基因与基因工程

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1、生命科学导论生命科学导论石河子大学生命科学学院石河子大学生命科学学院 College of Life ScienceCollege of Life Science，ShiheziShihezi University University王绍明基因与基因工程一、基因的基本知识一、基因的基本知识二、基因工程的原理二、基因工程的原理三、基因工程技术的应用三、基因工程技术的应用四、人类基因组计划四、人类基因组计划基因与基因工程一、基因的基本知识一、基因的基本知识 基因的概念1.孟德尔遗传因子2.基因位于染色体上3.DNA与染色体的关系4.从DNA到蛋白质5.DNA与性状生命最重要的本质之一是性状特征自

2、上代传至下代遗传。今天，从遗传学研究衍生出来的基因工程技术，已构成生物技术的核心，在实际应用中显示出极大的潜力。在孟德尔以前，人们看到遗传现象，猜想遗传是有规律的，甚至在农牧业育种中实际运用了遗传规律，但是，一直找不到研究遗传规律的恰当方法。 孟德尔学说奠定了遗传学基础孟 德 尔 (1822- 1884)孟德尔（18221884）从 1856 年 起开始豌豆试验。孟德尔的基本方法是杂交。 经过近 10 年的潜心研究，孟德尔 发表了他的研究报告。其内容可概 括两个定律。1.孟德尔遗传因子基因的概念豌豆杂交操作孟 德 尔 研 究 的 七 对 性 状孟德尔学说的重要意义（1）孟德尔第一次明确提出遗传

3、因子的概念, 并且提出了遗传因子控制遗传性状的若干规律： 大多数生物体通常由 一对遗传因子（后来称为两个等位基因）控制同一性状。这样的生物体称为 2n 个体。 遗传因子可以区分为显性和隐性。 控制不同性状的遗传因子是各自独立的。 孟德尔提出了杂交、自交、回交等一套科学有效的遗传研究方法，来研究遗传因子的规律。孟德尔创立的这套方法一直沿用到 1950s，才被分子遗传学方法取代。基因是一段 DNA 序列“遗传因子/基因”的设想一经提出，便推动人们去寻找，去探索基因在哪里？基因是什么？基因在染色体上显微镜技术与染色技术的发展，使人们注意到，细胞分裂时，尤其是减数分裂中，染色体的行为和孟德尔提出的等位

4、基因的分离规律相当一致，所以，确定基因在细胞核中，在染色体上。摩尔根实验室用果蝇为材料的工作，确定了基因在染色体上的分布规律（基因的连锁与互换定律）。果蝇有 4 对染色体2.基因位于染色体上基因的概念野生果蝇没有现成的成对性状摩根在长期饲养中找到各个性状的突变株 。控 制 不 同 性 状 的 等 位 基 因在 2# 染 色 体 上 的 位 置触须 长/短身体 灰/黑眼睛 红/紫翅 长/短减数分裂时发生：染色体交叉/基因重组。g 身体c 眼睛l 翅灰/黑红/紫长/短基因重组服从这样的规则：两个基因在染色体离得越远，重组频率越高；两个基因在染色体上离得越近，重组频率越低 。重 组 频 率3.染色体

5、与DNA的关系基因的概念同 源 染 色 体 分 别 带 着 控 制同 一 性 状 的 两 个 等 位 基 因显性等位基因 纯合子隐性等位基因 纯合子杂合子 遗传物质是 DNA各方面的实验证据表明，基因的化学本质不是蛋白质，而是 DNA。格里菲斯的实验（1928）证明遗传物质可以转化进入细菌，改变细菌特性。后来爱弗莱的实验（1944）证实，进入细菌改变特性的遗传物质是 DNA，而不是蛋白质。肺炎双球菌有多糖荚膜可致病的S型不致病的R型活 S死 S死 S 活 R活 R格里菲斯的转化实验格里菲斯的肺炎双球菌转化实验分别用放射性同位素标记噬菌体35S标记蛋白质32P标记 DNA35S 标记外壳蛋白质,

6、感染后放射标记不进入大肠杆菌细胞32P 标记 DNA ,感染后放射标记进入大肠杆菌细胞爱弗莱证实转化物质是 DNA华生和克里克提出 DNA 双螺旋模型。DNA 双螺旋模型说明 DNA 分子能 够充当遗传的物质基础。 按照双螺旋模型，在细胞分裂时，DNA 的合成应是“半保留复制”的模式。DNA双螺旋模型DNA的半保留复制DNA在自我复制的过程中，两条双链打开，以形成的两条单链为模板，各自合成一条与之互补的新链。新形成的两条双链DNA中各含有一条旧链和一条新链，所以称为半保留复制。半 保 留 复 制证实半保 留复制的 实验细菌培养在含15N 的培养 基 中细菌培养在含14N 的培养基中一代两代4.

7、从DNA到蛋白质DNA前体RNAmRNA多肽链基因的概念5.DNA与性状基因的概念 基因在遗传中的作用 显性基因显性基因 显性性状显性性状 隐性基因隐性基因 隐性性状隐性性状 致死基因致死基因 致死作用致死作用性状是由基因与环境共同作用的结果基因在遗传中的作用 基因理论中的许多复杂情况以孟德尔学说为开端的遗传理 论，发展到以 DNA 分子结构为基础 的分子遗传学，使我们对遗传规律有 了确切的理解。应该看到，实际上生命世界的遗 传现象远比上面谈到的要复杂得多。一个基因一个性状？不一定。例如肤色的控制至少有三个基因参与。基因决定性状，环境还起不起作用？在基因型确定的基础上, 环境常常会影响表型。人

8、的肤色至少由三个基因控制产生黑色素的酶在较 高温度下失活，所 以毛色在端点位置体温较低处呈黑色环境影响表型基因与基因工程二、基因工程的原理二、基因工程的原理 DNA作为遗传物质的功能（1）贮藏遗传信息的功能（2）传递遗传信息的功能（3）表达遗传信息的功能由此，克里克提出中心法则, 确定遗传信息由 DNA 通过 RNA 流向蛋白质的普遍规律。 中心法则遗传信息储存在DNA中，DNA通过转录生成 mRNA，mRNA再通过翻译生成蛋白质，从而完 成遗传信息的表达过程。DNA DNA RNA蛋白质中心法则转录翻译复制细菌细胞（原核）的基因表达动物植物（真 核）细胞中的 基因表达 什么是基因工程基因工程

9、又叫做基因拼接技术或DNA重组技术 。是在生物体外，通过对DNA分子进行人工“剪切” 和“拼接”，对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生出人类所需要的新的生物类型和生物产品 DNA重组技术的基本工具 是在生物体外，通过对DNA分子进行人工“ 剪切” 和“拼接”，对生物的基因进行改造和重 新组合，然后导入受体细胞内进行无性繁殖， 使重组基因在受体细胞内表达，产生出人类所 需要的新的生物类型和生物产品分析概念：工 具为什么 要加工什么是 表达用什么 导入 基因工程技术的基本工具DNA分析技术（测序）DNA分解技术 （酶切）DNA合成技术（聚

10、合链式反应）DNA导入与转化技术（载体-质粒等） 基因操作的工具基因的剪刀（分子手术刀）限制性核酸内切酶（限制酶）基因的针线（分子缝合针）DNA连接酶基因的运输工具（分子运输车）运载体 到哪里去寻找这种酶（1）限制酶 分布：主要在原核生物中。 作用特点:专一性，识别特定核苷酸序列 ，切割特定切点。 结果：产生黏性未端和平末端 举例：EcoR1限制酶、Sma1限制酶 与我们学过的 DNA酶相同吗？识别序列的特点作用是什么两者的区别这两种酶切的特点切断的是什么键限制酶的识别特点 以中轴线双侧的DNA上碱基呈反向对称，重复排列 如：GAA TTC CCC GGG CTT AAG GGG CCC（2）

11、DNA连接酶 连接的部位：磷酸和脱氧核糖之间的键：磷酸二酯键（梯子的扶手）结果：两个相同的未端的连接。 举例：Ecoli DNA连接酶 T4 DNA连接酶 与DNA聚合酶 相同吗二者在性质 上的区别作用：将外源基因送入受体细胞。具备的条件：能在宿主细胞内复制 并稳定地保存。具有多个限制酶切点。具有某些标记基因对受体细胞无害举例：质粒、噬菌体和动植物病毒。为什么 要具备 这些条件 运载体 基因工程的基本操作基因工程的基本操作将外源基因（又称目的基因，是一段 DNA 片断）组合到载体 DNA 分子中去， 再把它转到受体细胞（亦称寄主细胞）中 去，使外源基因在寄主细胞中增殖和表达 ，从而得到期望的由

12、这个外源基因所编码 的蛋白质。（1）获得目的基因到哪里去找目的基因？一般来说，人 的基因，要从人体的组织细胞中去找； 小鼠的基因要从小鼠的组织细胞中去找 。从组织细胞中可以分离得到人/小鼠 的全套基因，称为基因文库。文库中基 因总数 就人来说约有 3 万个基因。如何 从中把需要的基因找出来？采取“钓”的办法。这个办法通常称 为印迹法。（2）目的基因的扩增用上面的方法“钓”出的目的基因，数量极少，所以，接下来必须经过扩增，亦称为基因克隆。获得相当数量的目的基因后，才能继续下一步操作。PCR 把寻找目的基因和扩增 目的基因两步操作并成一步。PCR 法，全称多聚酶链式反应，是近年来开发出来的基因工程

13、新技术，它的最大优点是把目的基因的寻找和扩增，放在一个步骤里完成。P C R操作流程90 0 C50 0 C70 0 C（3）构造重组 DNA 分子首先要有载体。载体有好几种，常用的有：质粒环状双链小分子DNA，适于做小片断基因的载体。噬菌体DNA线状双链DNA，适于做大片断基因的载体。用质粒构建重组 DNA分 子用噬菌体DNA 构建重组DNA分子（4）转化/转染把构造好的重组 DNA 分子送进寄主细胞，亦需要适当的技术方法。若受体细胞是细菌，通常称转化；若受体细胞是 动/植 物细胞，通常称转染。（5） 目的基因表达及蛋白质分离进入到寄主细胞的目的基因还要 能表达产生有活性的目的蛋白，这些 目

14、的蛋白可以是某种蛋白质药物，也 可以表达某种抗性性状（如植物的抗 病性和抗旱性）。 蛋白质的分离纯化生物分离技术重组 DNA 分子进入寄主细胞后，其中的目的基因能否表达，表达效率高低，还有很大差别。表达通常是指目的基因编码的蛋白质合成。基因工程的最后一步，是把所获得的蛋白质分离纯化，得到蛋白质产品。 基因工程的基本操作程序为什么要获得目的基因为什么要把目的基因 与载体结合受体细胞是指什么为什么要进行检测基因与基因工程三、基因工程技术的应用三、基因工程技术的应用 基因工程的应用转基因生物目的基因目的基因来源抗虫植物Bt毒蛋白基因苏云金芽胞杆菌 （如：抗虫蛋白酶抑制剂基因植物 棉）淀粉酶抑制剂基因

15、 植物凝集素基因 抗病植物病毒外壳蛋白基因 （如：转基病毒的复制酶基因 因烟草）几丁质酶基因抗逆转转基因植物抗冻冻蛋白基因鱼鱼抗除草剂剂基因转转基因玉米富含赖赖氨酸的蛋白质编码质编码 基因转转基因延熟番茄控制番茄果实实成熟的基因转转基因矮牵牵牛植物花青素代谢谢有关的基因转转基因鲤鱼鲤鱼外源生长长激素基因人转转基因牛肠肠乳糖酶基因人转转基因牛（羊）抗凝血酶基因、血清白蛋白基 因、生长长激素基因、a-抗胰蛋 白酶 转转基因烟草发发光基因萤萤火虫工程菌细细胞因子、抗体、疫苗、 激素、白细细胞介素-2、干 扰扰素、乙肝疫苗 基因治疗疗腺苷酸脱氨酶基因功能正常的基因反义义基因自杀杀基因器官移植的供体 动动物被导导入某种调节调节 因子的 器官供体基因组组 生 产 基 因 工 程 产 品 的生 物 反 应 器 在医学上的应用基因工程被用于大量生产过去难以得到或几乎不可能得到的蛋白质肽类药物。胰岛素1000 磅牛胰 10 克胰岛素200 升发酵液 10 克胰岛素干扰素1200 升人血 23 万