绪论云南大学崔清华课件

云南大学2016 春季必修课,基 因 工 程,云南大学 崔清华,,TA 考试 学生情况,Benefits of Recombinant Bacteria,1. Bacteria can make human insulin or human growth hormone. 2. Bacteria can be engineered to “eat” oil spills.,Transgenic organisms,When an organism contains genes from other organisms. Example: A tobacco plant that containd DNA from a firefly.,The DNA of plants and animals can also be altered.,PLANTS disease-resistant and insect-resistant crops 2. Hardier fruit 3. 70-75% of food in supermarket is genetically modified.,Transgenic organisms,Gene from Arctic char fish inserted into tomato = Frost-resistant tomato,Transgenic plants,Usually cash crops such as cotton, corn, wheat, soybeans, etc. Often incorporates bacterial DNA to make the crop resistant to disease, pests, or chemicals. Ex: Bt corn,苏云金芽孢杆菌,How to Create a Genetically Modified Plant,1.Create recombinant bacteria with desired gene. 2. Allow the bacteria to “infect“ the plant cells. 3. Desired gene is inserted into plant chromosomes.,Selective Breeding,Breed only those plants or animals with desirable traits People have been using selective breeding for 1000s of years with farm crops and domesticated animals.,Genetically modified organisms are called GMO,TRANSGENIC ANIMALS Mice used to study human immune system Chickens more resistant to infections Cows increase milk supply and leaner meat 4. Goats, sheep and pigs produce human proteins in their milk,Human DNA in a Goat Cell,This goat contains a human gene that codes for a blood clotting agent. The blood clotting agent can be harvested in the goats milk.,.,Transgenic Goat,Cloning,Clone: a member of a population of genetically identical cells produced from a single cell. 1997: first mammal cloned. Dolly, the sheep. 体细胞vs生殖细胞 子代vs自己,2003 Canadian claim successful cloning attempt of a human.,How to Create Transgenic Animals,中国克隆猪中心,500/年 华大基因,C 基因工程的基本形式,1 基因工程的基本概念,B 重组DNA技术与基因工程的基本用途,A 基因工程的基本定义,D 基因工程的发展,基因工程的概念 基因（gene） 基因 从化学上来说，指的是一段DNA或RNA顺序，该顺序可以产生或影响某种表型（genotype，phenotype），可以由于突变生成等位基因变异体（体细胞父源和母源；正常和突变基因）；从遗传学上来说，基因代表一个遗传单位，一个功能单位，一个突变单位。,Expression,the appearance of a trait directed by a gene,trait,a characteristic resulting from gene expression,基因工程的基本操作 基因工程 在体外通过人工剪、接，将不同来源的DNA分子组成一个杂合DNA分子(DNA分子重组体)，然后导入宿主细胞去复制扩增或表达。因为通过人工设计,得到一定的设计方案，故称为基因工程。由于整个操作在分子水平上进行，所以也称分子克隆。 基因工程的基本特点是，分子水平操作，细胞水平表达。,基因工程(genetic engineering)常和以下名称混用,基因克隆(gene cloning); 分子克隆(molecular cloning); 基因操作(gene manipulation); 重组DNA技术(recombination DNA technique),A 重组DNA技术的基本定义,1 基因工程的基本概念,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。 因此，供体、受体、载体是重组DNA技术的三大基本元件。,Recombinant DNA,The ability to combine the DNA of one organism with the DNA of another organism. Recombinant DNA technology was first used in the 1970s with bacteria. 第一个实现DNA重组的人Berg 1972年，Berg用E.coR切割SV40DNA和phageDNA，经过连接组成重组的DNA分子。Berg是第一个实现DNA重组的人。,* 基因型（genetype）相同的细胞或生物体的一个群体 *带有相同插入顺序的重组DNA分子的1个群体。 *最常用的是描述一个微生物的一个菌落，这些微生物带有插入了特定DNA片断的载体分子。,B 分子克隆的基本定义,clones,organisms or cells of nearly identical genetic makeup derived from a single source,根据目的及产物的不同，基因工程分为： 基因克隆：在基因水平上，根据人们的需要以人工的方法取得特定基因，在体外重组于载体DNA分子上，并将重组DNA转入受体细胞进行无性繁殖。 基因表达：在基因水平上，根据人们的需要以人工的方法取得特定基因，在体外重组于载体DNA分子上，并将重组DNA转入受体细胞表达目的蛋白并行使正常功能。,C 重组DNA技术与基因工程的基本用途,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,大规模生产生物活性物质,工程细胞,基因工程 蛋白质工程 途径工程,发酵工程 细胞工程,分离工程,酶,酶工程,分 离 工 程,天然细胞,天然细胞,生物活性物质,基因工程 genetic engineering 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。,1、基因工程理论基础三大理论发现 （1）20世纪40年代：证明了遗传物质是DNA 1865年 G.J.Mendel的豌豆杂交试验 20世纪20-30年代 确认自然界有DNA和RNA两类核酸，并阐明了核苷酸的组成 1944年O.T.Avery 肺炎球菌转化实验 1952年A.D.Hershey和M.Cha-se 用DNA35S和32P分别标记T2噬菌体的蛋白质和核酸，感染大肠杆菌,（一） 基因工程的诞生,肺炎双球菌转化实验,有荚膜（S型）,无荚膜（R型）非致病,基因工程理论基础-2,（2） 1953年Watson和Crick ：DNA双螺旋结构 （3） 19581971年：先后确立中心法则,破译64种密码子，揭示了遗传信息的流向和表达确定了遗传信息的传递方式,B 技术上的3大发明： 1“基因剪刀”限制性内切酶的发明 （1）20世纪4060年代，科学家们就为基因工程设计了美好的蓝图，但是面对庞大的dsDNA（104，2.2*1011公里）束手无策，无从下手把它切成单个基因片断。 （2）当时的酶学知识已有相当的发展，但是没有一个已发现的酶能完成这样的使命。 （3）1970年，Smith和Wilcox在流感嗜血杆菌（Haemophilus inffuenzae）分离纯化了Hind，取得了突破，打破了基因工程的禁锢，迎来了改造生物的春天，为基因工程奠定了最为重要的技术基础。,Restriction enzyme,restriction endonuclease enzyme that cuts DNA strands at specific sites,Ligase,enzyme used to join two pieces of DNA,2载体(“交通工具车子”)基因工程技术诞生的第二个技术准备 （1） 有了切割与缝合（ligase）基因DNA的工具，还得有一个载体 将重组DNA送到宿主细胞中去。 （2）1946年起，Lederberg就研究细菌性因子（F因子）.50-60年代相继发现了R因子（抗药因子），CoE(大肠杆菌因子)等质粒。 （3）1972年 Berg 首次实现基因重组(将SV40病毒DNA与噬菌体P22DNA在体外重组成功)-第一个重组DNA分子，1980年诺贝尔化学奖 1973年Cohen才能将质粒作为基因工程载体使用（至今一直是基因工程最重要最广泛使用的载体）。这是基因工程的第二个技术准备。,vector,an agent such as a plasmid used to transfer DNA into a host cell,Importance of E. coli,The “laboratory mouse” of bacteria Used in genetic engineering,Plasmids,A small circular molecule of DNA It often has a DNA sequence that serves as an origin of replication. Contain genetic markers.,3逆转录酶1970年Baltimove和Temin等同时各自发现了逆转录酶，打破了遗传学（生物学）中心法则，使真核基因的制备成为可能。（原因如下） (1)真核基因组庞大而复杂，不易制得基因图谱。HGP2005年完成，2.8万个基因，13kb/基因，104，2.2*1011公里。 （2）即使有了基因图谱，因为真核基因有内含子，不能在原核表达系统剪接出mRNA，没有成熟的mRNA就不能得到相应得产物。 （3）经过逆转录mRNAcDNA (complementory DNA)文库要比基因组文库小得多，所以筛选阳性克隆就方便得多。,1973年，Cohen等获得了抗四环素和新霉素的重组菌落TcrNer -标志着基因工程的诞生。,第一个转化成功的重组DNA,E 基因工程的发展,E 基因工程的发展,1976年等首先将人工合成的生长激素释放抑制因子somatostatin 14肽的基因重组入质粒，成功地在大肠杆菌中表达 1977年 美国南旧金山由Boyer和斯旺森建立世界上第一家遗传工程公司，专门应用重组DNA技术制造医学上重要的药物。 1978年Itakura（板仓）等使人生长激素191肽在大肠杆菌中表达成功 1979年美国基因技术公司用人工合成的人胰岛素基因（HGH）重组转入大肠杆菌中合成人胰岛素 1980年，美国/瑞士人，a干扰素基因； 1984年，日本人，白细胞介素2（IL-2）；,（三） 基因工程的腾飞,1980年：显微注射培育出第一个转基因动物转基因小鼠， 1982年，美国，大鼠生长激素基因转入小鼠-巨鼠 1983年，美国， 农杆菌介导培育出第一例转基因植物转基因烟草 1990年，美国，腺苷脱氨酶（ADA）基因治疗，重度联合免疫缺陷症（SDID） 1991年，美国倡导，人类基因组计划109bp，15年时间30亿USD； 1997年，美国人，威尔英特克隆多利绵羊,基因编辑技术新突破,ZFN TALEN CRISPR-Cas9,TALEN -Mediated Gene Mutagenesis in Rhesus and Cynomolgus Monkeys. Cell Stem Cell, 13 February 2014;,Generation of Gene-Modified Cynomolgus Monkey via Cas9/RNA-Mediated Gene Targeting in One-Cell Embryos. Cell, 30 January 2014;,基因诊断与治疗,Cyclin A2 Induces Cardiac Regeneration After Myocardial Infarction Through Cytokinesis of Adult Cardiomyocytes. Sci Transl Med, 19 February 2014,Manipulating Somatic Cells Genetically Commonly, more than 100 diseases can be detected through testing, including,Hemophilia A Muscular Dystrophy Tay-Sachs Disease Cystic Fibrosis Down Syndrome,Removal of one cell for testing,基因工程,5,2,3,4,1,6,7,8,9,基因工程的基本概念,基因工程的基本原理,基因工程所需的基本条件,基因工程的操作过程,目的基因的克隆与基因文库的构建,大肠杆菌基因工程,酵母基因工程,哺乳动物基因工程,高等植物基因工程,10 基因诊断与治疗,现代生物工程技术,1 基因工程的基本概念,D 基因工程在现代生物工程技术中的地位,蛋白质工程的概念,在利用基因工程技术了解编码蛋白质的基因的基础上，对蛋白质的氨基酸序列、结构和功能进行分析;进而通过对蛋白质的结构、氨基酸序列的改造和翻译后的修饰等手段，改变甚至创造出新的和更有效的蛋白质。,蛋白质工程主要内容,主要目标 蛋白质氨基酸序列的分析 蛋白质晶体结构分析 蛋白质功能预测和分析 蛋白质组分析,细胞（组织）工程概念,组织工程：利用移植的细胞、骨架、DNA、蛋白质或蛋白质片段替代或修复已受伤或损坏的组织和器官 生物加工工程： 利用活细胞生产生物医药产品,组织工程人造器官,王正敏,1986年，Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机。 2010年11月，世界上第一辆3D打印的汽车Urbee问世。 2011年6月6日，发布了全球第一款3D打印的比基尼。 2011年7月，英国研究开发出世界上第一台3D巧克力打印机。 2011年8月，南安普敦大学开发出世界上第一架3D打印的飞机。 2013年？，美国科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。 2013年11月，美国德克萨斯州奥斯汀3D打印金属手枪。,3D Printing,干细胞：1999年4月， 美国的科研人员首次成功地从成年人骨髓的干细胞在体外培养分化出软骨、脂肪和骨骼细胞。标志着干细胞的研究取得了重大进展。 中国8/21干细胞临床研究管理办法（试行） 2009-20亿；2013-100亿；2016-1000亿,iPS细胞,酶工程的概念,是酶学与工程学的相互渗透和结合所发展起来，以酶为研究对象，改造并应用酶的特异催化功能。目标就是通过工程化技术大规模生产和转化相应原料成为有用物质的技术,酶工程的主要内容,酶的分离纯化 酶与细胞的固定化技术及反应器 酶制剂的发酵生产 酶分子化学修饰、遗传突变及结构改造 酶抑制剂与激活剂开发与研究 人工设计与合成模拟酶及酶分子,发酵工程,发酵工程属于生物技术的下游技术，是工业化大规模培养细胞、生产生物制品的一种技术。 传统的发酵工程主要用于微生物。现代生物技术还包括动物、植物细胞和工程菌的发酵培养。,What do you think about eating genetically modified foods?,Ha Ha Ha!,Christianity,Christians are generally against GE All created in the image of God and entitled to life. People who are not perfect should not be destroyed before they are born. However, some Christians believe that God gave us the gifts of science therefore they are his will!,Islamic View,Generally for genetic engineering. They believe that Allah has given them these gifts and they should be used. Also, many Muslims believe that the embryo at the early stages isnt a viable life. It is in this belief that Muslims and Christians separate on the issue of Genetic engineering. Muslims generally believe that prevention is better than cure.,Issues Write and Discuss,What do you think?,Current Policy Landscape,1. 国际组织 2000年卡塔赫纳生物安全协定书62国签署 2001年生物安全议定书 130多个国家签署 2003年生物技术食品的风险评估草案 226 个国家表示欢迎,2. 美国, 1992年美国FDA公布了转基因作物不需由FDA作市场前评价，除非它引起新的安全性问题。2000 年4月，坚持认为没有科学的证据之前不能将GMF作为一个新的食品级别 2000年1月美国政府对转抗虫基因玉米的种植颁布了限令，以防止害虫形成抗药性。美国环境保护局限令美国大部分玉米产区的农场主应至少种植20的传统玉米. 2001年7月出台了转基因食品管理草案规定，GMF在进入市场之前至少120天，生物工程制造商必须向FDA提出申请，提供相关资料，以确认此类食品与相应的传统产品具有等同的安全性,3. 欧盟,欧盟对GMF持反对态度，1998年提出转基因技术安全性之后，其反对态度更加强硬。他们对转基因技术培育的农作物、家畜以及再加工食品加以抵制，尤其对美国的转基因玉米已终止了进口，然而对于西班牙和德国的转基因玉米却没有采取措施 欧盟的法律由两项：欧盟理事会于1990年4月颁布法令，规定了转基因生物的批准程序；1997年5月新食品法规定对转基因产品必须贴标签,4. 其它国家,日本、澳大利亚、俄罗斯、加拿大、韩国、泰国、 巴西的政策基本与国际组织的相同，但是巴西最 近宣布在未查清转基因作物对环境的影响之前，暂时停止种植转基因大豆。 发展