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1、第二章 基因工程 一、绪论1、什么是基因？如何分类？什么是基因表达？2、什么是基因工程？它产生的背景是什么？它的应用前景如何？1、什么是基因？如何分类？ 什么是基因表达？基因，在希腊语中是“给予生命”之意，1909年，丹麦生物学家首先使用名词“基因”代替“遗传因子” 这个术语。1）经典的基因概念（Theory of the gene）1926 T. H. Morgan 基因是染色体上的实体 基因象链珠(bead)一样，孤立地呈线状地排列在染色体上 基因是 (Three in one) ； 功能(functional unit)突变(mutation unit) 交换(cross-over un
2、it) “三位一体”的 最小的 不可分割的基本的遗传单位 (1926 T. H. Morgan)1910年始做果蝇杂交试验，发现“连锁遗传规律” ,并概括提出“基因论”1、什么是基因？如何分类？ 什么是基因表达？2）后来顺反子理论 和操纵子理论的提出对经典的基因概念做了重要修正与发展。顺反子理论的重要理论基础： “一个基因一个酶”假说 1941 Beadle & Tatum基因的化学本质就是DNA分子 1944 Avery. O.T顺反子学说：一个顺反子就是一个基因，这个基 因或者编码蛋白质，或者编码RNA分子。在一个顺反子内，有若干个突变单位 突变子在一个顺反子内，有若干个交换单位 交换子顺
3、反子学说彻底否定了基因是决定遗传性 状的功能单位和突变、重组的最小单位这 样三位一体的概念。one gene one function (Ribozyme, Abzyme, rDNA, tDNA) one gene one enzymeLac. Operon诱导物操纵子理论 (Lactose operon 1961. Jacob, Monod ) 基因功能的表现是若干基因组成的信息表达的整体行为I P O Z Y A zone gene one peptideya1、什么是基因？如何分类？ 什么是基因表达？3）基因：是一段含有特定遗传信息的核苷酸序列（或核酸片段），它是控制生物性状的功能和结构
4、单位。1、什么是基因？如何分类？ 什么是基因表达？4）从分子水平来说，基因有三个基本特性。基因可自体复制 1953年Watson-Crick 提出了DNA双螺旋结构模型。说明了半保留复制机制，两股DNA彼此分开，以每一股为模板，按碱基配对的规则，各自配上一股新的DNA，复制便告完成。基因决定性状 生物体的表（现）型（phenotype）是指有机体可见的或可计算的外在性质，而基因型（genotype）是指控制这些表型的遗传因子。基因突变 基因通常是一个稳定的遗传单位，但它也可能发生可遗传的变异，这种变异叫基因突变（mutation）。突变以后的基因以新的形式稳定遗传。携带突变基因的生物体叫突变体
5、（mutant），携带正常基因的生物体叫野生型（wild type)。5）、根据是否转录和翻译功能可分三类：一类是既有转录功能又有翻译功能的基因，这类基因是指编码酶和结构蛋白质的结构基因及编码阻遏蛋白的调节基因（统称为蛋白质基因）；第二类是只有转录功能而没有翻译功能的基因，包括编码tRNA和rRNA的基因；第三类是既不转录也不翻译的基因，包括启动基因、操纵基因、增强子等（有时也把它称为调控基因）。6）所以基因表达不能说就是遗传信息经转录和翻译从（DNA）传递到蛋白质的过程。基因表达：是基因表现其生物功能所经历的一系列分子转化和相互作用的过程。2、什么是基因工程？它产生的背景是 什么？它的前景如
6、何？（1）、基因工程：应用DNA重组技术 ，按照人们的意愿，在基因水平上改变 生物的遗传性状，创造新生物物种，通 过工程化为人类提供有用产品及服务的 技术。遗传工程：是包括基因工程在内的人工改造生物遗传性状的全部技术；DNA重组技术：是采用酶法，将不同来源 DNA进行体外切割与连接构成杂种DNA分子：分子克隆：主要是指DNA分子在宿主细胞内的复制过程。三者之间有联系，但是有不同。（2）产生的背景：一方面是科学发展的必然要求（当时育种工作、癌等的治疗都要求科技应有所突破）；另一方面是有关基因结构与功能的基础理论研究的重大突破和技术的必然结果。（3） 基因工程的成果和发展前景A、基因工程与医药卫生
7、B、基因工程与农牧业、食品工业C、基因工程与环境保护A 基因工程与医药卫生基因工程药品的生产许多药品的生产是从生物组织中提取的许多药品的生产是从生物组织中提取的 。受材料来源限制产量有限，其价格往往十。受材料来源限制产量有限，其价格往往十 分昂贵。分昂贵。微生物生长迅速，容易控制，适于大规微生物生长迅速，容易控制，适于大规 模工业化生产。若将生物合成相应药物成分模工业化生产。若将生物合成相应药物成分 的基因导入微生物细胞内，让它们产生相应的基因导入微生物细胞内，让它们产生相应 的药物，不但能解决产量问题，还能大大降的药物，不但能解决产量问题，还能大大降 低生产成本。低生产成本。基因工程胰岛素（
8、一）胰岛素是治疗糖尿病的特效药，长期以来只能依靠 从猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取 4-5g的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。胰岛素分子结构胰岛素分子结构基因工程胰岛素（二）将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L 培养液就能产生100g胰岛素！大规模工业化 生产不但解决了这种比黄金还贵的药品产量 问题，还使其价格降低了30%-50%!胰岛素生产车间胰岛素生产车间其它基因工程药物人造血液、白细胞介素、乙肝疫苗等通过基因 工程实现工业化生产，均为解除人类的病苦， 提高人类的健康水平发挥了重大的作用。人造血液及其生产人造血液及其生产B 基因工程与农牧业、食品工业运用基因
9、工程技术，不但可以培养运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的农作物及畜、禽优质、高产、抗性好的农作物及畜、禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的新品种，还可以培养出具有特殊用途的动、植物。动、植物。转鱼抗寒基因的番茄转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯不会引起过敏的转基因大豆超级动物导入贮藏蛋白基因的超级羊和超级小 鼠特殊动物导入人基因具特殊用途的猪和小鼠C 基因工程与环境保护基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的 病毒、细菌等污染。1t水中只有10个病毒也能被DNA探针检测出来基因工程在环境监测上的应用基因工程与环境污染治理基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染 环境的物
10、质。通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程 培育成功的培育成功的“超级细菌超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物却能分解石油中的多种烃类化合物 。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDTDDT等毒害物质等毒害物质 。A 重组DNA技术的理论基础二 基因工程的基本原理19世纪中 孟德尔 豌豆杂交试验 遗传因子 经典遗传学20世纪初 摩尔根 果蝇杂交实验 基因 基因学1944年 艾弗瑞 肺炎双球菌转化实验 遗传物质DNA1973年 伯格-杰克森-考恩-鲍耶 DNA分子体外拼接分子遗传学1953年 沃
11、森-克瑞克 DNA双螺旋结构 分子生物学基因工程B 基因的分子生物学二 基因工程的基本原理C 基因工程的基本原理提高外源基因的剂量分子遗传学原理筛选修饰重组基因表达的转录调控元件，如：启动子、 增强子、操作子、终止子、上游调控序列等列、mRNA非编码区、密码子等分子生物学原理 修饰构建蛋白质生物合成的翻译调控元件，如：SD序 基因工程菌（微型生物反应器）的增殖及稳定生产 生化工程学原理 分子生物学原理 D 基因工程的支撑技术核酸凝胶电泳技术核酸分子杂交技术细菌转化转染技术DNA序列分析技术 寡核苷酸合成技术基因定点突变技术聚合酶链反应（PCR）技术三 基因工程的基本条件C 用于基因转移的受体菌
12、或细胞B 用于基因克隆的载体A 用于核酸操作的工具酶A 用于核酸操作的工具酶限制性核酸内切酶DNA连接酶DNA聚合酶核酸酶核酸修饰酶（一）、工具酶：基因工程中所使用的酶类。1、限制酶：凡能识别和切割双螺旋DNA分子内特定核苷酸顺序的酶类，全称是限制性核酸内切酶（1）、限制性核酸内切酶的发现：寄主控制的限制和修饰现象（R / M体系）因此发现了两种酶： 核酸内切酶：破坏外源DNA，使之迅速降解；甲基化酶：保护自身DNA不受限制。19681968年，年，SmithSmith等人首先从流感嗜血杆菌等人首先从流感嗜血杆菌d d株中分离出株中分离出Hind IIHind II和和 Hind IIIHin
13、d III 限制性核酸内切酶的生物功能识别双链DNA分子中的特定序列，并切割DNA双链；主要存在于原核细菌中，帮助细菌限制外来DNA的入侵（2）限制性核酸内切酶的命名属名 种名 株名H i n d IIIHaemophilus influenzae d 嗜血流感杆菌d株同一菌株中所含的多个不同的限制性核酸内切酶 根据属名和种名相结合的原则，即取细菌属名的第一个字母根据属名和种名相结合的原则，即取细菌属名的第一个字母 （大写）（大写）+ +种名的前两个字母（小写）表示。（若有株名时，种名的前两个字母（小写）表示。（若有株名时，用株名第一个字母置于三字母后）用株名第一个字母置于三字母后）（3） 核
14、酸限制性内切酶的类型 根据识别序列和切割位点的一致性，分为3类： 其中II型酶的核酸内切酶活性和甲基化作用是分开的，且具 有序列特异性，在基因克隆中广泛使用。II 型限制性核酸内切酶的基本特性识别双链DNA分子中4 - 8对碱基的特定序列大部分酶的切割位点在识别序列内部或两侧识别切割序列呈典型的旋转对称型回文结构5 G C T G A A T T C G A G 33 C G A C T T A A G C T C 5EcoR I的识别序列EcoR I的切割位点具有很强的底物专一性，其底物只能是双链具有很强的底物专一性，其底物只能是双链DNADNA分子，分子， 对单链对单链RNARNA及双链及
15、双链DNA-RNADNA-RNA杂交分子均不起作用；杂交分子均不起作用；EcoRI等产生的5粘性末端5 G-C-T-G-A-A-T-T-C-G-A-G 33 C-G-A-C-T-T-A-A-G-C-T-C 5EcoRI 37 5 G-C-T-G-OH P-A-A-T-T-C-G-A-G 33 C-G-A-C-T-T-A-A-P OH-G-C-T-C 5 退火 4-7 5 G-C-T-G A-A-T-T-C-G-A-G 3 3 C-G-A-C-T-T-A-A G-C-T-C 5OHPOHPPstI等产生的3粘性末端5 G-C-T-C-T-G-C-A-G-G-A-G 33 C-G-A-G-A-C-G-T-C-C-T-C 5PstI 37 5 G-C-T-C-T-G-C-A-OH
