基因工程與基因組學(xué)課件

1、基因工程與基因組學(xué)基因工程與基因組學(xué)一、一、基因工程概述基因工程概述二、二、基因工程工具酶基因工程工具酶三、基因工程的流程及相關(guān)技術(shù)三、基因工程的流程及相關(guān)技術(shù)四、基因工程的發(fā)展應(yīng)用四、基因工程的發(fā)展應(yīng)用基因工程與基因組學(xué)一、基因工程概述基因工程概述遺傳工程（遺傳工程（genetic engineering），），也稱生也稱生物工程，利用工程技術(shù)的方法改造和修飾生物工程，利用工程技術(shù)的方法改造和修飾生物體，使其產(chǎn)生新的性狀或產(chǎn)品，從而改良物體，使其產(chǎn)生新的性狀或產(chǎn)品，從而改良生物體的一種遺傳學(xué)手段。生物體的一種遺傳學(xué)手段。核心是利用重組核心是利用重組DNA技術(shù)，在分子水平上操技術(shù)，在分子水平上

2、操作修飾改變生物體遺傳結(jié)構(gòu)。作修飾改變生物體遺傳結(jié)構(gòu)?；蚬こ膛c基因組學(xué)基因工程與基因組學(xué)基因工程與基因組學(xué)基因工程與基因組學(xué)基因工程與基因組學(xué)基因工程與基因組學(xué)噬菌體噬菌體載體載體YACYAC（1Mb1Mb）基因工程與基因組學(xué)基因工程與基因組學(xué)三、基因工程的流程及相關(guān)技術(shù)三、基因工程的流程及相關(guān)技術(shù)基因工程與基因組學(xué)基因工程與基因組學(xué)基因工程與基因組學(xué)1.構(gòu)建基因組文庫分離法構(gòu)建基因組文庫分離法 用克隆載體將某種生物用克隆載體將某種生物的基因組全部遺傳信息儲存的基因組全部遺傳信息儲存于一個(gè)受體菌的群體，即構(gòu)于一個(gè)受體菌的群體，即構(gòu)成了這種生物的基因組文庫。成了這種生物的基因組文庫。若只儲存某

3、生物基因組的部若只儲存某生物基因組的部分遺傳信息，即構(gòu)成部分基分遺傳信息，即構(gòu)成部分基因組文庫。因組文庫。供體生物的基因組供體生物的基因組DNADNA切切割成許多片段割成許多片段將所有片段分別連接到載體將所有片段分別連接到載體上，構(gòu)成一個(gè)重組上，構(gòu)成一個(gè)重組DNADNA群體群體這個(gè)群體包含全基因組的遺這個(gè)群體包含全基因組的遺傳信息。傳信息。保存、篩選保存、篩選基因工程與基因組學(xué)差別顯示分析基本流程差別顯示分析基本流程2.2.差別顯示反轉(zhuǎn)錄差別顯示反轉(zhuǎn)錄PCRPCR（DDRT-PCRDDRT-PCR）基因工程與基因組學(xué)3 3、利用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)擴(kuò)增目的基因、利用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)擴(kuò)增目的基因

4、（1）套式）套式PCR（2）反向）反向PCR（3）不對稱）不對稱PCR（4）錨定）錨定PCR（5）長程）長程PCR（6）反轉(zhuǎn)錄）反轉(zhuǎn)錄PCR基因工程與基因組學(xué)基因工程與基因組學(xué)通過用相同通過用相同的限制性核的限制性核酸內(nèi)切酶切酸內(nèi)切酶切割，連接形割，連接形成一個(gè)重組成一個(gè)重組DNA分子分子 基因工程與基因組學(xué)基因工程與基因組學(xué)重組重組DNA感受態(tài)感受態(tài)細(xì)胞細(xì)胞 冰浴冰浴混合、靜置混合、靜置42C 熱激熱激加入培養(yǎng)基加入培養(yǎng)基擴(kuò)培擴(kuò)培轉(zhuǎn)化液涂含抗轉(zhuǎn)化液涂含抗菌素的平板菌素的平板吸附吸附DNA攝入攝入DNA基因工程與基因組學(xué)感受態(tài)細(xì)胞感受態(tài)細(xì)胞 電轉(zhuǎn)儀調(diào)為電轉(zhuǎn)儀調(diào)為2.5kV 25 F 脈沖控制器

5、脈沖控制器200-400 質(zhì)粒質(zhì)粒DNA 混合混合加入加入培養(yǎng)液培養(yǎng)液37 中速震蕩中速震蕩涂板涂板基因工程與基因組學(xué)農(nóng)桿菌介導(dǎo)的農(nóng)桿菌介導(dǎo)的TiTi質(zhì)粒載體轉(zhuǎn)化法質(zhì)粒載體轉(zhuǎn)化法基因工程與基因組學(xué)1 1. .插入抗性失活插入抗性失活基因工程與基因組學(xué)基因工程與基因組學(xué)基因工程與基因組學(xué)1 1、基因工程是生物科學(xué)基礎(chǔ)研究的重要手段、基因工程是生物科學(xué)基礎(chǔ)研究的重要手段2 2、利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)改良植物已取得很大進(jìn)展并、利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)改良植物已取得很大進(jìn)展并在生產(chǎn)上應(yīng)用在生產(chǎn)上應(yīng)用3 3、利用基因工程獲得大量重組的蛋白、疫苗藥、利用基因工程獲得大量重組的蛋白、疫苗藥物物4 4、利用基因工程進(jìn)行不同物種

6、之間的基因傳遞、利用基因工程進(jìn)行不同物種之間的基因傳遞提供了可能。提供了可能。 轉(zhuǎn)基因動植物轉(zhuǎn)基因動植物-“-“生物工廠生物工廠”5 5、疾病診斷與基因治療、疾病診斷與基因治療6 6、環(huán)境保護(hù)、環(huán)境保護(hù)基因工程與基因組學(xué)基因工程與基因組學(xué)4. 利用基因工程改良動物利用基因工程改良動物基因工程與基因組學(xué)基因工程與基因組學(xué)基因工程與基因組學(xué)基因組基因組( (genome) )泛指一個(gè)有生命體、病毒泛指一個(gè)有生命體、病毒或細(xì)胞器的全部遺傳物質(zhì)；在或細(xì)胞器的全部遺傳物質(zhì)；在真核生物，基因組是指一套染真核生物，基因組是指一套染色體（單倍體）色體（單倍體）DNA。 一、一、基因組學(xué)概念及范疇基因組學(xué)概念及

7、范疇基因組學(xué)基因組學(xué)(genomics)就是發(fā)展和應(yīng)用就是發(fā)展和應(yīng)用DNA制圖、制圖、測序新技術(shù)以及計(jì)算機(jī)程序，測序新技術(shù)以及計(jì)算機(jī)程序，分析生命體（包括人類）全部分析生命體（包括人類）全部基因組結(jié)構(gòu)及功能?；蚪M結(jié)構(gòu)及功能?；蚬こ膛c基因組學(xué)基因工程與基因組學(xué)基因組學(xué)研究內(nèi)容基因組學(xué)研究內(nèi)容 結(jié)構(gòu)基因組學(xué)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)(structural genomics) 功能基因組學(xué)功能基因組學(xué)(functional genomics) 比較基因組學(xué)比較基因組學(xué)(comparative genomics) 基因工程與基因組學(xué)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（structural genomics） 基因定位基

8、因定位 基因組作圖基因組作圖 測定核苷酸序列測定核苷酸序列基因工程與基因組學(xué)基因組計(jì)劃的第一個(gè)環(huán)節(jié)：構(gòu)建基因組圖基因組計(jì)劃的第一個(gè)環(huán)節(jié)：構(gòu)建基因組圖譜譜基因工程與基因組學(xué) 連鎖圖連鎖圖(linkage map)，采用遺傳分析的方法，采用遺傳分析的方法將基因?qū)⒒?DNA標(biāo)定在染色體上。即指基因標(biāo)記在標(biāo)定在染色體上。即指基因標(biāo)記在染色體上的遺傳距離，即確定各基因在基因組染色體上的遺傳距離，即確定各基因在基因組中的相對位置和排列順序。中的相對位置和排列順序。 遺傳距離通常由基因在四分體時(shí)期染色體交遺傳距離通常由基因在四分體時(shí)期染色體交換過程中分離的頻率厘摩（換過程中分離的頻率厘摩（cM）來表示。）

9、來表示?；蚬こ膛c基因組學(xué)遺傳標(biāo)記（遺傳標(biāo)記（Genetic marker）指可識別的等位基因。）指可識別的等位基因。它具有兩個(gè)基本特征，即可遺傳性和可識別性，因此生它具有兩個(gè)基本特征，即可遺傳性和可識別性，因此生物的任何有差異表型的基因突變型均可作為遺傳標(biāo)記。物的任何有差異表型的基因突變型均可作為遺傳標(biāo)記。類型：類型： 形態(tài)標(biāo)記（形態(tài)標(biāo)記（morphological marker） 細(xì)胞學(xué)標(biāo)記細(xì)胞學(xué)標(biāo)記(cytological marker) 生化標(biāo)記生化標(biāo)記(biochemical marker) 分子標(biāo)記分子標(biāo)記(molecular marker)構(gòu)建遺傳圖譜就是尋找基因組不同位置上的特

10、征性標(biāo)記，構(gòu)建遺傳圖譜就是尋找基因組不同位置上的特征性標(biāo)記，標(biāo)記必須有多態(tài)性，多態(tài)性則是突變的結(jié)果。標(biāo)記必須有多態(tài)性，多態(tài)性則是突變的結(jié)果?；蚬こ膛c基因組學(xué)基因工程與基因組學(xué) 以已知核苷酸序列的以已知核苷酸序列的DNA片斷（序列標(biāo)簽片斷（序列標(biāo)簽位點(diǎn)位點(diǎn), STS）為）為“路標(biāo)路標(biāo)”，以堿基對作為基本，以堿基對作為基本測量單位（圖距）的基因組圖。測量單位（圖距）的基因組圖。 用分子生物學(xué)的方法直接檢測用分子生物學(xué)的方法直接檢測DNA標(biāo)記在標(biāo)記在染色體上的實(shí)際位置染色體上的實(shí)際位置 DNADNA上兩點(diǎn)的實(shí)際距離，即確定基因在染色上兩點(diǎn)的實(shí)際距離，即確定基因在染色體上的實(shí)際排列順序，從而對基因定

11、位。體上的實(shí)際排列順序，從而對基因定位。限制酶作圖限制酶作圖依靠克隆的基因組作圖依靠克隆的基因組作圖熒光原位雜交熒光原位雜交序列標(biāo)簽位點(diǎn)作圖序列標(biāo)簽位點(diǎn)作圖基因工程與基因組學(xué) 以以ESTEST（expressed sequence tag expressed sequence tag ，表達(dá)序，表達(dá)序列標(biāo)簽）為標(biāo)記，根據(jù)轉(zhuǎn)錄順序的位置和距離繪列標(biāo)簽）為標(biāo)記，根據(jù)轉(zhuǎn)錄順序的位置和距離繪制的圖譜。制的圖譜?；蚬こ膛c基因組學(xué) 序列圖是指整個(gè)人類基因組的核苷酸序列圖，序列圖是指整個(gè)人類基因組的核苷酸序列圖，也是最詳盡的物理圖，既包括可轉(zhuǎn)錄序列，也包也是最詳盡的物理圖，既包括可轉(zhuǎn)錄序列，也包括非轉(zhuǎn)錄序

12、列，是轉(zhuǎn)錄序列、調(diào)節(jié)序列和功能未括非轉(zhuǎn)錄序列，是轉(zhuǎn)錄序列、調(diào)節(jié)序列和功能未知序列的總和。知序列的總和。 這是人類基因組計(jì)劃最繁重、耗時(shí)最多的工作。這是人類基因組計(jì)劃最繁重、耗時(shí)最多的工作。測序策略：測序策略： 鳥槍法鳥槍法 克隆重疊群法克隆重疊群法基因工程與基因組學(xué)基因工程與基因組學(xué)v 將基因組將基因組DNADNA切割長度為切割長度為0.1Mb0.1Mb1Mb1Mb的的大片段，克隆到大片段，克隆到Y(jié)ACYAC或或BACBAC載體上載體上v 然后再進(jìn)行亞克隆，分別測定單個(gè)亞克然后再進(jìn)行亞克隆，分別測定單個(gè)亞克隆的序列隆的序列v 再裝配、連接成連續(xù)的再裝配、連接成連續(xù)的DNADNA分子。分子。v

13、這是一種自上而下（這是一種自上而下（up to downup to down）的測）的測序策略序策略 v clone-by-clone method clone-by-clone method基因工程與基因組學(xué)CREDIT: JOE SUTLIFF Science, Vol 291: 1221.Fishing in a More Effective Way!基因工程與基因組學(xué)1990，美國國立衛(wèi)生研究所和能源部投資30億，啟動了人類基因組計(jì)劃，預(yù)計(jì)15年時(shí)間完成人類基因組全部序列的測定1996，完成標(biāo)記密度為0.6cM的人類基因組遺傳圖譜，100kb的物理圖譜2000，完成草圖2001年2月，

14、公布人類基因組圖譜的修訂版2002，完成測序工作基因工程與基因組學(xué)國際人類基因組測序協(xié)作組（公共計(jì)劃組）國際人類基因組測序協(xié)作組（公共計(jì)劃組）由由6個(gè)國家、個(gè)國家、20個(gè)研究中心的個(gè)研究中心的2000多位科學(xué)工多位科學(xué)工作者組成。作者組成?；蚬こ膛c基因組學(xué) 1999 1999年年9 9月月 中國獲準(zhǔn)加入人類基因組中國獲準(zhǔn)加入人類基因組計(jì)劃，負(fù)責(zé)測定人類基因組全部序列的計(jì)劃，負(fù)責(zé)測定人類基因組全部序列的1%1%，負(fù)責(zé)第負(fù)責(zé)第3 3號染色體號染色體3 3千萬核苷酸的序列測定千萬核苷酸的序列測定工作。中國是繼美、英、日、德、法之后工作。中國是繼美、英、日、德、法之后第第6 6個(gè)國際人類基因組計(jì)劃參

15、與者，也是參個(gè)國際人類基因組計(jì)劃參與者，也是參與這一計(jì)劃的唯一發(fā)展中國家。與這一計(jì)劃的唯一發(fā)展中國家。基因工程與基因組學(xué)人類基因組計(jì)劃1%測序中國實(shí)驗(yàn)室基因工程與基因組學(xué)2000年年6月月26日日 科學(xué)家公布科學(xué)家公布人類基因組工作草圖，標(biāo)志人類基因組工作草圖，標(biāo)志著人類在解讀自身著人類在解讀自身“生命之生命之書書”的路上邁出了重要一步。的路上邁出了重要一步?；蚬こ膛c基因組學(xué)HGP對人類基因面貌的新發(fā)現(xiàn)對人類基因面貌的新發(fā)現(xiàn)基因工程與基因組學(xué) 2000 年 12 月美、英等國科學(xué)家宣布繪出擬南芥基因組的完整圖譜，這是人類首次全部破譯出一種植物的基因序列。基因工程與基因組學(xué) 完成一個(gè)生物體全部

16、基因組測序后即進(jìn)入功完成一個(gè)生物體全部基因組測序后即進(jìn)入功能基因組學(xué)階段，也稱能基因組學(xué)階段，也稱后基因組階段后基因組階段詳詳盡分析序列，描述基因組所有基因的功能，盡分析序列，描述基因組所有基因的功能，包括研究基因的表達(dá)及其調(diào)控模式。包括研究基因的表達(dá)及其調(diào)控模式。 基因的識別、鑒定、克隆基因的識別、鑒定、克隆 基因結(jié)構(gòu)、功能及其相互關(guān)系基因結(jié)構(gòu)、功能及其相互關(guān)系 基因表達(dá)調(diào)控的研究基因表達(dá)調(diào)控的研究基因工程與基因組學(xué)（一）鑒定（一）鑒定DNA序列中的基因序列中的基因 ORF（二）（二）同源搜索同源搜索設(shè)計(jì)基因功能設(shè)計(jì)基因功能 （三）實(shí)驗(yàn)性設(shè)計(jì)基因功能（三）實(shí)驗(yàn)性設(shè)計(jì)基因功能 （四）描述基因表達(dá)模式（四）描述基因表達(dá)模式 主要具