基因工程概况

基因工程概况第1页/共69页参考书基因工程原理吴乃虎基因工程孙明高等教育出版社基因工程概论张惠展分子克隆生物学期刊杂志第2页/共69页能发光的水母不能发光的热带斑马鱼请您欣赏能否让热带鱼也能发光?设想第3页/共69页能发荧光的热带斑马鱼普通热带斑马鱼是不发荧光的第4页/共69页请您欣赏超级小鼠与超级鱼第5页/共69页请您欣赏抗虫害的玉米抗虫棉能产生人胰岛素的大肠杆菌第6页/共69页从大肠杆菌说起－－胰岛素胰岛素每100kg猪或牛的胰腺中提取4~5g胰岛素

1979年，利用大肠杆菌的DNA分子重组，2000L培养液提取100g，相当于2吨猪胰腺中提取的量第7页/共69页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。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%!第8页/共69页从大肠杆菌说起－－干扰素

干扰素一千克纯的干扰素价值可达440亿美元。传统生产方法：血液中提出白细胞，然后用病毒去感染它，这时会产生干扰素，1个细胞最多生产100~1000个干扰素分子基因工程：改造的大肠杆菌发酵生产：一天内便可生产20万个干扰素分子。1KG培养物中可以得到20~40mg干扰素第9页/共69页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。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10页/共69页思考：1、为什么能把一种生物的基因“嫁接”到另一种生物上？2、推测这种“嫁接”怎样能实现？3、这种“嫁接”对品种的改良有什么意义？第11页/共69页主要内容1.基因工程的基本概念2.基因工程的理论依据3.基因操作的基本步骤4.基因工程的发展历史5.基因工程研究内容6、转基因生物与转基因食品的安全性第12页/共69页1.基因工程的基本概念重组DNA技术

重组DNA技术是指将一种生物（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13页/共69页基因工程含义

基因工程（GeneEngineering）：

利用DNA体外重组或PCR扩增技术从某种生物基因组中分离靶基因,或是用人工合成的方法获取基因,然后经过一系列切割,加工修饰,连接反应形成重组DNA分子,再将其转入适当的受体细胞,以期获得基因表达的过程.

基因工程指重组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14页/共69页二、基因工程的理论依据

不同的基因具有相同的物质基础基因是可以切割的基因是可以转移的多肽与基因间存在对应关系遗传密码是通用的基因可以通过复制把遗传信息传递到下一代第15页/共69页第16页/共69页四个基本步骤：三基因操作的基本步骤1）提取目的基因2）目的基因与运载体结合3）将目的基因导入受体细胞4）目的基因的检测和表达第17页/共69页四．基因工程的发展历史1）准备阶段

19世纪中孟德尔豌豆杂交试验遗传因子经典遗传学

20世纪初莫尔根果蝇杂交试验基因基因学

1944年艾弗瑞肺炎双球菌转化实验遗传物质DNA1953年沃森－克瑞克DNA双螺旋结构—搞清了遗传物质的分子机制

1958年至1971年确立中心法则，破译64种遗传密码—使遗传学在分子水平上得到解释。

1972年美国Berg,Jackson等人将猿猴病基因组SV40DNA,噬菌体基因，大肠杆菌半乳糖操纵子，体外重组获得成功。第18页/共69页四．基因工程的发展历史2）问世阶段

1973年美国斯坦福大学Cohen,Boyer等，在体外构建含有四环素，链霉素，两个抗性基因的重组质粒分子,导入大肠杆菌后稳定复制，赋予受体细胞相应抗生素抗性。同时与别人合作将非洲爪蟾含核糖体基因的DNA片段与质粒重组，转化大肠杆菌，转录出相应的RNA-----（宣告基因工程诞生）第19页/共69页第20页/共69页四．基因工程的发展历史3）发展阶段1978年美国Genentech公司利用重组大肠杆菌合成人胰島素的先进生产工艺--------（揭开基因工程产业化的序幕）1983年，携带有细菌新霉素抗性基因的重组Ti质粒转化植物细胞获得成功。1990年，美国科学家对一名因腺苷脱氨酶基因缺陷患有重度联合免疫缺陷症的儿童进行基因治疗获得成功。-------（分子医学新纪元）第21页/共69页四．基因工程的发展历史1991年，美国倡导在全球实施人类基因组计划，用15年时间斥资30亿美元，完成12万5000个人类基因的全部测序工作。1997年，英国科学家利用体细胞克隆技术复制出“多利”绵羊。------（人类可以在实验室进行复制自身的尝试）2005年，邓宏魁，丁明孝教授克隆小白鼠在中国属首例。2006.12美国允许将克隆动物肉和奶制品进入市场,可以不作标记.但受百姓质疑.

克隆动物肉和奶制品将摆上百姓餐桌第22页/共69页五、基因工程研究内容基础研究基因工程克隆载体的研究基因工程克隆受体的研究目的基因的研究基因工程工具酶的研究基因工程新技术研究应用研究基因工程药物研究转基因植物研究转基因动物研究

其他方面的应用研究第23页/共69页载体概念：

通过不同途径能将承载的外源DNA片段（基因）带入受体细胞，并在其中得以维持的DNA分子称为DNA克隆载体或基因克隆载体。举例：

pET系列载体

T载体

pBR322等第24页/共69页受体细胞概念：

受体细胞也称为宿主细胞或寄主细胞，从技术上讲是能摄取外源DNA并使其稳定维持的细胞；从实验目的上讲是有运用价值和理论研究价值的细胞。举例：

原核生物（大肠杆菌；蓝藻）真核生物（酵母菌；植物；动物）第25页/共69页目的基因基因是一种资源，且是一种战略资源基因工程研究的任务是开发人们特许需要的基因产物基因组计划：从1990年开始，耗费30亿，由美国、英国、日本、德国、法国和中国一起完成，我国承担基因组1％的测序任务。2000年6月26日是人类历史上值得纪念的一天。人类基因组的工作草图已经绘制完毕并于这天向全世界公布。最终完成图要求测序所用的克隆能忠实地代表常染色体的基因组结构，序列错误率低于万分之一。第26页/共69页工具酶概念：

体外进行DNA合成、切割、修饰和连接等系列过程中所需要的酶，包括DNA聚合酶、限制性核酸内切酶、修饰酶和连接酶等。举例:DNA聚合酶（Taq酶，pfu酶）限制性内切酶（HindIII、SalI、KpnI）连接酶（T4连接酶）修饰酶（碱性磷酸酶）第27页/共69页新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28页/共69页

药物研究1.基因工程激素类药物（胰岛素；生长激素；促卵泡激素）2.基因工程细胞因子类药物（干扰素；集落刺激因子；白介素；肿瘤坏死因子；趋化因子等）3.基因工程抗体（抗肿瘤、抗感染、防止器官移植中的排斥反应等）4.基因工程受体（细胞因子受体；免疫球蛋白受体；补体受体；抗原受体）5.基因工程疫苗（细菌疫苗；病毒疫苗；核酸疫苗；其他疫苗）第29页/共69页我国生产的部分基因

工程疫苗和药物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30页/共69页基因工程人干扰素α-2b（安达芬）

第31页/共69页产品名称菌株或细胞应用人胰岛素大肠杆菌人生长激素大肠杆菌表皮生长因子大肠杆菌白细胞介素-2大肠杆菌a—干扰素酵母菌乙型肝炎疫苗酵母菌溶血栓剂哺乳动物细胞治疗糖尿病治疗生长缺陷症治疗烫伤、胃溃疡治疗某些癌症治疗癌症或病毒感染预防病毒性肝炎治疗心血管病（心脏病）第32页/共69页天竺葵＋香茅醛转基因龙胆花色奇异第33页/共69页转基因植物研究1983年，转基因烟草和转基因马铃薯获得成功转基因的目的：提高植物抗性改良作物品质作为生物反应器生产有用化合物举例：

1.提高植物抗性抗病毒方面，将病毒外壳蛋白基因转入植株中，是植物获得抗病毒的能力。1986年首先将TMV外壳蛋白导入烟草和番茄中。见图第34页/共69页抗CMV病毒转基因番茄

烟草第35页/共69页甜椒在栽培的过程中，容易受病毒的感染。我国科学工作者，采用转基因技术，培育出抗病毒的甜椒。抗CMV病毒转基因甜椒第36页/共69页转基因植物研究1.提高植物抗性抗细菌和真菌——从抗病植物中克隆出抗病基因再导入易感病植物中，从而提高后者的抗病性。如：抗白粉病、赤霉病和黄矮病的小麦或将抗菌肽转入植株第37页/共69页转基因植物研究1.提高植物抗性抗虫方面——将抗虫基因导入易感植物中提高植物的抗虫性苏云金杆菌的Bt杀虫蛋白基因；胰蛋白酶抑制基因；凝集素基因第38页/共69页抗虫棉花第39页/共69页第40页/共69页由中国农科院生物工程中心开发的Bt棉对棉铃虫有显著的抗性。与对照相比减少农药用量80％，并减少用工150个/hm2，以上两者可使每公顷节省1500元，Bt转基因棉种深受棉农的欢迎。第41页/共69页

如今中国北部地区的棉花有95%都已经是转基因的了，只有新疆北部地区还在种植非转基因棉花。.

我国大豆食用油近七成是“转基因”产品第42页/共69页转基因植物研究1.提高植物抗性

抗除草剂——改变除草剂靶物的敏感性或导入编码除草剂的解毒酶基因如：将除草剂草甘膦的靶酶（EPSPS）的cDNA转入油菜，使油菜对草甘膦的抗性提高4倍；将bar基因、bxn基因、tfdA基因导入作物提高抗性第43页/共69页抗除草剂大豆抗除草剂作物第44页/共69页转基因植物研究1.提高植物抗性

抗旱、抗寒、抗热和抗盐转基因番茄

1994年，美国政府批准了他们研制成功抗干旱、早熟、保鲜的转基因番茄商品化之后，我国也相继成功培育出优良品种的转基因番茄，以满足人们的需求。

转鱼抗寒基因的番茄第45页/共69页转基因植物研究2.改善植物品质

通过转基因技术改变植物中氨基酸组成和含量，提高植物的品质

我国科学工作者，用转基因技术，可以转变矮牵牛花的花色，使矮牵牛花的花色更加丰富多彩。第46页/共69页样品比较（左为普通棉花，右为兔毛转基因棉花）第47页/共69页转基因小麦

从植物体中分离出合成赖氨酸的基因，把这基因转入小麦植株中，培育出转基因小麦。用这种转基因小麦制造出来的面粉，更适合用来烤面包，而且面粉中赖氨酸含量高，这种面包的营养价值高。

第48页/共69页转基因玉米

玉米是主要粮食之一，又可以提炼油脂，也可以用作食品和工业的原料以及作饲料，浑身是宝。人们称它是含金的植物。如今培育出转基因玉米，品质更好，产量更高。第49页/共69页

转基因油菜

油菜是人们食用油的主要来源之一。一般油菜籽的含油量约为40％左右。通过转基因技术，培育出来的油菜籽，可以大大地提高它的出油率。而且油的纯度质量更好。第50页/共69页转基因水稻第51页/共69页转基因动物改良家畜、家禽和鱼的经济性状，或通过转基因动物生产某些药物和蛋白质等。如：将牛的基因导入猪体内

美国弗吉尼亚技术制药工程研究院培育转基因猪，其体内含有人类的基因，产乳后其乳汁含有人体蛋白fatorⅧ。据估计，只需300～600只这样的母猪就能满足全世界对这种蛋白的需求。第52页/共69页导入人基因具特殊用途的猪和小鼠特殊动物图为2001年12月底出生的5只可爱的转基因克隆小猪。据培育者英国PPL医疗公司称，这些转基因小猪将为研究和“生产”适用于人体移植手术使用的动物器官提供巨大的帮助。第53页/共69页世界上第一只转基因动物第54页/共69页通过转基因技术可以使绵羊产生更多更好的毛，甚至可以使绵羊产出不同色彩的羊毛第55页/共69页第56页/共69页其他方面的应用1.酶制剂工业传统来源：动植物或微生物基因工程：将基因导入大肠杆菌，发酵获得

2.环境污染的检测与治理工业生产导致环境污染，将降解有机污染物的基因导入大肠杆菌中，分解有机物，净化环境。

第57页/共69页⑴环境监测：

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探针检测出来第58页/共69页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。第59页/共69页⑵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