2024年高中生物竞赛课件

生物技术专业基因工程目的与要求：1.掌握基因工程的基本概念和原理；2.了解基因操作的主要技术原理和应用；3.了解基因工程的研究内容；4.初步掌握基因工程基本的实验操作技术。本课程教学目的与要求理论：32学时

实验:16学时主要参考书：②楼士林，杨盛昌，龙敏南,章军编著.《基因工程》,科学出版社,2002

③吴乃虎编著.《基因工程原理》(上、下册),科学出版社，2002①何水林主编.《基因工程》科学出版社,2011第一章基因工程概述第二章基因工程工具酶第四章基因工程主要技术第三章基因工程载体第六章DNA重组的操作

第八章蛋白的分离与纯化

第七章基因的高效表达本课程内容介绍：第五章目的基因的获得第九章基因工程的应用3基因工程的发展2基因工程的概念1基因工程的应用第一章基因工程概述基因工程的核心地位分子生物学基因工程生物工程生命科学一、什么是基因工程在分子水平上提取（或合成）不同生物的遗传物质，在体外切割再和一定的载体拼接重组，然后把重组的DNA分子引入细胞或生物体，使外源DNA（基因）在受体细胞中进行复制与表达，按人们的需要繁殖扩增，或生产不同的产物，或定向地创造生物的新性状，并能稳定地遗传给后代基因工程的核心内容包括基因克隆和基因表达基因工程的重要特征：打破了物种的界限也是基因工程的优势可对物种性状进行定向改良创造物种

这是有可能实现的，当实现了人们能够按自己的意愿来重组基因时，便可以以一种生物为蓝本把它的基因加以改变，就会创造出一个新的物种1980年通过显微注射法培养出的世界上第一个转基因动物----“硕鼠”完全由人造基因控制的单细胞细菌

2010年5月20日美国顶尖科学家克莱格·凡特等合成人造细菌内核二、基因工程一般操作Generalprocessofgeneengineering1.从生物有机体基因组中，分离带有目的基因DNA片段2.将带有目的基因的外源DNA片段连接到能够自我复制的并具有选择标记的载体分子上，形成重组DNA分子3.将重组DNA分子转移到适当的受体细胞并与之一起增殖4.从大量的细胞繁殖群体中，筛选出获得了重组DNA分子的受体细胞,并筛选出已经得到扩增的目的基因5.将目的基因克隆到表达载体上，导入寄主细胞，使之在新的遗传背景下实现功能表达，研究核酸序列与蛋白质功能之间的关系1.DNA片段的取得（目的基因的分离和制备）2.DNA片段和载体的连接——重组体DNA3.外源DNA片段引入受体细胞——基因克隆和基因文库4.选择基因（目的基因）5.目的基因表达切接转选表基因工程一般操作可概括为：基因工程的上游技术和下游技术：基因工程包括上游技术

和下游技术

两大组成部分。上游技术指的是基因重组、克隆和表达的设计与构建（即重组DNA技术）；而下游技术则涉及到基因工程菌或细胞的大规模培养以及基因产物的分离纯化过程生物材料mRNADNARNAcDNA文库基因组文库目的基因人工合成克隆载体重组DNA受体细胞克隆子转基因生物基本技术路线：在此基础上根椐自己的目的和要求进行增删和具体化三、基因工程的基本条件1.目的基因2.载体

根据作用可分为克隆载体和表达载体3.工具酶4.受体细胞四、基因工程的技术策略强化基因的表达关闭基因的表达基因的异源表达思路有三：1.异源表达特定功能蛋白；2.利用已有的途径构建新的代谢支路；3.转移特定合成酶基因，使转基因生物获得新的合成功能五、基因工程的发展历程１基因工程准备阶段

1928年F.Griffith首先发现细菌转化的现象，1944年O.Avery及其同事做的细菌转化试验，在转化过程中，游离DNA的片段被活的细菌所接受，导致部分后代遗传性状发生了稳定的改变

。通过该实验，证实遗传物质是DNA----基因载体Griffith肺炎球菌转化实验

光滑型(S)菌株能引起人的肺炎和小鼠的败血症(septicemia)。这种菌株的细菌细胞外面有多糖类的胶状荚膜保护层，使它们不会被宿主的防御机制所破坏。其他一些菌株没有荚膜，不会引起疾病，长成粗糙型(R)菌落

此发现，开启了分子生物学时代。分子生物学使生物大分子的研究进入一个新的阶段。在此以后的近50年里，分子遗传学、分子免疫学、细胞生物学等新学科出现，DNA重组技术更是为利用生物工程手段的研究和应用开辟了广阔的前景1953年Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构模型，并指出遗传信息储存在DNA分子碱基序列之中弗朗西斯·克里克（FrancisCrick）1916-2004詹姆斯·

杜威·

沃森（JamesDeweyWatson）1928-

1953年4月25日，FrancisCrick和JamesWatson在《Nature》杂志上发表了DNA双螺旋分子结构，当时FrancisCrick三十七岁，JamesWatson只有二十五岁。他们的发现在1962年获诺贝尔医学生理学奖，由FrancisCrick，JamesWatson和MauriceWilkins共享JamesWatsonandFrancisCrickwiththeirDNAmodelattheCavendishLaboratoriesin1953.

PhotographcopyrightbyA.BarringtonBrown

卡文迪什实验室

MauriceWilkins(1916-2004)LikeCrick,NewZealand-bornWilkinstrainedasaphysicist,andwasinvolvedwiththeManhattanprojecttobuildthenuclearbomb.WilkinsworkedonX-raycrystallographyofDNAwithFranklinatKing'sCollegeLondon,althoughtheirrelationshipwasstrained.HehelpedtoverifyWatsonandCrick'smodel,andsharedthe1962Nobelwiththem.——Nature，2003莫里斯·威尔金斯

RosalindFranklin(1920-1958)

Franklin,trainedasachemist,wasexpertindeducingthestructureofmoleculesbyfiringX-raysthroughthem.HerimagesofDNA-disclosedwithoutherknowledge-putWatsonandCrickonthetracktowardstherightstructure.Shewentontodopioneeringworkonthestructuresofviruses.——Nature,200370年代，内森和史密斯、阿尔伯发现了限制内切酶的在分子遗传中的作用，为基因工程奠定了基础内森

1967196319531934基因转移载体的发现DNA双螺旋结构理论遗传密码子的破译遗传物质的明确—DNA四大里程碑三大技术发明1967、1970工具酶的发现使在体外切割和连接DNA片段成为可能基因合成和测序（合成仪、测序仪）PCR技术（PCR扩增仪）123Sanger

1972年，美国斯坦福大学的PaulBerg博士领导的小组，首次成功完成了DNA体外重组实验，因此与W.Gilbert,F.Sanger分享了1980年度的诺贝尔化学奖Berg等人使用核酸内切限制酶EcoRI，在体外对猿猴病毒SV40的DNA和λ噬菌体的DNA分别进行酶切消化，然后再用T4DNA连接酶将两种消化片段连接起来，结果获得了包括SV40和λDNA的重组的杂交DNA分子

PaulBerg

２基因工程问世1972

年PaulBerg

:ProducedfirstrecombinantDNAusingEcoRⅠEcoRⅠrecognitionsitesλphageDNAEcoRⅠcutsDNAintofragmentsStickyendSV40DNAThetwofragmentssticktogetherbybasepairingDNAligaseRecombinantDNA

1973年，斯坦福大学的S．Cohen等人也成功地进行了另一体外DNA重组实验。他们将编码有卡那霉素（kanamycin）抗性基因的大肠杆菌R6-5质粒，和编码有四环素（tetracycline）抗性基因的另一种大肠杆菌质粒pSC101DNA混合后，加入限制内切酶EcoRⅠ，对DNA进行切割，后再用T4DNA连接酶将它们连接成重组的DNA分子。用连接后的DNA混合物转化大肠杆菌。结果发现：某些转化子菌落表现出既抗卡那霉素又抗四环素的双重抗性特征

1973-Boyer,Cohen&Chang：

TransformE.coliwithrecombinantplasmidStanleyCohen&AnnieChangHerbertBoyerKanamycinresistancegenePlasmidpSC101TetracyclineresistancegeneE.colitransformedwithrecombinantplasmidTransformedcellsplatedontomediumwithkanamycinandtetracyclineOnlycellswithrecombinantplasmidsurvivetoproducecolonies

自基因工程技术问世以来，这三十多年是基因工程迅速发展的阶段。不仅发展了一系列新的基因工程操作技术,而且构建了多种供转化原核生物和动物、植物细胞载体,获得大量转基因菌株３基因工程的迅速发展1981年首次通过显微注射培育出世界上第一个转基因动物---转基因小鼠1982年基因工程胰岛素商品在美国投放市场。同年采用农杆菌介导法培育出世界上第一例转基因植物---转基因烟草1985年基因工程微生物杀虫剂通过美国环保署审批,1990年基因治疗开始进入临床试验到1991年批准田间试验1467例，到1998年已有4387例我国已获批准进入大田的转基因植物(1998年3月)转基因植物及其特性申请单位获批准数马铃薯抗病毒中国科学院4抗病中国农业科学院1抗逆北京大学1提高营养品质北京大学1水稻抗虫

1抗病毒

2抗病中国农业科学院中国水稻研究所2抗除草剂中国水稻研究所1棉抗虫中国科学院中国农业科学院美国孟山都公司9玉米抗虫美国孟山都公司3大豆抗除草剂北京市农林科学院1

小麦抗除草剂北京市农林科学院1提高营养品质北京市农林科学院1番茄抗病北京大学1耐贮存中国科学院华中农业大学3甜椒抗病北京大学1辣椒抗病毒中国科学院1烟草抗病毒北京大学2抗虫中国科学院北京大学2番木瓜抗病毒北京热带农作物研究所1广霍香抗病农业科学院1矮牵牛改变花色北京大学1杨树抗虫中国科学院1我国已获批准进入大田的转基因植物(1998年3月)(续)生命科学基础理论研究中的应用定点诱变、表达系统、构建文库、反义核酸技术农林牧渔中的应用转基因抗虫棉、耐贮存番茄、耐盐碱棉花、抗除草剂作物、转基因奶牛、超级绵羊等等工业中的应用酿酒、食品、发酵、酶制剂等

在医学中的应用基因治疗、基因工程药物干扰素、白细胞介素、溶血栓剂、凝血因子、疫苗六、基因工程的应用抗癌抗衰老的紫色西红柿补钙的胡萝卜基因工程的应用举例：例1：构建工程菌种来降解化工产物美马里兰大学生化工程系的Coppella博士等将水解酶基因opd转化到Strepomyceslivdians(注：Strepomyces链霉菌属)转化菌株能稳定地降解硫磷，此菌株发酵液可用于对农药厂的废水处理中例2利用基因工程技术生产工业用酶日本科学家将耐热的α-淀粉酶基因转入枯草杆菌后获得大量的α-淀粉酶。啤酒酿造中，主要的发酵微生物是酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)酵母把麦芽汁中的葡萄糖、麦芽糖、麦芽二糖等成分转变成乙醇。但是麦芽汁中还有约占碳水化合物总数约20%的糊精不能被酿酒酵母利用。另一种酵母叫糖化酵母(S.diastaticus)能分泌把糊精切开成为葡萄糖的酶，但是它产生的啤酒口味不好。用基因工程的方法，把糖化酵母中编码切开糊精的酶的DNA基因引入酿酒酵母中