分子生物學發展簡史

分子生物學的誕生和發展大致分為三個階段。

（一）準備和醞釀階段

19世紀后期到20世紀50年代初是分子生物學誕生前的醞釀階段。這一階段在認識生命本質方面有兩個重大突破。

1.確定了蛋白質是生命現象的物質基礎　1897年，Büchner（1907年諾貝爾化學獎獲得者）與其兄發現酵母無細胞提取液能使蔗糖發酵生成乙醇，并提出酶是生物催化劑的論斷，開啟了現代生物化學之門。1926年，Sumner提取并結晶了尿素酶，提出酶的化學本質是蛋白質。到20世紀40年代，Northrop等科學家陸續提取并結晶了胰蛋白酶、胃蛋白酶等，證明酶的化學本質的確是蛋白質（Sumner、Northrop、Stanley因此獲得1946年諾貝爾化學獎），酶蛋白和其他蛋白質都與物質代謝、能量代謝聯系密切，與消化、呼吸、運動等生命現象密不可分。在此期間，科學家對蛋白質一級結構的研究也有突破：1945年，Sanger（1958年、1980年諾貝爾化學獎獲得者）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建立了應用異硫氰酸苯酯分析蛋白質一級結構的Edman降解法；1953年，Sanger完成了第一種蛋白質——胰島素的序列分析。此外，X射線衍射技術的發展促進了對蛋白質構象的研究，Pauling和Corey于1950年提出了α角蛋白構象的α螺旋模型，Perutz和Kendrew（1962年諾貝爾化學獎獲得者）于1959年闡明了血紅蛋白的四級結構。

2.確定了DNA是生命遺傳的物質基礎　1869年，Miescher最早分離到核素，但當時并未引起重視。20世紀30年代，核酸的結構開始得到研究，但當時認為核酸的一級結構只是核苷酸單位的重復連接，不可能攜帶遺傳信息，蛋白質可能是遺傳信息的攜帶者。1944年，Avery等通過肺炎鏈球菌轉化實驗證明DNA是細菌的遺傳物質；1952年，Hershey（1969年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者）和Chase通過大腸桿菌（又稱大腸埃希菌）T2噬菌體感染實驗進一步證明DNA也是DNA病毒的遺傳物質。1953年，Chargaff提出了關于DNA組成的Chargaff規則，為研究DNA結構奠定了基礎。

（二）誕生和發展階段

1953年，Watson和Crick（1962年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者）提出了DNA的雙螺旋結構模型，成為分子生物學誕生的里程碑，使分子生物學基本理論的發展進入了黃金時代。他們進一步提出的堿基配對原則、DNA半保留復制特征和中心法則為研究核酸與蛋白質的關系及其意義奠定了基礎。在此期間的主要發展包括：

1.中心法則的建立　在提出DNA雙螺旋結構模型的同時，Watson和Crick提出了DNA復制的可能機制；1955年，Kornberg（1959年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者）發現了大腸桿菌DNA聚合酶；1956年，Crick提出了分子生物學的中心法則；1958年，Meselson和Stahl用同位素標記技術和密度梯度離心技術證明DNA是半保留復制的；1968年，Okazaki提出DNA是不連續復制的；1971～1976年，Wang先后發現了大腸桿菌Ⅰ型DNA拓撲異構酶和Ⅱ型DNA拓撲異構酶。這些都豐富了對DNA復制機制的認識。

在闡明DNA通過復制傳遞遺傳信息的同時，對遺傳信息表達機制的研究也取得了進展，mRNA介導遺傳信息表達的假說被Jacob和Brenner等提出并于1961年提取到mRNA。1958年，Weiss和Hurwitz等發現了RNA聚合酶；1961年，Hall和Spiegelman通過RNA-DNA雜交分析證明了mRNA與DNA序列的互補性，RNA的合成機制得以闡明。

20世紀50年代，蛋白質合成機制的研究取得突破性進展，Zamecnik等通過實驗證明核糖體是蛋白質的合成機器；1957年，Hoagland、Stephenson和Zamecnik等分離出tRNA，并對它們在蛋白質合成過程中轉運氨基酸的作用提出了假設；1961年，Brenner和Gross等觀察到在蛋白質合成過程中mRNA與核糖體結合；尤其令人鼓舞的是Holley、Khorana和Nirenberg（1968年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者）等幾組科學家于1966年破譯了遺傳密碼，從而闡明了蛋白質合成的基本機制。

上述重大發現形成了以中心法則為基礎的分子生物學理論體系。1970年，Baltimore和Temin（1975年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者）分別發現了逆轉錄酶，進一步補充和完善了中心法則。

2.對蛋白質結構和功能的進一步認識　1956～1958年，Anfinsen（1972年諾貝爾化學獎獲得者）和White根據對酶蛋白變性和復性的實驗研究，提出蛋白質的空間結構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亞基的一個氨基酸不同，使人們對蛋白質一級結構決定其功能的意義有了更深刻的認識；20世紀60年代，血紅蛋白、RNase A（核糖核酸酶A）等蛋白質的一級結構相繼被闡明；1965年，中國科學家合成牛胰島素，并于1973年完成對其空間結構的分析，為闡明蛋白質的結構規律做出了重要貢獻。

（三）深入發展階段

20世紀70年代，基因工程技術（重組DNA技術）的建立成為新的里程碑，標志著新階段的開始。

1.基因工程技術的建立　分子生物學理論和分子生物學技術的發展使基因工程技術的建立成為必然。1968年，Meselson和Yuan在大腸桿菌中發現了限制性內切酶；1972年，Berg （1980年諾貝爾化學獎獲得者）等將大腸桿菌、噬菌體、病毒的DNA進行重組，成功構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生長抑素；1978年，重組人胰島素在大腸桿菌中被成功表達。研發基因工程產品成為醫藥業和農業的一個發展方向。

轉基因技術和基因靶向技術的建立是基因工程技術發展的結果。Capecchi、Evans和Smithies（2007年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者）在小鼠胚胎干細胞基因靶向技術方面做出了卓越貢獻。1982年，Palmiter等用大鼠生長激素基因轉化小鼠受精卵，培育得到超級小鼠，激發了人們對培育優良品系家畜的熱情。自1996年以來，轉基因植物的培育突飛猛進：轉基因玉米和轉基因大豆作為農作物已經規模種植；我國科學家也成功培育出抗棉鈴蟲的轉基因棉花和抗除草劑的轉基因水稻。

基因診斷和基因治療是基因工程技術應用于醫藥領域的一個重要方面。血紅蛋白病等部分遺傳病已經實現產前基因診斷。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獲得成功。