第一章 基因工程概论课件

基因工程

GeneticEngineering

主讲教师：李黄金Email:lihuangji任课教师：张文峰、陈伟生命科学与生物制药学院２０13第一章基因工程概论

自我介绍98年获理学博士学位，中山大学92-2006年在企业工作“重组人表皮生长因子(rhEGF)衍生物”*国家一类新药(1998)*国家高技术产业化示范工程(2002)*《中国药典》2005版三部收录品种第一章基因工程概论第一章基因工程概述

基因工程与生物技术世纪基因工程的基本概念、原理与过程基因工程的历史基因工程的未来课程结构

第一章基因工程概论一、基因工程与生物技术世纪第一章基因工程概论人类文明发展的三次技术革命工业革命——19世纪，解放双手信息革命——20世纪，解放大脑生物技术革命——21世纪，改造生命，创造生命第一章基因工程概论生物技术世纪

“我们正处在世界历史的一场伟大变革中，一场从物理学和化学时代转变到生物学时代、从工业革命转变到生物技术世纪的伟大革命”杰里金.里夫金美国华盛顿特区，经济趋势基金会总裁第一章基因工程概论生物技术？生物技术（Biotechnology）根据现代生命科学理论与各种工程技术所建立的、用以改造各种生物有机体来满足人类各种需要的技术体系。以细胞与基因操作为核心。第一章基因工程概论现代生物技术产业化关键领域医药生物技术农业生物技术工业生物技术能源生物技术环境生物技术信息生物技术国防生物技术第一章基因工程概论基因工程——生物技术体系的核心转基因动、植物重组微生物天然细胞蛋白质、酶高分子化合物小分子化合物工程细胞功能基因基因工程药物、诊断试剂基因治疗/疫苗干细胞治疗人类自身功能基因动、植物、微生物工业领域医药领域农业领域能源领域环境领域军事领域第一章基因工程概论基因工程是现代生物技术体系的核心

细胞工程发酵工程分离工程蛋白质工程抗体工程酶工程途径工程。。。。。基因工程第一章基因工程概论基因工程（GeneticEngineering）是指按预先设计的蓝图，将不同来源的目的基因在体外与载体DNA进行拼接重组，然后导入受体细胞，并使之持续稳定繁殖，以改变生物原有的遗传特性，获得新品种，生产新产品，或是研究基因的结构和功能的技术。二、基因工程的概念、原理与过程1、概念第一章基因工程概论广义的基因工程基因工程是指DNA重组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。上游技术指的是目的基因克隆、表达载体和工程菌（或细胞）的构建与分析。下游技术基因工程菌或细胞的大规模培养以及表达产物的分离纯化过程。第一章基因工程概论基因工程的应用分离、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第一章基因工程概论基因工程概念的发展遗传工程（GeneticEngineering)DNA重组技术（DNARecombination）分子/基因克隆（Molecular/GeneCloning）基因工程（Gene/GeneticEngineering)基因操作（GeneManipulation)应用领域以“基因工程”、“DNA重组”为主第一章基因工程概论有关术语克隆（clone)：无性繁殖系克隆化（cloning）：构建无性繁殖系的操作过程。重组子（recombnants)：不同来源DNA插入载体分子所形成的杂合分子。重组（recombination）：构建DNA重组子的过程构建（construct):通过基因操作获得重组DNA、重组细胞或动植物个体的过程。第一章基因工程概论工程菌（细胞）：

通过基因操作所获得的、用于生产特定产物的微生物菌种（工程菌）或动植物细胞（工程细胞）。转基因动物（植物）通过基因操作所获得的、带有特定新功能基因的动物或植物。分子育种基于基因操作技术改良动植物生产性能、并获得新品种的过程。基因工程产业化中的几个概念第一章基因工程概论基因工程的三大要素基因：供体，目的基因（Vs用途,interesting/targetgene）、外源基因（Vs宿主,foreigngene）载体：能将外源基因带入受体细胞，并能稳定遗

传的DNA分子。宿主：受体，能摄取外源DNA、并能使其稳定维持的细胞（组织、器官或个体）。第一章基因工程概论

●基因工程最突出的二个优点

打破了常规育种难以突破的物种之间界限

可使原核生物与真核生物之间、动物与植物之间、甚至人与其他生物之间的遗传信息进行重组和转移。可在受体细胞内大量复制并保存目的基因

为大量制备纯化的目的基因、研究基因的结构与功能提供了基础。第一章基因工程概论2、基因工程的基本原理★基因的物质基础一致

所有物种可通过DNA重组来进行遗传改造。★所有物种DNA的复制机制相同宿主来源的复制调控元件可使目的基因在异源宿主中高效扩增与稳定传代。★所有物种遵循相同的基因表达原理宿主来源的转录水平（启动子、终止子、增强子）和翻译水平（核糖体结合位点、偏爱密码子）的调控元件可实现目的基因的异源高效表达。第一章基因工程概论3、基因工程的基本过程★目的基因克隆切、接、转、增、检★获得目的基因PCR、RT-PCR、化学合成、基因文库★工程细胞或个体构建将含目的基因表达元件的载体导入特定宿主细胞或个体，并筛选可稳定遗传与表达目的基因的重组子第一章基因工程概论基因克隆的基本过程切、接、转、增、检mRNA合成大肠杆菌是中心角色第一章基因工程概论体外重组（切、接）第一章基因工程概论切：用DNA限制性内切酶切割目的基因与载体DNA

接：用DNA连接酶连接目的基因与载体DNA，获得含

目的基因、复制元件与筛选标记的重组DNA分子。转：将重组DNA分子导入宿主细胞（大肠杆菌）。

增：少量进入宿主细胞的重组DNA分子利用复制元件自

主复制、并大量扩增。检：利用筛选标记基因和/或目的基因的表达产物进行重

组子的筛选与鉴定。基因工程的基本过程第一章基因工程概论基因工程（广义）基本过程转化克隆宿主，制备表达载体。

转化表达宿主第一章基因工程概论基因工程发酵（培养）第一章基因工程概论中试规模分离纯化—AKTAexplorer100第一章基因工程概论19461950195519601965197019751980198519901995

1944DNA是遗传物质1949Hbs贫血1953双螺旋1956HbsGlu-Val1966遗传密码第一个R酶1972重组质粒1975DNA杂交1977DNA测序1981转G小鼠1983HD病G定位1985PCR1986位置克隆1987G剔除小鼠1989位置克隆1990第一个基因治疗1995细菌G组序列1996酵母基因组序列三、基因工程的历史第一章基因工程概论

（一）基因工程诞生的理论基础

20世纪中期分子遗传学理论的重大进展

1．确定了生物遗传的物质基础是DNA

肺炎链球菌光滑型和粗糙型的转化试验噬菌体DNA转化实验

第一章基因工程概论●

1944年，美国微生物学家Avery证明基因就是DNA分子，提出DNA是遗传信息的载体。第一章基因工程概论2、Watson、Crick阐明DNA双螺旋结构（1953）第一章基因工程概论

3．生物遗传的“中心法则”解决了遗传信息的流向和遗传性状的相互关系，揭示了生命遗传信息传递基本规律。

自我复制，遗传信息由父代传给子代；通过转录，遗传信息传给RNA；通过翻译，信息传给蛋白质和酶；基因型决定生物的表型。DNA

RNA

protein第一章基因工程概论

4．“操纵子”学说揭示了基因表达和调控的机制。

第一章基因工程概论5、破译了全部的遗传密码第一章基因工程概论基因工程的理论依据

相同的遗传物质基础（DNA）相同的遗传机制（DNA的复制）相同的基因表达法则（中心法则）通用的遗传密码（64个密码子）多肽与基因之间存在对应关系基因可重组或转移（天然重组、转座）第一章基因工程概论

1．核酸内切酶和DNA连接酶的发现

——为DNA的体外重组准备了基本的“工具”Smith发现了第一个限制性核酸内切酶(restrictienendonuclease，RE)HindII。分子手术刀:特异性切割Boyer发现了第一个用于基因工程的内切酶EcoRIKhorana发现了T4DNA连接酶（Ligase），粘合剂:能将DNA片段连接在一起（二）基因工程诞生的技术基础第一章基因工程概论Boyer发现的EcoRI第一章基因工程概论

2．DNA载体系统的发现

目的基因、DNA片段不能复制，也易破坏。必须连到具有复制能力的载体（vector)DNA分子上。研究表明质粒、噬菌体和病毒是理想的载体分子。大肠杆菌的质粒首先用于载体。第一章基因工程概论3、大肠杆菌DNA转化体系建立

1970年发现氯化钙处理过的细胞易于吸收接纳外源DNA；

1972年CohenC报道，质粒DNA也能被大肠杆菌吸收。而后发现经过改造的质粒、噬菌体和病毒都可以携带目的DNA片段和基因，经过转化大肠杆菌，建立该基因的无性繁殖系。第一章基因工程概论

4、DNA分离、纯化技术的建立

凝胶电泳：Agarosegel,PAGE

可以分离纯化DNA片段，并检测连接情况

第一章基因工程概论（三）基因工程的诞生1980年Nobel化学奖1972年斯坦福大学的PaulBerg小组完成了首次体外重组实验：

Berg的开创性实验将SV40的DNA片段与

噬菌体的DNA片段连接起来。第一章基因工程概论DNA重组(体外）：不同的DNA分子间发生共价连接形成重组DNA分子。重组DNASV40DNADNA片段（用DNA末端转移酶，而非限制性内切酶）T4DNA连接酶第一章基因工程概论Boyer和Cohen进行了第一个基因工程实验第一章基因工程概论

2、1973年Cohen成功地进行了体外重组和转化实验

分别把编码卡那霉素和四环素抗性基因的两种质粒酶切、连接，再将这种重组的DNA分子转化大肠杆菌，某些转化菌落具有既抗卡那霉素又抗四环素的双重抗体特性。他的工作是世界上第一次成功的基因重组实验，并有基因表达及新的表型。第一章基因工程概论1973-Boyer,Cohen&Chang:

真正意义上的基因工程实验

TransformE.coliwithrecombinantplasmidStanleyCohen&AnnieChanHerbertBoyerKanamycinresistancegenePlasmidpSC101TetracyclineresistancegeneE.colitransformedwithrecombinantplasmidTransformedcellsplatedontomediumwithkanamycinandtetracyclineOnlycellswithrecombinantplasmidsurvivetoproducecolonies第一章基因工程概论pSC101pR6-5抗四环素抗卡那霉素EcoRI抗卡那霉素基因DNA连接酶重组DNA分子第一章基因工程概论培养平皿四环素平板卡那霉素基因四环素\卡那霉素基因大肠杆菌第一章基因工程概论

后来又把非洲爪蟾核糖体基因片段同pSC101质粒重组，转化大肠杆菌，并在菌体内成功转录出相应的mRNA。这是第一次成功的基因克隆实验。Boyer-Cohen实验第一章基因工程概论1982年第一章基因工程概论2000年，法国科学家利用基因技术“制造”出了一只可以发出绿色荧光的兔子“Alba”。应用了受精卵显微注射技术，从水母身上采集了荧光蛋白，基因改良后，使它的发光率比原先提高了两倍，再将该基因植入到了兔子的受精卵中，由此培养出了会发光的兔子Alba。在普遍光线下，它看上去与其它同类没有区别，但是在较暗的光线下，它的身体就会放射出奇异的绿光来。

第一章基因工程概论基因工程的历史性事件1973：Boyer和Cohen建立DNA重组技术1976：世界上第一个基因公司“Genetech”在美国成立1978：Genetech公司在大肠杆菌中表达出胰岛素1982：世界上第一个基因工程药物重组人胰岛素上市1988：PCR技术诞生1989：我国第一个基因工程药物rhIFNα1b上市2003:世界上第一个基因治疗药物重组腺病毒-p53上市第一章基因工程概论四、基因工程的未来第一章基因工程概论第一章基因工程概论只有想不到的没有办不到的第一章基因工程概论第一章基因工程概论第一章基因工程概论基因治疗第一章基因工程概论基因工程药物第一章基因工程概论第一章基因工程概论疫苗（抗原）的基因工程第二代疫苗：基因工程疫苗第一代疫苗：灭活疫苗（牛痘疫苗）利用酵母菌生产的重组乙肝疫苗第一章基因工程概论FDA正式批准全球首支宫颈癌疫苗第一章基因工程概论生物反应器：转基因动物

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