基因工程及其应用课件(上课)[优制材料]

1、最新款的摩托最新款的摩托 车车 1行业材料 谁能告诉我这是？谁能告诉我这是？ 2行业材料 谁能告诉我这是？谁能告诉我这是？ 3行业材料 香香 蕉蕉 鱼鱼 4行业材料 5行业材料 给科学插上想象的翅膀， 你会收获更多！ 6行业材料 一、基因工程与基因一、基因工程与基因 基因决定性状基因决定性状 家蚕能够吐出蚕丝为人类利用 豆科植物的根瘤能够固定空气中的氮 青霉菌能产生对人类有用的抗生素青霉菌能产生对人类有用的抗生素青霉素青霉素 7行业材料 定向基因改造设想 8行业材料 二、基因的认识 9行业材料 18661866年发表论文，提出分离规律和独立分配规律。年发表论文，提出分离规律和独立分配规律。 1

2、9001900年年MendelMendel遗传规律被重新发现，遗传学的元年遗传规律被重新发现，遗传学的元年 1866年，孟德尔（Johann Gregor Mendel， 18221884）提出了遗传遗传 因子因子（hereditary factor）的概念。 他将控制豌豆性状的遗传因素称 之为遗传因子形成了基因的雏形。 （1856-18641856-1864豌豆杂交实验）豌豆杂交实验） 1 1、基因的发展过程、基因的发展过程 10行业材料 1909年，丹麦的遗传学家 Wilhelm Ludwig Johanssen (1859-1927)。 根据希腊语“给予生命” 之义，创造了“genege

3、ne”一词， 并用这个术语代替孟德尔的 “遗传因子”。不过他所说 的基因并不代表物质实体， 而是一种与细胞的任何可见 形态结构毫无关系的抽象单 位。因此，那时所指的基因 只是遗传性状的符号，还没 有具体涉及基因的物质概念。 11行业材料 “遗传因子/基因”的设想一经提出，便推动 人们去寻找，去探索 基因在哪里？ 基因是什么？ 12行业材料 显微镜技术与染色技术的发展，使人们注意到，细胞分 裂时，尤其是减数分裂中，染色体的行为和孟德尔提出的 等位基因等位基因的分离规律相当一致，所以，确定基因在细胞核 中，在染色体上。 13行业材料 第一次将代表某一特定性状的基因与某一特定的染色 体联系起来，创立

4、了遗传的染色体理论。随后遗传学家 又应用当时发展的基因作图（gene mapping）技术，构 筑了基因的连锁图，进一步揭示了在染色体载体上基因 是按线性顺序排列的。 。 1910年，美国遗传学家 摩尔根（Thomas Hunt Morgan,1866-1945）以果 蝇为研究材料，发现了 连锁交换定律并提出遗 传粒子学说。 1933 14行业材料 发现DNA的遗传功能，始于1928年 英国科学家格里菲斯（PGriffith） 所做的用肺炎双球菌感染小鼠的实验。 首次发现了基因是一类特殊生物分子 的证据。 Frederic GriffithFrederic Griffith 187918791

5、9411941 格里菲斯用肺炎球菌做实验时发格里菲斯用肺炎球菌做实验时发 现了一个令人惊异的现象：现了一个令人惊异的现象： 加热杀死的能致病的加热杀死的能致病的S S型菌不能型菌不能 致病的致病的R R型菌型菌混合混合注射到小鼠体注射到小鼠体 内内小鼠病死小鼠病死从死鼠体内分离出从死鼠体内分离出 大量的大量的S S型肺炎球菌型肺炎球菌 难道难道S S型致病菌复活了吗？型致病菌复活了吗？这就是这就是 著名的著名的“格里菲斯之谜格里菲斯之谜”。 15行业材料 艾弗里等人的实验说明使细菌性状发 生转化的因子是DNA（即脱氧核糖核 酸），而不是蛋白质或RNA（即核糖核 酸）。不仅揭开了“格里菲斯之谜”

6、， 并且在世界上第一次证明基因就在DNA 上。 Oswald Theodore AveryOswald Theodore Avery (1877(18771955)1955) 1944年，艾弗里首次 证实遗传物质的基础是 DNA，基因位于DNA上。 实验材料是肺炎链球菌， 他们发现死去的S型菌 并未复活，而是S型菌 的DNA进入了R型菌，使 其转化为新的S型致病 肺炎双球菌。 16行业材料 美国微生物学家阿尔弗雷德戴赫尔希（Alfred Day Hershey，19081997）他们的实验材料是T2噬菌 体实验证实，进入细菌细胞的噬菌体是核酸；进而说 明，携带遗传信息的是核酸，而不是蛋白质。噬

7、菌体 的DNA不但包括噬菌体自我复制的信息，而且包括合成 噬菌体蛋白质所需要的全部信息。1952年，赫尔希和 他的学生共同发表报告，肯定了艾弗里的结论。 此后， 再也无人怀疑DNA是遗传物质了。 35S 32P 3535S S 标记外壳蛋白质标记外壳蛋白质, ,感染后放射标记不进入大肠杆菌细胞感染后放射标记不进入大肠杆菌细胞 3232P P 标记标记 DNA ,DNA ,感染后放射标记进入大肠杆菌细胞感染后放射标记进入大肠杆菌细胞 1969 17行业材料 1953年，Francis Crick 和 James Watson 创立DNA双螺 旋模型，证实基因是具有一定遗传效应的DNA片段。用分子

8、 结构的特征解释生命现象最基本问题之一基因复制的 机理，从而使生物学真正进入分子生物学的新时代。 1953 James Dewey WatsonJames Dewey Watson ，Francis Harry Compton CrickFrancis Harry Compton Crick 18行业材料 1961年，美国生物学家尼伦伯格（Marshall Warren Nirenberg，1927）等人成功破译了遗 传密码，以无可辩驳的科学依据证实了DNA双螺 旋结构的正确性。人们对遗传机制有了更深刻的 认识。 1967年发表了全套的遗传密码表。 1968 19行业材料 理论上的三大发现：理

9、论上的三大发现： 发现了生物的遗传物质是 DNA 发现了 DNA 分子的双螺旋结构和半保留复制机理 发现了遗传信息的传递方式 基因工程的准备阶段基因工程的准备阶段 20行业材料 技术上的三大发明：技术上的三大发明： 1967 1967 发现了发现了DNADNA连接酶；连接酶； 1970 Khorana1970 Khorana实验室发现实验室发现T4T4噬菌体噬菌体DNADNA连接酶；连接酶； 1972 1972 建立双链建立双链DNADNA的连接方法。的连接方法。 3.基因工程的载体:Genetic engineering vector 1972 2.限制性核酸内切酶的发现:Restricti

10、on enzyme 1970 1.DNA连接酶的发现: DNA ligase 1967 独立于染色体外的遗传因子：独立于染色体外的遗传因子： 细菌的性因子细菌的性因子 F F 因子因子; ; 抗药性因子（抗药性因子（R R ）; ; 大肠杆菌素因子（大肠杆菌素因子（COECOE） 21行业材料 基因工程诞生的理论基 础: 基因工程诞生的技术保障: 22行业材料 1973 1973年斯坦福大学的年斯坦福大学的S.CohenS.Cohen 小组将含有小组将含有卡那霉素抗性卡那霉素抗性基因的基因的 大肠杆菌大肠杆菌R6-5R6-5质粒与含有质粒与含有四环素四环素 抗性抗性基因的另一种大肠杆菌质粒基因

11、的另一种大肠杆菌质粒 pSC101pSC101连接成重组质粒，具有连接成重组质粒，具有双双 重抗药性。重抗药性。 r r c c T T S Sr r r r e e N N S Sr r NeNer r TcTcr r Psc101Psc101R6-3R6-3 ECORIECORI ECORIECORI 转化转化E.coliE.coli 连接酶连接酶 PSC101 R6-3PSC101 R6-3： 质粒质粒 NerNer： 抗新霉素基因抗新霉素基因 Sr Sr ： 抗黄胺基因抗黄胺基因 TcTcr r： 抗四环素基因抗四环素基因 1986 Nobel1986 Nobel生理或医学奖生理或医学

12、奖 1986 23行业材料 Stanley Cohen Herbert Boyer 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mRNA。这是第一次成功的基因克隆实验。 24行业材料 基因工程：基因工程：即即 。 通俗的说，就是按照人们的意愿，把一种生物的某通俗的说，就是按照人们的意愿，把一种生物的某 种基因提取出来，加以修饰改造，然后放到另一种种基因提取出来，加以修饰改造，然后放到另一种 生物的细胞里，生物的细胞里， 地改造生物的地改造生物的 。 原原 理：理： 操作水平：操作水平： 结结 果：果： 基因重组基因重组 DNADNA分子水平分子水平

13、定向定向地改造生物的遗传性状，地改造生物的遗传性状， 获得人类所需要的品种。获得人类所需要的品种。 基因拼接技术或基因拼接技术或DNA重组技术重组技术 定向定向遗传性状遗传性状 25行业材料 26行业材料 27行业材料 28行业材料 性末端性末端 性末端性末端 29行业材料 限制性内切酶（限制性内切酶（EcoREcoR）作用过程）作用过程 30行业材料 31行业材料 切割的化学键：磷酸二酯键切割的化学键：磷酸二酯键 32行业材料 33行业材料 34行业材料 下列关于下列关于酶酶的说法正确的是的说法正确的是 （ ） A.酶酶广泛存在于各种生物中，但微生物中少广泛存在于各种生物中，但微生物中少 B

14、.一种一种酶酶只能识别一种特定的核苷酸序列只能识别一种特定的核苷酸序列 C.不同的不同的酶酶切割切割DNA后都会形成粘性末端后都会形成粘性末端 D.酶酶的作用部位是特定核苷酸形成的氢键的作用部位是特定核苷酸形成的氢键 B 35行业材料 36行业材料 37行业材料 DNA连接酶的作用过程连接酶的作用过程 38行业材料 DNADNA连接酶的作用位点连接酶的作用位点是：相邻的两个是：相邻的两个 脱氧核苷酸的切口。即生成：脱氧核苷酸的切口。即生成：磷酸二酯键磷酸二酯键。 39行业材料 DNA连接酶连接酶DNA聚合酶聚合酶 连接DNA链双链单链 连接部位 在两DNA片段之 间形成磷酸二酯 键 将单个核苷

15、酸 加到已存在的 核酸片段的3 末端的羟基上， 形成磷酸二酯 键 40行业材料 DNA连接酶连接酶 常见类型常见类型E.coliDNA连接连接 酶酶(大肠杆菌连大肠杆菌连 接酶接酶) T4DNA连接酶连接酶 (T4噬菌体连接噬菌体连接 酶酶) 来源来源大肠杆菌大肠杆菌T4噬菌体噬菌体 功能功能连接黏性末端连接黏性末端连接黏性末端连接黏性末端 或平末端或平末端 结果结果恢复被限制酶切开的两个核苷酸恢复被限制酶切开的两个核苷酸 之间的之间的磷酸二酯键磷酸二酯键 41行业材料 （3 3）常用类型：）常用类型： （1 1）功能：将目的基因送入受体细胞）功能：将目的基因送入受体细胞 质粒、噬菌体和动、植

16、物病毒等质粒、噬菌体和动、植物病毒等 42行业材料 标记基标记基 因，便因，便 于进行于进行 检测。检测。 其中其中质粒质粒存在于许多细存在于许多细 菌和酵母菌等生物中菌和酵母菌等生物中, ,是细胞染是细胞染 色体外能够自主复制的色体外能够自主复制的很小的很小的 环状环状DNADNA分子分子. . 43行业材料 44行业材料 基因文库基因文库: : 一个一个生物体生物体的的基因组基因组DNA用用限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶部部 分酶切后，将酶切片段插入到载体分酶切后，将酶切片段插入到载体DNA分子分子中，所有中，所有 这些插入了基因组这些插入了基因组DNA片段的载体分子的集合体，将片段的载

17、体分子的集合体，将 包含这个生物体的整个基因组，也就是构成了这个生包含这个生物体的整个基因组，也就是构成了这个生 物体的基因文库。物体的基因文库。 (gene library).(gene library). 45行业材料 46行业材料 用限制酶切断成用限制酶切断成 许多片段许多片段 47行业材料 2.2.人工合成基因人工合成基因 48行业材料 49行业材料 （基因表达载体的构建）（基因表达载体的构建） 50行业材料 51行业材料 1.1.将目的基因导入植物细胞（农杆菌介导转化技术）将目的基因导入植物细胞（农杆菌介导转化技术） 52行业材料 2.2.将目的基因导入动物细胞（显微注射技术）将目的

18、基因导入动物细胞（显微注射技术） 53行业材料 3.3.将目的基因导入微生物细胞将目的基因导入微生物细胞 大肠杆菌细胞最常用的转化方法是大肠杆菌细胞最常用的转化方法是: : 54行业材料 55行业材料 步骤五：培养受体细胞并诱导目的基因的表达 56行业材料 57行业材料 58行业材料 思考：依照中心法则分析番茄软化的原因：思考：依照中心法则分析番茄软化的原因： 多聚半乳糖酸酶基因多聚半乳糖酸酶基因 mRNA mRNA 多聚半乳糖酸酶多聚半乳糖酸酶 细胞壁结构被破坏细胞壁结构被破坏 番茄软化番茄软化 转录翻译 59行业材料 60行业材料 61行业材料 62行业材料 63行业材料 概念概念：PCR

19、PCR全称为聚合酶链式反应技术，是一全称为聚合酶链式反应技术，是一 项在体外通过酶促反应有选择地大量扩增目的基项在体外通过酶促反应有选择地大量扩增目的基 因或序列的技术因或序列的技术 。 条件：条件：目的基因或序列、四种脱氧核苷酸、目的基因或序列、四种脱氧核苷酸、 DNA聚合酶、一对引物聚合酶、一对引物(做启动子做启动子) 原理：原理： DNA复制复制 方式：方式：以以指数指数方式扩增。方式扩增。 结果：结果： 使目的基因的片段在短时间内成百万倍地扩增使目的基因的片段在短时间内成百万倍地扩增 利用利用PCRPCR技术扩增目的基因技术扩增目的基因 64行业材料 70-75 PCR反应过程：反应过

20、程： 1个个PCR 循环循环 65行业材料 66行业材料 过程过程： a a、DNADNA变性变性（90-9590-95）：双链）：双链DNADNA模板模板 在热作用下，在热作用下，_断裂，形成断裂，形成_ b b、退火、退火（复性复性50-6550-65）：系统温度降低，引）：系统温度降低，引 物与物与DNADNA模板结合，形成局部模板结合，形成局部_。 c c、延伸、延伸（70-7570-75）：在）：在TaqTaq酶的作用下，从酶的作用下，从 引物的引物的55端端33端端延伸，合成与模板互补延伸，合成与模板互补 的的_。 氢键氢键单链单链DNADNA 双链双链 DNADNA链链 67行业

21、材料 1、基因工程与作物育种 68行业材料 Golden rice and normal (white) wsjbiotech.html 转转2个个 水仙花水仙花 和和 1个细菌个细菌VA合成合成 酶基因的水稻酶基因的水稻 “金米金米” 69行业材料 （Antifreeze Proteins AFPs)Antifreeze Proteins AFPs) 避免细胞结冰避免细胞结冰 有助植物抗冻有助植物抗冻 抗冻糖蛋白抗冻糖蛋白 无冰晶细菌帮助草莓抗霜冻 降低原生质冰点降低原生质冰点 抑制冰晶重结晶抑制冰晶重结晶 修饰冰晶形态修饰冰晶形态 调节原生质胶体性质调节原生质胶体性质 70行业材料 71行

22、业材料 生长快、肉质好的转基因生长快、肉质好的转基因 鱼鱼( (中国中国) ) 乳汁中含有人生长激素的乳汁中含有人生长激素的 转基因牛转基因牛( (阿根廷阿根廷) ) 72行业材料 转黄瓜抗青枯病基因的甜椒转黄瓜抗青枯病基因的甜椒 转鱼抗寒基转鱼抗寒基 因的番茄因的番茄 73行业材料 2 2、基因工程与药物研制、基因工程与药物研制 我国生产的部分基因我国生产的部分基因 工程疫苗和药物工程疫苗和药物 许多药品的生产许多药品的生产 是从生物组织中提取是从生物组织中提取 的。受材料来源限制的。受材料来源限制 产量有限，其价格往产量有限，其价格往 往十分昂贵。往十分昂贵。 微生物生长迅速，容易控制，适

23、于大规模工微生物生长迅速，容易控制，适于大规模工 业化生产。若将生物合成相应药物成分的基因导业化生产。若将生物合成相应药物成分的基因导 入微生物细胞内，让它们产生相应的药物，不但入微生物细胞内，让它们产生相应的药物，不但 能解决产量问题，还能大大降低生产成本。能解决产量问题，还能大大降低生产成本。 74行业材料 胰岛素从猪、牛等动物的胰胰岛素从猪、牛等动物的胰 腺中提取，腺中提取，100Kg100Kg胰腺只能提取胰腺只能提取 4-5g4-5g的胰岛素，其产量之低和价的胰岛素，其产量之低和价 格之高可想而知。格之高可想而知。 将合成的胰岛将合成的胰岛 素基因导入大肠杆素基因导入大肠杆 菌，每菌，

24、每2000L2000L培养液培养液 就能产生就能产生100g100g胰岛胰岛 素！使其价格降低素！使其价格降低 了了30%-50%!30%-50%! 75行业材料 基因工程做成的基因工程做成的“超级细菌超级细菌”能吞食和能吞食和 分解多种污染环境的物质。分解多种污染环境的物质。 通常一种假单孢通常一种假单孢 杆菌只能分解石油中杆菌只能分解石油中 的一种烃类用基因的一种烃类用基因 工程培育成功的工程培育成功的“超超 级细菌级细菌”却能分解石却能分解石 油中的多种烃类化合油中的多种烃类化合 物。物。 科学家还培育出能吞食转化汞、镉等重金属，分科学家还培育出能吞食转化汞、镉等重金属，分 解解DDTD

25、DT等毒害物质的细菌。等毒害物质的细菌。 3、环境污染治理、环境污染治理 76行业材料 利用基因工程培育的利用基因工程培育的“指示生物指示生物”能十分灵敏能十分灵敏 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亡，甚至还可以吸收和转化污染物。 77行业材料 安全吗安全吗?! 78行业材料 79行业材料 转基因抗乙肝西红柿转基因抗乙肝西红柿(中国中国)，虽然不能治愈，虽然不能治愈 乙肝，但一年只吃几个抗乙肝西红柿，就完全能乙肝，但一年只吃几个抗乙肝西红柿，就完全能 代替注射乙肝疫苗。抗乙肝西红柿属于转基因食代替注射乙

26、肝疫苗。抗乙肝西红柿属于转基因食 品，就是将乙肝疫苗植入西红柿内，经过多代繁品，就是将乙肝疫苗植入西红柿内，经过多代繁 殖，使转入的基因稳定化。殖，使转入的基因稳定化。 80行业材料 转基因植物的安全性争论转基因植物的安全性争论 支持派认为：如果转基因农业生物技术得支持派认为：如果转基因农业生物技术得 不到社会支持，这一研究将被扼杀，并且不到社会支持，这一研究将被扼杀，并且 强调，迄今为止并没有发现转基因食品危强调，迄今为止并没有发现转基因食品危 害人体健康和环境的确切证据。害人体健康和环境的确切证据。 81行业材料 美国人食用转基因食品已美国人食用转基因食品已多年，多年，超级超级 市场上市场

27、上有有4000多种商品是含多种商品是含有有转基转基因因 植物成分的植物成分的，还没有事例证明人吃了还没有事例证明人吃了 以后会得病，甚至会引以后会得病，甚至会引起起死亡。死亡。 加拿大、澳大利亚也是转基因食品的加拿大、澳大利亚也是转基因食品的 生产大国，均生产大国，均有几有几千万人在千万人在吃吃，到现，到现 在为止也没在为止也没有有个案例说明它个案例说明它有有问题问题 。 82行业材料 反对派的观点反对派的观点 一英国科学家声称，转基因马铃薯会减一英国科学家声称，转基因马铃薯会减 弱老鼠免疫系统功能；弱老鼠免疫系统功能； 美国康乃尔大学也发现，转基因玉米会美国康乃尔大学也发现，转基因玉米会 危害蝴蝶幼虫及其相关生态环境。危害蝴蝶幼虫及其相关生态环境。 83行业材料 环保团体认为这种违反自然的转基