基因工程课程.ppt

江西农业大学生物科学与工程学院,基因工程,徐波,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,生物芯片,D基因工程的基本形式,1基因工程的基本概念,C重组DNA技术与基因工程的基本用途,B基因工程的基本定义,A重组DNA技术的基本定义,基因工程原理,Geneengineeringorgeneticengineering,Gene:Ahereditaryunitthatoccupiesaspecificlocationonachromosomeanddeterminesaparticularcharacteristicinanorganism.Genesexistinanumberofdifferentformsandcanundergomutation.Engineering:Theapplicationofscientificandmathematicalprinciplestopracticalendssuchasthedesign,manufacture,andoperationofefficientandeconomicalstructures,machines,processes,andsystems.,基因工程(geneengineering)常和以下名称混用,遗传工程(geneticengineering);基因克隆(genecloning);分子克隆(molecularcloning);基因操作(genemanipulation);重组DNA技术(recombinationDNAtechnique)克隆(clone):作名词时指含有某目的DNA片段的重组DNA分子或含有该重组分子的无性繁殖系.作动词时是指基因的分离与重组过程。,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，也称为分子克隆技术。因此，供体、受体、载体是重组DNA技术的三大基本元件。,B基因工程的基本定义,1基因工程的基本概念,基因工程是指重组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。,生物工程biologicalengineering遗传工程geneticengineering基因工程geneengineering分子克隆molecularcloning基因克隆genecloning基因操作genemanipulation重组DNA技术recombinantDNAtechnique克隆（clone）,与基因工程相关的几个概念,蛋白质工程的概念,在基因工程技术对编码蛋白质的基因的了解基础上，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,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。传统的酶工程主要是指天然酶制剂在工业上的大规模生产与应用。随着科学的发展，尤其是基因工程技术的日趋完善，为酶工程赋予了新的内容，特别是利用DNA操作技术，修饰改造酶分子的结构或活性位点、酶与底物作用位点，重组酶的生产，模拟酶的人工设计与合成等成为新的内容。,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,发酵工程概念,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。,发酵工程技术,发酵对象：传统微生物发酵、基因工程菌发酵、动物细胞培养、植物细胞培养发酵类型：液体发酵、固体发酵、固定化培养、流式发酵发酵技术设备,D基因工程的基本形式,1基因工程的基本概念,第一代基因工程蛋白多肽基因的高效表达经典基因工程,第二代基因工程蛋白编码基因的定向诱变蛋白质工程,第三代基因工程代谢信息途径的修饰重构途径工程,第四代基因工程基因组或染色体的转移基因组工程,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。,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,C重组DNA技术与基因工程的基本用途,1基因工程的基本概念,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,基因工程技术及其应用,转基因植物,转基因动物作为生物发生器,基因本身也是一个产业,Rockfeller大学将人肥胖基因出售0.2亿美元（1995年3月）Amgen公司将FKBP神经免疫因子配体转让达3.29亿美元（1997年）Millennium公司以4.65亿美元向Bayer公司转让225种基因的开发权（1998年9月）,基因工程的兴起,1977年，激素抑制素的发酵生产成功。Itakara等，化学合成的激素抑制素基因和大肠杆菌-半乳糖（苷）激酶基因插入到PBR322中得到重组质粒，并通过大肠杆菌生产出含有激素抑制素的嵌合型蛋白，经溴化氰处理后释放出了有生物活性的激素抑制素。首次实现了真核基因的原核表达。用价值几美元的9升培养液生产出50毫克的生物活性物质，这相当于50万头羊脑的提取量。1978年，Goeddel等，人胰岛素的发酵生产成功。1979年，Goeddel等，又在大肠杆菌中成功表达了人生长激素基因。1980年，Nagata等，遗传工程菌生产干扰素获得成功。1981年，用遗传工程菌生产的生物制剂包括动物口蹄疫疫苗、乙型肝炎病毒表面抗原及核心抗原、牛生长激素等。1982年，重组DNA技术生产的药物-人胰岛素进入商品化生产。1983年，基因工程生产狂犬病疫苗取得突破型进展。,生物技术的应用领域,医药：生物制药；基因治疗；人工器官农业和畜牧业转基因植物：抗病虫害新品种、抗逆新品种、高品质新品种转基因动物：生产有用蛋白质和高品质的畜产品生物反应器：利用动植物细胞或组织作为生物反应器，直接生产有用蛋白质轻工与食品新型食品；营养食品；保健食品；轻工用酶环境污染治理；废物利用；污染物生物降解,生物技术产业化,生物技术产业：利用细胞和生物分子进行药品、农产品生产开发和环境治理的产业，该产业技术由医药生物技术、农业生物技术和环境生物技术共同组成医药生物技术重点攻克癌症、艾滋病、老年痴呆症、帕金森病、心脏病、糖尿病等危害人类的顽疾农业生物技术着眼于提高农产品的产量和质量。环境生物技术重点用于清除危险废弃物,生物制药产业化特点,高技术：高层次人才，高新技术手段，多学科渗透高投入：在国外，一个生物药品平均要投入13亿美元，并随着开发难度的增大,有逐步增高的趋势长周期：国际上，一个新的生物药品需要68年时间高风险:一个新药品的开发，经过一系列的程序-研发、中试、动物实验、IIII期临床实验，上市和严格的药政监督管理。每一步都可能失败，而前功尽弃高回报:开发成功一个新的生物药品,回报很高。如美国Amgen公司，首次开发上市的EPO、G-SCF到1997年的销售额分别接近和达到20亿美元,基因工程试剂的高回报,碱性成纤维细胞生长因子231元/ug红细胞生成素1072元/ug白细胞介素-2410元/ug巨细胞粒细胞集落刺激因子1960元/ug胰岛素10.2元/mg,美国生物技术产业发展情况,美国生物制药产品种类及数量（PHRAM）,疾病种类产品数量疾病种类产品数量感染性疾病39心脏病26神经系统疾病28呼吸系统疾病22艾滋病及相关疾病19自主免疫系统疾病19皮肤病19移植13消化系统疾病11遗传疾病11血液疾病9糖尿病及并发症7不育症5眼病3生长发育不良症3骨质疏松2妊娠预防2肿瘤疾病175,基因治疗人数情况,生物技术产业化农业领域,已有35个科120多种植物获得转基因植物，一些重要的农作物获得商品化的转基因品种。种植面积迅猛发展。采用的基因正在从抗除草剂、抗菌素、抗病虫害基因到抗逆境、高品质方向发展。由单个质量性状基因向多基因数量性状转变。植物反应器生产稀有蛋白。,8384858687888990919293949596979899000102,Firsttransgenicplant,Delay-ripeningtomatoCommercializedintheUS,Firstfieldtests,Herbicideresistant,insectresistantplantscommercialized,GMmaizeapprovedbyEU,FirstBtcornplants,RottingresistanttomatoapprovedbyFDA,植物基因工程的发展迅速,植物转基因育种的发展优势,1、扩大了作物育种的基因库转基因育种打破了常规育种的物种界限，来源于动植物和微生物的有用基因都可以导入作物，培育成具有某些特殊性状的新型作物品种。2、提高了作物育种的效率作物转基因育种不仅大大缩短育种年限，而且可成功地改良某些单一性状却不影响改良品种的原有优良特性。3、减轻了农业生产对环境的污染转基因抗虫棉花的大面积种植和推广，不仅可以减少化学杀虫剂对棉农及天敌的伤害，而且可以大幅度降低用于购买农药和虫害防治的费用。另外，随着高效固氮转基因作物及高效吸收土壤中磷元素等营养元素的转基因作物不断问世和推广，农用化肥的利用率将极大地提高，这对减少农田污染具有重要意义。4、拓宽了作物生产的范畴各种有价值的蛋白产品都可以利用植物反应器进行高效生产，番茄、马铃薯、莴苣和香蕉等作物已被成功用于生产口服疫苗。另外，各种工业原料，比如纤维素、海藻糖和可降解塑料等也可以用植物来生产。有人甚至预言，除了钢筋混凝土之外，未来的转基因作物将可能生产出人类所需要的一切产品。,全球转基因作物种植面积（百万公顷）,全球转基因作物导入特性比例,全球转基因作物销售收入（亿美元）,全球不同转基因作物和应用面积,植物基因工程研究,植物基因组计划,植物分子育种,高产、优质、高效和多抗性,植物作为反应器,香蕉、马铃薯、番茄等,玉米、棉花、大豆、高粱和番茄,酒精、石油、工业酶等,世界转基因作物大田释放情况(1987.1-1998.4),转基因作物种植面积,利用转基因猪器官进行猪灵长类异种移植,1997年，动物基因工程产品销售额约,1.8亿$,转基因小鼠,人类秃顶,NatureBiotechnology,1999,17(1):9,转基因家蚕,防弹衣,NatureBiotechnology,1999,17（5）：412,生物技术与传统中药,中药现代化核心是建立与现代基因学说相应的现代中药理论现代中药理论的建立确立中药与基因表达的关系中药药靶（基因）或作用位点基因的寻找中药化学组：中药有效成分包括较单一的成分和多种成分中药临床药效的科学评价与分析方法生物技术的应用中药基因组利用现代生物技术研究分析中药对人体（细胞）基因表达（蛋白质）的影响。技术平台：大规模基因表达分析（基因芯片、SAGE、蛋白质组等技术）以及相关信息数据库的建立中药化学组利用现代仪器分析技术分析有效成分及其药物代谢、动力学。技术平台：色谱及色谱-质谱，色谱-波谱，波谱-波谱联用等分析技术与层析、临界萃取等分离技术中药新剂型,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，现正进行田间加代繁殖。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