第五章遗传与变异(一)基因与基因工程

一、

孟德尔学说奠定了遗传学基础二、

基因是一段DNA序列

三、

基因工程的操作和应用第一节从基因到基因工程第五章遗传与变异生命最重要的本质之一是性状特征自上代传至下代——遗传。

今天，从遗传学研究衍生出来的基因工程技术，已构成生物技术的核心，在实际应用中显示出极大的潜力。一、孟德尔学说奠定了遗传学基础

（本节见参考书第101-107页）

在孟德尔以前，人们看到遗传现象，猜想遗传是有规律的，甚至在农牧业育种中实际运用了遗传规律，但是，一直找不到研究遗传规律的恰当方法。

孟德尔（1822－1884）从1856年起开始豌豆试验。

孟德尔的基本方法是杂交。他挑选了七对性状。

经过近10年的潜心研究，孟德尔发表了他的研究报告。其内容可概括两个定律。

返回孟德尔(1822-1884)返回豌豆杂交操作孟德尔研究的七对性状1、孟德尔第一定律－－分离律

他用一对性状杂交，子一代全为显性性状，子一代之间自交，子二代为：

显性性状：隐性性状＝3：1

返回孟德尔分离律2、孟德尔第二定律－－自由组合律他用两对性状杂交，子一代全为显性性状，子一代之间杂交，子二代出现四种性状，其数量比例为9：3：3：1

返回孟德尔自由组合律黄圆绿圆黄皱绿皱3、孟德尔学说的要点

一对等位基因决定一种性状；等位基因有显性和隐性之分；3）配子形成时等位基因彼此分离，独立随机地组合到不同的生殖细胞中；4）分离定律3：1，自由组合定律9：3：3：1当一株植株中控制某一对性状的一对遗传因子均为隐性因子时，该植株才表现出隐性性状（如白花或绿色豆粒）。其他情况下，包括一对遗传因子均为显性，或一个显性一个隐性，均表现出显性性状（如紫花或黄色豆粒）。这一点在分离律实验中看的很清楚。

当两对性状一起加以研究时,显性和隐性的基本规律仍与上面相同,但要加上一条,控制不同性状的遗传因子,在传代中各自独立,互不干扰,出现自由组合现象。

返回孟德尔自由组合律黄圆绿圆黄皱绿皱4、孟德尔学说的重要意义

（1）孟德尔第一次明确提出遗传因子的概念,并且提出了遗传因子控制遗传性状的若干规律：

大多数生物体通常由

一对遗传因子（后来称为两个等位基因）控制同一性状。这样的生物体称为2n个体。



遗传因子可以区分为显性和隐性。



控制不同性状的遗传因子是各自独立的。

（2）孟德尔提出了杂交、自交、回交等一套科学有效的遗传研究方法，来研究遗传因子的规律。孟德尔创立的这套方法一直沿用到1950s，才被分子遗传学方法取代。

思考题

已知：控制鹦鹉羽毛颜色的有四个等位基因（即两对基因）：B、b、C、c。

B－使羽毛颜色呈黄色

C－使羽毛颜色呈蓝色

b和c是隐性基因，不产生色素下图返回问：

（1）写出图中四个鹦鹉的基因型。

（2）基因型为BbCc的鹦鹉应为什么颜色？

（3）两只基因型为BbCc的鹦鹉所产生的后代是什么情况？二、基因是一段DNA序列

（本节见书第109-113页）

“遗传因子/基因”的设想一经提出，便推动人们去寻找，去探索

基因在哪里？基因是什么？

1、基因在染色体上

显微镜技术与染色技术的发展，使人们注意到，细胞分裂时，尤其是减数分裂中，染色体的行为和孟德尔提出的等位基因的分离规律相当一致，所以，确定基因在细胞核中，在染色体上。返回同源染色体分别带着控制同一性状的两个等位基因显性等位基因纯合子隐性等位基因纯合子杂合子

摩根实验室用果蝇为材料的工作，确定了基因在染色体上的分布规律。圖下图果蝇有4对染色体下图图5-4果蝇染色体上依据重组频率作出的基因定位下图减数分裂时发生：染色体交叉/基因重组。返回g－身体c－

眼睛l－翅灰/黑红/紫长/短基因重组服从这样的规则：两个基因在染色体离得越远，重组频率越高；两个基因在染色体上离得越近，重组频率越低。重组频率

随着生物化学的发展，蛋白质、核酸等生物大分子逐渐分离、纯化出来。各方面的实验证据表明，基因的化学本质不是蛋白质，而是DNA。格里菲斯的实验证明遗传物质可以转化进入细菌，改变细菌特性。爱弗莱的实验证实，进入细菌改变特性的遗传物质是DNA，而不是蛋白质。

2、遗传物质是DNA

圖下图A.用有毒S型肺炎链球菌感染小鼠，小鼠得病死亡；B.用无毒性的R型肺炎链球菌感染小鼠，小鼠不得病；C.用加热杀死的有毒S型肺炎链球菌感染小鼠，小鼠也不得病；D.加热杀死的有毒S型肺炎链球菌加上活的无毒性的R型肺炎链球感染小鼠，小鼠得病死亡。图5-6肺炎链球菌转化实验（P112）下图直到1952-53年间，美国科学家赫歇（A.Hershey）和切斯(M.Chase)年分别用放射性同位素所做的噬菌体侵染实验，明确地证明了，是DNA，而不是蛋白质携带着噬菌体的遗传信息。35S－标记蛋白质32P－标记DNA返回A.35S标记外壳蛋白质,感染后放射标记不进入大肠杆菌细胞B.32P标记DNA,感染后放射标记进入大肠杆菌细胞，

3、华生和克里克提出DNA双螺旋模型。

DNA双螺旋模型说明DNA分子能

够充当遗传的物质基础。

按照双螺旋模型，在细胞分裂时，DNA的合成应是“半保留复制”的模式。DNA双螺旋模型返回下图半保留复制返回1958年，用15N标记DNA分子，用密度梯度离心技术，证明DNA大分子在生物合成中半保留复制的特点。细菌培养在含15N的培养基中细菌培养在含14N的培养基中一代两代

4、DNA作为遗传物质的功能

（1）贮藏遗传信息的功能

（2）传递遗传信息的功能

（3）表达遗传信息的功能

由此，1958年克里克提出中心法则,确定遗传信息由DNA通过RNA流向蛋白质的普遍规律。遗传信息的自我复制是从DNA到DNA，遗传信息的表达是从DNA到RNA，再到蛋白质。返回图5-8中心法则5、基因的结构与重叠基因（P114）图5-9真核细胞基因结构图重叠基因：两个或两个以上的基因共用同一段DNA区域，称为基因重叠。这样，使有限的碱基得以编码更多的遗传信息。

一个基因一个性状？不一定。例如肤色的控制至少有三个基因参与(复等位基因，P110)。

基因决定性状，环境还起不起作用？在基因型确定的基础上,环境常常会影响表型。

图5-13水毛茛叶片在水面上下的形态不同表5-1人类ABO系统血型表等位基因（黄绿Yy、圆皱Rr）和复等位基因（P110）如突变有两种以上的形式，就称为复等位基因，例如人类血型ABO系统中，此系统由3个复等位基因控制：控制A型血的是IA基因,控制B型血的是IB基因,控制O型血的是i基因。返回人的肤色至少由三个基因控制返回图5-14喜马拉雅兔的毛色与温度的关系喜马拉雅兔的毛色是受基因控制的，但也受外界温度的影响：A.30℃以上长的毛全都是白色B.25℃左右时四肢和头部的尖端、尾巴和耳部体温较低的部分是黑色，其余部分为白色；C.

如果把躯干部除去一部分毛，再将兔子放到25℃的环境中生长，新长出的毛是黑色的。三、基因工程技术和应用

（本节参考教材第126-133页）1、基因工程技术

基因工程是生物技术的核心部分。基因工程的操作可以简述如下：基因工程的操作流程返回基因工程（geneticengineering，P126）定义：就是人类根据一定的目的，对DNA分子进行体外加工操作后，再引入受体生物，通过改变遗传物质的结构来改变后者的遗传特性，这是一种分子水平的生物工程技术。目的：创造具有新的性状的新物种技术：体外DNA重组（基因重组）和转移

所以，基因工程的操作包含以下步骤：

1、获得目的基因

2、目的基因和载体在体外连接（重组）

3、将重组的DNA分子引入合适的宿主细胞内（转化或转染）

4、选择、筛选含目的基因的克隆

5、培养、观察目的基因的表达。

到哪里去找目的基因？一般来说，人的基因，要从人体的组织细胞中去找；小鼠的基因要从小鼠的组织细胞中去找。

从组织细胞中可以分离得到人/小鼠的全套基因，称为基因文库。文库中基因总数就人来说约有3万个基因。如何从中把需要的基因找出来？

采取“钓”的办法。这个办法通常称为印迹法。

（1）获得目的基因

返回印迹法限制性内切酶切开DNA电泳印迹转移放射性探针杂交胶片显影印迹法的主要步骤：

（1）基因文库－DNA用限制性内切

酶处理。

（2）DNA片断混合物通过电泳分离。

（3）电泳后，通过印迹技术转到酯酰

纤维薄膜上，以便操作。

（4）用已知小片断DNA作为探针，

互补结合需要找的基因片断。

（5）探针DNA片断已用放射性元素

标记，使胶片感光后可看出。

印迹法的关键是“分子杂交”，利用碱基配对的原则，用一段小的已知的DNA片断去寻找（“钓”）大的未知的基因片断。

探针DNA片断从何而来？

根据目的蛋白的氨基酸序列，只要其中N－端15－20个氨基酸序列，按三联密码转为40-60核苷酸序列，人工合成，即为探针DNA片断。

（2）目的基因的扩增

用上面的方法“钓”出的目的基因，数量极少，所以，接下来必须经过扩增，亦称为基因克隆。获得相当数量的目的基因后，才能继续下一步操作。克隆——生物分子，细胞，生物个体的无性增殖过程都称为克隆。返回

（3）PCR——把寻找目的基因和扩增目的基因两步操作并成一步。

PCR法，又称多聚酶链式反应，是近年来开发出来的基因工程新技术，它的最大优点是把目的基因的寻找和扩增，放在一个步骤里完成。PCR操作流程90

0C500C700C返回PCR反应分三步完成：

第一步——90

0C高温下，使混合物的DNA片断因变性而成单链。

第二步——500C温度下，引物DNA结合在适于配对的DNA片断上。

第三步——700C温度下，由合成酶（DNA高温聚合酶）催化，从引物开始合成目的基因DNA。

PCR的三个步骤为一次循环，约需5－10分钟。每经一次循环，所找到的目的基因扩充一倍。经过20次循环，即可扩增106

倍，总共只需几个小时。

（4）构造重组DNA分子

首先要有基因工程载体（P127）。

载体有好几种，常用的有：

质粒－环状双链小分子DNA，适于做小片断基因的载体。

噬菌体DNA－线状双链DNA，适于做大片断基因的载体。柯斯质粒病毒载体酵母人工染色体（YAC载体）返回图5-25pBR322质粒图谱返回用噬菌体DNA构建重组DNA分子

其次要把目的基因“装”到载体中去。“安装”的过程，需要好几种工具酶，其中关键的酶叫限制性内切酶。

此酶识别一定碱基序列，有的还可切出“粘性”末端，使得目的基因和载体的连接非常容易。图一图二下图限制性内切酶识别特定的碱基序列(如回文序列)平末端粘性末端（有互补的尾端）返回限制性内切酶造成粘性末端有利于重组DNA分子的构建

（5）转化/转染—表达—蛋白质分离

把构造好的重组DNA分子送进寄主细胞，亦需要适当的技术方法。若受体细胞是细菌和酵母，通常称转化；若受体细胞是动/植物细胞，通常称转染（显微注射和电穿孔等方法）。

重组DNA分子进入寄主细胞后，其中的目的基因能否表达，表达效率高低，还有很大差别。表达通常是指目的基因编码的蛋白质合成。基因工程的最后一步，是把所获得的蛋白质分离纯化，得到蛋白质产品。返回生产基因工程产品的生物反应器

2、基因工程的应用

基因工程技术已经在医学、工业、农业等各个领域得到了广泛的应用。

（1）在医学上的应用-基因工程药物

基因工程被用于大量生产过去难以得到或几乎不可能得到的蛋白质－肽类药物。胰岛素1000磅牛胰10克胰岛素200升发酵液10克胰岛素干扰素1200升人血1升发酵液2－3万美元/病人200－300美元/病人返回乙型肝炎(HB)是由乙型肝炎病毒(HBV)所致。实践证明,接种乙型肝炎疫苗(HB疫苗)是控制乙肝最科学、最有效、最经济的手段。自20世纪70年代以来,随着生物技术的发展,HB疫苗也不断更新换代,从第1代血源性乙肝疫苗(PDV),到第2代基因工程HB疫苗,目前已进入第3代HBsAg合成肽段HB疫苗的研制。由于PDV的血浆原料减少,难以大量生产,同时经3步灭活不足以将其中已知和未知的潜在致病因子全部杀灭,我国从2000年1月1日起停止使用PDV。目前广泛使用的是第3代HBsAg基因工程乙肝疫苗（啤酒酵母菌重组）

。这种乙肝表面抗原亚单位具有原料易得、产量大、安全、高效等特点。制备疫苗

（2）用于提高奶酪产量

生产奶酪的凝乳酶传统上来自哺乳小牛的胃。现在可以通过基因工程办法，用酵母生产凝乳酶，大量用于奶酪制造。哺乳小牛凝乳酶基因胃转入啤酒酵母

凝乳酶凝乳酶

制造奶酪返回

1982年，转基因动物首先在小鼠获得成功。1984年，中科院水生所研制出世界上第一批转基因鱼。我国目前已获得了转基因鱼、兔、鸡等多种转基因动物。

（3）转基因动物把大鼠生长因子转入小鼠得到巨大型的转基因小鼠。1982年获得转基因小鼠。转入大鼠的生长激素基因，使小鼠体重为正常个体的二倍，因而被称为“超级小鼠”。

带有草鱼生长激素基因的转基因鲤鱼

会发光的转基因观赏鱼将在美国上市

据《纽约时报》2003年11月22日报道，这种转基因斑马鱼体内携带有一个取自海洋珊瑚虫的基因，它在普通光线下呈现明亮的红色，在黑暗环境中接受紫外线照射时则会发出荧光。这种转基因鱼由新加坡国立大学培育成功，初衷是想让鱼在遇到特定污染物时发光以用于环境监测。美国得克萨斯州的约克镇技术公司已获得许可，准备从2004年1月5日开始将转基因斑马鱼作为宠物在美国销售，售价估计为每条5美元。1999年英国PPL医疗公司培育出100只转基因羊，其奶水中含有用于医疗的人体蛋白，能够治疗严重呼吸系统疾病、血友病和先天发声缺陷等。现在转基因动物技术已用于牛、羊，使得从牛/羊奶中可以生产蛋白质药物。称为“乳腺反应器”工程。白蛋白的表达量达到3.5g/L，人凝血因子IX的表达量已达到50mg/L以上，人TPO的表达量达到100mg/L以上，BLG的表达量达到25g/L，均属于国际领先水平。应用这一技术，使转基因的总有效率提高了一倍以上，从而成功地研制和培育出我国首例乳汁中含人凝血因子IX的转基因山羊和携带人血清白蛋白基因的转基因试管牛，为建立“动物药厂”迈出了重大的一步（1998年2月）。乳汁中分泌人凝血因子IX的转基因山羊

上海交大医学遗传所在转基因动物/乳腺生物反应器“863”项目的研究中，构建了30多种乳腺特异表达载体，在转基因小鼠的乳汁中，人血清2004年6月30日，由中国军事医学科学院主持，山东农业大学等单位共同参与的国家“８６３”计划项目——动物乳腺生物反应器项目取得重大突破，首批２８只带有t-PA组织型纤溶酶原激活剂的转基因羊，在山东省东营市天翼公司陆续降生。t－PA是目前治疗急性心肌梗塞最好的溶血栓药物，如果从国外进口，价格非常昂贵，由动物的乳腺生产出含有t－PA的药物蛋白，价格就会大大降低。研究转基因动物，从某种意义上说，就是在动物身上建药厂，即经过动物体内，自然加工人类所需要的药物蛋白。这些蛋白可以直接分泌到动物乳汁中，产量大、成本低、无污染，因此，转基因研究可以说是生产生物药品的新途径。此次获得转基因羊只是项目研究中的重要一步，而利用羊乳腺作为生产外源制造医用蛋白或药物，并直接应用于临床才是最终的目的。中国首批２８只t-PA转基因羊在山东东营诞生

韩国培育出可生产抗癌辅助成分的克隆猪新华网汉城2005年8月24日电

据韩国《朝鲜日报》网站24日报道，韩国忠南大学等机构的研究人员新培育出一种克隆猪，它能够产生一种可用作抗癌辅助治疗剂的蛋白质。报道说，这种克隆猪在发育成熟后，其分泌的奶水中将包含名为“粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子”(GM-CSF)的蛋白质。GM-CSF属于人体少量分泌的蛋白质，具有促进白血球生成的作用，在治疗白血病、贫血和癌症时，可缓解白血球缺乏现象。据专家介绍，这种蛋白质目前每克售价高达60万美元。报道说，韩国研究人员已经就此项成果在韩国申请了专利，如果这项技术成功得以商业化，估计能创造年均6亿美元左右的收入。但专家指出，该技术实现商业化可能还需要很长一段时间。（4）转基因植物我国1999年启动了“国家转基因植物研究与产业化专项”，共资助课题116个，获得转基因作物品种18个，新品系36个；累计推广转基因作物2800多万亩；为农民带来直接经济效益20多亿元；使我国成为世界第四大转基因植物种植国家。科学家培育出具有防癌功能转基因西红柿新华网2004年2月22日美国科学家最近培育出一种新型转基因西红柿，它因其中含有一种名为花色素苷的物质而呈现出奇异的紫色，还具有预防癌症和心肌梗塞的功能。美科学家在专业期刊《遗传杂志》上发表论文介绍说，花色素苷是黄酮类化合物的一种，广泛分布于诸如葡萄、血橙、紫叶甘蓝、茄子以及樱桃等植物中。红酒中也含有这种物质。这一物质具有一定的预防心脏疾病的功效。科学家说，西红柿虽然含有多种有益人体健康的物质，诸如具有一定防癌功效的番茄红素等，但却不含花色素苷。为使西红柿这种“健康的食品更健康”，他们尝试向西红柿中植入一种可以控制生成花色素苷的基因，并获得成功。科学家同时期望，他们可以利用类似的方法向西红柿中植入一些可产生其它健康物质的基因，使西红柿及其它健康食品越来越健康。转基因植物有新品杜鹃花含青蛙基因美国科研人员最近培育出了一种含有青蛙基因的杜鹃花。表面看来，这种盆栽杜鹃花与普通植物相比没有什么异样，但是它的基因中却能控制合成青蛙体内的蛋白质，可以帮助杜鹃花等植物更好地抵抗疾病。其他科学家则打算通过装点花儿的颜色来改变花园的外表和味道。例如，今年一家丹麦公司宣布开发出了能够探测地雷的花儿。当这种植物的根与地雷中散发出来的化学物质相遇的时候，花瓣的颜色随之发生改变。佛罗里达大学研究人员则利用海蛰的发光蛋白质开发出了能够在疾病或干枯迹象第一次出现时发光的花儿。他们希望把这种花儿送到火星上，用于研究火星的表面。人类基因引入水稻

转基因大米是否人吃人?据英国《独立报》2005年4月24日报道，科学家们又将迈出大胆的一步：把人类的基因引入到水稻中。这一举动肯定会招致更激烈的批评，围绕转基因食品的争议上升到一个新的高度。环境保护主义者声称，任何人都不会吃这种部分源自人类基因的食品，因为这有点像是在“人吃人”。在将人类基因引入粮食作物的第一次尝试中，日本研究人员将来自人类肝脏的基因插到稻米基因中，使稻米能够消化杀虫剂和工业产生的化学物质。这种新型基因能够产生代号为“CPY2B6”的酶，这种酶尤其擅长分解有害化学物质。

绿色和平组织中国代表处的施鹏祥接受记者采访时用“震惊”表示他们对这一事件的态度。从一个文化和伦理的背景，植入人的基因，实际上等于“人在吃人”，这种东西，作为我们普通的消费者，你会选择吃吗？“绿色和平组织一直坚持预防的原则和态度，如果不能证明100%安全，就应该谨慎行事。”欧洲消费者是最坚定的转基因知情权捍卫者。最近美国和欧盟正在打架，欧盟退让了一步，允许转基因食品进入，但一定要标识。在知情的前提下选择，国际消联也是这个态度。我国每年进口大豆已达1500多万吨，与国产大豆产量基本相当。而进口大豆中大部分是转基因大豆，初步估算在1000万吨左右。国内的油脂企业多使用转基因大豆作为原料，市场上转基因大豆油占90％以上。2002年6月，权威机构在北京市场抽检的5种大豆色拉油全部含转基因成分。而2003年7月，北京市农业局公布市场抽查结果，14个品牌的大豆油均为转基因食品。农业部行政主管部门公布的必须标识的产品目录，有五大类，包括大豆、番茄、油菜、棉花、玉米。现在转基因生物进口，获得农业部审批的，90％是大豆油，而番茄、玉米批得很少。转基因食品的知情权？

（5）工程菌在环境工程中应用

美国GE公司构造成功具有巨大烃类分解能力的工程菌，并获专利，用于清除石油污染。喷洒工程菌清除石油污染无冰晶细菌帮助草莓抗霜冻（6）基因治疗基因治疗是近年来医学上热闹的研究领域。生物体的一切生命活动，从出生成长、到出现疾病、衰老直至死亡都与基因有关，基因调控着细胞的各种功能-生长、分化、老化、死亡。目前已发现，人类与疾病相关的基因约有5000多个，迄今已有1／3被分离和确认。科学家利用基因工程技术，消除、修饰“坏”的致病基因，如导致结肠癌的基因；注人或增强“好”的一基因，如防止动脉一阻塞的基因，达到治疗疾病的目的，这就是基因治疗或基因疗法。基因治疗目前已取得不少成果。

★基因疗法治疗遗传性疾病

基因治疗就是通过矫正有缺陷的基因以达到治病的目的。1991年，美国科学家们第一次利用基因疗法，成功地救治了一名免疫系统有缺陷的遗传病患者。这个4岁女孩患有一种极具破坏性的遗传性疾病一腺苷脱氨酶缺乏症（SCID）

。这种疾病是由有缺陷的基因造成的。科学家从患儿身上提取T状淋巴细胞，把校正后的腺苷脱氨酶基因植人细胞中，然后注人这个儿童的血液中，经18个月的治疗，儿童免疫力大大提高，在水痘流传时安然无恙。我国复旦大学等单位对乙型血友病的基因治疗也进行了有意义的探索，他们在兔模型的基础上，将人第Ⅸ因子基因通过重组质粒或重组反转录病毒（N2CMVIX）导入自体皮肤成纤维细胞，获得可喜的阶段性成果，相信不久的将来，基因治疗会在我国取得成功。

★基因疗法治疗心血管疾病

目前，治疗冠状动脉阻塞有赖于冠状动脉扩张术和搭桥手术。不久前，美国波土顿塔夫茨大学科学家向患者心脏中注人一种名叫管内皮生长素因子（VEGF）的基因，使患者长出了新的心血管，16名接受治疗的患者都是重症病人，都做过搭桥或扩张手术，又产生堵塞。在手术后的跟踪调查中，发现有6个人的症状完全消失。经核磁扫描等多种检测方法证实，患者的心脏血液流动状况均得到了改善。美国康乃尔大学不久前向15名心血管病患者注射了VEGF，其中13人的病情得到缓解。★黑色素瘤的基因治疗

对肿瘤进行基因治疗是人们早已期望的事，在进行了多方面探索的基础上，发现了肿瘤浸润淋巴细胞（tumorinfiltratinglymphocyte-TIL,即能在肿瘤部位持续存在而无副作用的一种淋巴细胞）在肿瘤治疗中的作用。于1992年实施了TNF／肿瘤细胞和IL－2／肿瘤细胞方案，即分别将IL－2基因肿瘤坏死因子（tumornecrosisractor,TNF）基因导入取自患者自身并经培养的肿瘤细胞，再将这些培养后的肿瘤细胞注射至病人臀部，3周后切除注射部位与其引流的淋巴结，在适合条件下培养T细胞，将扩增的T细胞与IL－2合并用于病人，结果5名黑色素瘤病人中1名肿瘤完全消退，2名90％的肿瘤消退，另2人在治疗后9个月死亡。由于携有TNF的TIL可积于肿瘤处，因而TIL的应用提高了对肿瘤的杀伤作用。

★细胞生长因子开启基因抗衰老时代目前科学家已发现几