第一章绪论-1

1、基因工程原理与基因工程原理与方法方法 讲授人：李世鹏讲授人：李世鹏E-mail：学学 时：时：32/16学时学时学学 分：分：2学分学分考试方式：笔试，闭卷考试方式：笔试，闭卷联系方式：公共教学中心联系方式：公共教学中心401室室电电 话：话：86270（内线）（内线） 87836270（外线）（外线）1、现代生物技术导论 瞿礼嘉，顾红雅，胡苹，陈章良编著，高等教育出版社，19982、基因工程原理 吴乃虎 科学出版社 19993、植物基因工程 王关林，方宏筠主编 科学出版社 20044、简明基因工程与应用 吴建平，科学出版社 20056、基因工程原理 徐晋麟 科学出版社 2007主要参考书：主

2、要参考书：第一章 绪论 一、基因工程的含义 二、生物技术发展简史 三、人类自身面临的挑战及生物学的责任一、基因工程的含义 定义： 又称为重组DNA技术，指将某些特定的基因或DNA片断，通过载体或其它手段送入受体细胞，使它们在受体细胞中增殖并表达的一种遗传学操作。 目的: 是生产出符合人类需要的产品或创造出生物的新性状，并能稳定遗传。现代生物技术的基础学科和分支 分子生物学医药生物技术 微生物学生物技术疫苗 生物化学现代生物技术生物技术诊断 遗传学农业生物技术 细胞生物学家畜生物技术 化学工程海洋生物技术二、生物技术发展简史 传统生物技术阶段 公元前6000年古代巴比伦人酿造啤酒 公元前4000

3、年埃及人发酵面包 我国殷朝 制酱 周朝 制醋 特点:自然发酵、全凭经验 近代生物技术阶段 1680年荷兰微生物学家安东列文虎克发明显微镜发现了微生物。 1865年法国科学家巴斯德证明了发酵原理。 1928年英国 Fleming发现青霉素 1940年英国弗洛里、钱恩分离出青霉素A Fleming 现代生物技术 1953年 Watson 、Crick提出DNA双螺旋结构 1973年 建立DNA重组技术 1975年 建立单克隆抗体技术 1978年 大肠杆菌表达出人胰岛素 1984年 建立了DNA指纹技术D DN NA A的的双双螺螺旋旋结结构构和和半半保保留留复复制制1988年 PCR方法1990年

4、 10月1日正式启动人类基因组计划1997年 英国克隆多利羊2000年 6月26日人类基因组工作草图基本完成现代生物技术包括: 重组DNA技术 细胞和原生质体融合技术 酶和细胞的固定化技术 植物脱毒和快速繁殖技术 动物和植物细胞的大量培养技术 动物胚胎工程技术 现代微生物发酵技术 现代生物反应工程和分离工程技术 蛋白质工程技术 海洋生物技术基因工程在农业上的应用 1.增加农作物产品的营养价值 2.提高农作物抗逆性能如 3.提高光合作用效率将是提高农作物产量的一个有效方法。 4.生物固氮的基因工程。 5.增加植物次生代谢产物产率。植物次生代谢产物构成全世界药物原料的 25% ，如治疗疟疾的奎宁、

5、治疗白血病的长春新碱、治疗高血压的东莨菪碱、作为麻醉剂的吗啡等。 6.运用转基因动物的技术，可培育畜牧业新品种。改变花色的转基因矮牵牛花改变花色的转基因矮牵牛花转入荧光素酶蛋白基因转入荧光素酶蛋白基因的发荧光烟草的发荧光烟草蓝色玫瑰一直是人类美丽的梦想蓝色玫瑰一直是人类美丽的梦想基因工程正在将它变为现实基因工程正在将它变为现实中国杂交水稻之父中国杂交水稻之父袁隆平袁隆平 二十世纪人类的二十世纪人类的“三大计划三大计划”曼哈顿原子弹计划曼哈顿原子弹计划阿波罗登月计划阿波罗登月计划人类基因组计划人类基因组计划曼哈顿原子弹计划曼哈顿原子弹计划阿波罗登月计划阿波罗登月计划 1996 1996年年101

6、0月月1 1日由美国能源部发起，日由美国能源部发起，破译人类究竟有多少个基因，起初估计破译人类究竟有多少个基因，起初估计人类的基因应有人类的基因应有1010万到万到1414万个左右。中万个左右。中国承担的是第国承担的是第2121号染色体号染色体1%1%的测试任务。的测试任务。 “人类基因组计划人类基因组计划” 但到但到20002000年年6 6月月2626日人类基因组草图基本日人类基因组草图基本绘制完成，发现人类仅有绘制完成，发现人类仅有4 4万个基因，并且发万个基因，并且发现人和果蝇的基因区别不大，而水稻的基因现人和果蝇的基因区别不大，而水稻的基因比人的基因多比人的基因多2 2倍（中国科学家

7、在倍（中国科学家在NatureNature 4 4月号发表）。月号发表）。 人类对生命科学的研究方兴未艾，而一门科学的兴旺总是与其所面临的挑战相关联的，那么就生物学而言，人类面临着什么样的挑战？ 三、人类自身面临的挑战及生物学的责任三、人类自身面临的挑战及生物学的责任 人口的挑战 食品供应的挑战 健康问题的挑战 环境问题及物种保护 新的疾病的挑战“21世纪是生物学的世纪”20世纪被公认为物理学世纪让社会共同关心生物学的发展！让社会共同关心生物学的发展！ 让生物学为人类的未来让生物学为人类的未来 创造更多的美景！创造更多的美景！基因的克隆基因的克隆（DNADNA重组）重组）基因克隆基因克隆(ge

8、ne cloning)的概念的概念 克隆克隆:通过无性繁殖过程所产生的与亲代完全一样通过无性繁殖过程所产生的与亲代完全一样的子代群体的子代群体分子分子细胞克隆细胞克隆生物体克隆生物体克隆基因克隆基因克隆:指由一个祖先基因所复制出来的基因群指由一个祖先基因所复制出来的基因群 基因克隆基因克隆（DNA克隆）克隆）切、切、接、接、转、转、增、增、检检基因克隆技术基因克隆技术 基因的研究基因的研究蛋白质研究蛋白质研究生物工程生物工程药药基因诊断基因诊断基因治疗基因治疗医学医学基因工程基因工程生物生物测序测序功能功能突变突变/改造改造序列序列功能功能突变突变/改造改造基因克隆基因克隆vs基因工程基因工程

9、 基因克隆工具基因克隆工具 # 工具酶工具酶# 载体载体# 宿主细胞宿主细胞# 工具酶工具酶RE: 限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶 识别序列识别序列 5 3 3 5 2.末端末端.GG CC.CC GG.A AGCTT.TTCGA A.AAGCT T.T TCGAA.DNA连接酶连接酶连接连接A A T T CGCGT T A ACGT T A AA A T T CGAnnealing nicknickCGT T A AAAT T CGSealed Sealed T4 DNA ligaseligaseligase 外源基因存在与扩增的场所外源基因存在与扩增的场所E.Coli 原核细胞原核细胞

10、-大肠杆菌是基因克隆最大肠杆菌是基因克隆最常用的扩增外源基因的宿主细胞常用的扩增外源基因的宿主细胞# 宿主细胞宿主细胞20-30min12 hours6-8 Billion bacteria 其他的真核细胞在基因工程中被广泛使用其他的真核细胞在基因工程中被广泛使用Yeast cellsPlant cellsMammalian cells# 载体（载体（vector) 外源基因如何在宿主细胞中稳定存在及复制？外源基因如何在宿主细胞中稳定存在及复制？ 为什么需要载体为什么需要载体?外源基因需要在宿主细胞中稳定存在及复制外源基因需要在宿主细胞中稳定存在及复制搭载能够被宿主细胞认同的稳定的复制子搭载能

11、够被宿主细胞认同的稳定的复制子复制子复制子*复制子复制子(replicon): DNA复制的一个基本单位复制的一个基本单位 *复制原点复制原点(origin, ori): 复制的起始位点复制的起始位点-能够独立自主复制的一段能够独立自主复制的一段DNA分子（复制子）分子（复制子）-能够携带外源基因在受体细胞中复制或表达。能够携带外源基因在受体细胞中复制或表达。载体是载体是 MCS多克隆位点多克隆位点(MCS):外源片段插入外源片段插入复制原点复制原点:种属特异性种属特异性独立自主复制独立自主复制筛选标记：筛选标记：种属特异性种属特异性 筛选阳性细胞筛选阳性细胞克隆克隆载体三要素载体三要素载体载

12、体克隆载体克隆载体表达载体表达载体原核表达载体原核表达载体真核表达载体真核表达载体质粒质粒（plasmid）噬菌体噬菌体（phage）粘粒粘粒（cosmid）YAC与与BAC病毒病毒（virus）载体的分类载体的分类 整合载体整合载体 复制原点复制原点: 原核细胞能够识别原核细胞能够识别 筛选标记筛选标记: 抗生素抗性抗生素抗性 多克隆位点多克隆位点 (MCS)克隆载体克隆载体-以获得以获得DNA分子的大量拷贝为目的分子的大量拷贝为目的-为原核细胞载体为原核细胞载体-具备载体三要素具备载体三要素 表达元件表达元件:种属特异性种属特异性转录元件：转录元件：如启动子，终止子如启动子，终止子翻译元件：翻译元件：如如ORF, RBS(核糖体结合位点）核糖体结合位点） 表达载体表达载体-以表达蛋白为目的以表达蛋白为目的-具备载体三要素具备载体三要素-特殊要求特殊要求