硅藻分子生物学研究进展论文

随着时间生物学的兴起，时间诊断学、时间药理学、时间治疗学等学科也应运而生，掌握人体在不同周期内对各种疾病的影响的一般规律及特殊规律，则能更好地观察疾病，提高护理质量，这是当代科学和临床医疗工作对我们护理工作的新要求，我院将生物钟时间护理应用于临床10多年来，收到良好效果，下面就此问题作初步探讨：1 什么是生物钟自然界有四季昼夜变动节律，自然界的生物为了适应自然环境，就产生了与自然界变动节律同步的运动规律，生物体内主持自身运动节律的机制，就叫生物钟。生物的自身运动节律呈现一定的周期性，这种周期有日周期、月周期、年周期等不同，各种生物从简单的单细胞到复杂的多细胞，从低等动物到高等动物都表现有各种各样周期性的变化。生物自身运动节律是生物复杂存在的一种重要现象。例如：海边的浅滩上，生活着一种人们肉眼看不见的微小藻类—黄棕色硅藻。涨潮时在潮水淹没沙滩前，硅藻便钻入沙滩下层，而避免被潮水冲走；大潮退去时，它又移动到沙滩表面，在阳光照耀下进行光和作用。有人做过实验，把黄棕色硅藻迁移到没有昼夜交替和潮汐更迭的环境中，硅藻仍然和生活在沙滩上一样，周期性地上升或下潜，其时间准确，简直可以代替潮汐时间表。硅藻只有保持自身的运动节律与潮汐涨落同步，才能维持其生存，那么作为“万物之灵”的人类有无类似的生物节律呢？2 人体生物钟现象 近代研究发现，人体的生理活动随自然界的变化呈现出多种节律性，仅人体的昼夜节律就有数十种之多。例如人体的体温具有同太阳紧密相关的节律性变化，一日之中最高值为下午2～8时，最低值为清晨2～6时，其变动范围不超过0.5～1℃，这种昼夜节律的波动和人体活动、代谢、血液循环、呼吸的相应性变化有密切关系。如长期值夜班的工作人员，周期性波动常出现夜间体温较日间高，因而通常认为体温的节律是由人体的生理节律—“生物钟”来控制的。血压和血液中的白细胞数目，血糖含量、脉搏的快慢、激素的分泌、各种酶的活性、基础代谢率、睡眠觉醒周期、排尿量及尿中的特殊成份，以及人体对疾病的耐受性、对致病因子的抵抗力，对药物的敏感性等在昼夜间都有规律性的波动，科学家们普遍认为生物钟看起来是种复杂的生理过程，就某种意义来说是生物体内化学变化和物理变化的结果，人体内的环—磷酸腺苷（CAMP）和环—磷酸鸟苷（CGMP）是分子生物学中具有广泛调节功能的化合物，两者之间保持一定比例，调节着各种代谢，实验证明，CAMP和CGMP均有明显的昼夜节律变化，尿中CAMP高峰在3～5pm，CGMP高峰则在8pm~2am［1］，1974年美国学者Goldbery提出CAMP与CGMP可能有负反馈性控制，一般讲CAMP水平的升高对细胞的某些功能起加强或促进作用，而CGMP水平提高则产生减弱或抑制作用。人体心脏的搏动、细胞的分裂、基因的突变、转录，以及免疫功能等均与之有密切关系。 目前，有专家认为人体内的某些“生物钟”与下丘脑有关。如哈佛医学院的研究人员发现人体下丘脑中的一小串神经细胞是提示睡眠和觉醒的时钟。了解“生物钟”与人体的关系在疾病的观察治疗和护理方面具有一定的临床意义。3 “生物钟”与疾病治疗及时间护理关系3.1 生物钟与疾病发生有密切关系，有学者将致癌化学物质埋在动物的耳部，以诱发癌症，最初出现的症状是耳部皮肤有丝分裂节律丧失，这比耳部肿瘤出现的要早，可见生物节律的改变就意味着疾病的开始。还有些疾病表现出明显的周期性，例如：有一位因患震颤麻痹症而卧床不起的38岁的妇女，既不能行走也不能独立活动，但每日9pm左右她的一切疾病会暂时消失，行动自如，完全像个健康人一样［2］。如月经周期性精神病患者在月经前出现各种躁狂症状，月经过后多数即可消失。对这类患者，准确地掌握其月经周期，定出相应的护理措施是非常必要的。又如李某为哮喘型支气管炎患者，入院当日1：00时患者出现咳嗽、喘鸣、胸部紧迫坐起，伴面色苍白，口唇紫绀，即给予静脉推注氨茶碱后缓解，经询问患者在0：00～4：00时发作，据此除遵照医嘱于发病前2h给予支气管扩张剂外，还提前1～2h进行雾化吸入，采用半卧位等措施，使该患者夜间病情发作时得到控制，支气管哮喘发病率白天低于夜间，尤以下半夜发病率更高，从日生物钟角度分析，调节人体内脏活动的植物神经，具有一日内生理节奏。白天交感神经占优势，夜间副交感神经占优势，午夜前后是交感副交感神经兴奋与抑制，交替演变时期，在病理情况下，植物神经调节紊乱，机体承受不了时间节律的变化，难以应激而使哮喘发生或加重。从内分泌的变化来看，促肾上腺皮质激素的浓度在24h内呈节律性变化，血中17-羟皮质类固醇最低值在午夜到凌晨3：00时机体应激能力及防卫能力减弱，因此使病情加重。3.2 生物钟与药物作用的关系。药物的作用常出现昼夜节律变化，随之而出现的就是切实有效地实施时间护理，药物的吸收、代谢和排泄过程中，任何一种因素的昼夜规律都影响药物的效应。如心脏病患者在凌晨3：00～4：00时对洋地黄的敏感性比白天高，以凌晨4：00时最高，比其它时间要高40倍，所以这个时间给予强心甙类药物就势必要考虑到药物的剂量和毒副作用，但是人体卧位时间较长的肺组织，位于心脏水平以下，使肺充血量增多，对心力衰竭患者而言，此时心肺负担加重，因而易发生夜间阵发性呼吸困难，而下午4：00时口服洋地黄后，此时血药浓度正处于第二高峰时间，所以可使心力衰竭得到较好的纠正。如果夜间仍给白天同样剂量的药物，就可能引起洋地黄中毒；通过实验发现消炎痛的抗炎作用以早上8：00时给药最佳，晚上8：00时给药作用最弱，当然消炎痛作用强度，依赖于剂量的大小，但同样的剂量在早上8：00时比晚上8：00时给药，所产生的作用相差很大，而且消炎痛的副作用使患者更易耐受，不宜将每日总量平均分配服用，可考虑早晚分服，夜间酌增剂量疗效更好；肾上腺素皮质分泌具有昼夜节律性，清晨6：00峰值最高，而午夜最低，长期使用皮质激素类药物的患者，可致肾上腺皮质功能低下，因此把皮质激素的给药时间与人体生理节律同步化，即每日清晨将全日量一次给予或两日总量于隔日清晨一次给予，就可减轻对肾上腺皮质的抑制作用，取得最佳疗效。由此可见对于某些疾病使用某些药物时，一律按每日三次或4次的方法服药是不科学的，应该按照人体的昼夜节律给药，实施相应的时间护理，更为合理。

科学领域中任何一门学科的形成和发展，一般很难准确地说明它是何时、何人创始的。分子生物学的产生和发展，同其它学科一样，经历了漫长而艰辛的过程，逐步走向成熟而迅速发展的道路。 1871年，Lankester就提出，生物不同种属间的化学和分子差异的发现和分析，对确定系统发生的关系，要比总体形态学的比较研究更为重要。后来，随着德国、美国生理化学实验室的建立和生物化学杂志的创办，促进了生物化学的发展。当生物化学深入到研究生物大分子时， 1938年Weaver在写给洛克菲勒基金会的报告中，首次使用了分子生物学(molecular biology)一词。他写道：“在基金会给予支持的研究中，有一系列属于比较新的领域，可称之为分子生物学……”。一年以后，研究蛋白质结构的Astbury使用了这个名词，以后它变得越来越普遍。特别是在1953年，Watson和Crick发表了著名论文“脱氧核糖核酸的结构”以后，DNA双螺旋结构的发现，促进了遗传学、生物化学和生物物理学的结合，推动了分子生物学的形成和迅速发展，使生命科学全面地进入分子水平研究的时代，这是生物科学发展史上的重大里程碑。1956年剑桥医学研究委员会率先建立了分子生物学实验室，1959年创刊了《分子生物学》杂志，1963年成立了欧洲分子生物学国际组织，分子生物学从而成为崭新的独立学科，带动着生命科学迅猛发展，成为现代自然科学研究中的重要领域。 在分子生物学的形成和发展过程中，有许多重大的发现和事件，具体情况如下： 1864年：Hoope-Seyler结晶并命名了血红蛋白。 1869年：Mieseher第一次分离了DNA。 1871年：Lankester首先提出生物不同种属间的化学和分子差异的发现与分析，对确定系统发生的关系，要比总体形态学的比较研究更为重要。 1926年：Sumaer从刀豆的提取物中得到脲酶结晶，并证明此蛋白质结晶有催化活性。同年，Svedberg创建了第一台分析用超高速离心机，并用其测定了血红蛋白的相对分子质量约为6.8X104。 1931年：Pauling发表了他的第一篇关于“化学键特性”的论文，详细说明了共价键联结的规律。后来，又建立了处理生物分子的量子力学理论。 1934年：Bernal和Crowfoot发表了第一张胃蛋白酶晶体的详尽的X-射线衍射图谱。 1941年：Astbury获得了第一张DNA的X-射线衍射图谱。 1944年：Avery提供了在细菌的转化中，携带遗传信息的是DNA，而不是蛋白质的证据。实验证明，使无毒的R型肺炎双球菌转变成致病的S型，DNA是转化的基本要素。8年后，1952年，Hershey和Chase又用同位素示踪技术证明T2噬菌体感染大肠杆菌，主要是核酸进入细菌内，而病毒外壳蛋白留在细胞外。烟草花叶病毒的重建实验证明，病毒蛋白质的特性由RNA决定，即遗传物质是核酸而不是蛋白质。至此，DNA作为遗传物质才被普遍地接受。 1950年：Chargaff以不同来源DNA碱基组成的精确数据推翻了四核苷酸论，提出了Chargaff规则，即DNA的碱基组成有一个共同的规律，胸腺嘧啶的摩尔含量总是等于腺嘌呤的摩尔含量，胞嘧啶的摩尔含量总是等于鸟嘌呤的摩尔含量，即[A]＝[T]和[G]＝[C]。 1951年：Pauling和Corey应用X-射线衍射晶体学理论研究了氨基酸和多肽的精细空间结构，提出了两种有周期规律性的多肽结构学说，即alpha螺旋和B-折叠理论。 1953年：这是开创生命科学新时代的第一年，具有里程碑意义的是Watson和Crick发表了“脱氧核糖核酸的结构”的著名论文，他们在Franklin和Wilkins X-射线衍射研究结果的基础上，推导出DNA双螺旋结构模式，开创了生物科学的新纪元。同年，Sanger历经8年的研究，完成了第一个蛋白质一胰岛素的氨基酸全序列分析。 随后，1954年Gamnow从理论上研究了遗传密码的编码规律；1956年Volkin和Astrachan发现了mRNA(当时尚未用此名)；1958年，Hoagland等发现了tRNA在蛋白质合成中的作用；Meselson和Stahl应用同位素和超离心法证明DNA的半保留复制；Crick提出遗传信息传递的中心法则。 1960年：Marmur和Dory发现了DNA的复性作用，确定了核酸杂交反应的专一性和可靠性；Rich证明DNA-RNA杂交分子与核酸间的信息传递有关，开创了核酸实际应用的先河。与此同时，在蛋白质结构研究方面，Kendrew等得到了肌红蛋白0.2nm分辨率的结构，Perutz等得到了血红蛋白0.55nm分辨率的结构。 1961年：这是分子生物学发展不平凡的一年。Jacob和Monod提出操纵子学说，发表了蛋白质合成中遗传调节机理的论文，此论文被誉为是分子生物学中文笔优美的经典论文之一。同年，Brenner等获得mRNA的证据；Hall和Spiegelman证明T2 DNA和T2专一性RNA的序列互补；Crick等证明了遗传密码的通用性。 1962年：Arber提出第一个证据，证明限制性核酸内切酶的存在，导致以后对该类酶的纯化，并由Nathans和Smith应用于DNA图谱和序列分析。 1965年：Holley等采用重叠法首先测定了酵母丙氨酰-tRNA的一级结构，为广泛、深入地研究tRNA的高级结构奠定了基础。 1967年：Gellert发现了DNA连接酶，该酶将具有相同粘末端或者平末端的DNA片段连接在一起。同年，Philips及其同事确定了溶菌酶0.2nm分辨率的三维结构。 1970年：Temin和Baltimore几乎同时发现了反转录酶，证实了Temin 1964年提出的“前病毒假说”。在劳氏肉瘤病毒(RSV)感染以后，首先产生的是含有RNA病毒基因组全部遗传信息的DNA前病毒，子代病毒的RNA是以前病毒的DNA为模板进行合成的。反转录酶已成为目前分子生物学研究中的一个重要工具。 1972年～1973年：重组DNA时代到来。Berg、Boyer和Cohen等创建了DNA克隆化技术，在体外构建成具有生物学功能的细菌质粒，开创了基因工程新纪元。与此同时，Singer和Nicolson提出生物膜结构的液态镶嵌模型。 1975年：Southern发明了凝胶电泳分离DNA片段的印迹法；Gruustein和Hogness建立了克隆特定基因的新方法；O'Farrell发明了双向电泳分析蛋白质的方法，为分子生物学的深入发展创造了重要的技术条件；Blobel等报导了信号肽。 1976年：Bishop和Varmus发现动物肿瘤病毒的癌基因来源于细胞基因(即原癌基因)。 1977年：Berget等发现了“断裂”基因；Sanger、Maxam和Gilbert创立了“酶法”“化学法”测定DNA序列的方法，标志着分子生物学研究新时代的到来。 1979年：Solomon和Bodmer最先提出至少200个限制性片段长度多态性(RFLP)可作为连接人整个基因组图谱之基础。 1980年：Wigler等通过与某个选择性标志物共感染，从而把非选择性基因导入哺乳动物细胞；Cohen和Boyer获得一项克隆技术的美国专利。 1981年：Cech等发现四膜虫26S rRNA前体的自我剪接作用，随后又证明前体中的居间序列(intervening sequence，IVS)有五种酶的活力。几乎在同时，Altman从纯化的RNase P中，证明催化tRNA前体成熟的催化剂是RNase P中的RNA。具有催化作用RNA(ribozyme)的发现，促进了RNA研究的飞速发展。 1982年：Prusiner等在感染搔痒病的仓鼠脑中发现了朊病毒(prion)。 1983年：Herrera-Estrella等用Ti质粒作为转基因载体转化植物细胞获得成功。 1984年：McGinnis等发现果蝇、非洲爪蟾等同源异形基因中的同源异形盒(homeobox)的核苷酸序列；Schwartz和Cantor发明了脉冲梯度凝胶电泳法；Simons和Kleckner等发现了反义RNA。 1985年：Saiki等发明了聚合酶链式反应(PCR)；Sinsheimer首先提出人类基因组图谱制作计划的设想；Smith等报导了DNA测序中应用荧光标记取代同位素标记的方法；Miller等发现DNA结合蛋白的锌指结构。 1986年：Dryja等发现成视网膜细胞瘤(Rb)基因是一种抑癌基因；Robin等采用X-光晶相学，证实了DNA结合蛋白的螺旋-转角-螺旋结构。 1987年：Mirkin等在酸性溶液的质粒中发现三链DNA；Burke等用酵母人工染色体(YAC)作载体克隆了大片段DNA；Hoffman等确定了Dnchenne肌肉萎缩病灶的蛋白产物是萎缩素(dystrophin)；Hooper等和Kuehn等分别用胚基细胞进行哺乳动物胚的转基因操作，取得重大进展。 1988年：Landsehalz等在对CyC3(细胞色素C基因调节蛋白)、癌基因产物(MyC、V-jun、V-fos)和CBP(CCAAT盒结合蛋白)的研究过程中，发现了结合区亮氨酸序列的周期性，提出DNA结合蛋白的亮氨酸拉链结构模型；同年，Whyfe等证明癌的发生是癌基因的激活和抑癌基因失活的结果。 1989年：Greider等首先在纤毛原生动物中发现了端粒酶(telomerase)是以内源性RNA为模板的反转录酶；Hiatt等首次报导了在植物中亦可产生单克隆抗体。 1990年：人类基因组计划(HGP)全面正式启动；Simpson等发现了对mRNA前体编辑起指导作用的小分子RNA(guide RNA)；Sinclair等在人类Y染色体上发现了新的性别决定基因-SRY基因。 1991年：由欧洲共同体(EC)组织17个国家35个实验室的147位科学家，以手工测序为主要手段，首先完成了第一条完整染色体(酵母3号染色体)的315kb的测序工作；Hake等首次报导在植物中发现含有同源异形盒基因；Blackburn等提出调节聚合序列[通式为(T/A)mGn，m＝124，n＝1~8]的单链DNA可形成分子内或分子间的四螺旋结构，起着稳定染色体的作用。 1993年：Jurnak等在研究果胶酸裂解酶时，发现一种新的蛋白质结构-平行B螺旋(parallel B helix)；Yuan等在哺乳类细胞内发现一种参与调节细胞凋亡并具有剪切作用的蛋白质-IL-1B转换酶(interlukin-1B-convertingenzyme，ICE)。 1994年：日本科学家在((Nature Genetics》上发表了水稻基因组遗传图；Wilson等用3年时间完成了线虫(Celegans)3号染色体连续的2.2Mb的测定，预示着百万碱基规模的DNA序列测定时代的到来。 1995年：Cuenoud等发现了具有酶活性的DNA；Tu等在E.coli中发现了具有转运与信使双功能的RNA-10 Sa RNA。 1996年：Lee等首次报导了酵母转录因子GCN4中的氨基酸片段能自动催化合成自我复制的肽；洪国藩等采用“指纹-锚标”战略构建了高分辨率的水稻基因组物理图谱，DNA片段的长度为120kb；Goffeau等完成了酵母基因组DNA全序列(1.25X10 7bp)的测定。 1997年：Wilmut等首次不经过受精，用成年母羊体细胞的遗传物质，成功地获得克隆羊-多莉(Dolly)；Willard等首次构建了人染色体(HACs)；Salishury等发现DNA一种新的结构形式-四显性组合，这可能是基因交换期间DNA联结的一种方式。 1998年：Renard等用体细胞操作获得克隆牛-Marguerife，再次证明从体细胞可克隆出遗传上完全相同的哺乳动物；GeneBank公布了最新人的“基因图谱98'’，代表了30181条基因定位的信息；Venter对人类基因组计划提出新的战略-全基因组随机测序，毛细管电泳测序仪启动。 从以上所述分子生物学的发展中，可以看出20世纪是以核酸的研究为核心，带动着分子生物学向纵深发展。50年代的双螺旋结构，60年代的操纵子学说，70年代的DNA重组，80年代的PCR技术，90年代的DNA测序都具有里程碑的意义，将生命科学带向一个由宏观到微观再到宏观，由分析到综合的时代。