基因工程课件

基因工程,考核方法,平时成绩20%,闭卷考试80%,名词解释20%,出勤课堂表现作业,填空题10%,选择题10%,100%,判断题10%,问答题30%,论述题20%,主要参考资料,王关林等.植物基因工程.科学出版社。吴乃虎等.基因工程原理.科学出版社。,生物技术通报中国生物工程杂志农业生物技术学报生物工程学报生物技术遗传,MoleculargeneticsandgenomicsAnimalbiotechnologyNaturegeneticsPlantcellScienceNature,第一章基因工程概述,第一节基因操作与基因工程第二节基因工程是生物科学发展的必然产物第三节基因的结构-基因操作的理论基础,基因工程，是在分子生物学和分子遗传学等学科综合发展的基础上、于本世纪70年代诞生的一门崭新的生物技术科学。它的创立和发展，直接依赖于基因工程或称分子生物学的进步，两者之间有着密不可分的联系。基因的研究为基因工程的创立奠定了坚实的理论基础，基因工程的诞生是基因研究发展的必然结果；而基因工程技术的发展和应用，又深刻并有力地影响着基因的研究，使我们对基因的研究提到了空前的高度。,基因工程与基因操作,基因（gene）,基因研究发展的过程,基因的现代概念,基因的特点,基因工程（geneticengineering）,基因工程研究发展史,基因工程研究的主要内容或步骤,基因工程的应用,基因（gene）一段可以编码具有某种生物学功能物质的核苷酸序列。,基因研究发展的过程,Abriefhistoryofgenetics.,现代基因阶段,1操纵子（启动基因操纵基因结构基因）,现代基因阶段,2跳跃基因指DNA能在有机体的染色体组内从1个地方跳到另一个地方，它们能从1个位点切除，然后插入同一或不同染色体上的另一个位置。3断裂基因1个基因被间隔区分成不连续的若干区段，这种编码序列不连续的间断基因被称为断裂基因。4假基因不能合成出功能蛋白质的失活基因。5重叠基因不同基因的核苷酸序列有时是可以共用的即重叠的。,不同基因具有相同的物质基础基因是可以转移的基因是可以切割的多肽与基因之间存在对应关系遗传密码是通用的基因可以通过复制把遗传信息传递给下一代,基因的特点:,基因工程研究发展史,一般认为1973年是基因工程诞生的元年理论上的三大发现和技术上的三大发明对于基因工程的诞生起到了决定性的作用。,一、基因工程的诞生,1944年，AveryO.T.利用肺炎双球菌转化实验,1、DNA是遗传物质被证实,Watson和Crick,2、DNA双螺旋模型的提出,50年代，DNA的双螺旋模型的提出和DNA复制机理的阐明,DNA是遗传物质已被证实，但是DNA是怎样携带并传递遗传信息的？在细胞增殖过程中，DNA是怎样复制的？因此，对于DNA结构的研究成为了当时生物学家研究的热点。1953年，FrancisCrick和JamesWatson搜集了力所能及的资料，提出了DNA的双螺旋模型。随后，DNA的半保留复制和半不连续复制机理也被阐明，为基因工程的诞生奠定了坚实的理论基础。,Nireberg等为代表的一批科学家,3、“中心法则”和“操纵子学说”的提出,60年代，确定了遗传信息的传递方式（中心法则）,既然，DNA是遗传信息的载体，那么它是如何传递遗传信息的呢？遗传信息又是如何控制生物的表型性状的呢？以Nireberg等为代表的一批科学家经过艰苦的努力，确定了遗传信息以密码方式传递，每三个核苷酸组成一个密码子，代表一个氨基酸，到1966年，全部破译了64个密码子，并提出了遗传信息传递的“中心法则”。,原核生物的基因调控操纵子模型,1961年，JacquesMonod和FancoisJacob提出了原核基因调控的操纵子模型（operonmodel）。,1970年Smith等分离并纯化了限制性核酸内切酶HindII，1972年，H.W.Boyer等相继发现了coRI一类重要的限制性内切酶。,4、工具酶的发现和应用,1967年，世界上有五个实验室几乎同时发现DNA连接酶，特别是1970年H.G.Khorana等发现的T4DNA连接酶具有更高的连接活性。,4、工具酶的发现和应用,1970年，Baltimore等和Temin等在RNA肿瘤病毒中各自发现了反转录酶，完善了中心法则，用于构建cDNA文库。,4、工具酶的发现和应用,载体主要是小分子量的复制子如：病毒、噬菌体、质粒。1972年，美国Stanford大学的P.Berg等首次成功地实现了DNA的体外重组；,5、载体的发现及其应用,SV40,噬菌体,第一个重组分子,6、重组子导入受体细胞技术,1944年，肺炎链球菌被成功转化。1970年，大肠杆菌才被成功转化，得益于CaCl2的应用,1973年，Stanford大学的Cohen等成功地利用体外重组实现了细菌间性状的转移。1973年被定为基因工程诞生的元年。,基因工程诞生,Cohen等的重组实验示意图,Tcr,Ner,基因工程发展史上首次实现了重组DNA的细菌转化,pSC101质粒DNA,R65质粒DNA,基因工程的问世1973年Cohen等首次完成了重组质粒DNA对大肠杆菌的转化，同时与S.Boyer合作，将非洲爪蟾含核糖体基因的DNA片段与质粒pSC101重组，转化大肠杆菌，转录出相应的mRNA。此研究成果表明基因工程已正式问世；并说明了质粒分子可以作为基因克隆的载体能携带外源基因导入宿主细胞，也说明了真核生物的基因可以转移到原核生物细胞中并在其中实现功能表达。,基因工程的迅速发展阶段自基因工程问世以的这二十几年是基因工程迅速发展的阶段。如果说20世纪八九十年代是基因工程基础研究趋向成熟，那么二十一世纪初将是基因工程应用研究的鼎盛时期。,基因工程研究的主要内容或步骤,基因工程的研究内容,一、基因工程的概念在分子水平上，提取或合成不同生物的遗传物质，在体外进行切割、再和某一载体进行拼接重组，然后再将重组的DNA导入宿主细胞内，最后实现目的基因稳定复制和表达的过程。,二、基因工程研究的基本步骤,1、从生物体中分离得到目的基因（或DNA片段）2、在体外，将目的基因插入能自我复制的载体中得到重组DNA分子。3、将重组DNA分子导入受体细胞中，并进行繁殖。4、选择得到含有重组DNA分子的细胞克隆，并进行大量繁殖，从而使得目的基因得到扩增。5、进一步对获得的目的基因进行研究和利用。比如，序列分析、表达载体构建、原核表达以及转基因研究和利用等。,三、基因工程的基本流程,基因分离酶切,载体酶切,基因和载体连接,导入细菌,重组质粒繁殖,重组克隆的选择,序列分析和基因表达等研究,基因工程的应用基因工程技术已经在医学、工业、农业等各个领域得到了广泛的应用。,在医学上的应用基因工程被用于大量生产过去难以得到或几乎不可能得到的蛋白质肽类药物。,胰岛素,1000磅牛胰10克胰岛素,200升发酵液10克胰岛素,干扰素,1200升人血1升发酵液,23万美元/病人200300美元/病人,用于提高奶酪产量生产奶酪的凝乳酶传统上来自哺乳小牛的胃。现在可以通过基因工程办法，用酵母生产凝乳酶，大量用于奶酪制造。,哺乳小牛凝乳酶基因,胃转入啤酒酵母,凝乳酶,制造奶酪,转基因动物和植物转基因动物首先在小鼠获得成功。现在转基因动物技术已用于牛、羊，使得从牛/羊奶中可以生产蛋白质药物。称为“乳腺反应器”工程。转基因植物亦已在大田中广为播,把大鼠生长因子转入小鼠,得到巨大型的转基因小鼠。,转基因植物获得新的性状,工程菌在环境工程中应用美国GE公司构造成功具有巨大烃类分解能力的工程菌，并获专利，用于清除石油污染。,喷洒工程菌清除石油污染,无冰晶细菌帮助草莓抗霜冻,我国基因工程部分研究进展,转基因抗病虫植物我国科学家将抗虫基因导入棉花，获得了抗虫植株，对棉蛉虫的抗虫效果十分显著。抗黄矮病、赤霉病、白粉病转基因小麦和抗青枯病马铃薯也已研究成功，开始田间加代繁殖。,基因工程疫苗乙型肝炎是危害我国人民健康的严重疾病，我国乙肝病毒携带者1亿1千万人，其中40左右的慢性肝炎可能发展成为肝硬化和原发肝癌。以往乙肝疫苗是从人血清中提取，基因工程乙肝疫苗的研制成功，不仅有巨大的经济效益，而且有巨大的社会效益。基因工程乙肝疫苗是我国正式批准投放市场的第一种高技术疫苗，在20多项指标上达到国际先进水平，获国家科技进步一等奖。继乙肝疫苗之后，我国又研制成功了痢疾、霍乱等数种基因工程疫苗，并经国家批准进入临床试验。,基因工程药物干扰素是一种广谱的抗病毒和抗肿瘤高技术药物，对防治病毒性肝炎和恶性肿瘤有重要的作用。现已有了3个品种的基因工程干扰素获得国家新药证书，开始大批量生产。除此之外，我国还研制成功了肝癌导向药物（生物炸弹）、系列恶性肿瘤辅助治疗药物等十余种基因工程药物，有些已获试生产文号或进入中试开发阶段。,动物克隆和转基因研究在“神舟”五号成功着陆的同一天，包括两头转基因体细胞克隆牛在内的10头体细胞克隆牛现身山东梁山县。我国转基因体细胞克隆技术及体细胞克隆技术的研究与应用达到国际前沿水平。体细胞克隆牛“乐娃”，由于成功地转入了绿色荧光蛋白基因，成为我国首例转基因体细胞克隆牛，标志着我国在转基因体细胞克隆技术方面的新突破。,人类跨入21世纪，崭新的基因操作技术、不断涌现的基因科技成果，表明基因工程时代已经到来！,三、基因工程诞生的技术突破,1.限制性内切酶（restrictionenzymes）,1970年H.O.Smith等分离出第一种限制性核酸内切酶。,WernerArber理论预见限制酶,DanielNathans用限制酶切得SV40DNA片断,HamiltonO.Smith得到第一个限制酶,1978年Nobel生理或医学奖,2.DNA连接酶（ligase）,1967年5个实验室几乎同时发现了DNA连接酶。,3.载体（vector）,1972年前后使用小分子量的细菌质粒和噬菌体作载体。在细菌细胞里的大量扩增。,4.感受态体系,1970年M.Mandel和A.Higa发现经过氯化钙处理的大肠杆菌容易吸收噬菌体DNA。1972年S.Cohen发现这种处理过的细菌同样能吸收质粒DNA。,5.琼脂糖凝胶电泳,1960s发明了琼脂糖凝胶电泳，可将不同长度的DNA分离开。,6.DNA测序技术,1975年F.Sanger、A.Maxam和W.Gilbert发明了DNA快速测序技术。,1980年Nobel化学奖,二、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：,1.Berg的开创性实验,将SV40的DNA片断与噬菌体的DNA片断连接起来。,（用DNA末端转移酶，而非限制性内切酶）,2.Boyer-Cohen实验,1973年斯坦福大学的S.Cohen小组将含有卡那霉素抗性基因的大肠杆菌R6-5质粒与含有四环素抗性基因的另一种大肠杆菌质粒pSC101连接成重组质粒，具有双重抗药性。,后来又把非洲爪蟾核糖体基因片断同pSC101质粒重组，转化大肠杆菌，并在菌体内成功转录出相应的