基因工程1基因工程概述

基因工程 苏州农业职业技术学院 食品系生物技术教研室 Gene Engineering 基因工程发展史 Gene engineering 1968年 沃纳.阿尔伯,丹尼尔.内森和汉密尔.史密斯第一次从大肠 杆菌中提取出了限制性内切酶.为此,三人共享了1978年诺 贝尔生理和医学奖. 1974年 科学界肯定了在1967年由5个实验室同时发现的连接DNA片 段的酶,并命名为DNA连接酶. 1973年 美国斯坦福大学科恩从大肠杆菌中取出两种带有不同基因 的质粒,将两种基因经过“裁剪”,“拼接”后放入同一个 质粒的大肠杆菌内,能表现出双重性.这标志着基因工程的 首次胜利. 1974年 科恩将金色葡萄球菌的质粒与大肠杆菌质粒进行拼接 放入大肠杆菌内,使大肠杆菌获得了对青霉素的抗药 性,从而实现了外来基因性状在大肠杆菌体内的表达. 20世纪70年代,第一家遗传技术公司成立利用基因重组技术 制造蛋白质用于治疗人类的疾病. 基因工程发展史 Gene engineering 1983年 世界上第一例转基因植物在美国成功培植. 1996年 转基因作物首次进行了商业种植.迄今,全世界已有50 个国家开展了转基因植物种植,品种有60多种植物.在 美国转基因食品达到4000多种,已成为日常的生活用品 . 2003年 为期13年的人类基因组计划(1990年10月1日启动)的人 类基因组序列图绘制成功.人类基因组计划与曼哈顿原 子弹计划(1942)和阿波罗登月计划(1969)一起被称为 20世纪三大科学工程. 基因工程的基本内容 Gene engineering 基因工程又叫做基因拼接技术或DNA重组技术。这种 技术是在生物体外，通过对DNA分子进行人工“剪切”和“ 拼接”，对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体 细胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产 生出人类所需要的基因产物。 基因工程的别名基因拼接技术或DNA重组技术 操作环境生物体外 操作对象基因 操作水平DNA分子水平 基本过程剪切拼接导入表达 结果人类需要的基因产物 n重组DNA技术流程 剪切? 剪切? 拼接? 导入? 表达? 基因操作的工具 Gene engineering 基因的剪刀限制性内切酶（一种限 制酶只能识别一种特定 的核苷酸序列，并且能 在特定的切点上切割 DNA分子） 基因的针线DNA连接酶 基因的运输工具运载体（如质粒、 噬菌体和动植物病 毒等） DNA连接酶 Gene engineering 连接的部位：磷酸二酯键（梯子的扶手） ，不是氢键（梯子的踏板） 。 基因的运载体 Gene engineering 运载体必须具备的条件： 1、能够在宿主细胞中复制并稳定地保存； 2、具有多个限制酶切点，以便与外源基因连接； 3、具有某些标记基因，便于进行筛选。（如抗菌素 的抗性基因、产物具有颜色反应的基因等 ） 外源基因导入受体细胞需要运输工具运载体。 运载体的作用： 1、作为运载工具，将外源基因转移到受体细胞中去 。 2、利用运载体在受体细胞内，对外源基因进行大量 复制。 质 粒 Gene engineering 质粒是基因工 程最常用的运载体 ，它广泛地存在于 细菌中，是细菌染 色体外能够自主复 制的很小的环状 DNA分子，大小只 有普通细菌拟核 DNA的百分之一。 质粒能够“友好”地“借居”在宿主细胞中。一般来 说，质粒的存在与否对宿主细胞生存没有决定性的作 用。但是，质粒的复制则只能在宿主细胞内完成。 基因操作的基本步骤 Gene engineering 提取目的基因 从供体细胞的DNA中直接分离基因 （如“鸟枪法”） 人工合成基因 反转录法 化学合成法 目的基因是人们所需要转移 或改造的基因。如苏云金芽孢杆 菌的抗虫基因，还有植物的抗病 （抗病毒、抗细菌）基因、种子 贮藏蛋白的基因，以及人的胰岛 素基因、干扰素基因等。 三种目的基因提取方法的优缺点 仅限于合成核苷酸对较少的 简单基因 专一性 最强 化学 合成法 操作过程麻烦，mRNA很不稳 定，要求的技术条件较高 专一性强反转录法 工作量大，盲目，分离出来 的有时并非一个基因 操作简便 广泛使用 鸟枪法 缺 点优 点 目的基因与运载体结合 将目的基因导入受体细胞 目的基因的检测和表达 检测：通过检测标记基因的有无来判断目的基因是否导入。 表达：通过特定性状的产生与否来确定目的基因是否表达。 常用的受体细胞有 大肠杆菌、枯草杆菌、 土壤农杆菌、酵母菌和 动植物细胞等。 基因操作的基本步骤 Gene engineering 目的基因导入受体细胞的方法 1、将细菌用CaCl2处理，以增大细菌细胞壁的 通透性。 2、使含有目的基因的重组质粒进入受体细胞 。 3、目的基因在受体细胞内，随其繁殖而复制 ，由于细菌繁殖的速度非常快，在很短的 时间内就能获得大量的目的基因。 基因操作的基本步骤 Gene engineering 基因操作的基本步骤 Gene engineering 基因工程的成果与发展前景 Gene engineering 基因工程与医药卫生 生产基因工程药品 用于基因诊断与基因治疗 基因工程与农牧业、食品工业 培育高产、稳产和具有优良品质的动植物新品种 培育具有各种抗逆性的动植物新品种 为人类开辟新的食物来源 基因工程与环境保护 用于环境监测 用于被污染环境的净化 基因工程与医药卫生 Gene engineering 我国生产的部分基因 工程疫苗和药物 1、基因工程药品的生产 微生物生长迅 速，容易控制，适 于大规模工业化生 产。如利用大肠杆 菌生产胰岛素、干 扰素、白细胞介素 2等。既增加产 量，又降低成本。 基因工程与医药卫生 Gene engineering 2、基因诊断 基因诊断是用放射性同位素(如32P)、荧光分子等标记 的DNA分子做探针，利用DNA分子杂交原理，鉴定被检 测标本上的遗传信息，达到检测疾病的目的。 生物芯片 从正常人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以 得出标准图谱。从病人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂 交就可以得出病变图谱。 通过比较、分析这两种图谱，就可以得出病变的DNA信 息。 基因芯片诊断技术以其快速、高效、敏感、经济、平 行化、自动化等特点，将成为一项现代化诊断新技术。 基因工程与医药卫生 Gene engineering 3、基因治疗 基因治疗是把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞 中，达到治疗疾病的目的。 取患者 骨髓 分离干 细胞 病毒 正常基因 并入正常基因 的干细胞 注入患 者体内 基因工程与农牧业、食品工业 Gene engineering 生长快、肉质好的转基 因鱼(中国) 乳汁中含有人生长激素 的转基因牛(阿根廷) 基因工程与农牧业、食品工业 Gene engineering 转黄瓜抗青枯病基因的甜椒 转鱼抗寒基因的番茄 基因工程与农牧业、食品工业 Gene engineering 基因工程与农牧业、食品工业 Gene engineering 基因工程与农牧业、食品工业 Gene engineering 基因工程与环境保护 Gene engineering 1、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。 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。 2、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。 1、有些转基因食物含的一些物质，可 能会影响人体健康。 2、大量的转基因生物进入自然界后很 可能会与野生物种进行杂交，产生 一些超级生物，从而造成基因污染 。 3、如有些作物插入抗虫基因，杀死环 境中有益的生物。 基因工程的弊端 Gene engineering Gene engineering 将供体生物的DNA用限制酶切 割为许多片段，再用运载体将这些 片段都运载到受体生物的不同细胞 中去。只要有一个细胞获得了需要 的目的基因并得以表达，基因工程 就算成功了。 该法最大的缺点是带有很大的 盲目性，工作量大，成功率低。且 不能将真核生物的基因转移到原核 生物中去。 用限制酶切用限制酶切 成许多片断成许多片断 鸟枪法直接分离基因Gene engineering 1. 逆转录法：以信使RNA为模板，在逆转录酶的 作用下将脱氧核苷酸合成合成DNA(基因)。 mRNA mRNA 单链单链DNA DNA 双链双链DNADNA 人工基因合成法 Gene en