生物信息学讲义

第八讲基因工程 学习目标 1 掌握基因工程的原理和过程2 了解基因工程在工农业 医药卫生等的应用3 了解基因工程产品和食品的可能潜在风险4 了解生物制药的原理和方法5 了解药物基因组学的内容 一 基因工程的概念geneticengineering 定义 又称为重组DNA技术 指将某些特定的基因或DNA片断 通过载体或其它手段送入受体细胞 使它们在受体细胞中增殖并表达的一种遗传学操作 目的 是生产出符合人类需要的产品或创造出生物的新性状 并能稳定遗传 基因工程的概念 重要特征 1 可把来自任何生物的基因转移到与其毫无关系的任何其他受体细胞中 可以任意改造生物的遗传特性 创造出生物的新性状2 某一段DNA可在受体细胞内进行复制 为制备大量纯化的DNA片段提供了可能 基因工程的概念 应用价值 1 工业中的应用2 在医学中的应用3 农林牧渔业中的应用4 生命科学基础理论研究 二 基因工程技术路线 1 DNA片段的取得 目的基因的分离和制备 2 DNA片段和载体的连接 重组体DNA3 外源DNA片段引入受体细胞 基因克隆和基因文库4 选择基因 目的基因 5 目的基因表达 切接转选表达 一 DNA片段的获得 1 从基因所在的生物体直接取得限制性内切酶 restrictionenzymes 2 人工合成DNA片段 DNA合成仪 3 PCR反应合成DNA4 mRNA反转录成cDNA5 用机械的方法超声波 粘性末端 平整末端200多种限制性内切酶 切点各不相同 二 DNA片段和载体的连接 重组体DNA 载体 细菌中的质粒 温和噬菌体重组体DNA 载体DNA 引入的DNA粘性末端平整末端连接酶 三 重组体DNA引入受体细胞 受体 大肠杆菌 真核细胞转基因动物 transgenicanimals 接受了外源基因 发生了性状改变的动物克隆 clones 无性繁殖系 基因文库 genelibrary 四 选择基因 分子杂交 molecularhybridization 基因序列遗传学方法 性能免疫学方法 蛋白质探针 probes 根据所需基因的核苷酸顺序制成一段与之互补的核苷酸短链 并用同位素标记合成 蛋白质 核苷酸顺序mRNA cDNA原位分子杂交 五 目的基因的表达 目的基因在插入载体后 在其编码顺序的5 端有能被受体细胞识别的启动基因顺序及能和核糖体结合的顺序 则该目的基因就可以表达 从而使是因工程得以实现 基因工程技术路线2 三 应用 生命科学基础理论研究中的应用农林牧副渔中的应用工业中的应用在医学中的应用 一 在基础研究中的应用 几乎在所有生命科学分支学科中得到应用 DNAcomputation MolecularComputationbyDNAHairpinFormation byKensakuSakamoto etal 2000 DNA BasedComputerTakesAimatGenesDennisNormile 2002 二 在农业上的应用 1 增加农作物产品的营养价值 如 增加种子 块茎的蛋白质含量 改变植物蛋白的必需氨基酸比例等 2 提高农作物抗逆性能如 抗病虫害 抗旱 抗涝 抗除草剂等性能 3 提高光合作用效率将是提高农作物产量的一个有效方法 4 生物固氮的基因工程 若能把禾谷等非豆科植物转变为能同根瘤菌共生 或具固氮能力 将代替无数个氮肥厂 5 增加植物次生代谢产物产率 植物次生代谢产物构成全世界药物原料的25 如治疗疟疾的奎宁 治疗白血病的长春新碱 治疗高血压的东莨菪碱 作为麻醉剂的吗啡等 6 运用转基因动物的技术 可培育畜牧业新品种 7 其它 三 在工业中的应用 啤酒酿造白酒和黄酒的酿造和酒精生产干酪 吃油 工程菌纤维素酶 四 在医学中的应用 1 基因工程用于生产蛋白质类药物治疗糖尿病的胰岛素 是一种51个氨基酸残基组成的蛋白质1982年美国EliLilly公司推出基因工程制造的人胰岛素 商品名为 Humulin 干扰素用于治疗肝炎等病毒感染性疾病 有良好疗效 1升发酵液中所得的干扰素相当于过去从1000升人血中所得 生产成本也大为降低 目前用基因工程生产的蛋白质药物已达数十种 许多以前本不可能大量生产的生长因子 凝血因子等蛋白质药物 现在用基因工程办法便可能大量生产 正在开发的350种生物技术药物中 1 3以上用于肿瘤 其中有30种用于黑素瘤 20种用于结直肠癌 13种用于乳腺癌 13种用于前列腺癌 正在开发的疫苗有77种 用于预防或治疗HIV感染 AIDS 结直肠癌 胰腺癌 乳腺癌 肺癌 结肠癌 前列腺癌 多发性硬化 中风 正在开发的生物技术药物中 有29种用于HIV感染 AIDS和AIDS相关疾病 19种用于自身免疫性疾病 其中11种用于类风湿性关节炎 3种用于狼疮 8种用于血液疾病 其中4种用于血友病 一种用于镰形细胞性贫血 2 基因工程用于疫苗生产 常用的制备疫苗的方法 一种是弱毒活疫苗 一种是死疫苗 两种疫苗各有自身的弱点 活疫苗隐含着感染的危险性 死疫苗免疫活性不高 需加大注射量或多次接种 利用基因工程制备重组亚基疫苗 可以克服上述缺点 亚基疫苗指只含有病原物的一个或几个抗原成分 不含病原物遗传信息 重组亚基疫苗就是用基因工程方法 把编码抗原蛋白质的基因重组到载体上去 再送入细菌细胞或其他细胞中区大量生产 这样得到的亚基疫苗往往效价很高 但决无感染毒性等危险 在酵母中表达乙型肝炎表面抗原HBsAg产量可达每升2 5mg 已于1984年问世 基因工程生产疫苗有良好的发展前景 3 基因工程用于基因治疗 人体基因的缺失 导致一些遗传疾病 应用基因工程技术使缺失的基因归还人体 达到治疗的目的 已成为基因工程在医学方面应用的又一重要内容 克隆羊试验成功打开了广泛应用的大门1 蛋白质 肽类药物的生产2 器官移植3 挽救珍稀濒危动物4 良种牲畜的繁育5 用于研究的动物模型的建立克隆技术所带来的挑战 四 负面效应 1 伦理2 不可预见性危害 五 药物开发 一 药物作用机制 二 药物基因组学 一 药物作用机制 1 理化反应2 参与或干扰细胞代谢3 影响生理物质转运4 对酶的影