生物化工-遗传物质基础与基因工程ppt课件.ppt

Chapter4遗传的分子基础与基因工程 遗传和变异的物质基础PhysicsfoundationofHeredityandVariation 基因的表达ExpressionFunctionofGene 基因的重组过程GeneralProcessofReunitingDNATechnique 基因工程的应用ApplicationofGeneEngineering 克隆CloneTechnology 一 遗传物质的确定二 脱氧核糖核酸DNA的化学组成三 DNA的双螺旋结构四 DNA复制 第一节遗传变异的物质基础 Physicsfoundationofheredityandvariation 遗传 heredity 亲代把其自身性状传给子代的特性变异 varation 子代具有改变亲代遗传性状的特性 一 遗传物质的确定 肺炎链球菌转化实验噬菌体感染实验 20世纪40年代末 Avery的 肺炎双球菌转化 实验证明DNA是有机体的遗传物质 DNA 温育 光滑有荚膜 S型致病 噬菌体感染实验 结论 除少数病毒 RNA病毒 如天花病毒和流感病毒 以RNA作为遗传物质外 多数有机体的遗传物质是DNA 不同有机体遗传物质 信息分子 的结构差别 使得其所含蛋白质 表现分子 的种类和数量有所差别 有机体表现出不同的形态结构和代谢类型 RNA的主要作用是从DNA转录遗传信息 并指导蛋白质的合成 二 脱氧核糖核酸DNA的化学组成 核糖核酸nucleicacid 核苷酸nucleotide 核苷nucleoside 磷酸phosphate 嘌呤碱purinebase或嘧啶碱pyrimidinebase 碱基base 核糖ribose或脱氧核糖deoxyribose 戊糖amylsugar 一 核糖和脱氧核糖 D 2 核糖 D 2 脱氧核糖 O 核糖 H 糠醛 甲基间苯二酚 FeCl3 绿色产物 脱氧核糖 H 羟基 酮戊醛 二苯胺 蓝色产物 RNA和DNA定性 定量测定 二 嘌呤碱和嘧啶碱 1 2 3 4 5 6 7 8 9 嘌呤 腺嘌呤adenine A 鸟嘌呤guanine G H H H 嘧啶 1 2 3 4 5 6 胞嘧啶Cytosine C 尿嘧啶uracil U H H 胸腺嘧啶thymine T H H 烯醇式 三 核苷 腺苷 尿苷 OH 假尿苷 四 核苷酸 P O 胸苷 5 磷酸 O 各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内合成RNA和DNA合成的直接原料 在体内能量代谢中的作用 ATP 能量 货币 UTP 参加糖的互相转化与合成 CTP 参加磷脂的合成 GTP 参加蛋白质和嘌呤的合成 3 5 1 P P P OH A T G pGpTpAOH pG T A pGTA 三 DNA的结构 一 DNA的一级结构 因为DNA的脱氧核苷酸只在它们所携带的碱基上有区别 所以脱氧核苷酸的序列常被认为是碱基序列 basesequence 通常碱基序列由DNA链的5 3 方向写 DNA中有4种类型的核苷酸 有n个核苷酸组成的DNA链中可能有的不同序列总数为4n 二 DNA的双螺旋结构 1953年 Watson和Crick提出 1 双螺旋结构的主要依据 1 Wilkins和Franklin发现不同来源的DNA纤维具有相似的X射线衍射图谱 2 Chargaff发现DNA中A与T C与G的数目相等 后Pauling和Corey发现A与T生成2个氢键 C与G生成3个氢键 3 电位滴定证明 嘌呤与嘧啶的可解离基团由氢键连接 2 双螺旋结构模型要点 1 两条多核苷酸链反向平行 2 两股链之间的距离为2nm A与T G与C配对 分别形成2和3个氢键 3 磷酸与核糖以3 5 磷酸二酯键连接 构成DNA的主链骨架 主链位于螺旋的外侧 碱基位于内侧 4 每个碱基对的两个碱基处于同一平面 此平面与螺旋中心轴垂直 3 双螺旋结构的稳定因素 1 氢键 太弱 2 碱基堆积力 basestackingforce 由芳香族碱基 电子间的相互作用引起的 能形成疏水核心 是稳定DNA最重要的因素 3 离子键 减少双链间的静电斥力 DNA双螺旋结构模型建立的意义是DNA复制 RNA转录和反向转录的分子基础 关系到遗传信息的表达 分子生物学的开端 三 DNA的三级结构 线形分子 双链环状 dcDNA 超螺旋 四 DNA复制 DNA是遗传信息的载体 必须准确地进行自我复制 复制出与亲代DNA分子核苷酸顺序完全相同的子代DNA分子 并传递到子代细胞中去 解链酶 DNA聚合酶 半保留复制 遗传的功能单位 基因 第二节 基因的表达功能 ExpressionFunctionsofGene 基本生命物质 核酸 nucleicacid 蛋白质 protein 蛋白质的功能 新陈代谢及作为细胞结构的组成物质 生命活动的体现者 核酸的生物功能 存储和传递遗传信息 指导和控制蛋白质的合成 遗传信息的传递 DNA的复制和基因表达 geneexpression 基因表达 遗传物质把遗传信息转变为特定氨基酸排列顺序的蛋白质 从而决定生物体表型的过程 包括RNA的转录和蛋白质的生物合成 一 RNA的转录 RNA ribonucbicacid 核糖核酸 由数十上百个核苷酸组成的一条单链 其特性也决定于核苷酸的 碱基 的排列顺序 RNA分子是含短的不完全的螺旋区的多核苷酸链 核糖代替了脱氧核糖尿嘧啶 U 代替胸腺嘧啶 T 遗传信息的中心法则 生物的遗传信息是从DNA流向RNA 再由RNA流向蛋白质 描述DNA RNA和蛋白质三者关系的过程 RNA的转录过程 RNA聚合酶 转录酶 编码链 具有转录活性 转录产物 三种RNAmRNA messengerRNA 信使RNA蛋白质合成的模板 rRNA ribosomalRNA 核蛋白体RNA蛋白质合成的装配机 tRNA transferRNA 转移RNA 氨基酸分子的搬运工 二 蛋白质的生物合成 一 遗传密码 二 蛋白质的生物合成 一 遗传密码及其基本特点遗传密码 三个核苷酸作为一个密码来编码一种氨基酸 三连体密码 tripletcode 遗传密码表 遗传密码的基本特点 通用性简并性读码的连续性 通用性 Universal 从病毒直到人类 细胞核DNA指导的蛋白质合成都使用同一套遗传密码 简并性 Degeneracy 遗传密码中 除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外 其余氨基酸有2 3 4个或多至6个三联体为其编码 这称为遗传密码的简并性 编码同一氨基酸的几组简并密码子上第一二位碱基多相同 而第三位碱基改变往往不影响氨基酸翻译 读码的连续性 Commaless 二 蛋白质的生物合成 按照细胞核中DNA的指令 以mRNA为模板 tRNA为工具 在rRNA内把细胞质中的氨基酸有顺序的排列起来的过程即为蛋白质的生物合成 遗传学又叫转议或者翻译 三 基因突变 基因突变 自然突变和诱发突变一切生物的变异和进化都可以说是由于DNA的结构改变而引起蛋白质改变的结果 生物遗传的变异起源于DNA碱基配对的改变 有的由于DNA碱基的颠倒 如TA被颠倒为AT 或被调换 如GC被换为TA 有的由于在DNA复制过程中被遗漏了一对或多了一对核苷酸 或者在转译时发生了差误 如氨酰tRNA合成酶错将一个结构与正常氨基酸十分相似的物质交给tRNA 还有一些生物的遗传性状发生了突变 第三节DNA重组技术的基本过程 generalprocessofreunitingDNAtechnology DNA重组技术是指在体外用酶学方法将不同来源的DNA进行切割 连接 组成一个新的DNA分子的过程 又称基因重组 基因克隆将重组DNA分子导入到合适的受体细胞中 使其扩增和繁殖 以获得大量的同一DNA分子 称此为基因克隆 DNA克隆或分子克隆 基因工程实现基因克隆所采用的方法和相关工作 统称为重组DNA技术或基因工程 基因工程的基本内容 基因工程又叫做基因拼接技术或重组DNA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 FormingRecombinantDNA DesiredGene DNAfromtargetorganism RecombinantDNAwithgeneofinterest 基因操作的工具 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 目的基因 基因载体 重组体 分 切 接 转 筛 表 总体技术路线 DNA重组基本程序包括下列过程分 获取目的基因和载体接 目的基因与载体的连接转 重组DNA导入宿主细胞筛 重组DNA的筛选与鉴定 目的基因能表达的受体细胞挑选出来 表 重组基因控制蛋白质的合成 1 目的基因的制取 切 酶切 方法 内切酶人工化学合成方法mRNA为模板的反转录法 2 基因载体DNA的选择 功能 为目的基因提供进入受体细胞的转移能力 为目的基因提供在受体细胞中的复制能力或整合能力 为目的基因提供在受体细胞中的扩增和表达能力 理想载体的基本条件 可转移性合适的复制位点选择标志 便于筛选和鉴定分子较小 可容纳较大的外源DNA 质粒噬菌体腺病毒载体逆转录病毒载体 种类 磷酸二酯键的形成 DNA连接酶 DNA连接酶 DNA连接酶 3 DNA体外重组 目的基因与载体的连接 接 4 DNA重组体导入受体细胞 重组体的转化 受体细胞 转 CaCl2处理 受体细菌 50 100mmol L CaCl2 感受态细菌 重组体转入细菌 5 外源基因在宿主细胞中的表达 重组子 目的基因的mRNA 表达蛋白质 大肠杆菌 E coli 受体细胞 表 第四节基因工程 菌 的应用 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 食品工业和化学工业 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 1 基因工程的药物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 白细胞介素等 既增加产量 又降低成本 基因工程与医药卫生 基因工程与医药卫生 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 3 基因治疗 GeneTherapy 可能治疗的疾病 Diabetes 糖尿病cardiovasculardisease 心血管疾病cysticfibrosis 囊性纤维化Alzheimer s 老年痴呆Parkinson s 帕金森andmanyotherdiseasesispossible 其它一些可以治疗的疾病 基因工程与医药卫生 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 基因工程与农牧业 食品工业TheDNAofplantsandanimalscanalsobealtered PLANTSdisease resistantandinsect resistantcrops2 Hardierfruit3 70 75 offoodinsupermarketisgeneticallymodified HowtoCreateaGeneticallyModifiedPlant 1 Createrecombinantbacteriawithdesiredgene 2 Allowthebacteriato infect theplantcells 3 Desiredgeneisinsertedintoplantchromosomes 基因工程与农牧业 食品工业 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 转黄瓜抗青枯病基因的甜椒 转鱼抗寒基因的番茄 例 基因工程培育抗虫棉的简要过程 苏云金芽孢杆菌 提取 抗虫基因 与运载体DNA拼接 棉花植株 导入 基因工程与农牧业 食品工业 GoldenRice 黄金大米是一种转基因大米 它通过转基因技术将胡萝卜素转化酶系统转入到大米胚乳中而获得 外表为金黄色 故称黄金大米 alleviatingvitaminAdeficienciesinthedietsofdisadvantagedpeopleindevelopingcountries traditionalricevarietiesdonotproduceprovitamin A 基因工程与环境保护 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 Geneticallymodifiedorganismsarecalledtransgenicorganisms TRANSGENICANIMALSMice usedtostudyhumanimmunesystemChickens moreresistanttoinfectionsCows increasemilksupplyandleanermeat4 Goats sheepandpigs producehumanproteinsintheirmilk DesiredDNAisaddedtoaneggcell HowtoCreateaTransgenicAnimal HumanDNAinaGoatCell Thisgoatcontainsahumangenethatcodesforabloodclottingagent Thebloodclottingagentcanbeharvestedinthegoat smilk TransgenicGoat Wecannowgrownewbodypartsandsoondonatingbloodwillbeathingofthepast butwillwegotoofar Photoofamousegrowinga humanear Growthhormoneandtherapy controlsseveralcomplexphysiologicprocesses includinggrowthandmetabolism Twobabymice sameageHumanGrowthhormonegeneinsertedintotheembryoofthemouseontherightcausingrapidgrowthThemouseontheleftisanormalsizedmouse GreenFluorescentProtein GFP andmice GeneticEngineering GeneticEngineerscanaltertheDNAcodeoflivingorganisms SelectiveBreedingRecombinantDNAPCRGelElectrophoresisTransgenicOrganisms PolymeraseChainReactionPCR 基于PCR原理三步骤而设置变性 退火 延伸三个温度点 在标准反应中采用三温度点法 变性 双链DNA在90 95 变性 退火 再迅速冷却至40 60 引物退火并结合到靶序列上 延伸 然后快速升温至70 75 在TaqDNA聚合酶的作用下 使引物链沿模板延伸 循环次数 25 30cycles PCR扩增过程 TemplateDNA 变性 退火 延伸 复制过程 聚合酶链式反应是美国Cetus公司人类遗传研究室的科学家K B Mullis于1983年发明的一种在体外快速扩增特定基因或DNA序列的方法 故又称为基因的体外扩增法 它可以在试管中建立反应 经数小时之后 就能将极微量的目的基因或某一特定的DNA片段扩增数十万倍 乃至千百万倍 而无需通过烦琐费时的基因克隆程序 便可获得足够数量的精确的DNA拷贝 所以有人亦称之为无细胞分子克隆法 凝胶电泳 GelElectrophoresis Thistechnologyallowsscientiststoidentifysomeone sDNA StepsInvolvedinGelElectrophoresis 1 Cut DNAsamplewithrestrictionenzymes 2 RuntheDNAfragmentsthroughagel 3 Bandswillforminthegel 4 Everyone sDNAbandsareuniqueandcanbeusedtoidentifyaperson 5 DNAbandsarelike geneticfingerprints 凝胶电泳的基本原理 1 核酸分子之糖 磷酸骨架中的磷酸基团 呈负离子化状态 核酸分子在一定的电场强度的电场中 它们会向正电极方向迁移 2 由于在电泳中往往使用无反应活性的稳定的支持介质 电泳迁移率 或迁移速度 与分子的摩擦系数成反比 而摩擦系数是分子大小 介质粘度等的函数 因此 在同一凝胶中 一定电场强度下 可在凝胶上分离出不同分子量大小或相同分子量但构型有差异的核酸分子 影响迁移率的内在因素 所带静电荷的多少 迁移率与表面电荷成正比 大小和形状 直径小而接近于球形 则在电场中泳动速度快 DNA构象 一般迁移速率 超螺旋环状 线状DNA 单链开环 琼脂糖凝胶的检测灵敏度在0 2 50Kb之间 聚丙烯酰胺的检测灵敏度在1 1000bp之间 实验材料 PCR产物 植物基因组DNA 质粒DNA等 实验试剂 电泳缓冲液 TAE 乙酸盐缓冲液 TBE 硼酸盐缓冲液 TPE 磷酸盐缓冲液 电泳载样缓冲液 loadingbuffer 指示剂溴酚蓝和二甲苯酚起到指示的作用 显示电泳的进程 以便我们适时终止电泳 里边的成分甘油可以加大样品密度 使样品密度大于TAE 从而沉降到点样孔中 防止样品飘出点样孔 电泳染料 溴化乙锭 EB Goldview 凝胶电泳槽 实验仪器 凝胶成像系统 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 克隆 是Clone的译音 意为生物体通过细胞进行的无性繁殖形成的基因型完全相同的后代个体组成的种群 简称为 无性繁殖 克隆 一词于1903年被引入园艺学 以后逐渐应用于植物学 动物学和医学等方面 但克隆与无性繁殖是不同的 无性繁殖是指不经过雌雄两性生殖细胞的结合 只由一个生物体产生后代的生殖方式 常见的有孢子生殖 出芽生殖和分裂生殖 由植物的根 茎 叶等经过压条或嫁接等方式产生新个体也叫无性繁殖 绵羊 猴子和牛等动物没有人工操作是不能进行无性繁殖的 科学家把人工遗传操作动物繁殖的过程叫克隆 这门生物技术叫克隆技术 第五节克隆技术 Clonetechnology 一克隆的定义 二克隆方面取得的成果 国内外克隆研究概况 1968年 英国科学家克隆非洲爪蟾 1978年 我国科学家克隆黑斑蛙 1979年 中国科学家克隆鲫鱼 此后克隆出新鱼卵 鲤鲫鱼 1998年到1999年 美国和瑞士科学家成功克隆了灰鼠 1996年7月 克隆羊多利诞生 我国克隆技术处于世界领先位置 从1990年以来克隆出多种哺乳动物 胚胎细胞移植技术 意大利一位妇科医生声称已克隆出一名女婴 受到各国科学家的批评 三胚胎细胞克隆与体细胞克隆 1 胚胎细胞克隆 分离出一个胚胎细胞 将细胞核移植到去核的卵子内 然后再将其移植到动物受体内妊娠产子 体细胞克隆 多莉 的过程 先 与此同时 手术完成之后 然后 到1996年7月 多利羊 3 克隆的理论基础 细胞的全能性 totipotenty 每个细胞都具有独立生长发育 并形成