分子生物學導論
2024-11-13 13:55:27
來源/作者：普拉特澤-生物醫學整體課題外包平臺
相信點進來的小伙伴都是未來生命科學界的準泰斗了，這里我想先跟大家玩兒一個腦筋急轉彎兒，3秒內答不出來的出去罰站，想到答案的，就在彈幕里扣出你的答案吧。
準備好了嗎？
問：僵尸攻入了一個住滿科學家的村子，不一會兒就被團滅了，為什么？來，摳出你的答案
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答案就是。。。（接，植物大戰僵尸中，豌豆大戰僵尸的名場面動畫）
因為村子里啊，住著孟德爾。他種的豌豆，把僵尸們都給打死了。
好了，你，還知道多少生命科學人才能秒懂的冷笑話或腦筋急轉玩兒呢？評論區里來逗一逗大家玩兒吧！
言歸正傳，讓我們開始今天的主題內容，跟大家一起來回顧一下，我們分子生物學的發展史。
一、分子生物學的概念
首先問大家一個問題：生命是什么？這個問題是我們醫學和生命科學永恒的話題。如果我們去看Science和Nature這兩個研究自然科學的頂級雜志上所發表的論文，就會發現大約有四分之三的內容都是在研究生命的本質問題，由此可見，“生命的本質到底是什么？”是人類科學研究的重點。
現代生物學認為，生命，是一個過程。具體來說，生命是生物體所表現出來的自身繁殖、生長發育、新陳代謝、遺傳變異以及對刺激產生反應等的復合現象，其中任何單一的現象都不是生物所特有的。生命科學的發展，經歷了從生物的表型，到基因型、從整體水平，到細胞水平，再到分子水平的漫長發展歷程。
圖一描述了生命科學的發展歷程。早期生物學研究主要集中在生物的表型特征上，即生物體可以觀察到的外部形態和特性。隨著生命科學的發展，科學家們逐漸認識到細胞是生物體的基本結構和功能單位，這一發現使得生命科學的研究深入到了細胞水平，通過細胞生物學的研究，我們可以了解到細胞的結構、功能、分裂、分化和凋亡等生命活動的基本過程。細胞水平的研究不僅為我們揭示了生物體內部復雜而精細的結構，還為我們理解生命的本質提供了重要的線索。
然而，隨著遺傳學的發展，科學家們開始認識到，生物體的遺傳信息（即基因型）對其表型有著決定性的影響，這一轉變標志著生命科學從描述性向解釋性、從現象到本質的重大跨越。通過基因型研究，我們能夠更好地理解生物的遺傳規律、變異機制和進化過程。
進幾十年來，隨著科技的進步，只停留在表型、細胞、基因型上的研究無法從根本上解決困擾我們的生命科學難題，因此誕生了，分子生物學。而伴隨著分子生物學技術的飛速發展，生命科學的研究進一步深入到了分子水平。在分子水平上，科學家們可以研究生物大分子（如DNA、RNA和蛋白質）的結構、功能和相互作用等生命活動的基本機制。分子生物學的研究成果最終使得我們的生命體在分子層面、細胞層面以及整體水平上的研究，得到了和諧與統一。
圖一、生命科學從整體水平發展到分子水平示意圖
所以說，人們對生命本質的探索，經歷了從整體到局部、從宏觀到微觀，從表型到機制的探索歷程。
二、分子生物學的發展進程
那么有小伙伴不禁要問，如此重要的分子生物學是如何一步步發展起來的呢？
其實，分子生物學的研究最早可追溯到1859年，這一年查爾斯·羅伯特·達爾文（Charles Robert Darwin）出版了《物種起源》，在該書中，查爾斯·羅伯特·達爾文（Charles Robert Darwin）根據20多年積累的對古生物學、生物地理學、形態學、胚胎學和分類學等許多領域的大量研究資料，以自然選擇為中心，從變異性、遺傳性、人工選擇、生存競爭和適應，等方面論證物種起源和生命自然界的多樣性與統一性。
1865年，格雷戈爾·孟德爾（Gregor Johann Mendel）發現遺傳因子，并建立孟德爾遺傳定律。孟德爾遺傳定律的建立為分子生物學提供了理論基礎和研究方向。但，這些規律在當時并沒有得到重視。他，也是我們視頻開頭腦經急轉彎兒的靈感來源。
1869年，喬治·卡特利特·馬歇爾（George Catlett Marshall）通過膿細胞提取到一種富含磷元素的酸性化合物，因存在于細胞核中，而把它命名為核素，這里的核素就是我們現在通常所說的核酸，而核酸這一名詞是在馬歇爾發現核素20年以后才被正式起用，在接下來幾十年的研究中，人們一直忽略了核酸在生命體中的功能研究。
1900年，來自3個不同國家的植物學家，幾乎同時發現了格雷戈爾·孟德爾（Gregor Johann Mendel）的遺傳規律，他們查閱到了被淹沒在圖書館文獻中達35年之久的《植物雜交的實驗》原文，并把它重新公之于世。從此，格雷戈爾·孟德爾（Gregor Johann Mendel）的發現得到了高度評價并被廣泛認知。
1902年，美國的生物學家沃爾特·薩頓（Walter Sutton）和德國的細胞學家博韋里（Theodor Boveri）提出染色體理論，后托馬斯·亨特·摩爾根（Thomas Hunt Morgan）在1910年提出基因就是位于染色體上的一個重要組成元件（也就是，基因位于染色體上）。并在1913年，他發現基因在染色體上呈現線性排列。
在1927年的時候，赫爾曼·約瑟夫·穆勒（Hermann Joseph Muller）通過X射線突變研究了基因內的物理變化。
時間來到1944年，來自英國的生物學家弗雷德里克·格里菲斯（Frederick Griffith）通過肺炎雙球菌實驗證明DNA就是遺傳物質，從此核酸是遺傳物質的重要地位才被確立，人們把對遺傳物質的注意力從蛋白質轉移到了核酸上。
在1953年，由詹姆斯·杜威·沃森（James Dewey Watson）和弗朗西斯·哈利·康普頓·克里克（Francis Harry Compton Crick）通過它的相關的X射線衍射圖來得出數據證明了DNA為雙螺旋結構，并暗示DNA的復制方式。
而后，西爾遜（Meselson）和斯塔爾（Stahl）在1958年證明DNA的復制方式為半保留復制，并明確半保留復制是遺傳信息能夠準確傳遞的保證。同年弗朗西斯·哈利·克里克（Francis Harry Compton Crick）根據上述研究歸納總結出來了基因信息傳遞的重要法則-中心法則，確立了DNA這段一種重要的核酸物質，在基因信息傳遞過程中處于中心位置。
1961年悉尼·布倫納（Sydney Brenner）、弗朗索瓦·雅各布（Fran?ois Jacob）、馬修·梅塞爾森（Matthew Stanley Meselson）發現信使 RNA ，并指出mRNA是由 DNA 的一條鏈作為模板轉錄而來的、攜帶遺傳信息能指導蛋白質合成的一類單鏈核糖核酸。1961年，在加州理工學院的一個實驗室，以悉尼·布倫納（Sydney Brenner）為首的九名科學家首次成功提取到mRNA。
4年后，也就是1966年，馬歇爾·沃倫·尼倫伯格（Marshall Warren Nirenberg）發現了遺傳密碼子的相關信息。通過這樣以上的幾項研究，科學家們終于將核酸與蛋白質兩種重要的生物大分子緊密的聯系在一起了。
上述的研究史發現了基因和基因的本質，并闡明了遺傳信息的傳遞過程。而對于基因改造的研究，則是在近幾十年里才發展起來的。
1967年保羅·伯格（Paul Berg）首次發現了在細胞內部能可以將DNA連接到一起的DNA連接酶，1970年漢彌爾頓·奧塞內爾·史密斯（Hamilton Othanel Smith)又發現了限制性內切酶，然后保羅·伯格（Paul Berg）在1973年建立了DNA重組技術，并獲得了第一個體外重組的DNA。
隨后，1975年戴維·巴爾的摩（David Baltimore）發現了逆轉錄酶，1981年，威廉·吉爾伯特（William Gilbert）和弗雷德里克·桑格（Frederick Sanger）又建立了DNA測序方法。直到1985年，凱利·穆利斯（Kary Banks Mullis）發現了分子生物學最重要的一個技術-PCR技術，為我們接下來基因組的進一步的研究提供了可能，到此中心法則的內容變得更加完整。
說到這里呀，有多少小伙伴還記得PCR技術的三板斧：高溫變性、低溫退貨、適溫延伸。現在我們做PCR，只需要將Mix、引物和模版按一定比例混合并放置到PCR儀里，設定好程序就可以進行擴增反應了，不可謂不方便。但是Up主年輕時候的導師啊，他們那一代的人做PCR，可是用一邊用水浴鍋控溫、一邊用鬧鐘計時的呢。
跑完題后，我們再跑回來。在1975年之后，發展出了基因組學研究，其中最最重要的就是1990年美國首先啟動的人類基因組計劃。伴隨著這個計劃的提出，1994年中國人類基因組計劃也正式啟動，成為世界人類基因組計劃的一個組成部分。在此之后，利用DNA重組技術，在1997年得到了第一只克隆羊多莉。2001年，美英等國家又完成了人類基因組計劃的基本框架。在2003年，人類基因組序列圖基本繪制完成。2010年5月，由美國人克萊格·文特爾（John Craig Venter）宣布世界首個人造生命在美國誕生，標志著基因研究從改造進入了創造階段。2012年，基于CRISPR-Cas9系統的基因編輯技術出現，這是一種能夠高效、精確、快速地對基因進行替換、修正、刪除的革命性技術。2019年，人造新冠（不是），美國新冠（不是），美國人造新冠，嗶——————，病毒的出現，標志著人類基因工程產物，大規模人群試驗開啟的新紀元。
由此可見，每隔5-10年，人類歷史上就有分子生物學領域重大的突破性成果出現。我們，一起期待未來幾十年內的人類群星閃耀之時。
圖二、分子生物學發展簡史
分子生物學經歷了漫長的發展歷程，其中，有幾個事件尤其重要。
① 格雷戈爾·孟德爾（Gregor Johann Mendel）首先提出遺傳因子的概念：為什么說這個事件在生物學的發展史上是非常重要的呢？因為在生物學研究歷史中，格雷戈爾·孟德爾（Gregor Johann Mendel）是第一個將有機體遺傳性狀視為組成活體生命的部分實體的人，他指出它們可以在活體生命之間互相單獨傳遞。換句話說，他在人類歷史上，率先將活體生命當作一種具有獨立遺傳性狀的、穩定的、能延續千萬年的、精雕細刻的“藝術品”。在格雷戈爾·孟德爾（Gregor Johann Mendel）之前，關于遺傳現象的解釋主要流行達爾文提出的融合學說，即將遺傳現象解釋為母方卵細胞與父方精子中存在的“某種液體”混合，是孩子繼承父母兩方特征的原因。然而，格雷戈爾·孟德爾（Gregor Johann Mendel）對這種解釋持懷疑態度，并決定通過實驗來探究遺傳的真相。孟德爾所在的修道院的后院中有一塊長35公尺，寬7公尺的空地，孟德爾就在這塊空地上種了許多豌豆，這一種就是兩年，他用了兩年的時間，從34種不同類型的豌豆中找到了14種明顯的性狀，組成了7對參照物進行進一步研究。分別是豆粒飽滿和褶皺、豆粒黃色和綠色、花瓣白色和紫色、豆莢飽滿和褶皺、豆莢黃色和綠色、花開的高與低、植株的高與低這七對不同的性狀。格雷戈爾·孟德爾（Gregor Johann Mendel）通過豌豆雜交實驗統計和分析后代的表現型比例，揭示了生物體遺傳給后代的基本規律，即遺傳信息的傳遞方式和遺傳因子的組合方式：基因的分離定律和自由組合定律。基因的分離定律是指：雜合體中決定某一性狀的成對遺傳因子，在減數分裂過程中，彼此分離，互不干擾，使得配子中只具有成對遺傳因子中的一個，從而產生數目相等的、兩種類型的配子，且獨立地遺傳給后代。基因的自由組合定律是指：具有兩對（或更多對）相對性狀的親本進行雜交，在F1產生配子時，在等位基因分離的同時，非同源染色體上的非等位基因表現為自由組合，這就是自由組合規律的實質。也就是說，一對等位基因與另一對等位基因的分離與組合互不干擾，各自獨立地分配到配子中，這也之前的融合學說完全相悖。
然而，在格雷戈爾·孟德爾（Gregor Johann Mendel）生前，他的發現并沒有得到充分的重視和認可。直到20世紀初，隨著遺傳學研究的深入和發展，孟德爾遺傳定律才逐漸被科學界所接受和推崇。如今，孟德爾遺傳定律已成為遺傳學領域不可或缺的基礎知識之一。
圖三、孟德爾遺傳定律
DNA是遺傳因子：1928年弗雷德里克·格里菲斯（Frederick Griffith）以肺炎鏈球菌的轉化實驗奠定了DNA是遺傳物質的基礎。20世紀初，當時科學界普遍認為蛋白質是生物體的遺傳物質，因為蛋白質由多種氨基酸連接而成，且氨基酸的排列順序可能蘊含著遺傳信息。英國科學家弗雷德里克·格里菲斯（Frederick Griffith）進行了著名的肺炎雙球菌轉化實驗。這個實驗大家在初高中生物課上一定都學習過。如圖所示。弗雷德里克·格里菲斯（Frederick Griffith）用肺炎雙球菌在小鼠身上進行了轉化實驗，實驗中，格里菲斯將S型菌的提取物與R型菌混合后注射給小鼠，結果小鼠死亡，并從其體內分離出了S型菌。這表明R型菌在某種因子的作用下轉化為了S型菌，同時說明S型菌（光滑型，有毒性）中存在某種“轉化因子”，這種轉化因子能夠將R型菌（粗糙型，無毒性）轉化為S型菌，但這種轉化因子到底是什么還未可知。因此，在1944年奧斯瓦爾德·西奧多·埃弗里（Oswald Theodore Avery）、約翰·詹姆士·理察·麥克勞德 （John James Richard Macleod）和麥克林·麥卡蒂（Maclyn McCarty）采用與弗雷德里克·格里菲斯（Frederick Griffith）相似的轉化實驗
① 證明了來自毒性細胞的轉化物質的化學本質。即分別用蛋白質酶、DNA酶、RNA酶降解對應的組分，發現只有DNA酶破壞了提取物的轉化能力，這些結果提示了DNA就是轉化物質及遺傳因子。
圖四、肺炎雙球菌轉化實驗
為了進一步證明上述的實驗結論，1952年艾爾弗雷德·赫爾希（Alfred Day Hershey）和瑪莎·蔡斯（Martha Cowles Chase）進行了進一步的實驗。該實驗涉及大腸桿菌T2細菌噬菌體，采用放射性同位素磷-32標記DNA，硫-35標記蛋白質，因為DNA富含磷而噬菌體蛋白含硫不含磷，最后噬菌體會吸附到細菌上，并將DNA注入細胞內。實驗發現，只有標記了DNA的噬菌體能夠將其遺傳信息傳遞給子代噬菌體，而標記了蛋白質的噬菌體則不能。這一結果進一步證實了DNA是遺傳物質。
圖五、T2噬菌體侵染細菌
② DNA雙螺旋結構的發現：上面的研究證實了DNA是遺傳物質，DNA因此也成為生命研究的最核心位置，但DNA的三維結構還未知，當時有許多研究者致力于揭示該結構。現在我們知道DNA是雙螺旋結構，但其實其中的探索歷程也是非常曲折的，我們一起來看看雙螺旋結構是如何被發現的？有4位科學家在該結構的發現過程做出了巨大貢獻。首先是奧地利生物化學家埃爾文·查戈夫（Erwin Chargaff），他發現嘌呤的含量總是大體與嘧啶含量相等，該規則為雙螺旋結構的發現奠定基礎。隨后英國女科學家羅莎琳德·埃爾西·富蘭克林（Rosalind Elsie Franklin）拍攝了一張DNA的X射線衍射照片，該衍射圖非常簡單，只是一系列的點排列成X形狀，表明DNA結構本身也一定非常簡單。但DNA分子非常大，因此只有具備規則、重復的結構，才有可能有簡單的X射線衍射照片，對于DNA分子這一種細長分子而言，最簡單重復形狀就是像瓶塞鉆一樣的螺旋結構或螺旋，因此沃森（James Dewey Watson）和克里克（Francis Harry Compton Crick）大膽推測：DNA分子是雙螺旋結構。但該衍射圖也存在一個令人疑惑的點：假設DNA是規則的、有重復結構的螺旋，而它要行使其遺傳功能，就應該是不規則的堿基順序。那這種現象又怎么解釋呢？這時詹姆斯·杜威·沃森（James Dewey Watson） (22歲獲得博士學位）和弗朗西斯·哈利·康普頓·克里克（Francis Harry Compton Crick）提出：DNA分子是雙螺旋結構，糖-磷酸骨架在外面，堿基在里面。堿基是配對的，一條鏈上的嘌呤總是與另一條鏈上的嘧啶匹配。這樣既解決了上述的矛盾，又同時滿足Chargaff規則。至此，DNA雙螺旋結構被提出，相關研究成果發布在Nature雜志上，同時在這篇論文中兩位科學家也暗示了DNA的復制機制。
圖六、DNA雙螺旋結構的發現
（這里有個小故事：雙螺旋結構能夠建立最關鍵的一步是女科學家羅莎琳德·埃爾西·富蘭克林（Rosalind Elsie Franklin）拍到的DNA X射線衍射圖，這個圖為DNA雙螺旋結構的發現奠定了重要基礎，沃森（James Dewey Watson）和克里克（Francis Harry Compton Crick）就是在看到這張圖之后才提出并建立了這個模型。當時的社會環境對于對女科學家的歧視處處存在，富蘭克林（Rosalind Elsie Franklin）跟實驗室同事莫里斯·休·弗雷德里克·威爾金斯(Maurice Hugh Frederick Wilkins)關系不好，這個同事在未經富蘭克林的同意私自把這張圖拿給了沃森（James Dewey Watson）和克里克（Francis Harry Compton Crick）看，并將相關研究結果發表在Nature上，這篇文章只有短短的900字，堪稱史上最短的nature論文，該論文中提及他們是受到莫里斯·休·弗雷德里克·威爾金斯(Maurice Hugh Frederick Wilkins)與羅莎琳德·埃爾西·富蘭克林（Rosalind Elsie Franklin）等人的啟發，但并未詳細說明，也沒有致謝。詹姆斯·杜威·沃森（James Dewey Watson）、弗朗西斯·哈利·康普頓·克里克（Francis Harry Compton Crick）和莫里斯·休·弗雷德里克·威爾金斯(Maurice Hugh Frederick Wilkins)獲也因此獲得了諾貝爾獎，但是遺憾的是，當1962年詹姆斯·杜威·沃森（James Dewey Watson）、弗朗西斯·哈利·康普頓·克里克（Francis Harry Compton Crick）和莫里斯·休·弗雷德里克·威爾金斯(Maurice Hugh Frederick Wilkins)獲得諾貝爾生理學或醫學獎的時候，羅莎琳德·埃爾西·富蘭克林（Rosalind Elsie Franklin）已經在4年前因為卵巢癌而去世，患癌的原因可能與她研究的X射線有關。
而按照慣例，諾貝爾獎不授予已經去世的人，且同一獎項至多只能由3個人分享，如果當時羅莎琳德·埃爾西·富蘭克林（Rosalind Elsie Franklin）在世，她，會共享諾貝爾獎嗎？這里也引申出一個話題：性別的差異是否是科學家們公平競爭的障礙？覺得是的小伙伴啊在彈幕里扣1，覺得不是的小伙伴，扣2。
③ 中心法則的提出：1957年，弗朗西斯·哈利·康普頓·克里克（Francis Harry Compton Crick）最初提出的中心法則是：DNA→RNA→蛋白質，它說明遺傳信息在不同的大分子之間的轉移都是單向的，不可逆的，只能從DNA到RNA（轉錄），從RNA到蛋白質（翻譯）。這兩種形式的信息轉移在所有生物的細胞中都得到了證實。然而，隨著科學研究的深入，菲利普·霍利格爾（Philipp Holliger）在某種RNA病毒里發現了一種RNA復制酶，從而知道了某些RNA也能復制。1970年，霍華德·馬丁·特明 (Howard Martin Temin）和戴維·巴爾的摩（David Baltimore）在一些RNA致癌病毒中發現它們在宿主細胞中的復制過程是先以病毒的RNA分子為模板合成一個DNA分子，再以DNA分子為模板合成新的病毒RNA。前一個步驟被稱為反向轉錄，是中心法則提出后的新發現。因此，弗朗西斯·哈利·康普頓·克里克（Francis Harry Compton Crick）在1970年重申了中心法則的重要性，并提出了更為完整的圖解形式，也就是今天看到的形式。中心法則的提出和發展，為我們理解遺傳信息的傳遞和表達提供了重要的理論框架。
④ 遺傳密碼子的破譯：在遺傳密碼破譯的早期階段，科學家們很早就知道DNA是由多種化學物質組成的，但對這些化學物質的具體種類和性質并不完全了解。隨著科學研究的深入，人們逐漸認識到DNA分子中的這些化學物質實際上是四種不同的核苷酸，它們以特定的順序排列，構成了DNA的遺傳信息。這個發現對于理解基因和遺傳密碼的工作具有重要意義。在這之后科學家們發現蛋白質的翻譯過程這個過程涉及到一種叫做密碼子的三個核苷酸序列，每個密碼子對應著一個氨基酸，這些氨基酸連接在一起形成蛋白質。通過進一步的研究，馬歇爾·沃倫·尼倫伯格（Marshall Warren Nirenberg）等人成功地解讀DNA信息傳遞到蛋白質的細節，他們發現，一共有64種可能的密碼子，其中三個密碼子作為停止信號，表示蛋白質合成的終止，剩下的61個密碼子對應著不同的氨基酸，且密碼子具有以下特點：每個密碼子三聯體決定一種氨基酸；密碼子具有連續性，密碼子之間無逗號，兩種密碼子之間無任何核苷酸或其它成分加以分離；密碼子具有方向性；密碼子有簡并性，一種氨基酸有幾個密碼子，或者幾個密碼子代表一種氨基酸；密碼子有通用性，即不論是病毒、原核生物還是真核生物密碼子的含義都是相同的。遺傳密碼的破譯對于生命科學研究的進展具有重大意義。它揭示了基因和蛋白質之間的密切關系，通過破譯遺傳密碼，可以幫助我們更好地理解基因如何通過蛋白質的合成來驅動生命的各種過程。
圖七、遺傳密碼子
⑤ 人類基因組計劃：宗旨在于測定組成人類染色體（指單倍體）中所包含的30億個堿基對組成的核苷酸序列，從而繪制人類基因組圖譜，并且辨識其載有的基因及其序列，達到破譯人類遺傳信息的最終目的，該計劃由美國科學家雷納托·杜爾貝科（Renato Dulbecco）于1985年率先提出，于1990年正式啟動，美國、英國、法國、德國、日本和中國科學家共同參與了這一預算達30億美元的人類基因組計劃，中國在1994年也加入到該計劃中來。按照這個計劃的設想，在2005年，要把人體內約2.5萬個基因的密碼全部解開，同時繪制出人類基因的圖譜，換句話說，就是要揭開組成人體2.5萬個基因的30億個堿基對的秘密。截止到2003年4月14日，人類基因組計劃的測序工作已經完成。“人類基因組計劃”在研究人類過程中建立起來的策略、思想與技術，同樣可以用于研究微生物、植物及其他動物。
⑥ 人造生命的誕生：2010年5月20日，在美國的一家私立科研機構克雷格·克萊格·文特爾（John Craig Venter）宣布世界首例人造生命“辛西婭”（Synthia，意為“人造兒”）誕生，標志了基因研究從改造進入創造階段。這是一種完全由人造基因控制的單細胞細菌，是地球上第一個能自我復制的人造物種，其‘生身父母’是計算機。克萊格·文特爾（John Craig Venter）首先選取了一種名為絲狀支原體（Mycoplasma mycoides）的細菌，并將其染色體進行解碼。利用化學方法，研究人員一點一點地重新排列DNA，并將人工合成的1078條平均長度為1080bp的DNA片段拼接為支原體全長基因組，然后將重組的DNA片段植入到另一種山羊支原體中，通過生長和分離，受體細菌產生了帶有人造DNA的細胞，這些細胞開始自我復制，形成新一代的人造生命體-辛西婭。辛西婭能自我復制，產生的新一代的人造生命。 這項里程碑意義的實驗表明，新的生命體可以在實驗室里“被創造”，而不是一定要通過“進化”來完成。批評者認為，人類無論如何都不可以充當“造物主”，也沒有資格像“上帝”或那樣創造生命，破壞自然界的平衡；更多人則擔心此研究成果會被居心不良者用來合成生化武器，制造恐怖威脅。而贊成者認為，這項技術可以為人類帶來諸多好處，比如制造能產生生物燃料的細菌、特殊高效的藥品、能吸收二氧化碳或其他污染物的細菌，甚至制造合成疫苗所需要的蛋白質等等。盡管有種種爭議，克萊格·文特爾（John Craig Venter）的研究仍然具有劃時代的意義。美國賓州大學生物倫理學家亞瑟·卡普蘭（ArthurCaplan）說：“該研究成果可以徹底平息有關生命到底需不需要特殊力量才能被創造和生存下來的爭論，甚至可以顛覆人類長久以來對于生命本質的看法，讓人們重新審視自身和人類在宇宙中的地位，其深遠意義堪比伽利略·伽利雷（Galileo di Vincenzo Bonaulti de Galilei）、克里斯托弗·哥倫布（Christopher Columbus）、查爾斯·羅伯特·達爾文（Charles Robert Darwin）和阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）等對人類發展做出的貢獻。”
圖八、人造生命辛西婭
⑦ 基因編輯技術的誕生：基因編輯是指通過基因編輯技術對生物體基因組特定目標進行修飾的過程，高效而精準地實現基因插入、缺失或替換，從而改變其遺傳信息的表達和表型特征。在DNN雙螺旋結構及DNA重組技術陸續被發現后，科學家于1979年開始利用酵母等內源重組效率高的單細胞生物實現基因替換，這標志著原始的基因編輯技術登上歷史舞臺。而后隨著基因工程和分子生物學技術的不斷發展，科學家們開始嘗試在更復雜的生物體中進行基因編輯，基因編輯技術也得到了新的突破。ZFNs（鋅指核酸酶）和TALENs（轉錄激活效應核酸酶）作為早期的基因編輯工具，通過特定的蛋白質識別并結合到DNA的特定序列上，然后利用核酸酶切割DNA。然而，這些技術存在效率不高、脫靶效應嚴重等問題。因此在2000年初，科學家們開始關注CRISPR（成簇規律間隔短回文重復序列）這一在細菌中廣泛存在的免疫系統。2012年詹妮弗·杜德納（Jennifer A. Doudna）和伊曼紐爾·沙彭蒂埃（Emmanuelle Charpentier）在《科學》雜志上共同發表了一篇關于CRISPR/Cas9基因編輯系統的里程碑式論文。她們發現CRISPR/Cas9系統能夠精確地識別并切割特定的DNA序列，從而為基因編輯技術帶來了革命性的突破。自CRISPR/Cas9技術問世以來，科學家們不斷對其進行優化和改進，以提高其編輯效率和準確性，減少脫靶效應。
值得我們注意的是，其實在CRISPR/Cas9系統發現之前，科學家們就已經發現可以通過相關的技術手段來調控基因的表達，如1998年首次發現的RNA干擾（RNAi）現象。2001年，美國科學家托馬斯·圖歇爾（Thomas Tuschl）等人將僅含有21個核苷酸的dsRNA遞送至人胚腎細胞和海拉細胞中，成功抑制了細胞內特定蛋白質的表達，這種僅含有21-25個核苷酸的dsRNA被正式稱為“siRNA”。此后又陸續發現了其他的能夠調控基因表達的RNA，如miRNA及shRNA等。RNA干擾技術作用于轉錄后水平，通過降解mRNA來抑制基因表達，基因編輯則作用于基因組水平，通過直接修改DNA序列來改變遺傳信息。雖然原理有所不同，但兩者都旨在調控生物體的基因表達或遺傳信息。在某些情況下，兩者可以互補，例如，在需要快速、短暫地抑制基因表達以研究基因功能時，RNAi是一個很好的選擇。而基因編輯則更適用于需要永久、精確地修改基因組序列的場景，如遺傳病治療、作物改良等。
三、分子生物學的研究內容
通過上面的內容我們大概已經了解了分子生物學的研究對象是生物大分子（包括DNA、RNA和蛋白質等），而分子生物學的主要研究內容為生物大分子的結構、功能，生物大分子之間的相互作用及其與疾病免疫發生、發展的關系。根據這個定義我們可將分子生物學的研究內容概括為以下幾個方面。
① 基礎理論研究
生物大分子的結構與功能：
蛋白質：蛋白質作為生命活動的主要承擔者，其結構多樣性決定了功能的多樣性。分子生物學主要研究蛋白質的結構（包括一級、二級、三級和四級結構）及其與功能的關系。
核酸：關注DNA和RNA的結構、功能以及核酸的相互作用等過程，并揭示這些過程如何調控基因的表達。
糖類與脂質：研究這些生物大分子的結構、功能及其與蛋白質、核酸的相互作用。例如，通過基因克隆和表達技術可以研究糖基轉移酶、脂質合成酶等關鍵酶的基因和蛋白質結構，從而揭示糖和脂質的生物合成途徑及調控網絡。此外，利用基因編輯技術（如CRISPR-Cas9）可以精確修改生物體內與糖和脂質代謝相關的基因，為疾病治療提供新的策略。
基因表達調控：基因表達調控是生物體發育、分化、代謝等生命活動的重要基礎。分子生物學主要研究基因在不同水平（如染色質、DNA、轉錄、轉錄后、翻譯及翻譯后）上的表達調控機制。
結構分子生物學：結構生物學主要研究生物大分子及其互作的空間結構、構象變化與功能的關系。尤其是冷凍電鏡的發明能夠更深入地了解生物大分子的三維結構及其動態變化。值得一提的是目前我國建成了世界上最大的冷凍電鏡設施系統，且中國科學院院士、現任西湖大學校長施一公教授在結構生物學方面有著杰出的貢獻，其團隊利用冷凍電鏡技術揭示了多種蛋白分子的生物結構，加深了我們對生物分子結構和功能的理解，為相關疾病的治療（如阿爾茲海默癥（俗稱老年癡呆癥）和漸凍癥）提供了重要線索和結構基礎。
② 技術應用研究
DNA重組技術：DNA重組技術是在體外將不同來源的DNA重新組合以獲得新功能分子的技術，該技術可用于定向改造生物基因組結構，實現基因的定向轉移、克隆和表達。隨著CRISPR-Cas9等基因編輯技術的出現和發展，DNA重組技術將更加高效、精確和靈活地應用于基因功能研究、疾病診斷和治療等方面。
基因組學：基因組學是對生物體所有基因進行集體表征、定量研究及不同基因組比較研究的一門交叉生物學學科。它主要研究基因組的結構、功能、進化、定位和編輯等，以及它們對生物體的影響。高通量DNA測序技術（如二代測序、三代測序等）是基因組學研究的重要手段。
轉錄組學：轉錄組學主要研究細胞或組織中所有轉錄本及其表達水平，以了解基因在不同條件下的表達情況。轉錄組學有助于揭示基因表達與生命活動之間的關系。轉錄組學的研究方法主要包括基于雜交技術的芯片技術和基于序列分析的測序技術（如RNA-Seq）等。
蛋白質組學：蛋白質組學是對細胞或組織中所有蛋白質進行全面研究，包括蛋白質的表達水平、翻譯后修飾和相互作用等。它旨在獲得蛋白質水平上的關于疾病發生、細胞代謝等過程的整體而全面的認識。蛋白質組學的研究方法主要包括二維電泳和質譜技術的結合使用。二維電泳用于分離蛋白質混合物中的各個蛋白質組分，而質譜技術則用于鑒定蛋白質的序列和修飾情況。
代謝組學：代謝組學是對生物體內所有代謝物進行定量分析，并尋找代謝物與生理病理變化的關系的一種組學研究。研究對象主要是小分子代謝產物。代謝組學在營養學、毒理學等領域具有重要應用價值。代謝組學的研究方法主要包括液相色譜-質譜聯用技術等。
③ 其他相關領域
生物信息學：生物信息學在基因組學、轉錄組學、蛋白質組學等領域中發揮著重要作用借助計算機技術對海量生物數據進行收集、整理和分析，以發現新的生物學規律和知識。如可利用生物信息學方法進行序列比對、結構比對、蛋白質結構預測、基因識別、非編碼區分析、分子進化、藥物設計等。
基因修復與基因治療：利用分子生物學技術修復受損的基因或治療由基因突變引起的疾病。隨著技術的不斷發展，基因修復與基因治療有望成為未來醫學領域的重要治療手段。
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