分子生物學(xué)是研究核酸、蛋白質(zhì)等所有生物大分子的形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征及其重要性、規(guī)律性和相互關(guān)系的科學(xué)，是人類從分子水平上真正揭開生物世界的奧秘，由被動(dòng)地適應(yīng)自然界轉(zhuǎn)向主動(dòng)地改造和重組自然界的基礎(chǔ)學(xué)科。當(dāng)人們意識(shí)到同一生物不同世代之間的連續(xù)性是由生物體自身所攜帶的遺傳物質(zhì)所決定的，科學(xué)家為揭示這些遺傳密碼所進(jìn)行的努力就成為人類征服自然的一部分，而以生物大分子為研究對(duì)像的分子生物學(xué)就迅速成為現(xiàn)代社會(huì)中更具活力的科學(xué)。
 從1847年Schleiden和Schwann提出"細(xì)胞學(xué)說"，證明動(dòng)、植物都是由細(xì)胞組成的到今天，雖然不過短短一百多年時(shí)間，我們對(duì)生物大分子--細(xì)胞的化學(xué)組成卻有了深刻的認(rèn)識(shí)。孟德爾的遺傳學(xué)規(guī)律更先使人們對(duì)性狀遺傳產(chǎn)生了理性認(rèn)識(shí)，而Morgan的基因?qū)W說則進(jìn)一步將"性狀"與"基因"相耦聯(lián)，成為分子遺傳學(xué)的奠基石。Watson和Crick所提出的脫氧核糖酸雙螺旋模型，為充分揭示遺傳信息的傳遞規(guī)律鋪平了道路。在蛋白質(zhì)化學(xué)方面，繼Sumner在1936年證實(shí)酶是蛋白質(zhì)之后，Sanger利用紙電泳及層析技術(shù)于1953年闡明胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)，開創(chuàng)了蛋白質(zhì)序列分析的先河。而Kendrew和Perutz利用X射線衍射技術(shù)解析了肌紅蛋白（myoglobin）及血紅蛋白（hemoglobin）的三維結(jié)構(gòu)，論證了這些蛋白質(zhì)在輸送分子氧過程中的特殊作用，成為研究生物大分子空間立體構(gòu)型的先驅(qū)。

DNA重組技術(shù)（又稱基因工程）
這是20世紀(jì)70年代初興起的技術(shù)科學(xué)，目的是將不同DNA片段（如某個(gè)基因或基因的一部分）按照人們的設(shè)計(jì)定向連接起來，在特定的受體細(xì)胞中與載體同時(shí)復(fù)制并得到表達(dá)，產(chǎn)生影響受體細(xì)胞的新的遺傳性狀。嚴(yán)格地說，DNA重組技術(shù)并不完全等于基因工程，因?yàn)楹笳哌€包括其他可能使生物細(xì)胞基因組結(jié)構(gòu)得到改造的體系。DNA重組技術(shù)是核酸化學(xué)、蛋白質(zhì)化學(xué)、酶工程及微生物學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞學(xué)長期深入研究的結(jié)晶，而限制性內(nèi)切酶DNA連接酶及其他工具酶的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用則是這一技術(shù)得以建立的關(guān)鍵。
DNA重組技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景:DNA重組技術(shù)可用于定向改造某些生物基因組結(jié)構(gòu)，使它們所具備的特殊經(jīng)濟(jì)價(jià)值或功能得以成百 上千倍的地提高。DNA重組技術(shù)還被用來進(jìn)行基礎(chǔ)研究。如果說，分子生物學(xué)研究的核心是遺傳信息的傳遞和控制，那么根據(jù)中心法則，我們要研究的就是從DNA到RNA，再到蛋白質(zhì)的全過程，也即基因的表達(dá)與調(diào)控。在這里，無論是對(duì)啟動(dòng)子的研究（包括調(diào)控元件或稱順式作用元件），還是對(duì)轉(zhuǎn)錄因子的克隆及分析，都離不開重組DNA技術(shù)的應(yīng)用。

基因表達(dá)調(diào)控研究
因?yàn)榈鞍踪|(zhì)分子參與并控制了細(xì)胞的一切代謝活動(dòng)，而決定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和合成時(shí)序的信息都由核酸（主要是脫氧核糖核酸）分子編碼，表現(xiàn)為特定的核苷酸序列，所以基因表達(dá)實(shí)質(zhì)上就是遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯。在個(gè)體生長發(fā)育過程中生物遺傳信息的表達(dá)按一定的時(shí)序發(fā)生變化（時(shí)序調(diào)節(jié)），并隨著內(nèi)外環(huán)境的變化而不斷加以修正（環(huán)境調(diào)控）。
原核生物的基因組和染色體結(jié)構(gòu)都比真核生物簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)錄和翻譯在同一時(shí)間和空間內(nèi)發(fā)生，基因表達(dá)的調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平。真核生物有細(xì)胞核結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄和翻譯過程在時(shí)間和空間上都被分隔開，且在轉(zhuǎn)錄和翻譯后都有復(fù)雜的信息加工過程，其基因表達(dá)的調(diào)控可以發(fā)生在各種不同的水平上。基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在信號(hào)傳導(dǎo)研究、轉(zhuǎn)錄因子研究及RNA剪輯3個(gè)方面。轉(zhuǎn)錄因子是一群能與基因5’端上游特定序列專一結(jié)合，從而保證目的基因以特定的強(qiáng)度在特定的時(shí)間與空間表達(dá)的蛋白質(zhì)分子。
  真核基因在結(jié)構(gòu)上的不連續(xù)性是近10年來生物學(xué)上的重大發(fā)現(xiàn)之一。當(dāng)基因轉(zhuǎn)錄成pre-mRNA后，除了在5’端加帽及3’端加多聚A[polyA]之外，還要將隔開各個(gè)相鄰編碼區(qū)的內(nèi)含子剪去，使外顯子（編碼區(qū)）相連后成為成熟mRNA。研究發(fā)現(xiàn)，有許多基因不是將它們的內(nèi)含子全部剪去，而是在不同的細(xì)胞或不同的發(fā)育階段有選擇地剪接其中部分內(nèi)含子，因此生成不同的mRNA及蛋白質(zhì)分子。

結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)
生物大分子的結(jié)構(gòu)功能研究（又稱結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)） 一個(gè)生物大分子，無論是核酸、蛋白質(zhì)或多糖，在發(fā)揮生物學(xué)功能時(shí)，必須具備兩個(gè)前提:首先，它擁有特定的空間結(jié)構(gòu)（三維結(jié)構(gòu)）；其次，在它發(fā)揮生物學(xué)功能的過程中必定存在著結(jié)構(gòu)和構(gòu)象的變化。結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)就是研究生物大分子特定的空間結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)變化與其生物學(xué)功能關(guān)系的科學(xué)。它包括結(jié)構(gòu)的測(cè)定、結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律的探索及結(jié)構(gòu)與功能相互關(guān)系的建立3個(gè)主要研究方向。最常見的研究三維結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的手段是X射線衍射的晶體學(xué)（又稱蛋白質(zhì)晶體學(xué)），其次是用二維核磁共振和多維核磁研究液相結(jié)構(gòu)，也有人用電鏡三維重組、電子衍射、中子衍射和各種頻譜學(xué)方法研究生物高分子的空間結(jié)構(gòu)。

分子生物學(xué)研究法

一、重組DNA技術(shù)發(fā)展史上的重大事件
1.40年代確定了遺傳信息的攜帶者，即基因的分子載體是DNA而不是蛋白質(zhì)，解決了遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)問題；
2.50年代提示了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型和半 保留復(fù)制機(jī)制,解決了基因的自我復(fù)制和世代交替問題；
3.50年代末至60年代，相繼提出了"中心法則"和操縱子學(xué)說,成功地破譯了遺傳密碼，充分認(rèn)識(shí)了遺傳信息的流動(dòng)和表達(dá)。
重組DNA技術(shù)歷史上的主要事件
年份  事 件
1869  F Miescher從萊茵河鮭魚精子中分離DNA。
1944 O.T. Avery證實(shí)DNA是遺傳物質(zhì)。
1952 A.D. Hershey和M.Chase再次證實(shí)和噬菌體的遺傳物質(zhì)是DNA。
1953 J.D.Watson和F.H.C.Crick提出DNA分子結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型。M.Wilkins用X-射線衍射法證實(shí)了這一結(jié)構(gòu)。
1957  A.Kornberg從大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)了DNA聚合酶I。
1958  M. Meselson和F. W. Stahl提出了DNA的半保留復(fù)制模型。
1959-1960  S. Ochoa發(fā)現(xiàn)RNA聚合酶和信使RNA，并證明mRNA決定了蛋白質(zhì)分子中的氨基酸序列。
1961 Nirenberg破譯了相遺傳密碼；F. Jacob和J. Monod提出了調(diào)節(jié)基因表達(dá)的操縱子模型。
1964  C. Yanofsky和S. Brenner等人證明，多肽鏈上的氨基酸序列與該基因中的核苷酸序列存在著共線性關(guān)系。
1965  S. W. Holley完成了酵母丙氨酸t(yī)RNA的全序列測(cè)定；科學(xué)家證明細(xì)菌的抗藥性通常由"質(zhì)粒"DNA所決定。
1966  M.W.Nirenberg，S.Ochoa、H.G.Khorana、F.H.C.Crick等人破譯了全部遺傳密碼。
1970 H.O.Smith，K.W.Wilcox和T.J.Kelley分離了種限制性核酸內(nèi)切酶。H.M.Temin和D.Baltimore從RNA腫瘤病毒中發(fā)現(xiàn)反轉(zhuǎn)錄酶。
1972-1973  H.Boyer，P.Berg等人發(fā)展了DNA重組技術(shù)，于72年獲得個(gè)重組DNA分子，73年完成例細(xì)菌基因克隆。
1975-1977  F.Sanger與A.Maxam、W.Gilbert等人發(fā)明了DNA序列測(cè)定技術(shù)。1977年完成了全長5387bp的噬菌體φ174基因組測(cè)定。
1978  在大腸桿菌中生產(chǎn)由人工合成基因表達(dá)的人腦激素和人胰島素。
1980 美國聯(lián)邦更高法院裁定微生物基因工程可以化。
1981 R. D. Palmiter和R. L. Brinster獲得轉(zhuǎn)基因小鼠；A. C. Spradling和G. M. Rubin得到轉(zhuǎn)基因果蠅。
1982 美、英批準(zhǔn)使用例基因工程藥物--胰島素；Sanger等人完成了入噬菌體48,502bp全序列測(cè)定。
1983  獲得例轉(zhuǎn)基因植物。
1984  斯坦福大學(xué)獲得關(guān)于重組DNA的。
1986  GMO在環(huán)境中釋放。
1988  J. D. Watson出任"人類基因組計(jì)劃"首席科學(xué)家。
1989 DuPont公司獲得轉(zhuǎn)腫瘤基因小氧--"Oncomouse"。
1992  歐共體35個(gè)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合完成酵母第三染色體全序列測(cè)定(315kb)
1994 批基因工程西紅柿在美國上市。
1996 完成了酵母基因組(1.25×107bp)全序列測(cè)定。
1997 英國愛丁堡羅斯林研究所獲得克隆羊。
基因工程中常見的名詞:
遺傳工程--genetic engineering，基因操作--gone manipulation，基因克隆--gone cloning，
重組DNA技術(shù)--recombinant DNA technology，分子克隆--molecular cloning。

基因工程的主要內(nèi)容或步驟:
1. 從生物有機(jī)體基因組中，分離出帶有目的基因的DNA片段。
2. 將帶有目的基因的外源DNA片段連接到能夠自我復(fù)制的并具有選擇記號(hào)的載體分子上，形成重組DNA分子。
3. 將重組DNA分子轉(zhuǎn)移到適當(dāng)?shù)氖荏w細(xì)胞（亦稱寄主細(xì)胞）并與之一起增殖。
4. 從大量的細(xì)胞繁殖群體中，篩選出獲得了重組DNA分子的受體細(xì)胞，并篩選出已經(jīng)得到擴(kuò)增的目的基因。
5. 將目的基因克隆到表達(dá)載體上，導(dǎo)入寄主細(xì)胞，使之在新的遺傳背景下實(shí)現(xiàn)功能表達(dá)，產(chǎn)生出人類所需要的物質(zhì)。

基因操作的主要技術(shù)原理
1．核酸的凝膠電泳(Agarose & Polyacrylamide)
將某種分子放到特定的電場(chǎng)中，它就會(huì)以一定的速度向適當(dāng)?shù)碾姌O移動(dòng)。某物質(zhì)在電場(chǎng)作用下的遷移速度叫作電泳的速率，它與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，與該分子所攜帶的凈電荷數(shù)成正比，而與分子的磨擦系數(shù)成反比（分子大小、極性、介質(zhì)的粘度系數(shù)等）。在生理?xiàng)l件下，核酸分子中的磷酸基團(tuán)是離子化的，所以，DNA和RNA實(shí)際上呈多聚陰離子狀態(tài)（Polyanions）。將DNA、RNA放到電場(chǎng)中，它就會(huì)由負(fù)極→正極移動(dòng)。 在凝膠電泳中，一般加入溴化乙錠（EB）--ethidium bromide染色，此時(shí)，核酸分子在紫外光下發(fā)出熒光，肉眼能看到約50ng DNA所形成的條帶。

2．核酸的分子雜交技術(shù)
在大多數(shù)核酸雜交反應(yīng)中，經(jīng)過凝膠電泳 分離的DNA或RNA分子，都是在雜交之前，通過毛細(xì)管作用或電導(dǎo)作用按其在凝膠中的位置原封不動(dòng)地"吸印" 轉(zhuǎn)移到濾膜上的。常用的濾膜有尼龍濾膜、硝酸纖維素濾膜，疊氮苯氧甲基纖維素濾紙（DBM）和二乙氨基乙基纖維素濾膜（DEAE）等。
核酸分子雜交實(shí)驗(yàn)包括如下兩個(gè)步驟：
將核酸樣品轉(zhuǎn)移到固體支持物濾膜上，這個(gè)過程特稱為核酸印跡(nucleic acid blotting)轉(zhuǎn)移，主要有電泳凝膠核酸印跡法、斑點(diǎn)和狹線印跡法(dot and slot blotting)、菌落和噬菌斑印跡法(colony and plaque blotting)；
將具有核酸印跡的濾膜同帶有放射性標(biāo)記或其它標(biāo)記的DNA或RNA探針進(jìn)行雜交。所以有時(shí)也稱這類核酸雜交為印跡雜交。

3．細(xì)菌的轉(zhuǎn)化
所謂細(xì)菌轉(zhuǎn)化，是指一種細(xì)菌菌株由于捕獲了來自另一種細(xì)菌菌株的DNA，而導(dǎo)致性狀特征發(fā)生遺傳改變的生命過程。這種提供轉(zhuǎn)化DNA的菌株叫做供體菌株，而接受轉(zhuǎn)化DNA的寄主菌株則稱做受體菌株。大腸桿菌是最廣泛使用的實(shí)驗(yàn)菌株。在加入轉(zhuǎn)化DNA之前，必須預(yù)先用CaCl2處理大腸桿菌細(xì)胞，使之呈感受態(tài)（Competent Cells）。Mg2+對(duì)維持外源DNA的穩(wěn)定性起重要作用，質(zhì)粒DNA中的抗生素是篩選標(biāo)記。
對(duì)絕大多數(shù)hsdR-，hsdM-突變體菌株（k12），每ug DNA可得107-108個(gè)轉(zhuǎn)化子

三、分子克隆技術(shù)

1、高質(zhì)量mRNA的制備
   應(yīng)用Promega PolyAT tract mRNA Isolation System分離Poly(A)RNA。將Biotinylated Oligo(dT)引物與細(xì)胞總RNA共溫育，加入與微磁球相連的Streptavidin，用磁場(chǎng)吸附與PMP相連的SA-Biotinylated Oligo(dT)-mRNA。
2．反轉(zhuǎn)錄成cDNA
可同時(shí)在反轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)中加入Oligo（dT）12-18-mer及隨機(jī)引物R6，以保證得到全長cDNA；
應(yīng)選用活性較高的反轉(zhuǎn)錄酶（Reverse transcriptase）；
應(yīng)選用甲基化dCTP；
應(yīng)保證所獲得雙鏈cDNA的方向性。

四、DNA的Microarray
只要事先除去高度及中等重復(fù)序列，任何DNA都可以被用于Microarray。最簡(jiǎn)單的例子是用機(jī)械手把極微量（nanoliters）的DNA點(diǎn)到玻片或其它載體上，照射UV light使之固定，用不同細(xì)胞周期發(fā)育階段的cDNA作探針系統(tǒng)性地研究細(xì)胞中任意時(shí)期特異表達(dá)的基因；若把某一生物體內(nèi)全部全部已知基因分別點(diǎn)到DNA微列陣或者基因芯片上，再用不同發(fā)育階段的cDNA與之雜交，就能了解某些基因?qū)μ囟ㄉL發(fā)育階段的重要性；基因芯片還可用于進(jìn)行基因診斷，可建立正常人特定組織、器官的基因芯片，給出標(biāo)準(zhǔn)雜交信號(hào)圖。用可疑病人的cDNA做探針與之雜交，檢查哪些基因的表達(dá)受抑制或激活。