第一章基因工程概论

基因工程GeneticEngineering教师：贾举庆Email：jiajuqing@2011.7.10山西农业大学教学方法与考核一、教学方法

1、课堂教学（23学时）

2、实验教学（9学时）2011.7.10山西农业大学二、考核形式最终成绩＝卷面成绩（70％）+平时成绩（10％）+

实验成绩（20％））2011.7.10山西农业大学本课程主要内容§1基因工程概论§2基因工程的工具酶§3基因工程的载体§4基因的分离与克隆§5基因的转化与重组体的筛选和鉴定§6克隆基因的表达§7植物基因工程2011.7.10山西农业大学§1基因工程概论第一节概述第二节基因工程的诞生第三节基因工程的研究内容第四节基因工程的应用第五节基因工程的安全性问题第六节基因工程的发展前景2011.7.10山西农业大学第一节概述基因工程是20世纪70年代初兴起的技术科学，目的是将不同DNA片段按照人们的设计与载体定向连接起来，在特定的受体细胞中复制并表达，产生影响受体细胞的新的遗传性状。

DNA重组技术－基因工程中的核心技术DNA重组技术是核酸化学、蛋白质化学、酶工程及微生物学、遗传学、细胞学长期深入研究的结晶，而限制性内切酶、DNA连接酶及其他工具酶的发现与应用则是这一技术得以建立的关键。2011.7.10山西农业大学第一节概述一、基因工程的定义基因工程是在分子水平上进行的遗传操作，指将一种或多种生物体（供体）的基因或基因组提取出来，或者是人工合成的基因，按照人们的意愿，经过体外加工重组，转移到另一种生物体（受体）的细胞内，使之能在受体细胞遗传并获得新的遗传性转的技术。突出优点：跨越物种屏障、把来自其它生物的基因置于新的寄主生物细胞之中的能力，是基因工程技术区别于其它技术的根本特征。2011.7.10山西农业大学第一节概述二、基因工程的要素供体、受体、工具酶与载体2011.7.10山西农业大学第二节基因工程的诞生一、基因工程诞生的理论基础二、基因工程诞生的技术突破三、基因工程的支撑原理四、基因工程的诞生五、基因工程的特征2011.7.10山西农业大学第二节基因工程的诞生一、基因工程诞生的理论基础1、DNA是遗传物质Avery等人的工作树立了遗传学理论上全新的观点

——DNA是遗传信息的载体Griffith（1928）及Avery（1944）等人关于致病力强的光滑型（S型）肺炎链球菌DNA导致致病力弱的粗糙型（R型）细菌发生遗传转化的实验。2011.7.10山西农业大学DNA是“转化源”2011.7.10山西农业大学第二节基因工程的诞生2、DNA的双螺旋结构和半保留复制机理1962年，Watson和Crick因为在1953年提出DNA的反向平行双螺旋模型而与Wilkins共获Noble生理医学奖，后者通过X射线衍射证实了Watson-Crick模型。Watson和Crick所提出的脱氧核糖酸双螺旋模型，为充分揭示遗传信息的传递规律铺平了道路。2011.7.10山西农业大学第二节基因工程的诞生2011.7.10山西农业大学第二节基因工程的诞生3、中心法则和遗传密码Crick于1954年所提出的遗传信息传递规律（即中心法则）1954年首次提出的“中心法则”1970-1980年的“中心法则”21世纪后修正的“中心法则”2011.7.10山西农业大学第二节基因工程的诞生MarshallW.Nirenberg1968年，Nirenberg，Holley和Khorana共享诺贝尔生理医学奖

Nirenberg：破译DNA遗传密码；2011.7.10山西农业大学第二节基因工程的诞生3.1遗传密码是通用的三联密码子同氨基酸间的对应关系，对所有生物一样3.2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可以传代，可获得相对稳定的转基因生物2011.7.10山西农业大学第二节基因工程的诞生二、基因工程诞生的技术突破1、工具酶的发现与应用Smith等分离并纯化了限制性核酸内切酶HindII，1972年，Boyer等相继发现了ＥcoRI等重要的限制性内切酶。

2011.7.10山西农业大学1967年，世界上有五个实验室几乎同时发现DNA连接酶。1.1连接酶的发现与应用2011.7.10山西农业大学1970年，Khorana实验室又发现了T4噬菌体DNA连接酶。1.2T4噬菌体DNA连接酶2011.7.10山西农业大学1972年，美国Stanford大学的P.Berg等首次成功地实现了DNA的体外重组；第二节基因工程的诞生2、载体的发现与应用2011.7.10山西农业大学1973年，Stanford大学的Cohen等成功地利用体外重组实现了细菌间性状的转移。这一年被定为基因工程诞生的元年。3、载体的发现及其应用2011.7.10山西农业大学第二节基因工程的诞生3、典型的质粒载体结构图2011.7.10山西农业大学第二节基因工程的诞生4、受体细胞的发现与应用1970年M.Mandel和A.Higa发现经过氯化钙处理的大肠杆菌容易吸收噬菌体DNA。1972年S.Cohen发现这种处理过的细菌同样能吸收质粒DNA。2011.7.10山西农业大学第二节基因工程的诞生5、琼脂糖凝胶电泳6、DNA测序技术

第一代测序技术（sanger测序，化学降解法）第二代测序技术（全自动测序技术…）第三代测序技术1960s发明了琼脂糖凝胶电泳，可将不同长度的DNA分离开。2011.7.10山西农业大学第二节基因工程的诞生三、基因工程的支撑原理1、分子遗传学原理－提高外源基因的剂量2、分子生物学原理－筛选、修饰重组基因及其表达的转录调控元件，如：启动子、增强子、终止子、调控序列等。修饰蛋白质生物合成相关的翻译调控元件，如：SD序列、mRNA非编码区、密码子等。3、生物化学工程学原理－基因工程菌的增殖及稳定生产2011.7.10山西农业大学第二节基因工程的诞生4、基因工程的基础技术

琼脂糖凝胶电泳技术核酸分子杂交技术细菌转化、转染技术

DNA序列分析技术聚合酶链式反应（PCR）技术基因定点突变技术2011.7.10山西农业大学第二节基因工程的诞生四、基因工程的诞生

1、Berg的开创性实验

2、Boyer－Cohen的实验

2011.7.10山西农业大学1.PaulBerg的开创性实验1972年斯坦福大学的PaulBerg小组完成了首次体外重组实验：将SV40的DNA片断与

噬菌体的DNA片断连接起来。1980年Nobel化学奖

2011.7.10山西农业大学1973年斯坦福大学的S.Cohen小组：将携带卡那霉素抗性基因的大肠杆菌质粒与携带四环素抗性基因的另一种大肠杆菌质粒pSC101连接成重组质粒，具有双重抗药性。2.Boyer-Cohen实验2011.7.10山西农业大学

作为名词使用时，是指某一个体（或细胞、分子等）通过无性繁殖的方式产生的具有相同遗传背景的后代（或子细胞、分子等）组成的集体（或群体）；作为动词使用时，指产生上述集体或群体的过程。所以，植物的无性繁殖（如马铃薯的生产）、细菌的无性繁殖以及重组DNA分子通过工程菌的繁殖等过程都是一个克隆的过程。

那么，克隆动物是怎么回事呢？基因工程的概念

一般来说，基因工程是在体外将目的DNA（来源可以是动植物和微生物）和某一载体（DNA）系统进行重组，再将重组的DNA导入宿主细胞内，最后实现目的基因稳定复制和表达的过程。什么是克隆（Clone）？2011.7.10山西农业大学重要概念基因工程（geneticengineering):

狭义上讲，基因工程是指将一种或多种生物体（供体）的基因与载体在体外进行拼接，然后转入另一种生物体（受体）内，使之按照人们的意愿遗传并表达出新的性状。又称DNA重组技术。广义上讲，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部分。上游技术指的是基因重组、克隆和表达的设计与构建；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。2011.7.10山西农业大学第二节基因工程的诞生五、基因工程的特征1、遗传信息随意传递性2、无性扩增性2011.7.10山西农业大学第三节

基因工程的研究内容一、基础研究1、目的基因2、载体3、受体系统4、工具酶5、新技术二、应用研究1、植物研究2、动物研究3、药物研究4、食品、卫生、环境三、安全性问题2011.7.10山西农业大学第三节

基因工程的研究内容四、基因工程操作的主要步骤1、目的DNA片段的获得2、重组体的制备3、重组体的转化