绪论基因工程课件.ppt

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1、基因工程(Gene Engineering),授课老师：初金鑫 谭永林 杜长青联系方式： 实验楼21201室 电话：8462053（办公室）,生命科学,生命科学,教学方法和形式,一、教学方法 教师主讲和学生参与相结合。 1. 教师主讲 在规定的48学时授课时间中，45学时开发内化法教学。 2. 学生主动参与 其余3学时设立为研究进展和集中辅导答疑时间。,讲授内容以教材为主；,授课方式以PowerPoint讲板与板书相结合；,生命科学,教学方法和形式,二、教学形式 教师与学生互动、研讨的形式。 1.提倡学生提问题： （1）自己没听懂的问题 （2）教师讲错的问题 （3）自己课余收集来的问题 （4）

2、本门课相关的问题 2.提倡学生课余阅读参考资料 （1）教师推荐的参考书 （2）互联网上自己查询 （3）学术期刊上自己查询,生命科学,教学方法和形式,3. 学生写小综述 以23人/组撰写一篇与基因工程理论或技术相关的内容综述，或介绍一项基因工程技术及最新研究进展。 4. 学生登台讲演 学生将综述内容作成幻灯片形式在课堂上讲演及交流。,三、课外教学 多种渠道的师生交流； （个别交谈、课代表、学习委员、电话、网络）,生命科学,考核办法,一、期末考试 （6070%） 1. 形式：闭卷考试 2. 内容：以课堂讲授内容为主。 3. 出题形式 多样化：名词、选择、判断、简答、综合题等 二、平时和实验成绩（3

3、040%） 1.出勤情况及课堂回答问题、讨论 2.平时作业和实验报告 3.小综述（视情况而定） 4.登台演讲(酌情加分),生命科学,课堂纪律,1. 不旷课；2. 上课不迟到、不早退；3. 上课不讲话；不玩手机；4. 考试不作弊。,生命科学,教材及参考书目,教材 1.吴乃虎. 基因工程原理(上下册). 科学出版社(第二版)，2002. 参考书目 1.李立家，肖庚富.基因工程.科学出版社.2004. 2.何水林.基因工程.科学出版社，2008. 3.S primrose等著、瞿礼嘉等译.基因操作原理(第6版).高等教育出版社，2004. 4.王金发.分子生物学与基因工程习题集.科学出版社.2000

4、. 5. J.萨姆布鲁克和 D.W. 拉塞尔著、黄培堂等译分子克隆实验指南1999年. 6. F Ausubel等著、颜子颖等译.精编分子生物学实验指南1998.,生命科学,本课程的性质和任务,基因工程是在我们生命科学学院各专业中的一门非常重要的专业课。它是在微生物、遗传学和分子生物学等课程的基础上而开设的。通过这门课程的学习，希望学生掌握基因工程的基本原理和应用设计策略，为今后进一步的研究生学习、科研和工作打下重要的理论基础。,生命科学,教学目的,深入理解分子生物学知识；启发科学思维方法；掌握基因工程技术的基本原理和技术；课堂理解消化吸收60%以上；掌握一定的专业英语词汇。,生命科学,课程要

5、求,本课程要求认真做好每次课前的预习，写出每章的课程预习总结并为回答课堂提问及讨论作好充分准备。 认真做好每次课的笔记。 认真完成每次布置的作业和思考题。 充分利用网络资源，拓展自己的知识面。 充分利用各种沟通渠道，师生共同学习。,生命科学,学习要求,掌握基因克隆的基本工具；特别是不同的载体、工具酶。 克隆基因的基本方法。 利用基因工程生产重组蛋白，基因工程在医药和农业上的应用。 能够设计一个基因克隆、表达的程序。,生命科学,授课计划,第一章 基因与基因工程（3学时） 第二章 基因操作的主要技术原理（9学时）第三章 基因工程的酶学基础（6学时） 第四章 质粒载体（9学时）第五章 噬菌体载体和科

6、斯质粒（6学时） 第六章 基因的分离和鉴定（12学时） 第七章 基因工程的研究进展（3学时）,生命科学,第一章 绪论,生物技术包括四大工程技术 基因工程技术、细胞工程技术、蛋白质及酶工程技术、发酵工程技术 基因工程技术是生物技术的核心和关键，是主导技术 细胞工程技术是生物技术的基础 蛋白质及酶工程技术是生物技术的条件 发酵工程技术是生物技术获得最终产品的手段 生物技术是一个综合技术体系，其中基因工程和细胞工程技术最为突出。,生命科学,一、基因（gene）,1. 基因生命的载体 基因是生物遗传信息的载体，它是由核苷酸序列(通常为DNA)组成的生物大分子，决定着生物的所有性状、行为和疾病的发生。,

7、生命科学,基因工程理论依据 不同基因具有相同的物质基础 基因是可以切割的 基因是可以转移的 多肽与基因之间存在对应关系 遗传密码是通用的 基因通过复制把遗传信息传给下代,生命科学,2. 基因是福音 发现了某疾病基因，就可以对患者进行基因水平上的治疗，从根本上根除疾病的危害。,3. 基因是企业家的聚宝盆 巨大的市场：基因工程药物潜在的市场：肥胖基因（2000万美元）,生命科学,4.基因是铁的证据 基因分析在重大犯罪案件、历史案件的侦破中是最终确定罪犯的有力工具，当事人的头发、血、皮屑的基因分析都将作为确凿证据。,生命科学,基因工程的内容与应用,基因工程概念 基因工程(gene engineeri

8、ng):就是对不同生物的遗传物质，在体外进行剪切、组合和拼接，使遗传物质重新组合，然后通过载体转入微生物、植物和动物细胞内，进行无性繁殖，并使所需要的基因在细胞中表达，产生出人类所需要的产物或组建成新的生物类型。,又名遗传工程（Genetic Engineering)DNA重组技术(Recombinant DNA Techniques)分子克隆（Molecular Cloning),生命科学,基因工程的内容与应用,基因工程最突出的优点 就是打破了常规育种难以突破的物种之间界限，可使原核生物与真核生物之间、动物与植物之间、甚至人与其他生物之间的遗传信息进行重组和转移。 缩短了新物种出现的时间。,

9、生命科学,基因工程研究的主要内容,基因工程的基本操作程序,生命科学,生命科学,基因工程一般操作步骤,1.从生物有机体基因组中，分离带有目的基因DNA片段。,2.将带有目的基因的外源DNA片段连接到能够自我复制的并具有选择标记的载体分子上，形成重组DNA分子。,3.将重组DNA分子转移到适当的受体细胞并与之一起增殖。,生命科学,基因工程一般操作步骤,4.从大量的细胞繁殖群体中，筛选出获得了重组DNA分子的受体细胞,并筛选出已经得到扩增的目的基因。,5. 将目的基因克隆到表达载体上，导入寄主细胞，使之在新的遗传背景下实现功能表达，研究核酸序列与蛋白质功能之间的关系。,基因操作的基本步骤,提取目的基

10、因,目的基因与运载体结合,目的基因导入受体细胞,目的基因表达,分离出质粒并用限制酶进行切割,基因工程四大要素： 供体基因 载体 工具酶 受体细胞 （细菌、植物和动物）,生命科学,生命科学,基因工程的发展历程和理论基础,一、基因工程诞生的理论基础 （一）理论上的三大发现 1.DNA是生物的遗传物质 （基因工程的先导）,1944年，美国微生物学家O.T.Avery首次证实遗传物质的基础是DNA，基因位于DNA上。,肺炎双球菌转化实验,生命科学,基因工程的发展历程和理论基础,35S标记蛋白质,32P标记 DNA,1952年Alfred Hershy和Marsha Chase分别用放射性同位素标记噬菌

11、体,噬菌体转染实验,进一步证明遗传物质是DNA,生命科学,基因工程的发展历程和理论基础,35S 标记外壳蛋白质,感染后放射标记不进入大肠杆菌细胞,32P 标记 DNA ,感染后放射标记进入大肠杆菌细胞,生命科学,基因工程的发展历程和理论基础,2.揭示了DNA分子的双螺旋结构和半保留复制机制,1953年James D. Watson和Francis H. C. Crick揭示了DNA分子的双螺旋结构和半保留复制机制。,生命科学,基因工程的发展历程和理论基础,Francis Crick & James Watson,生命科学,基因工程的发展历程和理论基础,1966年Nireberg等破译了全部64

12、个遗传密码,3.遗传密码的破译和遗传信息传递方式的确定,生命科学,基因工程的发展历程和理论基础,生命科学,基因工程的发展历程和理论基础,一、基因工程诞生的理论基础 （二）技术上的三大发明 1.限制性核酸内切酶的发现与DNA切割,1970年H.O. Smith等分离出第一种限制性核酸内切酶。,Werner Arber 理论预见限制酶,Daniel Nathans 用限制酶切得SV40 DNA片断,Hamilton O. Smith 得到第一个限制酶,1978年Nobel生理或医学奖,生命科学,基因工程的发展历程和理论基础,2.DNA连接酶的发现与DNA片段的连接 1967年世界上5个实验室几乎同

13、时发现DNA连接酶； 1970年Khorana实验室发现T4 DNA连接酶。 3.基因工程载体的研究与应用 1972年前后使用小分子量的细菌质粒和噬菌体作载体。 在细菌细胞里的大量扩增。,理论上的三大发现：证明了生物的遗传物质是DNA （基因工程的先导）DNA的双螺旋结构和半保留复制机理遗传信息的传递方式（中心法则）,技术上的三大发现：限制性内切酶的发现（标志着DNA重组时代的开始）DNA连接酶的发现载体的使用,生命科学学院,生命科学,基因工程的发展历程和理论基础,二、基因工程的诞生 (一）Berg的开创性实验 1972年美国斯坦福大学Berg博士领导的研究组用EcoRI在体外对猿猴病毒SV4

14、0的DNA和噬菌体DNA分别酶切，然后用T4 DNA连接酶将两种酶切片段连接，结果获得了SV40和噬菌体DNA的重组DNA分子，成功完成了世界上第一次DNA体外重组实验，并因此与Gilbert、Sanger分享1980年度诺贝尔化学奖。,生命科学,基因工程的发展历程和理论基础,EcoRI recognition sites, phage DNA,EcoRI cuts DNA into fragments,Sticky end,SV40 DNA,The two fragments stick together by base pairing,DNA ligase,Recombinant DNA,

15、1972年第一个DNA重组分子产生,生命科学,基因工程的发展历程和理论基础,(二） Boyer-Cohen实验 1973年，Cohen等人将编码Kan抗性基因质粒R6-5和编码Tet抗性基因质粒pSC101混合后，加入EcoRI进行酶切，用T4 DNA连接酶连接成重组DNA分子，最后转化大肠杆菌，结果某些转化菌落表现出既抗Kan又抗Tet的双重抗性特性。从这种双抗性转化菌落的大肠杆菌中分离出的重组质粒DNA带有完整pSC101分子和一个来自R6-5质粒编码Kan抗性基因DNA片段。 后来又把非洲爪蟾核糖体基因片断同pSC101质粒重组，转化大肠杆菌，并在菌体内成功转录出相应的mRNA。这是第一

16、次成功的基因克隆实验。,生命科学,基因工程的发展历程和理论基础,Boyer-Cohen实验,Stanley Cohen 1986 Nobel生理或医学奖,Herb Boyer,R6-5,Tet,Kan,生命科学,基因工程的诞生与发展,三、基因工程的发展 (一）艰难阶段 主要关注安全性问题 (二）逐渐成熟阶段 1977年第一次实现基因在原核生物中的表达 (三）迅速发展阶段 20世纪80年代以后，高等动植物的遗传转化。,生命科学,基因工程的诞生与发展,发展过程中的重大事件：1977年，E. coli中合成了人生长激素基因。1978-1979年，胰岛素基因在大肠杆菌中表达。 1982年，培育出了超级

17、鼠。1985年，Horsch发明了植物基因工程的基本方法： 叶圆盘法，并获得转基因植株。1990年，患有遗传免疫疾病的4岁女孩接受了基因疗法。1990年，Perlak 将B.T.基因导入棉花获得抗虫棉 。1991年，美国开始人类基因组计划。1997年，“多利”绵羊诞生。,生命科学,基因工程研究的主要内容,一、基因工程研究的主要内容 （一）基础研究 构建克隆载体及相应的表达系统、基因不同物种的基因组文库和cDNA文库、开发新的工具酶、基因工程新技术、新的操作方法。,生命科学,基因工程研究的主要内容,（二）克隆载体研究 基因工程的发展是与克隆载体构建密切相关的； Ti质粒的发现使植物基因工程研究迅

18、速发展起来； 动物病毒克隆载体的构建，使动物基因工程研究也有一定的进展。可以认为构建克隆载体是基因工程技术路线中的核心环节。 构建适合于高等动植物转基因的表达载体和定位整合载体是今后研究的重要内容。,生命科学,基因工程研究的主要内容,（三）受体系统的研究 基因工程的受体细胞与载体是一个系统的两个方面。受体是克隆载体的宿主，是外源目的基因复制和表达的场所。 受体：单细胞、组织、器官和个体均可以作为受体。 原核生物受体：E.coli 真核生物受体: 酵母是单细胞真核生物受体 植物受体：愈伤组织、细胞和原生质，部分组织和器官； 动物受体：生殖细胞和早期胚胎细胞作为基因工程受体； 人的体细胞也可以作为

19、基因工程受体。,生命科学,基因工程研究的主要内容,（四）目的基因研究 基因工程研究的基本任务：开发人民需要的基因产物，这样的基因叫做目的基因。 获得目的基因的方法：主要通过构建基因组文库或cDNA文 库，从中筛选出特殊需要的基因。 基因：医药相关的基因； 抗病、虫害和恶劣环境的基因； 特殊营养价值的蛋白或多肽的基因。,生命科学,基因工程研究的主要内容,（五）生物基因组学研究 嗜血流感杆菌： 183 0137bp， 1743个基因 产甲烷球菌： 16 64976bp， 1682个基因 大肠杆菌K-12： 463 9221bp， 4288个基因 枯草杆菌： 4.21106bp, 4100个基因 1

20、980年提出Human Genome Project (HGP)； 1990年开始，美国、英国、日本、德国、法国等国实施“人类基因组计划”； 我国1999年9月获准参加这一计划，承担1%的测序任务。,生命科学,基因工程研究的主要内容,（六）应用研究,生命科学,基因工程研究的主要内容,光合作用 固氮作用 转基因植物 转基因动物 产生次生代谢产物,（六）应用研究 1.基因工程与农业,抗病虫 提高品质 提高花卉的观赏价值 抗逆性,生命科学,基因工程研究的主要内容,生命科学,无冰晶细菌帮助草莓抗霜冻,基因工程研究的主要内容,生命科学,基因工程研究的主要内容,转黄瓜抗青枯病基因的甜椒,转黄瓜抗青枯病基因

21、的马铃薯,不会引起过敏的转基因大豆,生命科学,基因工程研究的主要内容,生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼(中国),生命科学,基因工程研究的主要内容,乳汁中含有人生长激素的 转基因牛(阿根廷),生命科学,动物器官反应器：血液反应器和乳腺反应器,基因工程研究的主要内容,生命科学,基因工程研究的主要内容,导入贮藏蛋白基因的超级羊和超级小鼠,导入人基因具特殊用途的猪和小鼠,生命科学,基因工程研究的主要内容,就基因药物而言，最理想的表达场所是 转基因动物的乳腺。 1）乳腺是一个外分泌器官，乳汁不进入体内循环，不会影响转基因动物本身的生理代谢反应。 2）从乳汁中获取目的基因产物，产量高，易提纯，表达的蛋

22、白质已经过充分的修饰加工，具有稳定的生物活性。 3）从乳汁中源源不断获得目的基因的产物的同时，转基因动物又可无限繁殖。,生命科学,基因工程研究的主要内容,纤维素的开发利用 酿酒工业 食品工业 制药工业 新型蛋白质的生产,（六）应用研究 2.基因工程与工业,生命科学,基因工程研究的主要内容,胰岛素,100kg胰腺4-5g胰岛素,2000L培养液 100g胰岛素！,生命科学,基因工程研究的主要内容,基因工程药品 生长激素 治疗侏儒症的唯一方法，是向人体注射生长激素。而生长激素的获得很困难。以前要获得生长激素，需解剖尸体，从大脑的底部摘取垂体，并从中提取生长激素。 现可利用基因工程方法，将人的生长激

23、素基因导入大肠杆菌中，使其生产生长激素。人们从 450 L大肠杆菌培养液中提取的生长激素，相当于6万具尸体的全部产量。,生命科学,基因工程研究的主要内容,干扰素治疗病毒感染简直是“万能灵药”！过去从人血中提取，300L血才提取1mg！其“珍贵”程度自不用多说。,基因工程药品 干扰素,主要基因工程产品的研制、开发、上市时间,生命科学,生命科学,生命科学,基因工程研究的主要内容,（六）应用研究 3.基因工程与环境保护 环境监测 环境污染净化 4.基因工程与医学 基因工程疫苗的研制与生产 基因诊断 基因治疗,生命科学,基因工程研究的主要内容,基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细

24、菌等污染。,1t水中只有10个病毒也能被DNA探针检测出来,生命科学,基因工程研究的主要内容,利用基因工程培育的“指示生物”能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。,生命科学,基因工程研究的主要内容,基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。,通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程培育成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。,生命科学,基因工程研究的主要内容,生命科学,基因工程研究的主要内容,基因诊断 基因诊断：利用重组DNA技术作为工具，直接从DNA水平监

25、测人类遗传性疾病的基因缺陷，因而比传统的诊断手段更加可靠。 基因探针技术：利用DNA碱基互补的原理，用已知的带有标记的DNA通过核酸杂交的方法检测未知的基因。,生命科学,基因工程研究的主要内容,基因治疗（gene therapy） 基因治疗：将外源正常基因导入靶细胞，取代突变基因，补充缺失基因或关闭异常基因，达到从根本上治疗疾病的目的。 基因治疗是21世纪的一大热点领域；被认为是征服肿瘤、心血管疾病、糖尿病尤其是遗传性疾病最有希望的手段。,通过研究“基因敲除”的耗子将帮助研究人类的癌症、糖尿病和高血压等慢性疾病与遗传的关系。,在猴子的未受精卵中加入附加基因，并利用它成功培育出健康活泼的小猴“安

26、迪”。通过对“安迪”的研究我们可以简单地引进如老年性痴呆病的基因、帕金森病基因等，加快针对这类疾病疫苗的开发研究。,生命科学,基因工程研究的主要内容,（七）基因工程在其他方面的应用 目前，基因工程在其他方面的应用也取得了令人振奋的成果。如日本科学家利用基因工程使家蚕丝心蛋白基因与绿色荧光蛋白基因相互融合，得到的家蚕蚕丝可发出绿色的光泽。 人们利用花卉的花色基因改变花的颜色、利用花形基因改变花的形状、利用香味基因改变花的香味等等，以使我们的生活环境更加色彩斑斓。,生命科学,基因工程的意义与发展前景,一、基因工程的意义 基因工程跨越生物种属间不可逾越鸿沟 基因工程技术缩短了进化时间 基因工程技术使

27、人能对生物进行定向改造 基因工程技术可以在体外大量扩增、纯化人们感兴趣的基因，研究其结构、功能及调控机制，从而拓宽了分子生物学的研究领域。,生命科学,基因工程的意义与发展前景,二、基因工程发展前景 (一)基因本身也是一个产业 1.Rockfeller 大学将人肥胖基因出售0.2亿美元（1995年3月） 2.Amgen公司将FKBP神经免疫因子配体转让达3.29亿美元（1997年） 3.Millennium公司以4.65亿美元向Bayer公司转让225种基因的开发权（1998年9月）,生命科学,基因工程的意义与发展前景,(二)基因工程试剂的高回报 1.碱性成纤维细胞生长因子 231元/ug 2.红细胞生成素 1072元/ug 3.白细胞介素-2 410元/ug 4.巨细胞粒细胞集落刺激因子 1960元/ug 5.胰岛素 10.2元/mg,生命科学,基因工程的意义与发展前景,基因工程不是发现，而是创造。,生命科学,本章重点掌握的内容及作业题,本章重点掌握的内容 基因工程的概念及基本技术路线 了解基因工程的发展简史及其意义 作 业 题 预习第二章“基因操作的主要技术原理”,生命科学,