基因工程绪论

基因工程绪论第1页/共69页A、Whytostudyongeneticengineering？（Senseandapplication）B、Whatisgene？＊C、Whatisgeneticengineering?

＊

D、Howwasgeneticengineeringdeveloped？（History）E、Whatisthemaincontentresearchedingeneticengineering?（content）＊F、Safe?Prospective？（Safeandprospect）G、Questions绪论第2页/共69页A、Whytostudyongeneticengineering？（Sense）绪论第3页/共69页A、Senseandapplication1、能够按照人们意愿改造生物物种(conscious)2、能够在较短时间内完善物种（shortcourse)3、可以跨物种改造形成新品种(trans-species)；4、安全、可控、应用广泛、前景广阔(safe,controllable,etc.)。概括地讲，其意义体现在以下三个方面：1、大规模的生产生物分子；2、设计构建新物种；3、搜寻、分离和鉴定生物体尤其是人体内的遗传信息。第4页/共69页Case1

在医学上的应用

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。第5页/共69页第6页/共69页产品时间国家用途上市时间国家人生长激素释放抑制素(SRM)1977日本巨人症人胰岛素1978美国糖尿病1982欧洲人生长激素（HGH）1979美国侏儒症1985美国人α-干扰素（IFN）1980美国病毒1985欧洲乙肝疫苗（HBsAgV）1983美国乙肝1986欧洲人白细胞介素1984美国肿瘤1989欧洲人促红细胞生成素（EPO）日本贫血1988欧洲人粒细胞集落刺激因子(G-CSF)白血病1991美国人组织纤溶酶原激活剂（t-PA）血栓症1987美国主要基因工程产品的研制、开发、上市时间第7页/共69页

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。Case2凝乳酶基因转入啤酒酵母

凝乳酶哺乳小牛胃

凝乳酶制造奶酪第8页/共69页Case3

转基因动物和植物

转基因动物首先在小鼠获得成功。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。

转基因植物亦已在大田中广为播种把大鼠生长因子转入小鼠得到巨大型的转基因小鼠第9页/共69页转基因植物获得新的性状第10页/共69页Case4

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第11页/共69页B、Whatisgene

？绪论第12页/共69页B、Whatisgene

？☆基因研究发展的过程☆基因的现代概念☆基因的特点第13页/共69页Abriefhistoryofgenetics.第14页/共69页1866年，孟德尔（G.J.Mendel）提出了因子（factor）的概念。他将控制豌豆性状的遗传因素称之为遗传因子形成了基因的雏形。（Abstract,Notsubstance)Thefirstconception:Factor孟德尔的思想体现了"颗粒式遗传学说"（particulateinheritancetheory）第15页/共69页豌豆杂交操作孟德尔研究的七对性状第16页/共69页孟德尔分离定律第17页/共69页第18页/共69页1909年，丹麦的遗传学家W.Johanssen根据希腊语“给予生命”之义，创造了“gene”一词。（Signal,

Abstract,

Notsubstance)

Theprogressconception:Gene

“遗传因子/基因”的设想一经提出，便推动人们去寻找，去探索:

Whereisgene？

Whatisgene？第19页/共69页Whereandwhatisgene?(Genewascharacterizedbysubstance.)

1910年，美国遗传学家摩尔根（T.H.M.organ）以果蝇为研究材料，发现了连锁交换定律并提出遗传粒子学说，第一次将代表某一特定性状的基因与某一特定的染色体联系起来，即基因位于染色体上。第20页/共69页

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(Allele)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。等位基因(Allele)第21页/共69页1944年，美国微生物学家O.T.Avery首次证实遗传物质的基础是DNA，基因位于DNA上。Geneisthematerial第22页/共69页ThetransformingprincipleisDNA.DNAisthegeneticmaterial第23页/共69页分别用放射性同位素标记噬菌体35S－标记蛋白质32P－标记DNA第24页/共69页第25页/共69页

1953年，J.Watson和F.Crike创立DNA双螺旋模型，证实基因是具有一定遗传效应的DNA片段。第26页/共69页1955年，Benzer在T4噬菌体的顺反互补实验中，正式使用“顺反子（cristron）”这个术语，并将顺反子与基因在意义上和功能上统一起来。同时证实了基因不是最小单位。它仍然是可分的；并非所有的DNA序列都是基因，只有其中某一特定的核苷酸区段才是基因的编码区。顺反子（cristron）第27页/共69页一段可以编码具有某种生物学功能物质的核苷酸序列。

(Asectionofcodesequence)基因常用概念第28页/共69页Operon:

1960年，F.Jacob和J.Monmd提出了操纵元（操纵子）的概念，揭示了原核生物基因表达调控的重要规律。Operon第29页/共69页移动基因（movablegene）断裂基因（splitgene）假基因（pseudogene）重复基因（repeatedgenes）重叠基因（overlappinggenes）

或嵌套基因（nestedgenes）基因的现代概念第30页/共69页1、移动基因（movablegene）

又称为转位因子（transposableelements），由于它可以从染色体基因组上的一个位置转移到另一个位置，甚至在不同的染色体之间跃迁，因此又叫做跳跃基因（jumpinggenes），最早在玉米中发现。它又分为插入序列、转位子、逆转座子。第31页/共69页

指编码序列不连续的间断基因，最初在腺病毒(adenovirus)中发现。2、断裂基因（splitgene）第32页/共69页应用S1核酸酶作图法测定断裂基因中的间隔子第33页/共69页类似于基因但不表达的DNA序列。不表现任何功能，是基因的退化形式。假基因在基因组中形成稳定的和无活性的拷贝，由活化的原始基因突变而来.3、假基因（pseudogene）

因为存在着在某个阶段伤及基因表达的一种或多种缺陷（入启动子错误、有缺陷的剪接信号、框架中有终止信号等）之故。一旦不能产生正常的基因产物，就失去了对发生进一步突变的选择性屏障作用，因此典型的假基因都有很多缺陷。某些假基因有3‘-多聚A尾巴及准确地切掉了内含子，因而与mRNA类似，被认为是源自插入基因组的逆转录体（可能由某些病毒携带）。第34页/共69页4、重复基因

（repeatedgenes）不重复的唯一序列（只有一个拷贝）包括大多数编码蛋白质的结构基因和基因间间隔序列低度重复序列（＜10个拷贝）第35页/共69页中度重复序列（10到几百个拷贝）特点：重复单位序列相似，但不完全一样

散在分布于基因组中序列的长度和拷贝数非常不均一，中度重复序列一般具有种属特异性，可作为DNA标记分类：1、中度重复序列可能是转座元件(转座子)2、长散在重复序列(long

interspersed

repeated

segments)

LINEs：长度>1000bp(可达7Kb),拷贝数104-105

，如人LINEl3、短散在重复序列(Short

interspersed

repeated

segments)

SINES：长度<500bp，拷贝数>105.如人Alu序列

第36页/共69页高度重复序列（几百个拷贝到几百万个拷贝）

卫星DNA(Satellite

DNA)第37页/共69页5、重叠基因（overlappinggenes或嵌套基因（nestedgenes）类型：☆一个基因的核苷酸序列完全包含在另一个核苷酸序列中。由于它们的读码结构互不相同，因此编码着不同的蛋白质。☆

2个基因的核苷酸序列之末端密码子相互重叠。第38页/共69页☆不同基因具有相同的物质基础

在原则上，所有生物的DNA都是可以重组互换的，因为地球上的一切生物，无论是高等还是低等，他们的基因都是一个具有遗传功能的特定核苷酸序列的DNA片断，而所有生物的DNA结构都是一样的。有些病毒的基因定位在RNA上，但这些病毒RNA可以通过反转录产生cDNA，并不影响不同基因的重组互换。基因的特点第39页/共69页☆基因是可以切割的

基因在染色体上的存在形式是直线排列。大多数基因彼此之间存在间隔，少数基因是重叠排列的。

基因的特点第40页/共69页☆基因是可以转移的

生物体内有的基因是可以在染色体上移动的，甚至可以在不同的染色体上跳跃，插入到靶DNA分子中。基因在转移的过程中就完成了基因间的重组。（转座子、反转座子）基因的特点第41页/共69页☆多肽与基因之间存在对应关系

现在普遍认为，一种多肽就有一种相对应的基因。因此，基因的转移或重组可以根据其表达产物多肽的性质来检查。基因的特点第42页/共69页☆遗传密码是通用的

一系列的三联密码子（除极少数外）同氨基酸之间的对应关系，在所有生物中都是相同的。基因的特点第43页/共69页☆基因可以通过复制把遗传信息传递给下一代

经重组的基因一般来说是能传代的，可以获得相对稳定的转基因生物。基因的特点第44页/共69页C、Whatisgeneticengineering?绪论第45页/共69页

基因操作，是在分子生物学和分子遗传学等学科综合发展的基础上、于本世纪70年代诞生的一门崭新的生物技术科学。☆基因研究为基因工程的创立奠定了坚实的理论基础，基因工程的诞生是基因研究发展的必然结果；☆基因工程技术的发展和应用，又深刻并有力地影响着基因的研究，使我们对基因的研究提到了空前的高度。因此，对基因研究发展的过程，以及基因的现代概念进行一下回顾是十分必要的。基因工程与基因的关系第46页/共69页三大技术信息技术生物技术传统生物技术现代生物技术基因工程蛋白质工程细胞工程酶工程发酵工程工业生物发酵技术新材料技术基因工程技术是现代生物技术的核心技术。第47页/共69页cell

engineering

细胞工程（cell

engineering）是应用细胞生物学和分子生物学方法，借助工程学的试验方法或技术，在细胞水平上研究改造生物遗传特性和生物学特性，以获得特定的细胞、细胞产品或新生物体的有关理论和技术方法的学科。

广义的细胞工程包括所有的生物组织、器官及细胞离体操作和培养技术，狭义的细胞工程则是指细胞融合和细胞培养技术。第48页/共69页蛋白质工程概念1983年，美国生物学家厄尔默首先提出了“蛋白质工程”的概念。人们利用分子遗传学的知识和对蛋白质结构的了解，通过周密的分子设计，把蛋白质改造为合乎人类需要的新的蛋白质。利用基因工程生产的胰岛素就是蛋白质工程的第一个成功范例。第49页/共69页酶工程概念酶工程（EnzymeEngineering）是利用酶的催化作用进行物质转化的技术，是将酶学理论与化工技术、微生物技术结合而形成的新技术，是借助工程学手段利用酶或细胞、细胞器的特定功能提供产品的一门科学。第50页/共69页发酵工程概念

采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程中的一种新技术。第51页/共69页

也叫基因操作、遗传工程（狭义），或重组体DNA技术。一般说来所谓的基因工程是指在体外将核酸分子插入病毒、质粒或其它载体分子，构成遗传物质的新组合，并使之参入到原先没有这类分子的寄主细胞中内，而能持续稳定的繁殖。遗传工程（广义）：包括细胞工程和基因工程。Whatisgeneticengineering?第52页/共69页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。通常所说的基因工程指的是上游技术。第53页/共69页重组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。第54页/共69页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第55页/共69页D、Howwasgeneticengineeringdeveloped？（History）

第56页/共69页理论基础

1、在40年代确定了遗传信息的携带者，即基因的分子载体是DNA而不是蛋白质，从而明确了遗传的物质基础问题。2、在50年代揭示了DNA分子的双螺旋模型和半保留复制机理，解决了基因的自我复制和传递的问题。3、在50年代末期和60年代，相继提出了“中心法则”和操纵子学说，并成功的破译了遗传密码，从而阐明了信息的流向和表达问题。理论基础与技术支持第57页/共69页技术基础

1、20世纪60年代末70年代初，限制性内切酶和DNA连接酶等的发现，使DNA分子进行体外切割和连接成为可能。2、基因工程载体的研究与应用。这两项技术，使DNA的结构分析问题得到了根本的解决。

1972年首次构建了一个重组DNA分子，并提出了体外重组的DNA分子进入宿主细胞的过程，以及在其中进行复制和有效表达等问题。第58页/共69页

1973年Cohen等首次完成了重组质粒DNA对大肠杆菌的转化，同时与S.Boyer合作，将非洲爪蟾含核糖体基因的DNA片段与质粒pSC101重组，转化大肠杆菌，转录出相应的mRNA。基因工程的问世抗四环素和新霉素的重组菌落

此研究成果表明基因工程已正式问世；并说明了质粒分子可以作为基因克隆的载体能携带外源基因导入宿主细胞，也说明了真核生物的基因可以转移到原核生物细胞中并在其中实现功能表达。第59页/共69页

自基因工程问世以的这二十几年是基因工程迅速发展的阶段。如果说20世纪八九十年代是基因工程基础研究趋向成熟，那么二十一世纪初将是基因工程应用研究的鼎盛时期。基因工程的迅速发展阶段第60页/共69页E、Whatisthemaincontentresearchedingeneticengineering?（content）绪论第61页/共69页基本步骤：(nick、link、transform、ampli