遗传的分子基础

关于遗传的分子基础杨先泉制作1第1页，共125页，2023年，2月20日，星期日第一节核酸的结构一、DNA的一级结构二、DNA的二级结构三、从DNA到染色体四、RNA的分子结构第2页，共125页，2023年，2月20日，星期日两种核酸的化学组成

以核苷酸为单元构成的多聚体，是一种高分子化合物。五碳糖：脱氧核糖、核糖核苷酸磷酸鸟嘌呤、腺嘌呤环状的含氮碱基胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶第3页，共125页，2023年，2月20日，星期日第4页，共125页，2023年，2月20日，星期日第5页，共125页，2023年，2月20日，星期日核酸的分布：高等植物：DNA存在于染色体，叶绿体、线粒体中；

RNA在核（核仁、染色体）、细胞质中。细菌：DNA和RNA。噬菌体：多数只有DNA。植物病毒：多数只有RNA。动物病毒：有些含RNA、有些含DNA。第6页，共125页，2023年，2月20日，星期日一、核酸的一级结构(一)、贾格夫准则及其意义；(二)、核苷酸序列及其测定。第7页，共125页，2023年，2月20日，星期日(一)、贾格夫准则及其意义E.Chargaff于1946-1950年根据纸层析、离子交换层析和紫外分光光度试验结果提出贾格夫定则：四种碱基的数量不是等量的；同一物种DNA碱基组成不变，而物种间则有很大不同；嘌呤碱基总量与嘧啶碱基的总量(克分子总量)相等(A+G=T+C)，且A=T、G=C。第8页，共125页，2023年，2月20日，星期日第9页，共125页，2023年，2月20日，星期日(二)、核苷酸序列及其测定贾格夫准则表明：核酸并不是四核苷酸结构的简单重复，核酸的碱基序列信息可能具有重要意义。碱基序列正是核酸生物学功能的基础，是遗传信息的内在形式。第10页，共125页，2023年，2月20日，星期日核苷酸序列测定DNA及RNA分子序列分析技术也是最重要的分子遗传学研究技术：Sanger双脱氧法；Maxam&Gillbert化学法；基于化学法的DNA序列自动分析仪已成为常规实验设备。第11页，共125页，2023年，2月20日，星期日二、DNA的二级结构DNA分子双螺旋结构模型第12页，共125页，2023年，2月20日，星期日右手螺旋反向平行碱基互补，A=T，G=C每螺旋为3.4nm长，含10个碱基，直径为2nm表面分布有大沟和小沟交替出现。DNA分子双螺旋结构模型要点第13页，共125页，2023年，2月20日，星期日三、从DNA到染色体染色质的结构核小体的组成染色质的高级结构从DNA到染色体第14页，共125页，2023年，2月20日，星期日真核细胞的染色质结构)

高度有序的DNA-蛋白质复合体构成真核染色体，其质量50%以上为蛋白质。 染色体DNA的长度是以cm为单位,而直径是以mm为单位。 细胞核中DNA溶度大约为200mg/ml

。第15页，共125页，2023年，2月20日，星期日Chromatin染色质第16页，共125页，2023年，2月20日，星期日染色质结构

染色质结构在细胞周期中随染色体螺旋化程度发生改变。 中期-高度浓缩，染色体； 间期-解旋，染色质。第17页，共125页，2023年，2月20日，星期日Histones(组蛋白):

带正电氨基酸核心组蛋白

(H2A,H2B,H3andH4):分子量约为10-20kDa位于nucleosome(核小体)

核心[octamer八聚体core(H2A)2(H2B)2(H3)2(H4)2

同一组蛋白在不同物种之间高度保守第18页，共125页，2023年，2月20日，星期日组蛋白八聚体HistoneoctamerTopviewSideviewNucleosomecore(核小体核心)第19页，共125页，2023年，2月20日，星期日Nucleosomecore146bp,1.8superhelicalturnChromatosome166bp,2superhelicalturnDNAHistoneoctamerHistoneH1第20页，共125页，2023年，2月20日，星期日组蛋白H1：大小为

23kDa位于核小体核心外侧,与DNA连接松散，其序列保守性较低组蛋白H1的作用:

在DNA出入核小体核心颗粒处对DNA起稳定作用。

染色质结构第21页，共125页，2023年，2月20日，星期日核小体是组成染色质的最基本的亚结构单元,包含约200bp的DNA和组蛋白八聚体。DNA+Histoneoctamer(组蛋白八聚体)→Nucleosomecore(核小体核心146bp)+H1→>Chromatosome(染色小体166bp)+linkerDNA→Nucleosome(核小体)(~200bp)核小体组成(StepstomakeaNucleosome)第22页，共125页，2023年，2月20日，星期日核小体与微球菌核酸酶

Nucleosomesandmicrococcalnucleasetreatment微球菌核酸酶是一种切割双链DNA的内切酶，用微球菌核酸酶处理染色质，会分离出长度为200bp不同倍数的片段。

第23页，共125页，2023年，2月20日，星期日连接DNA10to100bpaverage55bp染色质串珠结构核小体组蛋白H1核小体重复单元核心颗粒+连接DNA=200bp第24页，共125页，2023年，2月20日，星期日

30nm纤丝高度有序左手螺旋6个核小体/圈30nmfiber(30nmindiameter)NucleosomerepeatCore+linkerDNAca200bp第25页，共125页，2023年，2月20日，星期日Nuclearmatrix(核基质),蛋白质复合体30nm纤丝300nm

染色质高级结构

loopeddomainstructure1个环约含100kb第26页，共125页，2023年，2月20日，星期日StepsfromDNAtochromosome第27页，共125页，2023年，2月20日，星期日四、RNA的分子结构tRNA结构第28页，共125页，2023年，2月20日，星期日四、RNA的分子结构单链U代替T核糖代替脱氧核糖与DNA的区别第29页，共125页，2023年，2月20日，星期日第二节、DNA的复制一、DNA复制的特点；二、复制的起点与方向；第30页，共125页，2023年，2月20日，星期日一、DNA复制的一般特点

㈠、半保留复制1.瓦特森(WatsonJ.D.)等提出

的DNA半保留复制方式。其方法为：①一端沿氢键逐渐断开；②以单链为模板，碱基互补；③氢键结合，聚合酶等连接；④形成新的互补链；⑤形成了两个新DNA分子。

DNA的这种复制方式对保持生物遗传的稳定性是非常重要的。第31页，共125页，2023年，2月20日，星期日半保留复制第32页，共125页，2023年，2月20日，星期日㈠、半不连续复制∵DNA聚合酶，以5′è3′方向发挥作用；∴从3′è5′合成方向的一条链，就会遇到困难。

Kornberg(1967)提出不连续复制假说：在3′è5′方向链上，仍按从5′è3′的方向一段段地合成DNA单链小片段“冈崎片段”(1000~2000bp)è由连接酶连接这些片段è形成一条连续的单链。第33页，共125页，2023年，2月20日，星期日二、复制起点和复制方向1.原核生物﹡绝大多数细菌和病毒：只有一个复制起点，控制整个染色体的复制，且为双向复制。﹡噬菌体P2：其DNA的复制是沿一个方向进行的。﹡复制子：在同一个复制起点控制下的一段DNA序列。第34页，共125页，2023年，2月20日，星期日2.真核生物﹡每条染色体的DNA复制都是多起点，多个复制起点共同控制整个染色体的复制；﹡每条染色体有多个复制子；﹡且为双向复制第35页，共125页，2023年，2月20日，星期日三、原核生物DNA合成

㈠、DNA聚合酶种类与特点

DNA聚合酶Ⅰ；Ⅱ；Ⅲ。共性：只有5’3’聚合酶的功能，DNA链只能由5’向3’延伸；

DNA合成必须在引物引导下进行；具有外切酶的活性、合成过程中的错误校正功能。

第36页，共125页，2023年，2月20日，星期日㈡、DNA复制过程1．DNA双螺旋的解链*DNA解旋酶：在ATP供能下，每分钟旋转3000次解开双螺旋；*单链DNA结合蛋白：以避免产生单链内配对；*DNA拓扑异构酶：释放超螺旋应力。第37页，共125页，2023年，2月20日，星期日2.

DNA合成的开始合成DNA片段之前，先由RNA聚合酶合成一小段RNA引物(约有20个碱基对)，DNA聚合酶才开始起作用合成DNA片段。第38页，共125页，2023年，2月20日，星期日复制叉的结构第39页，共125页，2023年，2月20日，星期日第40页，共125页，2023年，2月20日，星期日第三节遗传信息的表达与调控一、遗传信息的转录(RNA的合成)

与RNA的加工二、遗传密码及其特性三、遗传信息的翻译四、中心法则及其发展第41页，共125页，2023年，2月20日，星期日一、RNA的转录及加工第42页，共125页，2023年，2月20日，星期日

以DNA为模板合成RNA的过程称为转录。转录是生物界RNA合成的主要方式，是遗传信息从DNA向RNA传递过程，也是基因表达的开始。转录也是一种酶促的核苷酸聚合过程，所需的酶叫做依赖DNA的RNA聚合酶（DNA-dependentRNApolymerase,DDRP）。（与RNA复制比较）转录产生初级转录物为RNA前体（RNAprecursor），它们必须经过加工过程变为成熟的RNA（maturedRNA），才能表现其生物活性。转录Transcription第43页，共125页，2023年，2月20日，星期日转录TranscriptionThesynthesisofasingle-strandedRNAfromadouble-strandedDNAtemplate.RNAsynthesisoccursinthe5’3’directionanditssequencecorrespondstothatoftheDNAstrandwhichisknownasthesensestrand(有义链).ThetemplateofRNAsynthesisistheantisensestrand(反义链).

Necessarycomponents:promoter/template,RNApolymerase,NTPs,terminator/template第44页，共125页，2023年，2月20日，星期日(-)strandisantisensestrand.(+)strandissensestrand有义链

(sensestrand)与反义链

(antisensestrand)第45页，共125页，2023年，2月20日，星期日相同点：合成方向都是以5’→3’的方向，在3’-OH末端加入核苷酸。不同点：（1）对于一个基因组来说，转录只发生在一部分基因，而且每个基因的转录都受到相对独立的控制；（2）转录是不对称的；仅以DNA的一条链为模板而进行。（3）转录时不需要引物，而且RNA链的合成是连续的。转录的特点（与DNA复制比较）第46页，共125页，2023年，2月20日，星期日三种RNA分子

信使RNA(mRNA)

转移RNA(tRNA)

核糖体RNA(rRNA)第47页，共125页，2023年，2月20日，星期日ATACGTATGC+1promoterterminatorTranscribedregionRNADNATranscriptionAntisensestrandAUACG转录单位的结构Structureofatranscriptionunit第48页，共125页，2023年，2月20日，星期日Whatisapromoter(启动子)?ThesequenceofDNAneededforRNApolymerasetobindtothetemplateandaccomplishtheinitiationreaction第49页，共125页，2023年，2月20日，星期日转录起始Initiation

RNApolymerase与dsDNA结合；在链上滑动寻找启动子；DNAhelix解螺旋；在起始位点startsite(initiationsite)合成RNA链,该位点称为+1。第50页，共125页，2023年，2月20日，星期日转录泡Transcriptionbubble第51页，共125页，2023年，2月20日，星期日延伸ElongationAddribonucleotidestothe3’-endTheRNApolymeraseextendthegrowingRNAchaininthedirectionof5’3’Theenzymeitselfmovesin3’to5’alongtheantisenseDNAstrand.第52页，共125页，2023年，2月20日，星期日延伸Elongation第53页，共125页，2023年，2月20日，星期日终止Termination转录复合体transcriptioncomplex从模板链解离，RNA链与DNA分离；发生在终止子terminator部位(通常为颈环/发卡结构stem-looporhairpinstructure),有些需要辅助蛋白ρ.第54页，共125页，2023年，2月20日，星期日RNAhairpin(发卡)structure5‘NNNNAAGCGCCGNNNNCCGGCGCUUUUUU-OHNNNNCG•CC•GC•GG•CC•GG•CA•UA•U…NNNNUUUU-OH第55页，共125页，2023年，2月20日，星期日第56页，共125页，2023年，2月20日，星期日mRNA转录后加工•5`端戴帽；•3`端加尾；•内含子剪切；•碱基修饰第57页，共125页，2023年，2月20日，星期日1)Additionofnucleotidesto5’-or3’-endsoftheprimarytranscriptsortheircleavageproducts.Addacapto5’endandapoly(A)tailto3’endofpre-mRNAAAAAAA７－甲基鸟嘌呤核苷

mG7多聚腺感苷化第58页，共125页，2023年，2月20日，星期日2)Removalofnucleotidesendonucleasestocutatspecificsites

within

aprecursorRNA(前体RNA)exonucleasestotrimtheendsofaprecursorRNABothinprokaryotesandineukaryotes;andforalltypesofRNA内含子intron剪切与外显子exon拼接第59页，共125页，2023年，2月20日，星期日3)ModificationofcertainnucleotidesAddamethylgroupto2’-OHofriboseinmRNA(A)andrRNAExtensivechangesofbasesintRNA第60页，共125页，2023年，2月20日，星期日primarytranscriptmatureRNA

NucleusorNucleolusCytoplasmRNAprocessingRomovalofnucleotidesadditionofnucleotidestothe5’-or3’-endsmodificationofcertainnucleotides第61页，共125页，2023年，2月20日，星期日二、遗传密码及其特性（一）遗传密码的来历；（二）遗传密码字典；（三）遗传密码的特点；第62页，共125页，2023年，2月20日，星期日（一）遗传密码

DNA分子碱基只有4种，而蛋白质氨基酸有20种。∴碱基与氨基酸之间不可能一一对应。1．41=4种：缺16种氨基酸；2．42=16种：比现存的20种氨基酸还缺4种；3．43=64种：由三个碱基一起组成的密码子能够形成64种组合，20种氨基酸多出44种。简并：一个氨基酸由二个或二个以上的三联体密码所决定的现象。三联体或密码子：代表一个氨基酸的三个一组的核苷酸。第63页，共125页，2023年，2月20日，星期日

（二）遗传密码字典每一个三联体密码所翻译的氨基酸是什么呢?

从1961年开始，在大量试验的基础上，分别利用64个已知三联体密码，找到了相对应的氨基酸。

1966~1967年，完成了全部遗传密码表，如UGG为色氨酸。第64页，共125页，2023年，2月20日，星期日第65页，共125页，2023年，2月20日，星期日（三）遗传密码的基本特征1．遗传密码为三联体：三个碱基决定一种氨基酸；

61个为有意密码，起始密码为GUG、AUG(甲硫氨酸)；3个为无意密码，UAA、UAG、UGA为蛋白质合成终止信号。2.遗传密码间不能重复:

在一个mRNA上每个碱基只属于一个密码子；均以3个一组形成氨基酸密码。第66页，共125页，2023年，2月20日，星期日3.遗传密码间无逗号：

AUGGUACUGUCALL甲硫氨酸缬氨酸亮氨酸丝氨酸①密码子与密码子之间无逗号，按三个三个的顺序一直阅读下去，不漏读不重复。②如果中间某个碱基增加或缺失后，阅读就会按新的顺序进行下去，最终形成的多肽链就与原先的完全不一样(称为移码突变)。AUGUACUGUCA甲硫氨酸酪氨酸半胱氨酸第67页，共125页，2023年，2月20日，星期日4．简并性：①

简并现象：

色氨酸(UGG)和甲硫氨酸(AUG)例外，仅一个三联体密码；其余氨基酸都有一种以上的密码子。②

61个为有义密码，起始密码为GUG、AUG(甲硫氨酸)。

3个为无意密码，UAA、UAG、UGA为蛋白质合成终止信号。③

简并现象的意义：

同义的密码子越多，生物遗传的稳定性也越大。如：UCUÚUCC或UCA或UCG，均为丝氨酸第68页，共125页，2023年，2月20日，星期日5．遗传密码的有序性：

决定同一个氨基酸或性质相近的不同氨基酸的多个密码子中，第1个和第2个碱基的重要性大于第3个碱基，往往只是最后一个碱基发生变化。

例如：脯氨酸（pro）：CCU、CCA、CCC、CCG。第69页，共125页，2023年，2月20日，星期日6．通用性：在整个生物界中，从病毒到人类，遗传密码通用。

4个基本碱基符号所有氨基酸所有蛋白质生物种类、生物体性状。第70页，共125页，2023年，2月20日，星期日通用性的例外1980年以后发现：具有自我复制能力的线粒体tRNA(转移核糖核酸)在阅读个别密码子时有不同的翻译方式。如：酵母、链孢霉与哺乳动物的线粒体第71页，共125页，2023年，2月20日，星期日三、遗传信息的翻译（蛋白质合成）1.核糖体的组成第72页，共125页，2023年，2月20日，星期日核糖体是蛋白质生物合成的工厂，其上有两个与tRNA结合的位点，各占一个密码子空间。A位（acceptersite）:氨酰—tRNA结合位点P位（peptinesite）:肽酰—tRNA结合位点功能：①小亚基单独或与大亚基一起与mRNA结合②大亚基单独不能与mRNA结合，但可与tRNA非专一结合③大、小亚基共有P、A位④大、小亚基组成核糖体与mRNA结合，并按5’→3’方向沿mRNA移动，每次移动一个密码子距离。1.2

核糖体第73页，共125页，2023年，2月20日，星期日

每个核糖体独立完成一条多肽链的合成，多个核糖体可以同时在一个mRNA分子上进行多条多肽链的合成，大大提高了翻译效率。由一个mRNA分子与一定数目的单核糖体形成的念珠状结构称为多核糖体。

Multipleribosomescannotbepositionedcloserthan80nt.

多核糖体处于工作状态，游离的单个核糖体则是贮备状态，核糖体亚基无疑是刚从mRNA上释放的，它们通常很快结合成非活性状态单体或很快参与下一轮蛋白质合成。核糖体在这三种状态之间的转换称为核糖体循环。多核糖体Polysomes第74页，共125页，2023年，2月20日，星期日Polysomes第75页，共125页，2023年，2月20日，星期日

Electronmicrographsofribosomesactivelyengagedinproteinsynthesisrevealedby"beadsonastring"appearance.第76页，共125页，2023年，2月20日，星期日2、在核糖体中合成蛋白质①多肽链的起始：②多肽链的延伸；③多肽链的终止：④多聚核糖体提高蛋白质的合成效率：第77页，共125页，2023年，2月20日，星期日第78页，共125页，2023年，2月20日，星期日蛋白质合成(动画)第79页，共125页，2023年，2月20日，星期日四、中心法则及其发展中心法则(centraldogma)阐述生物世代、个体以及从遗传物质到性状的遗传信息流向，即遗传信息在遗传物质复制、性状表现过程中的信息流向。最初由Crick提出，并经过了多次修正。第80页，共125页，2023年，2月20日，星期日⑴.RNA的反转录

RNA肿瘤病毒：反转录酶，以RNA为模板来合成DNA。如：HIV病毒RNA经反转录成DNA，然后整合到人类染色体中。对于遗传工程上基因的酶促合成、致癌机理研究有重要作用。增加中心法则中遗传信息的流向，丰富了中心法则内容。⑵.RNA的自我复制：

大部分RNA病毒还可以把RNA直接复制成RNA。⑶.DNA指导的蛋白质合成：

60年代中期，麦克斯（McCarthy）和荷勒（Holland）：试验体系中加入抗生素等，变性的单链DNA在离体条件下可以直接与核糖体结合，指导蛋白质的合成。中心法则的发展第81页，共125页，2023年，2月20日，星期日中心法则的发展反转录(逆转录)：反转录酶；cDNA。RNA的自我复制。DNA指导蛋白质合成。第82页，共125页，2023年，2月20日，星期日第四节基因的表达调控一、经典遗传学中基因的概念二、现代遗传学基因的概念三、分子遗传学对基因概念的新发展四、基因的作用与性状表达五、基因表达调控第83页，共125页，2023年，2月20日，星期日一、经典遗传学基因的概念①．孟德尔：

把控制性状的因子称为遗传因子。

如：豌豆红花(C)、白花(c)、植株高(H)、矮(h)。②．约翰生：

提出基因(gene)取代遗传因子。③．摩尔根：

对果蝇、玉米等的大量遗传研究，建立了以基因和染色体为主体的经典遗传学。

基因是化学实体，以念珠状直线排列在染色体上。第84页，共125页，2023年，2月20日，星期日基因共性（按照经典遗传学关于基因的概念）：

基因具有染色体的主要特性：自我复制和相对稳定性，在分裂时有规律地进行分配。

交换单位：基因间能重组，而且是交换的最小单位。

突变单位：一个基因能突变为另一个基因。

功能单位：控制有机体的性状。

经典遗传学认为：基因是一个最小的单位，不能分割；既是结构单位，又是功能单位。第85页，共125页，2023年，2月20日，星期日

二、现代遗传学关于基因的概念(一)、现代基因概念基因是DNA分子上带有遗传信息的特定核苷酸序列区段。基因由重组子、突变子序列构成的。重组子是DNA重组的最小可交换单位；突变子是产生突变的最小单位；重组子和突变子都可以是一个核苷酸对或碱基对(bp)。基因可以包含多个功能单位(顺反子)。第86页，共125页，2023年，2月20日，星期日

①突变子(muton)：性状突变时产生突变的最小单位。一个突变子可以小到只有一个碱基对；如移码突变。

②重组子(recon)：性状重组时，可交换的最小单位。一个交换子可以只包含一个碱基对。

③顺反子(cistron)：表示一个作用的单位，基本符合通常所述基因的大小或略小。所包括的一段DNA与一个多肽链合成相对应；平均为500~1500个碱基对。第87页，共125页，2023年，2月20日，星期日三、分子遗传学对基因概念的新发展

⑴．结构基因(structuralgene)：

指可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列。第88页，共125页，2023年，2月20日，星期日⑵．调控基因(regulatorgene)：

指其表达产物参与调控其它基因表达的基因。第89页，共125页，2023年，2月20日，星期日⑶．重叠基因(overlappinggene)：

指在同一段DNA顺序上，由于阅读框架不同或终止早晚不同，同时编码两个以上基因的现象。第90页，共125页，2023年，2月20日，星期日⑷．隔裂基因(splitgene)：

指基因内部被一个或更多不翻译的编码顺序即内含子所隔裂。

内含子(intron)：DNA序列中不出现在成熟mRNA的片段；

外显子(extron)：DNA序列中出现在成熟mRNA中的片段。外显子：参加蛋白质编码的DNA片段；内含子：不参加蛋白质编码的DNA片段。第91页，共125页，2023年，2月20日，星期日⑸．跳跃基因(jumpinggene)：

即转座因子，指染色体组上可以转移的基因。实质：能够转移位置的DNA片断。

功能：在同一染色体内或不同染色体之间移动è

引起插入突变、DNA结构变异（如重复、缺失、畸变）è通过表现型变异得到鉴别。遗传工程：转座子标签法。第92页，共125页，2023年，2月20日，星期日⑹.假基因(pseudogene):

同已知的基因相似，处于不同的位点，因缺失或突变而不能转录或翻译，是没有功能的基因。真核生物中的血红素蛋白基因家族中就存在假基因现象。第93页，共125页，2023年，2月20日，星期日四、基因的作用与性状的表现

rRNA如发生致死突变，不能形成核糖体，易死亡。DNAtRNA发生突变后，多肽链改变。

mRNA

翻译蛋白质结构蛋白直接性状表达生物酶间接第94页，共125页，2023年，2月20日，星期日五基因表达调控基因组(genome)：一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。基因表达(geneexpression)：在一定调节机制控制下，基因经过转录及翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。rRNAtRNA的合成也属于基因表达。第95页，共125页，2023年，2月20日，星期日时间特异性(temporalspecificity)空间特异性(spatialspecificity)基因表达特性第96页，共125页，2023年，2月20日，星期日基因表达的方式组成性表达诱导和阻遏表达第97页，共125页，2023年，2月20日，星期日

基因表达的多级调控

基因激活 转录起始 转录后加工及转运 翻译 翻译后加工第98页，共125页，2023年，2月20日，星期日第五节遗传工程一、遗传工程的含义二、染色体工程三、细胞工程四、基因工程第99页，共125页，2023年，2月20日，星期日一、遗传工程的含义生物技术生物工程：遗传工程；蛋白质工程、酶工程；微生物工程；……遗传工程：在分子遗传理论、技术的基础上，通过工程设计与施工方式，从细胞、分子水平改造生物遗传特性。作为一个综合性的技术群体系，广义的遗传工程包含许多相关的组成部分，其主要的部分有三个：1.染色体工程；2.细胞工程；3.基因工程。狭义的遗传工程指的是基因工程。第100页，共125页，2023年，2月20日，星期日二、染色体工程染色体工程是物种间遗传转移的最传统的方式，也是目前广泛进入生产应用的遗传工程。第101页，共125页，2023年，2月20日，星期日(一)、种间有性杂交生殖隔离是物种形成的原因之一，也是染色体工程面临的第一个难题，获得种间有性杂种的难易直接影响外源基因导入栽培作物。种间杂交障碍的机制可能截然不同，其表现阶段也各不相同。目前认为，种间杂交产生杂种的障碍可能表现在以下几个阶段：受精前柱头和花柱中的障碍；受精过程中的障碍；受精后胚与种子发育过程中的障碍。第102页，共125页，2023年，2月20日，星期日受精前障碍与克服障碍机制：物种间花粉管与雌蕊不亲和，在花粉管到达胚珠之前，停止伸长而不能受精。主要克服办法：主要是选择适当的授粉时期，采用正反杂交、蒙导授粉、植物生长调节剂等。另外，有明确试验证据表明，栽培物种和野生种内均存在可杂交性遗传变异，并受简单遗传控制。利用可杂交性基因，能提高种间杂交的效率。第103页，共125页，2023年，2月20日，星期日受精过程的障碍与克服被子植物受精过程属于双受精，对种间杂交受精过程的生殖生物学研究表明：种间杂交的失败往往是由于双受精之一失败引起的。讫今为止，人们对受精的控制机制知之甚少，所以这一领域明显是一个有风险，但又极可能富有成效的研究领域。第104页，共125页，2023年，2月20日，星期日受精后发育障碍与克服受精过程的障碍机制：受精胚珠发育过程中也经常由于胚、胚乳和母本组织发育异常或发育不平衡而最终不能产生种间杂种种子。克服方法：常用技术是从生理角度进行调节，如：采用植物生长调节剂或去除母本植株的营养生长中心。近年研究表明：提高亲本倍性水平，可能有利于胚珠发育。通过离体培养方法可以挽救可能(即将)败育的杂种胚。一般而言，达到心形期或以后的胚更易于培养成功。第105页，共125页，2023年，2月20日，星期日(二)、染色体操作染色体微切割；染色体置换。第106页，共125页，2023年，2月20日，星期日三、细胞工程细胞工程的主要技术和研究领域包括：细胞、原生质体的分离、培养；细胞、原生质体植株再生；体细胞无性系变异的诱导、筛选与应用；以细胞、原生质体作为基因工程受体；细胞、原生质体融合、杂种细胞筛选、鉴定与应用。第107页，共125页，2023年，2月20日，星期日(一)、细胞、原生质体植株再生采用体细胞杂交在物种间进行遗传转移与应用的必要条件是：细胞、原生质体遗传全能性能充分实现，再生成新的生物个体。对植物而言，细胞和原生质体再生技术已经比较成熟。对动物而言，克隆羊“多利”的诞生表明：动物细胞(包括人体细胞)再生成为个体都是可能，其技术实现需要的仅仅是时间。第108页，共125页，2023年，2月20日，星期日(二)、植物原生质体作为基因工程的受体最初常用的转基因受体有叶圆片、幼胚、愈伤组织等植物组织器官。在这些组织、器官中：细胞壁的存在会增加操作的难度；产生细胞嵌合体现象，难以筛选转化子。因此原生质体是最具潜力的植物基因工程受体，转化效率高、筛选方便。第109页，共125页，2023年，2月20日，星期日(三)、细胞、原生质体融合采用细胞、原生质体融合产生杂种细胞，通过诱导再生获得杂种个体(双二倍体)，可避免有性杂交障碍。植物细胞融合由于细胞壁的存在而受到极大的限制。因此，去除细胞壁分离原生质体的技术是植物细胞杂交的基础。获得杂种细胞及其再生植株后，即可进行物种间细胞核、染色体以及细胞器的转移。第110页，共125页，2023年，2月20日，星期日四、基因工程基因工程的基本步骤可以概括为：目的基因的获得(基因克隆)；目的基因与载体连接(DNA分子重组)；重组DNA分子导入受体；转化子的筛选、鉴定。第111页，共125页，2023年，2月20日，星期日限制性内切酶与DNA连接酶细菌细胞内特异性降解外源(异源)核酸分子的核酸酶。其作用特点是：特异性降解异源DNA分子(甲基化修饰差异)；I类限制酶随机切割双链DNA分子，II类限制酶识别、切割特殊的回文(对称)序列；II类限制酶交错切割DNA双链，产生粘性单链末端。来源不同、具有相同粘性末端DNA片段在DNA连接酶的作用下可准确连接形成重组DNA分子。通常使用来自T4噬菌体DNA连接酶。重组DNA技术是基因工程最核心的技术，贯穿于整个基因工程各个步骤中。第112页，共125页，2023年，2月20日，星期日载体(vector)用于承载、克隆、转移目的基因(DNA片段)，能自我复制的DNA分子。在基因克隆时：将目的片段转移到宿主细胞中进行复制克隆——克隆载体；在基因导入受体时：将目的片段转移到受体细胞中并进行使之表达——转化载体或表达载体。常用基因工程载体有：细菌质粒(克隆)；λ噬菌体(克隆)；柯斯质粒(克隆)；穿梭质粒(克隆/表达)；细菌人工染色体(克隆/表达)；酵母人工染色体(克隆/表达)；Ti质粒及其衍生载体(转化)。第113页，共125页，2023年，2月20日，星期日第114页，共125页，2023年，2月20日，星期日(一)、目的基因的获得基因工程最主要的特点是其定向性，也就是对特定的基因进行操作。因此分离目的基因并获得足够的拷贝数(基因克隆)是基因工程及相关研究工作的前提。1.基因库构建与目的基因分离；2.PCR扩增、克隆基因