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1、基因工程基因工程 Genetic Genetic EngineeringEngineering 生科院遗传室生科院遗传室 盖树鹏盖树鹏 1 本课程的地位 现代科技革命 高新技术 生物技术 基因工程 基因克隆 2 基本要求 基本要求 n n 掌握基因克隆的基本工具 基本方法 掌握基因克隆的基本工具 基本方法 n n PCRPCR技术基本原理和应用 技术基本原理和应用 n n 怎样利用基因重组技术研究基因的怎样利用基因重组技术研究基因的结构 表达结构 表达 和调控和调控 n n 利用基因工程生产重组蛋白 基因工程在医药利用基因工程生产重组蛋白 基因工程在医药 和农业上的应用 和农业上的应用 n n
2、 根据酶切结果判读根据酶切结果判读酶切图谱酶切图谱 以及判读 以及判读DNADNA 序列的能力 序列的能力 n n 能够设计一个基因克隆的程序 能够设计一个基因克隆的程序 3 参考书 参考书 n n Gene cloning T A Brown Third Gene cloning T A Brown Third edition edition n n 基因工程原理 吴乃虎编著 科学出版基因工程原理 吴乃虎编著 科学出版 社社 n n 基因工程概论 张惠展编著 华东理工基因工程概论 张惠展编著 华东理工 大学出版社 大学出版社 n n 植物基因工程原理与技术 王关林 方植物基因工程原理与技术
3、王关林 方 宏筠主编 科学出版社 宏筠主编 科学出版社 n n 分子克隆实验指南 分子克隆实验指南 J Sambtook EF J Sambtook EF Frish T Maniatis Frish T Maniatis 金冬雁 黎孟枫等译金冬雁 黎孟枫等译 科学出版社 科学出版社 4 第一部分第一部分 基因克隆的基因克隆的 基本原理基本原理 5 Chapter I Chapter I 概论概论 n n 生物工程 生物技术生物工程 生物技术 n n 基因工程的发展史基因工程的发展史 n n 理论上的三大发现理论上的三大发现 n n 技术上的三大发现技术上的三大发现 n n 发展过程中的重大事
4、件发展过程中的重大事件 n n 基因工程的概念基因工程的概念 n n 概念 原理概念 原理 n n 基本步骤基本步骤 n n 基因克隆需要的工具和技术基因克隆需要的工具和技术 n n 基因工程的意义基因工程的意义 6 1 1 几个相关概念几个相关概念 n n 生物工程 直接或间接利用生物体的机能生物工程 直接或间接利用生物体的机能生生 产物质产物质的技术 包括发酵技术 基因重组 的技术 包括发酵技术 基因重组 细胞融合 细胞大量培养 生物反应器等技细胞融合 细胞大量培养 生物反应器等技 术 术 n n 生物技术 生物技术 生物技术是以现代生命科学为基生物技术是以现代生命科学为基 础 结合先进的
5、工程技术手段和其他基础学础 结合先进的工程技术手段和其他基础学 科的科学原理 按照预先的设计科的科学原理 按照预先的设计改造生物体改造生物体 或加工生物原料 为人类生产出所需的或加工生物原料 为人类生产出所需的产品产品 或达到某种或达到某种目的目的 包括基因工程 细胞工程包括基因工程 细胞工程 酶工程 发酵工程等 酶工程 发酵工程等 7 1 1 几个相关概念几个相关概念 n n 遗传工程 人工改造生物体遗传性的遗传工程 人工改造生物体遗传性的 技术 包括细胞工程 染色体工程 技术 包括细胞工程 染色体工程 细胞器工程 基因工程等细胞器工程 基因工程等 生物技术的范围最广 生物技术的范围最广 8
6、 2 2 基因工程的发展史基因工程的发展史 2 1 2 1 理论上的三大发现理论上的三大发现 n n 证明了生物的遗传物质是证明了生物的遗传物质是DNADNA 基因工程的先导 基因工程的先导 n n DNADNA的的双螺旋双螺旋结构和结构和半保留复制半保留复制 机理机理 n n 遗传信息的传递方式 遗传信息的传递方式 中心法则中心法则 9 2 2 基因工程的发展史基因工程的发展史 2 2 2 2 技术上的三大发现技术上的三大发现 n n 限制性内切酶和限制性内切酶和DNADNA连接酶的连接酶的 发现 标志着发现 标志着DNADNA重组时代的重组时代的 开始开始 n n 载体的使用载体的使用 n
7、 n 19701970年 逆转录酶的发现 年 逆转录酶的发现 10 2 2 基因工程的发展史基因工程的发展史 n n 19731973年 年 CohenCohen等获得了抗四等获得了抗四 环素和新霉素的重组菌落环素和新霉素的重组菌落 TcTc r r NeNe r r 标志着基因工程的 标志着基因工程的诞诞 生生 Tetracycli ne pSC10 1 EcoR I DNA Ligase Kanamyci n R6 5 Kanr and Tetr 11 2 2 基因工程的发展史基因工程的发展史 2 3 2 3 发展过程中的重大事件发展过程中的重大事件 n n 19771977年 年 E c
8、oliE coli中合成了人生长激素基因中合成了人生长激素基因 n n 1978 19791978 1979胰岛素基因在大肠杆菌中表达胰岛素基因在大肠杆菌中表达 n n 19821982年 培育出了超级鼠 年 培育出了超级鼠 n n 19851985年年HorschHorsch发明了植物基因工程的基发明了植物基因工程的基 本方法 叶圆盘法 并获得转基因植株 本方法 叶圆盘法 并获得转基因植株 12 2 3 2 3 发展过程中的重大事件发展过程中的重大事件 n n 19901990年 患有遗传免疫疾病的年 患有遗传免疫疾病的4 4岁岁 女孩接受了基因疗法 女孩接受了基因疗法 n n 199019
9、90年 年 Perlak Perlak 将将B T B T 基因导入基因导入 棉花获得抗虫棉棉花获得抗虫棉 n n 19911991年 美国开始人类基因组计年 美国开始人类基因组计 划 划 n n 19971997年 年 多利多利 绵羊诞生 绵羊诞生 13 转移大鼠生长素基因的小鼠 14 3 3 基因工程的概念基因工程的概念 3 1 3 1 概念概念 按照预先设计好的蓝图 利用现代按照预先设计好的蓝图 利用现代 分子生物学技术 特别是酶学技术 分子生物学技术 特别是酶学技术 对遗传物质对遗传物质DNADNA直接进行体外重组直接进行体外重组 操作与改造 将一种生物 操作与改造 将一种生物 供体供
10、体 的 的 基因转移到另外一种生物 基因转移到另外一种生物 受体受体 中 中 去 从而实现受体生物的去 从而实现受体生物的定向定向改造与改造与 改良 改良 15 3 3 基因工程的概念基因工程的概念 n n 3 1 3 1 概念概念 n n 广义基因工程 广义基因工程 DNADNA重组技术的重组技术的 产业化设计与应用 产业化设计与应用 n n 上游技术 外源基因重组 克隆和上游技术 外源基因重组 克隆和 表达的设计与构建 狭义基因工程 表达的设计与构建 狭义基因工程 n n 下游技术 含有外源基因的生物细下游技术 含有外源基因的生物细 胞 基因工程菌或细胞 的大规模培胞 基因工程菌或细胞 的
11、大规模培 养以及外源基因的表达 分离 纯化养以及外源基因的表达 分离 纯化 过程 过程 16 17 gene manipulation gene manipulation gene cloning gene cloning recombinant DNA recombinant DNA technology genetic technology genetic modification modification new genetics new genetics molecular agriculturemolecular agriculture 18 3 2 3 2 基本步骤 基本步骤 切
12、接 转 增 检 切 接 转 增 检 n n 施工材料的准备 目的基因 载体 工具施工材料的准备 目的基因 载体 工具 酶和受体细胞 宿主 的准备 用限制性酶和受体细胞 宿主 的准备 用限制性 内切酶分别将外源内切酶分别将外源DNADNA和载体分子切开和载体分子切开 n n 目的基因与载体目的基因与载体DNADNA的体外重组 形成的体外重组 形成 重组重组DNADNA分子 分子 n n 把重组的把重组的DNADNA分子引入受体细胞 并建分子引入受体细胞 并建 立起无性繁殖系 立起无性繁殖系 n n 筛选出所需要的无性繁殖系 并保证外源筛选出所需要的无性繁殖系 并保证外源 基因在受体细胞中稳定遗传
13、 正确表达 基因在受体细胞中稳定遗传 正确表达 19 基因克隆的基本步骤 20 21 3 3 3 3 基因工程的基本原理基因工程的基本原理 n n 分子遗传 分子生物学以及生化工分子遗传 分子生物学以及生化工 程学是基因工程原理的三大基石 程学是基因工程原理的三大基石 22 n n 载体载体DNADNA自主复制的特性自主复制的特性 n n 提高基因剂量提高基因剂量 n n 提高宏观表达水平提高宏观表达水平 23 n n 一个完整的基因由三部分组成 启一个完整的基因由三部分组成 启 动子 编码序列与终止子 动子 编码序列与终止子 n n 筛选 修饰和重组启动子 增强子 筛选 修饰和重组启动子 增
14、强子 终止子等基因的转录调控元件 终止子等基因的转录调控元件 n n 选择 修饰和重组核糖体结合位点及选择 修饰和重组核糖体结合位点及 密码子等密码子等mRNAmRNA的翻译调控元件 的翻译调控元件 24 n n 基因工程菌 细胞 是现代生物工基因工程菌 细胞 是现代生物工 程中的微型生物反应器程中的微型生物反应器 25 4 4 基因工程的意义基因工程的意义 n n 基因工程可以绕过基因工程可以绕过远缘有性杂交远缘有性杂交的困的困 难 使基因在微生物 植物 动物之难 使基因在微生物 植物 动物之 间交流 迅速并间交流 迅速并定向定向的获得人类需要的获得人类需要 的新的生物类型的新的生物类型 n
15、 n 概括地讲 其意义体现在以下三个方概括地讲 其意义体现在以下三个方 面 面 n n 大规模的生产生物分子大规模的生产生物分子 n n 设计构建新物种设计构建新物种 n n 搜寻 分离和鉴定生物体尤其是人体内搜寻 分离和鉴定生物体尤其是人体内 的遗传信息 的遗传信息 26 表表1 1 1 1 主要基因工程产品的研制 开发 上市时间主要基因工程产品的研制 开发 上市时间 产品产品时间时间 国家国家 用途用途上市上市 时间时间 国家国家 人生长激素释放抑制素人生长激素释放抑制素 SRM SRM 19771977 日本日本 巨人症巨人症 人胰岛素人胰岛素 19781978 美国美国 糖尿病糖尿病
16、1982 1982 欧洲欧洲 人生长激素 人生长激素 HGHHGH 19791979 美国美国 侏儒症侏儒症 1985 1985 美国美国 人人 干干扰扰素 素 IFNIFN 19801980美国美国 病毒病毒19851985欧洲欧洲 乙肝疫苗 乙肝疫苗 HBsAgVHBsAgV 19831983 美国美国 乙肝乙肝 19861986 欧洲欧洲 人白细胞介素人白细胞介素 19841984 美国美国 肿瘤肿瘤 19891989 欧洲欧洲 人促红细胞生成素 人促红细胞生成素 EPOEPO 日本日本 贫血贫血 19881988 欧洲欧洲 人粒细胞集落刺激因子人粒细胞集落刺激因子 G CSF G CSF 白血病白血病 1991 1991 美国美国 人组织纤溶酶原激活剂 人组织纤溶酶原激活剂 t PAt PA 血栓症血栓症 1987 1987 美国美国 27 4 4 基因工程的意义基因工程的意义 n n 工业工业 n n 轻工业轻工业 n n 能源工业能源工业 28 4 4 基因工程的意义基因工程的意义 n n 医药医药 n n 重组药物重组药物 n n 基因治疗基因治疗 n n 检测遗传疾病
