基因工程概況

基因工程概況第1頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一課程內(nèi)容緒論第一章分子克隆工具酶第二章分子克隆載體第三章基因的克隆與鑒定第四章PCR技術(shù)第五章基因突變技術(shù)第六章基因芯片技術(shù)第七章外源目的基因的表達(dá)與調(diào)控第2頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一參考書基因工程原理吳乃虎基因工程孫明高等教育出版社基因工程概論張惠展分子克隆生物學(xué)期刊雜志第3頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一能發(fā)光的水母不能發(fā)光的熱帶斑馬魚請您欣賞能否讓熱帶魚也能發(fā)光?設(shè)想第4頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一能發(fā)熒光的熱帶斑馬魚普通熱帶斑馬魚是不發(fā)熒光的第5頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一請您欣賞超級小鼠與超級魚第6頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一請您欣賞抗蟲害的玉米抗蟲棉能產(chǎn)生人胰島素的大腸桿菌第7頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一從大腸桿菌說起－－胰島素胰島素每100kg豬或牛的胰腺中提取4~5g胰島素

1979年，利用大腸桿菌的DNA分子重組，2000L培養(yǎng)液提取100g，相當(dāng)于2噸豬胰腺中提取的量第8頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一胰島素是治療糖尿病的特效藥，長期以來只能依靠從豬、牛等動物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰島素，其產(chǎn)量之低和價格之高可想而知。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)量問題，還使其價格降低了30%-50%!第9頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一從大腸桿菌說起－－干擾素

干擾素一千克純的干擾素價值可達(dá)440億美元。傳統(tǒng)生產(chǎn)方法：血液中提出白細(xì)胞，然后用病毒去感染它，這時會產(chǎn)生干擾素，1個細(xì)胞最多生產(chǎn)100~1000個干擾素分子基因工程：改造的大腸桿菌發(fā)酵生產(chǎn)：一天內(nèi)便可生產(chǎn)20萬個干擾素分子。1KG培養(yǎng)物中可以得到20~40mg干擾素第10頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一干擾素治療病毒感染簡直是“萬能靈藥”！過去從人血中提取，300L血才提取1mg！其“珍貴”程度自不用多說。人造血液、白細(xì)胞介素、乙肝疫苗等通過基因工程實現(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，共67頁，2023年，2月20日，星期一思考：1、為什么能把一種生物的基因“嫁接”到另一種生物上？2、推測這種“嫁接”怎樣能實現(xiàn)？3、這種“嫁接”對品種的改良有什么意義？第12頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一主要內(nèi)容1.基因工程的基本概念2.基因工程的理論依據(jù)3.基因操作的基本步驟4.基因工程的發(fā)展歷史5.基因工程研究內(nèi)容6、轉(zhuǎn)基因生物與轉(zhuǎn)基因食品的安全性第13頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一1.基因工程的基本概念重組DNA技術(shù)

重組DNA技術(shù)是指將一種生物（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14頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一基因工程含義

基因工程（GeneEngineering）：

利用DNA體外重組或PCR擴增技術(shù)從某種生物基因組中分離靶基因,或是用人工合成的方法獲取基因,然后經(jīng)過一系列切割,加工修飾,連接反應(yīng)形成重組DNA分子,再將其轉(zhuǎn)入適當(dāng)?shù)氖荏w細(xì)胞,以期獲得基因表達(dá)的過程.

基因工程指重組DNA技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化設(shè)計與應(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)物的分離純化過程。

第15頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一二、基因工程的理論依據(jù)

不同的基因具有相同的物質(zhì)基礎(chǔ)基因是可以切割的基因是可以轉(zhuǎn)移的多肽與基因間存在對應(yīng)關(guān)系遺傳密碼是通用的基因可以通過復(fù)制把遺傳信息傳遞到下一代第16頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一第17頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一四個基本步驟：三基因操作的基本步驟1）提取目的基因2）目的基因與運載體結(jié)合3）將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞4）目的基因的檢測和表達(dá)第18頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一四．基因工程的發(fā)展歷史1）準(zhǔn)備階段

19世紀(jì)中孟德爾豌豆雜交試驗遺傳因子經(jīng)典遺傳學(xué)

20世紀(jì)初莫爾根果蠅雜交試驗基因基因?qū)W

1944年艾弗瑞肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗遺傳物質(zhì)DNA1953年沃森－克瑞克DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)—搞清了遺傳物質(zhì)的分子機制

1958年至1971年確立中心法則，破譯64種遺傳密碼—使遺傳學(xué)在分子水平上得到解釋。

1972年美國Berg,Jackson等人將猿猴病基因組SV40DNA,噬菌體基因，大腸桿菌半乳糖操縱子，體外重組獲得成功。第19頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一四．基因工程的發(fā)展歷史2）問世階段

1973年美國斯坦福大學(xué)Cohen,Boyer等，在體外構(gòu)建含有四環(huán)素，鏈霉素，兩個抗性基因的重組質(zhì)粒分子,導(dǎo)入大腸桿菌后穩(wěn)定復(fù)制，賦予受體細(xì)胞相應(yīng)抗生素抗性。同時與別人合作將非洲爪蟾含核糖體基因的DNA片段與質(zhì)粒重組，轉(zhuǎn)化大腸桿菌，轉(zhuǎn)錄出相應(yīng)的RNA-----（宣告基因工程誕生）第20頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一第21頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一四．基因工程的發(fā)展歷史3）發(fā)展階段1978年美國Genentech公司利用重組大腸桿菌合成人胰島素的先進(jìn)生產(chǎn)工藝--------（揭開基因工程產(chǎn)業(yè)化的序幕）1983年，攜帶有細(xì)菌新霉素抗性基因的重組Ti質(zhì)粒轉(zhuǎn)化植物細(xì)胞獲得成功。1990年，美國科學(xué)家對一名因腺苷脫氨酶基因缺陷患有重度聯(lián)合免疫缺陷癥的兒童進(jìn)行基因治療獲得成功。-------（分子醫(yī)學(xué)新紀(jì)元）第22頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一四．基因工程的發(fā)展歷史1991年，美國倡導(dǎo)在全球?qū)嵤┤祟惢蚪M計劃，用15年時間斥資30億美元，完成12萬5000個人類基因的全部測序工作。1997年，英國科學(xué)家利用體細(xì)胞克隆技術(shù)復(fù)制出“多利”綿羊。------（人類可以在實驗室進(jìn)行復(fù)制自身的嘗試）2005年，鄧宏魁，丁明孝教授克隆小白鼠在中國屬首例。2006.12美國允許將克隆動物肉和奶制品進(jìn)入市場,可以不作標(biāo)記.但受百姓質(zhì)疑.

克隆動物肉和奶制品將擺上百姓餐桌第23頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一五、基因工程研究內(nèi)容基礎(chǔ)研究基因工程克隆載體的研究基因工程克隆受體的研究目的基因的研究基因工程工具酶的研究基因工程新技術(shù)研究應(yīng)用研究基因工程藥物研究轉(zhuǎn)基因植物研究轉(zhuǎn)基因動物研究

其他方面的應(yīng)用研究第24頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一載體概念：

通過不同途徑能將承載的外源DNA片段（基因）帶入受體細(xì)胞，并在其中得以維持的DNA分子稱為DNA克隆載體或基因克隆載體。舉例：

pET系列載體

T載體

pBR322等第25頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一受體細(xì)胞概念：

受體細(xì)胞也稱為宿主細(xì)胞或寄主細(xì)胞，從技術(shù)上講是能攝取外源DNA并使其穩(wěn)定維持的細(xì)胞；從實驗?zāi)康纳现v是有運用價值和理論研究價值的細(xì)胞。舉例：

原核生物（大腸桿菌；藍(lán)藻）真核生物（酵母菌；植物；動物）第26頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一目的基因基因是一種資源，且是一種戰(zhàn)略資源基因工程研究的任務(wù)是開發(fā)人們特許需要的基因產(chǎn)物基因組計劃：從1990年開始，耗費30億，由美國、英國、日本、德國、法國和中國一起完成，我國承擔(dān)基因組1％的測序任務(wù)。2000年6月26日是人類歷史上值得紀(jì)念的一天。人類基因組的工作草圖已經(jīng)繪制完畢并于這天向全世界公布。最終完成圖要求測序所用的克隆能忠實地代表常染色體的基因組結(jié)構(gòu)，序列錯誤率低于萬分之一。第27頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一工具酶概念：

體外進(jìn)行DNA合成、切割、修飾和連接等系列過程中所需要的酶，包括DNA聚合酶、限制性核酸內(nèi)切酶、修飾酶和連接酶等。舉例:DNA聚合酶（Taq酶，pfu酶）限制性內(nèi)切酶（HindIII、SalI、KpnI）連接酶（T4連接酶）修飾酶（堿性磷酸酶）第28頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一新技術(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)基因定點突變技術(shù)聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）技術(shù)第29頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

藥物研究1.基因工程激素類藥物（胰島素；生長激素；促卵泡激素）2.基因工程細(xì)胞因子類藥物（干擾素；集落刺激因子；白介素；腫瘤壞死因子；趨化因子等）3.基因工程抗體（抗腫瘤、抗感染、防止器官移植中的排斥反應(yīng)等）4.基因工程受體（細(xì)胞因子受體；免疫球蛋白受體；補體受體；抗原受體）5.基因工程疫苗（細(xì)菌疫苗；病毒疫苗；核酸疫苗；其他疫苗）第30頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一我國生產(chǎn)的部分基因

工程疫苗和藥物許多藥品的生產(chǎn)是從生物組織中提取的。受材料來源限制產(chǎn)量有限，其價格往往十分昂貴。微生物生長迅速，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)量問題，還能大大降低生產(chǎn)成本。第31頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一基因工程人干擾素α-2b（安達(dá)芬）

第32頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一產(chǎn)品名稱菌株或細(xì)胞應(yīng)用人胰島素大腸桿菌人生長激素大腸桿菌表皮生長因子大腸桿菌白細(xì)胞介素-2大腸桿菌a—干擾素酵母菌乙型肝炎疫苗酵母菌溶血栓劑哺乳動物細(xì)胞治療糖尿病治療生長缺陷癥治療燙傷、胃潰瘍治療某些癌癥治療癌癥或病毒感染預(yù)防病毒性肝炎治療心血管?。ㄐ呐K?。┑?3頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一天竺葵＋香茅醛轉(zhuǎn)基因龍膽花色奇異第34頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一轉(zhuǎn)基因植物研究1983年，轉(zhuǎn)基因煙草和轉(zhuǎn)基因馬鈴薯獲得成功轉(zhuǎn)基因的目的：提高植物抗性改良作物品質(zhì)作為生物反應(yīng)器生產(chǎn)有用化合物舉例：

1.提高植物抗性抗病毒方面，將病毒外殼蛋白基因轉(zhuǎn)入植株中，是植物獲得抗病毒的能力。1986年首先將TMV外殼蛋白導(dǎo)入煙草和番茄中。見圖第35頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一抗CMV病毒轉(zhuǎn)基因番茄

煙草第36頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一甜椒在栽培的過程中，容易受病毒的感染。我國科學(xué)工作者，采用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，培育出抗病毒的甜椒。抗CMV病毒轉(zhuǎn)基因甜椒第37頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一轉(zhuǎn)基因植物研究1.提高植物抗性抗細(xì)菌和真菌——從抗病植物中克隆出抗病基因再導(dǎo)入易感病植物中，從而提高后者的抗病性。如：抗白粉病、赤霉病和黃矮病的小麥或?qū)⒖咕霓D(zhuǎn)入植株第38頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一轉(zhuǎn)基因植物研究1.提高植物抗性抗蟲方面——將抗蟲基因?qū)胍赘兄参镏刑岣咧参锏目瓜x性蘇云金桿菌的Bt殺蟲蛋白基因；胰蛋白酶抑制基因；凝集素基因第39頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一抗蟲棉花第40頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一第41頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一由中國農(nóng)科院生物工程中心開發(fā)的Bt棉對棉鈴蟲有顯著的抗性。與對照相比減少農(nóng)藥用量80％，并減少用工150個/hm2，以上兩者可使每公頃節(jié)省1500元，Bt轉(zhuǎn)基因棉種深受棉農(nóng)的歡迎。第42頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

如今中國北部地區(qū)的棉花有95%都已經(jīng)是轉(zhuǎn)基因的了，只有新疆北部地區(qū)還在種植非轉(zhuǎn)基因棉花。.

我國大豆食用油近七成是“轉(zhuǎn)基因”產(chǎn)品第43頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一轉(zhuǎn)基因植物研究1.提高植物抗性

抗除草劑——改變除草劑靶物的敏感性或?qū)刖幋a除草劑的解毒酶基因如：將除草劑草甘膦的靶酶（EPSPS）的cDNA轉(zhuǎn)入油菜，使油菜對草甘膦的抗性提高4倍；將bar基因、bxn基因、tfdA基因?qū)胱魑锾岣呖剐缘?4頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一抗除草劑大豆抗除草劑作物第45頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一轉(zhuǎn)基因植物研究1.提高植物抗性

抗旱、抗寒、抗熱和抗鹽轉(zhuǎn)基因番茄

1994年，美國政府批準(zhǔn)了他們研制成功抗干旱、早熟、保鮮的轉(zhuǎn)基因番茄商品化之后，我國也相繼成功培育出優(yōu)良品種的轉(zhuǎn)基因番茄，以滿足人們的需求。

轉(zhuǎn)魚抗寒基因的番茄第46頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一轉(zhuǎn)基因植物研究2.改善植物品質(zhì)

通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)改變植物中氨基酸組成和含量，提高植物的品質(zhì)

我國科學(xué)工作者，用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，可以轉(zhuǎn)變矮牽?；ǖ幕ㄉ?，使矮牽牛花的花色更加豐富多彩。第47頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一樣品比較（左為普通棉花，右為兔毛轉(zhuǎn)基因棉花）第48頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一轉(zhuǎn)基因小麥

從植物體中分離出合成賴氨酸的基因，把這基因轉(zhuǎn)入小麥植株中，培育出轉(zhuǎn)基因小麥。用這種轉(zhuǎn)基因小麥制造出來的面粉，更適合用來烤面包，而且面粉中賴氨酸含量高，這種面包的營養(yǎng)價值高。

第49頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一轉(zhuǎn)基因玉米

玉米是主要糧食之一，又可以提煉油脂，也可以用作食品和工業(yè)的原料以及作飼料，渾身是寶。人們稱它是含金的植物。如今培育出轉(zhuǎn)基因玉米，品質(zhì)更好，產(chǎn)量更高。第50頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

轉(zhuǎn)基因油菜

油菜是人們食用油的主要來源之一。一般油菜籽的含油量約為40％左右。通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)，培育出來的油菜籽，可以大大地提高它的出油率。而且油的純度質(zhì)量更好。第51頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一轉(zhuǎn)基因水稻第52頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一轉(zhuǎn)基因動物改良家畜、家禽和魚的經(jīng)濟性狀，或通過轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)某些藥物和蛋白質(zhì)等。如：將牛的基因?qū)胴i體內(nèi)

美國弗吉尼亞技術(shù)制藥工程研究院培育轉(zhuǎn)基因豬，其體內(nèi)含有人類的基因，產(chǎn)乳后其乳汁含有人體蛋白fatorⅧ。據(jù)估計，只需300～600只這樣的母豬就能滿足全世界對這種蛋白的需求。第53頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一導(dǎo)入人基因具特殊用途的豬和小鼠特殊動物圖為2001年12月底出生的5只可愛的轉(zhuǎn)基因克隆小豬。據(jù)培育者英國PPL醫(yī)療公司稱，這些轉(zhuǎn)基因小豬將為研究和“生產(chǎn)”適用于人體移植手術(shù)使用的動物器官提供巨大的幫助。第54頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一世界上第一只轉(zhuǎn)基因動物第55頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)可以使綿羊產(chǎn)生更多更好的毛，甚至可以使綿羊產(chǎn)出不同色彩的羊毛第56頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一第57頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一其他方面的應(yīng)用1.酶制劑工業(yè)傳統(tǒng)來源：動植物或微生物基因工程：將基因?qū)氪竽c桿菌，發(fā)酵獲得

2.環(huán)境污染的檢測與治理工業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致環(huán)境污染，將降解有機污染物的基因?qū)氪竽c桿菌中，分解有機物，凈化環(huán)境。

第58頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一⑴環(huán)境監(jiān)測：

基因工程做成的DNA探針能夠十分靈敏地檢測環(huán)境中的病毒、細(xì)菌等污染。1t水中只有10個病毒也能被DNA探針檢測出來第59頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一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。第60頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一