重组的DNA。

随后，1975年戴维·巴尔的摩（David Baltimore）发现了逆转录酶，1981年，威廉·吉尔伯特（William Gilbert）和弗雷德里克·桑格（Frederick Sanger）又建立了DNA测序方法。直到1985年，凯利·穆利斯（Kary Banks Mullis）发现了分子生物学最重要的一个技术-PCR技术，为我们接下来基因组的进一步的研究提供了可能，到此中心法则的内容变得更加完整。

说到这里呀，有多少小伙伴还记得PCR技术的三板斧：高温变性、低温退货、适温延伸。现在我们做PCR，只需要将Mix、引物和模版按一定比例混合并放置到PCR仪里，设定好程序就可以进行扩增反应了，不可谓不方便。但是Up主年轻时候的导师啊，他们那一代的人做PCR，可是用一边用水浴锅控温、一边用闹钟计时的呢。

跑完题后，我们再跑回来。在1975年之后，发展出了基因组学研究，其中最最重要的就是1990年美国首先启动的人类基因组计划。伴随着这个计划的提出，1994年中国人类基因组计划也正式启动，成为世界人类基因组计划的一个组成部分。在此之后，利用DNA重组技术，在1997年得到了第一只克隆羊多莉。2001年，美英等国家又完成了人类基因组计划的基本框架。在2003年，人类基因组序列图基本绘制完成。2010年5月，由美国人克莱格·文特尔（John Craig Venter）宣布世界首个人造生命在美国诞生，标志着基因研究从改造进入了创造阶段。2012年，基于CRISPR-Cas9系统的基因编辑技术出现，这是一种能够高效、精确、快速地对基因进行替换、修正、删除的革命性技术。2019年，人造新冠（不是），美国新冠（不是），美国人造新冠，哔——————，病毒的出现，标志着人类基因工程产物，大规模人群试验开启的新纪元。

由此可见，每隔5-10年，人类历史上就有分子生物学领域重大的突破性成果出现。我们，一起期待未来几十年内的人类群星闪耀之时。

图二、分子生物学发展简史

分子生物学经历了漫长的发展历程，其中，有几个事件尤其重要。

①　格雷戈尔·孟德尔（Gregor Johann Mendel）首先提出遗传因子的概念：为什么说这个事件在生物学的发展史上是非常重要的呢？因为在生物学研究历史中，格雷戈尔·孟德尔（Gregor Johann Mendel）是第一个将有机体遗传性状视为组成活体生命的部分实体的人，他指出它们可以在活体生命之间互相单独传递。换句话说，他在人类历史上，率先将活体生命当作一种具有独立遗传性状的、稳定的、能延续千万年的、精雕细刻的“艺术品”。在格雷戈尔·孟德尔（Gregor Johann Mendel）之前，关于遗传现象的解释主要流行达尔文提出的融合学说，即将遗传现象解释为母方卵细胞与父方精子中存在的“某种液体”混合，是孩子继承父母两方特征的原因。然而，格雷戈尔·孟德尔（Gregor Johann Mendel）对这种解释持怀疑态度，并决定通过实验来探究遗传的真相。孟德尔所在的修道院的后院中有一块长35公尺，宽7公尺的空地，孟德尔就在这块空地上种了许多豌豆，这一种就是两年，他用了两年的时间，从34种不同类型的豌豆中找到了14种明显的性状，组成了7对参照物进行进一步研究。分别是豆粒饱满和褶皱、豆粒黄色和绿色、花瓣白色和紫色、豆荚饱满和褶皱、豆荚黄色和绿色、花开的高与低、植株的高与低这七对不同的性状。格雷戈尔·孟德尔（Gregor Johann Mendel）通过豌豆杂交实验统计和分析后代的表现型比例，揭示了生物体遗传给后代的基本规律，即遗传信息的传递方式和遗传因子的组合方式：基因的分离定律和自由组合定律。基因的分离定律是指：杂合体中决定某一性状的成对遗传因子，在减数分裂过程中，彼此分离，互不干扰，使得配子中只具有成对遗传因子中的一个，从而产生数目相等的、两种类型的配子，且独立地遗传给后代。基因的自由组合定律是指：具有两对（或更多对）相对性状的亲本进行杂交，在F1产生配子时，在等位基因分离的同时，非同源染色体上的非等位基因表现为自由组合，这就是自由组合规律的实质。也就是说，一对等位基因与另一对等位基因的分离与组合互不干扰，各自独立地分配到配子中，这也之前的融合学说完全相悖。

然而，在格雷戈尔·孟德尔（Gregor Johann Mendel）生前，他的发现并没有得到充分的重视和认可。直到20世纪初，随着遗传学研究的深入和发展，孟德尔遗传定律才逐渐被科学界所接受和推崇。如今，孟德尔遗传定律已成为遗传学领域不可或缺的基础知识之一。

图三、孟德尔遗传定律

DNA是遗传因子：1928年弗雷德里克·格里菲斯（Frederick Griffith）以肺炎链球菌的转化实验奠定了DNA是遗传物质的基础。20世纪初，当时科学界普遍认为蛋白质是生物体的遗传物质，因为蛋白质由多种氨基酸连接而成，且氨基酸的排列顺序可能蕴含着遗传信息。英国科学家弗雷德里克·格里菲斯（Frederick Griffith）进行了著名的肺炎双球菌转化实验。这个实验大家在初高中生物课上一定都学习过。如图所示。弗雷德里克·格里菲斯（Frederick Griffith）用肺炎双球菌在小鼠身上进行了转化实验，实验中，格里菲斯将S型菌的提取物与R型菌混合后注射给小鼠，结果小鼠死亡，并从其体内分离出了S型菌。这表明R型菌在某种因子的作用下转化为了S型菌，同时说明S型菌（光滑型，有毒性）中存在某种“转化因子”，这种转化因子能够将R型菌（粗糙型，无毒性）转化为S型菌，但这种转化因子到底是什么还未可知。因此，在1944年奥斯瓦尔德·西奥多·埃弗里（Oswald Theodore Avery）、约翰·詹姆士·理察·麦克劳德（John James Richard Macleod）和麦克林·麦卡蒂（Maclyn McCarty）采用与弗雷德里克·格里菲斯（Frederick Griffith）相似的转化实验

①　证明了来自毒性细胞的转化物质的化学本质。即分别用蛋白质酶、DNA酶、RNA酶降解对应的组分，发现只有DNA酶破坏了提取物的转化能力，这些结果提示了DNA就是转化物质及遗传因子。

图四、肺炎双球菌转化实验

为了进一步证明上述的实验结论，1952年艾尔弗雷德·赫尔希（Alfred Day Hershey）和玛莎·蔡斯（Martha Cowles Chase）进行了进一步的实验。该实验涉及大肠杆菌T2细菌噬菌体，采用放射性同位素磷-32标记DNA，硫-35标记蛋白质，因为DNA富含磷而噬菌体蛋白含硫不含磷，最后噬菌体会吸附到细菌上，并将DNA注入细胞内。实验发现，只有标记了DNA的噬菌体能够将其遗传信息传递给子代噬菌体，而标记了蛋白质的噬菌体则不能。这一结果进一步证实了DNA是遗传物质。

图五、T2噬菌体侵染细菌

②　DNA双螺旋结构的发现：上面的研究证实了DNA是遗传物质，DNA因此也成为生命研究的最核心位置，但DNA的三维结构还未知，当时有许多研究者致力于揭示该结构。现在我们知道DNA是双螺旋结构，但其实其中的探索历程也是非常曲折的，我们一起来看看双螺旋结构是如何被发现的？有4位科学家在该结构的发现过程做出了巨大贡献。首先是奥地利生物化学家埃尔文·查戈夫（Erwin Chargaff），他发现嘌呤的含量总是大体与嘧啶含量相等，该规则为双螺旋结构的发现奠定基础。随后英国女科学家罗莎琳德·埃尔西·富兰克林（Rosalind Elsie Franklin）拍摄了一张DNA的X射线衍射照片，该衍射图非常简单，只是一系列的点排列成X形状，表明DNA结构本身也一定非常简单。但DNA分子非常大，因此只有具备规则、重复的结构，才有可能有简单的X射线衍射照片，对于DNA分子这一种细长分子而言，最简单重复形状就是像瓶塞钻一样的螺旋结构或螺旋，因此沃森（James Dewey Watson）和克里克（Francis Harry Compton Crick）大胆推测：DNA分子是双螺旋结构。但该衍射图也存在一个令人疑惑的点：假设DNA是规则的、有重复结构的螺旋，而它要行使其遗传功能，就应该是不规则的碱基顺序。那这种现象又怎么解释呢？这时詹姆斯·杜威·沃森（James Dewey Watson） (22岁获得博士学位）和弗朗西斯·哈利·康普顿·克里克（Francis Harry Compton Crick）提出：DNA分子是双螺旋结构，糖-磷酸骨架在外面，碱基在里面。碱基是配对的，一条链上的嘌呤总是与另一条链上的嘧啶匹配。这样既解决了上述的矛盾，又同时满足Chargaff规则。至此，DNA双螺旋结构被提出，相关研究成果发布在Nature杂志上，同时在这篇论文中两位科学家也暗示了DNA的复制机制。

图六、DNA双螺旋结构的发现

（这里有个小故事：双螺旋结构能够建立最关键的一步是女科学家罗莎琳德·埃尔西·富兰克林（Rosalind Elsie Franklin）拍到的DNA X射线衍射图，这个图为DNA双螺旋结构的发现奠定了重要基础，沃森（James Dewey Watson）和克里克（Francis Harry Compton Crick）就是在看到这张图之后才提出并建立了这个模型。当时的社会环境对于对女科学家的歧视处处存在，富兰克林（Rosalind Elsie Franklin）跟实验室同事莫里斯·休·弗雷德里克·威尔金斯(Maurice Hugh Frederick Wilkins)关系不好，这个同事在未经富兰克林的同意私自把这张图拿给了沃森（James Dewey Watson）和克里克（Francis Harry Compton Crick）看，并将相关研究结果发表在Nature上，这篇文章只有短短的900字，堪称史上最短的nature论文，该论文中提及他们是受到莫里斯·休·弗雷德里克·威尔金斯(Maurice Hugh Frederick Wilkins)与罗莎琳德·埃尔西·富兰克林（Rosalind Elsie Franklin）等人的启发，但并未详细说明，也没有致谢。詹姆斯·杜威·沃森（James Dewey Watson）、弗朗西斯·哈利·康普顿·克里克（Francis Harry Compton Crick）和莫里斯·休·弗雷德里克·威尔金斯(Maurice Hugh Frederick Wilkins)获也因此获得了诺贝尔奖，但是遗憾的是，当1962年詹姆斯·杜威·沃森（James Dewey Watson）、弗朗西斯·哈利·康普顿·克里克（Francis Harry Compton Crick）和莫里斯·休·弗雷德里克·威尔金斯(Maurice Hugh Frederick Wilkins)获得诺贝尔生理学或医学奖的时候，罗莎琳德·埃尔西·富兰克林（Rosalind Elsie Franklin）已经在4年前因为卵巢癌而去世，患癌的原因可能与她研究的X射线有关。

而按照惯例，诺贝尔奖不授予已经去世的人，且同一奖项至多只能由3个人分享，如果当时罗莎琳德·埃尔西·富兰克林（Rosalind Elsie Franklin）在世，她，会共享诺贝尔奖吗？这里也引申出一个话题：性别的差异是否是科学家们公平竞争的障碍？觉得是的小伙伴啊在弹幕里扣1，觉得不是的小伙伴，扣2。

③　中心法则的提出：1957年，弗朗西斯·哈利·康普顿·克里克（Francis Harry Compton Crick）最初提出的中心法则是：DNA→RNA→蛋白质，它说明遗传信息在不同的大分子之间的转移都是单向的，不可逆的，只能从DNA到RNA（转录），从RNA到蛋白质（翻译）。这两种形式的信息转移在所有生物的细胞中都得到了证实。然而，随着科学研究的深入，菲利普·霍利格尔（Philipp Holliger）在某种RNA病毒里发现了一种RNA复制酶，从而知道了某些RNA也能复制。1970年，霍华德·马丁·特明 (Howard Martin Temin）和戴维·巴尔的摩（David Baltimore）在一些RNA致癌病毒中发现它们在宿主细胞中的复制过程是先以病毒的RNA分子为模板合成一个DNA分子，再以DNA分子为模板合成新的病毒RNA。前一个步骤被称为反向转录，是中心法则提出后的新发现。因此，弗朗西斯·哈利·康普顿·克里克（Francis Harry Compton Crick）在1970年重申了中心法则的重要性，并提出了更为完整的图解形式，也就是今天看到的形式。中心法则的提出和发展，为我们理解遗传信息的传递和表达提供了重要的理论框架。

④　遗传密码子的破译：在遗传密码破译的早期阶段，科学家们很早就知道DNA是由多种化学物质组成的，但对这些化学物质的具体种类和性质并不完全了解。随着科学研究的深入，人们逐渐认识到DNA分子中的这些化学物质实际上是四种不同的核苷酸，它们以特定的顺序排列，构成了DNA的遗传信息。这个发现对于理解基因和遗传密码的工作具有重要意义。在这之后科学家们发现蛋白质的翻译过程这个过程涉及到一种叫做密码子的三个核苷酸序列，每个密码子对应着一个氨基酸，这些氨基酸连接在一起形成蛋白质。通过进一步的研究，马歇尔·沃伦·尼伦伯格（Marshall Warren Nirenberg）等人成功地解读DNA信息传递到蛋白质的细节，他们发现，一共有64种可能的密码子，其中三个密码子作为停止信号，表示蛋白质合成的终止，剩下的61个密码子对应着不同的氨基酸，且密码子具有以下特点：每个密码子三联体决定一种氨基酸；密码子具有连续性，密码子之间无逗号，两种密码子之间无任何核苷酸或其它成分加以分离；密码子具有方向性；密码子有简并性，一种氨基酸有几个密码子，或者几个密码子代表一种氨基酸；密码子有通用性，即不论是病毒、原核生物还是真核生物密码子的含义都是相同的。遗传密码的破译对于生命科学研究的进展具有重大意义。它揭示了基因和蛋白质之间的密切关系，通过破译遗传密码，可以帮助我们更好地理解基因如何通过蛋白质的合成来驱动生命的各种过程。

图七、遗传密码子

⑤　人类基因组计划：宗旨在于测定组成人类染色体（指单倍体）中所包含的30亿个碱基对组成的核苷酸序列，从而绘制人类基因组图谱，并且辨识其载有的基因及其序列，达到破译人类遗传信息的最终目的，该计划由美国科学家雷纳托·杜尔贝科（Renato Dulbecco）于1985年率先提出，于1990年正式启动，美国、英国、法国、德国、日本和中国科学家共同参与了这一预算达30亿美元的人类基因组计划，中国在1994年也加入到该计划中来。按照这个计划的设想，在2005年，要把人体内约2.5万个基因的密码全部解开，同时绘制出人类基因的图谱，换句话说，就是要揭开组成人体2.5万个基因的30亿个碱基对的秘密。截止到2003年4月14日，人类基因组计划的测序工作已经完成。“人类基因组计划”在研究人类过程中建立起来的策略、思想与技术，同样可以用于研究微生物、植物及其他动物。

⑥　人造生命的诞生：2010年5月20日，在美国的一家私立科研机构克雷格·克莱格·文特尔（John Craig Venter）宣布世界首例人造生命“辛西娅”（Synthia，意为“人造儿”）诞生，标志了基因研究从改造进入创造阶段。这是一种完全由人造基因控制的单细胞细菌，是地球上第一个能自我复制的人造物种，其‘生身父母’是计算机。克莱格·文特尔（John Craig Venter）首先选取了一种名为丝状支原体（Mycoplasma mycoides）的细菌，并将其染色体进行解码。利用化学方法，研究人员一点一点地重新排列DNA，并将人工合成的1078条平均长度为1080bp的DNA片段拼接为支原体全长基因组，然后将重组的DNA片段植入到另一种山羊支原体中，通过生长和分离，受体细菌产生了带有人造DNA的细胞，这些细胞开始自我复制，形成新一代的人造生命体-辛西娅。辛西娅能自我复制，产生的新一代的人造生命。这项里程碑意义的实验表明，新的生命体可以在实验室里“被创造”，而不是一定要通过“进化”来完成。批评者认为，人类无论如何都不可以充当“造物主”，也没有资格像“上帝”或那样创造生命，破坏自然界的平衡；更多人则担心此研究成果会被居心不良者用来合成生化武器，制造恐怖威胁。而赞成者认为，这项技术可以为人类带来诸多好处，比如制造能产生生物燃料的细菌、特殊高效的药品、能吸收二氧化碳或其他污染物的细菌，甚至制造合成疫苗所需要的蛋白质等等。尽管有种种争议，克莱格·文特尔（John Craig Venter）的研究仍然具有划时代的意义。美国宾州大学生物伦理学家亚瑟·卡普兰（ArthurCaplan）说：“该研究成果可以彻底平息有关生命到底需不需要特殊力量才能被创造和生存下来的争论，甚至可以颠覆人类长久以来对于生命本质的看法，让人们重新审视自身和人类在宇宙中的地位，其深远意义堪比伽利略·伽利雷（Galileo di Vincenzo Bonaulti de Galilei）、克里斯托弗·哥伦布（Christopher Columbus）、查尔斯·罗伯特·达尔文（Charles Robert Darwin）和阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）等对人类发展做出的贡献。”

图八、人造生命辛西娅

⑦　基因编辑技术的诞生：基因编辑是指通过基因编辑技术对生物体基因组特定目标进行修饰的过程，高效而精准地实现基因插入、缺失或替换，从而改变其遗传信息的表达和表型特征。在DNN双螺旋结构及DNA重组技术陆续被发现后，科学家于1979年开始利用酵母等内源重组效率高的单细胞生物实现基因替换，这标志着原始的基因编辑技术登上历史舞台。而后随着基因工程和分子生物学技术的不断发展，科学家们开始尝试在更复杂的生物体中进行基因编辑，基因编辑技术也得到了新的突破。ZFNs（锌指核酸酶）和TALENs（转录激活效应核酸酶）作为早期的基因编辑工具，通过特定的蛋白质识别并结合到DNA的特定序列上，然后利用核酸酶切割DNA。然而，这些技术存在效率不高、脱靶效应严重等问题。因此在2000年初，科学家们开始关注CRISPR（成簇规律间隔短回文重复序列）这一在细菌中广泛存在的免疫系统。2012年詹妮弗·杜德纳（Jennifer A. Doudna）和伊曼纽尔·沙彭蒂埃（Emmanuelle Charpentier）在《科学》杂志上共同发表了一篇关于CRISPR/Cas9基因编辑系统的里程碑式论文。她们发现CRISPR/Cas9系统能够精确地识别并切割特定的DNA序列，从而为基因编辑技术带来了革命性的突破。自CRISPR/Cas9技术问世以来，科学家们不断对其进行优化和改进，以提高其编辑效率和准确性，减少脱靶效应。

值得我们注意的是，其实在CRISPR/Cas9系统发现之前，科学家们就已经发现可以通过相关的技术手段来调控基因的表达，如1998年首次发现的RNA干扰（RNAi）现象。2001年，美国科学家托马斯·图歇尔（Thomas Tuschl）等人将仅含有21个核苷酸的dsRNA递送至人胚肾细胞和海拉细胞中，成功抑制了细胞内特定蛋白质的表达，这种仅含有21-25个核苷酸的dsRNA被正式称为“siRNA”。此后又陆续发现了其他的能够调控基因表达的RNA，如miRNA及shRNA等。RNA干扰技术作用于转录后水平，通过降解mRNA来抑制基因表达，基因编辑则作用于基因组水平，通过直接修改DNA序列来改变遗传信息。虽然原理有所不同，但两者都旨在调控生物体的基因表达或遗传信息。在某些情况下，两者可以互补，例如，在需要快速、短暂地抑制基因表达以研究基因功能时，RNAi是一个很好的选择。而基因编辑则更适用于需要永久、精确地修改基因组序列的场景，如遗传病治疗、作物改良等。

三、分子生物学的研究内容

通过上面的内容我们大概已经了解了分子生物学的研究对象是生物大分子（包括DNA、RNA和蛋白质等），而分子生物学的主要研究内容为生物大分子的结构、功能，生物大分子之间的相互作用及其与疾病免疫发生、发展的关系。根据这个定义我们可将分子生物学的研究内容概括为以下几个方面。

①　基础理论研究

生物大分子的结构与功能：

蛋白质：蛋白质作为生命活动的主要承担者，其结构多样性决定了功能的多样性。分子生物学主要研究蛋白质的结构（包括一级、二级、三级和四级结构）及其与功能的关系。

核酸：关注DNA和RNA的结构、功能以及核酸的相互作用等过程，并揭示这些过程如何调控基因的表达。

糖类与脂质：研究这些生物大分子的结构、功能及其与蛋白质、核酸的相互作用。例如，通过基因克隆和表达技术可以研究糖基转移酶、脂质合成酶等关键酶的基因和蛋白质结构，从而揭示糖和脂质的生物合成途径及调控网络。此外，利用基因编辑技术（如CRISPR-Cas9）可以精确修改生物体内与糖和脂质代谢相关的基因，为疾病治疗提供新的策略。

基因表达调控：基因表达调控是生物体发育、分化、代谢等生命活动的重要基础。分子生物学主要研究基因在不同水平（如染色质、DNA、转录、转录后、翻译及翻译后）上的表达调控机制。

结构分子生物学：结构生物学主要研究生物大分子及其互作的空间结构、构象变化与功能的关系。尤其是冷冻电镜的发明能够更深入地了解生物大分子的三维结构及其动态变化。值得一提的是目前我国建成了世界上最大的冷冻电镜设施系统，且中国科学院院士、现任西湖大学校长施一公教授在结构生物学方面有着杰出的贡献，其团队利用冷冻电镜技术揭示了多种蛋白分子的生物结构，加深了我们对生物分子结构和功能的理解，为相关疾病的治疗（如阿尔兹海默症（俗称老年痴呆症）和渐冻症）提供了重要线索和结构基础。

②　技术应用研究

DNA重组技术：DNA重组技术是在体外将不同来源的DNA重新组合以获得新功能分子的技术，该技术可用于定向改造生物基因组结构，实现基因的定向转移、克隆和表达。随着CRISPR-Cas9等基因编辑技术的出现和发展，DNA重组技术将更加高效、精确和灵活地应用于基因功能研究、疾病诊断和治疗等方面。

基因组学：基因组学是对生物体所有基因进行集体表征、定量研究及不同基因组比较研究的一门交叉生物学学科。它主要研究基因组的结构、功能、进化、定位和编辑等，以及它们对生物体的影响。高通量DNA测序技术（如二代测序、三代测序等）是基因组学研究的重要手段。

转录组学：转录组学主要研究细胞或组织中所有转录本及其表达水平，以了解基因在不同条件下的表达情况。转录组学有助于揭示基因表达与生命活动之间的关系。转录组学的研究方法主要包括基于杂交技术的芯片技术和基于序列分析的测序技术（如RNA-Seq）等。

蛋白质组学：蛋白质组学是对细胞或组织中所有蛋白质进行全面研究，包括蛋白质的表达水平、翻译后修饰和相互作用等。它旨在获得蛋白质水平上的关于疾病发生、细胞代谢等过程的整体而全面的认识。蛋白质组学的研究方法主要包括二维电泳和质谱技术的结合使用。二维电泳用于分离蛋白质混合物中的各个蛋白质组分，而质谱技术则用于鉴定蛋白质的序列和修饰情况。

代谢组学：代谢组学是对生物体内所有代谢物进行定量分析，并寻找代谢物与生理病理变化的关系的一种组学研究。研究对象主要是小分子代谢产物。代谢组学在营养学、毒理学等领域具有重要应用价值。代谢组学的研究方法主要包括液相色谱-质谱联用技术等。

③　其他相关领域

生物信息学：生物信息学在基因组学、转录组学、蛋白质组学等领域中发挥着重要作用借助计算机技术对海量生物数据进行收集、整理和分析，以发现新的生物学规律和知识。如可利用生物信息学方法进行序列比对、结构比对、蛋白质结构预测、基因识别、非编码区分析、分子进化、药物设计等。

基因修复与基因治疗：利用分子生物学技术修复受损的基因或治疗由基因突变引起的疾病。随着技术的不断发展，基因修复与基因治疗有望成为未来医学领域的重要治疗手段。

关于分子生物学导论部分的内容就讲到这里，通过上述内容，我们可以了解到分子生物学的前世今生，分子生物学的研究内容以及相关实验技术，同时学习到科学家们细致严谨的科研精神以及敢于打破“真理”的勇气。科研不易，希望这些能给同样处在生命科学研究中的大家一点启示和慰藉。今天就先讲到这里，希望大家给我们一键三连呀，让我们有动力更新下去。祝大家科研顺利、万事如意！视频版本请点击《分子生物160年发展史，从物种起源到新冠病毒》
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