第一章基因工程概述-PowerPointPresent

1、基因工程基因工程平时成绩平时成绩20%闭卷考试闭卷考试 80%名词解释名词解释 20%出勤出勤课堂表现课堂表现填空题填空题 20%选择题选择题 20%100%判断题判断题 10%问答题问答题 30%主要参考资料主要参考资料n王关林等王关林等. 植物基因工程植物基因工程.科学出版社。科学出版社。 n吴乃虎等吴乃虎等. 基因工程原理基因工程原理.科学出版社。科学出版社。 生物技术通报生物技术通报 中国生物工程杂志中国生物工程杂志 农业生物技术学报农业生物技术学报 生物工程学报生物工程学报 生物技术生物技术 遗传遗传 Molecular genetics and genomics Animal bi

2、otechnology Nature genetics Plant cell Science Nature第一章第一章 基因工程概述基因工程概述第二章第二章 基因工程的载体和工具酶基因工程的载体和工具酶第三章第三章 基因的常规技术基因的常规技术第四章第四章 基因在大肠杆菌、酵母中的高效表达基因在大肠杆菌、酵母中的高效表达第五章第五章 转基因植物转基因植物第六章第六章 转基因动物转基因动物第七章第七章 基因治疗基因治疗第一章第一章 基因工程概述基因工程概述第一节第一节 基因工程的诞生和发展基因工程的诞生和发展第二节第二节 基因工程的研究内容基因工程的研究内容第三节第三节 基因工程的成就和前景展望

3、基因工程的成就和前景展望第一节第一节 基因工程的诞生和发展基因工程的诞生和发展一、基因一、基因泛基因阶段泛基因阶段 顺反子阶段顺反子阶段 摩尔根的基因阶段摩尔根的基因阶段 孟德尔遗传因子阶段孟德尔遗传因子阶段 现代基因阶段现代基因阶段 基因的研究基因的研究Mendel G.J. (1822-1884). 1856-1864豌豆杂交实验。豌豆杂交实验。MendelMendel的遗传因子阶段的遗传因子阶段1866年发表论文，提出分离年发表论文，提出分离规律和独立分配规律规律和独立分配规律1900年年Mendel遗传规律被遗传规律被重新发现重新发现遗传学的元年遗传学的元年Mendel提出：生物的某提

4、出：生物的某种性状是由遗传因子负责种性状是由遗传因子负责传递的。是颗粒性的，体传递的。是颗粒性的，体细胞内成双存在，生殖细细胞内成双存在，生殖细胞内成单存在。遗传因子胞内成单存在。遗传因子是决定性状的抽象符号。是决定性状的抽象符号。1909年丹麦遗传学家年丹麦遗传学家Yohannsen (1859-1927)发表了发表了“纯系学说纯系学说”首首先提出了先提出了“基因基因”的概的概念，代替了念，代替了Mendel “遗传因子遗传因子” 的的 概念。概念。但没有提出基因的物质但没有提出基因的物质概念。概念。Morgan的基因阶段的基因阶段1910年以后，年以后，Morgan T.H.等提出了基因的

5、连锁遗传等提出了基因的连锁遗传规律。说明了基因是在染色体上占有一定空间的实体。规律。说明了基因是在染色体上占有一定空间的实体。基因不再是抽象符号，被赋予物质内涵。基因不再是抽象符号，被赋予物质内涵。连锁遗传规律的提出连锁遗传规律的提出顺反子阶段顺反子阶段19571957年，本泽尔（年，本泽尔（Seymour Seymour BenzerBenzer）以以T4T4噬菌体为材料，在噬菌体为材料，在DNADNA分子水平上研分子水平上研究基因内部的精细结构，提出了顺反子究基因内部的精细结构，提出了顺反子（cistroncistron）概念。概念。顺反子是顺反子是1 1个遗传功能单位，个遗传功能单位，1

6、 1个个顺反子决定顺反子决定1 1条多肽链。条多肽链。 现代基因阶段现代基因阶段 1操纵子 （启动基因操纵基因结构基因）（启动基因操纵基因结构基因）现代基因阶段现代基因阶段2跳跃基因跳跃基因 指指DNA能在有机体的染色体组内从能在有机体的染色体组内从1个地方跳到另一个地方，个地方跳到另一个地方，它们能从它们能从1个位点切除，然后插入同一或不同染色体上的另一个个位点切除，然后插入同一或不同染色体上的另一个位置。位置。3断裂基因断裂基因 1个基因被间隔区分成不连续的若干区段，这种编码序列不个基因被间隔区分成不连续的若干区段，这种编码序列不连续的间断基因被称为断裂基因。连续的间断基因被称为断裂基因。

7、4 4假基因假基因 不能合成出功能蛋白质的失活基因不能合成出功能蛋白质的失活基因 。5 5重叠基因重叠基因 不同基因的核苷酸序列有时是可以共用的不同基因的核苷酸序列有时是可以共用的 即重叠的。即重叠的。现代对基因的定义是现代对基因的定义是DNA分子中含有特定遗传信息的分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。一段核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。 一般认为一般认为1973年是基因工程诞生的元年年是基因工程诞生的元年（S. Cohen等获得了卡那霉素和四环素双抗性的转化子菌落等获得了卡那霉素和四环素双抗性的转化子菌落)理论上的理论上的三大发现三大发现和技术上的和技术上

8、的三大发明三大发明对于对于基因工程的诞生基因工程的诞生起到了决定性的作用。起到了决定性的作用。二、二、 基因工程的诞生基因工程的诞生1944年，年，Avery O.T.利用肺炎双球菌转化实验利用肺炎双球菌转化实验1、DNA是遗传物质被证实是遗传物质被证实40年代，年代，DNA是遗传物质被证实是遗传物质被证实1944年，美国洛克菲勒研究所的年，美国洛克菲勒研究所的Oswald Avery等公等公开发表了改进的肺炎双球菌实验结果。开发表了改进的肺炎双球菌实验结果。 （1） S型菌细胞提取物及其型菌细胞提取物及其纯化的纯化的DNA都可使都可使R型菌转变成型菌转变成S型菌；型菌； （2）经）经DNas

9、e 处理的处理的S型菌细胞提取物失去了型菌细胞提取物失去了转化作用。转化作用。 （3）经）经胰蛋白酶胰蛋白酶处理的处理的S型菌细胞提取物仍有型菌细胞提取物仍有转化作用。转化作用。 不仅证实了不仅证实了DNA是遗传物质，而且证明了是遗传物质，而且证明了DNA可以将一个细菌的性状转给另一个细菌，他的工作可以将一个细菌的性状转给另一个细菌，他的工作被称为是被称为是现代生物科学的革命性开端现代生物科学的革命性开端。Watson 和和Crick2、DNA双螺旋模型的提出双螺旋模型的提出50年代，年代，DNA的双螺旋模型的提出的双螺旋模型的提出和和DNA复制机理的阐明复制机理的阐明 DNA是遗传物质已被证

10、实，但是是遗传物质已被证实，但是DNA是怎样携是怎样携带并传递遗传信息的？在细胞增殖过程中，带并传递遗传信息的？在细胞增殖过程中，DNA是是怎样复制的？因此，对于怎样复制的？因此，对于DNA结构的研究成为了当结构的研究成为了当时生物学家研究的热点。时生物学家研究的热点。 1953年，年，Francis Crick和和James Watson搜集了搜集了力所能及的资料，提出了力所能及的资料，提出了DNA的双螺旋模型。的双螺旋模型。随后，随后，DNA的的半保留复制半保留复制和和半不连续半不连续复制机理也被阐明，复制机理也被阐明，为基因工程的诞生奠定了坚实的理论基础。为基因工程的诞生奠定了坚实的理论

11、基础。 Nireberg等为代表的等为代表的一批科学家一批科学家3、“中心法则中心法则”和和“操纵子学说操纵子学说”的提的提出出60年代，确定了遗传信息的传递方式年代，确定了遗传信息的传递方式（中心法则）（中心法则） 既然，既然，DNA是遗传信息的载体，那么它是如何传递遗传是遗传信息的载体，那么它是如何传递遗传信息的呢？遗传信息又是如何控制生物的表型性状的呢？信息的呢？遗传信息又是如何控制生物的表型性状的呢？以以Nireberg等为代表的一批科学家等为代表的一批科学家经过艰苦的努力，确定了经过艰苦的努力，确定了遗传信息以密码方式传递，每三个核苷酸组成一个密码子，遗传信息以密码方式传递，每三个核

12、苷酸组成一个密码子，代表一个氨基酸，到代表一个氨基酸，到1966年，全部破译了年，全部破译了64个密码子，并提个密码子，并提出了遗传信息传递的出了遗传信息传递的“中心法则中心法则”。 原核生物的基因调控操纵子模型原核生物的基因调控操纵子模型1961年，年，Jacques Monod和和 Fancois Jacob提出了原核基因调控的提出了原核基因调控的操纵子模型操纵子模型（operon model）。）。1970年年Smith等分离并纯化了限制性核酸内切酶等分离并纯化了限制性核酸内切酶Hind II， 1972年，年，H.W.Boyer等相继发现了等相继发现了coR I 一类重要的限一类重要的

13、限制性内切酶。制性内切酶。 4、工具酶的发现和应用、工具酶的发现和应用1967年，世界上有五个实验室几乎同时发现年，世界上有五个实验室几乎同时发现DNA连连接酶，特别是接酶，特别是1970年年H.G.Khorana等发现的等发现的T4 DNA连接酶具有更高的连接活性。连接酶具有更高的连接活性。4、工具酶的发现和应用、工具酶的发现和应用1970年，年，Baltimore等和等和Temin等在等在RNA肿瘤病毒中各自发肿瘤病毒中各自发现了反转录酶，完善了中心法则，用于构建现了反转录酶，完善了中心法则，用于构建cDNA 文库。文库。4、工具酶的发现和应用、工具酶的发现和应用载体主要是小分子量的复制子

14、如：病毒、噬菌体、质粒。载体主要是小分子量的复制子如：病毒、噬菌体、质粒。1972年，美国年，美国Stanford大学的大学的P. Berg 等首次成功地实现了等首次成功地实现了DNA的体外重组；的体外重组；5、载体的发现及其应用、载体的发现及其应用SV40噬菌体噬菌体Eco RIEco RIT4连接酶连接酶第一个重组分子第一个重组分子6、重组子导入受体细胞、重组子导入受体细胞技术1944年，肺炎链球菌被成功转化。年，肺炎链球菌被成功转化。1970年，大肠杆菌才被成功转化，得益于年，大肠杆菌才被成功转化，得益于CaCl2的应用的应用 1973年，年，Stanford大学的大学的Cohen等成功

15、地利用体外重组实等成功地利用体外重组实现了细菌间性状的转移。现了细菌间性状的转移。1973年被定为基因工程诞生的元年。年被定为基因工程诞生的元年。基因工程诞生基因工程诞生CohenCohen等的重组实验示意图等的重组实验示意图TcrNerEco RIEco RIT4连接酶连接酶TcrNer双抗重组菌落双抗重组菌落基因工程发展史上首次实现了重组基因工程发展史上首次实现了重组DNA的细菌转化的细菌转化pSC101质粒DNAR65质粒DNA第二节第二节 基因工程的研究内容基因工程的研究内容一、基因工程的概念一、基因工程的概念 在分子水平上，提取或合成不同生物的遗在分子水平上，提取或合成不同生物的遗传

16、物质，在体外进行切割、再和某一载体进传物质，在体外进行切割、再和某一载体进行拼接重组，然后再将重组的行拼接重组，然后再将重组的DNA导入宿主导入宿主细胞内，最后实现目的基因稳定复制和表达细胞内，最后实现目的基因稳定复制和表达的过程。的过程。 一、基因工程的概念一、基因工程的概念生物工程生物工程 biological engineering遗传工程遗传工程 genetic engineering基因工程基因工程 gene engineering分子克隆分子克隆 molecular cloning基因克隆基因克隆 gene cloning基因操作基因操作 gene manipulation重组重组

17、DNA技术技术 recombinant DNA technique二、基因工程研究的基本步骤二、基因工程研究的基本步骤1 1、从生物体中分离得到目的基因（或、从生物体中分离得到目的基因（或DNADNA片段）片段）2 2、在体外，将目的基因插入能自我复制的载体中得到、在体外，将目的基因插入能自我复制的载体中得到 重组重组DNADNA分子。分子。3 3、将重组、将重组DNADNA分子导入受体细胞中，并进行繁殖。分子导入受体细胞中，并进行繁殖。4 4、选择得到含有重组、选择得到含有重组DNADNA分子的细胞克隆，并进行大量分子的细胞克隆，并进行大量 繁殖，从而使得目的基因得到扩增。繁殖，从而使得目的

18、基因得到扩增。5 5、进一步对获得的目的基因进行研究和利用。比如，、进一步对获得的目的基因进行研究和利用。比如， 序列分析、表达载体构建、原核表达以及转基因研究序列分析、表达载体构建、原核表达以及转基因研究 和利用等。和利用等。三、基因工程的基本流程三、基因工程的基本流程基因分基因分离酶切离酶切载体酶切载体酶切基因和载基因和载体连接体连接导入细菌导入细菌重组质粒繁殖重组质粒繁殖重组克隆的选择重组克隆的选择序列分析和基序列分析和基因表达等研究因表达等研究导入导入植物植物细胞细胞第三节第三节 基因工程的成就和研究进展基因工程的成就和研究进展成就：成就：q在医药领域在医药领域q在农业领域在农业领域q

19、在工业领域在工业领域研究进展：研究进展：主要讲中国的主要讲中国的医药领域医药领域1977年，激素抑制素的发酵生产成功年，激素抑制素的发酵生产成功。Itakara等，等，化学合成的激素抑制素基因和大肠杆菌化学合成的激素抑制素基因和大肠杆菌 -半乳糖（苷）半乳糖（苷）激酶基因插入到激酶基因插入到PBR322中得到重组质粒，并通过大中得到重组质粒，并通过大肠杆菌生产出含有激素抑制素的嵌合型蛋白，经溴肠杆菌生产出含有激素抑制素的嵌合型蛋白，经溴化氰处理后释放出了有生物活性的激素抑制素。化氰处理后释放出了有生物活性的激素抑制素。首首次实现了真核基因的原核表达。用价值几美元的次实现了真核基因的原核表达。用

20、价值几美元的9升升培养液生产出培养液生产出50毫克的生物活性物质，这相当于毫克的生物活性物质，这相当于50万头羊脑的提取量。万头羊脑的提取量。1978年，年， Goeddel等，人胰岛素的发酵生产成功。等，人胰岛素的发酵生产成功。1979年，年， Goeddel等，又在大肠杆菌中成功表达了人生等，又在大肠杆菌中成功表达了人生长激素基因。长激素基因。1980年，年， Nagata等，等， 遗传工程菌生产干扰素获得成功。遗传工程菌生产干扰素获得成功。1981年，年， 用遗传工程菌生产的生物制剂包括动物口蹄疫用遗传工程菌生产的生物制剂包括动物口蹄疫疫苗、乙型肝炎病毒表面抗原及核心抗原、牛生长激素等。

21、疫苗、乙型肝炎病毒表面抗原及核心抗原、牛生长激素等。1982年，年， 重组重组DNA技术生产的药物技术生产的药物-人胰岛素进入商品化人胰岛素进入商品化生产。生产。1983年，年， 基因工程生产狂犬病疫苗取得突破型进展。基因工程生产狂犬病疫苗取得突破型进展。83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02FirsttransgenicplantDelay-ripening tomatoCommercialized in the USFirst field testsHerbicide resistant, insect res

22、istant plants commercializedGM maize approved by EU First Bt corn plants Rotting resistant tomato approved by FDA植物基因工程的发展迅速植物基因工程的发展迅速植物转基因育种的发展优势植物转基因育种的发展优势1 1、扩大了作物育种的基因库、扩大了作物育种的基因库 转基因育种转基因育种打破了打破了常规育种的常规育种的物种界限物种界限，来源于动植物和微生物的有用基因都，来源于动植物和微生物的有用基因都 可以导入作物，培育成具有某些特殊性状的新型作物品种。可以导入作物，培育成具有某些特殊性状

23、的新型作物品种。2 2、提高了作物育种的效率、提高了作物育种的效率 作物转基因育种不仅大大作物转基因育种不仅大大缩短育种年限缩短育种年限，而且可成功地改良某些单一性状却不，而且可成功地改良某些单一性状却不 影响改良品种的原有优良特性。影响改良品种的原有优良特性。3 3、减轻了农业生产对环境的污染、减轻了农业生产对环境的污染 转基因抗虫棉花的大面积种植和推广，不仅可以转基因抗虫棉花的大面积种植和推广，不仅可以减少减少化学杀虫剂化学杀虫剂对棉农及天敌对棉农及天敌 的伤害的伤害，而且可以大幅度降低用于购买农药和虫害防治的费用。另外，随着高，而且可以大幅度降低用于购买农药和虫害防治的费用。另外，随着高

24、 效固氮转基因作物及高效吸收土壤中磷元素等营养元素的转基因作物不断问世效固氮转基因作物及高效吸收土壤中磷元素等营养元素的转基因作物不断问世 和推广，和推广，农用化肥的利用率农用化肥的利用率将极大地将极大地提高提高，这对减少农田污染具有重要意义。，这对减少农田污染具有重要意义。4 4、拓宽了作物生产的范畴、拓宽了作物生产的范畴 各种有价值的各种有价值的蛋白产品蛋白产品都可以利用植物反应器进行高效生产，番茄、马铃薯、都可以利用植物反应器进行高效生产，番茄、马铃薯、 莴苣和香蕉等作物已被成功用于生产口服疫苗。另外，各种莴苣和香蕉等作物已被成功用于生产口服疫苗。另外，各种工业原料工业原料，比如纤，比如

25、纤 维素、海藻糖和可降解塑料等维素、海藻糖和可降解塑料等也可以用植物来生产。有人甚至预言，除了钢筋也可以用植物来生产。有人甚至预言，除了钢筋 混凝土之外，未来的转基因作物将可能生产出人类所需要的一切产品。混凝土之外，未来的转基因作物将可能生产出人类所需要的一切产品。01020304050199219931994199519961997199819992000资料来源：注释3全球转基因作物种植面积（百万公顷）全球转基因作物种植面积（百万公顷） 全球不同转基因作物和应用面积全球不同转基因作物和应用面积02040608019961997199819992000耐除草剂 抗虫（B t ）抗虫( B t

26、)/耐除草剂抗病毒资料来源：注释3全球转基因作物导入特性比例全球转基因作物导入特性比例 0816243219961997199819992000资料来源：注释3全球转基因作物销售收入（亿美元）全球转基因作物销售收入（亿美元） 植物基因工程研究植物基因工程研究植物基因组计划植物基因组计划植物分子育种植物分子育种高产、优质、高效和多抗性高产、优质、高效和多抗性植物作为反应器植物作为反应器香蕉、马铃薯、番茄等香蕉、马铃薯、番茄等水稻、玉米、棉花、大豆、高粱和番茄水稻、玉米、棉花、大豆、高粱和番茄酒精、石油、工业酶等酒精、石油、工业酶等工业领域工业领域q环保工业环保工业 能降解工业废品、农药残留等基因

27、工程菌的构建能降解工业废品、农药残留等基因工程菌的构建q酶制剂工业酶制剂工业 耐热、耐压、耐盐、耐溶剂的酶基因转化构建的耐热、耐压、耐盐、耐溶剂的酶基因转化构建的工程菌工程菌q食品工业食品工业 改善食品品质的转基因作物改善食品品质的转基因作物q化学与能源工业化学与能源工业生产乙醇、甘油、丙酮等的转基因生物生产乙醇、甘油、丙酮等的转基因生物我国基因工程部分研究进展我国基因工程部分研究进展l转基因抗病虫植物转基因抗病虫植物 我国科学家将抗虫基因导入棉花，获得我国科学家将抗虫基因导入棉花，获得了抗虫植株，对棉蛉虫的抗虫效果十分显著。了抗虫植株，对棉蛉虫的抗虫效果十分显著。抗黄矮病、赤霉病、白粉病转基因小麦和抗抗黄矮病、赤霉病、白粉病转基因小麦和抗青枯病马铃薯也已研究成功，开始田间加代青枯病马铃薯也已研究成功，开始田间加代繁殖。繁殖。l基因工程疫苗基因工程疫苗 乙型肝炎是危害我国人民健康的严乙型肝炎是危害我国人民健康的严重疾病，我国乙肝病毒携带者重疾病，我国乙肝病毒携带者1亿亿 1千万千万人，其中人，其中40左右的慢性肝炎可能发展左右的慢性肝炎可能发展成为肝硬化和原发肝癌。以往乙肝疫苗成为肝硬化和原发肝癌。以往乙肝疫苗是从人血清中提取，基因工程乙肝疫苗是从人血清中提取，基因工