基因工程导论应用和安全性管理

1、基因工程基因工程genetic engineering 基因工程基因工程 楼士林等楼士林等 科学出版社科学出版社 20102010 基因工程原理、方法与应用（工程硕士教材）基因工程原理、方法与应用（工程硕士教材） 许煜泉许煜泉等等 清华大学出版社清华大学出版社 20082008 基因工程原理基因工程原理 徐晋麟等徐晋麟等 科学出版社科学出版社 20072007 基因工程原理基因工程原理( (上上 下下) ) 第二版第二版 吴乃虎吴乃虎 科学出版社科学出版社 19981998 基因克隆的分子基础与工程原理基因克隆的分子基础与工程原理 刘志国等刘志国等 化学工业化学工业出版社出版社 2003200

2、3 植物基因工程植物基因工程 王关林王关林 方宏筠方宏筠 科学出版社科学出版社 20022002生 物 工 程微生物工程微生物工程基基 因因 工工 程程细细 胞胞 工工 程程酶酶 工工 程程 学科诞生的学科诞生的理论和技术基础理论和技术基础 基因工程的基因工程的概念和研究内容概念和研究内容 基因工程的基因工程的应用和发展应用和发展 基因工程的基因工程的研究动态研究动态 2020世纪世纪4040年代，年代，O.T.AveryO.T.Avery发现生物遗传信息的化发现生物遗传信息的化学本质是学本质是DNADNA而非而非protein(protein(肺炎球菌转化实验肺炎球菌转化实验) ) 20 2

3、0世纪世纪5050年代，年代，Watson-CrickWatson-Crick提出提出DNADNA的的双螺旋双螺旋结构模型结构模型；半保留复制机理半保留复制机理；解决了基因的自我复；解决了基因的自我复制和传递问题制和传递问题 20 20世纪世纪6060年代，相继提出年代，相继提出“中心法则中心法则”和和操纵子操纵子学说学说, , 成功破译遗传密码成功破译遗传密码4 43 3，阐明遗传信息的流向，阐明遗传信息的流向和表达问题和表达问题20世纪40-60年代的3大理论发现，从理论上确立了基因工程的可能性，但在进行基因工程技术操作时，科学家仍面临科学家仍面临3 3个基本技术问题个基本技术问题： 如何

4、从生物体庞大的双链DNA分子中将所需要的 基因片段切割下来； 如何将所切割下来的DNA片段进行繁殖扩增； 如何将所获得的基因片段重新进行连接。 “基因剪刀基因剪刀”限制性内切酶限制性内切酶 19701970年年 H.O.SmithH.O.Smith和和K.W.KhoranaK.W.Khorana在流感嗜血杆在流感嗜血杆菌菌(Haemophilus inffuenzae(Haemophilus inffuenzae) )中分离纯化了第中分离纯化了第1 1个个核酸限制性内切酶核酸限制性内切酶HindHind 1972 1972年年 H.W.BoyerH.W.Boyer实验室首先发现实验室首先发现E

5、coRIEcoRI 核酸核酸内切酶内切酶 19701970年年 BaltimoveBaltimove和和TeminTemin等同时各自发现了等同时各自发现了逆转录酶逆转录酶，完善了遗传学（生物学）中心法则，使，完善了遗传学（生物学）中心法则，使真核基因的制备成为可能真核基因的制备成为可能 真核基因组庞大而复杂，不易制得基因图谱，真核基因组庞大而复杂，不易制得基因图谱，即使有了基因图谱，因为真核基因有内含子，不能即使有了基因图谱，因为真核基因有内含子，不能在原核表达系统剪接出在原核表达系统剪接出mRNAmRNA，没有成熟的，没有成熟的mRNAmRNA就不就不能得到相应的产物，能得到相应的产物，但

6、在逆转录酶作用下但在逆转录酶作用下 mRNA cDNAmRNA cDNA ( (complementorycomplementory DNA DNA）构建文库构建文库 、分、分离出目的基因离出目的基因 19671967年年 世界上世界上5 5个实验室几乎同时发现个实验室几乎同时发现DNADNA连接酶连接酶：该酶该酶参与参与DNADNA单链裂口单链裂口( (gapgap) )或缺口或缺口( (nicknick) )的修复的修复，连接连接DNADNA分子的自由末端分子的自由末端 19701970年年 WisconsinWisconsin大学大学 H.G.KhoranaH.G.Khorana实验室发

7、现实验室发现T4 DNAT4 DNA连接酶连接酶 活性更高，能催化完全分离的两段活性更高，能催化完全分离的两段DNADNA分子进行平末端的连接分子进行平末端的连接 早期载体工作的研究对象：早期载体工作的研究对象：噬菌体噬菌体； 侧重于研究病毒和寄主细菌间的关系侧重于研究病毒和寄主细菌间的关系19461946年年 L.BergL.Berg研究细菌性因子研究细菌性因子(F(F因子因子),),50-6050-60年代年代 相继发现抗药性相继发现抗药性R R因子：分子量小，因子：分子量小， 具有抗药性选择标记和易于操作等优点具有抗药性选择标记和易于操作等优点19731973年年 S.CohenS.Co

8、hen将质粒作为基因工程载体使用将质粒作为基因工程载体使用 2020世纪世纪4040年代年代 AveryAvery发现外源发现外源DNADNA分子导入细菌细分子导入细菌细胞的转化现象胞的转化现象( (肺炎链球菌实验，发现肺炎链球菌实验，发现DNADNA是遗传信息的是遗传信息的携带者而非蛋白质携带者而非蛋白质) ) 19701970年年 MandelMandel和和HigaHiga发现，发现，大肠杆菌的细胞大肠杆菌的细胞经过经过氯化钙的适当处理后，便氯化钙的适当处理后，便能够吸收能够吸收噬菌体的噬菌体的DNADNA 19721972年以后，大肠杆菌成为分子克隆的良好受体年以后，大肠杆菌成为分子克

9、隆的良好受体 2020世纪世纪7070年代的上述发现，从技术层面上年代的上述发现，从技术层面上解决了基因工程技术的实际问题，最终促解决了基因工程技术的实际问题，最终促成了基因工程技术的诞生成了基因工程技术的诞生 1972年，美国斯坦福大学年，美国斯坦福大学P.Berg等在等在PNAS上发上发表了题为表了题为 “Biochemical methode for inserting new genetic information into DNA of Simian Virus 40: circular SV40 DNA molecules cotaining lamda phage genes a

10、nd the galactose operon of Escherichia coli. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 69:2904-2909, 1972”，标志着基因工程，标志着基因工程技术的诞生技术的诞生 1972 1972年，美国斯坦福大学年，美国斯坦福大学 P.BergP.Berg博士研究小组博士研究小组 用用E.coRE.coR对猿猴病毒对猿猴病毒SV40 DNASV40 DNA和和phageDNAphageDNA 酶切消化后，酶切消化后， 再用再用T4 DNAT4 DNA连接酶将两种消化片段连接成重组的连接酶将两种消化片段连接成重组的杂种杂种DNADNA分

11、子分子 意义：意义：世界上第一次成功的世界上第一次成功的DNADNA体外重组实验体外重组实验 虽然虽然Berg的工作具有划时代的意义，但是他们并的工作具有划时代的意义，但是他们并没有证明体外重组的没有证明体外重组的DNA分子具有生物学功能分子具有生物学功能1973年，年，S.N.Cohen等在美国等在美国PNAS上发表了题为上发表了题为“Construction of Biologically Functional Bacterial Plasmid In Vitro” （S. N. Cohen, A. C. Y. Chang, H. W. Borer, and R. B. Helling,

12、Proc. Natl. Acad. Sci. USA 70:3240-3244, 1973）的论文，宣布体外构建的细菌质粒能够在细胞中进的论文，宣布体外构建的细菌质粒能够在细胞中进行表达行表达,从而完善了从而完善了Berg开创的基因重组技术开创的基因重组技术 Cohen Cohen的研究内容：的研究内容： 19731973年年, , 斯坦福大学斯坦福大学 S.N.CohenS.N.Cohen 研究小组研究小组 将编码将编码卡那霉素卡那霉素（kanamycin）抗性基因抗性基因的的E.coliE.coli R6-5R6-5质粒质粒DNA DNA 和编码和编码四环素四环素（tetracycline

13、）抗性基因抗性基因的另外一个的另外一个E.coliE.coli pSC101 pSC101质粒质粒DNA DNA 在体外切割并连接成重组体分子，然后将混合物在体外切割并连接成重组体分子，然后将混合物转化转化E.coliE.coli，在含四环素和卡那霉素的平板上筛选，在含四环素和卡那霉素的平板上筛选出了具双抗抗性的菌落出了具双抗抗性的菌落, ,实现了细菌遗传性状的转移实现了细菌遗传性状的转移19821982年，第一个基因工程药物在美国批准上市：年，第一个基因工程药物在美国批准上市：基因重组人胰岛素基因重组人胰岛素 基因和基因工程的概念基因和基因工程的概念 基因（基因（genegene）是遗传学家

14、约翰）是遗传学家约翰（W.JohannsenW.Johannsen） 在在19091909年提出来年提出来的，他用基因这一名词来表示遗传的独立单位，相当于孟德尔在豌豆的，他用基因这一名词来表示遗传的独立单位，相当于孟德尔在豌豆试验中提出的遗传因子试验中提出的遗传因子孟德尔的遗传因子阶段；孟德尔的遗传因子阶段；摩尔根的基因阶段；摩尔根的基因阶段；顺反子阶段；顺反子阶段；现代基因阶段现代基因阶段（操纵子、移动、假、断裂、重叠基因操纵子、移动、假、断裂、重叠基因）基因基因 (gene)(gene) 核酸分子中储存遗传信息的遗传单位，包括核酸分子中储存遗传信息的遗传单位，包括编码功能蛋白质或编码功能蛋

15、白质或RNARNA序列信息及表达这些信息序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列所必需的全部核苷酸序列 基因工程基因工程(genetic engineering)：“重组DNA技术” 将外源基因通过体外重组后，导入受体细胞，将外源基因通过体外重组后，导入受体细胞，使该基因在受体细胞内复制、转录、翻译表达的现使该基因在受体细胞内复制、转录、翻译表达的现代生物技术代生物技术目的：目的：获得由外源基因所编码的蛋白质获得由外源基因所编码的蛋白质 改变受体生物的遗传性状改变受体生物的遗传性状, ,创造新的生命创造新的生命特点特点: : 分子水平操作，细胞水平表达分子水平操作，细胞水平表达 基因工程实

16、施基因工程实施4 4个必要条件：个必要条件： 工具酶工具酶 载体载体 基因基因 受体细胞受体细胞基基因因工工程程的的操操作作流流程程 基础研究基础研究：针对基因工程技术的操作流程：针对基因工程技术的操作流程 应用研究应用研究：基因工程药物、转基因植物、：基因工程药物、转基因植物、转基因动物、酶制剂工业、食品工业、化转基因动物、酶制剂工业、食品工业、化学与能源工业及环境保护等。学与能源工业及环境保护等。 基因工程的基因工程的安全性研究安全性研究 1 1、基因工程载体、基因工程载体的研究的研究 2 2、基因工程工具酶、基因工程工具酶的研究的研究 3 3、基因工程新技术、基因工程新技术的研究的研究

17、4 4、基因工程受体系统、基因工程受体系统的研究的研究 5 5、目的基因、目的基因研究研究 主要涉及主要涉及 基因工程药物、基因工程药物、 转基因植物、转基因植物、 转基因动物、转基因动物、 酶制剂工业、酶制剂工业、 食品工业、食品工业、 化学与能源工业及环境保护等方面。化学与能源工业及环境保护等方面。 转基因产品特别是食品在体现诸多优势的转基因产品特别是食品在体现诸多优势的同时，也有着其负面影响同时，也有着其负面影响安全性问题。安全性问题。 因为转基因食品是在生物物种之间进行基因为转基因食品是在生物物种之间进行基因重组，有可能会引入不相容或毒性物质，因重组，有可能会引入不相容或毒性物质，这也是一些人对转基因食品采取保守态度这也是一些人对转基因食品采取保守态度的原因之一。的原因之一。 基因工程技术在医学、农业、工业等各个领域已广基因工程技术在医学、农业、工业等各个领