基因工程绪论PPT演示课件

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1、基因工程原理与操作基因工程原理与操作.学习内容学习内容第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 基因工程工具酶基因工程工具酶第三章第三章 基因工程载体基因工程载体第四章第四章 核酸操作的基本技术核酸操作的基本技术第五章第五章 聚合酶链式反应聚合酶链式反应第六章第六章 基因文库的构建与目的基因获得基因文库的构建与目的基因获得.学习内容学习内容第七章第七章 DNA体外重组与基因转移体外重组与基因转移第八章第八章 重组子的筛选与鉴定重组子的筛选与鉴定第九章第九章 外源基因的表达外源基因的表达第十章第十章 生物信息学生物信息学第十一章第十一章 基因工程规则、安全性及专利基因工程规则、安全性及专利 .基本要求

2、基本要求了解基因工程的发展历史及意义。了解基因工程的发展历史及意义。掌握基因克隆的工具及基本方法。掌握基因克隆的工具及基本方法。了解怎样利用基因重组技术研究基因的结构、表达和调控。了解怎样利用基因重组技术研究基因的结构、表达和调控。能够设计一个基因克隆的程序。能够设计一个基因克隆的程序。利用基因工程生产重组蛋白。利用基因工程生产重组蛋白。.学习资料学习资料教材教材 基因工程原理与应用基因工程原理与应用 陈宏陈宏 2003 中国农业出版社中国农业出版社参考书参考书 基因工程原理基因工程原理 吴乃虎吴乃虎 1999 科学出版社科学出版社 分子克隆实验指南分子克隆实验指南 J. Sambtook E

3、F Frish T Maniatis； 金冬雁金冬雁 等译等译 科学出版社科学出版社.考核要求考核要求期末期末闭卷闭卷考试，占总成绩考试，占总成绩70%。课堂课堂提问及出勤提问及出勤，占总成绩，占总成绩30% 。.第一章第一章 绪绪 论论问题问题1.什么是基因工程？什么是基因工程？2.基因工程是如何发展形成的？基因工程是如何发展形成的？3.基因工程的研究内容是什么？基因工程的研究内容是什么？4.基因工程发展前景如何？基因工程发展前景如何？.第一节第一节 基因工程的概念基因工程的概念 基因工程（基因操作），分子生物学、分子基因工程（基因操作），分子生物学、分子遗传学等学科基础上，遗传学等学科基础

4、上，20世纪世纪70年代诞生一门崭年代诞生一门崭新的生物技术科学。新的生物技术科学。基因工程基因工程 指在指在体外体外将将核酸分子核酸分子插入插入病毒、质粒病毒、质粒或其他或其他载体载体分子，构成遗传物质的分子，构成遗传物质的新组合新组合，并使之，并使之参入参入到原先没有这类分子的到原先没有这类分子的寄主细胞寄主细胞内，而能持续稳内，而能持续稳定的定的繁殖繁殖。. 基因工程发展至今基因工程发展至今30多年的历史，所使用的名词术语多年的历史，所使用的名词术语还未统一。文献中常见的有还未统一。文献中常见的有 遗传工程遗传工程（genetic engineering） 基因工程基因工程（gene e

5、ngineering） 基因操作基因操作（gene manipulation） 重组重组DNA技术技术（recombinant DNA technique） 基因克隆基因克隆（gene cloning） 分子克隆分子克隆（ molecular cloning ）.第二节第二节 基因工程的诞生与发展基因工程的诞生与发展 一、基因工程诞生的一、基因工程诞生的理论基础理论基础 基因工程基因工程 1973 无数科学家无数科学家 智慧与劳动智慧与劳动.（一）理论上的三大发现（一）理论上的三大发现1.证实了证实了DNA是遗传物质是遗传物质 基因学说的创立基因学说的创立 基因与基因与DNA物质物质.现代遗传

6、学之父，奥地利生物学家格雷戈现代遗传学之父，奥地利生物学家格雷戈尔尔孟德尔（孟德尔（Johann Gregor Mendel，18221884）并未描述过）并未描述过基因基因，也没有，也没有观测到基因以及使用基因这个词。但这位观测到基因以及使用基因这个词。但这位奥地利传教士发现了遗传定律，他通过繁奥地利传教士发现了遗传定律，他通过繁育豌豆，画出其结果图，就得出了卓越的育豌豆，画出其结果图，就得出了卓越的结论。结论。 . 1900年年，成成为为遗遗传传学学史史乃乃至至生生物物科科学学史史上上划划时时代代的的一一年年，来来自自三三个个国国家家的的三三位位学学者者同同时时独独立立地地“重重新新发发现

7、现”孟孟德德尔尔遗遗传传定定律律，他他们们是是荷荷兰兰的的德德弗弗里里斯斯(Hugo De Vries)、德德国国的的柯柯灵灵斯斯(Carl Erich Correns)和和澳澳大大利利亚亚的的契契马马克克(Erich von Tschermak-Seysenegg)。遗传学进人了孟德尔时代。遗传学进人了孟德尔时代。 1909年年，丹丹麦麦生生物物学学家家约约翰翰逊逊 根根据据希希腊腊文文“给给予予生生命命”之之义义，创创造造了了基基因因（gene）一一词词，并并用用这这个个术术语语代代替替孟孟德德尔尔的的“遗遗传传因因子子”。不不过过他他所所说说的的基基因因并并不不代代表表物物质质实实体体，

8、而而是是一一种种与与细细胞胞的的任任何何可可见见形形态态结结构构毫毫无无关关系系的的抽抽象象单单位。位。 .果蝇是上帝专门为摩尔根创造的果蝇是上帝专门为摩尔根创造的 美美国国遗遗传传学学家家摩摩尔尔根根（Thomas Hunt Morgan，18661945）对对基基因因学学说说的的建建立立作作出出了了卓卓越越的的贡贡献献。1915年年至至1928年年，他他和和他他的的助助手手以以果果蝇蝇作作为为实实验验材材料料，第第一一次次将将代代表表某某一一特特定定性性状状的的基基因因，同同某某一一特特定定的的染染色色体体联联系系了了起起来来，创创立立了了遗遗传传的染色体理论。的染色体理论。 .基因的化学

9、本质就是基因的化学本质就是DNA分子分子 加加拿拿大大生生物物化化学学家家艾艾弗弗里里（Oswald Theodore Avery，18771955 ）。1945年年，他他和和他他的的合合作作者者在在纽纽约约进进行行细细菌菌转转化化的的研研究究（下下图图），实实验验材材料料是是肺肺炎炎链链球球菌菌，结结果果说说明明，使使细细菌菌性性状状发发生生转转化化的的因因子子是是DNA，而而不不是是蛋蛋白白质质或或RNA。 这这一一重重大大的的发发现现轰轰动动了了整整个个生生物物界界，在在遗遗传传学学理理论论上上树树起起了了全全新新的的观观点点，即即DNA分分子子是是遗遗传信息的载体传信息的载体。. 当当

10、人人们们为为艾艾弗弗里里的的实实验验而而激激烈烈争争论论时时，美美国国微微生生物物学学家家赫赫尔尔希希（Alfred Day Hershey，19081997）等等人人在在考考虑虑，能能否否将将蛋蛋白白质质和和DNA完完全全分分开开，单单独独观观察察DNA的的作作用用呢呢？他他们们的的实实验验材材料料是是T2噬噬菌菌体体。实实验验证证实实，进进入入细细菌菌细细胞胞的的噬噬菌菌体体是是核核酸酸；进进而而说说明明，携携带带遗遗传传信信息息的的是是核核酸酸，而而不不是是蛋蛋白白质质。噬噬菌菌体体的的DNA不不但但包包括括噬噬菌菌体体自自我我复复制制的的信信息息，而而且且包包括括合合成成噬噬菌菌体体蛋

11、蛋白白质质所需要的全部信息。所需要的全部信息。 1952年年，赫赫尔尔希希和和他他的的学学生生共共同同发发表表报报告告，肯肯定定了了艾艾弗弗里里的的结结论论。 此此后，再也无人怀疑后，再也无人怀疑DNA是遗传物质了。是遗传物质了。 美国冷泉港卡内基美国冷泉港卡内基遗传学实验室遗传学实验室.（一）理论上的三大发现（一）理论上的三大发现2.揭示了揭示了DNA分子的双螺旋结构模型和半保留复制机理分子的双螺旋结构模型和半保留复制机理 双螺旋结构双螺旋结构 是双链、三链还是四链？三螺旋还是双螺旋？是双链、三链还是四链？三螺旋还是双螺旋？ 半保留复制半保留复制. 1953年年，最最伟伟大大的的模模型型DN

12、A双双螺螺旋旋结结构构模模型型被被提提出出来来了了，两两位位创创立立者者是是美美国国生生物物化化学学家家沃沃森森和和英英国国生生物物物物理理学学家家克克里里克克。这这一一模模型型的的建建立立，揭揭开开了了生生物物遗遗传传信信息息传传递递的的秘秘密密，从从遗遗传传物物质质结结构构变变化化的的角角度度解解释释了了遗遗传传性性状状突突变变的的原原因因，并并标标志志着着遗遗传传学学完完成成了由了由“经典经典”向向“分子分子”时代的过渡。时代的过渡。 双双螺螺旋旋结结构构发发现现年年来来，生生命命的的很很多多秘秘密密已已经经被被解解开开，但但剩剩下下的的秘秘密密更更多多。一一切切不不过过只只是是刚刚刚刚

13、开开始始。“今今天天比比我我起起步步的的时时候候有有更更多多的的新新的的疆疆域域，”沃沃森森在在接接受受美美国国时时代代周周刊刊采采访访时时曾曾表表示示，“未未来来几几百百年年中中，还还会会有有足足够够多多的的问问题题需需要要人人们们去去应应对对。” .1957年年 ， 当当 时时 在在Caltech作作研研究究生生的的 Meselson和和作作博博士士后后的的Stahl设设计计并并实实现现了了这这组组著著名名的的，证证明明了了DNA复复制制半半保保留留机机理理的的实验。实验。 .（一）理论上的三大发现（一）理论上的三大发现3.遗传密码的破译和遗传信息传递方式的确定遗传密码的破译和遗传信息传递

14、方式的确定 遗传密码遗传密码 -生命的语言生命的语言 数学推理阶段和实验研究阶段数学推理阶段和实验研究阶段 中心法则中心法则 -生命信息的传递生命信息的传递 第一阶段和第二阶段第一阶段和第二阶段 .1954 年年 俄裔美国物理学家伽莫夫提出蛋白俄裔美国物理学家伽莫夫提出蛋白质的遗传密码是由质的遗传密码是由 3 个碱基的排列组合而成个碱基的排列组合而成的假说。的假说。 1961年，美国生物学家尼伦伯格（年，美国生物学家尼伦伯格（Marshall Warren Nirenberg，1927）（左图）等）（左图）等人成功破译了遗传密码，以无可辩驳的科学人成功破译了遗传密码，以无可辩驳的科学依据证实了

15、依据证实了DNA双螺旋结构的正确性。双螺旋结构的正确性。 有关遗传密码的几个问题有关遗传密码的几个问题 “密码比密码比” “密码是否重叠密码是否重叠” “相邻的相邻的2个三联体之间是否存在（逗号）个三联体之间是否存在（逗号）”.遗传密码表遗传密码表霍拉纳霍拉纳(1922 ) （右图）美国生物化学（右图）美国生物化学19601966年，破译了年，破译了mRNA的全部基因的全部基因密码，并在蛋白质合成机制、信使核糖核酸密码，并在蛋白质合成机制、信使核糖核酸等方面取得了重要研究成果。等方面取得了重要研究成果。.在遗传学上，我们在遗传学上，我们把遗传信息的流动把遗传信息的流动方向叫做方向叫做信息流信息

16、流。信息流的方向可以信息流的方向可以用科学家克里克提用科学家克里克提出的出的“中心法则中心法则”来表示。来表示。 科学是永无止境的，它是科学是永无止境的，它是一个永恒之谜一个永恒之谜。爱因斯坦爱因斯坦 .（二）技术上的三大发明（二）技术上的三大发明1.限制性核酸内切酶的发现与限制性核酸内切酶的发现与DNA的切割的切割内森斯使用内森斯使用II型限制性内切酶首次完成了对型限制性内切酶首次完成了对基因的基因的体外切割体外切割。他们的研究成果为人类在分子水平上。他们的研究成果为人类在分子水平上实现人工基因重组提供了有效的技术手段。实现人工基因重组提供了有效的技术手段。 1965年年阿阿尔尔伯伯首首次次

17、从从理理论论上上提提出出了了生生物物体体内内存存在在着着一一种种具具有有切切割割基基因因功功能能的的限限制制性性内内切切酶酶，并并于于1968年年成功分离出成功分离出I型限制性内切酶型限制性内切酶。1970年史密斯分离出了年史密斯分离出了II型限制性内切酶型限制性内切酶.（二）技术上的三大发明（二）技术上的三大发明2.DNA连接酶的发现与连接酶的发现与DNA片断的连接片断的连接1967年年在在世世界界上上有有5个个实实验验室室几几乎乎同同时时发发现现了了DNA连连接接酶酶。1970年年当当时时在在Wisconsin大大学学的的一一个个实实验验小小组组，发发现现T4DNA连连接接酶酶具具有有更更

18、高高的的连连接接活活性性。到到了了1972年年底底，人人们们已已经经掌掌握握了了好好几几种种连连接接双双链链DNA分子的方法。分子的方法。.（二）技术上的三大发明（二）技术上的三大发明3.基因工程载体的研究与应用基因工程载体的研究与应用.二、基因工程的诞生二、基因工程的诞生 20世世纪纪70年年代代初初期期，理理论论和和技技术术层层面面已已具具备备开开展展DNA重重组工作的条件。组工作的条件。 1972年年， Stanford的的P. Berg博博士士领领导导的的研研究究小小组组，率率先完成了世界上第一次成功的先完成了世界上第一次成功的DNA体外重组实验。体外重组实验。 1973年年，Stan

19、ford的的Cohen等等成成功功地地利利用用体体外外重重组组实实现现了细菌间性状的转移。了细菌间性状的转移。 1973年被定为基因工程诞生的元年。年被定为基因工程诞生的元年。 .第三节第三节 基因工程研究的主要内容基因工程研究的主要内容一、基因工程研究的主要内容一、基因工程研究的主要内容 基础研究基础研究 克隆载体的研究克隆载体的研究 受体系统的研究受体系统的研究 目的基因的研究目的基因的研究 生物基因组学研究生物基因组学研究 应用研究应用研究 .二、基因工程的基本操作程序二、基因工程的基本操作程序 从细胞中分从细胞中分从细胞中分从细胞中分离出离出离出离出DNADNADNADNA限制酶截取限

20、制酶截取限制酶截取限制酶截取DNADNADNADNA片断片断片断片断分离大肠杆分离大肠杆分离大肠杆分离大肠杆菌中的质粒菌中的质粒菌中的质粒菌中的质粒 DNADNADNADNA重组重组重组重组用重组质粒用重组质粒用重组质粒用重组质粒转化大肠杆菌转化大肠杆菌转化大肠杆菌转化大肠杆菌培养大肠杆菌培养大肠杆菌培养大肠杆菌培养大肠杆菌克隆大量基因克隆大量基因克隆大量基因克隆大量基因.第四节第四节 基因工程的意义与发展前景基因工程的意义与发展前景基因工程可以绕过远缘有性杂交的困难，使基因在微生物、基因工程可以绕过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植物、动

21、物之间交流，迅速并定向的获得人类需要的新的生物类型生物类型 。概括地讲，其意义体现在以下三个方面：概括地讲，其意义体现在以下三个方面：大规模的生产生物分子大规模的生产生物分子设计构建新物种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。搜寻、分离和鉴定生物体尤其是人体内的遗传信息。基因工程的意义基因工程的意义.主要基因工程产品的研制、开发、上市时间主要基因工程产品的研制、开发、上市时间产品产品时间时间国家国家用途用途上市上市时间时间国家国家人生长激素释放抑制素人生长激素释放抑制素(SRM)1977日本日本巨人症巨人症人胰岛素人胰岛素1978美国美国糖尿病糖尿病1982欧洲欧洲人生长

22、激素（人生长激素（HGH）1979美国美国侏儒症侏儒症1985美国美国人人-干扰素（干扰素（IFN）1980美国美国病毒病毒1985欧洲欧洲乙肝疫苗（乙肝疫苗（HBsAgV）1983美国美国乙肝乙肝1986欧洲欧洲人白细胞介素人白细胞介素1984美国美国肿瘤肿瘤1989欧洲欧洲人促红细胞生成素（人促红细胞生成素（EPO）日本日本贫血贫血1988欧洲欧洲人粒细胞集落刺激因子人粒细胞集落刺激因子(G-CSF)白血病白血病1991美国美国人组织纤溶酶原激活剂（人组织纤溶酶原激活剂（t-PA）血栓症血栓症1987 美国美国.基因工程的发展前景基因工程的发展前景 1976年年 ， 世世 界界 上上 第第

23、 一一 个个 基基 因因 公公 司司 在在 美美 国国 成成 立立 ，“Genetech”注注册册登登记记，意意味味着着基基因因工工程程的的实实际际应应用用已已跨跨入入商商业业运运作作的的门门槛槛。 生生物物工工程程从从此此进进入入产产业业化化，生生物物技技术术产产业业是是当当今今世世界界经经济济中中最最富富有有活活力力的的先先导导性性、战战略略性性新新兴兴产业产业 由由于于重重组组DNA技技术术的的突突破破，生生物物技技术术的的应应用用已已遍遍及及农农业业、食食品品、医医药药、卫卫生生、化化工工、环环保保、资资源源、能能源源、海海洋洋开开发发等等各各个个领领域域，为为解解决决人人类类的的食食

24、物物、健健康康、资资源源、能能源源、环环境等重大问题发挥了重要作用。境等重大问题发挥了重要作用。 . 中中国国生生物物技技术术已已经经形形成成产产业业，但但发发展展中中依依然然存在问题，现在急需进行产业整合。存在问题，现在急需进行产业整合。 一是一是产业规模太小产业规模太小； 二是二是产品缺乏创新产品缺乏创新； 三是三是科研手段落后科研手段落后； 四是四是生产装备落后生产装备落后。. 思考题思考题 什么是基因工程？什么是基因工程？ 基因工程诞生的理论和技术基础是什么？基因工程诞生的理论和技术基础是什么？ 基因工程研究的内容是什么？基因工程研究的内容是什么？ 基因工程的一般操作步骤是什么？基因工程的一般操作步骤是什么？.