基因工程的基本概念 基因工程的诞生 基因工程的内容 基因

基因工程生物工程专业核心课程授课教师:李京京GeneticEngineering1.基因工程概述2.基因工程的基础知识与基本技术3.基因工程所需基本条件4.基因工程的操作过程5.目的基因的获取6.克隆基因的表达7.转基因生物技术一、基因工程概述1基因工程的基本概念2基因工程的诞生3基因工程的研究内容4基因工程的应用5基因工程的安全性

A重组DNA技术的基本定义

重组DNA技术是指将一种生物体（供体）的基因与载体在体外进行拼接重组，然后转入另一种生物体（受体）内，使之按照人们的意愿稳定遗传并表达出新产物或新性状的DNA体外操作程序，也称为分子克隆技术。

因此，供体、受体、载体是重组DNA技术的三大基本元件。1基因工程的基本概念B基因工程的基本定义

基因工程是指重组DNA技术的产业化设计与应用，包括上游技术和下游技术两大组成部分。上游技术指的是基因重组、克隆和表达的设计与构建（即重组DNA技术）；而下游技术则涉及到基因工程菌或细胞的大规模培养以及基因产物的分离纯化过程。2基因工程的诞生A基因工程诞生的理论基础1)DNA是遗传物质肺炎双球菌转化实验,

1944年Avery，确定了基因的分子载体是DNA，而不是蛋白质。噬菌体转染实验,

1952年AlfredHershy和MarshaChase进一步证明遗传物质是DNA。2)DNA双螺旋结构1953年JamesD.Watson和FrancisH.C.Crick揭示了DNA分子的双螺旋结构和半保留复制机制。3)中心法则和遗传密码1957年Crick又提出了遗传信息传递的“中心法则”

DNA

RNA

protein1964年MarshallNirenberg和GobindKhorana等终于破译了64个遗传密码B基因工程诞生的技术突破1)限制性内切酶（restrictionenzymes）1970年H.O.Smith等分离出第一种限制性核酸内切酶。WernerArber理论预见限制酶HamiltonO.Smith得到第一个限制酶DanielNathans用限制酶切得SV40DNA片断2)DNA连接酶（ligase）1967年5个实验室几乎同时发现了DNA连接酶。3)载体（vector）1972年前后使用小分子量的细菌质粒和噬菌体作载体。在细菌细胞里的大量扩增。4)感受态体系1970年M.Mandel和A.Higa发现经过氯化钙处理的大肠杆菌容易吸收噬菌体DNA。1972年S.Cohen发现这种处理过的细菌同样能吸收质粒DNA。5））逆转录录酶1970年年Baltimore等人和和Temin等人同同时各各自发发现了了逆转转录酶酶。6））琼脂糖糖凝胶胶电泳泳1960s发明了了琼脂脂糖凝凝胶电电泳，，可将将不同同长度度的DNA分离离开。。7））DNA测序技技术1975年年F.Sanger、、A.Maxam和W.Gilbert发发明了了DNA快快速测测序技技术。。C基因工程的的诞生1）Berg的开创性实实验1972年斯坦福大大学的PaulBerg小组完成了了首次体外外重组实验验：将SV40的DNA片断与噬菌体的DNA片断断连接起来来。2）Boyer-Cohen实验1973年斯坦坦福大学学的S.Cohen小组将将含有卡那霉素素抗性基因的大大肠杆菌菌R6-5质粒粒与含有有四环素抗抗性基因的另另一种大大肠杆菌菌质粒pSC101连连接成重重组质粒粒，具有有双重抗药性。后来又把非洲洲爪蟾核糖体体基因片断同同pSC101质粒重组组，转化大肠肠杆菌，并在在菌体内成功功转录出相应应的mRNA。这是第一一次成功的基基因克隆实验验。Boyer-Cohen实验3基因工程程的研究内容容1）目的基因的获获取从复杂的生物物基因组中，，经过酶切消消化或PCR扩增等步骤，，分离出带有有目的基基因的DNA片断。。2））重组体体的制制备将目的的基因因的DNA片断插插入到到能自我复复制并带有有选择性性标记记（抗生生素抗抗性））的载体分子上上。3））重组体体的转转化将重组组体（（载体体）转入适当的的受体体细胞胞中。。4））克隆鉴鉴定挑选转化成成功的的细胞胞克隆隆（含含有目目的基基因））。5））目的基基因表表达使导入入寄主主细胞胞的目目的基基因表表达出出我们们所需需要的的基因因产物物。基因工程程基本过过程大鼠生长长激素基基因转入入小鼠4基因工程程的应用用A基基因工程程在医药药上的应应用1）基基因制制药通过DNA重组组技术将将天然存存在于人人体内起起着各种种生理功功能且含含量甚少少以至微微量的活活性多肽肽、蛋白白质、糖糖肽所编编码的基基因片断断导入微微生物或或哺乳动动物细胞胞中进行行扩增和和表达,通过纯纯化、提提取制备备出高纯纯度、高高活性的的生物有有效物质质.1976年，27岁的风险险投资人人RobertSwanson与UniversityofCalifornia的教授HerbBoyer共饮了几几杯啤酒酒，讨论论了基因因工程技技术的商商业前景景。讨论论结束时时，他们们决定建建立一个个公司，，并取名名为Genentech（GeneticEngineeringTechnology）。Genentech1982年,首次次批准重重组动物物疫苗----抗球虫虫病疫苗苗.1982年,第一一个基因因工程药药物----人人胰岛素素生产上上市.三大类基基因药物物产品:生物活性性多肽单克隆抗抗体疫苗2)基因治疗疗将正常的的外源基基因导入入靶细胞胞中以弥弥补靶细细胞所缺缺失或突突变的基基因、或或抑制异异常表达达的基因因。（仍在探探索阶段段）B基基因工程程在农业业生产中中的应用用1)提高植物物的光合合作用效效率（1）提高CO2的固定率率改变与光光合作用用有关的的酶的结结构和组组成（如如二磷酸酸核酮糖糖羧化酶酶）。（2）提高光光能吸收收率和转转化率改变光能能交换系系统的分分子的基基因结构构。2)提高豆科科植物的的固氮效效率使非固氮氮植物转转变为固固氮植物物或能与与根瘤菌菌共生固固氮。3)转基因植植物是农业生生物技术术的主要要内容。。是将克隆隆到的特特殊基因因导入受受体植物物，使之之增加一一些优质性状状（高产、、稳定、、优质、、抗虫、、抗病等等）。转基因植物特性申请单位马铃薯抗病毒中科院抗病中国农科院抗逆北京大学高营养品质北京大学水稻抗虫中科院抗病毒北京大学抗病农科院抗除草剂水稻所棉花抗虫中科院农科院美国孟山都公司玉米抗虫美国孟山都公司等大豆抗除草剂农科院小麦抗除草剂北京农林科学院高营养品质北京农林科学院番茄抗病北京大学耐储存中科院华中农大甜椒抗病北京大学辣椒抗病毒中科院烟草抗病毒北京大学抗虫中科院北京大学番木瓜抗病毒中国热带作物广藿香抗病农业科学学院矮牵牛改变花色北京大学杨树抗虫中科院微生物提高固氮效率中科院农科院华中农大广东微生物所4)转基因动动物将外源基基因导入入动物细细胞，并并在基因因组内稳稳定整合合，遗传传给后代代。改善善子代特特性;研研究遗传传性疾病病的动物物模型;使动动物成为为生物反反应器生生产有用用的活性性蛋白等等。C基基因工程程在工业业中的应应用1)纤维素的的开发利利用克隆各种种参与纤纤维素降降解的酶酶的基因因，导入入酿酒酵酵母，就就可能利利用廉价价的纤维维素来生生产葡萄萄糖，发发酵成酒酒。2)酿酒工业业用外源基基因改造造酿酒酵酵母，产产生优质质的啤酒酒。或用用酿酒酵酵母生产产蛋白质质等。D基基因工程程在环境境保护中中的应用用1)检测水污污染用重组细细菌或转转基因鱼鱼等检测测水污染染2)生物降解解用带有重重组质粒粒的“超级菌”分解油（（烷烃类类）、有有机农药药污染。。5基因因工程的的安全性性A基基因工程程的安全全隐患1)对环境境的影影响重新组组合一一种在在自然然见尚尚未发发现的的的生生物性性状有有可能能给现现有的的生态态环境境带来来不良良影响响。2)新型病病毒的的出现现制造带带有抗抗生素素抗性性基因因或有有产生生病毒毒能力力的基基因的的新型型微生生物有有可能能在人人类或或其它它生物物体内内传播播。3)癌症扩散将肿瘤病毒毒或其它动动物病毒的的DNA引入细菌有有可能扩大大癌症的发发生范围。。4)人造生物扩扩散新组成的重重组DNA生物体的意意外扩散可可能会出现现不同程度度的潜在危危险。B重组组DNA研究的安全全准则1)公众的担忧忧1973年美国的公公众第一次次公开表示示担心应用用重组DNA技术可能会会培养出具具有潜在危危险性的新新型微生物物，从而给给人类带来来难以预料料的后果。。2)专家的态度度1974年美国国立立卫生研究究院（NIH）考虑到重重组DNA的潜在危险险，提请PaulBerg博士组成一一个重组DNA咨询委员会会。这个由11名分子生生物学和重重组DNA权威学者者组成的委委员会在同同年7月发发表公开信信（science,158,303)，要求求在没有弄弄清楚重组组DNA所所涉及的危危险性范围围和程度，，以及在采采取必要的的防护措施施之前，暂暂停两类试试验（带抗生素抗抗性和肿瘤瘤病毒及动动物病毒）。3)制定定安全规则则1976年6月23日，，NIH正式式公公布布了了“重组组DNA研究究的的安安全全准准则则”。规定定了了安全全防防护护（（物物理理防防护护和和生生物物防防护护））标标准准以及及禁止止若干干类类型型的的实实验验。。1979年年、、1981年年、、1989年年NIH又又做做了了多多次次修修改改，，放放宽宽了了许许多多限限制制。。（1）实实验验室室的的物物理理安安全全分4级：：P1——P4级。。（2）实实验验室室的的生生物物安安全全分3级（（大大肠肠杆杆菌菌））：：EK1——EK3级。。（3）载体体的的安安全全应该该是是失失去去了了自我我迁迁