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1、基因工程 第一章导论 1 1基因工程研究的内容及基本过程基因 Gene 是DNA分子的一个区段 是一个含有特定遗传信息的核苷酸序列 它是遗传物质的最小功能单位 多数情况下 它编码一种完整的多肽链 克隆 Clone 作名词使用时 是指从一个祖先通过无性繁殖方法产生的后代 无性系 或具有相同遗传性状的DNA分子 细胞或个体所组成的特殊的生命群体 作动词使用时 是指从同一个祖先生产这类同一的DNA分子群或细胞群的过程 基因工程 是一项将一种生物的基因通过基因载体运送到另一种生物的活细胞中 并使之增殖 克隆 和行使正常功能 表达 从而创造生物新品种或新物种的遗传学技术 基因工程是把外源DNA 片段 引
2、入受体细胞进行扩增 实质上是从一个DNA片段增殖了结构和功能完全相同的DNA分子群的过程 所以基因工程也称为基因克隆 GeneCloning 或分子克隆 MolecularCloning 基因工程的基本过程 1 取得目的基因 途径有二 从生物基因组中分离 人工合成 2 在体外将带有目的基因的DNA片段 连接到能够自我复制并具有选择标记的载体分子上 形成重组DNA分子 3 将重组DNA分子引入受体细胞 宿主细胞 4 带有重组体的细胞扩增 获得大量的细胞繁殖群体 菌落 5 从大量携带重组体DNA分子的宿主细胞中分离出携带目的基因的细胞 6 将选出的细胞克隆的目的基因进行进一步研究分析 亚克隆 并设
3、法使之实现功能蛋白的表达 特点 基因工程 分子水平 诱变育种 群体水平 原生质融合 细胞水平 1 2基因工程的诞生现在人们公认 基因工程诞生于1973年 现代分子生物学领域理论上的三大发现及技术上的三大发明对基因工程的诞生起到了推动作用 1 2 1理论上的三大发现第一 40年代发现了生物的遗传物质是DNA 而不是蛋白质 早在1928年 F Grifth发现在肺炎球菌中存在着转化作用 transformation 1 S品系小鼠死2 R品系小鼠活3 S加热杀死小鼠活4 将2 3 小鼠死 Grifith认为那些加热杀死了的S型细菌的存在导致那些活的R型细菌发生转化作用 后来 T Avery进一步弄
4、清了转化因子的本质是 将S型的DNA加到R型培养物中 使R型转化为S型 1934年 T Avery在美国的一次学术会议上报道了他的研究结果 证明了DNA是生物的遗传物质 也证明了DNA可以把一个细菌的性状转化给另一个细菌 但这一超越时代的科学成就在当时未得到公认 十年后才得到公开发表 现在认为 T Avery的工作是基因工程的先导 第二 50年代弄清了DNA的双螺旋结构和半保守复制机理 Walson和Crick在1953年提出了双螺旋模型 认为基因是DNA分子的一个区段 这一发现标志着分子遗传学的真正开始 第三 60年代确定了遗传信息的传递方式 1961年 Monod和Jacob提出了乳糖操纵
5、子学说 揭示了原核生物的基因调控机制 以Nireberg等为代表的一批科学家 确定了遗传信息是以密码方式传递的 每三个核苷酸组成一个密码子 代表一个氨基酸 到1965年 全部破译了20种天然氨基酸的64个密码 1968年获Nobel奖 提出了遗传信息从DNARNA蛋白质的中心法则 神秘的遗传现象在分子水平上得到了揭示 1 2 2技术上的三大发明第一 在细胞中发现了染色体外能自主复制的质粒 第二 在大肠杆菌中发现了质粒转化系统 基因扩增 表达 第三 发现了工具酶 1967年 DNA连接酶 参与DNA裂口的修复 缝纫针 1970年 限制性核酸内切酶 手术刀 1970年 逆转录酶 mRNADNA 打
6、破了中心法则 使真核基因的制备成为可能 1975年获Nobel奖 至此基因工程诞生的条件已经成熟 Berg和Cohen作为 助产士 将基因工程工程接到了人间 1972年 美国斯坦福大学的P Berg领导的研究小组 在世界上第一次成功地实现了DNA体外重组 获得了包含猿猴病毒SV40和 DNA重组的杂种DNA分子 ECORI酶切 T4DNA连接酶缝合 Berg是重组DNA或基因工程技术的创始人 1980年获得Nobel奖 1973年 斯坦福大学的S Cohen等人 也成功地进行了一个体外重组实验 并实现了细胞间性状的转移 PSC101质粒 抗四环素TCr R6 3质粒 抗新霉素Ner和抗磺胺Sr
7、 分别用EcoRI切割后 连接成重组质粒 然后转化到大肠杆菌中 在含Tc和Ne的平板中 选出了TcrNer的菌落 这是基因工程发展史上第一次实现重组体转化成功的例子 这一年被定义为基因工程诞生的元年 1 3基因工程的成就与展望基因工程自诞生以来 取得一批突破性成果 对医药卫生 农业 能源开发 环境保护 食品工业等领域产生了巨大的影响 1 生长激素释放抑制素 Somatostation 由14个氨基酸组成的多肽激素 可抑制生长素 胰岛素和胰高血糖素的分泌 用于治疗肢端肥大症和急性胰腺炎等 用化学合成法生产 每克售价50000美元 1977年 用大肠杆菌生产SMT获得了成功 价格可降低到每克300
8、美元 2 胰岛素胰岛素是治疗糖尿病的特效药 可调节血糖平衡 从动物胰脏提取胰岛素不能满足需求 1978年 美国的Lilly公司和Genentech公司合作 将人胰岛素的二条肽链的基因引入大肠杆菌 产生A链和B链 经二硫健连接后形成人胰岛素 用2000升培养液能生产100克胰岛素 相当于从一吨猪胰脏中提取的量 1982年正式批准生产 3 生长激素由191个氨基酸组成 治疗侏儒症 肌肉萎缩症等 以前只能从死人的脑下垂体中提取 价格很贵 1979年 用基因工程技术使细菌生产人生长激素在美国获得成功 用450斤发酵液得到的生长激素相当于从6万个尸体的脑下垂体中提取的数量 要治疗一个脑下垂体机能不全的儿
9、童侏儒症 需要从50具尸体的脑下垂体中提取的生长激素 1984年开始规模化生产 4 干扰素具有抗病毒 抗肿瘤 调节免疫功能的作用 过去用人血白细胞培养法生产 成本高 产量低 难纯化 1980年 Nagata等使干扰素基因在大肠杆菌中得到成功表达 1981年 美国 日本开始生产 使成本降低了100倍 已应用于乙肝等疾病的治疗 5 尿激酶人体尿激酶对分解血栓起着重要作用 传统的尿激酶生产是通过人体细胞培养或从新鲜的人尿中提取 工艺复杂 价格昂贵 1980年 美国Abbott公司用基因工程方法 使大肠杆菌产生人体尿激酶获得了成功 产品的溶血栓功能与天然尿激酶一样 6 乙型肝炎疫苗乙肝是乙肝病毒 HB
10、V 引起的 全世界患者达二亿多 HBV含有核心抗原DNA和DNA聚合酶的部分具有感染作用 而它的外壳蛋白不具感染作用 可作为抗原刺激机体产生免疫物质 通过分离纯化 可制成乙肝疫苗 但技术复杂 价格昂贵 不安全 1979年 英国爱丁堡大学把合成的HBV外壳蛋白基因拼接到质粒上 PBR322 再转入大肠杆菌中 虽检测到表达产物 但产量不高 1983年 美国将上述基因在酵母中表达取得了成功 美国默克公司生产的乙肝疫苗已于1986年获得FDA批准 目前我国也已有生产 军事医科院等 7 转基因动植物8 纤维素利用9 环保 参考书目 基因工程概论 张惠展编著 华东理工大学出版社 2001 基因工程原理 第二版 吴乃虎编著 科学出版社 1998 基因及其操作原理 齐义鹏编著 武汉大学出版社 1998 基因工程实验技术 第二版 彭秀玲等编著 湖南科技出版社 1998 分子克隆实验指南 第二版 J 萨幕布鲁克等著 金东雁等译 科学出版社 1993 分子遗传学 孙乃恩等编著 南京大学出版社 1995
