第01讲基因工程概论

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1、Principles of Genetic Engineering 基 因 工 程 原 理教学目的与要求 n基因工程学自20世纪70年代初期诞生以来，在 短短的30多年间已经取得了许多令世人瞩目的 成就，成为当代生命科学研究领域中最具生命 力、最引人关注的前沿学科之一，是现代分子 生物学与生物技术的核心内容。n本课程为分子生物学、分子遗传学、发 育生物学、细胞生物学、生物化学等有 关专业研究生的学科基础课，同时也是 植物学、动物学以及微生物学等专业研 究生的重点选修课。我们期望不同专业 的研究生在修完本课程之后，能够较为 系统、全面地掌握基因工程的基础知识 和最新进展，并能跟上该专业学科的发

2、展进程。 教材与参考书 n吴乃虎，基因工程原理(第二版，上册)， 科学出版社，1998n吴乃虎，基因工程原理(第二版，下册)， 科学出版社，2001n分子克隆实验指南(第三版)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基因工程原理纲要第一讲 基因工程概论第二讲 基因工程的主要技术第三讲 基因工程的酶学基础第四讲 基因克隆的载体与受体第五讲 目的基因的分离与克隆第六讲 克隆基因的检测与鉴定第一讲 基因工程概论1、现代生物技术重塑自然生命2、基因研究的发展3、基因工程的诞生与发展4、基因工程的应用5、基因工程的安全性生物技术发展历程 n第一代生物工程技术(19世纪20世纪30年代

3、 )n很早人们就掌握了酿酒、制造酱油、奶酪、 醋、面包等发酵技术，其实这些都是生物工 程产品。n直至十九世纪，微生物的发现证明了从粮食 到酒精是由活的酵母菌引起，其他发酵产物 也是由不同的微生物作用而形成，随后科学 家又发现了发酵过程中的高效催化剂酶 ，从此揭开了发酵的奥秘，大规模发酵生产 得以开始。 n第二代生物工程技术(20世纪40年代60年代 )n以获取微生物的代谢产物抗生素为目的 的抗生素工业为这一时期生物工程产业的支 柱产业。n1928年英国的Fleming爵士在对细菌的研究中 发现一种青色霉菌能杀死长在培养皿中的金 黄色葡萄球菌，随后他又发现这种青霉菌的 培养汤也能杀死葡萄球菌，于

4、是他推断是青 霉菌的代谢产物中含有杀菌物质，他称之为 青霉素。1943年英美科学家联合开发出大规 模从青霉中提取青霉素的工艺，从此开始了 大规模抗生素的生产，拯救了无数人的生命 。 n第三代生物工程技术(20世纪70年代起)n1953年遗传物质DNA的双螺旋结构模型的提出和1972年DNA重组技术的诞生，开辟了分子生物学和现代生物技术的新纪元。n基因的发现使科学家们不再满足于利用现有的生物来为人类服务，而基因重组技术的问世使通过改造生物基因创造有新的遗传特性的生物成为可能，从而使以往的生物工程实现了向代表二十一世纪发展方向的现代生物工程的飞跃。 现代生物技术的含义生物工程也叫生物技术，就是以现

5、代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他自然科学原理，按照预先的设计改造生物体，或利用微生物、动物体、植物体或其组成部分（包括器官、组织、细胞等）作为反应器对原料进行加工，为人类生产出所需要的产品或达到某种目的的技术。n对生物体进行改造，培育出具有优良品质的动物、植物、微生物新品系。n利用微生物、动物、植物为反应器对原料进行加工，生产出人类所需要的产品。n进行疾病的防治、诊断和治疗。n环境污染的检测。现代与传统生物技术的区别n现代生物技术通过操作基因来改变自然生命物质的原有结构和成分。显然，现代生物技术与传统生物技术已经有了区别，即它不再是在原有物种水平上和沿袭自然的途径，而是超越物种的

6、界限， 实现的是创创造崭崭新的品种和有目的的改造和控制自然界已有的生化过程。现代生物技术研究的主要内容主要由以下5个分支组成：n基因工程(核心所在)n蛋白质工程(第二代基因工程)n酶工程n发酵工程n细胞工程蛋白质工程n也称“第二代基因工程”：以蛋白质的结构规律及其与生物功能的关系为基础，通过有控制的基因修饰和基因合成，对现有蛋白质加以定向改造，设计、构建并最终生产出性能比自然界存在的蛋白质更加优良、更加符合人类社会需要的新型蛋白质。 酶工程n酶工程即利用酶的催化作用，在特定的生物反应器中，将相应的原料转化成所需的产品。酶工程是现代酶学理论与化工技术的交叉技术，它的应用主要集中于食品工业、轻工业

7、和医药工业等领域。发酵工程n发酵工程也叫微生物工程，是指利用微生物的特定性状，在生物反应器中生产有用物质的技术。n当前的医用抗生素、农用抗生素等已有数百种，绝大部分是发酵的产品。除抗生素外，发酵工程产品还包括氨基酸、工业用酶等。人们日常生活中广泛使用的味精、维生素等都是发酵工程的产品。细胞工程n细胞工程是利用细胞的全能性，在体外条件下，采用组织与细胞培养技术对动、植物进行修饰，从而改良和创造新品种，生产人类所需要的新的生物类型。 n细胞工程主要包括动植物细胞的组织培养技术、细胞融合技术、细胞核移植、细胞器摄取和染色体片段重组技术等。细胞工程n细胞融合技术是指两个不同种类的细胞，加 上融合剂，在

8、一定条件下，彼此融合成杂交 细胞，使来自两个亲本细胞的基因有可能都 被表达，从而打破了远缘生物不能杂交的屏 障，提供了创造新物种的可能。n细胞器摄取主要是指叶绿体和线粒体的摄取 。如用白化型原生质体摄取正常的叶绿体， 进而发育成正常的绿色植物；用抗药型草履 虫的线粒体植入其他草履虫细胞，使后者获 得抗药性。n染色体片段重组是利用染色体替换来改变生物遗传特性，如利用染色体的易位、缺体等方法，获得新的染色体组合。n细胞核移植对动物优良杂交种的无性繁殖具有重要的意义。它的典型应用就是用于动物无性繁殖的“克隆”。克隆技术n克隆也就是细胞核移植，即将一个细胞中的 核经显微手术和细胞融合的方法移植到去核

9、的另一个细胞中，重组胚胎发育至产仔的过 程。n广义的说法就是动物不经过受精作用而获得 新个体的方法，即无性繁殖。无性繁殖的英 文名称叫“Clone”，译音为“克隆”。在技术上，科学家的“克隆”试验经历了从两栖 动物的核移植到高等动物的核移植；从胚胎 细胞核移植到体细胞的核移植的过程。第一讲 基因工程概论1、现代生物技术重塑自然生命2、基因研究的发展3、基因工程的诞生与发展4、基因工程的应用5、基因工程的安全性2、基因研究的发展基因工程或称基因操作，是在分子生物学和分子遗传学等学科综合发展的基础上，于上世纪70年代诞生的一门崭新的生物技术科学。其创立与发展，直接依赖于基因分子生物学的进步。2、基

10、因研究的发展根据不同历史时期的水平和特点，可分3阶段：20世纪50年代前：基因的染色体遗传学阶段，主要从细胞染色体水平上进行研究；20世纪50年代70年代：基因的分子生物学阶段，主要从DNA大分子水平上进行研究；20世纪80年代以来：重组DNA技术不断完善，人们能够直接从克隆目的基因出发，研究基因的功能及其与表型间的关系，使基因研究进入了反向生物学阶段。2、基因研究的发展（1）基因学说的创立（2）基因与DNA分子（3）基因与多肽链（1）基因学说的创立n基因的最基本性质是在一个多 世纪前由孟德尔(G. Mendel)定 义的。由他提出的两大定律 分离律与独立分配律可总结 出：A、基因是一种由亲代

11、传 到子代的特殊因子遗传因 子(hereditary factor)；B、基 因可能存在变异的形式。(1857 -1864，豌豆杂交)G. J. MendelMendel临终前说；Gregor Mendel 1822-1884等着瞧吧， 我的时代总有一天会来临 （1）基因学说的创立n35年的湮没。1900年荷兰H. De Vries(德弗里斯)、德国C. Correns(科伦斯)和奥地利E. Tschermak(丘歇马克)等植物学家重新发现。“科学论文文献核查”的做法，为科学界所接受，一直沿用至今。Hugo de vires 1848-1935 荷兰 阿姆斯特丹大学 Carl Correns

12、1864-1933 德国 土宾根大学 Erich von Tschermark 1871-1962 奥地利 维也纳农业大学 （1）基因学说的创立n1909年，丹麦生物学家W. Johannsen根据希腊文“给予生命”之义，创造了基因(gene)一词，替代了孟德尔的“遗传因子”。n1910年，摩尔根(T. H. Morgan)学派对基因学说的建立作出了卓越的贡献。他们通过果蝇突变体的研究第一次将代表某一特定性状的基因同某一特定的染色体联系了起来，证明了基因存在于染色体上。Morgan, Thomas Hunt (1866- 1945)2、基因研究的发展（1）基因学说的创立（2）基因与DNA分子（

13、3）基因与多肽链（2）基因与DNA分子哪些人用什么方法最终证明了 遗传的物质基础？1.格里菲斯经典转化实验（1928）及埃 弗里、麦克劳德、麦卡蒂等人的转化补 充实验（1941）。2.赫西和蔡斯大肠杆菌T2噬菌体感染大 肠杆菌实验。3.H.Fraenkel-Conrat植物病毒的重建实 验1、1928年，F. Griffth作了3组实验:1944年，Avery精确重复了转化实验，确定了转化因子实验证明，将R菌转化为S菌的转化因子是DNAn1952 年，Hershey和Chase用放射性标记T2噬菌体感染细菌 (32P 标记DNA，35S标记蛋白质) 的实验进一步说明了不管是在细胞基因组中还是病

14、毒中，遗传物质就是DNA这一结论。2、噬菌体感染实验T2 T2 噬菌体的遗传物质被证明是噬菌体的遗传物质被证明是DNADNA3、 植物病毒重建实验实验证明，遗传的物质基础是RNA 。（2）基因与DNA分子n证明了DNA是遗传物质和基因的载体之后，遗传学家和分子生物学家进而着手研究维系生命现象的基础DNA分子的自我复制过程，以揭示遗传信息是怎样从亲代准确地传递到子代的本质。n这个问题是在1953年J. Watson和F. Crick创立DNA双螺旋结构模型之后才逐步得到解决的。（2）基因与DNA分子nDNA双螺旋模型的内容：DNA是一种规则螺旋结构：每3.4nm旋转一 周，直径约为2nm。因为相

15、邻核苷酸距离为 0.34nm，因此每圈有10个核苷酸单位。DNA密度测量说明这种螺旋结构应有两条链 。而且严格的按嘌呤对嘧啶排列，不论碱基数目多少，G的含量总是与C一样， 而A与T也是一样。因此通常以G+C的含量来 描述DNA的组成。不同物种G+C的含量一般 在2674%。 n多核糖键是 由一系列5 3糖-磷酸键作为主链 和含有碱基 突出组成的 。由于嘌呤碱基总 是与嘧 啶碱基 配对， 因此双 螺旋的 宽度是 恒定的 ，图中 序列为T -A、C-G 、A-T、 G-C。n两条核苷酸链反向平行。沿着螺旋 旋转方向，一条是5-3方向，而另 一条是3-5方向。 （2）基因与DNA分子n1955年，S

16、. Benzer正式使用“顺反子”(cistron) 这个术语，将T4噬菌体导致寄主快速溶菌的 rII区的两个亚区分别称为rIIA顺反子和rIIB 顺反子(即rIIA基因和rIIB基因)。n每一个顺反子就是一段核苷酸序列，或相当 于一个基因的DNA或RNA单元，它编码一种完整的多肽链。这种多肽链既可以是一种具 有生物活性的蛋白质，也可以同别的多肽聚 合形成多功能的蛋白质。（2）基因与DNA分子n一般说来，一个顺反子即是一个基因。n顺反子的概念表明：并非所有的DNA序列都是基因，而只有其中某一特定的多核苷酸区 段才是基因的编码区。n由于所有生物的DNA的基本结构都是一致的 ，因此，来自两种生命形态的基因(DNA)可以融为一体，这是进行基因工程的重要理论 基础之一。2、基因研究的发展（1）基因学说的创立（2）基因与DNA分子（3）基因与多肽链（3）基因与多肽链n基因是细胞中所有的RNA及蛋白质分子的“蓝图”。n20世纪40年代，G. W. Beadle和E. L. Ta