分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史
分子生物學(xué)的誕生和發(fā)展大致分為三個(gè)階段。
(一)準(zhǔn)備和醞釀階段
19世紀(jì)后期到20世紀(jì)50年代初是分子生物學(xué)誕生前的醞釀階段。這一階段在認(rèn)識(shí)生命本質(zhì)方面有兩個(gè)重大突破。
1.確定了蛋白質(zhì)是生命現(xiàn)象的物質(zhì)基礎(chǔ) 1897年,Büchner(1907年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者)與其兄發(fā)現(xiàn)酵母無細(xì)胞提取液能使蔗糖發(fā)酵生成乙醇,并提出酶是生物催化劑的論斷,開啟了現(xiàn)代生物化學(xué)之門。1926年,Sumner提取并結(jié)晶了尿素酶,提出酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)。到20世紀(jì)40年代,Northrop等科學(xué)家陸續(xù)提取并結(jié)晶了胰蛋白酶、胃蛋白酶等,證明酶的化學(xué)本質(zhì)的確是蛋白質(zhì)(Sumner、Northrop、Stanley因此獲得1946年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)),酶蛋白和其他蛋白質(zhì)都與物質(zhì)代謝、能量代謝聯(lián)系密切,與消化、呼吸、運(yùn)動(dòng)等生命現(xiàn)象密不可分。在此期間,科學(xué)家對(duì)蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的研究也有突破:1945年,Sanger(1958年、1980年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者)建立了用于分析肽鏈N端氨基酸殘基的二硝基氟苯法;1950年,Edman建立了應(yīng)用異硫氰酸苯酯分析蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的Edman降解法;1953年,Sanger完成了第一種蛋白質(zhì)——胰島素的序列分析。此外,X射線衍射技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了對(duì)蛋白質(zhì)構(gòu)象的研究,Pauling和Corey于1950年提出了α角蛋白構(gòu)象的α螺旋模型,Perutz和Kendrew(1962年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者)于1959年闡明了血紅蛋白的四級(jí)結(jié)構(gòu)。
2.確定了DNA是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ) 1869年,Miescher最早分離到核素,但當(dāng)時(shí)并未引起重視。20世紀(jì)30年代,核酸的結(jié)構(gòu)開始得到研究,但當(dāng)時(shí)認(rèn)為核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)只是核苷酸單位的重復(fù)連接,不可能攜帶遺傳信息,蛋白質(zhì)可能是遺傳信息的攜帶者。1944年,Avery等通過肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)證明DNA是細(xì)菌的遺傳物質(zhì);1952年,Hershey(1969年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者)和Chase通過大腸桿菌(又稱大腸埃希菌)T2噬菌體感染實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明DNA也是DNA病毒的遺傳物質(zhì)。1953年,Chargaff提出了關(guān)于DNA組成的Chargaff規(guī)則,為研究DNA結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。
(二)誕生和發(fā)展階段
1953年,Watson和Crick(1962年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者)提出了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型,成為分子生物學(xué)誕生的里程碑,使分子生物學(xué)基本理論的發(fā)展進(jìn)入了黃金時(shí)代。他們進(jìn)一步提出的堿基配對(duì)原則、DNA半保留復(fù)制特征和中心法則為研究核酸與蛋白質(zhì)的關(guān)系及其意義奠定了基礎(chǔ)。在此期間的主要發(fā)展包括:
1.中心法則的建立 在提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的同時(shí),Watson和Crick提出了DNA復(fù)制的可能機(jī)制;1955年,Kornberg(1959年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者)發(fā)現(xiàn)了大腸桿菌DNA聚合酶;1956年,Crick提出了分子生物學(xué)的中心法則;1958年,Meselson和Stahl用同位素標(biāo)記技術(shù)和密度梯度離心技術(shù)證明DNA是半保留復(fù)制的;1968年,Okazaki提出DNA是不連續(xù)復(fù)制的;1971~1976年,Wang先后發(fā)現(xiàn)了大腸桿菌Ⅰ型DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶和Ⅱ型DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶。這些都豐富了對(duì)DNA復(fù)制機(jī)制的認(rèn)識(shí)。
在闡明DNA通過復(fù)制傳遞遺傳信息的同時(shí),對(duì)遺傳信息表達(dá)機(jī)制的研究也取得了進(jìn)展,mRNA介導(dǎo)遺傳信息表達(dá)的假說被Jacob和Brenner等提出并于1961年提取到mRNA。1958年,Weiss和Hurwitz等發(fā)現(xiàn)了RNA聚合酶;1961年,Hall和Spiegelman通過RNA-DNA雜交分析證明了mRNA與DNA序列的互補(bǔ)性,RNA的合成機(jī)制得以闡明。
20世紀(jì)50年代,蛋白質(zhì)合成機(jī)制的研究取得突破性進(jìn)展,Zamecnik等通過實(shí)驗(yàn)證明核糖體是蛋白質(zhì)的合成機(jī)器;1957年,Hoagland、Stephenson和Zamecnik等分離出tRNA,并對(duì)它們?cè)诘鞍踪|(zhì)合成過程中轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的作用提出了假設(shè);1961年,Brenner和Gross等觀察到在蛋白質(zhì)合成過程中mRNA與核糖體結(jié)合;尤其令人鼓舞的是Holley、Khorana和Nirenberg(1968年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者)等幾組科學(xué)家于1966年破譯了遺傳密碼,從而闡明了蛋白質(zhì)合成的基本機(jī)制。
上述重大發(fā)現(xiàn)形成了以中心法則為基礎(chǔ)的分子生物學(xué)理論體系。1970年,Baltimore和Temin(1975年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者)分別發(fā)現(xiàn)了逆轉(zhuǎn)錄酶,進(jìn)一步補(bǔ)充和完善了中心法則。
2.對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的進(jìn)一步認(rèn)識(shí) 1956~1958年,Anfinsen(1972年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者)和White根據(jù)對(duì)酶蛋白變性和復(fù)性的實(shí)驗(yàn)研究,提出蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)是由其氨基酸序列決定的;1956年,Ingram證明一種鐮狀血紅蛋白(HbS)和正常血紅蛋白(HbA)只是β亞基的一個(gè)氨基酸不同,使人們對(duì)蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)決定其功能的意義有了更深刻的認(rèn)識(shí);20世紀(jì)60年代,血紅蛋白、RNase A(核糖核酸酶A)等蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)相繼被闡明;1965年,中國科學(xué)家合成牛胰島素,并于1973年完成對(duì)其空間結(jié)構(gòu)的分析,為闡明蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)規(guī)律做出了重要貢獻(xiàn)。
(三)深入發(fā)展階段
20世紀(jì)70年代,基因工程技術(shù)(重組DNA技術(shù))的建立成為新的里程碑,標(biāo)志著新階段的開始。
1.基因工程技術(shù)的建立 分子生物學(xué)理論和分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展使基因工程技術(shù)的建立成為必然。1968年,Meselson和Yuan在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)了限制性內(nèi)切酶;1972年,Berg (1980年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者)等將大腸桿菌、噬菌體、病毒的DNA進(jìn)行重組,成功構(gòu)建了打破種屬界限的重組DNA分子;1977年,Boyer等在大腸桿菌中表達(dá)生長(zhǎng)抑素;1978年,重組人胰島素在大腸桿菌中被成功表達(dá)。研發(fā)基因工程產(chǎn)品成為醫(yī)藥業(yè)和農(nóng)業(yè)的一個(gè)發(fā)展方向。
轉(zhuǎn)基因技術(shù)和基因靶向技術(shù)的建立是基因工程技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。Capecchi、Evans和Smithies(2007年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者)在小鼠胚胎干細(xì)胞基因靶向技術(shù)方面做出了卓越貢獻(xiàn)。1982年,Palmiter等用大鼠生長(zhǎng)激素基因轉(zhuǎn)化小鼠受精卵,培育得到超級(jí)小鼠,激發(fā)了人們對(duì)培育優(yōu)良品系家畜的熱情。自1996年以來,轉(zhuǎn)基因植物的培育突飛猛進(jìn):轉(zhuǎn)基因玉米和轉(zhuǎn)基因大豆作為農(nóng)作物已經(jīng)規(guī)模種植;我國科學(xué)家也成功培育出抗棉鈴蟲的轉(zhuǎn)基因棉花和抗除草劑的轉(zhuǎn)基因水稻。
基因診斷和基因治療是基因工程技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域的一個(gè)重要方面。血紅蛋白病等部分遺傳病已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)前基因診斷。腺苷脫氨酶缺乏癥等部分單基因隱性遺傳病的基因治療已經(jīng)獲得成功。