基因工程基本概念与基本原理

基因工程基本概念与基本原理第1页/共40页LuDongUniversity一、引言（一）历史

1917：提出

1953：基因的奠基人－詹姆斯.沃森和弗朗西斯.克里克，他们发现DNA的双螺旋结构。－－DNA之父。DNA之母：罗莎琳德.富兰克林，她用X射线衍射DNA晶体得到了影像，从而分辨出这种分子的维度、角度和形状；她发现DNA是螺旋结构，至少两股，其化学“信息”面向进里面。

1973：第一个成功的克隆转化实验，第一个有目的的基因重组实验，是现代生物技术的标志。

1997：英培育出世界上第一例体细胞克隆动物“多莉”羊，2003年2月14日去世。

1998：日本培育出体细胞克隆动物8头牛犊。第2页/共40页LuDongUniversity一、引言

2000：果蝇的基因组图谱绘制完成；人类基因组图谱的绘制工作完成。

2002：疟原虫、按蚊的基因组图谱完成；完成水稻、小鼠的基因组图谱。

2003：意大利培育出第一匹克隆马，人类基因组序列基本完成。第3页/共40页LuDongUniversity2005年：全球首只克隆狗在韩国公开露面一、引言“斯纳皮”与“父母”第4页/共40页LuDongUniversityDNA的双螺旋结构世界首只克隆羊“多莉”一、引言第5页/共40页LuDongUniversity一、基因工程与医药卫生基因工程药品的生产许多药品的生产是从生物组织中提取的。受材料来源限制产量有限，其价格往往十分昂贵。微生物生长迅速，容易控制，适于大规模工业化生产。若将生物合成相应药物成分的基因导入微生物细胞内，让它们产生相应的药物，不但能解决产量问题，还能大大降低生产成本。第6页/共40页LuDongUniversity基因工程胰岛素（一）胰岛素是治疗糖尿病的特效药，长期以来只能依靠从猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。胰岛素分子结构第7页/共40页LuDongUniversity基因工程胰岛素（二）将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素！大规模工业化生产不但解决了这种比黄金还贵的药品产量问题，还使其价格降低了30%-50%!胰岛素生产车间第8页/共40页LuDongUniversity基因工程干扰素（一）干扰素治疗病毒感染简直是“万能灵药”！过去从人血中提取，300L血才提取1mg！其“珍贵”程度自不用多说。干扰素生产车间干扰素分子结构第9页/共40页LuDongUniversity基因工程干扰素(二）基因工程人干扰素α-2b（安达芬）是我国第一个全国产化基因工程人干扰素α-2b，具有抗病毒，抑制肿瘤细胞增生，调节人体免疫功能的作用，广泛用于病毒性疾病治疗和多种肿瘤的治疗，是当前国际公认的病毒性疾病治疗的首选药物和肿瘤生物治疗的主要药物。第10页/共40页LuDongUniversity其它基因工程药物人造血液、白细胞介素、乙肝疫苗等通过基因工程实现工业化生产，均为解除人类的病苦，提高人类的健康水平发挥了重大的作用。人造血液及其生产第11页/共40页LuDongUniversity基因诊断与基因治疗运用基因工程设计制造的“DNA探针”检测肝炎病毒等病毒感染及遗传缺陷，不但准确而且迅速。通过基因工程给患有遗传病的人体内导入正常基因可“一次性”解除病人的疾苦。我国研究人员正在制备用于基因治疗的基因工程细胞第12页/共40页LuDongUniversitySCID的基因工程治疗重症联合免疫缺陷（SCID）患者缺乏正常的人体免疫功能，只要稍被细菌或者病毒感染，就会发病死亡。这个病的机理是细胞的一个常染色体上编码腺苷酸脱氨酶（简称ADA）的基因（ada）发生了突变。可以通过基因工程的方法治疗。SCID患者生存在无菌环境中第13页/共40页LuDongUniversity基因治疗SCID的过程第14页/共40页LuDongUniversity二、基因工程与农牧业、食品工业运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的农作物及畜、禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的动、植物。第15页/共40页LuDongUniversity转基因鱼生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼(中国)第16页/共40页LuDongUniversity转基因牛乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷)第17页/共40页LuDongUniversity转黄瓜抗青枯病基因的甜椒第18页/共40页LuDongUniversity转鱼抗寒基因的番茄第19页/共40页LuDongUniversity转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯第20页/共40页LuDongUniversity不会引起过敏的转基因大豆第21页/共40页LuDongUniversity超级动物导入贮藏蛋白基因的超级羊和超级小鼠第22页/共40页LuDongUniversity特殊动物导入人基因具特殊用途的猪和小鼠第23页/共40页LuDongUniversity三、基因工程与环境保护基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。1t水中只有10个病毒也能被DNA探针检测出来基因工程在环境监测上的应用第24页/共40页LuDongUniversity利用基因工程培育的指示生物能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。基因工程在环境监测上的应用地衣苔藓第25页/共40页LuDongUniversity基因工程与环境污染治理基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程培育成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。第26页/共40页LuDongUniversity四、基因工程的基本形式第二节、基因工程的基本概念三、重组DNA技术与基因工程的基本用途二、基因工程的基本定义一、重组DNA技术的基本定义第27页/共40页LuDongUniversity一、重组DNA技术的基本定义基因工程的基本概念

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。第28页/共40页LuDongUniversity二、基因工程的基本定义基因工程的基本概念

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。第29页/共40页LuDongUniversity三、重组DNA技术与基因工程的基本用途分离、扩增、鉴定、研究、整理生物信息资源大规模生产生物活性物质设计、构建生物的新性状甚至新物种基因工程的基本概念第30页/共40页LuDongUniversity大规模生产生物活性物质工程细胞基因工程蛋白质工程途径工程发酵工程细胞工程分离工程酶酶工程分离工程天然细胞天然细胞生物活性物质第31页/共40页LuDongUniversity四、基因工程的基本形式第一代基因工程蛋白多肽基因的高效表达

经典基因工程第二代基因工程蛋白编码基因的定向诱变

蛋白质工程第三代基因工程代谢信息途径的修饰重构

途径工程

第四代基因工程基因组或染色体的转移

基因组工程基因工程的基本概念第32页/共40页LuDongUniversity四、基因工程的支撑技术第三节、基因工程的基本原理

三、基因工程的基本原理二、基因的分子生物学一、重组DNA技术的理论基础第33页/共40页LuDongUniversity一、

重组DNA技术的理论基础基因工程的基本原理19世纪中孟德尔

豌豆杂交试验

遗传因子

经典遗传学20世纪初摩尔根

果蝇杂交实验

基因

基因学1944年艾弗瑞

肺炎双球菌转化实验

遗传物质DNA1973年伯格-杰克森-考恩-鲍耶

DNA分子体外拼接分子遗传学1953年沃森-克瑞克

DNA双螺旋结构

分子生物学基因工程第34页/共40页LuDongUniversity基因工程的基本原理二、基因的分子生物学基因蛋白质机体构架功能效应生物催化调控元件mRNA转录翻译生物性状生物过程第35页/共40页LuDongUniversity基因工程的基本原理三、基因工程的基本原理提高外源基因的剂量——分子遗传学原理筛选修饰重组基因表达的转录调控元件，如：启动子、增强子、操作子、终止子、上游调控序列等——分子生物学原理

修饰构建蛋白质生物合成的翻译调控元件，如：SD序列、mRNA非编码区、密码子等——分子生物学原理

基因工程菌（微型生物反应器）的增殖及稳定生产——生化工程学原理

第36页/共40页LuDongUniversity基因工程的基本原理四、基因工程的支撑技术核酸凝胶电泳技术核酸分子杂交技术细菌转化转染技术DNA序列分析技术寡核苷酸合成技术基因定点突变技术聚合酶链反应（PCR）技术第37页/共40页LuDongUniversity基因工程的基本过程1、提取目的基因2、载体的选择和制备：质粒3、目的基因与载体连接4、导入受体5、筛选与检测6、表达基