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1、第十一章第十一章 基因工程基本概念基因工程基本概念和基本原理和基本原理 第二节、第二节、基因工程的基本概念基因工程的基本概念第三节、第三节、基因工程的基本原理基因工程的基本原理第一节、第一节、基因工程的成果和发展前景基因工程的成果和发展前景1第一节第一节 基因工程的成果和发展前景基因工程的成果和发展前景一、基因工程与医药卫生一、基因工程与医药卫生二、基因工程与农牧业、食品工业二、基因工程与农牧业、食品工业三、基因工程与环境保护三、基因工程与环境保护2一一、引引言言（一）历史（一）历史1917 1917 ：提出：提出19531953：基因的奠基人詹姆斯：基因的奠基人詹姆斯. .沃森和弗朗西斯沃森
2、和弗朗西斯. .克里克里克，他们发现克，他们发现DNADNA的双螺旋结构的双螺旋结构。DNADNA之父。之父。DNADNA之母：罗莎琳德之母：罗莎琳德. .富兰克林，她用富兰克林，她用X X射线衍射射线衍射DNADNA晶体晶体得到了影像，从而分辨出这种分子的维度、角度和形状；得到了影像，从而分辨出这种分子的维度、角度和形状；她发现她发现DNADNA是螺旋结构，至少两股，其化学是螺旋结构，至少两股，其化学“信息信息”面面向进里面。向进里面。19731973：第一个成功的克隆转化实验，第一个有目的的：第一个成功的克隆转化实验，第一个有目的的基因重组实验，是现代生物技术的标志。基因重组实验，是现代生
3、物技术的标志。19971997：英培育出世界上第一例体细胞克隆动物：英培育出世界上第一例体细胞克隆动物“多莉多莉”羊，羊，20032003年年2 2月月1414日去世。日去世。19981998：日本培育出体细胞克隆动物：日本培育出体细胞克隆动物8 8头牛犊。头牛犊。3一一、引引言言20002000：果蝇的基因组图谱绘制完成；人类基因组图：果蝇的基因组图谱绘制完成；人类基因组图谱的绘制工作完成。谱的绘制工作完成。20022002：疟原虫、按蚊的基因组图谱完成；完成水稻、：疟原虫、按蚊的基因组图谱完成；完成水稻、小鼠的基因组图谱。小鼠的基因组图谱。20032003：意大利培育出第一匹克隆马，人类基
4、因组序：意大利培育出第一匹克隆马，人类基因组序列基本完成。列基本完成。420052005年：全球首只克隆狗在韩国公开露面年：全球首只克隆狗在韩国公开露面 一一、引引言言“斯纳皮斯纳皮”与与“父母父母” 5DNA的双螺旋结构世界首只克隆羊“多莉”一一、引引言言6一、一、 基因工程与医药卫生基因工程与医药卫生基因工程药品的生产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。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，其价格往往十分受材料来源限制产量有限，其价格往往十分受材料来源限制产量有限，其价格往往十分
5、受材料来源限制产量有限，其价格往往十分昂贵。昂贵。昂贵。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，还能大大降的药物，不但能解决产量
6、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。低生产成本。低生产成本。7基因工程胰岛素（一）基因工程胰岛素（一）胰岛素是治疗糖尿病的特效药，长期以来只能依靠从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，猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg100Kg胰腺只能提取胰腺只能提取4-4-5g5g的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。胰胰胰胰岛岛岛岛素素素素分分分分子子子子结结结结构构构构8基因工程胰岛素（二）基因工程胰岛素（二）将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每200
7、0L2000L培养液就能产生培养液就能产生100g100g胰岛素！大规模工业化生胰岛素！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，产不但解决了这种比黄金还贵的药品产量问题，还使其价格降低了还使其价格降低了30%-50%!30%-50%!胰胰胰胰岛岛岛岛素素素素生生生生产产产产车车车车间间间间9基因工程干扰素（一）基因工程干扰素（一）干扰素治疗病毒感染简直是干扰素治疗病毒感染简直是“万能灵药万能灵药”！过！过去从人血中提取，去从人血中提取，300L300L血才提取血才提取1mg1mg！其其“珍珍贵贵”程度自不用多说。程度自不用多说。干扰素生产车间干扰素生产车间干扰素生产车间干扰素生
8、产车间干扰素分子结构干扰素分子结构干扰素分子结构干扰素分子结构10基因工程干扰素基因工程干扰素( ( 二）二）基因工程人干扰素基因工程人干扰素-2b-2b（安达芬）安达芬） 是我国第一个全国是我国第一个全国产化基因工程人干扰素产化基因工程人干扰素-2b-2b，具有抗病毒，抑制肿瘤具有抗病毒，抑制肿瘤细胞增生，调节人体免疫功能的作用，广泛用于病毒性细胞增生，调节人体免疫功能的作用，广泛用于病毒性疾病治疗和多种肿瘤的治疗，是当前国际公认的病毒性疾病治疗和多种肿瘤的治疗，是当前国际公认的病毒性疾病治疗的首选药物和肿瘤生物治疗的主要药物。疾病治疗的首选药物和肿瘤生物治疗的主要药物。11其它基因工程药物
9、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。康水平发挥了重大的作用。人人人人造造造造血血血血液液液液及及及及其其其其生生生生产产产产12基因诊断与基因治疗基因诊断与基因治疗运用基因工程设计制造运用基因工程设计制造的的“DNADNA探针探针”检测肝炎检测肝炎病毒等病毒感染及遗传病毒等病毒感染及遗传缺陷，不但准确而且迅缺陷，不但准确而且迅速。通过基因工程给患速。通过基因工程给患有遗传病的人体内导入有遗传病的人体内导入正常
10、基因可正常基因可“一次性一次性”解除病人的疾苦。解除病人的疾苦。我国研究人员正在制备用于我国研究人员正在制备用于我国研究人员正在制备用于我国研究人员正在制备用于基因治疗的基因工程细胞基因治疗的基因工程细胞基因治疗的基因工程细胞基因治疗的基因工程细胞13SCID的的基因工程治疗基因工程治疗重症联合免疫缺陷（重症联合免疫缺陷（SCID）患者缺乏正常的人体免疫功患者缺乏正常的人体免疫功能，只要稍被细菌或者病毒能，只要稍被细菌或者病毒感染，就会发病死亡。这个感染，就会发病死亡。这个病的机理是细胞的一个常染病的机理是细胞的一个常染色体上编码腺苷酸脱氨酶色体上编码腺苷酸脱氨酶（简称（简称ADA）的基因的基
11、因（ada）发生了突变。可以通发生了突变。可以通过基因工程的方法治疗。过基因工程的方法治疗。SCIDSCID患者生存在无菌环境中患者生存在无菌环境中14基因治疗基因治疗SCID的过程的过程15二、二、 基因工程与农牧业、食品工业基因工程与农牧业、食品工业运用基因工程技术，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。16转基因鱼转基因鱼生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼( (中国中国) )17转基因牛转基因
12、牛乳汁中含有人生长激素的转基因牛乳汁中含有人生长激素的转基因牛( (阿根廷阿根廷) )18转黄瓜抗青枯病基因的甜椒转黄瓜抗青枯病基因的甜椒19转鱼抗寒基因的番茄转鱼抗寒基因的番茄20转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯21不会引起过敏的转基因大豆不会引起过敏的转基因大豆22超级动物超级动物导入贮藏蛋白基因的超级羊和超级小鼠导入贮藏蛋白基因的超级羊和超级小鼠23特殊动物特殊动物导入人基因具特殊用途的猪和小鼠导入人基因具特殊用途的猪和小鼠24三、基因工程与三、基因工程与环境保护环境保护基因工程做成的基因工程做成的DNADNA探针能够十分灵敏地检测环境探针能够十分灵敏地检测环境中的病
13、毒、细菌等污染。中的病毒、细菌等污染。1t1t水中只有水中只有1010个病毒也能被个病毒也能被DNADNA探针检测出来探针检测出来基因工程在环境监测上的应用基因工程在环境监测上的应用25利用基因工程培育的指示生物能十分灵敏地反映环境利用基因工程培育的指示生物能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。可以吸收和转化污染物。基因工程在环境监测上的应用基因工程在环境监测上的应用地地衣衣苔苔藓藓26基因工程与环境污染治理基因工程与环境污染治理基因工程做成的基因工程做成的“超级细菌超级细菌”能吞食和分解多种污染环
14、能吞食和分解多种污染环境的物质。境的物质。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功的功的功的“ “超级细菌超级细菌超级细菌超级细菌” ”却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞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，分解食转化汞、镉等重金属，分解食转化汞、镉等重金属，分解食转化汞、镉等重金属，分解DDTDD
15、TDDTDDT等毒害物质。等毒害物质。等毒害物质。等毒害物质。27四、四、基因工程的基本形式基因工程的基本形式第二节第二节第二节第二节 、基因工程的基本概念、基因工程的基本概念三、三、 重组重组DNADNA技术技术与基因工程的基本用途与基因工程的基本用途二、二、 基因工程的基本定义基因工程的基本定义一、一、 重组重组DNADNA技术技术的基本定义的基本定义28一、一、 重组重组DNA技术技术的基本定义的基本定义基因工程的基本概念 重组重组重组重组DNADNA技术技术技术技术是指将一种生物体（是指将一种生物体（是指将一种生物体（是指将一种生物体（供体供体供体供体）的）的）的）的基基基基因因因因与
16、与与与载体载体载体载体在体外进行拼接重组，然后转入另一种生在体外进行拼接重组，然后转入另一种生在体外进行拼接重组，然后转入另一种生在体外进行拼接重组，然后转入另一种生物体（物体（物体（物体（受体受体受体受体）内，使之按照人们的意愿稳定遗传并）内，使之按照人们的意愿稳定遗传并）内，使之按照人们的意愿稳定遗传并）内，使之按照人们的意愿稳定遗传并表达出新产物或新性状的表达出新产物或新性状的表达出新产物或新性状的表达出新产物或新性状的DNADNA体外操作程序，也称体外操作程序，也称体外操作程序，也称体外操作程序，也称为为为为分子克隆技术分子克隆技术分子克隆技术分子克隆技术。 因此，因此，因此，因此，供
17、体供体供体供体、受体受体受体受体、载体载体载体载体是重组是重组是重组是重组DNADNA技术的三技术的三技术的三技术的三大基本元件。大基本元件。大基本元件。大基本元件。LuDong University二、二、 基因工程的基本定义基因工程的基本定义基因工程的基本概念 基因工程基因工程基因工程基因工程是指重组是指重组是指重组是指重组DNADNA技术的产业化设计与应用，包技术的产业化设计与应用，包技术的产业化设计与应用，包技术的产业化设计与应用，包括括括括上游技术上游技术上游技术上游技术和和和和下游技术下游技术下游技术下游技术两大组成部分。两大组成部分。两大组成部分。两大组成部分。上游技术上游技术上
18、游技术上游技术指的是基指的是基指的是基指的是基因重组、克隆和表达的设计与构建（即重组因重组、克隆和表达的设计与构建（即重组因重组、克隆和表达的设计与构建（即重组因重组、克隆和表达的设计与构建（即重组DNADNA技术）；技术）；技术）；技术）；而而而而下游技术下游技术下游技术下游技术则涉及到基因工程菌或细胞的大规模培养以及则涉及到基因工程菌或细胞的大规模培养以及则涉及到基因工程菌或细胞的大规模培养以及则涉及到基因工程菌或细胞的大规模培养以及基因产物的分离纯化过程。基因产物的分离纯化过程。基因产物的分离纯化过程。基因产物的分离纯化过程。LuDong University三、三、 重组重组DNA技术
19、技术与基因工程与基因工程的基本用途的基本用途分离、扩增、鉴定、研究、整理分离、扩增、鉴定、研究、整理分离、扩增、鉴定、研究、整理分离、扩增、鉴定、研究、整理生物信息资源生物信息资源生物信息资源生物信息资源大规模生产大规模生产大规模生产大规模生产生物活性物质生物活性物质生物活性物质生物活性物质设计、构建设计、构建设计、构建设计、构建生物的新性状甚至新物种生物的新性状甚至新物种生物的新性状甚至新物种生物的新性状甚至新物种基因工程的基本概念LuDong University大规模生产生物活性物质大规模生产生物活性物质大规模生产生物活性物质大规模生产生物活性物质工程细胞工程细胞工程细胞工程细胞基因工程
20、基因工程基因工程基因工程蛋白质工程蛋白质工程蛋白质工程蛋白质工程途径工程途径工程途径工程途径工程发酵工程发酵工程发酵工程发酵工程细胞工程细胞工程细胞工程细胞工程分离工程分离工程分离工程分离工程酶酶酶酶酶工程酶工程酶工程酶工程分分分分离离离离工工工工程程程程天然细胞天然细胞天然细胞天然细胞天然细胞天然细胞天然细胞天然细胞生物活性物质生物活性物质生物活性物质生物活性物质LuDong University四、四、 基因工程的基本形式基因工程的基本形式第一代基因工程第一代基因工程第一代基因工程第一代基因工程 蛋白多肽基因的高效表达蛋白多肽基因的高效表达蛋白多肽基因的高效表达蛋白多肽基因的高效表达 经典
21、基因工程经典基因工程经典基因工程经典基因工程第二代基因工程第二代基因工程第二代基因工程第二代基因工程 蛋白编码基因的定向诱变蛋白编码基因的定向诱变蛋白编码基因的定向诱变蛋白编码基因的定向诱变 蛋白质工程蛋白质工程蛋白质工程蛋白质工程第三代基因工程第三代基因工程第三代基因工程第三代基因工程 代谢信息途径的修饰重构代谢信息途径的修饰重构代谢信息途径的修饰重构代谢信息途径的修饰重构 途径工程途径工程途径工程途径工程 第四代基因工程第四代基因工程第四代基因工程第四代基因工程 基因组或染色体的转移基因组或染色体的转移基因组或染色体的转移基因组或染色体的转移 基因组工程基因组工程基因组工程基因组工程基因工
22、程的基本概念LuDong University四、四、基因工程的支撑技术基因工程的支撑技术第三节第三节第三节第三节 、基因工程的基本原理、基因工程的基本原理 三、三、三、三、基因工程的基本原理基因工程的基本原理基因工程的基本原理基因工程的基本原理二、二、 基因的分子生物学基因的分子生物学一、一、 重组重组重组重组DNADNA技术的理论基础技术的理论基础技术的理论基础技术的理论基础34一、一、 重组重组DNA技术的理论基础技术的理论基础基因工程的基本原理基因工程的基本原理 1919世纪中世纪中世纪中世纪中 孟德尔孟德尔孟德尔孟德尔 豌豆杂交试验豌豆杂交试验豌豆杂交试验豌豆杂交试验 遗传因子遗传因
23、子遗传因子遗传因子 经典遗传学经典遗传学经典遗传学经典遗传学 2020世纪初世纪初世纪初世纪初 摩尔根摩尔根摩尔根摩尔根 果蝇杂交实验果蝇杂交实验果蝇杂交实验果蝇杂交实验 基因基因基因基因 基因学基因学基因学基因学 19441944年年年年 艾弗瑞艾弗瑞艾弗瑞艾弗瑞 肺炎双球菌转化实验肺炎双球菌转化实验肺炎双球菌转化实验肺炎双球菌转化实验 遗传物质遗传物质遗传物质遗传物质DNADNA 19731973年年年年 伯格伯格伯格伯格- - - -杰克森杰克森杰克森杰克森- - - -考恩考恩考恩考恩- - - -鲍耶鲍耶鲍耶鲍耶 DNADNA分子体外拼接分子体外拼接分子体外拼接分子体外拼接分子遗传学
24、分子遗传学分子遗传学分子遗传学 19531953年年年年 沃森沃森沃森沃森- - - -克瑞克克瑞克克瑞克克瑞克 DNADNA双螺旋结构双螺旋结构双螺旋结构双螺旋结构 分子生物学分子生物学分子生物学分子生物学基因工程基因工程基因工程基因工程35基因工程的基本原理基因工程的基本原理二、二、 基因的分子生物学基因的分子生物学基因蛋白质机体构架功能效应生物催化调控元件mRNA转录翻译生物性状生物过程36基因工程的基本原理基因工程的基本原理三、三、基因工程的基本原理基因工程的基本原理 提高外源基因的剂量提高外源基因的剂量提高外源基因的剂量提高外源基因的剂量分子遗传学原理分子遗传学原理分子遗传学原理分子
25、遗传学原理 筛选修饰重组基因表达的转录调控元件，如：筛选修饰重组基因表达的转录调控元件，如：筛选修饰重组基因表达的转录调控元件，如：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、上游调控启动子、增强子、操作子、终止子、上游调控启动子、增强子、操作子、终止子、上游调控启动子、增强子、操作子、终止子、上游调控序列序列序列序列等等等等分子生物学原理分子生物学原理分子生物学原理分子生物学原理 修饰构建蛋白质生物合成的翻译调控元件，如：修饰构建蛋白质生物合成的翻译调控元件，如：修饰构建蛋白质生物合成的翻译调控元件，如：修饰构建蛋白质生物合成的翻译调控元件，如：SDSD序列、序列
26、、序列、序列、mRNAmRNA非编码区、密码子非编码区、密码子非编码区、密码子非编码区、密码子等等等等分子生分子生分子生分子生物学原理物学原理物学原理物学原理 基因工程菌（微型生物反应器）的增殖及稳定生产基因工程菌（微型生物反应器）的增殖及稳定生产基因工程菌（微型生物反应器）的增殖及稳定生产基因工程菌（微型生物反应器）的增殖及稳定生产生化工程学原理生化工程学原理生化工程学原理生化工程学原理 37基因工程的基本原理基因工程的基本原理四、四、 基因工程的支撑技术基因工程的支撑技术 核酸凝胶电泳技术核酸凝胶电泳技术核酸凝胶电泳技术核酸凝胶电泳技术 核酸分子杂交技术核酸分子杂交技术核酸分子杂交技术核酸
27、分子杂交技术 细菌转化转染技术细菌转化转染技术细菌转化转染技术细菌转化转染技术 DNADNA序列分析技术序列分析技术序列分析技术序列分析技术 寡核苷酸合成技术寡核苷酸合成技术寡核苷酸合成技术寡核苷酸合成技术 基因定点突变技术基因定点突变技术基因定点突变技术基因定点突变技术 聚合酶链反应（聚合酶链反应（聚合酶链反应（聚合酶链反应（PCRPCR）技术技术技术技术38基因工程的基本过程1、提取目的基因、提取目的基因2、载体的选择和制备：质粒、载体的选择和制备：质粒3、目的基因与载体连接、目的基因与载体连接4、导入受体、导入受体5、筛选与检测、筛选与检测6、表达、表达基因操作的工具基因操作的工具 1 1 基因剪刀基因剪刀: :限制性内切酶限制性内切酶 2 2 基因针线基因针线:DNA:DNA连接酶连接酶 3 3 基因运输工具基因运输工具: :载体载体, ,借助运载体将外源的目标基因送入借助运载体将外源的目标基因送入受体细胞受体细胞从供体细胞的从供体细胞的DNADNA中分离中分离, ,如鸟枪法如鸟枪法人工合成基因人工合成基因反转录法反转录法根据已知氨基酸序列合成根据已知氨基酸序列合成方法方法39F基因工程生物会导致基因工程生物会导致“基因污染吗基因污染吗?”?”F基因疗法的疗效问题基因疗法的疗效问题F转基因食品的安全问题转基因食品的安全问题基因工程基因工程生物生物的讨论的讨论40
