【知识拓展】
詹姆斯·沃森（1928-）Watson，James Dewey，美国生物学家，美国科学院院士。1928年4月6日生于芝加哥。
1947年毕业于芝加哥大学，获学士学位，后进印第安纳大学研究生院深造，1950年获博士学位后去丹麦哥本哈根大学从事噬菌体的研究，1951-1953年在英国剑桥大学卡文迪什实验室进修，1953年回国，1953-1955年在加州理工大学工作，1955年去哈佛大学执教，先后任助教和副教授，1961年升为教授。在哈佛期间，主要从事蛋白质生物合成的研究。
1968年起任纽约长岛冷泉港实验室主任，主要从事肿瘤方面的研究。1951-1953年在英国期间，他和英国生物学家F.H.C.克里克合作，提出了DNA的双螺旋结构学说。这个学说不但阐明了DNA的基本结构，并且为一个DNA分子如何复制成两个结构相同DNA分子以及DNA怎样传递生物体的遗传信息提供了合理的说明。
它被认为是生物科学中具有革命性的发现，是20世纪最重要的科学成就之一。由于提出DNA的双螺旋模型学说，沃森和克里克及M.H.F.威尔金斯一起获得了1962年诺贝尔生理学或医学奖。著有《基因的分子生物学》、《双螺旋》等书。此外，他还获得了许多科学奖和不少大学的荣誉学位。
2.对蛋白质结构与功能的进一步认识
1956-1958年，Anfinsen和White根据对酶蛋白的变性和复性实验，提出蛋白质的三维空间结构是由其氨基酸序列来确定的。1958年，Ingram证明正常的血红蛋白与镰刀状细胞溶血症病人的血红蛋白之间，亚基的肽链上仅有一个氨基酸残基的差别，使人们对蛋白质一级结构影响功能有了深刻的印象。与此同时，对蛋白质研究的手段也有改进，1969年Weber开始应用SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳测定蛋白质分子量；60年代先后分析了血红蛋白、核糖核酸酶A等一批蛋白质的一级结构；1973年氨基酸序列自动测定仪问世。中国科学家在1965年人工合成了牛胰岛素；在1973年用X-衍射分析法测定了牛胰岛素的空间结构，为认识蛋白质的结构作出了重要贡献。
（三）深入发展阶段
70年代后，以基因工程技术的出现作为新的里程碑，标志着人类深入认识生命本质并能动改造生命的新时期开始。其间的重大成就包括：
1.重组DNA技术的建立和发展
分子生物学理论和技术发展的积累使得基因工程技术的出现成为必然。1967-1970年，Yuan和Smith等发现的限制性核酸内切酶为基因工程提供了有力的工具；1972年，Berg等将SV-40病毒DNA与噬菌体P22DNA在体外重组成功，转化大肠杆菌，使本来在真核细胞中合成的蛋白质能在细菌中合成，打破了种属界限；1977年，Boyer等首先将人工合成的生长激素释放抑制因子14肽的基因重组入质粒，成功地在大肠杆菌中合成得到14肽；1978年，Itakura（板仓）等使人生长激素191肽在大肠杆菌中表达成功；1979年，美国基因技术公司用人工合成的人胰岛素基因重组转入大肠杆菌中合成人胰岛素。至今我国已有人干扰素、人白介素2、人集落刺激因子、重组人乙型肝炎疫苗、基因工程幼畜腹泻疫苗等多种基因工程药物和疫苗进入生产或临床试用，世界上还有几百种基因工程药物及其他基因工程产品在研制中，成为当今农业和医药业发展的重要方向，将对医学和工农业发展作出新贡献。
转基因动植物和基因剔除动植物的成功是基因工程技术发展的结果。1982年，Palmiter等将克隆的生长激素基因导入小鼠受精卵细胞核内，培育得到比原小鼠个体大几倍的“巨鼠”，激起了人们创造优良品系家畜的热情。我国水生生物研究所将生长激素基因转入鱼受精卵，得到的转基因鱼的生长显著加快、个体增大；转基因猪也正在研制中。用转基因动物还能获取治疗人类疾病的重要蛋白质，导入了凝血因子Ⅸ基因的转基因绵羊分泌的乳汁中含有丰富的凝血因子Ⅸ，能有效地用于血友病的治疗。在转基因植物方面，1994年比普通西红柿保鲜时间更长的转基因西红柿投放市场，1996年转基因玉米、转基因大豆相继投入商品生产，美国最早研制得到抗虫棉花，我国科学家将自己发现的蛋白酶抑制剂基因转入棉花获得抗棉铃虫的转基因植物。到2008年全世界已有1.25亿公顷土地种植转基因植物。
基因诊断与基因治疗是基因工程在医学领域发展的一个重要方面。1991年美国向一患先天性免疫缺陷病（遗传性腺苷脱氨酶ADA基因缺陷）的女孩体内导入重组的ADA基因，获得成功。我国也在1994年用导入人凝血因子Ⅸ基因的方法成功治疗了乙型血友病的患者。在我国用作基因诊断的试剂盒已有近百种之多。基因诊断和基因治疗正在发展之中。
这时期基因工程的迅速进步得益于许多分子生物学新技术的不断涌现，包括：核酸的化学合成从手工发展到全自动合成，1975-1977年Sanger、Maxam和Gilbert先后发明了三种DNA序列的快速测定法；90年代全自动核酸序列测定仪的问世；1985年Cetus公司Mullis等发明的聚合酶链式反应（PCR）的特定核酸序列扩增技术，更以其高灵敏度和特异性被广泛应用，对分子生物学的发展起到了重大的推动作用。
【知识拓展】
保罗·伯格（Paul Berg），1926年出生于美国纽约，父亲是服装制作商。因第二次世界大战期间加入美国海军而中断了宾夕法尼亚州立大学的学业，战争结束后重返大学，1948年从宾夕法尼亚大学毕业，获生物化学学士；1952年获凯斯西部大学生物化学博士。1959年后在斯坦福大学任教。70年代初，伯格与他的同事们利用限制性内切酶将细菌与病毒的基因连接在一起，首次实现用两个不同物种重组DNA，为基因工程奠定了基础。这一成就在治疗多种遗传性疾病及药物制造方面有巨大的使用价值。1980年获诺贝尔化学奖。
2.基因组研究的发展
目前分子生物学已经从研究单个基因发展到研究生物整个基因组的结构与功能。1977年，Sanger测定了ΦX174-DNA全部5375个核苷酸的序列；1978年，Fiers等测出SV-40DNA全部5224对碱基序列；80年代λ噬菌体48502碱基对的DNA序列全部测出；一些小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因组的全序列也陆续被测定；1996年底，许多科学家共同努力测出了大肠杆菌基因组DNA的全序列长4×106碱基对。测定一个生物基因组核酸的全序列无疑对理解这一生物的生命信息及其功能有极大的意义。1990年，人类基因组计划（Human Genome Project，HGP）开始实施，这是生命科学领域有史以来全球性最庞大的研究计划，将在2005年时测定出人基因组全部DNA3×109碱基对的序列、确定人类约5~10万个基因的一级结构，这将使人类能够更好地掌握自己的命运。
3.单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展1975年，Kohler和Milstein首次用B淋巴细胞杂交瘤技术制备出单克隆抗体以来，人们利用这一细胞工程技术研制出多种单克隆抗体，为许多疾病的诊断和治疗提供了有效的手段。80年代以后随着基因工程抗体技术而相继出现的单域抗体、单链抗体、嵌合抗体、重构抗体、双功能抗体等为广泛和有效地应用单克隆抗体提供了广阔的前景。
4.基因表达调控机理
分子遗传学基本理论建立者Jacob和Monod最早提出的操纵元学说打开了人类认识基因表达调控的窗口。在分子遗传学基本理论建立的60年代，人们主要认识了原核生物基因表达调控的一些规律，70年代以后才逐渐认识了真核基因组结构和调控的复杂性。1977年最先发现猴SV40病毒和腺病毒中编码蛋白质的基因序列是不连续的，这种基因内部的间隔区（内含子）在真核基因组中是普遍存在的，揭开了认识真核基因组结构和调控的序幕。
1981年，Cech等发现四膜虫rRNA的自我剪接，从而发现核酶（ribozyme）。80-90年代，人们逐步认识到真核基因的顺式调控元件与反式转录因子、核酸与蛋白质间的分子识别与相互作用是基因表达调控根本所在。
5.细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域细胞信号转导机理的研究可以追溯至50年代。1957年发现CAMP、1965年提出第二信使学说，是人们认识受体介导的细胞信号转导的第一个里程碑。1977年Ross等用重组实验证实G蛋白的存在和功能，将G蛋白与腺苷环化酶的作用联系起来，深化了对G蛋白偶联信号转导途径的认识。70年代中期以后，癌基因和抑癌基因的发现、蛋白酪氨酸激酶的发现及其结构与功能的深入研究、各种受体蛋白基因的克隆和结构功能的探索等，使近10年来细胞信号转导的研究有了长足的进步。目前，对于某些细胞中的一些信号转导途径已经有了初步的认识，尤其是在免疫活性细胞对抗原的识别及其活化信号的传递途径方面和细胞增殖控制方面等都形成了一些基本的概念，当然要达到最终目标还需相当长时间的努力。
以上简要介绍了分子生物学的发展过程，可以看到在近半个世纪中它是生命科学范围发展最为迅速的一个前沿领域，推动着整个生命科学的发展。至今分子生物学仍在迅速发展中，新成果、新技术不断涌现，这也从另一方面说明分子生物学发展还处在初级阶段。分子生物学已建立的基本规律给人们认识生命的本质指出了光明的前景，但分子生物学的历史还短，积累的资料还不够。例如：在地球上千姿万态的生物携带庞大的生命信息，迄今人类所了解的只是极少的一部分，还未认识核酸、蛋白质组成生命的许多基本规律；又如：即使我们已经获得人类基因组DNA 3×109bp的全序列，确定了人的3~5万个基因的一级结构，但是要彻底搞清楚这些基因产物的功能、调控、基因间的相互关系和协调，要理解90％以上不为蛋白质编码的序列的作用等等，都还要经历漫长的研究道路。因此可以说，分子生物学的发展前景光辉灿烂，道路还会艰难曲折。
【知识拓展】
核酸体外扩增最早的设想
20世纪60年代末、70年代初人们致力于研究基因的体外分离技术，1971年，Khorana及其同事提出：“经过DNA变性，与合适引物杂交，用DNA聚合酶延伸引物，并不断重复该过程便可克隆tRNA基因。”但由于当时很难进行测序和合成寡核苷酸引物，且当时（1970年）Smith等发现了DNA限制性内切酶，使体外克隆基因成为可能，所以，使Khorana等的早期设想被人们遗忘。
聚合酶链反应的发明
直到1985年，美国PE-Cetus公司的人类遗传研究室Mullis等人才发明了具有划时代意义的聚合酶链反应（Polymerase Chain Reaction，PCR），使人们梦寐以求的体外无限扩增核酸片段的愿望成为现实。1993年，Mullis等人因发明PCR而获得了诺贝尔化学奖。
PCR技术原理
PCR，Polymerase Chain Reaction，中文译为聚合酶链反应，是实验室广泛应用的体外核酸扩增技术。聚合酶是一种天然产生的酶，一种能催化DNA形成和修复的生物大分子。
链反应使你要的DNA可以指数形式扩增。PCR扩增能力十分惊人。理论上讲，经30次循环反应，便可使DNA得到109倍的增加。
PCR技术正是模拟体内DNA的复制。体内DNA复制需要DNA双链打开，RNA聚合酶合成一段引物，DNA聚合酶利用DNTP，以亲本DNA链为模板，通过碱基配对原则进行复制，得到两份DNA拷贝。在体内，DNA复制只发生在细胞分裂的特定时期，而且只复制一次，有着严格的调控机制，才得以保证子代细胞中均有一份拷贝。而体外的DNA扩增可以“随心所欲”。一般意义上，我们可以得到109拷贝。在高温的条件下，作为模板的DNA双链会变性成为单链，当有合适的引物存在时，降低温度，引物就会与模板进行特异性配对，这样，如果再加上DNA聚合酶的催化作用，那么利用DNTP为原料就可以合成一份拷贝，然后再高温变性，低温退火，延伸，如此循环反复，可以使DNA片段以指数倍增加。
所以，我们形象地将PCR仪称为“循环烤箱”，将加有模板、dNTP、DNA聚合酶、Mg2+混合液的试管放入PCR仪中，设定程序。标准的PCR过程分为三步：1.DNA变性（90℃~96℃）：双链DNA模板在热作用下，氢键断裂，形成单链DNA；2.退火（25℃~65℃）：系统温度降低，引物与DNA模板结合，形成局部双链；3.延伸（70℃~75℃）：在Taq酶（一种耐高温的DNA聚合酶，在72℃左右具有最佳的活性）的作用下，以DNTP为原料，从引物的5'端→3'端延伸，合成与模板互补的DNA链。每一循环经过变性、退火和延伸，DNA含量即增加一倍。
