基因工程ppt01-1

1、,基因工程,授课专业：生物技术 生物工程,推荐教材或参考书目,（1）教材 基因工程 孙明主编，高等教育出版社，2006.5 基因工程原理与应用 陈宏主编，中国农业出版社，2004.1 （2）参考书目 基因操作原理（第6版）（中文版），Sandy B. Primrose等主编，瞿礼嘉等译，高等教育出版社，2003.12 基因克隆和DNA分析（第4版）（中文版），T.A. Brown编著，魏 群等译，高等教育出版社，2003.8 基因工程（第2版），吴乃虎主编，科学出版社，1999 分子克隆实验指南（第3版），J萨姆布鲁克，DW拉塞尔著，黄培堂等译，科学出版社，2002,网络课程地址,教务处教学资

2、源网网络课程生命学院基因工程,教学学时分配（授课总学时：54）,各章名称 计划学时 1基因工程概述 2 2分子克隆工具酶 5 3分子克隆载体 4 4人工染色体载体 4 5表达载体 4 6基因操作中大分子的分离和分析 2 7基因芯片技术 0 8PCR技术及其应用 4 9DNA序列分析 2 10DNA诱变 2 11DNA文库的构建和目的基因的筛选 3 12基因组研究技术 0,第一篇 基因操作原理 32,第二篇 基因工程应用（22学时）,各章名称 计划学时 13植物基因工程 4 14动物基因工程 4 15酵母基因工程 2 16细菌基因工程 2 17病毒基因工程 2 18医药基因工程 2 19基因工程

3、产品的安全及其管理 0 专题讨论 6,专题讨论(供参考）,基因操作中大分析的分离和分析 PCR技术的应用 基因组研究技术 植物转基因技术 基因诊断与基因治疗 基因工程的安全性 2-3人/小组，做好PPT, 10周报告,课程目的,本门课程讲述基因操作相关的原理，为分子生物学的研究服务。 通过分子生物学内在的原理，如 DNA 结构、复制、转录、表达、调控等，讲述研究方法和技术的设计原理。,结课方式 平时(课堂讨论、报告和考勤) 30% 考试（闭卷） 70%,第1章 基因工程概述,1.1 基因操作与基因工程 1.1.1 基因操作与基因工程的关系 基因操作: 对基因进行分离、分析、改造、检测、表达、重

4、组和转移等操作的总称。 基因工程:专指为实践应用而进行的基因重组事件，产生的基因工程体可以用作生物反应器，或改变了生物性状的工程体等。 Gene manipulation/Genetic engineering,基因工程（基因操作）：主要是利用 DNA 重组技术，将生物的某个基因或一个DNA片段通过基因载体（DNA载体）运送到另一生物的活性细胞中，然后经过克隆（clone）和行使正常功能（表达），从而创造生物新品种或新物种的遗传学分子技术（从细菌到高等生物）。,1.1.2 基因工程的诞生与发展,基因工程诞生的基础 理论上的三大发现和技术上的三大发明 1971年，史密斯（Smith H. O.）

5、等人从细菌中分离出的一种限制性酶,酶切病毒DNA分子，标志着DNA重组时代的开始。 1972年伯格（Berg P.）等用限制性酶分别酶切猿猴病毒和噬菌体DNA，将两种DNA分子用连接酶连接起来,得到新的DNA分子。 1973年，科恩（Cohen S.）等进一步将酶切DNA分子与质DNA连接起来，并将重组质粒转入E.coli细胞中。 1982年，美国食品卫生和医药管理局批准，用基因工程在细菌中生产人的胰岛素投放市场。 1985年，转基因植物获得成功。 1994年，延熟保鲜的转基因番茄商品生产。 1996年，克隆羊诞生。,理论上的三大发现,（1）DNA是遗传物质 1944 Avery 细菌转化实验

6、 证明：DNA是遗传物质 意义：DNA 可以从一个细菌转移到另一个细菌，从而把遗传性状传递过去。 现代生物学科学性的革命性开端和基因工程的先导（Lederberg语）。,理论上的三大发现,（2）DNA双螺旋模型（Watson/Crick 1953） 这对于生命科学的发展作用可与达尔文学说媲美，与孟德尔定律齐名。,理论上的三大发现,（3）确定了遗传信息传递的方式（60年代） 破译遗传密码和确定了密码子三联体 遗传信息流的中心法则,技术上的三大发明,（1）工具酶的使用： Smith 和 Wilcox（1970） 流感嗜血杆菌Haemophilus influenzae d 分离纯化了 限制性内切酶

7、Hind II 其它工具酶（如连接酶）等的发现和纯化奠定了基因工程诞生的最重要的技术基础 分子剪刀和DNA缝合工具 （2）基因运载工具DNA载体的使用 (对质粒的认识） 细菌的致育因子（Fertility factor） F因子 Lederberg 1946 抗药性因子（R） 大肠杆菌素因子（Col） （3）逆转录酶的使用 Baltimomore 等和 Temin 等（1970）各自发现了逆转录酶 意义：丰富了“中心法则 ” 、真核基因的制备成为可能、构建 cDNA 文库成为可能 。,全世界转基因植物种植面积,19962005年，全世界转基因植物在21个国家种植，面积从1996年的170万公顷

8、增加到2005年的9 000万公顷，增加了50倍之多。,美国斯坦福大学生物化学系：Paul Berg教授 (1980年诺贝尔化学奖获得者),1970年美国科学家特明（H.M.Temin）和巴尔的摩（D.Baltimore）分别于动物致癌RNA病毒中发现的，他们并因此获得1975年度诺贝尔生理学或医学奖。 David L. Baltimore (born 7 March 1938) is an American biologist, university administrator, and Nobel laureate in Physiology or Medicine.,Martin Tem

9、in (December 10, 1934 February 9, 1994) was a U.S. geneticist. Along with Renato Dulbecco and David Baltimore he discovered reverse transcriptase in the 1970s at the University of Wisconsin-Madison, for which he shared the 1975 Nobel Prize in Physiology or Medicine.,图1-1 1973年Cohen和Boyer开展的基因重组示意图 质

10、粒pSC101和pSC102连接，转化大肠杆菌,抗Tet和抗Kan. 蟾蜍DNA核糖体RNA片段+ pSC101，转化大肠杆菌,1.2 基因因工程是生物科学发展的必然产物,1.2.1 基因是基因重组的物质基础 1.遗传因子 由孟德尔提出，认为生物性状的遗传是由遗传因子所控制的。1909年，丹麦学者W.Johannsen提出“基因”（gene）一词,代替了孟德尔的遗传因子，认为在杂种中等位基因不融合，各自保持其独立性。 2.DNA与遗传的关系 1928年Griffith首先发现了肺炎球菌的转化作用，为以后的研究开辟了道路。 1944年Avery用转化实验证明了DNA是遗传物质。,1.2.2 DN

11、A的结构和功能 1.DNA的结构 （1）DNA的组成成分 DNA是由五碳糖、磷酸基团和4种含氮的碱基（即腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶）组成。 （2）DNA的三维结构 Watson和Crick于1953年推导出DNA的结构是双链缠绕的双螺旋结构（图1-2）, DNA的复制 1955年，Watson和Crick提出了DNA的复制模型，即每一条链都可以复制出各自的互补链。 1957年，Meselson和Stahl的实验表明，在复制完成后DNA链与新合成的互补链重新形成双链结构，也就是说DNA的复制是采用半保留复制（semiconservative replication）的方式进行。, 传递遗传

12、信息 基因可以控制蛋白质的产生，基因和蛋白质的氨基酸序列之间存在对应关系，基因突变会导致蛋白质中一个氨基酸的变化。 RNA是DNA遗传信息和蛋白质氨基酸序列之间的桥梁。 指导蛋白质合成 DNA可编码3种RNA，即mRNA、rRNA和tRNA。 tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子互补，并在蛋白质合成过程中携带氨基酸到正确的位置。 转录是以DNA为模板，将遗传信息转移到mRNA的过程，翻译就是将mRNA中的遗传信息转移到蛋白质的氨基酸序列的过程。,中心法则,1.2.3 基因操作技术的发展促进基因工程的诞生和发展, 基因工程的工具 （1）基因操作的车间大肠杆菌Escherichia coli和

13、病毒 （2）获得基因片段的工具限制性核酸内切酶 （3）连接基因片段的工具连接酶 （4）基因操作的载体质粒和病毒 重组DNA实验 基因工程的核心,1.2.4 基因工程的内容,1.基因操作原理 （1）DNA和RNA的操作 （2）基因克隆 2.基因工程应用 （1）生物反应器 微生物 动植物细胞 转基因动植物 （2）遗传改良 （3）基因治疗,1.3 基因的结构-基因操作的理论基础,1.3.1 基因的结构组成对基因操作的影响 1基因及其产物的共线性 基因决定蛋白质的序列组成，是由密码子对应特定氨基酸所决定的。 当一个基因的核苷酸序列与其产物的氨基酸序列是一一对应时，则表明它们是共线性的。,2基因及其产物

14、的非共线性 20世纪70年代以来，在真核生物中发现了间断基因（interrupted gene），后来发现这种间断基因在真核生物中普遍存在，也就是后来所说的基因间存在着内含子（intron）。 内含子指真核生物基因中不能翻译成蛋白质的DNA片段，但可被转录，当两侧序列（外显子）的转录RNA被剪接在一起时，就将内含子转录的RNA从整个转录物中除去。 外显子是指能够翻译成蛋白质的任一间断的基因片段，一个基因可有多个外显子。 图1-3是遗传信息从DNA传到蛋白质的流程。,图1-3 真核生物蛋白质合成过程中外显子和内含子的关系,3基因的重叠与基因的可变性,DNA序列与蛋白质序列的对应关系不是单一的，单

15、个DNA序列可编码一个以上的蛋白质，这些蛋白质在结构上有的是相同的序列重复，也可以是全新的蛋白质。 由单个基因通过在不同部位的起始（或终止）表达而形成两种蛋白质，两个基因也可通过在不同读码中译读DNA而共用同一序列。 基因的重叠与可变性也可从重组中得以体现。例如芽胞杆菌的spo基因片段分布在两个不同区域，当需要发挥作用时，便通过重组而连接在一起。,4启动子和终止子,启动子是基因转录过程中控制起始的部位。 RNA聚合酶的结合位点（binding site)，不同生物中这个结合（识别）位点是有差异的，同一生物的不同基因之间也有差异。 上游（upstream）指转录起始点左侧的序列，而下游（down

16、stream）指起始点右侧的序列。或上游指其5方向，下游指其3方向。 转录终止子主要有两种，一种依赖因子，另一种不依赖因子。后者主要是能够形成特定二级结构的DNA序列，如茎环结构。,1.3.2 基因克隆的通用策略,克隆的概念是广泛的，但基因克隆在一定程度上被等同于基因的分离 克隆的简要步骤(见图1-4):外源DNA和载体的酶切、连接、转化和筛选 构建基因文库 亚克隆（subcloning）：从克隆（或克隆文库）中寻找出目的基因的小片段的过程。,图1-4 原核生物基因克隆的步骤示意图,细菌基因工程流程,小结,思考题,1. 简述基因操作、基因重组和基因工程的关系。 2. 为什么说基因工程是生物学和

17、遗传学发展的必然产物？ 3. 简述基因的结构组成对基因操作的影响。 4. 基因工程研究的意义和前景如何？,补充,基因概念的发展,基因是有功能的DNA片段 20世纪40年代G.W.Beadle和E.L.Tatum提出了一个基因一个酶的假说。 1953年Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构模型。 1957年Crick提出了中心法则。 1961年提出了三联遗传密码。,基因概念的发展,操纵子模型 1961年F.Jacob和J.Monod通过不同的大肠杆菌乳糖代谢突变体的研究，提出了操纵子模型学说（operon theory）。 生物活性相关基因组织在一起进行统一的调控，并保持各基因产物的精确比例。 原核生物的操纵子模型系统是最经济的调控在转录水平上的体现。,基因概念的发展,“跳跃基因”和“断裂基因”的发现 20世纪50年代B.McClintock在玉米的控制因子的研究中发现某些遗传因子可以转移位置。后来将这些可转移位置的成分称为跳跃基因（jumping gene），亦称转座子（transposon element）。 70年代后期发现绝大多数真核生物基因都是不连续的，其中被一些不编码序列所隔开，成为断裂基因。另外，在噬菌体中还发现了重叠基因。,1951 McClintock B. 发现跳跃基因 Barbara McClintock (June 16 1902 Septem