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1、单元三：遗传物质的分子单元三：遗传物质的分子基础基础本单元重点本单元重点 1核酸的化学结构（核酸的化学结构（DNA、RNA）；）； 2原核生物和真核生物染色体的分子结构；原核生物和真核生物染色体的分子结构； 3DNA的半保留复制和特点；的半保留复制和特点； 4三种三种RNA分子的合成、转录及加工；分子的合成、转录及加工； 5遗传密码与蛋白质翻译。遗传密码与蛋白质翻译。2 2分布：分布：高等植物高等植物：DNA存在于染色体，叶绿体、线粒体存在于染色体，叶绿体、线粒体中；中；RNA在核（核仁、染色体）、细胞质中。在核（核仁、染色体）、细胞质中。细菌细菌：DNA和和RNA。噬菌体噬菌体：多数只有：多
2、数只有DNA。植物病毒植物病毒：多数只有：多数只有RNA。动物病毒动物病毒：有些含：有些含RNA、有些含、有些含DNA。( (二二 )DNA)DNA的分子结构：的分子结构：1. DNA双螺旋结构：双螺旋结构：1953年，沃森年，沃森（Watson J. D.）和克里克和克里克（CrickF. H. C.）提出提出DNA双螺旋结构模型。主要依据双螺旋结构模型。主要依据为：为：碱基互补配对的规律以及碱基互补配对的规律以及DNA分子的分子的X射线衍射射线衍射结果。结果。沃森和克里克与沃森和克里克与维尔肯斯维尔肯斯(Wilkins)一起获得诺贝尔奖一起获得诺贝尔奖(1962) 。双螺旋结构的发现双螺旋
3、结构的发现(1953)(1953)模型建立者模型建立者: James WATSON:生物学家生物学家Francis CRICK: 化学家化学家双螺旋模型实验数据的重要贡献者：双螺旋模型实验数据的重要贡献者：Rosalind FRANKLIN: Kings Collage London的的MRC生物物理单位物理化生物物理单位物理化学家，首先学家，首先 将磷酸原子定位于将磷酸原子定位于DNA外表面并发现了外表面并发现了“B” 型型DNAMaurice WILKINS: “A” 型型DNA的发现者的发现者电电子子显显微微镜镜下下的的人人类类DNA特点：特点：(1) 两条互补多核酸链、在同一轴上互相盘
4、旋；两条互补多核酸链、在同一轴上互相盘旋；(2) 双链具有反向平行的特点；双链具有反向平行的特点；(3) 碱基配对原则为：碱基配对原则为：A=T、G=C，双螺旋直径约，双螺旋直径约20A，螺距为，螺距为34A(10个碱基对个碱基对)。遗传信息载体：遗传信息载体： 脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNA）双螺旋分子；长度单位：碱基对）双螺旋分子；长度单位：碱基对 (bp)，千碱基对，千碱基对 (Kb)，百万碱基对，百万碱基对 (Mb)(4) A-T、G-C排列方法有排列方法有以下四种：以下四种：A-T G-C G-C A-TC-G A-TA-T C-G设某一段设某一段DNA分子链有分子链有1000对
5、碱基对碱基,则有则有41000种不种不同排列组合，就可能有同排列组合，就可能有41000种不同性质的基因。种不同性质的基因。(5) (5) 物种：物种：同物种中的同物种中的DNA的碱基含量不同：的碱基含量不同：a. DNA分子上的碱基顺序是一致的，一般保持不变才分子上的碱基顺序是一致的，一般保持不变才能保持该物种的遗传特性的稳定；能保持该物种的遗传特性的稳定；b在特殊条件下，碱基顺序改变，出现遗传变异。在特殊条件下，碱基顺序改变，出现遗传变异。物种物种物种物种G GA AC CT TA+G/T+CA+G/T+CG+C/A+TG+C/A+T人人人人小麦小麦小麦小麦洋葱洋葱洋葱洋葱菜豆菜豆菜豆菜豆
6、酵母酵母酵母酵母大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌T T2 2噬菌体噬菌体噬菌体噬菌体19.919.923.8 23.8 18.418.420.6 20.6 18.3 18.3 26.0 26.0 18.2 18.2 30.930.925.6 25.6 31.8 31.8 29.7 29.7 31.7 31.7 24.7 24.7 32.532.519.8 19.8 24.6 24.6 18.218.220.120.117.4 17.4 25.7 25.7 16.816.829.4 29.4 26.0 26.0 31.3 31.3 29.6 29.6 32.6 32.6 23.6 23.6 32
7、.532.51.03 1.03 0.970.97 1.01 1.01 1.01 1.01 1.00 1.00 1.021.02 1.02 1.020.660.660.940.940.580.580.69 0.69 0.560.56 1.07 1.07 0.54 0.542. DNA2. DNA构型：构型：B-DNA：生理状态下，每螺圈：生理状态下，每螺圈10.4个碱基对，右手螺旋；个碱基对，右手螺旋；A-DNA：高盐浓度下，每螺圈：高盐浓度下，每螺圈11个碱基对，右手螺旋；个碱基对，右手螺旋；Z-DNA：序列富含：序列富含GC，嘌呤和嘧啶交替出现，嘌呤和嘧啶交替出现，每螺圈每螺圈12个碱基对，
8、左手螺旋。个碱基对，左手螺旋。( (三三) RNA) RNA分子结构：分子结构： U代替代替T；与与DNA的区别的区别 核糖代替脱氧核糖；核糖代替脱氧核糖； 一般以单链存在。一般以单链存在。( (四四) ) DNADNA的复制的复制1. DNA复制的一般特点：复制的一般特点：(1) 半保留复制：半保留复制： 瓦特森瓦特森(Watson J. D.)等提出等提出的的DNA半保留复制方式。半保留复制方式。其方法为：其方法为：a. 一端沿氢键逐渐断开；一端沿氢键逐渐断开；b. 以单链为模板，碱基互补；以单链为模板，碱基互补；c. 氢键结合，聚合酶等连接；氢键结合，聚合酶等连接；d. 形成新的互补链；
9、形成新的互补链；e. 形成了两个新形成了两个新DNA分子。分子。 DNA的这种复制方式对保的这种复制方式对保持生物遗传的稳定性是非常重要的。持生物遗传的稳定性是非常重要的。(2)复制起点和复制方向：复制起点和复制方向： 真核生物真核生物每条染色体的每条染色体的DNA复制都是多起点，多个复制起点复制都是多起点，多个复制起点共同控制整个染色体的复制；共同控制整个染色体的复制；每条染色体有多个复制子；每条染色体有多个复制子；且为双向复制且为双向复制；2. DNA2. DNA复制过程复制过程1）DNA双螺旋的解链双螺旋的解链* DNA解旋酶在解旋酶在ATP供能供能下，每分钟旋转下，每分钟旋转3000次
10、次解开双螺旋；解开双螺旋；* 单链单链DNA结合蛋白马上结合蛋白马上结合在分开的单链上，结合在分开的单链上，以避免产生单链内配对；以避免产生单链内配对；* DNA拓扑异构酶来解决拓扑异构酶来解决由于复制叉的推进而产生由于复制叉的推进而产生超螺旋的问题。超螺旋的问题。2） DNA合成的开始合成的开始合成合成DNA片段之前，先片段之前，先由由RNA聚合酶合成一小聚合酶合成一小段段RNA引物引物(约有约有20个个碱基对碱基对) DNA 聚合酶才聚合酶才开始起作用合成开始起作用合成DNA片片段。段。3）后随链的不连续复制）后随链的不连续复制DNA聚合酶，以聚合酶，以5 3 方向发挥方向发挥作用；作用；
11、从从3 5 合成方向的一条链，合成方向的一条链，就会遇到困难。就会遇到困难。考恩伯格考恩伯格( Kornberg A., 1967)提出不连续复制假说：提出不连续复制假说：在在3 5方向链上，仍按从方向链上，仍按从5 3的方向一段段地合成的方向一段段地合成DNA单链单链小片段小片段“冈崎片段冈崎片段”(10002000bp) 由连接酶连接这些片段由连接酶连接这些片段形成一形成一条连续的单链。条连续的单链。Helicase:解旋酶 primosme复制叉结构复制叉结构: :图图 DNADNA合合成成模模型型 3 32 2 基因的表达基因的表达 基因作为遗传信息单位，位于基因作为遗传信息单位，位于
12、染色体染色体上，控制上，控制生物的性状发育。生物的性状发育。 DNA是是携带生物遗传信息的载体，携带生物遗传信息的载体，是遗传的分是遗传的分子基础。子基础。 基因表达基因表达就是将基因携带的生物信息释放出来，就是将基因携带的生物信息释放出来，供细胞利用的过程，或将生物的遗传信息作为性状供细胞利用的过程，或将生物的遗传信息作为性状或特征表现出来的过程。或特征表现出来的过程。 通常所说的基因表达通常所说的基因表达 指基因指导蛋白质合成的指基因指导蛋白质合成的过程。过程。 原核生物或真核生物为了适应外界环境条件及自身原核生物或真核生物为了适应外界环境条件及自身的需要，都必须的需要，都必须不断调控各种
13、不同基因的表达方式不断调控各种不同基因的表达方式。 一、基因的概念及其发展：一、基因的概念及其发展：、经典遗传关于基因的概念： 孟德尔：孟德尔：把控制性状的因子称为遗传因子。把控制性状的因子称为遗传因子。如：豌豆红花如：豌豆红花(C)、白花、白花(c)、植株高、植株高(H)、矮、矮(h)。 约翰生：约翰生：提出基因提出基因(gene)这个名词，取代遗传因子。这个名词，取代遗传因子。 摩尔根：摩尔根：对果蝇、玉米等的大量遗传研究，建立了以基因和染对果蝇、玉米等的大量遗传研究，建立了以基因和染色体为主体的经典遗传学。色体为主体的经典遗传学。基因是化学实体，以念珠状直线排列在染色体上。基因是化学实体
14、，以念珠状直线排列在染色体上。基因的共性基因的共性（按照经典遗传学对基因的概念）：（按照经典遗传学对基因的概念）： 染色体特性染色体特性：自我复制能力和相对稳定性，：自我复制能力和相对稳定性，在分裂时有规律地进行分配。在分裂时有规律地进行分配。交换单位交换单位：基因间能进重组，而且是交换的最：基因间能进重组，而且是交换的最小单位。小单位。突变单位突变单位：一个基因能突变为另一个基因。：一个基因能突变为另一个基因。功能单位功能单位：控制有机体的性状。：控制有机体的性状。经典遗传学认为经典遗传学认为：基因是一个最小的单位，：基因是一个最小的单位，不能分割；既是结构单位，又是功能单位。不能分割；既是
15、结构单位，又是功能单位。 分子遗传学关于基因的概念：分子遗传学关于基因的概念： 揭示遗传密码的秘密：基因揭示遗传密码的秘密：基因 具体物质。具具体物质。具体内容：体内容：一个基因一个基因 DNA分子上一定区段，携带有特殊分子上一定区段，携带有特殊的遗传信息的遗传信息 转录成转录成RNA(包括包括mRNA、tRNA、rRNA)或对其它基因的活动起调控作用或对其它基因的活动起调控作用( 如调节如调节基因、启动基因、操纵基因基因、启动基因、操纵基因)。 基因不是最小遗传单位基因不是最小遗传单位 更复杂的遗传和变更复杂的遗传和变异单位：异单位：例如例如：在一个基因区域内，仍可以划分出若干起：在一个基因
16、区域内，仍可以划分出若干起作用的小单位。作用的小单位。 现代遗传学上认为：现代遗传学上认为：突变子突变子：指性状突变时产生突变的最小单位，指性状突变时产生突变的最小单位，一个突变子可以小到一个核苷酸对。一个突变子可以小到一个核苷酸对。如移码突如移码突变。变。 重组子重组子：指发生性状重组时，产生重组的最小指发生性状重组时，产生重组的最小单位，可小到只包含一个核苷酸对。单位，可小到只包含一个核苷酸对。顺反子顺反子：就是一个基因，是一个完整的不可分就是一个基因，是一个完整的不可分割的功能单位。包括与一个多肽链的合成相对割的功能单位。包括与一个多肽链的合成相对应的一段应的一段DNA，平均大小为，平均
17、大小为5001500bp,可可有若干交换子和突变子。有若干交换子和突变子。 基因概念：基因概念： 可转录一条完整的可转录一条完整的RNA分子或编码一个多肽分子或编码一个多肽链；链； 功能上被顺反测验或互补测验所规定。功能上被顺反测验或互补测验所规定。分子遗传学保留了分子遗传学保留了功能单位功能单位的解释，而抛弃了最的解释，而抛弃了最小结构单位说法。小结构单位说法。基因基因：相当于一个顺反子，：相当于一个顺反子， 包含许多突变子和包含许多突变子和 重组子。重组子。 紫外灯下的紫外灯下的DNADNA二、遗传密码：二、遗传密码： 密码子与氨基酸密码子与氨基酸DNA分子碱基只有分子碱基只有4种，而蛋白
18、质氨基酸有种，而蛋白质氨基酸有20种。种。 碱基与氨基酸之间不可能一一对应。碱基与氨基酸之间不可能一一对应。141=4种：缺种：缺16种氨基酸；种氨基酸；242=16种：比现存的种：比现存的20种氨基酸还缺种氨基酸还缺4种；种；343=64种：由三个碱基一起组成的密码子能够形成种：由三个碱基一起组成的密码子能够形成64种组合，种组合，20种氨基酸多出种氨基酸多出44种。种。简并：一个氨基酸由二个或二个以上的三联体密码所决简并：一个氨基酸由二个或二个以上的三联体密码所决定的现象。定的现象。三联体或密码子：代表一个氨基酸的三个一组的核苷酸。三联体或密码子：代表一个氨基酸的三个一组的核苷酸。 遗传密
19、码字典遗传密码字典每一个三联体密码所翻译的氨基酸是什么呢每一个三联体密码所翻译的氨基酸是什么呢?从从1961年开始，在大量试验的基础上，分年开始，在大量试验的基础上，分别利用别利用64个已知三联体密码，找到了相对应的个已知三联体密码，找到了相对应的氨基酸。氨基酸。19661967年，完成了全部遗传密码表，年，完成了全部遗传密码表，如如UGG为色氨酸。为色氨酸。遗遗传传密密码码字字典典 遗传密码的基本特征：遗传密码的基本特征：1遗传密码为三联体：遗传密码为三联体：三个碱基决定一种氨基酸；三个碱基决定一种氨基酸；61个为有意密码，起始密码为个为有意密码，起始密码为GUG、AUG(甲甲硫氨酸硫氨酸)
20、；3个为无意密码，个为无意密码，UAA、UAG、UGA为蛋白质合成终止信号。为蛋白质合成终止信号。2. 遗传密码间不能重复遗传密码间不能重复:在一个在一个mRNA上每个碱基只属于一个密码上每个碱基只属于一个密码子；均以子；均以3个一组形成氨基酸密码。个一组形成氨基酸密码。3.遗传密码间无逗号：遗传密码间无逗号： AUG GUA CUG UCA 甲硫氨酸甲硫氨酸 缬氨酸缬氨酸 亮氨酸亮氨酸 丝氨酸丝氨酸 密码子与密码子之间无逗号，按三个三个的密码子与密码子之间无逗号，按三个三个的顺序一直阅读下去，不漏读不重复。顺序一直阅读下去，不漏读不重复。 如果中间某个碱基增加或缺失后，阅读就会如果中间某个碱
21、基增加或缺失后，阅读就会按新的顺序进行下去，最终形成的多肽链就与按新的顺序进行下去，最终形成的多肽链就与原先的完全不一样原先的完全不一样(称为移码突变称为移码突变)。 AUG （G） UAC UGU CA甲硫氨酸甲硫氨酸 酪氨酸酪氨酸 半胱氨酸半胱氨酸4 4简并性：简并性： 简并现象：简并现象：色氨酸色氨酸(UGG)和甲硫氨酸和甲硫氨酸(AUG)例外，仅一个例外，仅一个三联体密码；其余氨基酸都有一种以上的密码子。三联体密码；其余氨基酸都有一种以上的密码子。 61个为有意密码，起始密码为个为有意密码，起始密码为GUG、AUG(甲甲硫氨酸硫氨酸)。3个为无意密码，个为无意密码，UAA、UAG、UG
22、A为蛋为蛋白质合成终止信号。白质合成终止信号。 简并现象的意义：简并现象的意义：同义的密码子越多，生物遗传的稳定性也越大。同义的密码子越多，生物遗传的稳定性也越大。如：如：UCU 、UCC或或UCA或或UCG，均为丝氨酸。，均为丝氨酸。5 5遗传密码的有序性：遗传密码的有序性： 决定同一个氨基酸或性质相近的不同氨基决定同一个氨基酸或性质相近的不同氨基酸的多个密码子中，第酸的多个密码子中，第1个和第个和第2个碱基的重要个碱基的重要性大于第性大于第3个碱基，往往只是最后一个碱基发生个碱基，往往只是最后一个碱基发生变化。变化。例如：脯氨酸（例如：脯氨酸（pro）：）：CCU、CCA、CCC、CCG。
23、6 6通用性：通用性： 在整个生物界中，从病毒到人类，遗传密码在整个生物界中，从病毒到人类，遗传密码通用。通用。4个基本碱基符号个基本碱基符号所有氨基酸所有氨基酸所有蛋白所有蛋白质质 生物种类、生物体性状。生物种类、生物体性状。 1980年以后发现：年以后发现：具有自我复制能力的线粒体具有自我复制能力的线粒体tRNA(转移核转移核糖核酸糖核酸)在阅读个别密码子时有不同的翻译方式。在阅读个别密码子时有不同的翻译方式。如：酵母、链孢霉与哺乳动物的线粒体。如：酵母、链孢霉与哺乳动物的线粒体。三、蛋白质的合成三、蛋白质的合成 DNA对性状的控制作用并不是直接的，遗对性状的控制作用并不是直接的，遗传密码
24、到蛋白质的合成过程包括遗传密码的转传密码到蛋白质的合成过程包括遗传密码的转录和翻译两个步骤。录和翻译两个步骤。转录转录：就是以就是以DNADNA双链之一的遗传密码为模板，双链之一的遗传密码为模板，把遗传密码以互补的方式转录到把遗传密码以互补的方式转录到mRNAmRNA（信使核（信使核糖核酸）上。糖核酸）上。翻译翻译：就是就是mRNA携带着转录的遗传密码，附携带着转录的遗传密码，附着在核糖体上，把着在核糖体上，把tRNA（转移核糖核酸）运来（转移核糖核酸）运来的各种氨基酸，按照的各种氨基酸，按照mRNA的密码顺序，相互的密码顺序，相互连接起来成为多肽链，并进一步折叠起来成为立连接起来成为多肽链，
25、并进一步折叠起来成为立体蛋白质分子。体蛋白质分子。 （一）（一）RNARNA的转录与的转录与RNARNA的种类的种类1.RNA1.RNA的种类的种类（1）信使）信使RNA (messenger RNA，mRNA)（2）转移）转移RNA (transfer RNA，tRNA)（3）核糖体）核糖体RNA (ribosomal RNA，rRNA) 三种不同的三种不同的RNA分子在基因的表达过程中分子在基因的表达过程中起重要的作用。起重要的作用。（1 1）信使）信使RNA (mRNA)RNA (mRNA)： mRNA的功能就是把的功能就是把DNA上的遗传信息精上的遗传信息精确无误地转录下来，然后，由确
26、无误地转录下来，然后，由mRNA的碱基顺的碱基顺序决定蛋白质的氨基酸顺序，序决定蛋白质的氨基酸顺序，是基因表达过程是基因表达过程中遗传信息传递的中介。中遗传信息传递的中介。它起着传递信息的作它起着传递信息的作用，因而称为用，因而称为信使信使RNA (mRNA)。（2 2）转移）转移RNARNA（ tRNA) 如果说如果说mRNA是合成蛋白质的蓝图，则核糖是合成蛋白质的蓝图，则核糖体是合成蛋白质的工厂。体是合成蛋白质的工厂。 由于合成蛋白质的原材料由于合成蛋白质的原材料20种氨基酸与种氨基酸与mRNA的碱基之间缺乏特殊的亲和力。的碱基之间缺乏特殊的亲和力。 因此，必须用一种特殊的因此，必须用一种
27、特殊的RNA转移转移RNA (tRNA)把氨基酸搬运到核糖体上，把氨基酸搬运到核糖体上，能根据能根据mRNA的遗传密码依次准确地将它携带的氨基的遗传密码依次准确地将它携带的氨基酸连结成多肽链。酸连结成多肽链。 每种氨基酸可与每种氨基酸可与14种种tRNA相结合，现在已相结合，现在已知的知的tRNA的种类在的种类在40种以上。种以上。1969年以来，研究年以来，研究了来自各种不同生物，了来自各种不同生物，如：酵母、大肠杆菌、如：酵母、大肠杆菌、小麦、鼠等的十几种小麦、鼠等的十几种tRNA的结构，证明的结构，证明它们的碱基序列都能它们的碱基序列都能折叠成折叠成三叶草叶型三叶草叶型(图图)。tRNA
28、是最小的是最小的RNA。其分子量约为其分子量约为27000(2500030000)，由，由70到到90个核苷酸组成。个核苷酸组成。tRNAtRNA的结构的共性的结构的共性( (图图3 323)23)：(1)5端之末具有端之末具有G(大部大部分分)或或C。(2) 3端之末都以端之末都以ACC的的顺序终结。顺序终结。(3) 有一个富有鸟嘌呤的有一个富有鸟嘌呤的环。环。(4)有一个反密码子环，有一个反密码子环，其的顶端有三个暴露其的顶端有三个暴露的碱基，称为的碱基，称为反密码反密码子。子。这一个反密码子这一个反密码子可以与可以与mRNA链上同链上同自己互补的密码子配自己互补的密码子配对。对。(5)
29、有一个胸腺嘧啶环。有一个胸腺嘧啶环。(3)(3) 核糖体核糖体RNARNA（rRNArRNA）核糖体核糖体RNA，它是组成核糖体的主要成分，而它是组成核糖体的主要成分，而核糖体则是合成蛋白质的中心。核糖体则是合成蛋白质的中心。原核生物的核糖体所含的原核生物的核糖体所含的rRNA，有，有5S、16S及及23S等三种等三种真核生物的核糖体，含有真核生物的核糖体，含有4种种rRNA和约和约80种蛋种蛋白质。四种白质。四种rRNA为为5S、5.8S、18S和和28S。S为沉降系数为沉降系数(sedimentation coefficient)，当，当用超速离心测定一个粒子的沉淀速度时，此速用超速离心测
30、定一个粒子的沉淀速度时，此速度与粒子的大小直接成比例。度与粒子的大小直接成比例。rRNA是单链，是单链，它包含不等量的它包含不等量的A与与U、G与与C，但是有广泛的双链区域。在双链区，碱基因氢鍵但是有广泛的双链区域。在双链区，碱基因氢鍵相连，表现为相连，表现为发夹式螺旋。发夹式螺旋。rRNA在蛋白质合成中的功能尚未完全明了。在蛋白质合成中的功能尚未完全明了。但但16S的的rRNA3端有一段核苷酸序列与端有一段核苷酸序列与mRNA的前导序列是互补的，这可能有助于的前导序列是互补的，这可能有助于mRNA与与核糖体的结合。核糖体的结合。核糖体 ：蛋白质翻译的场所 2.RNA 2.RNA 的转录的转录
31、 转录转录 ATGCCGGTACGGGCAAATATGCCCATGCTACGGCCATGCCCGTTTATACGGGTACG转录因子转录因子以一条以一条DNADNA链为模板合成链为模板合成RNARNA尿嘧啶（尿嘧啶（U U）取代了胸腺嘧啶（）取代了胸腺嘧啶（T T） 首先是以首先是以DNA的一条链为模板合成与它互补的一条链为模板合成与它互补的的mRNA ，根据碱基互补配对的规律，根据碱基互补配对的规律，在这条在这条mRNA链上，链上，A变为变为U，T变为变为A，C变为变为G，G变变为为C。 因此，这条因此，这条mRNA上的遗传密码与非模板上的遗传密码与非模板DNA链是一样的，所不同的只是链是一
32、样的，所不同的只是U代替了代替了T。然。然后再由后再由mRNA上的遗传密码翻译成多肽链中的氨上的遗传密码翻译成多肽链中的氨基酸序列。基酸序列。（四）蛋白质的合成过程（四）蛋白质的合成过程蛋白质是由蛋白质是由20种不同的氨基酸组成的多肽链，种不同的氨基酸组成的多肽链，每种蛋白质都有其特定的氨基酸序列。每种蛋白质都有其特定的氨基酸序列。遗传信息贮存于遗传信息贮存于DNA里，由里，由DNA所含的碱基所含的碱基序列决定氨基酸序列的过程即蛋白质的合成过序列决定氨基酸序列的过程即蛋白质的合成过程，也就是基因的表达过程，实际上包括程，也就是基因的表达过程，实际上包括遗传遗传信息的转录和翻译信息的转录和翻译两
33、个步骤。两个步骤。蛋白质的合成，也就是遗传信息的翻译过程。蛋白质的合成，也就是遗传信息的翻译过程。翻译翻译就是就是mRNA携带着转录的携带着转录的遗传密码遗传密码附着在附着在核糖体核糖体(ribosome)上，把由上，把由tRNA运来的各种运来的各种氨基酸氨基酸，按照，按照mRNA的的密码顺序密码顺序，相互联结起，相互联结起来成为来成为多肽链多肽链，并进一步，并进一步折叠折叠成为立体的蛋白成为立体的蛋白质分子的过程。质分子的过程。蛋白蛋白质合成的合成的过程概述：程概述： 在核内以在核内以DNADNA的一条的一条链作作为模板合成的不均模板合成的不均DNADNA穿穿过核膜孔，核膜孔，进入入细胞胞质
34、后被后被酶酶切割成切割成mRNAmRNA。然后核糖体的。然后核糖体的大小两个大小两个亚单位在起始密位在起始密码子子AUGAUG部位部位结合成一个核糖合成一个核糖体，体，细胞胞质中的中的tRNAtRNA在激活在激活酶酶和和ATPATP的作用下，携的作用下，携带各各自的氨基酸自的氨基酸进入核糖体。最先入核糖体。最先进入的是携入的是携带甲硫氨酸的甲硫氨酸的tRNAtRNA。因。因为它的反密它的反密码子子UAIUAI和和mRNAmRNA的密的密码子子AUGAUG是是对应的。同的。同时第二个第二个进入的携入的携带有有苏氨酸的氨酸的tRNAtRNA，在核糖体，在核糖体中甲硫氨酸和中甲硫氨酸和苏氨酸氨酸结合
35、，第一个合，第一个tRNAtRNA释放，核糖体向放，核糖体向右移右移动一个密一个密码子距离，第三个子距离，第三个进入的是携入的是携带有亮氨酸有亮氨酸的的tRNAtRNA，之后亮氨酸和，之后亮氨酸和苏氨酸相氨酸相结合，第二个合，第二个tRNAtRNA释放。放。核糖体又向右移核糖体又向右移动一个密一个密码子距离子距离以此以此类推。推。当一个核糖体在当一个核糖体在mRNAmRNA上移上移动时，氨基酸就一个个地，氨基酸就一个个地结合起来形成合起来形成肽链。最后。最后这个核糖体在个核糖体在mRNAmRNA的停止信号的停止信号处脱落下来，分解脱落下来，分解为大小两个大小两个亚单位。把合成的位。把合成的肽链
36、释放放到胞到胞质中，以后几个中，以后几个肽链结合起来折叠，形成一个具有合起来折叠，形成一个具有空空间结构的蛋白构的蛋白质分子，而且具有一定的生物学的功能。分子，而且具有一定的生物学的功能。必必须指出：在指出：在mRNAmRNA上，同上，同时有有许多的核糖体多的核糖体结合上去合上去进行着蛋白行着蛋白质的合成，当第一个核糖体沿着的合成，当第一个核糖体沿着mRNAmRNA的的5353方向移方向移动后，第二个核糖体又后，第二个核糖体又结合到合到mRNAmRNA上，上，以后第三个、第四个以后第三个、第四个顺序序结合上去，合上去，这样一串念珠一串念珠就构成了多核糖体。就构成了多核糖体。一个多核糖体的核糖体
37、数目的多少和要一个多核糖体的核糖体数目的多少和要读出的出的mRNAmRNA长度有关，度有关，读出的信息越出的信息越长，用于翻，用于翻译的核糖体数越多。的核糖体数越多。一般一般5-405-40个，每个成个，每个成员距离距离为50-100A50-100A。从而可。从而可见蛋白蛋白质的合成的合成过程即是程即是遗传密密码的的转录及翻及翻译过程。程。翻翻译是指：是指：mRNAmRNA携携带着着转录来的来的遗传密密码附着在核糖附着在核糖体上，把由体上，把由转移核糖核酸（移核糖核酸（tRNAtRNA）运来的各种氨基酸按）运来的各种氨基酸按着着mRNAmRNA的密的密码顺序，相互序，相互连接起来成接起来成为多
38、多肽链，并，并进一一步的叠起来成步的叠起来成为立体蛋白立体蛋白质分子。蛋白的合成分子。蛋白的合成过程是程是mRNAmRNA，tRNAtRNA、rRNArRNA和核糖体和核糖体协同作用的同作用的结果。果。图图 蛋蛋白白质质合合成成的的起起始始 图图 蛋白质合成的肽链延伸蛋白质合成的肽链延伸 图图 蛋蛋白白质质合合成成的的终终止止 DNA RNA PROTEIN 表型表型 代谢问题代谢问题 中心法则中心法则 生长、分化生长、分化 个体发育个体发育 表型变异表型变异 中心法则中心法则四、中心法则及其发展四、中心法则及其发展修改后的中心法则修改后的中心法则反转录反转录(逆转录逆转录)：反转录酶；反转录
39、酶；cDNA。RNA的自我复制。的自我复制。DNA指导蛋白质合成指导蛋白质合成五、基因的作用与性状表达五、基因的作用与性状表达 由于大部分遗传性状的表现都是在直接或间由于大部分遗传性状的表现都是在直接或间接的通过蛋白质表现出来的，因此深入的揭示接的通过蛋白质表现出来的，因此深入的揭示Gene在这方面的作用对于了解在这方面的作用对于了解Gene的在性状的在性状形成过程中的作用将是更有意义的事情，形成过程中的作用将是更有意义的事情，gene对遗传性状的表现作用可以分为以下两种：对遗传性状的表现作用可以分为以下两种：1 1直接作用直接作用 如果如果genegene能直接的影响到形成某种蛋白质的结能直
40、接的影响到形成某种蛋白质的结构构genegene的作用，那么的作用，那么genegene的变异可以直接的影响的变异可以直接的影响蛋白质的特性，从而表现出不同的性状来，蛋白质的特性，从而表现出不同的性状来，例如例如人类镰形细胞贫血症，可以作为这方面的人类镰形细胞贫血症，可以作为这方面的实例，正常人的红细胞是圆形，患有此病的人实例，正常人的红细胞是圆形，患有此病的人的红细胞呈镰刀形，这是由于一个正常的红细胞呈镰刀形，这是由于一个正常gene所所产生的两个不同的突变体所引起的，即由：产生的两个不同的突变体所引起的，即由：HbAHbs，HbAHbC，从而引起此病，从而引起此病，HbA,HbS,HbC三
41、个三个gene所决定的血红蛋白区别所决定的血红蛋白区别在于在于链中第六位上有一个氨基酸的不同：链中第六位上有一个氨基酸的不同：具体情况如下：具体情况如下：链上的氨基酸的号链上的氨基酸的号 1 2 36146正常的血红蛋白的氨基酸正常的血红蛋白的氨基酸 缬缬 组组 亮亮 谷谷正常氨基酸的密码正常氨基酸的密码 GAAHbS氨基酸的密码氨基酸的密码 GUA（缬）（缬）HbC氨基酸的密码氨基酸的密码 AAA（赖）（赖）每个血红蛋白分子具有每个血红蛋白分子具有4条链，条链，链具有链具有2条，每条具有条，每条具有141个氨基酸，个氨基酸，链具有链具有2条，每条有条，每条有146个氨基酸，可个氨基酸，可见决
42、定谷氨酸上见决定谷氨酸上mRNA的密码的密码GAA改变成改变成GUA只是只是第第2个碱基由个碱基由AU，从而基因由，从而基因由HbAHbS，同理由，同理由GAA改写为改写为AAA只是第一个碱基发生变化，从而只是第一个碱基发生变化，从而gene由由HbAHbC，可见只要，可见只要gene中的一个碱基发生变化，中的一个碱基发生变化，就能引起最后产物血红蛋白性状的变化，从而导致患病，就能引起最后产物血红蛋白性状的变化，从而导致患病，以上关于异常血红蛋白的产生，表明以上关于异常血红蛋白的产生，表明gene控制肽链的控制肽链的形成，因此一个形成，因此一个gene一个多肽链的假说是有事实依据一个多肽链的假
43、说是有事实依据的，这是的，这是gene对性状表现的直接作用。对性状表现的直接作用。HbA 突变突变 HbsHbc 镰刀形红血球镰刀形红血球血红蛋白分子有四条多肽链：血红蛋白分子有四条多肽链：两条两条链链(141个氨基酸个氨基酸/条条)、两条、两条链链(146个氨基酸个氨基酸/条条)。HbA、Hbs、Hbc氨基酸组氨基酸组成的差异在于成的差异在于链上第链上第6位上氨基酸：位上氨基酸：HbA第第6位为谷氨酸（位为谷氨酸（GAA)；Hbs第第6位为缬氨酸（位为缬氨酸（GUA)； Hbc第第6位为赖氨酸（位为赖氨酸（AAA）。）。 红血球碟形红血球碟形2 2间接作用间接作用 生物的性状是由生物的性状是
44、由gene控制的，但控制的，但gene不等于遗传不等于遗传性状，从基因到表现型要经过一系列发育过程，任何性性状，从基因到表现型要经过一系列发育过程，任何性状都是状都是gene控制下通过一系列发育过程才能形成的，控制下通过一系列发育过程才能形成的，也就是说必须经过一系列的代谢过程，每一个代谢过程也就是说必须经过一系列的代谢过程，每一个代谢过程必须有酶的催化，而酶又是一种特殊的蛋白质，它的合必须有酶的催化，而酶又是一种特殊的蛋白质，它的合成是受成是受gene控制的，控制的，绝大多数情况下绝大多数情况下gene都是通过酶都是通过酶的合成间接的影响性状表现的，的合成间接的影响性状表现的，例如有一种饲料
45、作物白例如有一种饲料作物白三叶草的某些品种的叶含有氰酸（三叶草的某些品种的叶含有氰酸（HCN）易使牲畜中）易使牲畜中毒，据分析表明，氰酸的产生是受毒，据分析表明，氰酸的产生是受l和和H两个显性两个显性gene的互作来控制的，的互作来控制的，H、l gene分别来控制两种酶的合成，分别来控制两种酶的合成，因而控制两种物质的转化过程，以致最后控制氰酸的合因而控制两种物质的转化过程，以致最后控制氰酸的合成。成。 研究表明只有两个研究表明只有两个gene都为显性状时才能通过酶都为显性状时才能通过酶的作用而顺利的合成氰酸，如果其中有一个或两个基因的作用而顺利的合成氰酸，如果其中有一个或两个基因都为隐性时
46、，即都为隐性时，即iiHH、IIhh、iihh引起有关的酶丧失引起有关的酶丧失作用，引起代谢过程的中断，不能合成氰酸，不会表现作用，引起代谢过程的中断，不能合成氰酸，不会表现中毒的性状，依据许多的类似的实验，有人提出中毒的性状，依据许多的类似的实验，有人提出“一个一个gene一个酶的假说一个酶的假说”，一个，一个gene控制一种酶，同时又控制一种酶，同时又进一步的控制一个生化过程，从而影响到某一物质的合进一步的控制一个生化过程，从而影响到某一物质的合成，而导致某一遗传性状的表现。从现代的观点来看，成，而导致某一遗传性状的表现。从现代的观点来看，一个一个gene一个酶的假说过于简单化，因为一种酶
47、和一一个酶的假说过于简单化，因为一种酶和一种蛋白质可能受到几个基因的作用，新近认为种蛋白质可能受到几个基因的作用，新近认为“一个顺一个顺反子反子一个一个mRNA一条多肽链一条多肽链”的假说所代替更合情的假说所代替更合情理。理。应该指出的是酶的合成与停止并不永远与应该指出的是酶的合成与停止并不永远与gene的突变的突变发生有联系的，由于存在有控制基因的作用，必须考虑发生有联系的，由于存在有控制基因的作用，必须考虑到酶的合成与停止还要受到酶的合成与停止还要受gene的调控系统的作用。的调控系统的作用。广义遗传工程包括广义遗传工程包括: :生化工程、蛋白质工程、细胞工程、染色体工程、生化工程、蛋白质
48、工程、细胞工程、染色体工程、细胞器工程、基因工程及酶工程等。细胞器工程、基因工程及酶工程等。狭义遗传工程是指狭义遗传工程是指: :基因工程基因工程( (重组重组DNADNA技术技术) )。 一、基因工程概述一、基因工程概述: :2-32-3基因工程基因工程. .概念：概念：基因工程：基因工程：在分子水平上，采取工程建设方式在分子水平上，采取工程建设方式 按照预先设计的蓝图按照预先设计的蓝图 借助于实验室技术借助于实验室技术将某种生物的基因或基因组转移到另一种生物中将某种生物的基因或基因组转移到另一种生物中去去 使后者定向获得新遗传性状的一门技术。使后者定向获得新遗传性状的一门技术。基因工程基因
49、工程是采用分子生物学、核酸生物化学以及是采用分子生物学、核酸生物化学以及微生物遗传学的现代方法和手段建立起来的综合微生物遗传学的现代方法和手段建立起来的综合技术。技术。 基因工程技术的建立，使所有实验生物学领基因工程技术的建立，使所有实验生物学领域产生巨大的变革。域产生巨大的变革。 2. 2. 发展：发展：19711971年，年，SmithSmith等人从细菌中分离出的一种限制性酶，等人从细菌中分离出的一种限制性酶，酶切病毒酶切病毒DNADNA分子，标志着分子，标志着DNADNA重组时代的开始。重组时代的开始。19721972年，年，BergBerg等用限制性酶分别酶切猿猴病毒和等用限制性酶分
50、别酶切猿猴病毒和l l噬噬菌体菌体DNADNA，将两种，将两种DNADNA分子用连接酶连接起来分子用连接酶连接起来 得得到新的到新的DNADNA分子。分子。19731973年，年， CohenCohen等进一等进一步将酶切后的步将酶切后的DNADNA分子与分子与质粒质粒DNADNA连接起来，并将连接起来，并将重组质粒转入重组质粒转入E. cloiE. cloi细细胞中。胞中。19821982年，美国食品卫生和医药管理局批准，用基年，美国食品卫生和医药管理局批准，用基因工程在细菌中生产人的胰岛素投放市场。因工程在细菌中生产人的胰岛素投放市场。19851985年，转基因植物获得成功。年，转基因植物
51、获得成功。19941994年，延熟保鲜的转基因番茄商品生产。年，延熟保鲜的转基因番茄商品生产。19961996年，克隆羊诞生。年，克隆羊诞生。19961996年全世界转基因植物种植面积为年全世界转基因植物种植面积为170170万公顷，万公顷，19971997年年为为11001100万公顷，万公顷，19981998年为年为27802780万公顷，万公顷，19991999年达到年达到39903990万公顷，万公顷，20002000年达到年达到44204420万公顷，万公顷，20012001年达到年达到52605260万公万公顷，顷，20022002年达到年达到50005000万公顷。万公顷。200
52、12001年种植面积已超过年种植面积已超过100100万公顷的作物有：万公顷的作物有：大豆（大豆（33303330万万hm2hm2，占全世界转基因作物的，占全世界转基因作物的63%63%，均为抗除草剂大豆）、玉米（均为抗除草剂大豆）、玉米（980980万万hm2 hm2 ，占，占19% 19% ）、棉花（）、棉花（680680万万hm2 hm2 ，占，占13% 13% ）、油菜（）、油菜（270270万万hm2 hm2 ，5% 5% ）；）；其它还有水稻、小麦、花生、向日葵、亚麻、甘其它还有水稻、小麦、花生、向日葵、亚麻、甘蓝、马铃薯等，番茄、烟草、南瓜和木瓜等蓝、马铃薯等，番茄、烟草、南瓜和
53、木瓜等5050多多种转基因作物已实现商品化。种转基因作物已实现商品化。主要分布在美国（主要分布在美国（35703570万万hm2hm2）、阿根廷（）、阿根廷（11801180万万hm2hm2）、加拿大（）、加拿大（320320万万hm2hm2）和中国（）和中国（150150万万hm2hm2）等国。）等国。20012001年全世界转基因作物占相应种植总面积的百分率年全世界转基因作物占相应种植总面积的百分率 20012001年我国的转基因农作物和林木已达年我国的转基因农作物和林木已达2222种，种，其中转基因棉花、大豆、马铃薯、烟草、玉米、其中转基因棉花、大豆、马铃薯、烟草、玉米、花生、菠菜、甜椒
54、、小麦等进行了田间试验，转花生、菠菜、甜椒、小麦等进行了田间试验，转基因棉花已经大规模商品化生产。基因棉花已经大规模商品化生产。3 3内容：内容： 从细胞和组织中分离从细胞和组织中分离DNADNA； 限制性内切酶酶切限制性内切酶酶切DNADNA分子，制备分子，制备DNADNA片段；片段； 将酶切将酶切DNADNA分子与载体分子与载体DNADNA连接连接构建能在宿主构建能在宿主细胞内自我复制的重组细胞内自我复制的重组DNADNA分子；分子； 把重组把重组DNADNA分子引入宿主受体细胞分子引入宿主受体细胞复制；复制； 重组重组DNADNA随宿主细胞的分裂而分配到子细胞随宿主细胞的分裂而分配到子细
55、胞建建立无性繁殖系立无性繁殖系(Clone)(Clone)或发育成个体；或发育成个体； 从细胞群体中选出所需要的无性繁殖系从细胞群体中选出所需要的无性繁殖系并使并使外源基因在受体细胞中正常表达，翻译成蛋白质等外源基因在受体细胞中正常表达，翻译成蛋白质等基因产物、回收；或筛选出获得定向的性状变异的基因产物、回收；或筛选出获得定向的性状变异的个体。个体。4. 4. 基因工程的操作过程基因工程的操作过程 基因工程技术包括三个基本要素：载体、工具酶和基因工程技术包括三个基本要素：载体、工具酶和表达系统（原核或真核宿主细胞），其技术路线大致包表达系统（原核或真核宿主细胞），其技术路线大致包括以下几个操作
56、程序：括以下几个操作程序：准备材料。包括载体和工具酶准备材料。包括载体和工具酶的准备以及目的基因的分离和制备；的准备以及目的基因的分离和制备；构建重组构建重组DNADNA分分子。把目的基因与载体结合成重组子。把目的基因与载体结合成重组DNADNA分子，即进行基分子，即进行基因的体外重构；因的体外重构；外源外源DNADNA导入受体细胞。把含外源导入受体细胞。把含外源DNADNA片段的重组片段的重组DNADNA分子引入宿主受体细胞，建立分子无性分子引入宿主受体细胞，建立分子无性繁殖系；繁殖系；筛选重组筛选重组DNADNA分子、鉴定目的基因表达。从分子、鉴定目的基因表达。从细胞群体中选出所需要的无性
57、繁殖系，并使外源基因在细胞群体中选出所需要的无性繁殖系，并使外源基因在受体细胞中正确表达。受体细胞中正确表达。( (一一) )准备材料准备材料1.1.工具酶工具酶工具酶指在重组工具酶指在重组DNADNA技术中用于切割、连接、技术中用于切割、连接、修饰修饰DNADNA或或RNARNA的一系列酶。它们是基因工程中的基本工的一系列酶。它们是基因工程中的基本工具，其中最重要的是具，其中最重要的是限制性核酸内切酶和限制性核酸内切酶和DNADNA连接酶连接酶，其它常用工具酶包括其它常用工具酶包括DNADNA多聚酶、反转录酶、核酸酶多聚酶、反转录酶、核酸酶H H、碱性磷酸酶等。下面扼要介绍碱性磷酸酶等。下面
58、扼要介绍限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶。 DNADNA是巨大分子，进行是巨大分子，进行DNADNA操作时，必须加以切割，操作时，必须加以切割，这就需要限制性核酸内切酶把这就需要限制性核酸内切酶把DNADNA链在特定部位切断。链在特定部位切断。19701970年开始分离得到的限制性核酸内切酶，是开拓基因年开始分离得到的限制性核酸内切酶，是开拓基因操作新领域的关键。操作新领域的关键。限制性核酸内切酶能识别限制性核酸内切酶能识别DNADNA的特定碱基序列，并把的特定碱基序列，并把DNADNA链在特定位点切断。链在特定位点切断。限制性内切酶的类别：限制性内切酶的类别：第第类酶类酶: :每隔一段每隔一
59、段DNADNA序列随机切割双链序列随机切割双链DNADNA分分子，没有序列特异性子，没有序列特异性, ,酶切位点不定酶切位点不定。如。如EcoBEcoB( (大肠杆菌大肠杆菌B B株株) )、EcoK(EcoK(大肠杆菌大肠杆菌K K株株) )分子量较分子量较大大( (约约300000)300000)，作用时需，作用时需ATPATP、Mg+Mg+等辅助因子。等辅助因子。第第类酶类酶: :能识别一段特异的能识别一段特异的DNADNA序列，准确地序列，准确地酶切双链酶切双链DNADNA的特异序列。的特异序列。如如EcoRI(EcoRI(大肠杆菌大肠杆菌) )、Hind(Hind(嗜血杆菌嗜血杆菌)
60、 )，分子，分子量较小量较小( (约约20000-100000)20000-100000)，作用时需，作用时需MgMg2+2+存在。存在。 2.2.载体载体载体载体（vectorvector）是指能将目的基因的）是指能将目的基因的DNADNA片段片段带入宿主细胞并能进行扩增的一类带入宿主细胞并能进行扩增的一类DNADNA分子。可作为分子。可作为DNADNA载体的有载体的有质粒、噬菌体、病毒、细菌或酵母菌人工染色质粒、噬菌体、病毒、细菌或酵母菌人工染色体（体（BACBAC、YACYAC）等。）等。 作为运载工具，载体必须具备以下条件：作为运载工具，载体必须具备以下条件：在宿主在宿主细胞中能自我复
61、制，并能稳定地保存；细胞中能自我复制，并能稳定地保存；有多种限制性有多种限制性内切酶的切点，每种酶的切点最好只有一个，且酶切后内切酶的切点，每种酶的切点最好只有一个，且酶切后并不损坏其复制能力及选择标志基因（并不损坏其复制能力及选择标志基因（gene markergene marker）的能力，并能嵌入外源的能力，并能嵌入外源DNADNA片段；片段；能较自由地进入受能较自由地进入受体细胞，实现转化；体细胞，实现转化； 具有可作为重组具有可作为重组DNADNA分子选择的分子选择的遗传标志。遗传标志。 目前作为转入原核细胞宿主的载体主要有两大类：目前作为转入原核细胞宿主的载体主要有两大类：-噬菌体
62、和细菌质粒。而作为转入真核细胞宿主的载噬菌体和细菌质粒。而作为转入真核细胞宿主的载体，在动物方面主要有类人猿病毒体，在动物方面主要有类人猿病毒SV40SV40（Simian Virus Simian Virus 4040），在植物），在植物方面主要有农杆菌的方面主要有农杆菌的TiTi质粒。质粒。 质粒是染色体外能够进行自主复制的遗质粒是染色体外能够进行自主复制的遗传单位，包括真核生物的细胞器和细菌细胞传单位，包括真核生物的细胞器和细菌细胞中染色体以外的脱氧核糖核酸中染色体以外的脱氧核糖核酸(DNA)(DNA)分子。现分子。现在习惯上用来专指细菌、酵母菌和放线菌等在习惯上用来专指细菌、酵母菌和放
63、线菌等生物中染色体以外的生物中染色体以外的DNADNA分子。在基因工程中分子。在基因工程中质粒常被用做基因的载体。质粒常被用做基因的载体。 （二）目的基因的分离：（二）目的基因的分离： 工具酶和载体备好了，下一步就是要获取目的基因。工具酶和载体备好了，下一步就是要获取目的基因。目的基因（目的基因（targettarget）是指准备导入受体细胞内的、以研）是指准备导入受体细胞内的、以研究或应用为目的所需要的外源基因。获得目的基因是进究或应用为目的所需要的外源基因。获得目的基因是进行行DNADNA重组最重要的一步，也是十分困难的一步。重组最重要的一步，也是十分困难的一步。 获得目的基因的方法很多，
64、获得目的基因的方法很多， （1）可采用从生物基可采用从生物基因组群体中分离目的基因。一般用限制性核酸内切酶因组群体中分离目的基因。一般用限制性核酸内切酶把一个基因组把一个基因组DNADNA分成很多片段。原核生物基因组较小，分成很多片段。原核生物基因组较小，基因容易定位，用限制性内切酶将基因组切成若干段基因容易定位，用限制性内切酶将基因组切成若干段后，直接用带有标记的核酸探针，从中选出目的基因。后，直接用带有标记的核酸探针，从中选出目的基因。对于基因组较大的真核生物，则可先制作基因文库，对于基因组较大的真核生物，则可先制作基因文库，然后钓取所需要的带有目的基因的然后钓取所需要的带有目的基因的DN
65、ADNA片段而获得目的片段而获得目的基因。基因。 （2 2）人工合成目的基因）人工合成目的基因DNADNA片段。人工合成目的基因片段。人工合成目的基因DNADNA片段有化学合成法和酶促合成法两条途径。一般是片段有化学合成法和酶促合成法两条途径。一般是采用采用DNADNA合成仪来合成长度不是很大的合成仪来合成长度不是很大的DNADNA片段。片段。（3 3）PCRPCR技术合成技术合成DNADNA。聚合酶链式反应（。聚合酶链式反应（polymerase polymerase chain reactionchain reaction，PCRPCR）是一种简单的酶促反应，它以）是一种简单的酶促反应，它
66、以DNADNA变性、复制的某些特性为原理设计的。通过变性、复制的某些特性为原理设计的。通过PCRPCR技术技术获取所需要的特异获取所需要的特异DNADNA片段在实际应用用得非常多，但片段在实际应用用得非常多，但是前提条件是必须对目的基因有一定的了解，需要设计是前提条件是必须对目的基因有一定的了解，需要设计引物。引物。 现代分子生物学发展到今天，人类基因组全序列已现代分子生物学发展到今天，人类基因组全序列已经测出，并且越来越多的经测出，并且越来越多的模式生物模式生物的基因组全序列正在的基因组全序列正在被测出，被测出，PCRPCR法已经成为分离目的基因的主要手段。法已经成为分离目的基因的主要手段。
67、 （三）构建重组（三）构建重组DNADNA分子分子 外源基因（外源基因（DNADNA片段）很难直接透过受体细胞的细片段）很难直接透过受体细胞的细胞膜进入受体细胞，即使进入，也会受到细胞内限制性胞膜进入受体细胞，即使进入，也会受到细胞内限制性酶的作用而分解。要将外源酶的作用而分解。要将外源DNADNA片段导入受体细胞，选片段导入受体细胞，选择适当的载体是关键步骤之一。择适当的载体是关键步骤之一。 含有目的基因的含有目的基因的DNADNA片段和载体片段和载体DNADNA的连接技术即的连接技术即DNADNA重组技术，其核心步骤是重组技术，其核心步骤是DNADNA片段之间的体外连接，片段之间的体外连接
68、，其本质是涉及限制酶、连接酶等工具酶的酶促反应过程。其本质是涉及限制酶、连接酶等工具酶的酶促反应过程。重组重组DNADNA即将载体即将载体DNADNA与引入的与引入的DNADNA连接，把目的基因连连接，把目的基因连接到载体上去。根据接到载体上去。根据DNADNA末端性质不同，形成重组体末端性质不同，形成重组体DNADNA分子的方法也有所不同。分子的方法也有所不同。 1.1.黏性末端的连接黏性末端的连接。用同一种限制性内切酶或者用能够。用同一种限制性内切酶或者用能够产生相同黏性末端的两种限制性内切酶分别消化外源产生相同黏性末端的两种限制性内切酶分别消化外源DNADNA分子和载体，所形成的分子和载
69、体，所形成的DNADNA末端彼此互补，用末端彼此互补，用DNADNA连连接酶共价连接起来，形成重组体接酶共价连接起来，形成重组体DNADNA分子。分子。2.2.平齐末端的连接平齐末端的连接。可先生成黏性末端，在带平头末端。可先生成黏性末端，在带平头末端的的DNADNA片段的片段的3-3-末端加上多聚核苷酸的尾巴，在载体末端加上多聚核苷酸的尾巴，在载体上加上互补的尾巴，然后用上加上互补的尾巴，然后用DNADNA连接酶连接。连接酶连接。 ( (四四) ) 重组体的转化重组体的转化( (五五) )克隆子的鉴定克隆子的鉴定( (六六) ) 目的基因的表达目的基因的表达二、基因工程的二、基因工程的应用：
70、用： 目前，目前，基因工程研究基因工程研究发展迅速展迅速，已取得一系，已取得一系列重大突破。基因工程技术已广泛用于工业、列重大突破。基因工程技术已广泛用于工业、农业、畜牧业、医学、法学等领域，为人类创农业、畜牧业、医学、法学等领域，为人类创造了巨大的财富造了巨大的财富。具有生长激素具有生长激素的转基因鼠的转基因鼠转基因的方法和技术转基因的方法和技术 ： 基因工程工基因工程工业： 最早应用基因工程生产人的蛋白质的方法最早应用基因工程生产人的蛋白质的方法是是在在细菌中表达人的胰菌中表达人的胰岛素素(1982)(1982)。 胰岛素是一种控制糖代谢的蛋白质激素。胰岛素是一种控制糖代谢的蛋白质激素。不
71、能产生胰岛素的患者会有糖尿病，患者必须不能产生胰岛素的患者会有糖尿病，患者必须每天注射胰岛素。每天注射胰岛素。 现已在细菌中生产现已在细菌中生产1010多种多种医医药产品品，如表，如表皮生长因子、人生长激素因子、干扰素、乙型皮生长因子、人生长激素因子、干扰素、乙型肝类工程疫苗等。肝类工程疫苗等。 有些有些真核真核细胞胞的蛋白质的蛋白质需要需要糖基化等修糖基化等修饰加工加工以后以后才具有活性，而细菌细胞缺才具有活性，而细菌细胞缺少真核细胞的这些修饰系统少真核细胞的这些修饰系统真核生物细胞更适合于表真核生物细胞更适合于表达真核生物蛋白质基因。达真核生物蛋白质基因。目前，目前，酵母菌酵母菌、植物植物
72、悬浮浮细胞胞、植株和植株和动物培养物培养细胞胞成成功地均应用于功地均应用于表达表达外源蛋白外源蛋白。 基因工程应用大肠杆基因工程应用大肠杆菌生产人类生长激素菌生产人类生长激素 植物基因工程：植物基因工程：植物基因转化植物基因转化是指将外源基因转移到植物细胞内、是指将外源基因转移到植物细胞内、并整合到植物基因组中稳定遗传和表达的过程。并整合到植物基因组中稳定遗传和表达的过程。 许多植物基因已经被分离、克隆。植物基因许多植物基因已经被分离、克隆。植物基因转化技术也得到不断发展和完善。应用最多的为转化技术也得到不断发展和完善。应用最多的为农杆菌转化法农杆菌转化法和和基因枪转化法。基因枪转化法。抗虫稻
73、抗虫稻对照对照1.1.根癌农杆菌转化技术：根癌农杆菌转化技术： 根癌农杆菌根癌农杆菌介导的植物转化是应用得最早而广介导的植物转化是应用得最早而广泛的植物转化方法（双子叶植物、单子叶植物）。泛的植物转化方法（双子叶植物、单子叶植物）。过程：将目的基因与启动子（花椰菜病毒过程：将目的基因与启动子（花椰菜病毒35S35S）及终）及终止子组成嵌合止子组成嵌合DNADNA分子分子插入到插入到TiTi衍生质粒衍生质粒RBRB与与LBLB内内构成重组质粒构成重组质粒 再转化到农杆菌细胞再转化到农杆菌细胞 将重组农将重组农杆菌去感染植物细胞杆菌去感染植物细胞 使质粒的部分使质粒的部分DNADNA包括目的包括目
74、的基因，整合到植物染色体，实现遗传转化。基因，整合到植物染色体，实现遗传转化。利用从抗草甘磷利用从抗草甘磷( (glyphosateglyphosate) ) E. coliE. coli中分离克隆中分离克隆的的EPSPEPSP合成酶基因，已培育出高抗除草剂转基因植合成酶基因，已培育出高抗除草剂转基因植物物。 2. 2. 基因枪转化技术：基因枪转化技术： 基因枪介导的植物转化是通过高压气体为基因枪介导的植物转化是通过高压气体为动力，高速发射包裹有重组动力，高速发射包裹有重组DNADNA的金属颗粒的金属颗粒将将目的基因直接导入植物细胞，并整合到染色体目的基因直接导入植物细胞，并整合到染色体上的方
75、法。上的方法。 转化的载体多数是以转化的载体多数是以pUCpUC系列质粒为基础构系列质粒为基础构建的。它们通常具有细菌复制原点及抗性选择建的。它们通常具有细菌复制原点及抗性选择标记，具有可在植物中表达的启动子终止子及标记，具有可在植物中表达的启动子终止子及调控序列，以及植物抗性选择标记调控序列，以及植物抗性选择标记( (如除草剂、如除草剂、潮霉素等抗性潮霉素等抗性) )。 几种基因枪类型的几种基因枪类型的共同特点：共同特点：是用一种是用一种动力系统动力系统将金属微粒和包被将金属微粒和包被DNADNA导入受体细胞或组织进导入受体细胞或组织进行转化。行转化。1.1.位于高压气体桶底部位于高压气体桶
76、底部的的爆破片爆破片；2.2.载有重组载有重组DNADNA和金属微和金属微粒的粒的大载体大载体；3.3.阻挡板阻挡板； 4.4.包裹有重组包裹有重组DNADNA的的金金属微粒属微粒；5.5.被轰击被轰击样品样品。 转基因基因动物物: : 与转基因植物相比，转基因动物的发展要慢些。与转基因植物相比，转基因动物的发展要慢些。转基因动物：转基因动物：目的基因目的基因+ +载体载体重组重组DNADNA微量注微量注射法将重组射法将重组DNADNA导入受体合子细胞核中导入受体合子细胞核中遗传转遗传转化。化。如：利用转基因羊，大量表达人类的如：利用转基因羊，大量表达人类的抗胰蛋白酶。抗胰蛋白酶。可分泌人类生
77、长因子可分泌人类生长因子的转基因羊的转基因羊“PollyPolly”( (下图下图) )。(Wilmut(Wilmut等，等，Nature Nature 385, 1997)385, 1997)受精卵细胞注射受精卵细胞注射法法转基因牛：受精卵注射法转基因牛：受精卵注射法人类生长激素人类生长激素转基因猪转基因猪同胞鼠对照同胞鼠对照转移有人类生长激转移有人类生长激素转基因鼠素转基因鼠 遗传疾病诊断：遗传疾病诊断：利用重组利用重组DNADNA技术进行遗传疾病诊断，是直接从技术进行遗传疾病诊断，是直接从DNADNA即基因水平进行诊断即基因水平进行诊断准确度高，速度快。准确度高，速度快。如：镰刀性贫血病
78、的诊断如：镰刀性贫血病的诊断进行产前诊断，分析胎儿是否有遗传疾病。进行产前诊断，分析胎儿是否有遗传疾病。 基因治疗：基因治疗： 利用基因工程技术，将利用基因工程技术，将特异基因导入并整合到特异基因导入并整合到有遗传缺陷患者的基因组中有遗传缺陷患者的基因组中治疗遗传疾病，通治疗遗传疾病，通常叫做基因治疗常叫做基因治疗(gene therapy)(gene therapy)。方法：方法：利用利用减毒的病毒减毒的病毒DNADNA作载体作载体(retro virus (retro virus DNA)DNA)构建重组构建重组DNADNA分子分子用病毒包装物包装后用病毒包装物包装后形成的减毒病毒感染患者
79、的细胞形成的减毒病毒感染患者的细胞将正常基因整将正常基因整合到染色体上。合到染色体上。例如，例如，用用漠洛尼氏鼠漠洛尼氏鼠白血病病毒白血病病毒(MLV)(MLV)改造而成改造而成的的retro virus载体，已用于治疗严重综合免疫缺载体，已用于治疗严重综合免疫缺陷陷(SCID)(SCID)。SCIDSCID是由于是由于腺苷脱腺苷脱氢酶基因基因( (adenosine deaminase，ADA)突变引起的，患者无任何免突变引起的，患者无任何免疫功能。疫功能。方法：方法：将将ADAADA基因导入到基因导入到MLV retrovirus 载体中载体中取代该病毒取代该病毒DNADNA中的三个基因结
80、构中的三个基因结构(gag(gag、polpol、env)env)将重组后的病毒去感染将重组后的病毒去感染T T细胞，使细胞，使ADAADA基基因整合到因整合到T T细胞的染色体中细胞的染色体中实现基因治疗的目实现基因治疗的目的。的。20002000年法国年法国FischerFischer用该用该方法治愈患有方法治愈患有SCIDSCID遗传遗传病的两个婴儿病的两个婴儿(8(8个月和个月和1111个月个月) ) 。这一工作被。这一工作被认为是认为是2020世纪人类基因世纪人类基因治疗上的重大突破。治疗上的重大突破。 DNA DNA芯片芯片(DNA chips) (DNA chips) ：核酸分子
81、杂交的原理和方法核酸分子杂交的原理和方法+ +半导体技术结合半导体技术结合发展形成的一门新技术。这一技术可使许多分子发展形成的一门新技术。这一技术可使许多分子杂交反应同时进行。杂交反应同时进行。DNADNA芯片技术：芯片技术：在面积不大在面积不大( (如如2cm2cm) )的基片表面分成不同小格的基片表面分成不同小格有序地点阵排列于一定位置可寻址的核苷酸分有序地点阵排列于一定位置可寻址的核苷酸分子子将待分析核苷酸分子标记将待分析核苷酸分子标记( (如用荧光如用荧光) )，变性变性成单链与芯片上序列相同的核苷酸分子杂交成单链与芯片上序列相同的核苷酸分子杂交与与芯片上序列不同的核酸分子被洗掉芯片上
82、序列不同的核酸分子被洗掉利用高精度利用高精度的激光扫描仪记录分子已杂交的荧光信号的激光扫描仪记录分子已杂交的荧光信号计算计算机软件分析。机软件分析。DNADNA芯片的芯片的基片：基片：玻璃、硅片或尼龙等。玻璃、硅片或尼龙等。应用用领域：域：基因多基因多态性性检测（如单核苷酸多态性筛选（如单核苷酸多态性筛选single nucleotidePolymorphisms single nucleotidePolymorphisms ，SNPs) SNPs) ；基因表达分析基因表达分析（不同细胞和不同组织的（不同细胞和不同组织的RNARNA群体群体比较）；比较）；克隆选择及文库筛选（如克隆选择及文库筛选（如cDNAcDNA文库）；文库）；基因突变检测及遗传病和肿瘤的诊断等。基因突变检测及遗传病和肿瘤的诊断等。结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！113
