基因工程基本概念與基本原理

基因工程基本概念與基本原理第1頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity一、引言（一）歷史

1917：提出

1953：基因的奠基人－詹姆斯.沃森和弗朗西斯.克里克，他們發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。－－DNA之父。DNA之母：羅莎琳德.富蘭克林，她用X射線衍射DNA晶體得到了影像，從而分辨出這種分子的維度、角度和形狀；她發(fā)現(xiàn)DNA是螺旋結(jié)構(gòu)，至少兩股，其化學(xué)“信息”面向進(jìn)里面。

1973：第一個(gè)成功的克隆轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，第一個(gè)有目的的基因重組實(shí)驗(yàn)，是現(xiàn)代生物技術(shù)的標(biāo)志。

1997：英培育出世界上第一例體細(xì)胞克隆動(dòng)物“多莉”羊，2003年2月14日去世。

1998：日本培育出體細(xì)胞克隆動(dòng)物8頭牛犢。第2頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity一、引言

2000：果蠅的基因組圖譜繪制完成；人類基因組圖譜的繪制工作完成。

2002：瘧原蟲(chóng)、按蚊的基因組圖譜完成；完成水稻、小鼠的基因組圖譜。

2003：意大利培育出第一匹克隆馬，人類基因組序列基本完成。第3頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity2005年：全球首只克隆狗在韓國(guó)公開(kāi)露面一、引言“斯納皮”與“父母”第4頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversityDNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)世界首只克隆羊“多莉”一、引言第5頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity一、基因工程與醫(yī)藥衛(wèi)生基因工程藥品的生產(chǎn)許多藥品的生產(chǎn)是從生物組織中提取的。受材料來(lái)源限制產(chǎn)量有限，其價(jià)格往往十分昂貴。微生物生長(zhǎng)迅速，容易控制，適于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。若將生物合成相應(yīng)藥物成分的基因?qū)胛⑸锛?xì)胞內(nèi)，讓它們產(chǎn)生相應(yīng)的藥物，不但能解決產(chǎn)量問(wèn)題，還能大大降低生產(chǎn)成本。第6頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity基因工程胰島素（一）胰島素是治療糖尿病的特效藥，長(zhǎng)期以來(lái)只能依靠從豬、牛等動(dòng)物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰島素，其產(chǎn)量之低和價(jià)格之高可想而知。胰島素分子結(jié)構(gòu)第7頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity基因工程胰島素（二）將合成的胰島素基因?qū)氪竽c桿菌，每2000L培養(yǎng)液就能產(chǎn)生100g胰島素！大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)不但解決了這種比黃金還貴的藥品產(chǎn)量問(wèn)題，還使其價(jià)格降低了30%-50%!胰島素生產(chǎn)車間第8頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity基因工程干擾素（一）干擾素治療病毒感染簡(jiǎn)直是“萬(wàn)能靈藥”！過(guò)去從人血中提取，300L血才提取1mg！其“珍貴”程度自不用多說(shuō)。干擾素生產(chǎn)車間干擾素分子結(jié)構(gòu)第9頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity基因工程干擾素(二）基因工程人干擾素α-2b（安達(dá)芬）是我國(guó)第一個(gè)全國(guó)產(chǎn)化基因工程人干擾素α-2b，具有抗病毒，抑制腫瘤細(xì)胞增生，調(diào)節(jié)人體免疫功能的作用，廣泛用于病毒性疾病治療和多種腫瘤的治療，是當(dāng)前國(guó)際公認(rèn)的病毒性疾病治療的首選藥物和腫瘤生物治療的主要藥物。第10頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity其它基因工程藥物人造血液、白細(xì)胞介素、乙肝疫苗等通過(guò)基因工程實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，均為解除人類的病苦，提高人類的健康水平發(fā)揮了重大的作用。人造血液及其生產(chǎn)第11頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity基因診斷與基因治療運(yùn)用基因工程設(shè)計(jì)制造的“DNA探針”檢測(cè)肝炎病毒等病毒感染及遺傳缺陷，不但準(zhǔn)確而且迅速。通過(guò)基因工程給患有遺傳病的人體內(nèi)導(dǎo)入正?；蚩伞耙淮涡浴苯獬∪说募部?。我國(guó)研究人員正在制備用于基因治療的基因工程細(xì)胞第12頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversitySCID的基因工程治療重癥聯(lián)合免疫缺陷（SCID）患者缺乏正常的人體免疫功能，只要稍被細(xì)菌或者病毒感染，就會(huì)發(fā)病死亡。這個(gè)病的機(jī)理是細(xì)胞的一個(gè)常染色體上編碼腺苷酸脫氨酶（簡(jiǎn)稱ADA）的基因（ada）發(fā)生了突變。可以通過(guò)基因工程的方法治療。SCID患者生存在無(wú)菌環(huán)境中第13頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity基因治療SCID的過(guò)程第14頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity二、基因工程與農(nóng)牧業(yè)、食品工業(yè)運(yùn)用基因工程技術(shù)，不但可以培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗性好的農(nóng)作物及畜、禽新品種，還可以培養(yǎng)出具有特殊用途的動(dòng)、植物。第15頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity轉(zhuǎn)基因魚(yú)生長(zhǎng)快、耐不良環(huán)境、肉質(zhì)好的轉(zhuǎn)基因魚(yú)(中國(guó))第16頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity轉(zhuǎn)基因牛乳汁中含有人生長(zhǎng)激素的轉(zhuǎn)基因牛(阿根廷)第17頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity轉(zhuǎn)黃瓜抗青枯病基因的甜椒第18頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity轉(zhuǎn)魚(yú)抗寒基因的番茄第19頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity轉(zhuǎn)黃瓜抗青枯病基因的馬鈴薯第20頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity不會(huì)引起過(guò)敏的轉(zhuǎn)基因大豆第21頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity超級(jí)動(dòng)物導(dǎo)入貯藏蛋白基因的超級(jí)羊和超級(jí)小鼠第22頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity特殊動(dòng)物導(dǎo)入人基因具特殊用途的豬和小鼠第23頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity三、基因工程與環(huán)境保護(hù)基因工程做成的DNA探針能夠十分靈敏地檢測(cè)環(huán)境中的病毒、細(xì)菌等污染。1t水中只有10個(gè)病毒也能被DNA探針檢測(cè)出來(lái)基因工程在環(huán)境監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用第24頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity利用基因工程培育的指示生物能十分靈敏地反映環(huán)境污染的情況，卻不易因環(huán)境污染而大量死亡，甚至還可以吸收和轉(zhuǎn)化污染物?；蚬こ淘诃h(huán)境監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用地衣苔蘚第25頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity基因工程與環(huán)境污染治理基因工程做成的“超級(jí)細(xì)菌”能吞食和分解多種污染環(huán)境的物質(zhì)。通常一種細(xì)菌只能分解石油中的一種烴類，用基因工程培育成功的“超級(jí)細(xì)菌”卻能分解石油中的多種烴類化合物。有的還能吞食轉(zhuǎn)化汞、鎘等重金屬，分解DDT等毒害物質(zhì)。第26頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity四、基因工程的基本形式第二節(jié)、基因工程的基本概念三、重組DNA技術(shù)與基因工程的基本用途二、基因工程的基本定義一、重組DNA技術(shù)的基本定義第27頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity一、重組DNA技術(shù)的基本定義基因工程的基本概念

重組DNA技術(shù)是指將一種生物體（供體）的基因與載體在體外進(jìn)行拼接重組，然后轉(zhuǎn)入另一種生物體（受體）內(nèi)，使之按照人們的意愿穩(wěn)定遺傳并表達(dá)出新產(chǎn)物或新性狀的DNA體外操作程序，也稱為分子克隆技術(shù)。

因此，供體、受體、載體是重組DNA技術(shù)的三大基本元件。第28頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity二、基因工程的基本定義基因工程的基本概念

基因工程是指重組DNA技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用，包括上游技術(shù)和下游技術(shù)兩大組成部分。上游技術(shù)指的是基因重組、克隆和表達(dá)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建（即重組DNA技術(shù)）；而下游技術(shù)則涉及到基因工程菌或細(xì)胞的大規(guī)模培養(yǎng)以及基因產(chǎn)物的分離純化過(guò)程。第29頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity三、重組DNA技術(shù)與基因工程的基本用途分離、擴(kuò)增、鑒定、研究、整理生物信息資源大規(guī)模生產(chǎn)生物活性物質(zhì)設(shè)計(jì)、構(gòu)建生物的新性狀甚至新物種基因工程的基本概念第30頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity大規(guī)模生產(chǎn)生物活性物質(zhì)工程細(xì)胞基因工程蛋白質(zhì)工程途徑工程發(fā)酵工程細(xì)胞工程分離工程酶酶工程分離工程天然細(xì)胞天然細(xì)胞生物活性物質(zhì)第31頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity四、基因工程的基本形式第一代基因工程蛋白多肽基因的高效表達(dá)

經(jīng)典基因工程第二代基因工程蛋白編碼基因的定向誘變

蛋白質(zhì)工程第三代基因工程代謝信息途徑的修飾重構(gòu)

途徑工程

第四代基因工程基因組或染色體的轉(zhuǎn)移

基因組工程基因工程的基本概念第32頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity四、基因工程的支撐技術(shù)第三節(jié)、基因工程的基本原理

三、基因工程的基本原理二、基因的分子生物學(xué)一、重組DNA技術(shù)的理論基礎(chǔ)第33頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity一、

重組DNA技術(shù)的理論基礎(chǔ)基因工程的基本原理19世紀(jì)中孟德?tīng)?/p>

豌豆雜交試驗(yàn)

遺傳因子

經(jīng)典遺傳學(xué)20世紀(jì)初摩爾根

果蠅雜交實(shí)驗(yàn)

基因

基因?qū)W1944年艾弗瑞

肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

遺傳物質(zhì)DNA1973年伯格-杰克森-考恩-鮑耶

DNA分子體外拼接分子遺傳學(xué)1953年沃森-克瑞克

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)

分子生物學(xué)基因工程第34頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity基因工程的基本原理二、基因的分子生物學(xué)基因蛋白質(zhì)機(jī)體構(gòu)架功能效應(yīng)生物催化調(diào)控元件mRNA轉(zhuǎn)錄翻譯生物性狀生物過(guò)程第35頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity基因工程的基本原理三、基因工程的基本原理提高外源基因的劑量——分子遺傳學(xué)原理篩選修飾重組基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件，如：?jiǎn)?dòng)子、增強(qiáng)子、操作子、終止子、上游調(diào)控序列等——分子生物學(xué)原理

修飾構(gòu)建蛋白質(zhì)生物合成的翻譯調(diào)控元件，如：SD序列、mRNA非編碼區(qū)、密碼子等——分子生物學(xué)原理

基因工程菌（微型生物反應(yīng)器）的增殖及穩(wěn)定生產(chǎn)——生化工程學(xué)原理

第36頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity基因工程的基本原理四、基因工程的支撐技術(shù)核酸凝膠電泳技術(shù)核酸分子雜交技術(shù)細(xì)菌轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)染技術(shù)DNA序列分析技術(shù)寡核苷酸合成技術(shù)基因定點(diǎn)突變技術(shù)聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）技術(shù)第37頁(yè)/共40頁(yè)LuDongUniversity基因工程的基本過(guò)程1、提取目的基因2、載體的選擇和制備：質(zhì)粒3、目的基因與載體連接4、導(dǎo)入受體5、篩選與檢測(cè)6、表達(dá)基