第一章基因工程概述-PowerPointPresent

1、基因工程基因工程平時成績平時成績20%閉卷考試閉卷考試 80%名詞解釋名詞解釋 20%出勤出勤課堂表現(xiàn)課堂表現(xiàn)填空題填空題 20%選擇題選擇題 20%100%判斷題判斷題 10%問答題問答題 30%主要參考資料主要參考資料n王關林等王關林等. 植物基因工程植物基因工程.科學出版社?？茖W出版社。 n吳乃虎等吳乃虎等. 基因工程原理基因工程原理.科學出版社。科學出版社。 生物技術通報生物技術通報 中國生物工程雜志中國生物工程雜志 農(nóng)業(yè)生物技術學報農(nóng)業(yè)生物技術學報 生物工程學報生物工程學報 生物技術生物技術 遺傳遺傳 Molecular genetics and genomics Animal bi

2、otechnology Nature genetics Plant cell Science Nature第一章第一章 基因工程概述基因工程概述第二章第二章 基因工程的載體和工具酶基因工程的載體和工具酶第三章第三章 基因的常規(guī)技術基因的常規(guī)技術第四章第四章 基因在大腸桿菌、酵母中的高效表達基因在大腸桿菌、酵母中的高效表達第五章第五章 轉基因植物轉基因植物第六章第六章 轉基因動物轉基因動物第七章第七章 基因治療基因治療第一章第一章 基因工程概述基因工程概述第一節(jié)第一節(jié) 基因工程的誕生和發(fā)展基因工程的誕生和發(fā)展第二節(jié)第二節(jié) 基因工程的研究內容基因工程的研究內容第三節(jié)第三節(jié) 基因工程的成就和前景展望

3、基因工程的成就和前景展望第一節(jié)第一節(jié) 基因工程的誕生和發(fā)展基因工程的誕生和發(fā)展一、基因一、基因泛基因階段泛基因階段 順反子階段順反子階段 摩爾根的基因階段摩爾根的基因階段 孟德爾遺傳因子階段孟德爾遺傳因子階段 現(xiàn)代基因階段現(xiàn)代基因階段 基因的研究基因的研究Mendel G.J. (1822-1884). 1856-1864豌豆雜交實驗。豌豆雜交實驗。MendelMendel的遺傳因子階段的遺傳因子階段1866年發(fā)表論文，提出分離年發(fā)表論文，提出分離規(guī)律和獨立分配規(guī)律規(guī)律和獨立分配規(guī)律1900年年Mendel遺傳規(guī)律被遺傳規(guī)律被重新發(fā)現(xiàn)重新發(fā)現(xiàn)遺傳學的元年遺傳學的元年Mendel提出：生物的某提

4、出：生物的某種性狀是由遺傳因子負責種性狀是由遺傳因子負責傳遞的。是顆粒性的，體傳遞的。是顆粒性的，體細胞內成雙存在，生殖細細胞內成雙存在，生殖細胞內成單存在。遺傳因子胞內成單存在。遺傳因子是決定性狀的抽象符號。是決定性狀的抽象符號。1909年丹麥遺傳學家年丹麥遺傳學家Yohannsen (1859-1927)發(fā)表了發(fā)表了“純系學說純系學說”首首先提出了先提出了“基因基因”的概的概念，代替了念，代替了Mendel “遺傳因子遺傳因子” 的的 概念。概念。但沒有提出基因的物質但沒有提出基因的物質概念。概念。Morgan的基因階段的基因階段1910年以后，年以后，Morgan T.H.等提出了基因的

5、連鎖遺傳等提出了基因的連鎖遺傳規(guī)律。說明了基因是在染色體上占有一定空間的實體。規(guī)律。說明了基因是在染色體上占有一定空間的實體?；虿辉偈浅橄蠓枺毁x予物質內涵?；虿辉偈浅橄蠓枺毁x予物質內涵。連鎖遺傳規(guī)律的提出連鎖遺傳規(guī)律的提出順反子階段順反子階段19571957年，本澤爾（年，本澤爾（Seymour Seymour BenzerBenzer）以以T4T4噬菌體為材料，在噬菌體為材料，在DNADNA分子水平上研分子水平上研究基因內部的精細結構，提出了順反子究基因內部的精細結構，提出了順反子（cistroncistron）概念。概念。順反子是順反子是1 1個遺傳功能單位，個遺傳功能單位，1

6、 1個個順反子決定順反子決定1 1條多肽鏈。條多肽鏈。 現(xiàn)代基因階段現(xiàn)代基因階段 1操縱子 （啟動基因操縱基因結構基因）（啟動基因操縱基因結構基因）現(xiàn)代基因階段現(xiàn)代基因階段2跳躍基因跳躍基因 指指DNA能在有機體的染色體組內從能在有機體的染色體組內從1個地方跳到另一個地方，個地方跳到另一個地方，它們能從它們能從1個位點切除，然后插入同一或不同染色體上的另一個個位點切除，然后插入同一或不同染色體上的另一個位置。位置。3斷裂基因斷裂基因 1個基因被間隔區(qū)分成不連續(xù)的若干區(qū)段，這種編碼序列不個基因被間隔區(qū)分成不連續(xù)的若干區(qū)段，這種編碼序列不連續(xù)的間斷基因被稱為斷裂基因。連續(xù)的間斷基因被稱為斷裂基因。

7、4 4假基因假基因 不能合成出功能蛋白質的失活基因不能合成出功能蛋白質的失活基因 。5 5重疊基因重疊基因 不同基因的核苷酸序列有時是可以共用的不同基因的核苷酸序列有時是可以共用的 即重疊的。即重疊的?，F(xiàn)代對基因的定義是現(xiàn)代對基因的定義是DNA分子中含有特定遺傳信息的分子中含有特定遺傳信息的一段核苷酸序列，是遺傳物質的最小功能單位。一段核苷酸序列，是遺傳物質的最小功能單位。 一般認為一般認為1973年是基因工程誕生的元年年是基因工程誕生的元年（S. Cohen等獲得了卡那霉素和四環(huán)素雙抗性的轉化子菌落等獲得了卡那霉素和四環(huán)素雙抗性的轉化子菌落)理論上的理論上的三大發(fā)現(xiàn)三大發(fā)現(xiàn)和技術上的和技術上

8、的三大發(fā)明三大發(fā)明對于對于基因工程的誕生基因工程的誕生起到了決定性的作用。起到了決定性的作用。二、二、 基因工程的誕生基因工程的誕生1944年，年，Avery O.T.利用肺炎雙球菌轉化實驗利用肺炎雙球菌轉化實驗1、DNA是遺傳物質被證實是遺傳物質被證實40年代，年代，DNA是遺傳物質被證實是遺傳物質被證實1944年，美國洛克菲勒研究所的年，美國洛克菲勒研究所的Oswald Avery等公等公開發(fā)表了改進的肺炎雙球菌實驗結果。開發(fā)表了改進的肺炎雙球菌實驗結果。 （1） S型菌細胞提取物及其型菌細胞提取物及其純化的純化的DNA都可使都可使R型菌轉變成型菌轉變成S型菌；型菌； （2）經(jīng)）經(jīng)DNas

9、e 處理的處理的S型菌細胞提取物失去了型菌細胞提取物失去了轉化作用。轉化作用。 （3）經(jīng)）經(jīng)胰蛋白酶胰蛋白酶處理的處理的S型菌細胞提取物仍有型菌細胞提取物仍有轉化作用。轉化作用。 不僅證實了不僅證實了DNA是遺傳物質，而且證明了是遺傳物質，而且證明了DNA可以將一個細菌的性狀轉給另一個細菌，他的工作可以將一個細菌的性狀轉給另一個細菌，他的工作被稱為是被稱為是現(xiàn)代生物科學的革命性開端現(xiàn)代生物科學的革命性開端。Watson 和和Crick2、DNA雙螺旋模型的提出雙螺旋模型的提出50年代，年代，DNA的雙螺旋模型的提出的雙螺旋模型的提出和和DNA復制機理的闡明復制機理的闡明 DNA是遺傳物質已被證

10、實，但是是遺傳物質已被證實，但是DNA是怎樣攜是怎樣攜帶并傳遞遺傳信息的？在細胞增殖過程中，帶并傳遞遺傳信息的？在細胞增殖過程中，DNA是是怎樣復制的？因此，對于怎樣復制的？因此，對于DNA結構的研究成為了當結構的研究成為了當時生物學家研究的熱點。時生物學家研究的熱點。 1953年，年，F(xiàn)rancis Crick和和James Watson搜集了搜集了力所能及的資料，提出了力所能及的資料，提出了DNA的雙螺旋模型。的雙螺旋模型。隨后，隨后，DNA的的半保留復制半保留復制和和半不連續(xù)半不連續(xù)復制機理也被闡明，復制機理也被闡明，為基因工程的誕生奠定了堅實的理論基礎。為基因工程的誕生奠定了堅實的理論

11、基礎。 Nireberg等為代表的等為代表的一批科學家一批科學家3、“中心法則中心法則”和和“操縱子學說操縱子學說”的提的提出出60年代，確定了遺傳信息的傳遞方式年代，確定了遺傳信息的傳遞方式（中心法則）（中心法則） 既然，既然，DNA是遺傳信息的載體，那么它是如何傳遞遺傳是遺傳信息的載體，那么它是如何傳遞遺傳信息的呢？遺傳信息又是如何控制生物的表型性狀的呢？信息的呢？遺傳信息又是如何控制生物的表型性狀的呢？以以Nireberg等為代表的一批科學家等為代表的一批科學家經(jīng)過艱苦的努力，確定了經(jīng)過艱苦的努力，確定了遺傳信息以密碼方式傳遞，每三個核苷酸組成一個密碼子，遺傳信息以密碼方式傳遞，每三個核

12、苷酸組成一個密碼子，代表一個氨基酸，到代表一個氨基酸，到1966年，全部破譯了年，全部破譯了64個密碼子，并提個密碼子，并提出了遺傳信息傳遞的出了遺傳信息傳遞的“中心法則中心法則”。 原核生物的基因調控操縱子模型原核生物的基因調控操縱子模型1961年，年，Jacques Monod和和 Fancois Jacob提出了原核基因調控的提出了原核基因調控的操縱子模型操縱子模型（operon model）。）。1970年年Smith等分離并純化了限制性核酸內切酶等分離并純化了限制性核酸內切酶Hind II， 1972年，年，H.W.Boyer等相繼發(fā)現(xiàn)了等相繼發(fā)現(xiàn)了coR I 一類重要的限一類重要的

13、限制性內切酶。制性內切酶。 4、工具酶的發(fā)現(xiàn)和應用、工具酶的發(fā)現(xiàn)和應用1967年，世界上有五個實驗室?guī)缀跬瑫r發(fā)現(xiàn)年，世界上有五個實驗室?guī)缀跬瑫r發(fā)現(xiàn)DNA連連接酶，特別是接酶，特別是1970年年H.G.Khorana等發(fā)現(xiàn)的等發(fā)現(xiàn)的T4 DNA連接酶具有更高的連接活性。連接酶具有更高的連接活性。4、工具酶的發(fā)現(xiàn)和應用、工具酶的發(fā)現(xiàn)和應用1970年，年，Baltimore等和等和Temin等在等在RNA腫瘤病毒中各自發(fā)腫瘤病毒中各自發(fā)現(xiàn)了反轉錄酶，完善了中心法則，用于構建現(xiàn)了反轉錄酶，完善了中心法則，用于構建cDNA 文庫。文庫。4、工具酶的發(fā)現(xiàn)和應用、工具酶的發(fā)現(xiàn)和應用載體主要是小分子量的復制子

14、如：病毒、噬菌體、質粒。載體主要是小分子量的復制子如：病毒、噬菌體、質粒。1972年，美國年，美國Stanford大學的大學的P. Berg 等首次成功地實現(xiàn)了等首次成功地實現(xiàn)了DNA的體外重組；的體外重組；5、載體的發(fā)現(xiàn)及其應用、載體的發(fā)現(xiàn)及其應用SV40噬菌體噬菌體Eco RIEco RIT4連接酶連接酶第一個重組分子第一個重組分子6、重組子導入受體細胞、重組子導入受體細胞技術1944年，肺炎鏈球菌被成功轉化。年，肺炎鏈球菌被成功轉化。1970年，大腸桿菌才被成功轉化，得益于年，大腸桿菌才被成功轉化，得益于CaCl2的應用的應用 1973年，年，Stanford大學的大學的Cohen等成功

15、地利用體外重組實等成功地利用體外重組實現(xiàn)了細菌間性狀的轉移。現(xiàn)了細菌間性狀的轉移。1973年被定為基因工程誕生的元年。年被定為基因工程誕生的元年?；蚬こ陶Q生基因工程誕生CohenCohen等的重組實驗示意圖等的重組實驗示意圖TcrNerEco RIEco RIT4連接酶連接酶TcrNer雙抗重組菌落雙抗重組菌落基因工程發(fā)展史上首次實現(xiàn)了重組基因工程發(fā)展史上首次實現(xiàn)了重組DNA的細菌轉化的細菌轉化pSC101質粒DNAR65質粒DNA第二節(jié)第二節(jié) 基因工程的研究內容基因工程的研究內容一、基因工程的概念一、基因工程的概念 在分子水平上，提取或合成不同生物的遺在分子水平上，提取或合成不同生物的遺傳

16、物質，在體外進行切割、再和某一載體進傳物質，在體外進行切割、再和某一載體進行拼接重組，然后再將重組的行拼接重組，然后再將重組的DNA導入宿主導入宿主細胞內，最后實現(xiàn)目的基因穩(wěn)定復制和表達細胞內，最后實現(xiàn)目的基因穩(wěn)定復制和表達的過程。的過程。 一、基因工程的概念一、基因工程的概念生物工程生物工程 biological engineering遺傳工程遺傳工程 genetic engineering基因工程基因工程 gene engineering分子克隆分子克隆 molecular cloning基因克隆基因克隆 gene cloning基因操作基因操作 gene manipulation重組重組

17、DNA技術技術 recombinant DNA technique二、基因工程研究的基本步驟二、基因工程研究的基本步驟1 1、從生物體中分離得到目的基因（或、從生物體中分離得到目的基因（或DNADNA片段）片段）2 2、在體外，將目的基因插入能自我復制的載體中得到、在體外，將目的基因插入能自我復制的載體中得到 重組重組DNADNA分子。分子。3 3、將重組、將重組DNADNA分子導入受體細胞中，并進行繁殖。分子導入受體細胞中，并進行繁殖。4 4、選擇得到含有重組、選擇得到含有重組DNADNA分子的細胞克隆，并進行大量分子的細胞克隆，并進行大量 繁殖，從而使得目的基因得到擴增。繁殖，從而使得目的

18、基因得到擴增。5 5、進一步對獲得的目的基因進行研究和利用。比如，、進一步對獲得的目的基因進行研究和利用。比如， 序列分析、表達載體構建、原核表達以及轉基因研究序列分析、表達載體構建、原核表達以及轉基因研究 和利用等。和利用等。三、基因工程的基本流程三、基因工程的基本流程基因分基因分離酶切離酶切載體酶切載體酶切基因和載基因和載體連接體連接導入細菌導入細菌重組質粒繁殖重組質粒繁殖重組克隆的選擇重組克隆的選擇序列分析和基序列分析和基因表達等研究因表達等研究導入導入植物植物細胞細胞第三節(jié)第三節(jié) 基因工程的成就和研究進展基因工程的成就和研究進展成就：成就：q在醫(yī)藥領域在醫(yī)藥領域q在農(nóng)業(yè)領域在農(nóng)業(yè)領域q

19、在工業(yè)領域在工業(yè)領域研究進展：研究進展：主要講中國的主要講中國的醫(yī)藥領域醫(yī)藥領域1977年，激素抑制素的發(fā)酵生產(chǎn)成功年，激素抑制素的發(fā)酵生產(chǎn)成功。Itakara等，等，化學合成的激素抑制素基因和大腸桿菌化學合成的激素抑制素基因和大腸桿菌 -半乳糖（苷）半乳糖（苷）激酶基因插入到激酶基因插入到PBR322中得到重組質粒，并通過大中得到重組質粒，并通過大腸桿菌生產(chǎn)出含有激素抑制素的嵌合型蛋白，經(jīng)溴腸桿菌生產(chǎn)出含有激素抑制素的嵌合型蛋白，經(jīng)溴化氰處理后釋放出了有生物活性的激素抑制素?；杼幚砗筢尫懦隽擞猩锘钚缘募に匾种扑亍Ｊ资状螌崿F(xiàn)了真核基因的原核表達。用價值幾美元的次實現(xiàn)了真核基因的原核表達。用

20、價值幾美元的9升升培養(yǎng)液生產(chǎn)出培養(yǎng)液生產(chǎn)出50毫克的生物活性物質，這相當于毫克的生物活性物質，這相當于50萬頭羊腦的提取量。萬頭羊腦的提取量。1978年，年， Goeddel等，人胰島素的發(fā)酵生產(chǎn)成功。等，人胰島素的發(fā)酵生產(chǎn)成功。1979年，年， Goeddel等，又在大腸桿菌中成功表達了人生等，又在大腸桿菌中成功表達了人生長激素基因。長激素基因。1980年，年， Nagata等，等， 遺傳工程菌生產(chǎn)干擾素獲得成功。遺傳工程菌生產(chǎn)干擾素獲得成功。1981年，年， 用遺傳工程菌生產(chǎn)的生物制劑包括動物口蹄疫用遺傳工程菌生產(chǎn)的生物制劑包括動物口蹄疫疫苗、乙型肝炎病毒表面抗原及核心抗原、牛生長激素等。

21、疫苗、乙型肝炎病毒表面抗原及核心抗原、牛生長激素等。1982年，年， 重組重組DNA技術生產(chǎn)的藥物技術生產(chǎn)的藥物-人胰島素進入商品化人胰島素進入商品化生產(chǎn)。生產(chǎn)。1983年，年， 基因工程生產(chǎn)狂犬病疫苗取得突破型進展?；蚬こ躺a(chǎn)狂犬病疫苗取得突破型進展。83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02FirsttransgenicplantDelay-ripening tomatoCommercialized in the USFirst field testsHerbicide resistant, insect res

22、istant plants commercializedGM maize approved by EU First Bt corn plants Rotting resistant tomato approved by FDA植物基因工程的發(fā)展迅速植物基因工程的發(fā)展迅速植物轉基因育種的發(fā)展優(yōu)勢植物轉基因育種的發(fā)展優(yōu)勢1 1、擴大了作物育種的基因庫、擴大了作物育種的基因庫 轉基因育種轉基因育種打破了打破了常規(guī)育種的常規(guī)育種的物種界限物種界限，來源于動植物和微生物的有用基因都，來源于動植物和微生物的有用基因都 可以導入作物，培育成具有某些特殊性狀的新型作物品種?？梢詫胱魑?，培育成具有某些特殊性狀

23、的新型作物品種。2 2、提高了作物育種的效率、提高了作物育種的效率 作物轉基因育種不僅大大作物轉基因育種不僅大大縮短育種年限縮短育種年限，而且可成功地改良某些單一性狀卻不，而且可成功地改良某些單一性狀卻不 影響改良品種的原有優(yōu)良特性。影響改良品種的原有優(yōu)良特性。3 3、減輕了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的污染、減輕了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的污染 轉基因抗蟲棉花的大面積種植和推廣，不僅可以轉基因抗蟲棉花的大面積種植和推廣，不僅可以減少減少化學殺蟲劑化學殺蟲劑對棉農(nóng)及天敵對棉農(nóng)及天敵 的傷害的傷害，而且可以大幅度降低用于購買農(nóng)藥和蟲害防治的費用。另外，隨著高，而且可以大幅度降低用于購買農(nóng)藥和蟲害防治的費用。另外，隨著高

24、 效固氮轉基因作物及高效吸收土壤中磷元素等營養(yǎng)元素的轉基因作物不斷問世效固氮轉基因作物及高效吸收土壤中磷元素等營養(yǎng)元素的轉基因作物不斷問世 和推廣，和推廣，農(nóng)用化肥的利用率農(nóng)用化肥的利用率將極大地將極大地提高提高，這對減少農(nóng)田污染具有重要意義。，這對減少農(nóng)田污染具有重要意義。4 4、拓寬了作物生產(chǎn)的范疇、拓寬了作物生產(chǎn)的范疇 各種有價值的各種有價值的蛋白產(chǎn)品蛋白產(chǎn)品都可以利用植物反應器進行高效生產(chǎn)，番茄、馬鈴薯、都可以利用植物反應器進行高效生產(chǎn)，番茄、馬鈴薯、 萵苣和香蕉等作物已被成功用于生產(chǎn)口服疫苗。另外，各種萵苣和香蕉等作物已被成功用于生產(chǎn)口服疫苗。另外，各種工業(yè)原料工業(yè)原料，比如纖，比如

25、纖 維素、海藻糖和可降解塑料等維素、海藻糖和可降解塑料等也可以用植物來生產(chǎn)。有人甚至預言，除了鋼筋也可以用植物來生產(chǎn)。有人甚至預言，除了鋼筋 混凝土之外，未來的轉基因作物將可能生產(chǎn)出人類所需要的一切產(chǎn)品?；炷林猓磥淼霓D基因作物將可能生產(chǎn)出人類所需要的一切產(chǎn)品。01020304050199219931994199519961997199819992000資料來源：注釋3全球轉基因作物種植面積（百萬公頃）全球轉基因作物種植面積（百萬公頃） 全球不同轉基因作物和應用面積全球不同轉基因作物和應用面積02040608019961997199819992000耐除草劑 抗蟲（B t ）抗蟲( B t

26、)/耐除草劑抗病毒資料來源：注釋3全球轉基因作物導入特性比例全球轉基因作物導入特性比例 0816243219961997199819992000資料來源：注釋3全球轉基因作物銷售收入（億美元）全球轉基因作物銷售收入（億美元） 植物基因工程研究植物基因工程研究植物基因組計劃植物基因組計劃植物分子育種植物分子育種高產(chǎn)、優(yōu)質、高效和多抗性高產(chǎn)、優(yōu)質、高效和多抗性植物作為反應器植物作為反應器香蕉、馬鈴薯、番茄等香蕉、馬鈴薯、番茄等水稻、玉米、棉花、大豆、高粱和番茄水稻、玉米、棉花、大豆、高粱和番茄酒精、石油、工業(yè)酶等酒精、石油、工業(yè)酶等工業(yè)領域工業(yè)領域q環(huán)保工業(yè)環(huán)保工業(yè) 能降解工業(yè)廢品、農(nóng)藥殘留等基因

27、工程菌的構建能降解工業(yè)廢品、農(nóng)藥殘留等基因工程菌的構建q酶制劑工業(yè)酶制劑工業(yè) 耐熱、耐壓、耐鹽、耐溶劑的酶基因轉化構建的耐熱、耐壓、耐鹽、耐溶劑的酶基因轉化構建的工程菌工程菌q食品工業(yè)食品工業(yè) 改善食品品質的轉基因作物改善食品品質的轉基因作物q化學與能源工業(yè)化學與能源工業(yè)生產(chǎn)乙醇、甘油、丙酮等的轉基因生物生產(chǎn)乙醇、甘油、丙酮等的轉基因生物我國基因工程部分研究進展我國基因工程部分研究進展l轉基因抗病蟲植物轉基因抗病蟲植物 我國科學家將抗蟲基因導入棉花，獲得我國科學家將抗蟲基因導入棉花，獲得了抗蟲植株，對棉蛉蟲的抗蟲效果十分顯著。了抗蟲植株，對棉蛉蟲的抗蟲效果十分顯著?？裹S矮病、赤霉病、白粉病轉基因小麥和抗抗黃矮病、赤霉病、白粉病轉基因小麥和抗青枯病馬鈴薯也已研究成功，開始田間加代青枯病馬鈴薯也已研究成功，開始田間加代繁殖。繁殖。l基因工程疫苗基因工程疫苗 乙型肝炎是危害我國人民健康的嚴乙型肝炎是危害我國人民健康的嚴重疾病，我國乙肝病毒攜帶者重疾病，我國乙肝病毒攜帶者1億億 1千萬千萬人，其中人，其中40左右的慢性肝炎可能發(fā)展左右的慢性肝炎可能發(fā)展成為肝硬化和原發(fā)肝癌。以往乙肝疫苗成為肝硬化和原發(fā)肝癌。以往乙肝疫苗是從人血清中提取，基因工程乙肝疫苗是從人血清中提取，基因工