1、Principles of Genetic Engineering 基 因 工 程 原 理,教學(xué)目的與要求,基因工程學(xué)自20世紀(jì)70年代初期誕生以來(lái)，在短短的30多年間已經(jīng)取得了許多令世人矚目的成就，成為當(dāng)代生命科學(xué)研究領(lǐng)域中最具生命力、最引人關(guān)注的前沿學(xué)科之一，是現(xiàn)代分子生物學(xué)與生物技術(shù)的核心內(nèi)容。,本課程為分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、生物化學(xué)等有關(guān)專業(yè)研究生的學(xué)科基礎(chǔ)課，同時(shí)也是植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)以及微生物學(xué)等專業(yè)研究生的重點(diǎn)選修課。我們期望不同專業(yè)的研究生在修完本課程之后，能夠較為系統(tǒng)、全面地掌握基因工程的基礎(chǔ)知識(shí)和最新進(jìn)展，并能跟上該專業(yè)學(xué)科的發(fā)展進(jìn)程。,教材與參考書(shū),

2、吳乃虎，基因工程原理(第二版，上冊(cè))，科學(xué)出版社，1998 吳乃虎，基因工程原理(第二版，下冊(cè))，科學(xué)出版社，2001 分子克隆實(shí)驗(yàn)指南(第三版),本課程的地位：,現(xiàn)代科技革命,高新技術(shù),生物技術(shù),基因工程,基因克隆,基因工程原理綱要,第一講 基因工程概論 第二講 基因工程的主要技術(shù) 第三講 基因工程的酶學(xué)基礎(chǔ) 第四講 基因克隆的載體與受體 第五講 目的基因的分離與克隆 第六講 克隆基因的檢測(cè)與鑒定,第一講 基因工程概論,1、現(xiàn)代生物技術(shù)重塑自然生命 2、基因研究的發(fā)展 3、基因工程的誕生與發(fā)展 4、基因工程的應(yīng)用 5、基因工程的安全性,生物技術(shù)發(fā)展歷程,第一代生物工程技術(shù)(19世紀(jì)20世紀(jì)3

3、0年代) 很早人們就掌握了釀酒、制造醬油、奶酪、醋、面包等發(fā)酵技術(shù)，其實(shí)這些都是生物工程產(chǎn)品。 直至十九世紀(jì)，微生物的發(fā)現(xiàn)證明了從糧食到酒精是由活的酵母菌引起，其他發(fā)酵產(chǎn)物也是由不同的微生物作用而形成，隨后科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了發(fā)酵過(guò)程中的高效催化劑酶，從此揭開(kāi)了發(fā)酵的奧秘，大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)得以開(kāi)始。,第二代生物工程技術(shù)(20世紀(jì)40年代60年代) 以獲取微生物的代謝產(chǎn)物抗生素為目的的抗生素工業(yè)為這一時(shí)期生物工程產(chǎn)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)。 1928年英國(guó)的Fleming爵士在對(duì)細(xì)菌的研究中發(fā)現(xiàn)一種青色霉菌能殺死長(zhǎng)在培養(yǎng)皿中的金黃色葡萄球菌，隨后他又發(fā)現(xiàn)這種青霉菌的培養(yǎng)湯也能殺死葡萄球菌，于是他推斷是青霉菌的代謝產(chǎn)

4、物中含有殺菌物質(zhì)，他稱之為青霉素。1943年英美科學(xué)家聯(lián)合開(kāi)發(fā)出大規(guī)模從青霉中提取青霉素的工藝，從此開(kāi)始了大規(guī)?？股氐纳a(chǎn)，拯救了無(wú)數(shù)人的生命。,第三代生物工程技術(shù)(20世紀(jì)70年代起) 1953年遺傳物質(zhì)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的提出和1972年DNA重組技術(shù)的誕生，開(kāi)辟了分子生物學(xué)和現(xiàn)代生物技術(shù)的新紀(jì)元。 基因的發(fā)現(xiàn)使科學(xué)家們不再滿足于利用現(xiàn)有的生物來(lái)為人類服務(wù)，而基因重組技術(shù)的問(wèn)世使通過(guò)改造生物基因創(chuàng)造有新的遺傳特性的生物成為可能，從而使以往的生物工程實(shí)現(xiàn)了向代表二十一世紀(jì)發(fā)展方向的現(xiàn)代生物工程的飛躍。,現(xiàn)代生物技術(shù)的含義,生物工程也叫生物技術(shù)，就是以現(xiàn)代生命科學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合先進(jìn)的工程技

5、術(shù)手段和其他自然科學(xué)原理，按照預(yù)先的設(shè)計(jì)改造生物體，或利用微生物、動(dòng)物體、植物體或其組成部分（包括器官、組織、細(xì)胞等）作為反應(yīng)器對(duì)原料進(jìn)行加工，為人類生產(chǎn)出所需要的產(chǎn)品或達(dá)到某種目的的技術(shù)。,對(duì)生物體進(jìn)行改造，培育出具有優(yōu)良品質(zhì)的動(dòng)物、植物、微生物新品系。 利用微生物、動(dòng)物、植物為反應(yīng)器對(duì)原料進(jìn)行加工，生產(chǎn)出人類所需要的產(chǎn)品。 進(jìn)行疾病的防治、診斷和治療。 環(huán)境污染的檢測(cè)。,現(xiàn)代與傳統(tǒng)生物技術(shù)的區(qū)別,現(xiàn)代生物技術(shù)通過(guò)操作基因來(lái)改變自然生命物質(zhì)的原有結(jié)構(gòu)和成分。顯然，現(xiàn)代生物技術(shù)與傳統(tǒng)生物技術(shù)已經(jīng)有了區(qū)別，即它不再是在原有物種水平上和沿襲自然的途徑，而是超越物種的界限，實(shí)現(xiàn)的是創(chuàng)造嶄新的品種和有

6、目的的改造和控制自然界已有的生化過(guò)程。,現(xiàn)代生物技術(shù)研究的主要內(nèi)容,主要由以下5個(gè)分支組成： 基因工程(核心所在) 蛋白質(zhì)工程(第二代基因工程) 酶工程 發(fā)酵工程 細(xì)胞工程,蛋白質(zhì)工程,也稱“第二代基因工程”：以蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系為基礎(chǔ)，通過(guò)有控制的基因修飾和基因合成，對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)加以定向改造，設(shè)計(jì)、構(gòu)建并最終生產(chǎn)出性能比自然界存在的蛋白質(zhì)更加優(yōu)良、更加符合人類社會(huì)需要的新型蛋白質(zhì)。,酶工程,酶工程即利用酶的催化作用，在特定的生物反應(yīng)器中，將相應(yīng)的原料轉(zhuǎn)化成所需的產(chǎn)品。酶工程是現(xiàn)代酶學(xué)理論與化工技術(shù)的交叉技術(shù)，它的應(yīng)用主要集中于食品工業(yè)、輕工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè)等領(lǐng)域。,發(fā)酵工程,發(fā)

7、酵工程也叫微生物工程，是指利用微生物的特定性狀，在生物反應(yīng)器中生產(chǎn)有用物質(zhì)的技術(shù)。 當(dāng)前的醫(yī)用抗生素、農(nóng)用抗生素等已有數(shù)百種，絕大部分是發(fā)酵的產(chǎn)品。除抗生素外，發(fā)酵工程產(chǎn)品還包括氨基酸、工業(yè)用酶等。人們?nèi)粘Ｉ钪袕V泛使用的味精、維生素等都是發(fā)酵工程的產(chǎn)品。,細(xì)胞工程,細(xì)胞工程是利用細(xì)胞的全能性，在體外條件下，采用組織與細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)對(duì)動(dòng)、植物進(jìn)行修飾，從而改良和創(chuàng)造新品種，生產(chǎn)人類所需要的新的生物類型。 細(xì)胞工程主要包括動(dòng)植物細(xì)胞的組織培養(yǎng)技術(shù)、細(xì)胞融合技術(shù)、細(xì)胞核移植、細(xì)胞器攝取和染色體片段重組技術(shù)等。,細(xì)胞工程,細(xì)胞融合技術(shù)是指兩個(gè)不同種類的細(xì)胞，加上融合劑，在一定條件下，彼此融合成雜交細(xì)胞

8、，使來(lái)自兩個(gè)親本細(xì)胞的基因有可能都被表達(dá)，從而打破了遠(yuǎn)緣生物不能雜交的屏障，提供了創(chuàng)造新物種的可能。 細(xì)胞器攝取主要是指葉綠體和線粒體的攝取。如用白化型原生質(zhì)體攝取正常的葉綠體，進(jìn)而發(fā)育成正常的綠色植物；用抗藥型草履蟲(chóng)的線粒體植入其他草履蟲(chóng)細(xì)胞，使后者獲得抗藥性。,染色體片段重組是利用染色體替換來(lái)改變生物遺傳特性，如利用染色體的易位、缺體等方法，獲得新的染色體組合。 細(xì)胞核移植對(duì)動(dòng)物優(yōu)良雜交種的無(wú)性繁殖具有重要的意義。它的典型應(yīng)用就是用于動(dòng)物無(wú)性繁殖的“克隆”。,克隆技術(shù),克隆也就是細(xì)胞核移植，即將一個(gè)細(xì)胞中的核經(jīng)顯微手術(shù)和細(xì)胞融合的方法移植到去核的另一個(gè)細(xì)胞中，重組胚胎發(fā)育至產(chǎn)仔的過(guò)程。 廣

9、義的說(shuō)法就是動(dòng)物不經(jīng)過(guò)受精作用而獲得新個(gè)體的方法，即無(wú)性繁殖。無(wú)性繁殖的英文名稱叫“Clone”，譯音為“克隆”。在技術(shù)上，科學(xué)家的“克隆”試驗(yàn)經(jīng)歷了從兩棲動(dòng)物的核移植到高等動(dòng)物的核移植；從胚胎細(xì)胞核移植到體細(xì)胞的核移植的過(guò)程。,第一講 基因工程概論,1、現(xiàn)代生物技術(shù)重塑自然生命 2、基因研究的發(fā)展 3、基因工程的誕生與發(fā)展 4、基因工程的應(yīng)用 5、基因工程的安全性,2、基因研究的發(fā)展,基因工程或稱基因操作，是在分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)等學(xué)科綜合發(fā)展的基礎(chǔ)上，于上世紀(jì)70年代誕生的一門嶄新的生物技術(shù)科學(xué)。其創(chuàng)立與發(fā)展，直接依賴于基因分子生物學(xué)的進(jìn)步。,2、基因研究的發(fā)展,根據(jù)不同歷史時(shí)期的水平和

10、特點(diǎn)，可分3階段： 20世紀(jì)50年代前：基因的染色體遺傳學(xué)階段，主要從細(xì)胞染色體水平上進(jìn)行研究； 20世紀(jì)50年代70年代：基因的分子生物學(xué)階段，主要從DNA大分子水平上進(jìn)行研究； 20世紀(jì)80年代以來(lái)：重組DNA技術(shù)不斷完善，人們能夠直接從克隆目的基因出發(fā)，研究基因的功能及其與表型間的關(guān)系，使基因研究進(jìn)入了反向生物學(xué)階段。,2、基因研究的發(fā)展,（1）基因?qū)W說(shuō)的創(chuàng)立 （2）基因與DNA分子 （3）基因與多肽鏈,（1）基因?qū)W說(shuō)的創(chuàng)立,基因的最基本性質(zhì)是在一個(gè)多世紀(jì)前由孟德?tīng)?G. Mendel)定義的。由他提出的兩大定律分離律與獨(dú)立分配律可總結(jié)出：A、基因是一種由親代傳到子代的特殊因子遺傳因子(

11、hereditary factor)；B、基因可能存在變異的形式。(1857-1864，豌豆雜交),G. J. Mendel,（1）基因?qū)W說(shuō)的創(chuàng)立,35年的湮沒(méi)。1900年荷蘭H. De Vries(德弗里斯)、德國(guó)C. Correns(科倫斯)和奧地利E. Tschermak(丘歇馬克)等植物學(xué)家重新發(fā)現(xiàn)?！翱茖W(xué)論文文獻(xiàn)核查”的做法，為科學(xué)界所接受，一直沿用至今。,Hugo de vires 1848-1935 荷蘭 阿姆斯特丹大學(xué) Carl Correns 1864-1933 德國(guó) 土賓根大學(xué) Erich von Tschermark 1871-1962 奧地利 維也納農(nóng)業(yè)大學(xué),（1）基因

12、學(xué)說(shuō)的創(chuàng)立,1909年，丹麥生物學(xué)家W. Johannsen根據(jù)希臘文“給予生命”之義，創(chuàng)造了基因(gene)一詞，替代了孟德?tīng)柕摹斑z傳因子”。 1910年，摩爾根(T. H. Morgan)學(xué)派對(duì)基因?qū)W說(shuō)的建立作出了卓越的貢獻(xiàn)。他們通過(guò)果蠅突變體的研究第一次將代表某一特定性狀的基因同某一特定的染色體聯(lián)系了起來(lái)，證明了基因存在于染色體上。,Morgan, Thomas Hunt (1866-1945),2、基因研究的發(fā)展,（1）基因?qū)W說(shuō)的創(chuàng)立 （2）基因與DNA分子 （3）基因與多肽鏈,（2）基因與DNA分子,哪些人用什么方法最終證明了 遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)？,1.格里菲斯經(jīng)典轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)（1928）及

13、埃弗里、麥克勞德、麥卡蒂等人的轉(zhuǎn)化補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)（1941）。 2.赫西和蔡斯大腸桿菌T2噬菌體感染大腸桿菌實(shí)驗(yàn)。 3.H.Fraenkel-Conrat植物病毒的重建實(shí)驗(yàn),1、1928年，F(xiàn). Griffth作了3組實(shí)驗(yàn):,1944年，Avery精確重復(fù)了轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，確定了轉(zhuǎn)化因子,實(shí)驗(yàn)證明，將R菌轉(zhuǎn)化為S菌的轉(zhuǎn)化因子是DNA,1952 年，Hershey和Chase用放射性標(biāo)記T2噬菌體感染細(xì)菌 (32P 標(biāo)記DNA，35S標(biāo)記蛋白質(zhì)) 的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說(shuō)明了不管是在細(xì)胞基因組中還是病毒中，遺傳物質(zhì)就是DNA這一結(jié)論。,2、噬菌體感染實(shí)驗(yàn),T2 噬菌體的遺傳物質(zhì)被證明是DNA,3、 植物病毒重建實(shí)驗(yàn),

14、實(shí)驗(yàn)證明，遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是RNA。,（2）基因與DNA分子,證明了DNA是遺傳物質(zhì)和基因的載體之后，遺傳學(xué)家和分子生物學(xué)家進(jìn)而著手研究維系生命現(xiàn)象的基礎(chǔ)DNA分子的自我復(fù)制過(guò)程，以揭示遺傳信息是怎樣從親代準(zhǔn)確地傳遞到子代的本質(zhì)。 這個(gè)問(wèn)題是在1953年J. Watson和F. Crick創(chuàng)立DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型之后才逐步得到解決的。,（2）基因與DNA分子,DNA雙螺旋模型的內(nèi)容： DNA是一種規(guī)則螺旋結(jié)構(gòu)：每3.4nm旋轉(zhuǎn)一周，直徑約為2nm。因?yàn)橄噜徍塑账峋嚯x為0.34nm，因此每圈有10個(gè)核苷酸單位。 DNA密度測(cè)量說(shuō)明這種螺旋結(jié)構(gòu)應(yīng)有兩條鏈。而且嚴(yán)格的按嘌呤對(duì)嘧啶排列， 不論堿基數(shù)目多

15、少，G的含量總是與C一樣，而A與T也是一樣。因此通常以G+C的含量來(lái)描述DNA的組成。不同物種G+C的含量一般在2674%。,多核糖鍵是由一系列53糖-磷酸鍵作為主鏈和含有堿基突出組成的。,由于嘌呤堿基總是與嘧啶堿基配對(duì)，因此雙螺旋的寬度是恒定的，圖中序列為T-A、C-G、A-T、G-C。,兩條核苷酸鏈反向平行。沿著螺旋旋轉(zhuǎn)方向，一條是5-3方向，而另一條是3-5方向。, （2）基因與DNA分子,1955年，S. Benzer正式使用“順?lè)醋印?cistron)這個(gè)術(shù)語(yǔ)，將T4噬菌體導(dǎo)致寄主快速溶菌的rII區(qū)的兩個(gè)亞區(qū)分別稱為rIIA順?lè)醋雍蛂IIB順?lè)醋?即rIIA基因和rIIB基因)。 每

16、一個(gè)順?lè)醋泳褪且欢魏塑账嵝蛄校蛳喈?dāng)于一個(gè)基因的DNA或RNA單元，它編碼一種完整的多肽鏈。這種多肽鏈既可以是一種具有生物活性的蛋白質(zhì)，也可以同別的多肽聚合形成多功能的蛋白質(zhì)。,（2）基因與DNA分子,一般說(shuō)來(lái)，一個(gè)順?lè)醋蛹词且粋€(gè)基因。 順?lè)醋拥母拍畋砻鳎翰⒎撬械腄NA序列都是基因，而只有其中某一特定的多核苷酸區(qū)段才是基因的編碼區(qū)。 由于所有生物的DNA的基本結(jié)構(gòu)都是一致的，因此，來(lái)自兩種生命形態(tài)的基因(DNA)可以融為一體，這是進(jìn)行基因工程的重要理論基礎(chǔ)之一。,2、基因研究的發(fā)展,（1）基因?qū)W說(shuō)的創(chuàng)立 （2）基因與DNA分子 （3）基因與多肽鏈,（3）基因與多肽鏈,基因是細(xì)胞中所有的RNA

17、及蛋白質(zhì)分子的“藍(lán)圖”。 20世紀(jì)40年代，G. W. Beadle和E. L. Tatum提出“一種基因一種酶”假說(shuō)(“one-gene-one-enzyme hypothesis”)。(X-射線誘導(dǎo)紅色面包霉，營(yíng)養(yǎng)缺陷突變體，1941年),1957年，英國(guó)劍橋V. M. Ingram在對(duì)鐮形細(xì)胞貧血癥的血紅蛋白和正常血紅蛋白的氨基酸序列作了對(duì)比研究之后，才第一次用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了基因同蛋白質(zhì)之間的直接聯(lián)系。(GluVal)表明基因的突變會(huì)直接影響到它編碼的蛋白質(zhì)多肽鏈成份的改變。,多體蛋白質(zhì)的發(fā)現(xiàn)。假說(shuō)修正為“一種基因一種多肽鏈”。,基因的堿基順序與蛋白質(zhì)的氨基酸順序?qū)?yīng)關(guān)系？,1958年，F(xiàn).

18、 Crick在綜合分析了50年代末期有關(guān)遺傳信息流轉(zhuǎn)向的各種資料的基礎(chǔ)上，提出了描述DNA、RNA和蛋白質(zhì)三者關(guān)系的中心法則(central dogma) ； 1970年，D. Baltimore和H.M.Temin在一些RNA腫瘤病毒中，發(fā)現(xiàn)了一種依賴RNA的DNA多聚酶逆轉(zhuǎn)錄酶。 1971年，F(xiàn). Crick根據(jù)新的進(jìn)展修改了中心法則：,RNA,Dogma,Central,DNA,Protein,轉(zhuǎn) 錄,翻 譯,Transcription,Translation,Replication,復(fù) 制,逆轉(zhuǎn)錄,Reverse Transcription,?,1966年，尼倫伯格(Nirenberg

19、)和科拉納(Khorana)等人完成了對(duì)全部遺傳密碼的破譯，2人共同獲得1968年的諾貝爾獎(jiǎng)。,密碼表,遺傳密碼(genetic codon)的特點(diǎn),連續(xù)性 簡(jiǎn)并性 擺動(dòng)性 通用性 不重疊,遺傳密碼(genetic codon)的特點(diǎn),連續(xù)性 (commaless) mRNA分子的ORF中，組成遺傳密碼的 三聯(lián)體沒(méi)有間斷，須3個(gè)一組連續(xù)讀下去， 直至出現(xiàn)終止密碼子為止。 mRNA鏈上堿基的插入或缺失，就會(huì)改 變密碼閱讀的順序，造成框移，使下游翻譯 出的氨基酸完全改變，即移碼突變。,簡(jiǎn)并性(degeneracy) 一種氨基酸可有幾個(gè)意義相同的密碼子，即同義密碼子。除Trp、Met外，其余氨基酸均

20、有24個(gè)最多達(dá)6個(gè)密碼子。同義密碼子之間，前兩個(gè)堿基均相同，只是第三個(gè)堿基不同。若頭兩個(gè)堿基發(fā)生點(diǎn)突變，可譯出不同氨基酸，而第三個(gè)堿基的突變，不會(huì)影響氨基酸的翻譯。,擺動(dòng)性(wobble) 反密碼子和密碼子配對(duì)時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不遵從堿基配對(duì)規(guī)律的情況，稱為遺傳密碼的擺動(dòng)現(xiàn)象。這一現(xiàn)象常見(jiàn)于反密碼子的第一位堿基與密碼子的第三位堿基之間。,通用性(universal) 不同種屬的生物都使用同一套遺傳密碼。但近年發(fā)現(xiàn)線粒體和葉綠體使用的遺傳密碼稍有差別。 如線粒體、葉綠體以AUG、AUU、AUA為起始密碼子，而AUA兼有Met密碼子功能。終止密碼子是AGA、AGG，Trp密碼子是UGA等。,不重疊 通

21、常說(shuō)來(lái)，密碼子是不重疊的，每個(gè)三聯(lián)體中的三個(gè)核苷酸只編碼一個(gè)氨基酸，核苷酸不重疊使用。 噬菌體x174中某些基因之間有重疊現(xiàn)象,4、基因工程的誕生與發(fā)展,（1）基因工程誕生的理論基礎(chǔ) （2）基因工程誕生的技術(shù)突破 （3）基因工程的誕生 （4）基因工程的基本概念與內(nèi)容,A. DNA是遺傳物質(zhì),1952年Alfred Hershy和Marsha Chase進(jìn)一步證明遺傳物質(zhì)是DNA。,1944年 Avery，確定了基因的分子載體是DNA，而不是蛋白質(zhì)。,（a）肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn),（b）噬菌體轉(zhuǎn)染實(shí)驗(yàn),（1）基因工程誕生的理論基礎(chǔ),1953年James D. Watson和Francis H. C.

22、 Crick揭示了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)和半保留復(fù)制機(jī)制。,B. DNA雙螺旋結(jié)構(gòu),1958年，Crick提出遺傳信息傳遞的“中心法則”,DNA,RNA,protein,1964年Marshall Nirenberg和Gobind Khorana等終于破譯了64個(gè)遺傳密碼,C. 中心法則和遺傳密碼,4、基因工程的誕生與發(fā)展,（1）基因工程誕生的理論基礎(chǔ) （2）基因工程誕生的技術(shù)突破 （3）基因工程的誕生 （4）基因工程的基本概念與內(nèi)容,A. 限制性內(nèi)切酶(restriction enzymes),1970年H.O. Smith等分離出第一種限制性核酸內(nèi)切酶。,Werner Arber 理論預(yù)見(jiàn)

23、限制酶,Daniel Nathans 用限制酶切得SV40 DNA片斷,Hamilton O. Smith 得到第一個(gè)限制酶,1978年Nobel生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng),（2）基因工程誕生的技術(shù)突破,B. DNA連接酶(ligase),1967年5個(gè)實(shí)驗(yàn)室?guī)缀跬瑫r(shí)發(fā)現(xiàn)了DNA連接酶。,C. 載體(vector),1972年前后使用小分子量的細(xì)菌質(zhì)粒和噬菌體作載體。在細(xì)菌細(xì)胞里的大量擴(kuò)增。,D. 感受態(tài)體系,1970年M. Mandel和A. Higa發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)氯化鈣處理的大腸桿菌容易吸收噬菌體DNA。1972年S. Cohen發(fā)現(xiàn)這種處理過(guò)的細(xì)菌同樣能吸收質(zhì)粒DNA。,E. 瓊脂糖凝膠電泳,1960s發(fā)明

24、了瓊脂糖凝膠電泳，可將不同長(zhǎng)度的DNA分離開(kāi)。,F. DNA測(cè)序技術(shù),1975年F. Sanger、A. Maxam和W. Gilbert發(fā)明了DNA快速測(cè)序技術(shù)。,1980年Nobel化學(xué)獎(jiǎng),4、基因工程的誕生與發(fā)展,（1）基因工程誕生的理論基礎(chǔ) （2）基因工程誕生的技術(shù)突破 （3）基因工程的誕生 （4）基因工程的基本概念與內(nèi)容,1980年Nobel化學(xué)獎(jiǎng),1972年斯坦福大學(xué)的Paul Berg小組完成了首次體外重組實(shí)驗(yàn)：,A. Berg的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn),將SV40的DNA片斷與噬菌體的DNA片斷連接起來(lái)。,（3）基因工程的誕生,B. Boyer-Cohen實(shí)驗(yàn),1973年斯坦福大學(xué)的S. C

25、ohen小組將含有卡那霉素抗性基因的大腸桿菌R6-5質(zhì)粒與含有四環(huán)素抗性基因的另一種大腸桿菌質(zhì)粒pSC101連接成重組質(zhì)粒，具有雙重抗藥性。,后來(lái)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(shí)驗(yàn)。,Boyer-Cohen實(shí)驗(yàn),Stanley Cohen 1986 Nobel生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng),Herb Boyer,4、基因工程的誕生與發(fā)展,（1）基因工程誕生的理論基礎(chǔ) （2）基因工程誕生的技術(shù)突破 （3）基因工程的誕生 （4）基因工程的基本概念與內(nèi)容,（4）基因工程的基本概念與內(nèi)容,A 重組DNA技術(shù)的基本定義 B 基因

26、工程的基本定義 C 重組DNA技術(shù)與基因工程的基本用途 D 基因工程的基本形式 E 基因工程的特征 F 基因工程的主要操作內(nèi)容,A 重組DNA技術(shù)的基本定義,（4） 基因工程的基本概念與內(nèi)容,重組DNA技術(shù)是指將一種生物體(供體)的基因與載體在體外進(jìn)行拼接重組，然后轉(zhuǎn)入另一種生物體(受體)內(nèi)，使之按照人們的意愿穩(wěn)定遺傳并表達(dá)出新產(chǎn)物或新性狀的DNA體外操作程序，也稱為分子克隆技術(shù)。 供體、受體、載體是重組DNA技術(shù)的三大基本元件。,B 基因工程的基本定義,（4） 基因工程的基本概念與內(nèi)容,基因工程是指重組DNA技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用，包括上游技術(shù)和下游技術(shù)兩大組成部分。上游技術(shù)指的是基因重組、

27、克隆和表達(dá)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建（即重組DNA技術(shù)）；而下游技術(shù)則涉及到基因工程菌或細(xì)胞的大規(guī)模培養(yǎng)以及基因產(chǎn)物的分離純化過(guò)程。,C 重組DNA技術(shù)與基因工程的基本用途,（4） 基因工程的基本概念與內(nèi)容,分離、擴(kuò)增、鑒定、研究、整理生物信息資源,大規(guī)模生產(chǎn)生物活性物質(zhì),設(shè)計(jì)、構(gòu)建生物的新性狀甚至新物種,外源DNA在寄主細(xì)胞內(nèi)可大量擴(kuò)增，和高水平表達(dá)。,a. 跨物種性,b. 無(wú)性擴(kuò)增,外源基因到另一種不同的生物細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行繁殖。,（4） 基因工程的基本概念與內(nèi)容,E 基因工程的特征,b. 重組體的制備,a. 目的基因的獲取,從復(fù)雜的生物基因組中，經(jīng)過(guò)酶切消化或PCR擴(kuò)增等步驟，分離出帶有目的基因的DNA片斷

28、。,將目的基因的DNA片斷插入到能自我復(fù)制并帶有選擇性標(biāo)記(抗菌素抗性)的載體分子上。,（4） 基因工程的基本概念與內(nèi)容,F 基因工程的主要操作內(nèi)容,將重組體(載體)轉(zhuǎn)入適當(dāng)?shù)氖荏w細(xì)胞中。,d. 克隆鑒定,c. 重組體的轉(zhuǎn)化,挑選轉(zhuǎn)化成功的細(xì)胞克隆(含有目的基因)。,e. 目的基因表達(dá),使導(dǎo)入寄主細(xì)胞的目的基因表達(dá)出我們所需要的基因產(chǎn)物。,F 基因工程的主要操作內(nèi)容,1946 1950 1955 1960 1965,1970 1975 1980 1985 1990 1995,1944DNA是遺傳物質(zhì),1949Hbs貧血,1953雙螺旋,1956HbsGlu-Val,1966遺傳密碼,第一個(gè)R酶

29、,1972重組質(zhì)粒,1975DNA雜交,1977DNA測(cè)序,1981轉(zhuǎn)G小鼠,1983HD病G定位,1985PCR,1986位置克隆,1987G剔除小鼠,1989位置克隆,1990第一個(gè)基因治療,1995細(xì)菌G組序列,1996酵母基因組序列,現(xiàn)代分子遺傳學(xué)發(fā)展 重要事件,第一講 基因工程概論,1、現(xiàn)代生物技術(shù)重塑自然生命 2、基因研究的發(fā)展 3、基因的現(xiàn)代概念 4、基因工程的誕生與發(fā)展 5、基因工程的應(yīng)用 6、基因工程的安全性,5、基因工程的應(yīng)用,（1）基因工程在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 （2）基因工程在工業(yè)中的應(yīng)用 （3）基因工程在醫(yī)藥上的應(yīng)用 （4）基因工程在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用 （5）基因工程技術(shù)的

30、商業(yè)化發(fā)展,A. 提高植物的光合作用效率,改變與光合作用有關(guān)的酶的結(jié)構(gòu)和組成（如二磷酸核酮糖羧化酶）。,（a）提高CO2的固定率,改變光能交換系統(tǒng)中分子的基因結(jié)構(gòu)。,（b）提高光能吸收率和轉(zhuǎn)化率,（1）基因工程在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用,使非固氮植物轉(zhuǎn)變?yōu)楣痰参锘蚰芘c根瘤菌共生固氮。,B. 提高非豆科植物的固氮效率,是農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的主要內(nèi)容。 是將克隆到的特殊基因?qū)胧荏w植物，使之增加一些優(yōu)質(zhì)性狀(高產(chǎn)、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)、抗蟲(chóng)、抗病等)。,C. 轉(zhuǎn)基因植物,（1）基因工程在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用,轉(zhuǎn)基因番茄,轉(zhuǎn)基因胡蘿卜,富含鈣 強(qiáng)筋健骨,遭到玉米螟侵害和真菌感染的普通玉米(左)與Bt玉米(右),世界各國(guó)轉(zhuǎn)基因

31、作物大田釋放情況（1987.1-1998.4）,中國(guó)已經(jīng)批準(zhǔn)進(jìn)入大田的轉(zhuǎn)基因植物（1998.3）,將外源基因?qū)雱?dòng)物細(xì)胞，并在基因組內(nèi)穩(wěn)定整合，遺傳給后代。 使動(dòng)物成為生物反應(yīng)器生產(chǎn)有用的活性蛋白等。,D. 轉(zhuǎn)基因動(dòng)物,在乳汁中分泌人組織纖溶酶源激活物(TPA)和尿激酶的轉(zhuǎn)基因小鼠； 分泌a1抗胰蛋白酶的轉(zhuǎn)基因山羊等。,（1）基因工程在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用,1997年2月22日， 英國(guó)生物遺傳學(xué)家維爾穆特成功地克隆出了一只羊?？寺?羊“多莉”的誕生震驚了世界。,臺(tái)灣用胚胎細(xì)胞復(fù)制豬：培育瀕臨絕種的蘭嶼豬,2001年1月11日，世界上首例轉(zhuǎn)基因靈長(zhǎng)類動(dòng)物轉(zhuǎn)基因猴“安迪”在美國(guó)安全降生,轉(zhuǎn)基因魚(yú)(熒光

32、斑馬魚(yú)，轉(zhuǎn)有珊瑚蟲(chóng)紅色熒光蛋白基因),轉(zhuǎn)基因蠶,我國(guó)科研人員首次在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)了綠色熒光蛋白與蜘蛛拖牽絲融合基因在家蠶絲基因中的插入，并獲得了熒光繭。,克隆各種參與纖維素降解的酶的基因，導(dǎo)入釀酒酵母，就可能利用廉價(jià)的纖維素來(lái)生產(chǎn)葡萄糖，發(fā)酵成酒。,用外源基因改造釀酒酵母，產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的啤酒?；蛴冕劸平湍干a(chǎn)蛋白質(zhì)等。,A. 纖維素的開(kāi)發(fā)利用,B. 釀酒工業(yè),（2）基因工程在工業(yè)中的應(yīng)用,基因工程不是發(fā)現(xiàn)，而是創(chuàng)造。,基工的魅力,只 有 想 不 到 的,沒(méi) 有 辦 不 到 的,第一講 基因工程概論,1、現(xiàn)代生物技術(shù)重塑自然生命 2、基因研究的發(fā)展 3、基因的現(xiàn)代概念 4、基因工程的誕生與發(fā)展 5、基因

33、工程的應(yīng)用 6、基因工程的安全性,6、基因工程的安全性,（1）基因工程的安全隱患 （2）重組DNA研究的安全準(zhǔn)則 （3）生物工程的人文憂患與討論,制造帶有抗生素抗性基因的新型微生物有可能在人類或其它生物體內(nèi)傳播。,A. 對(duì)環(huán)境的影響,B. 新型病毒的出現(xiàn),重新組合一種在自然界尚未發(fā)現(xiàn)的的生物性狀有可能給現(xiàn)有的生態(tài)環(huán)境帶來(lái)不良影響。,（1）基因工程的安全隱患,將腫瘤病毒或其它動(dòng)物病毒的DNA引入細(xì)菌有可能擴(kuò)大癌癥的發(fā)生范圍。,D. 人造生物擴(kuò)散,新組成的重組DNA生物體的意外擴(kuò)散可能會(huì)出現(xiàn)不同程度的潛在危險(xiǎn)。,C. 癌癥擴(kuò)散,A. 公眾的擔(dān)憂,1973年美國(guó)的公眾第一次公開(kāi)表示擔(dān)心應(yīng)用重組DNA

34、技術(shù)可能會(huì)培養(yǎng)出具有潛在危險(xiǎn)性的新型微生物，從而給人類帶來(lái)難以預(yù)料的后果。,（2）重組DNA研究的安全準(zhǔn)則,1974年美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）考慮到重組DNA的潛在危險(xiǎn)，提請(qǐng)Paul Berg博士組成一個(gè)重組DNA咨詢委員會(huì)。,這個(gè)由11名分子生物學(xué)和重組DNA權(quán)威學(xué)者組成的委員會(huì)在同年7月發(fā)表公開(kāi)信(science,158,303)，要求在沒(méi)有弄清楚重組DNA所涉及的危險(xiǎn)性范圍和程度，以及在采取必要的防護(hù)措施之前，暫停兩類試驗(yàn)（帶抗生素抗性的腫瘤病毒及動(dòng)物病毒）。,B. 專家的態(tài)度,C. 制定安全規(guī)則,1976年6月23日，NIH正式公布了“重組DNA研究的安全準(zhǔn)則”。,規(guī)定了安全防護(hù)（物理防護(hù)和生物防護(hù)）標(biāo)準(zhǔn)以及禁止若干類型的實(shí)驗(yàn)。 1979年、1981年、1989年NIH又做了多次修改，放寬了許多限制。,（A）現(xiàn)代生物技術(shù)會(huì)打破生物物種間的平衡嗎？ 目前，自然界存在的生物物種，包括微生物、植物、動(dòng)物，當(dāng)然也包括我們?nèi)祟悺＿@些生物物種是在幾千萬(wàn)年，甚至上億年自然界優(yōu)勝劣汰的進(jìn)化中形成的，它們之間絲絲相扣，存在著十分有序