基因工程的分子生物學基礎

基因工程考核方法平時成績20%閉卷考試80%名詞解釋20%出勤課堂表現(xiàn)填空題20%選擇題20%100%判斷題10%問答題30%《基因工程》第一章基因工程概述第二章基因工程的載體和工具酶第三章基因的常規(guī)技術:基因克??；轉化；篩選；鑒定第四章基因在大腸桿菌、酵母中的高效表達（基因工程制藥）第五章轉基因植物第六章轉基因動物第七章基因治療主要參考資料孫明.基因工程.高等教育出版社。吳乃虎等.基因工程原理.科學出版社。張惠展等?；蚬こ獭８叩冉逃霭嫔?。?

生物技術通報?中國生物工程雜志?農業(yè)生物技術學報?生物工程學報?生物技術?遺傳?Moleculargeneticsandgenomics

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Nature第一章基因工程概述2012.09基因（gene）基因研究發(fā)展的過程基因的現(xiàn)代概念基因的特點基因工程（geneticengineering）基因工程的定義與研究發(fā)展史基因工程研究的主要內容或步驟

基因工程的應用基因操作，是在分子生物學和分子遺傳學等學科綜合發(fā)展的基礎上、于本世紀70年代誕生的一門嶄新的生物技術科學。它的創(chuàng)立和發(fā)展，直接依賴于基因工程或稱分子生物學的進步，兩者之間有著密不可分的聯(lián)系?；虻难芯繛榛蚬こ痰膭?chuàng)立奠定了堅實的理論基礎，基因工程的誕生是基因研究發(fā)展的必然結果；而基因工程技術的發(fā)展和應用，又深刻并有力地影響著基因的研究，使我們對基因的研究提到了空前的高度。因此，對基因研究發(fā)展的過程，以及基因的現(xiàn)代概念進行一下回顧是十分必要的?；蚬こ膛c基因一、基因（gene）

一段可以編碼具有某種生物學功能物質的核苷酸序列。

2.基因的特點

:（1）不同基因具有相同的物質基礎

在原則上，所有生物的DNA都是可以重組互換的，因為地球上的一切生物，無論是高等還是低等，他們的基因都是一個具有遺傳功能的特定核苷酸序列的DNA片斷，而所有生物的DNA結構都是一樣的。有些病毒的基因定位在RNA上，但這些病毒RNA可以通過反轉錄產(chǎn)生CDNA，并不影響不同基因的重組互換。（2）基因是可以切割的

基因在染色體上的存在形式是直線排列。大多數(shù)基因彼此之間存在這間隔，少數(shù)基因是重疊排列的。（3）基因是可以轉移的

生物體內有的基因是可以在染色體上移動的，甚至可以在不同的染色體上跳躍，插入到靶DNA分子中?；蛟谵D移的過程中就完成了基因間的重組。（轉座子、反轉座子）（4）多肽與基因之間存在對應關系

現(xiàn)在普遍認為，一種多肽就有一種相對應的基因。因此，基因的轉移或重組可以根據(jù)其表達產(chǎn)物多肽的性質來檢查。（5）遺傳密碼是通用的

一系列的三聯(lián)密碼子（除極少數(shù)外）同氨基酸之間的對應關系，在所有生物中都是相同的。（6）基因可以通過復制把遺傳信息傳遞給下一代

經(jīng)重組的基因一般來說是能傳代的，可以獲得相對穩(wěn)定的轉基因生物。

目前世界許多國家將生物技術，信息技術和新材料技術作為三大重中之重技術，而生物技術可以分為傳統(tǒng)生物技術，工業(yè)生物發(fā)酵技術和現(xiàn)代生物技術?，F(xiàn)在人們常說的生物技術實際上就是現(xiàn)代生物技術?，F(xiàn)代生物技術包括基因工程、蛋白質工程、細胞工程、酶工程和發(fā)酵工程等五大工程技術。其中基因工程技術是現(xiàn)代生物技術的核心技術。

1、概念（重點）：利用人工的方法把生物的遺傳物質在體外進行切割、與載體拼接和重組，獲得重組DNA分子，然后導入宿主細胞或個體，使受體的遺傳特性得到修飾或改變的過程?；蚬こ滩僮鞯膶ο笫荄NA分子，首先把目標基因克隆出來插入到一定的載體中，然后將重組DNA分子導入到受體細胞，并使其保持和遺傳下去。優(yōu)點：打破了常規(guī)的物種間界限（原核與真核生物之間、動植物之間、甚至人與其他生物之間），使遺傳信息進行重組和轉移。二、基因工程1、基因工程研究發(fā)展史

1）基因工程的準備階段理論基礎

（1）在40年代確定了遺傳信息的攜帶者，即基因的分子載體是DNA而不是蛋白質，從而明確了遺傳的物質基礎問題。（2）在50年代揭示了DNA分子的雙螺旋模型和半保留復制機理，解決了基因的自我復制和傳遞的問題。（3）在50年代末期和60年代，相繼提出了“中心法則”和操縱子學說，并成功的破譯了遺傳密碼，從而闡明了信息的流向和表達問題。中心法則2）技術基礎

（1）20世紀60年代末70年代初，限制性內切酶和DNA連接酶等的發(fā)現(xiàn)，使DNA分子進行體外切割和連接成為可能。（2）70年代中期，DNA分子的核苷酸序列分析技術問世。這兩項技術，使DNA的結構分析問題得到了根本的解決。（3）1972年首次構建了一個重組DNA分子，并提出了體外重組的DNA分子進入宿主細胞的過程，以及在其中進行復制和有效表達等問題。（4）在60年代還發(fā)展出了瓊脂糖凝膠電泳和Southern轉移雜交技術，這對于DNA片斷的分離、檢測十分有用，并很快被應用于基因操作實驗。3）基因工程的問世

1973年Cohen等首次完成了重組質粒DNA對大腸桿菌的轉化，同時與S.Boyer合作，將非洲爪蟾含核糖體基因的DNA片段與質粒pSC101重組，轉化大腸桿菌，轉錄出相應的mRNA。此研究成果表明基因工程已正式問世；并說明了質粒分子可以作為基因克隆的載體能攜帶外源基因導入宿主細胞，也說明了真核生物的基因可以轉移到原核生物細胞中并在其中實現(xiàn)功能表達。4）基因工程的迅速發(fā)展階段

自基因工程問世以的這二十幾年是基因工程迅速發(fā)展的階段。如果說20世紀八九十年代是基因工程基礎研究趨向成熟，那么二十一世紀初將是基因工程應用研究的鼎盛時期。2、基因工程研究的主要內容或步驟（重點）（1）目的基因的克隆從復雜的生物有機體基因組中，經(jīng)過酶切消化或PCR擴增等步驟，分離出帶有目的基因的DNA片段；（2）基因與載體的連接，獲得重組DNA在體外，將帶有目的基因的外源DNA片段連接到能夠自我復制的并具有選擇記號的載體分子上，形成重組DNA分子；（3）將重組DNA轉化受體細胞，進行大量增殖將重組DNA分子轉移到適當?shù)氖荏w細胞（通常是大腸桿菌），并與之一起增殖；（4）篩選和鑒定重組子從大量的細胞繁殖群體中，篩選出獲得了細胞重組DNA分子的受體細胞克?。粡倪@些篩選出來的受體細胞克隆，提取出已經(jīng)得到擴增的目的基因，供進一步分析研究使用；（5）將目的基因克隆到表達載體上，導入寄主細胞（動物細胞、植物細胞、酵母細胞、大腸桿菌細胞等），使之在新的遺傳背景下實現(xiàn)功能表達，產(chǎn)生出人類所需要的物質。三、基因工程的基本流程基因分離酶切載體酶切基因和載體連接導入細菌重組質粒繁殖重組克隆的選擇序列分析和基因表達等研究導入植物細胞基因工程研究的基本技術路線

基因工程流程示意圖

三、基因工程的應用基因工程技術已經(jīng)在醫(yī)學、工業(yè)、農業(yè)等各個領域得到了廣泛的應用。

（1）在醫(yī)學上的應用

基因工程被用于大量生產(chǎn)過去難以得到或幾乎不可能得到的蛋白質－肽類藥物。胰島素1000磅牛胰10克胰島素200升發(fā)酵液10克胰島素干擾素1200升人血1升發(fā)酵液2－3萬美元/病人200－300美元/病人（2）食品工業(yè)用于提高奶酪產(chǎn)量

生產(chǎn)奶酪的凝乳酶傳統(tǒng)上來自哺乳小牛的胃。現(xiàn)在可以通過基因工程辦法，用酵母生產(chǎn)凝乳酶，大量用于奶酪制造。哺乳小牛凝乳酶基因胃轉入啤酒酵母

凝乳酶凝乳酶

制造奶酪（3）轉基因動物和植物

轉基因動物首先在小鼠獲得成功。現(xiàn)在轉基因動物技術已用于牛、羊，使得從牛/羊奶中可以生產(chǎn)蛋白質藥物。稱為“乳腺反應器”工程。

轉基因植物亦已在大田中廣為播多利和它的孩子

沃爾小組成功克隆兩只恒河猴

吳明杰小組：5只克

隆豬把大鼠生長因子轉入小鼠得到巨大型的轉基因小鼠。轉基因植物獲得新的性狀（6）工程菌在環(huán)境工程中應用

美國GE公司構造成功具有巨大烴類分解能力的工程菌，并獲專利，用于清除石油污染。噴灑工程菌清除石油污染無冰晶細菌幫助草莓抗霜凍

（7）基因治療

這是一個年僅6歲的美國小女孩，她的名字叫艾米。由于遺傳的因素，她身體內無法合成有分解氨基毒素功能的酶，導致免疫系統(tǒng)嚴重受損－－整天渾身無力，吃不下飯，不想走動，還出現(xiàn)各種疼痛，小小年紀就吃盡了苦頭。1990年9月14日，美國醫(yī)生安德遜給艾米移植健康的基因，一年多以后，艾米能夠自己合成以前不能合成的腺苷膜氨酶了，從此，她又成為一個健康活潑的小女孩了。人類首次基因療法獲得成功。

基因治療把正常有功能的基因，通過基因轉移的方法導入患者的細胞內，并使之成為表達功能正常的基因，