教程基因工程gene1

1、Contact Information Chengchao Zheng Office: Building 6, Room 203 Tel: 8242894(O) E-Mail: 考试仅是手段学习目的：知识、素质、能力 学习方式 54: 27 for lecture 27 for experimental practice 分别独立考试、学分、成绩 、2-9周、开卷考试科学的学习方法学习能力更新观念InformationInternetNetwork eraPresentation清华大学校长陈吉宁 成为清华人必须拥有独立的人格，好学生不是把自己已有的知识烂熟于心，而要敢于发现问题、提出问题和解

2、决问题，三点一线、按部就班的生活是不适合清华人的。清华人还要学会包容和欣赏，独立并不难，难的是既能独立又能合作。中美两国学生最大的差距在于主动和激情，事实证明更加主动和拥有激情的学生学得更好。“以前都是应试教育，被动学习，而现在大家需要积极主动发现问题。” 。 InformationInternetNetwork era跨时空的资源共享学历学位教育与非学历学位教育融合自主学习终身学习科学的学习方法学习能力更新观念就业 考研 出国科学的学习方法 High efficiency 更新观念提高实践动手能力内心感受喜欢什么决定成就 Gene Cloning and DNA AnalysisTerry

3、A Brown 2010Department of Biochemistry and Applied Molecular BiologyUniversity of Manchester Institute of Science and Technology(UMIST) 曼彻斯特科技大学 UK, UMIST was found in 1824Manchester: Cottonopolis, famous football club.2004, UM + UMIST UM 4thLife Science Gene Cloning and DNA AnalysisTerry A Brown 20

4、10Department of Biochemistry and Applied Molecular BiologyUniversity of Manchester Institute of Science and Technology(UMIST) 曼彻斯特科技大学 UK, UMIST was found in 1824Manchester: Cottonopolis, famous football club.2004, UM + UMIST UM 4thLife ScienceWhy choose this textbook ?BSc in Microbiology in 1974, Q

5、ueen Elizabeth CollegePhD in 1977, University College London Postdoctor in 1981, UMIST Faculty member in Manchester ever since UKs Professor of Biomolecular Archaeology in 2000 Head of Biomolecular Sciences from 20022004 Associate Dean in Life Sciences since 2004Terry BrownAbout authorWhy choose thi

6、s textbook ?Terry Brown has been active in genomics and biomolecular archaeology since 1989. He is particularly interested in the origins and spread of agriculture Examine the genomes of wheat and maize to provide information on the history of cultivation of these crops.coverThe previous edition of

7、Gene Cloning and DNA Analysis, has e Known world-wide as the standard introductory text to this important and exciting area.Preface 1 (1986) 2 (1990) 3 (1995) 4 (2001)Fifth Edition (2006)Sixth Edition (2010) ConceptsGene CloningMolecular Cloning binant DNA TechnologyGene ManipulationGene Engineering

8、Genetic Engineering. 本课程的地位：现代科技革命Modern scientific and technological revolution高新技术 Hi-Tech生物技术 BT 基因工程Genetic engineering基因克隆Gene Cloning核心Part 1 基因克隆和DNA分析的基本原理 ( The basic principles ) 9 sectionsPart 2 基因克隆和DNA分析的应用 ( The Application in Research) 3Part 3 基因克隆和DNA分析与生物技术 ( The Application in Biot

9、echnology) 4 共16章 GlossaryChapter 1、Why gene cloning and DNA analysis are important 1. The early development of genetics2. The advent of gene cloning and PCR3. What is gene cloning?4. What is PCR ?5. Why gene cloning and PCR are so important6. How to find your way through this bookChapter 1、Why gene

10、 cloning and DNA analysis are important The early development of genetics Gregor Mendel: 1822-1884, 奥地利遗传学家 1843，大学毕业，修道院传教士 豌豆杂交实验（1856-1865）， 28000株 1865年2月，在奥地利布尔诺自然科学 会议上宣读研究成果，没有人理解、没有人提问、 没有人感兴趣。 1865年发表植物杂交实验论文，布尔诺自然科学会 杂志第4卷，该杂志尽管分送120个欧美图书 馆，但没人重视。1900年 春天 荷兰的德弗里斯(H.DeVries)白屈菜、曼陀罗 德国的科伦斯(C

11、. Correns) 豌豆、玉米 奥地利的切马克(E. Tschermark) 豌豆. 白屈菜曼陀罗 Thomas H Morgan (1866-1945) Fruit fly, Drosophila, 果蝇 哥伦比亚大学果蝇实验室， 20年 1922年 将 2000个基因定位在4条染色体上 1933年 Nobel Prize For his discoveries concerning the role played by the chromosome in heredity, he was awarded the Nobel Prize in 1933. Among his collabo

12、rators at Columbia may be mentioned H. J. Muller, who was awarded the Nobel Prize in 1946 for his production of mutations by means of X-rays. Morgan married Lilian Sampson, in 1904, who had been a student at Bryn Mawr College, and who often assisted him in his research. They had one son and three da

13、ughters. .谈家桢 1934 异色瓢虫鞘翅色斑的遗传 1909-2008 钱学森谈创新 党和国家都很重视科技创新问题，投了不少钱搞 “创新工程”、“创新计划”等等，这是必要的。但我觉得更重要的是要具有创新思想的人才。问题在于，中国还没有一所大学能够按照培养科学技术发明创造人才的模式去办学，没有自己独特的创新东西。 我是在上个世纪30年代去美国的，开始在麻省理工学院学习,后来转到加州理工学院，创新的学风弥漫在整个校园，整个学校的精神就是创新。学术讨论十分活跃，互相启发，互相促进。你真的有本事，就不怕别人赶上来。在这里，你必须想别人没有想到的，做别人没有做过的事。 在一次学术讨论会上，冯卡

14、门讲了一个非常好的学术思想 “good idea”，有没有创新，首先就取决于你有没有一个 “good idea”。所以马上就有人说：“卡门教授，你把这么好的思想都讲出来了，就不怕别人超过你？”卡门说：“我不怕，等他赶上我这个想法，我又跑到前面老远去了，我又有更超前的 good idea了”。 加州理工学院给教授们、年轻的学生、研究生们提供了充分的学术权力和民主氛围。不同的学派、不同的学术观点都可以充分发表。两个学派常常在一起辩论。有一次，数学系的权威在学校布告栏里贴出了一个海报，说他在什么时间什么地点讲理论数学。卡门一看，也马上贴出一个海报，说在同一时间他在相邻地点讲工程数学，也欢迎大家去听。

15、结果两个讲座都大受欢迎。今天我们有哪一所大学能做到这样？大家见面都是客客气气，学术讨论不活跃，怕互相得罪，包括论文答辩、课题申请答辩等都流于形式。怎么能够培养创新人才？更不用说大师级人才。 我本来是航空系的研究生，老师鼓励我学习各种有用的知识。化学系的课我也去听，化学系主任鲍林讲结构化学，获得诺贝尔化学奖。他晚年主张服用大剂量维生素的思想遭到生物医学界的普遍反对，但他仍坚持自己的观点，每天服用大剂量维生素，活到93岁。加州理工学院就有许多这样的大师、这样的怪人，决不随大流，敢想敢做。 所谓优秀学生就是要有创新。没有创新，死记硬背，考试成绩再好也不是优秀学生。 James Watson (192

16、8- ) 美国生物化学家 Francis Crick (1916-2004) 英国生物物理学家 1953 DNA double helix 1962 Nobel PrizeFrom 1977 he held the position of distinguished professor at the Salk Institute for Biological Studies in San Diego, Calif. Cold Spring Harbor Laboratory 学科交叉1 The early development of genetics2 The advent of gene

17、cloning and PCR3 What is gene cloning?4 What is PCR5 Why gene cloning and PCR are so important6 How to find your way through this book。The advent of gene cloning and PCR 1967年 世界5个实验室几乎同时发现了DNA Ligase 1970 Wisconsin大学H.G. Khorana发现 T4 DNA Ligase (1968 Nobel Prize ) 1970年 Hopkins大学Hamilton Smith 等分离到

18、 第一个限制性内切酶 (1978 Nobel Prize ) 1972年 Stanford大学Paul Berg等，DNA体外重组 (1980 Nobel Prize ) 1973年 美国加州大学旧金山分校Boyer 和Stanford大学Cohen等完成了真正 意义上的DNA体外重组实验.Kanamycin Tetracycline EcoR IDNA ligaseKanr and TetrR6-5pSC101Plasmid 质粒基因工程正式登上了生命科学大舞台1985, Kary Mullis (1944-) Cetus Kary B. Mullis, La Jolla, CA, USA

19、The Nobel Prize in Chemistry 1993Michael Smith (1932-2000) University of British Columbia Vancouver, CanadaEstablishment of oligonucleotide-based, site-directed mutagenesis 创造力想象力时光逆转的宇宙学意义，nature150年以来，基因研究领域内20个重要的里程碑事件 1865奥地利G.J.Mendel（孟德尔）提出“遗传因子”概念， (Mendels Law)1882 德国W.Flemming (弗莱明)描述了染色体复制

20、到有丝分裂的全过程1926 美国T.H.Margan (摩尔根）发表了著名的基因论，指出位于染 色体上的基因是遗传的基本单位1943 美国O.T. Avery等证实遗传物质是DNA1950 美国E.Chargaff (查伽夫）测定了DNA中核苷酸种类、数目和比例1953 英国M. Wilkins (威尔金斯）拍出了最清晰的DNAX-射线衍射图谱， R. Franking (富兰克林） 即DNA结构照片1953 英国和美国 确定了DNA双螺旋结构J.D.Watson and F.H.C.Crick1958 美国F.H.C. Crick确定了遗传信息流的中心法则1966 美国M.Nirenberg

21、, H.Matthaei破译了遗传密码1971 美国W. Arbor等发现限制性核酸酶能特异性切割DNA1972 美国D.A. Jackson等 在体外切割、连接不同物种DNA1973 美国S.N. Cohen等 把具有生物活性的重组DNA转入细菌1979 美国H.G. Khorana 人工合成了第一条基因1980 美国J.W. Gordon等第一个转基因鼠诞生1981 美国J.D. Kemp，T.H. Hall第一株转基因植物诞生1982 美国GenoTech公司第一个基因工程产品人胰岛素上市1997 英国Ian Wilmut等 第一只克隆绵羊（Dolly）问世2000 美英德法中日等国科学

22、家人类基因组工作草图完成和美国Celera公司Postgenome Era2003 美国霍普金斯大学的Peter Agre 发现细胞膜水通道蛋白 2004 以色列和美国科学家 泛素介导的蛋白质降解2012 美国科学家Robert J. Lefkowitz和Brian K. Kobilka 发现G蛋白偶联受体2001-2014 几百种生物基因组测序完成Postgenome EraNature 452, 913-914 (24 April 2008)Editorial The big omeIts time to make the case for proteins.The bodys build

23、ing blocks, cellular machinery: proteins are sometimes stuck with rather mundane labels. Certainly they sit in the scientific shadow of the genome sequence and the eulogies that inspires. 当前，科学家正在积极筹备发起一个雄心勃勃的研究项目人类蛋白质组计划（Human Proteome Project），旨在归类和描绘出人体内的所有蛋白质。如果能够实现，这将是继“人类基因组计划”后又一宏伟壮举。该项目预计耗资数

24、十亿美元。2010 美国Craig Venter等美国著名生物学家克雷格温特(Craig Venter)宣布，他们用人工设计、合成和装配的”丝状支原体丝状亚种” (M. mycoides) 基因组，导入掏空遗传物质的山羊支原体(M. capricolum)中，使无生命的空壳，重新获得了生命。首个人工生命 “辛西娅” Synthia, “人造儿”。 “人造生命之父” 用人工合成基因作为全部遗传物质的山羊支原体诞生，即“人工生命”诞生支原体介于细菌与病毒之间的小微生物，0.20.3um,可通过滤菌器。无细胞壁，不能维持固定的形态而呈现多形性。基因组为环状双链DNA，分子量小（大肠杆菌的1/5） 吃

25、垃圾吐石油的细菌 改变细菌碳氢化合物（烃）代谢途径 科学怪人(Bad boy of Science) Third generation sequencing第一代测序技术2006年以前，第一代测序技术在分子生物学研究中发挥过重要的作用，从细菌到人类基因组草图计划( human genome project)主要基于第一代DNA测序技术完成的。1975年 Sanger等发明的双脱氧链终止法手动测序：电泳自动测序：荧光自动测序仪1975 Bacteriophage X174 (5386bp)1977 SV40 virus (5243bp)1978 pBR322 plasmid (4363bp)19

26、81 Human mitochondrial genome1982 Bacteriophage (49kb)1996 Yeast (Sc) genome.1998 Nematode2000 Fruit fly 2000 Arabidopsis2001 Human (中国参与1%)2004 Rice (中国、日本)2005 Pig.第二代测序技术第二代测序技术 高通量、低成本，快速应用大规模基因组测序DNA合成、芯片技术和计算软件程序2005年 瑞士罗氏公司454测序仪2007年 美国Illumina公司Solexa测序仪2007年 美国ABI公司的Solid测序仪第二代高速测序技术完成沃森基因

27、组首张人类全基因组图谱花了13年时间, 50亿美元。 Nature2008“DNA之父”詹姆斯.沃森的全基因组该成果标志着人类基因组测序领域的又一个里程碑。花费150万美元，耗时只4个月。 在美国农业研究局和贝勒医学院的领导下，来自25个国家的300多位科学家，历经6年完成了基因组测序工作。 牛基因组测序完成 2009 玉米基因组测序完成（美国） 2009 苹果基因组测序完成（美国） 2011 . 2010年1月 深圳华大基因研究院 中国科学院昆明动物研究所 中国科学院动物研究所 成都大熊猫繁育研究基地大熊猫21对染色体2.4亿对碱基2万多个基因。大熊猫基因组测序和组装 自然.深圳华大基因研究

28、院2010年1月宣布启动“千种动植物基因组计划”预计在未来几年内破译千种具有重要经济和科研价值的动植物物种基因组.第三代测序技术基于纳米孔(nanopore)的单分子测序技术2010年 Nature Methods更快更便宜测序哥伦比亚大学电气工程教授Shepard与宾州大学的研究人员合作，通过薄膜上的纳米孔，检测单个生物分子（next-next-generation sequencing）2012年4月Nature Biotechnology华盛顿大学物理学Gundlach教授阿拉巴马大学微生物专家合作利用分枝杆菌porin A的蛋白孔形成纳米孔（十亿分之一米），正好能让一条DNA单链通过，

29、四种碱基都有各自不同的信号D=1.2 nm中科院北京基因组研究所于军研究员第三代基因测序仪仅需15分钟即可完成一个人的完整基因测序，第二代3个月以上。成本下降到5000元左右，仅为当前的1%。2011年中科院与浪潮集团宣布将共同研制国产第三代基因测序仪。 目前国际上对第三代基因测序仪的竞争十分激烈，美国宣称要在2014年推出第三代基因测序仪，日本和欧洲也有相关的研发计划。我国1 The early development of genetics2 The advent of gene cloning and PCR3 What is gene cloning?4 What is PCR5 Wh

30、y gene cloning and PCR are so important6 How to find your way through this bookFig. 1.1 The basic steps in gene cloning What is gene cloning ?5 Steps1. Construction of a binant DNA molecule2. Transport into the host cell3. Multiplication of binant DNA molecule4. Division of the host cell5. Numerous

31、cell division resulting in a cloneFig. 1.1 The basic steps in gene cloning What is gene cloning ?5 Steps1 The early development of genetics2 The advent of gene cloning and PCR3 What is gene cloning?4 What is PCR5 Why gene cloning and PCR are so important6 How to find your way through this book4 step

32、s3 reactionsFig. 1.2 The basic steps in PCR I 水浴锅 II 压缩机III 半导体PCR仪PCR仪性能 I 温度均一性 II 升降温速度半导体制冷：当电流通过半导体制冷片时 一端发热、另一端降温。Real-time PCR 实时荧光定量PCR仪1 The early development of genetics2 The advent of gene cloning and PCR3 What is gene cloning?4 What is PCR5 Why gene cloning and PCR are so important6 How

33、to find your way through this book Why gene cloning and PCR are so importantGene isolation by cloning Separate an individual gene from hundred thousands other genes Then we can study the structure , expression and function of the gene i.Fig. Cloning allows individual fragments of DNA to be purifiedB

34、ut the problem of selection still remainsFig. The problem of selectionGene isolation by PCRTwo limitations:The sequences of the annealing sitesThe lengthii.Several million1 The early development of genetics2 The advent of gene cloning and PCR3 What is gene cloning?4 What is PCR5 Why gene cloning and

35、 PCR are so important6 How to find your way through this bookThe End of Chapter 1Study hardEnjoy study2013,鲁山2011,红叶谷2010,日照2003,泰山 Homework: What are the main bases of the advent of gene cloning ? Why gene cloning and PCR are important ? Take one question about life science (gene engineering) which

36、 you feel puzzle (confusion) and really want to know.Chapter 2、 Vehicles for Gene Cloning: plasmids and bacteriophages Concept Plasmids: A usually circular piece of DNA, primarily independent of the host chromosome, often found in bacterial cells and some other types of cells.Covalently closed circu

37、lar DNA, cccDNA Fig. 2.1 Plasmids: independent genetic elements found in bacterial cells Basic features of plasmids : Replication within the host cells Small size, ideally 10 kb Selective marker, resistant gene Multiple cloning sites (MCS)Fig. 2.2 The use of antibiotic resistance as a selectable marker for a plasmid.Fig. 2.3 Replication strategiesnon-integrative plasmid(b) Integrative plasmid (episome )能可逆地整合进入宿主染色体的质粒（非整合型质粒）manyfew（整合型质粒 游离型质粒）