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1、基因工程原理与应用,任课老师：高燕会,主要内容,第一章：绪论部分 第二章：基因工程的基本操作程序 第三章：基因工程的工具酶 第四章：核酸操作的基本技术 第五章：基因工程的载体 第六章：基因文库 第七章: 外源基因表达,第八章：聚合酶链式反应(PCR) 第九章：分子标记及芯片技术 第十章：微生物的基因工程 第十一章：植物基因工程 第十二章：动物基因工程 第十三章：基因工程规则、专利及安全性,主要内容,基本要求,掌握基因克隆的基本工具。特别是不同的载体。 克隆基因的基本方法。 怎样利用基因重组技术研究基因的结构、表达和调控。 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。 能够设计一个基
2、因克隆的程序。 PCR技术基本原理和应用,参 考 书,Gene cloning, T.A. Brown. Third edition. 基因工程原理，吴乃虎编著，科学出版社 基因工程概论，张惠展编著，华东理工大学出版社。 植物基因工程原理与技术，王关林，方宏筠主编，科学出版社。 分子克隆实验指南，J. Sambtook, EF Frish, T Maniatis, 金冬雁，黎孟枫等译，科学出版社。,Chapter I 绪论,基因工程的概念 基因工程的发展史 基因工程的研究内容 基因工程的应用,生物工程,分子生物学,基因工程,基因工程的地位,一、生物工程等概念,生物工程：直接或间接利用生物体的机
3、能生产物质的技术。包括发酵技术、基因重组、细胞融合、细胞大量培养、生物反应器等技术。 生物技术：是在细胞水平上，特别是在分子水平上对生物体遗传性实现接近定向改造的一套内容繁多和复杂的技术。包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等。,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、细胞器工程、基因工程等 。生物技术的范围最广。,一、生物工程等概念,一、生物工程等概念,基因工程(又称分子克隆或基因的无性繁殖)按照预先设计好的方案，利用现代分子生物学技术，特别是酶学技术，对遗传物质DNA直接进行体外重组操作与改造，将一种生物（供体）的基因转移到另外一种生物（受体）中去，从而实现受体
4、生物的定向改造与改良。 即：通过体外基因操作，引起生物体性状改变的技术,基因工程的三要素:供体,受体,载体,广义基因工程：DNA重组技术的产业化设计与应用。 上游技术：外源基因重组、克隆和表达的设计与构建（重组DNA技术，即狭义基因工程） 下游技术：含有外源基因的生物细胞（基因工程菌或细胞）的大规模培养以及外源基因的表达、分离、纯化过程。,gene manipulation,gene cloning,recombinant DNA technology,genetic modification,new genetics,molecular agriculture,基因工程产生的理论依据,（1）
5、DNA是遗传物质 （2）DNA双螺旋结构 （3）中心法则和遗传密码 （4）基因是可切割的 （5）基因是可以转移的 （6）多肽与基因之间存在对应关系 （7）基因可以通过复制传递遗传信息,1860至1870年 奥地利学者孟德尔根据豌豆杂交实验提出遗传因子概念，并总结出孟德尔遗传定律。 1909年 丹麦植物学家和遗传学家约翰逊首次提出“基因”这一名词，用以表达孟德尔的遗传因子概念。 1944年 3位美国科学家分离出细菌的DNA（脱氧核糖核酸），并发现DNA是携带生命遗传物质的分子。 1953年 美国人沃森和英国人克里克通过实验提出了DNA分子的双螺旋模型。1969年 科学家成功分离出第一个基因。 1
6、980年 科学家首次培育出世界第一个转基因动物转基因小鼠。1983年 科学家首次培育出世界第一个转基因植物转基因烟草。1988年 K.Mullis发明了PCR技术。1990年10月 被誉为生命科学“阿波罗登月计划”的国际人类基因组计划启动1998年 一批科学家在美国罗克威尔组建塞莱拉遗传公司，与国际人类基因组计划展开竞争。 1998年12月 一种小线虫完整基因组序列的测定工作宣告完成，这是科学家第一次绘出多细胞动物的基因组图谱。,二、基因工程的发展历史,1999年9月 中国获准加入人类基因组计划，负责测定人类基因组全部序列的1%。中国是继美、英、日、德、法之后第6个国际人类基因组计划参与国，也
7、是参与这一计划的惟一发展中国家。 1999年12月1日 国际人类基因组计划联合研究小组宣布，完整破译出人体第22对染色体的遗传密码，这是人类首次成功地完成人体染色体完整基因序列的测定。2000年4月6日 美国塞莱拉公司宣布破译出一名实验者的完整遗传密码，但遭到不少科学家的质疑。 2000年4月底 中国科学家按照国际人类基因组计划的部署，完成了1%人类基因组的工作框架图。 2000年5月8日 德、日等国科学家宣布，已基本完成了人体第21对染色体的测序工作。2000年6月26日 科学家公布人类基因组工作草图，标志着人类在解读自身“生命之书”的路上迈出了重要一步。,二、基因工程的发展历史,2000年
8、12月14日 美英等国科学家宣布绘出拟南芥基因组的完整图谱，这是人类首次全部破译出一种植物的基因序列。2001年2月12日 中、美、日、德、法、英6国科学家和美国塞莱拉公司联合公布人类基因组图谱及初步分析结果。 迄今为止，全基因测序 ，转录组测序等已经大规模展开，在华大基因，北京贝瑞和康、上海生工、南京金斯瑞等测序公司已经全面展开基因的大规模测序，为研究基因功能奠定基础。,二、基因工程的发展史,二、基因工程的发展历史,基因工程的准备阶段（理论上和技术上） 基因工程问世 基因工程迅速发展阶段,1、理论上的准备,生物的遗传物质DNA的发现：（现代生物科学的开端） DNA双螺旋结构和半保留复制机理的
9、建立（大大促进生物科学的发展） 遗传信息传递方式（中心法则）（为基因工程的诞生奠定了理论基础）,二、基因工程的发展史,沃森和克里克提出的DNA分子结构,2、技术上的准备,限制性内切酶和DNA连接酶的发现（标志着DNA重组时代的开始） 载体的使用 基因的体外重组,二、基因工程的发展史,逆转录酶的发现。,基因工程问世,1973年，Cohen等首次完成 重组质粒DNA对大肠杆菌的转化，同时又与别人合作，将非洲爪蟾含核糖体基因的DNA片段与质粒pSC101重组，转化大肠杆菌，转录出相应的mRNA。此研究成果表明基因工程已正式问世，不仅宣告质粒分子可以作为基因克隆载体，能携带外源DNA导人宿主细胞，并且
10、证实真核生物的基因可以转移到原核生物细胞中，并在其中实现功能表达。,基因工程迅速发展阶段,1980年首次通过显微注射培育出世界上第一个转基因动物转基因小鼠 1983年采用农杆菌介导法培育出世界上第一例转基因植物转基因烟草基因工程基础研究的发展推动了基因工程应用的迅速发展,目前已有多种采用基因工程技术研制生产的贵重药物， 自1986年首次批准转基因烟草进行田间试验以来， 至1994年11月短短几年，全世界批准进行田间试验的转基因植物就有1467例， 又过4年，至1998年4 月已达4387项。,基因工程迅速发展阶段,如果说20世纪80-90年代是基因工程基础研究趋向成熟，应用研究初露锋芒的阶段
11、那么，21世纪初将是基因工程应用研究的鼎盛时期，农林牧渔医的很多产品都会打上基因工程的标记,基因工程迅速发展阶段,三、基因工程的研究内容,基础研究应用研究,基因工程克隆载体的研究 基因工程受体系统的研究 目的基因的研究 基因工程工具酶的研究 基因工程新技术的研究,1、基础研究,1、基础研究,特定目的基因的分离或合成 构建重组DNA分子 转化宿主细胞 筛选重组DNA菌落 目的基因的有效表达,3、基本步骤：(切、接、转、增、检）,（1） 从供体细胞中分离出基因组DNA，用限制性核酸内切酶分别将外源DNA包括（外源基因或目的基因）和载体分子切开（“切”） （2） 用DNA连接酶将含有外源基因的DNA
12、片段接到载体分子上，形成DNA重组分子（“接”） （3） 借助于细胞转化手段将DNA重组分子导入受体细胞中（“转”） （4） 短时间培养转化细胞，以扩增DNA重组分子或使其整合到受体细胞的基因组中（“增”） （5） 筛选和鉴定转化细胞，获得使外源基因高效稳定表达的基因工程菌或细胞（“检”）,4、基因克隆需要特殊的工具和技术,运输工具： 细菌质粒 病毒染色体 DNA操作技术 纯化DNA 剪切DNA分子 分析DNA片段大小 连接DNA分子 将DNA转入受体细胞 重组子的鉴定,2、基因工程应用研究,基因工程已在医药业、农牧业、食品工业、环境保护、能源开发等领域重到了广泛的应用,2、基因工程的应用和发
13、展,农业应用 应用重组技术培育具有改良性状的粮食作物的工作已初见成效。这方面工作按照发展水平可以分为三个不同的阶段： （1）主要集中于有重要农业经济意义的目的基因的分离与改造 （2）主要目标是培育出具有改良有重要经济性状的工程植株 （3)发展方向是培育出具有生物反应器功能的工程植株,具有抗虫、抗病、抗除草剂性状的转基因农作物（应用反义RNA技术培育成功的具有耐贮藏的转基因西红柿，已开始在美国投放市场 利用植物合成微生物甚至哺乳动物的一些特殊蛋白质，如干扰素，人血清蛋白等 理论上讲，在将来还有可能通过转基因植物生产更多的药用蛋白质。,基因工程的应用和发展,抗病虫性 提高品质 提高花卉的观赏价值
14、抗逆性 家畜 瘦肉比 饲料利用率 加快生长,医药业应用 重组DNA技术还有力地促进了医学科学研究的发展，如疾病的临床诊断、遗传病的基因治疗、新型疫苗的研制以及癌症和艾滋病的研究等，并且已取得了相当的成就。 在肿瘤方面的重要突破是发现了致癌基因，弄清了肿瘤的起因。,基因工程的应用和发展,在医药业的应用 （1）转基因细菌生产激素类药物 （2）转基因细菌生产抗生素 （3）转基因微生物生产疫苗 基因治疗: 单基因缺陷的诊断 , 检测遗传疾病、病原: 诊断遗传病 ,遗传损伤 ,癌症,基因工程的应用和发展,重组药物,表1 主要基因工程产品的研制、开发、上市时间,工业方面的应用：主要用于轻工业和能源工业 （1）转基因微生物生产高分子多聚物 （2）转基因微生物与环境净化和废料再生,基因工程的应用和发展,2、基因工程的意义,基因工程可以突破远缘有性杂交的困难，使基因在微生物、植物、动物之间交流，迅速并定向的获得人类需要的新的生物类型 。 其意义体现在以下三个方面： 大规模的生产生物大分子 设计构建新物种 搜寻、分离和鉴定生物体尤其是人体内的遗传信息。,
