基因工程和基因组学

普通遗传学长江大学,第九章基因工程和基因组学,普通遗传学长江大学,第一节基因工程(GeneticEngineering),基因工程概述限制性内切核酸酶载体基因的分离与鉴定基因工程的应用,普通遗传学长江大学,基因工程概述,遗传工程,广义,狭义：,细胞工程、染色体工程、细胞器工程等,基因工程,普通遗传学长江大学,1、概念：是指将一种或多种生物体（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遗传并表达出新的性状。,基因工程概述,也称为DNA重组技术(DNARecombination)、或分子克隆(Molecularcloning),普通遗传学长江大学,2、诞生：1971年，美国Smith,H.O.等分离出一种限制性酶，可酶切病毒的DNA分子；1972年：erg,P.等实现不同酶切DNA片段的体外连接；1973年：Cohen,s.等将体外重组的DNA转入大肠杆菌细胞并得以表达。,基因工程概述,普通遗传学长江大学,、基本过程：,基因工程概述,从供体细胞中分离出目的基因；(简称“切”),用DNA连接酶将含有外源基因的DNA片断接到载体上，形成DNA重组分子(“接”)；,借助细胞转化手段将DNA重组分子导入受体细胞(“转”)；,普通遗传学长江大学,、基本过程：,基因工程概述,培养转化细胞，以扩增DNA重组分子，使其整合到受体细胞的基因组中（“增”）；,鉴定转化细胞，获得外源基因高效表达的细胞（“检”）；,由此可见，基因工程的操作过程可简化为：“切、接、转、增、检”,普通遗传学长江大学,目的基因与载体连接(DNA分子重组),普通遗传学长江大学,DNA分子重组,普通遗传学长江大学,目的基因导入受体,普通遗传学长江大学,二限制性内切核酸酶,限制性内切核酸酶或限制性酶：(restrictionenzymes)在细菌中此酶的功能是降解外来DNA分子，以限制(restriction)或阻止病毒侵染。该类能识别双链DNA分子中一段特异的核苷酸序列，并将双链DNA分子切断。,普通遗传学长江大学,二限制性内切核酸酶,限制性酶据其作用特点，可分为两类。第类限制性酶：每隔一段DNA序列随机切割双链DNA分子，没有序列特异性。第类限制性酶：能识别一段特异的DNA序列，准确地酶切双链DNA的特异序列。其识别的序列是对称的，即在一条链中从5到3方向的序列，与其互补链从5到3方向的序列完全相同。这种序列称为回纹对称序列(palindrome)。,普通遗传学长江大学,普通遗传学长江大学,普通遗传学长江大学,普通遗传学长江大学,三载体,一个DNA片段只有与适合的载体(vector)DNA连接构成重组DNA后，在载体DNA的运载下，才可以高效率地进入宿主细胞(hostcell)，并在其中复制、扩增、克隆出多个拷贝。可作为DNA载体的有质粒、噬菌体、病毒、细菌或酵母菌人工染色体（BAC、YAC）等。,普通遗传学长江大学,三载体,作为载体DNA分子，需具备四个条件：具复制原点(ori)，能携带的外源DNA片段独立地自我复制；具有多克隆位点，即具有多种限制性酶的切点，用于克隆外源DNA片段；至少具有一个选择标记基因；易从宿主细胞中回收。,普通遗传学长江大学,1.细菌质粒,质粒是细菌细胞内独立于细菌染色体而自然存在的、能自我复制、易分离和导入的环状双链DNA分子。这些质粒的适应范围广，拷贝数多。进入宿主细胞复制后，每个细胞的质粒拷贝数可高达1000个。,普通遗传学长江大学,2.噬菌体,普通遗传学长江大学,3.柯斯质粒,普通遗传学长江大学,4.穿梭载体,普通遗传学长江大学,5.细菌人工染色体,普通遗传学长江大学,6.酵母人工染色体,普通遗传学长江大学,7.Ti质粒及其衍生载体,普通遗传学长江大学,四基因的分离与鉴定,(一)从基因库中分离基因(二)聚合酶链式反应(PCR)扩增基因(三)人工合成基因,普通遗传学长江大学,五基因工程的应用,(一)基因工程工业(二)植物基因工程(三)转基因动物(四)遗传疾病诊断,普通遗传学长江大学,(一)基因工程药物,胰岛素的人工生产,普通遗传学长江大学,(二)植物基因工程,根癌农杆菌介导的植物转化植物基因转化：是指将外源基因转移到植物细胞内、并整合到植物基因组中稳定遗传和表达的过程。根癌农杆菌介导的植物转化,普通遗传学长江大学,2.基因枪转化技术,通过高压气体等动力，高速发射包裹有重组DNA的金属颗粒，将目的基因直接导入受体细胞，并整合到染色体上的方法。此法已广泛用于转化水稻、小麦、玉米、大豆等主要作物。,普通遗传学长江大学,(三)转基因动物,与转基因植物相比，转基因动物的发展要慢些。例如，利用转基因羊大量表达人类的抗胰蛋白酶。将人的抗胰蛋白酶-1基因克隆在羊奶产生相关基因启动子的下游，这种启动子仅在乳腺细胞中表达，使羊奶中含有大量有功能的人类抗胰蛋白酶；可利用家禽作为生物反应器，生产人类大量需要的重要蛋白质。,大象的生长基因转到猪身上,普通遗传学长江大学,(四)遗传疾病诊断,普通遗传学长江大学,(五)基因治疗,利用基因工程技术，将特异基因导入并整合到具有遗传缺陷的患者的基因组中，以治疗遗传疾病的方法，通常叫做基因治疗(genetherapy)。目前最常用的方法是利用病毒DNA作载体，构建重组DNA分子，用病毒包装物包装后形成的重组去毒病毒感染患者的细胞，将正常基因整合到染色体上。,普通遗传学长江大学,第二节基因组学,基因组学(genomics)：是遗传学研究进入分子水平后发展起来的一个分支，主要研究生物体全基因组(genome)的分子特征。特点：是以基因组为研究单位，而不是以单个基因，目标：是认识基因组的结构、功能及进化，弄清基因组包含的全部遗传信息及相互关系，为最终充分合理利用各种有效资源，预防和治疗人类遗传疾病提供科学依据。,普通遗传学长江大学,普通遗传学长江大学,构建基因组的遗传图谱(geneticmap)；构建基因组的物理图谱(physicalmap)；测定基因组DNA的全部序列；构建基因组的转录本图谱；分析基因组的功能。,基因组学的重要组成部分是基因组计划(genomeproject)，,大体上可分为：,普通遗传学长江大学,人类基因组计划(humangenomeproject，HGP)：水稻基因组计划(ricegenomeproject，RGP)模式生物基因组计划：如酵母、线虫、果蝇、小鼠、家猪、拟南芥,普通遗传学长江大学,一基因组图谱的构建,鸟枪射击法(shotgun)基因组序列测定,普通遗传学长江大学,遗传图谱的构建物理图谱的构建,一基因组图谱的构建,普通遗传学长江大学,(一)遗传图谱的构建,图谱标记图谱构建中需要可以鉴别的标记(marker)，在构建遗传图谱中，可用基因和DNA作为标记。(1)基因标记(2)DNA标记,普通遗传学长江大学,(二)物理图谱的构建,普通遗传学长江大学,普通遗传学长江大学,拟南芥,普通遗传学长江大学,人类部分染色体物理图谱,普通遗传学长江大学,E.coli物理图谱,普通遗传学长江大学,二基因组图谱的应用,基因定位基因组比较分析标记辅助选择(marker-assistedselection，MAS)基因的克隆与分离,普通遗传学长江大学,三后基因组学,后基因组学(post-genomics)：是在完成基因组图谱构建以及全部序列测定的基础上，进一步研究全基因组的基因功能、基因之间的相互关系和调控机制为主要内容的学科。后基因组学主要利用DNA微列阵技术、蛋白质组学、酵母菌双杂交系统以及生物信息学等技术相结合，对已知的基因组序列进行研究。,普通遗传学长江大学,(1)DNA微列阵(DNAmicroarrays)是利用DNA芯片技术，同时进行大量分子杂交，以分析比较不同组织或器官的基因表达水平，筛选突变基因，从核酸水平分析基因表达模式。这是后基因组学研究中的重要方法之一。,三后基因组学,普通遗传学长江大学,基因芯片发展历史,Southern&NorthernBlot,DotBlot,Macroarray,Microarray,普通遗传学长江大学,(2)蛋白质组学蛋白质组学(proteomics)是从蛋白质水平来研究基因组的基因表达，分析基因组的蛋白质类型、数量、空间结构变异以及相互作用的机制。在蛋白质分析中，目前主要利用奥佛诺(OFarrel，1975)发明的据蛋白质的等电点和分子量分析蛋白质的双向电泳技术，来分析蛋白质组(proteomes)，,普通遗传学长江大学,四生物信息学生物信息学(bioinformatics)是：利用计算机贮存原始资料，分析生物信息，将DNA芯片以及蛋白质双向电泳结果转变成为可读的遗传学信息的学科。是将现代生物技术与计算机科学结合，收集、加工和处理生物资料。,普通遗传学长江大学,GenomicbiologyThehumangenome,wholegenomes,andrelatedresourcesToolsDat