ZX-第一章(基因工程)-緒論

基因工程(GeneEngineering)化生學院化生學院教學方法和形式一、教學方法教師主講和學生參與相結(jié)合。

1.教師主講在規(guī)定的54學時授課時間中，36學時為理論教學。

2.學生主動參與

18學時為實驗教學。

講授內(nèi)容以教材為主；

授課方式以PowerPoint講板與板書相結(jié)合；化生學院教學方法和形式二、教學形式

教師與學生互動、研討的形式。

1.提倡學生提問題：

（1）自己沒聽懂的問題（2）教師講錯的問題（3）自己課余收集來的問題（4）本門課相關(guān)的問題

2.提倡學生課余閱讀參考資料

（1）教師推薦的參考書（2）互聯(lián)網(wǎng)上自己查詢（3）學術(shù)期刊上自己查詢化生學院教學方法和形式

3.學生寫小綜述

以2－3人/組撰寫一篇與基因工程理論或技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容綜述，或介紹一項基因工程技術(shù)及最新研究進展。

4.學生登臺講演

學生將綜述內(nèi)容作成幻燈片形式在課堂上講演及交流。

三、課外教學

多種渠道的師生交流；（個別交談、學習委員、電話、E-mail、網(wǎng)絡(luò)）化生學院考核辦法一、期末考試（60%）

1.形式：閉卷考試

2.內(nèi)容：以課堂講授內(nèi)容為主。

3.出題形式多樣化：選擇題、簡答題、分析題、綜合運用題等

二、平時成績（40%）

1.出勤情況及課堂回答問題、討論

2.平時作業(yè)

3.小綜述（期末考試前交）

4.登臺演講(酌情加分)化生學院課堂紀律1.

不曠課；2.上課不遲到、不早退；3.上課不講話；不玩手機；4.考試不作弊?；鷮W院教材及參考書目教材

1.何水林主編.基因工程.科學出版社，2008.參考書目

1.李立家，肖庚富《基因工程》2004.2.吳乃虎.基因工程原理(上下冊).科學出版社(第二版)，2002.3.王關(guān)林.植物基因工程.科學出版社，2002.4.王金發(fā).分子生物學與基因工程習題集.科學出版社.2000.5.J.薩姆布魯克和D.W.拉塞爾著、黃培堂等譯《分子克隆實驗指南》1999年.6.FAusubel等著、顏子穎等譯.《精編分子生物學實驗指南》1998.化生學院本課程的性質(zhì)和任務(wù)

《基因工程》是生命科學類各專業(yè)中的一門非常重要的專業(yè)課。它是在微生物、遺傳學和分子生物學等課程的基礎(chǔ)上而開設(shè)的。通過這門課程的學習，希望學生掌握基因工程的基本原理和應(yīng)用設(shè)計策略，為今后進一步的研究生學習、科研和工作打下重要的理論基礎(chǔ)?；鷮W院教學目的深入理解分子生物學知識；啟發(fā)科學思維方法；掌握基因工程技術(shù)的基本原理和技術(shù)；課堂理解消化吸收90%以上；掌握一定的專業(yè)英語詞匯。化生學院課程要求本課程要求認真做好每次課前的預(yù)習，為回答課堂提問及討論作好充分準備。認真做好每次課的筆記。認真完成每次布置的作業(yè)和思考題。充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，拓展自己的知識面。充分利用各種溝通渠道，師生共同學習?；鷮W院學習要求掌握基因克隆的基本工具；特別是不同的載體、工具酶。克隆基因的基本方法。利用基因工程生產(chǎn)重組蛋白，基因工程在醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用。能夠設(shè)計一個基因克隆、表達的程序。化生學院授課計劃第一章緒論（3學時）第二章基因工程的酶學基礎(chǔ)（5學時）第三章載體（6學時）第四章基因工程的主要技術(shù)及其原理（14學時）第五章目的基因的獲得（4學時）化生學院授課計劃第六章DNA重組的操作（5學時）第七章外源基因的表達及其優(yōu)化策略（6學時）第八章外源基因表達產(chǎn)物的分離純化（4學時）第九章基因工程的應(yīng)用（4學時）第十章基因工程及其產(chǎn)品安全性管理（3學時）化生學院第一章緒論

生物技術(shù)包括四大工程技術(shù)基因工程技術(shù)、細胞工程技術(shù)、蛋白質(zhì)及酶工程技術(shù)、發(fā)酵工程技術(shù)基因工程技術(shù)是生物技術(shù)的核心和關(guān)鍵，是主導技術(shù)細胞工程技術(shù)是生物技術(shù)的基礎(chǔ)蛋白質(zhì)及酶工程技術(shù)是生物技術(shù)的條件發(fā)酵工程技術(shù)是生物技術(shù)獲得最終產(chǎn)品的手段生物技術(shù)是一個綜合技術(shù)體系，其中基因工程和細胞工程技術(shù)最為突出。化生學院一、基因（gene）1.基因——生命的載體

基因是生物遺傳信息的載體，它是由核苷酸序列(通常為DNA)組成的生物大分子，決定著生物的所有性狀、行為和疾病的發(fā)生。

化生學院

基因工程理論依據(jù)

不同基因具有相同的物質(zhì)基礎(chǔ)基因是可以切割的基因是可以轉(zhuǎn)移的多肽與基因之間存在對應(yīng)關(guān)系遺傳密碼是通用的基因通過復(fù)制把遺傳信息傳給下代化生學院2.基因是福音

發(fā)現(xiàn)了某疾病基因，就可以對患者進行基因水平上的治療，從根本上根除疾病的危害。

3.基因是企業(yè)家的聚寶盆巨大的市場：基因工程藥物潛在的市場：肥胖基因（2000萬美元）化生學院4.基因是鐵的證據(jù)

基因分析在重大犯罪案件、歷史案件的偵破中是最終確定罪犯的有力工具，當事人的頭發(fā)、血、皮屑的基因分析都將作為確鑿證據(jù)。

化生學院基因工程的內(nèi)容與應(yīng)用

基因工程概念

基因工程(geneengineering):就是對不同生物的遺傳物質(zhì)，在體外進行剪切、組合和拼接，使遺傳物質(zhì)重新組合，然后通過載體轉(zhuǎn)入微生物、植物和動物細胞內(nèi)，進行無性繁殖，并使所需要的基因在細胞中表達，產(chǎn)生出人類所需要的產(chǎn)物或組建成新的生物類型。又名遺傳工程（GeneticEngineering)DNA重組技術(shù)(RecombinantDNATechniques)分子克?。∕olecularCloning)化生學院基因工程的內(nèi)容與應(yīng)用基因工程最突出的優(yōu)點

就是打破了常規(guī)育種難以突破的物種之間界限，可使原核生物與真核生物之間、動物與植物之間、甚至人與其他生物之間的遺傳信息進行重組和轉(zhuǎn)移。

縮短了新物種出現(xiàn)的時間?？梢詣?chuàng)造出自然界中原本沒有的生物。

基因工程的基本形式第一代基因工程

蛋白多肽基因的高效表達——經(jīng)典基因工程第二代基因工程

蛋白編碼基因的定向誘變——蛋白質(zhì)工程第三代基因工程

代謝信息途徑的修飾重構(gòu)——途經(jīng)工程第四代基因工程

基因組或染色體的轉(zhuǎn)移——基因組工程

化生學院基因工程研究的主要內(nèi)容基因工程的基本操作程序化生學院

生物材料人工合成cDNA文庫mRNA目的基因基因組文庫DNA克隆載體酶切+重組DNA受體細胞導入克隆子篩選轉(zhuǎn)基因生物化生學院基因工程一般操作步驟1.從生物有機體基因組中，分離帶有目的基因DNA片段。2.將帶有目的基因的外源DNA片段連接到能夠自我復(fù)制的并具有選擇標記的載體分子上，形成重組DNA分子。3.將重組DNA分子轉(zhuǎn)移到適當?shù)氖荏w細胞并與之一起增殖。化生學院基因工程一般操作步驟4.從大量的細胞繁殖群體中，篩選出獲得了重組DNA分子的受體細胞,并篩選出已經(jīng)得到擴增的目的基因。5.將目的基因克隆到表達載體上，導入寄主細胞，使之在新的遺傳背景下實現(xiàn)功能表達，研究核酸序列與蛋白質(zhì)功能之間的關(guān)系?；虿僮鞯幕静襟E提取目的基因目的基因與運載體結(jié)合目的基因?qū)胧荏w細胞目的基因表達分離出質(zhì)粒并用限制酶進行切割基因工程四大要素：

供體基因

載體

工具酶

受體細胞

（細菌、植物和動物）化生學院化生學院基因工程的發(fā)展歷程和理論基礎(chǔ)一、基因工程誕生的理論基礎(chǔ)（一）理論上的三大發(fā)現(xiàn)

1.DNA是生物的遺傳物質(zhì)（基因工程的先導）

1944年，美國微生物學家O.T.Avery首次證實遺傳物質(zhì)的基礎(chǔ)是DNA，基因位于DNA上。肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗化生學院基因工程的發(fā)展歷程和理論基礎(chǔ)35S－標記蛋白質(zhì)32P－標記DNA

1952年AlfredHershy和MarshaChase分別用放射性同位素標記噬菌體噬菌體轉(zhuǎn)染實驗

進一步證明遺傳物質(zhì)是DNA化生學院基因工程的發(fā)展歷程和理論基礎(chǔ)35S標記外殼蛋白質(zhì),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化生學院基因工程的發(fā)展歷程和理論基礎(chǔ)2.揭示了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)和半保留復(fù)制機制

1953年JamesD.Watson和FrancisH.C.Crick揭示了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)和半保留復(fù)制機制。化生學院基因工程的發(fā)展歷程和理論基礎(chǔ)FrancisCrick&JamesWatson

化生學院基因工程的發(fā)展歷程和理論基礎(chǔ)1966年Nireberg等破譯了全部64個遺傳密碼3.遺傳密碼的破譯和遺傳信息傳遞方式的確定化生學院基因工程的發(fā)展歷程和理論基礎(chǔ)DNAmRNAProteintranscriptiontranslation

1957年Crick又提出了遺傳信息傳遞的“中心法則”(centraldogma)，揭示了遺傳信息的流向和表達問題?；鷮W院基因工程的發(fā)展歷程和理論基礎(chǔ)一、基因工程誕生的理論基礎(chǔ)

（二）技術(shù)上的三大發(fā)明1.限制性核酸內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn)與DNA切割

1970年H.O.Smith等分離出第一種限制性核酸內(nèi)切酶。WernerArber理論預(yù)見限制酶DanielNathans用限制酶切得SV40DNA片斷HamiltonO.Smith得到第一個限制酶1978年Nobel生理或醫(yī)學獎化生學院基因工程的發(fā)展歷程和理論基礎(chǔ)2.DNA連接酶的發(fā)現(xiàn)與DNA片段的連接

1967年世界上5個實驗室?guī)缀跬瑫r發(fā)現(xiàn)DNA連接酶；

1970年Khorana實驗室發(fā)現(xiàn)T4DNA連接酶。

3.基因工程載體的研究與應(yīng)用

1972年前后使用小分子量的細菌質(zhì)粒和

噬菌體作載體。在細菌細胞里的大量擴增。理論上的三大發(fā)現(xiàn)：證明了生物的遺傳物質(zhì)是DNA（基因工程的先導）DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)和半保留復(fù)制機理遺傳信息的傳遞方式（中心法則）技術(shù)上的三大發(fā)現(xiàn)：限制性內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn)（標志著DNA重組時代的開始）DNA連接酶的發(fā)現(xiàn)載體的使用化生學院化生學院基因工程的發(fā)展歷程和理論基礎(chǔ)二、基因工程的誕生

(一）Berg的開創(chuàng)性實驗

1972年美國斯坦福大學Berg博士領(lǐng)導的研究組用EcoRI在體外對猿猴病毒SV40的DNA和λ噬菌體DNA分別酶切，然后用T4DNA連接酶將兩種酶切片段連接，結(jié)果獲得了SV40和λ噬菌體DNA的重組DNA分子，成功完成了世界上第一次DNA體外重組實驗，并因此與Gilbert、Sanger分享1980年度諾貝爾化學獎?；鷮W院基因工程的發(fā)展歷程和理論基礎(chǔ)EcoRIrecognitionsites

λphageDNAEcoRIcutsDNAintofragments

StickyendSV40DNAThetwofragmentssticktogetherbybasepairing

DNAligaseRecombinantDNA1972年第一個DNA重組分子產(chǎn)生化生學院基因工程的發(fā)展歷程和理論基礎(chǔ)

(二）Boyer-Cohen實驗

1973年，Cohen等人將編碼Kan抗性基因質(zhì)粒R6-5和編碼Tet抗性基因質(zhì)粒pSC101混合后，加入EcoRI進行酶切，用T4DNA連接酶連接成重組DNA分子，最后轉(zhuǎn)化大腸桿菌，結(jié)果某些轉(zhuǎn)化菌落表現(xiàn)出既抗Kan又抗Tet的雙重抗性特性。從這種雙抗性轉(zhuǎn)化菌落的大腸桿菌中分離出的重組質(zhì)粒DNA帶有完整pSC101分子和一個來自R6-5質(zhì)粒編碼Kan抗性基因DNA片段。后來又把非洲爪蟾核糖體基因片斷同pSC101質(zhì)粒重組，轉(zhuǎn)化大腸桿菌，并在菌體內(nèi)成功轉(zhuǎn)錄出相應(yīng)的mRNA。這是第一次成功的基因克隆實驗?；鷮W院基因工程的發(fā)展歷程和理論基礎(chǔ)Boyer-Cohen實驗

StanleyCohen1986Nobel生理或醫(yī)學獎HerbBoyerR6-5TetKan化生學院基因工程的誕生與發(fā)展三、基因工程的發(fā)展

(一）艱難階段

主要關(guān)注安全性問題

(二）逐漸成熟階段

1977年第一次實現(xiàn)基因在原核生物中的表達

(三）迅速發(fā)展階段

20世紀80年代以后，高等動植物的遺傳轉(zhuǎn)化?；鷮W院基因工程的誕生與發(fā)展發(fā)展過程中的重大事件：1977年，E.coli中合成了人生長激素基因。1978-1979年，胰島素基因在大腸桿菌中表達。1982年，培育出了超級鼠。1985年，Horsch發(fā)明了植物基因工程的基本方法：

葉圓盤法，并獲得轉(zhuǎn)基因植株。1990年，患有遺傳免疫疾病的4歲女孩接受了基因療法。1990年，Perlak將B.T.基因?qū)朊藁ǐ@得抗蟲棉。1991年，美國開始人類基因組計劃。1997年，“多利”綿羊誕生?；鷮W院基因工程研究的主要內(nèi)容一、基因工程研究的主要內(nèi)容

（一）基礎(chǔ)研究構(gòu)建克隆載體及相應(yīng)的表達系統(tǒng)、基因不同物種的基因組文庫和cDNA文庫、開發(fā)新的工具酶、基因工程新技術(shù)、新的操作方法?；鷮W院基因工程研究的主要內(nèi)容（二）克隆載體研究基因工程的發(fā)展是與克隆載體構(gòu)建密切相關(guān)的；

Ti質(zhì)粒的發(fā)現(xiàn)使植物基因工程研究迅速發(fā)展起來；動物病毒克隆載體的構(gòu)建，使動物基因工程研究也有一定的進展?？梢哉J為構(gòu)建克隆載體是基因工程技術(shù)路線中的核心環(huán)節(jié)。構(gòu)建適合于高等動植物轉(zhuǎn)基因的表達載體和定位整合載體是今后研究的重要內(nèi)容?；鷮W院基因工程研究的主要內(nèi)容（三）受體系統(tǒng)的研究

基因工程的受體細胞與載體是一個系統(tǒng)的兩個方面。受體是克隆載體的宿主，是外源目的基因復(fù)制和表達的場所。受體：單細胞、組織、器官和個體均可以作為受體。原核生物受體：E.coli真核生物受體:酵母是單細胞真核生物受體植物受體：愈傷組織、細胞和原生質(zhì)，部分組織和器官；動物受體：生殖細胞和早期胚胎細胞作為基因工程受體；人的體細胞也可以作為基因工程受體?；鷮W院基因工程研究的主要內(nèi)容（四）目的基因研究

基因工程研究的基本任務(wù)：開發(fā)人民需要的基因產(chǎn)物，這樣的基因叫做目的基因。

獲得目的基因的方法：主要通過構(gòu)建基因組文庫或cDNA文庫，從中篩選出特殊需要的基因?；颍横t(yī)藥相關(guān)的基因；抗病、蟲害和惡劣環(huán)境的基因；特殊營養(yǎng)價值的蛋白或多肽的基因。

化生學院基因工程研究的主要內(nèi)容（五）生物基因組學研究

嗜血流感桿菌：1830137bp，1743個基因產(chǎn)甲烷球菌：1664976bp，1682個基因大腸桿菌K-12：4639221bp，4288個基因枯草桿菌：4.21×106bp,4100個基因

1980年提出HumanGenomeProject(HGP)；

1990年開始，美國、英國、日本、德國、法國等國實施“人類基因組計劃”；我國1999年9月獲準參加這一計劃，承擔1%的測序任務(wù)。

化生學院基因工程研究的主要內(nèi)容（六）應(yīng)用研究供體細胞

目的基因

載體

重組DNA分子

轉(zhuǎn)化細胞

受體細胞

多肽藥物

疫苗、抗體

基因治療

基因診斷

轉(zhuǎn)基因動物

(畜牧業(yè)、漁