基因工程-第1章

基因工程

GeneEngineering生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院王秀利教授/博士第一章緒論參考書1.樓士林基因工程2.馬建崗基因工程學(xué)原理3.吳乃虎基因工程原理4.閻隆飛，等分子生物學(xué)5.孫乃恩，等分子遺傳學(xué)6.BenjaminLewinGenes7.專業(yè)期刊第一章緒論20世紀(jì)70年代初，美國(guó)科學(xué)家S.Cohen第一次將兩個(gè)不同的質(zhì)粒加以拼接，組合成一個(gè)雜合質(zhì)粒，并將其引入大腸桿菌體內(nèi)表達(dá)。這種被稱為基因轉(zhuǎn)移或DNA重組的技術(shù)立即在學(xué)術(shù)界引起了很大的震動(dòng)。由于基因轉(zhuǎn)移是將不同的生命元件按照類似于工程學(xué)的方法組裝在一起，生產(chǎn)出人們所期待的生命物質(zhì)，因此也被稱為基因工程?；蚬こ痰某霈F(xiàn)使人類跨進(jìn)了按照自己的意愿創(chuàng)建新生物的偉大時(shí)代。第一章緒論一、基因與基因工程人們對(duì)基因的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展過(guò)程1866年,孟德?tīng)?遺傳因子,已形成了基因的雛形。1909年,丹麥的遺傳學(xué)家W.L.Johanssen首次提出用‘gene’來(lái)代替孟德?tīng)柕倪z傳因子，提出了基因型和表現(xiàn)型的區(qū)別，但并未涉及遺傳的物質(zhì)概念。（談家楨首先將gene翻譯為基因）。第一章緒論1910年以后，美國(guó)遺傳學(xué)家以果蠅為材料進(jìn)行雜交實(shí)驗(yàn)，第一次把代表某一性狀的特定基因與某一特定染色體上的特定位置聯(lián)系起來(lái)，發(fā)現(xiàn)了連鎖交換定律。摩爾根（T.H.Morgan）提出了遺傳粒子理論，認(rèn)為基因是一粒一粒在染色體上呈直線排列的，且互不重疊。摩爾根理論的重要性在于基因已不在是一個(gè)抽象的符號(hào)，而是與染色體緊密相關(guān)的一個(gè)實(shí)體。第一章緒論20世紀(jì)40年代初，物理學(xué)家和化學(xué)家把研究方向轉(zhuǎn)移到對(duì)基因本質(zhì)問(wèn)題的探討上。1944年，Avery等首次證實(shí)遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA，把基因位于染色體上的理論進(jìn)一步推進(jìn)到基因位于DNA上。1953年，Watson和Crick提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，闡明了DNA的半保留復(fù)制模式，從而開(kāi)辟了分子生物學(xué)研究的新紀(jì)元。這時(shí)，人們接受了基因是具有一定遺傳效應(yīng)的DNA片段的概念。第一章緒論1955年，Benzer基于T4噬菌體的順?lè)椿パa(bǔ)試驗(yàn)，提出了順?lè)醋拥母拍?。到此為止，已?jīng)從功能單位的意義上把順?lè)醋雍突蚪y(tǒng)一起來(lái)了，順?lè)醋訉?shí)際上成為基因的同義詞。20世紀(jì)60年代，法國(guó)遺傳學(xué)家F.Jacob和J.Monod在研究細(xì)菌基因調(diào)控中證實(shí)：基因是可分的，功能上是有差別的，即既有決定合成某種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因，又有編碼阻遏或激活結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄和合成蛋白質(zhì)的調(diào)節(jié)基因，還有其他無(wú)翻譯產(chǎn)物的基因。第一章緒論操縱基因的發(fā)現(xiàn)修正了一個(gè)基因就有一條多肽，或決定一個(gè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)單位的說(shuō)法，同時(shí)也提出了順?lè)醋哟婊蚋拍畹牟粶?zhǔn)確性。1961年M.Nirenberg等破譯了遺傳密碼，揭開(kāi)了DNA編碼的遺傳信息是如何傳遞給蛋白質(zhì)這一秘密。20世紀(jì)70年代以后，人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了斷裂基因、重疊基因、跳躍基因等，使對(duì)基因的認(rèn)識(shí)更進(jìn)一步深化。第一章緒論綜上所述，我們對(duì)基因的認(rèn)識(shí)可以肯定以下幾點(diǎn)：1、基因是實(shí)體，它的物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA或（RNA）。2、基因是具有一定遺傳效應(yīng)的DNA分子中的特定核苷酸序列。3、基因是遺傳信息傳遞和性狀分化發(fā)育的依據(jù)。第一章緒論4、基因是可分的。根據(jù)基因的產(chǎn)物可將其分為編碼蛋白質(zhì)的基因、無(wú)翻譯產(chǎn)物基因（如tRNA和rRNA）以及不轉(zhuǎn)錄的DNA區(qū)段（如啟動(dòng)區(qū)、操縱基因、內(nèi)含子等）。概括說(shuō)來(lái)，基因是一個(gè)含有特定遺傳信息的核苷酸序列，它是遺傳物質(zhì)的最小功能單位。第一章緒論二、基因工程與生物工程的關(guān)系生物工程也稱生物技術(shù)，是20世紀(jì)70年代初在分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和遺傳學(xué)等基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新興領(lǐng)域。它主要包括以下5個(gè)方面。

第一章緒論1、基因工程(Geneengineering)其主要原理是應(yīng)用人工方法把生物的遺傳物質(zhì)，通常是脫氧核糖核酸(DNA)分離出來(lái)，在體外進(jìn)行切割、拼接和重組。然后通過(guò)載體將重組了的DNA導(dǎo)人某種宿主細(xì)胞或個(gè)體，進(jìn)行無(wú)性繁殖，從而改變它們的遺傳品性；或使新的遺傳信息在新的宿主細(xì)胞或個(gè)體中大量表達(dá)，以獲得基因產(chǎn)物(多肽或蛋白質(zhì))。這種創(chuàng)造新生物并給予新生物以特殊功能的過(guò)程就稱為基因工程，也稱DNA重組技術(shù)。第一章緒論第一章緒論2、細(xì)胞工程(cellengineering)是指以細(xì)胞為基本單位，在體外條件下進(jìn)行培養(yǎng)、繁殖，或人為地使細(xì)胞某些生物學(xué)特性按人們的意愿發(fā)生改變，從而改良生物品種和創(chuàng)造新品種，加速繁育動(dòng)、植物個(gè)體，或獲得某種有用的物質(zhì)的過(guò)程。細(xì)胞工程包括動(dòng)、植物細(xì)胞的體外培養(yǎng)技術(shù)、細(xì)胞融合技術(shù)(也稱細(xì)胞雜交技術(shù))、細(xì)胞器移植技術(shù)等。第一章緒論3、酶工程(enzymeengineering)是利用酶、細(xì)胞器或細(xì)胞所具有的特異催化功能，或?qū)γ高M(jìn)行修飾改造，并借助生物反應(yīng)器和工藝過(guò)程來(lái)生產(chǎn)人類所需產(chǎn)品的一項(xiàng)技術(shù)。它包括酶的固定化技術(shù)、細(xì)胞的固定化技術(shù)、酶的修飾改造技術(shù)及酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)等技術(shù)。第一章緒論4、發(fā)酵工程(fermentationengineering)利用微生物生長(zhǎng)速度快、生長(zhǎng)條件簡(jiǎn)單以及代謝過(guò)程特殊等特點(diǎn)，在合適條件下，通過(guò)現(xiàn)代化工程技術(shù)手段，由微生物的某種特定功能生產(chǎn)出人類所需的產(chǎn)品稱為發(fā)酵工程。包括菌種選育、菌體生產(chǎn)利用、代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)利用以及微生物機(jī)能的利用技術(shù)。第一章緒論5、蛋白質(zhì)工程(proteinengineering)是指在基因工程的基礎(chǔ)上，結(jié)合蛋白質(zhì)結(jié)晶學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和蛋白質(zhì)化學(xué)等多學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)，通過(guò)對(duì)基因的定向改造等手段，達(dá)到對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行修飾、改造、拼接，以產(chǎn)生能滿足人類需要的新型蛋白質(zhì)。包括生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)制造、傳感器的研制以及產(chǎn)物的分離提取和精制技術(shù)。第一章緒論以上5個(gè)方面的工程技術(shù)系統(tǒng)是相互依賴、相輔相成的，但在這些技術(shù)系統(tǒng)中，基因工程占主導(dǎo)地位。因?yàn)?，只有用基因工程改造過(guò)的微生物和細(xì)胞，才能真正按照人們的意愿進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，產(chǎn)生出特定的生物工程產(chǎn)品。而微生物發(fā)酵工程又常常是基因工程的基礎(chǔ)和必備條件。蛋白質(zhì)工程是其他生物工程技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力時(shí)所必不可缺的重要環(huán)節(jié)。正是這5個(gè)工程技術(shù)系統(tǒng)，共同組成了現(xiàn)代生物工程學(xué)。第一章緒論三、基因工程涉及的學(xué)科包括分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、微生物學(xué)、免疫學(xué)、生理學(xué)、生物化學(xué)、生物物理學(xué)、遺傳學(xué)等幾乎所有生物科學(xué)的次級(jí)學(xué)科為支撐，又結(jié)合了諸如化學(xué)、化學(xué)工程學(xué)、數(shù)學(xué)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等生物學(xué)領(lǐng)域之外的尖端基礎(chǔ)學(xué)科，從而形成一門多學(xué)科互相滲透的綜合性學(xué)科。其中又以生命科學(xué)領(lǐng)域的重大理論和技術(shù)的突破為基礎(chǔ)。第一章緒論例如，沒(méi)有Watson和Crick的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)及闡明DNA的半保留復(fù)制模式，沒(méi)有遺傳密碼的破譯以及DNA與蛋白質(zhì)的關(guān)系等理論上的突破，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)DNA限制性內(nèi)切酶、DNA連接酶等工具酶，就不可能有基因工程高技術(shù)的出現(xiàn)；另外，所有生物技術(shù)領(lǐng)域還使用了大量的現(xiàn)代化高精尖儀器，如超速離心機(jī)、電子顯微鏡、高效液相色譜、DNA合成儀、DNA序列分析儀等。這些儀器全部都是由微機(jī)控制的、全自動(dòng)化的。這就是現(xiàn)代微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)與生物技術(shù)的結(jié)合和滲透。第一章緒論四、基因工程的應(yīng)用盡管基因工程出現(xiàn)后的一段時(shí)間內(nèi)帶給人們的是猜疑和恐懼，但它還是以迅猛的速度發(fā)展。實(shí)踐表明，基因工程會(huì)給人類帶來(lái)難以估量的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。特別是對(duì)人類所面臨的能源、糧食、人口、環(huán)境和疾病等日趨嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題，基因工程正在并且將要發(fā)揮越來(lái)越大的作用。第一章緒論1、基因工程與農(nóng)業(yè)基因工程在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用主要包括提高植物光合作用效率、擴(kuò)展植物的固氮能力、生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因植物和轉(zhuǎn)基因動(dòng)物等。（1）光合作用應(yīng)用基因工程技術(shù)，已經(jīng)克隆了許多參與光合作用的基因并分析了光對(duì)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)作用。一是深入研究在CO2的固定反應(yīng)中起關(guān)鍵作用的二磷酸核酮糖羧化酶（RuBisCo），以便提高其與CO2的親和力，以及取消或減少光呼吸的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，第一章緒論通過(guò)交換RuBisCo亞基的基因，將不同來(lái)源的基因?qū)胪环N植物，形成的具有異源亞基的RuBisCo基因；或是采用定點(diǎn)突變技術(shù)，改變RuBisCo的活性，增加其同CO2親和力；甚至用更為有效的突變基因，取代正常的RuBisCo基因等辦法，以提高植物對(duì)CO2的固定效率。二是提高光能吸收及轉(zhuǎn)化效率。第一章緒論（2）固氮作用固氮作用通常指豆科植物將空氣中的氮轉(zhuǎn)變?yōu)榘钡倪^(guò)程。它是通過(guò)與其共生的根瘤菌屬細(xì)菌實(shí)現(xiàn)的。要使普通的非固氮植物的細(xì)胞從遺傳上轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂泄痰δ艿奶厥饧?xì)胞，必須具備如下的5個(gè)條件：（a）根瘤菌的全部固氮基因（nif）都能在同一植物細(xì)胞中適當(dāng)?shù)乇磉_(dá)；（b）固氮酶復(fù)合體能正確地加工和組裝；第一章緒論（c）具有一個(gè)厭氧的環(huán)境；（d）提供足夠的ATP；（e）提供NADPH。這是一項(xiàng)十分復(fù)雜而艱巨的工作。目前，一種是用帶有nif基因的質(zhì)粒轉(zhuǎn)化植物細(xì)胞的葉綠體，從而有可能使用正常的原核信號(hào)進(jìn)行表達(dá)，而不必將17個(gè)nif基因都置于植物細(xì)胞核基因組啟動(dòng)子的控制之下；另一種是把豆科植物的固氮基因轉(zhuǎn)移到其他植物中，使其對(duì)固氮菌的感染產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)。到目前為止，已有許多植物的根瘤蛋白基因被克隆出來(lái)，而且還建立了一種三葉草的根瘤模型。第一章緒論（3）轉(zhuǎn)基因植物轉(zhuǎn)基因植物是指將克隆到的一些編碼特殊性狀的基因，通過(guò)生物、物理和化學(xué)等方法，導(dǎo)入到受體植物細(xì)胞，然后進(jìn)行組織培養(yǎng)而培育出再生植株。人們可以在一定范圍內(nèi)根據(jù)自己的意愿來(lái)改造植物的一些性狀，從而獲得高產(chǎn)、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)和抗逆性強(qiáng)的品種。已有煙草、馬鈴薯、胡蘿卜、油菜、棉花、水稻、玉米、擬南芥等數(shù)百種轉(zhuǎn)基因植物問(wèn)世。第一章緒論應(yīng)用轉(zhuǎn)基因植物技術(shù)，不但可以培育出抗病毒、抗真菌、抗蟲害、抗逆性或抗除草劑的植物，而且可以獲得雄性不育植株或增加種子的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，此外，還可以應(yīng)用轉(zhuǎn)基因植物技術(shù)使植物果實(shí)變硬便于儲(chǔ)運(yùn)，或改變花卉的顏色提高觀賞價(jià)值，以及在轉(zhuǎn)基因植物中生產(chǎn)一些醫(yī)藥上應(yīng)用的多肽。第一章緒論（4）轉(zhuǎn)基因動(dòng)物轉(zhuǎn)基因動(dòng)物是指用實(shí)驗(yàn)方法導(dǎo)入的外源基因在染色體基因組內(nèi)穩(wěn)定整合并能遺傳給后代的一類動(dòng)物。自從20世紀(jì)80年代初美國(guó)首次將大鼠生長(zhǎng)激素基因?qū)胄∈笫芫训男墼酥?，獲得了個(gè)體比對(duì)照組大一倍的轉(zhuǎn)基因‘超級(jí)鼠’后，轉(zhuǎn)基因昆蟲、豬、魚、兔、牛和羊等相繼問(wèn)世，不但為動(dòng)物基因工程育種提供了新的途徑，而且可以作為生物反應(yīng)器生產(chǎn)各種有用的蛋白質(zhì)，特別是醫(yī)用活性肽。此外，還可以通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)培育抗病的轉(zhuǎn)基因家畜，使其免遭傳染病的危害。第一章緒論（5）產(chǎn)生次生代謝產(chǎn)物植物提供了全世界25%的藥物資源，并產(chǎn)生出化學(xué)物質(zhì)（如生物堿等）及生化物質(zhì)（如各種必須氨基酸等）。應(yīng)用基因工程技術(shù)，結(jié)合植物組織培養(yǎng)方法有可能對(duì)其編碼的藥物基因進(jìn)行改造，以提高有效成分的合成效率并確保其生物活性，甚至可以生產(chǎn)出嶄新性質(zhì)的植物生化藥物。第一章緒論2、基因工程與工業(yè)基因工程在工業(yè)中的應(yīng)用主要包括纖維素的開(kāi)發(fā)利用、釀酒工業(yè)、食品工業(yè)、制藥工業(yè)和新型蛋白質(zhì)的生產(chǎn)等方面。（1）纖維素的開(kāi)發(fā)利用纖維素是植物的主要組成部分。據(jù)估計(jì)，全世界的纖維素資源總量為7×1011噸，而每年經(jīng)綠色植物光合作用合成的纖維素又可高達(dá)為4×1010噸，因此，纖維素被認(rèn)為是地球上數(shù)量最豐富的有機(jī)質(zhì)。第一章緒論纖維素是一種無(wú)水葡萄糖的線性多體分子，其重復(fù)單位叫纖維二糖。纖維素完全降解的產(chǎn)物葡萄糖是食品、燃料和化學(xué)原料的重要來(lái)源。植物材料中的纖維素的天然降解主要是由絲狀真菌發(fā)酵引起的?，F(xiàn)在已從細(xì)菌和絲狀真菌中克隆出了各種纖維素分解酶的基因。如果通過(guò)基因工程方法，把這些基因?qū)脶劸平湍福⑹贯劸平湍妇邆浞置诶w維素酶的能力，那么就有可能將纖維素降解成葡萄糖，再發(fā)酵成酒精，從而實(shí)現(xiàn)酒精生產(chǎn)流程一步化的新工藝。第一章緒論（2）釀酒工業(yè)釀酒酵母不僅是一種在釀酒工業(yè)中廣泛使用的發(fā)酵微生物，而且是一種有用的基因操作菌株之一。如果把面包酵母（S.diastaticus）基因組中編碼淀粉a-1，4-葡萄糖苷酶的DEX基因引入到釀酒酵母細(xì)胞，產(chǎn)生出一種新的酵母菌株，就可以克服釀酒酵母不能發(fā)酵糊精（含22%的碳水化合物）的缺點(diǎn)，生產(chǎn)出碳水化合物含量低、味道好的優(yōu)質(zhì)啤酒。第一章緒論如果把能夠降解具有極高相對(duì)分子量的分枝糊精（brancheddextrins）的淀粉酶基因?qū)脶劸平湍福瑒t可進(jìn)一步改善啤酒的質(zhì)量。如果把木瓜蛋白酶基因引入釀酒酵母，則可保持啤酒的清晰度。此外，還可應(yīng)用體外突變技術(shù)主動(dòng)改變這些酶的特性，使其穩(wěn)定性增加?？傊?，在釀酒工業(yè)中，基因工程技術(shù)是大有可為的。第一章緒論（3）食品工業(yè)在食品工業(yè)中，干酪的生產(chǎn)離不開(kāi)凝乳酶對(duì)乳蛋白-酪蛋白的切割。凝乳酶是從小牛的第四個(gè)胃中提取的，很不經(jīng)濟(jì)?，F(xiàn)在已經(jīng)將小牛的凝乳酶基因克隆出來(lái)，并在釀酒酵母中實(shí)現(xiàn)了表達(dá)，生產(chǎn)出高產(chǎn)量的、具有全部天然活性的凝乳酶，它能夠使牛奶凝固。第一章緒論（4）制藥工業(yè)傳統(tǒng)的制藥工業(yè)，要么依靠化學(xué)合成，要么從自然界中篩選藥物產(chǎn)生菌，然后通過(guò)發(fā)酵分離提取獲得，這兩者都費(fèi)事費(fèi)力。應(yīng)用基因工程技術(shù)，不但可以提高藥物的產(chǎn)量，而且可以創(chuàng)造藥物新品種。目前已商品化生產(chǎn)的基因工程藥物有各種抗生素和多肽藥物，多達(dá)數(shù)百種。我國(guó)已能自行生產(chǎn)基因工程干擾素、紅細(xì)胞生成素（EPO）、白介素和心鈉素等。第一章緒論（5）新型蛋白質(zhì)生產(chǎn)利用基因工程技