基因與基因工程以及轉基因產品的安全性評價

生命最重要的本質之一是性狀特征自上代傳至下代——遺傳

今天，從遺傳學研究衍生出來的基因工程技術，已構成生物技術的核心，在實際應用中顯示出極大的潛力。第四講從基因到基因工程

一、

孟德爾學說奠定了遺傳學基礎二、

基因是一段DNA序列

三、

基因工程的操作和應用一、孟德爾學說奠定了遺傳學基礎

在孟德爾以前，人們看到遺傳現象，猜想遺傳是有規(guī)律的，甚至在農牧業(yè)育種中實際運用了遺傳規(guī)律，但是，一直找不到研究遺傳規(guī)律的恰當方法。

孟德爾（1822－1884）從1856年起開始豌豆試驗。

孟德爾的基本方法是雜交。他挑選了七對性狀。

經過近10年的潛心研究，孟德爾發(fā)表了他的研究報告。其內容可概括兩個定律。

孟德爾

(1822-1884)返回G.Mendel，奧地利修道士，1822年—1884年，現代遺傳學的奠基人。1857年開始豌豆遺傳實驗，8年后公布研究成果，1866年發(fā)表了“植物雜交實驗”的劃時代論文。否定了當時流行的所謂融合遺傳，確定了遺傳物質的存在和遺傳學的兩個基本規(guī)律：分離定律和自由組合定律。1900年，研究才引起遺傳學家、育種家的高度重視。返回豌豆雜交操作孟德爾研究的七對性狀1、孟德爾第一定律－－分離律

他用一對性狀雜交，子一代全為顯性性狀，子一代之間自交，子二代為：

顯性性狀：隱性性狀＝3：1

返回孟德爾分離律真實遺傳：基因是純合的生物，可以繁衍和自身一樣的子代。雜合體不能真實遺傳白化病：為單基因病，其致病基因是隱性的，基因為AA、Aa的正常，aa則為病人，但Aa的后代會出現病人。禁止近親結婚；雜交稻，不可做種子分離定律的實踐意義2、孟德爾第二定律－－自由組合律

他用兩對性狀雜交，子一代全為顯性性狀，子一代之間雜交，子二代出現四種性狀，其數量比例為9：3：3：1

返回孟德爾自由組合律黃圓綠圓黃皺綠皺3、孟德爾學說的要點

依據上面的試驗結果，孟德爾認為，每株豌豆植株中的每一對性狀，都是由一對遺傳因子所控制的，遺傳因子有顯性因子和隱性因子之分。

當一株植株中控制某一對性狀的一對遺傳因子均為隱性因子時，該植株才表現出隱性性狀（如白花或綠色豆粒）。其他情況下，包括一對遺傳因子均為顯性，或一個顯性一個隱性，均表現出顯性性狀（如紫花或黃色豆粒）。這一點在分離律實驗中看的很清楚。

當兩對性狀一起加以研究時,顯性和隱性的基本規(guī)律仍與上面相同,但要加上一條,

控制不同性狀的遺傳因子,在傳代中各自獨立,互不干擾,出現自由組合現象。

返回孟德爾自由組合律黃圓綠圓黃皺綠皺4、孟德爾學說的重要意義

（1）孟德爾第一次明確提出遺傳因子的概念,并且提出了遺傳因子控制遺傳性狀的若干規(guī)律：

?

大多數生物體通常由

一對遺傳因

子（后來稱為兩個等位基因）控

制同一性狀。這樣的生物體稱為

2n個體。

?

遺傳因子可以區(qū)分為顯性和隱性。

?

控制不同性狀的遺傳因子是各自

獨立的。

（2）孟德爾提出了雜交、自交、回交等一套科學有效的遺傳研究方法，來研究遺傳因子的規(guī)律。孟德爾創(chuàng)立的這套方法一直沿用到1950s，才被分子遺傳學方法取代。

為何選擇豌豆？豌豆是一種自花授粉的植物，人工去雄比較方便，容易栽種、分離和雜交，還具有一系列穩(wěn)定可遺傳的性狀，非常巧合每一染色體上只有決定同一性狀的基因，豌豆的7對性狀正好分別位于僅有的7條染色體上。但孟德爾自由組合定律無法解釋不同性狀位于同一染色體上相距不遠的情況，同源染色體上的不同對基因所控制的不同性狀并不是自由組合的——連鎖和交換定律思考題

已知：控制鸚鵡羽毛顏色的有四個等位基因（即兩對基因）：B、b、C、c。

B－使羽毛顏色呈黃色

C－使羽毛顏色呈藍色

b和c是隱性基因，不產生色素。

下圖返回

問：

（1）寫出圖中四個鸚鵡的基因型。

（2）基因型為BbCc的鸚鵡應為什么顏色？

（3）兩只基因型為BbCc的鸚鵡所產生的后代是什么情況？5、連鎖和交換定律摩爾根以果蠅為研究材料，研究連鎖、交換和伴性遺傳等，把遺傳學和細胞學結合起來，確立并發(fā)展了染色體的遺傳學說。把遺傳因子命名為基因（gene），因此染色體遺傳學說也稱基因學說。

連鎖（linkage）連鎖群（linkagegroups）交換（crossingover）FruitFly,Drosophilamelanogaster,(SEMX60).染色體4對，形態(tài)各不相同，容易區(qū)別?；蚪M長1.8×108bp，有12000個基因。推測人類80%的人類基因與之有同源性。已發(fā)現100余個人類疾病基因在果蠅中發(fā)現。果蠅用做遺傳研究有其優(yōu)勢灰身殘翅黑身長翅親代F1配子F1側交F2BvBvbVbV×BvbV×bvbvBvbVbvBvbVbvbv灰身長翅黑身殘翅灰身殘翅黑身長翅同自由組合定律不符原因：形成配子時，各位于同一染色體上的基因B和v及b和V沒有分開，有連鎖存在連鎖（linkage）:同一染色體上的遺傳因子連在一起一同遺傳的現象。連鎖群（linkagegroup）：許多基因按照一定的順序排列在同一條染色體上，相互連鎖，構成一個連鎖群連鎖是生物遺傳中的普遍現象，一個生物具有的連鎖群數目往往就是生物細胞內染色體的對數灰身殘翅黑身長翅親代F1配子F1側交F2BvBvbVbV×BvbV×bvbvBvbVbv灰身長翅黑身殘翅灰身殘翅黑身長翅bvBVBvbVbvBVbvbvbvbv黑身殘翅灰身長翅41.5%41.5%8.5%8.5%交換（crossingover）:兩個同源染色體上對應節(jié)段上相互交換，引起遺傳因子基因間的交換重組。CScsCScsCSCscScs親組合：（41.5%+41.5%）占83%重組合：（8.5%+8.5%）占17%二、基因是一段DNA序列

“遺傳因子/基因”的設想一經提出，便推動人們去尋找，去探索

基因在哪里？基因是什么？

1、基因在染色體上

顯微鏡技術與染色技術的發(fā)展，使人們注意到，細胞分裂時，尤其是減數分裂中，染色體的行為和孟德爾提出的等位基因的分離規(guī)律相當一致，所以，確定基因在細胞核中，在染色體上。返回同源染色體分別帶著控制同一性狀的兩個等位基因顯性等位基因純合子隱性等位基因純合子雜合子

摩根實驗室用果蠅為材料的工作，確定了基因在染色體上的分布規(guī)律。圖下圖野生果蠅沒有現成的成對性狀摩兒根在長期飼養(yǎng)中找到各個性狀的突變株?？刂撇煌誀畹牡任换蛟?#染色體上的位置觸須長/短身體灰/黑眼睛紅/紫翅長/短下圖減數分裂時發(fā)生：染色體交叉/基因重組。返回g－身體c－

眼睛l－翅灰/黑紅/紫長/短基因重組服從這樣的規(guī)則：兩個基因在染色體離得越遠，重組頻率越高；兩個基因在染色體上離得越近，重組頻率越低。重組頻率

隨著生物化學的發(fā)展，蛋白質、核酸等生物大分子逐漸分離、純化出來。各方面的實驗證據表明，基因的化學本質不是蛋白質，而是DNA。格里菲斯的實驗證明遺傳物質可以轉化進入細菌，改變細菌特性。愛弗萊的實驗證實，進入細菌改變特性的遺傳物質是DNA，而不是蛋白質。

2、遺傳物質是DNA

圖下圖1944年，O.T.Avery的細菌轉化實驗☆結論：抽提液中含有一種轉化因子下圖

*轉化因子的證實1944Avery（美微生物學家）從S抽提液純化轉化因子

因此：Avery是首先用實驗證明基因的化學本質就是DNA的科學家分別用放射性同位素標記噬菌體35S－標記蛋白質32P－標記DNA返回35S標記外殼蛋白質,感染后放射標記不進入大腸桿菌細胞32P標記DNA,感染后放射標記進入大腸桿菌細胞

3、華生和克里克提出

DNA雙螺旋模型。

DNA雙螺旋模型說明DNA分子能

夠充當遺傳的物質基礎。

按照雙螺旋模型，在細胞分裂時，DNA的合成應是“半保留復制”的模式。Watson&Crick是生命科學研究歷程中的一個具有劃時代意義的突破。它開辟了生命科學研究的新紀元。ItwasdrawnbyCrick’wife，whichwaspublishedasthesolefigureinthispaper.(美國)(英國)雙螺旋模型的提出Watson&CricktheirmodelofDNAdoublehelix雙螺旋模型的提出精美的金屬雙螺旋模型，高1.83米theirmodelofDNAdoublehelix雙螺旋模型的提出MonaLisaNomoleculeinthehistoryofsciencehasreachedtheiconicstatusofthedoublehelixofDNA.雙螺旋模型的提出分子生物學的新時代就此開始了！雙螺旋模型的提出2003年4月24日，Nature

雜志發(fā)表了紀念文章《Doublehelixat50》雙螺旋模型的提出DNA雙螺旋模型返回美國政府決定于1990年正式啟動HGP，預計用15年時間，投入30億美元，完成HGP。2000.6.26

完成并公布人類基因組工作草圖。2001年2月16日

人類基因組計劃（HGP）完成

下圖半保留復制返回證實半保留復制的實驗細菌培養(yǎng)在含15N的培養(yǎng)基中細菌培養(yǎng)在含14N的培養(yǎng)基中一代兩代

4、DNA作為遺傳物質的功能

（1）貯藏遺傳信息的功能

（2）傳遞遺傳信息的功能

（3）表達遺傳信息的功能

由此，克里克提出中心法則,確定遺傳信息由DNA通過RNA流向蛋白質的普遍規(guī)律。DNADNARNA蛋白質中心法則遺傳信息儲存在核酸中遺傳信息由核酸流向蛋白質返回

5、基因理論中的許多復雜情況

以孟德爾學說為開端的遺傳理論，發(fā)展到以DNA分子結構為基礎的分子遺傳學，使我們對遺傳規(guī)律有了確切的理解。

應該看到，實際上生命世界的遺傳現象遠比上面談到的要復雜得多。

一個基因一個性狀？不一定。例如膚色的控制至少有三個基因參與。

基因決定性狀，環(huán)境還起不起作用？在基因型確定的基礎上,環(huán)境常常會影響表型。

遺傳和變異是遺傳學的重要內容。子代總是與親代

相像，又有一些不像。返回人的膚色至少由三個基因控制返回產生黑色素的酶在較高溫度下失活，所以毛色在端點位置呈黑色環(huán)境影響表型基因工程技術和應用

1、基因工程技術

基因工程是生物技術的核心部分?；蚬こ痰牟僮骺梢院喪鋈缦拢夯蚬こ痰牟僮髁鞒谭祷?/p>

將外源基因（又稱目的基因，是一段DNA片斷）組合到載體DNA

分子中去，再把它轉到受體細胞（亦稱寄主細胞）中去，使外源基因在寄主細胞中增值和表達，從而得到期望的由這個外源基因所編碼的蛋白質。

所以，基因工程的操作包含以下步驟：

獲得目的基因

構造重組DNA分子

轉化或轉染

表達

蛋白質產物的分離純化

目的基因基因載體重組體分切接轉篩總體技術路線內切酶:DNA分子的”手術刀”連接酶:DNA片斷的”縫衣針”載體:DNA分子的”交通工具”

到哪里去找目的基因？一般來說，人的基因，要從人體的組織細胞中去找；小鼠的基因要從小鼠的組織細胞中去找。

從組織細胞中可以分離得到人/小鼠的全套基因，稱為基因文庫。文庫中基因總數就人來說約有3萬個基因。如何從中把需要的基因找出來？

采取“釣”的辦法。這個辦法通常稱為印跡法。

（1）獲得目的基因

細胞內總DNA的提取與分離基因文庫的構建紫外分光光度計測定DNA的純度反轉錄人工互補DNA返回印跡法內切酶切開DNA電泳印跡轉移放射性探針雜交膠片顯影印跡法的主要步驟：

（1）基因文庫－DNA用限制性內切

酶處理。

（2）DNA片斷混合物通過電泳分離。

（3）電泳后，通過印跡技術轉到酯酰

纖維薄膜上，以便操作。

（4）用已知小片斷DNA作為探針，

互補結合需要找的基因片斷。

（5）探針DNA片斷已用放射性元素

標記，使膠片感光后可看出。

印跡法的關鍵是“分子雜交”，利用堿基配對的原則，用一段小的已知的DNA片斷去尋找（“釣”）大的未知的基因片斷。

探針DNA片斷從何而來？

根據目的蛋白的氨基酸序列，只要其中N－端15－20個氨基酸序列，按三聯(lián)密碼轉為40-60核苷酸序列，人工合成，即為探針DNA片斷。

（2）目的基因的擴增

用上面的方法“釣”出的目的基因，數量極少，所以，接下來必須經過擴增，亦稱為基因克隆。獲得相當數量的目的基因后，才能繼續(xù)下一步操作。

克隆——生物分子，細胞，生物個體

的無性增殖過程都稱為克隆。返回

（3）PCR——把尋找目的基因和擴增目的基因兩步操作并成一步。

PCR法，又稱多聚酶鏈式反應，是近年來開發(fā)出來的基因工程新技術，它的最大優(yōu)點是把目的基因的尋找和擴增，放在一個步驟里完成