基因工程绪论课件.ppt

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1、基因工程Gene Engineering,主讲人：闫桂琴Email:gqyan126Phone:13513652319,基因工程Gene Engineering主讲人：闫桂琴,绪论第一节基因工程的基本念,重组DNA技术是指将一种生物体（供体）的基因与载体DNA在体外进行拼接重组，然后转入另一种生物体（受体）内，并且按照人们的意愿稳定遗传并表达出新产物或新性状的DNA体外操作技术，也称谓分子克隆技术。 因此，供体、载体、受体是重组DNA技术的三大基本元件。,一、基因工程的基本定义,DNA重组技术,绪论第一节基因工程的基本念 重组,基因工程是指重组DNA技术的产业化设计与应用。 包括上游技术和下游

2、技术两大组成部分。 上游技术指的是基因重组、克隆和表达的设计与构建（即重组DNA技术）； 下游技术则涉及到基因工程菌或细胞的大规模培养以及基因产物的分离纯化过程。,基因工程（遗传工程、生物工程）,基因工程是指重组DNA技术的产业化设计与应用。,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达经典基因工程第二代基因工程 蛋白编码基因的定向诱变蛋白质工程第三代基因工程 代谢信息途径的修饰重构途经工程第四代基因工程 基因组或染色体的转移基因组工程,基因工程的基本形式第一代基因工程,二、基因工程诞生的理论基础,（1）肺炎双球菌转化实验 1944年 Avery，确定了基因的分子载体是DNA，而

3、不是蛋白质。,（2）噬菌体转染实验,1952年Alfred Hershy和Marsha Chase进一步证明遗传物质是DNA。,1 . DNA是遗传物质,二、基因工程诞生的理论基础 （1）肺炎双球菌转化实验 （2）,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。,2. DNA双螺旋结构,1953年James D. Watson和Fr,3. 中心法则和遗传密码,1957年Crick又提出了遗传信息传递的“中心法则”,1964年Marshall Nirenberg和Gobind Khorana等终于破译了64个遗传密码

4、,DNA,RNA,protein,3. 中心法则和遗传密码 1957年Crick又提出了遗传,三、基因工程诞生的技术突破,三、基因工程诞生的技术突破,1. 限制性内切酶（restriction enzymes）,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,三、基因工程诞生的技术突破三、基因工程诞生的技术突破1. 限,2. DNA连接酶（ligase）,1967年5个实验室几乎同时发现

5、了DNA连接酶。,3. 载体（vector）,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。,4. 感受态体系,1970年M. Mandel和A. Higa发现经过氯化钙处理的大肠杆菌容易吸收噬菌体DNA。1972年S. Cohen发现这种处理过的细菌同样能吸收质粒DNA。,2. DNA连接酶（ligase）1967年5个实验室几乎同,5. 琼脂糖凝胶电泳,1960s发明了琼脂糖凝胶电泳，可将不同长度的DNA分离开。,6. DNA测序技术,1975年F. Sanger、A. Maxam和W. Gilbert发明了DNA快速测序技术。,1980年Nobel化学奖,5

6、. 琼脂糖凝胶电泳1960s发明了琼脂糖凝胶电泳，可将不同,四、基因工程的诞生,1980年Nobel化学奖,1972年斯坦福大学的Paul Berg小组完成了首次体外重组实验：,1. Berg的开创性实验,将SV40的DNA片断与噬菌体的DNA片断连接起来。,（用DNA末端转移酶，而非限制性内切酶）,四、基因工程的诞生1980年Nobel化学奖1972年斯坦福,2. Boyer-Cohen实验,1973年斯坦福大学的S. Cohen小组将含有卡那霉素抗性基因的大肠杆菌R6-5质粒与含有四环素抗性基因的另一种大肠杆菌质粒pSC101连接成重组质粒，具有双重抗药性。,后来又把非洲爪蟾核糖体基因片断

7、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。这是第一次成功的基因克隆实验。,2. Boyer-Cohen实验1973年斯坦福大学的S.,Boyer-Cohen实验,Boyer-,外源DNA在寄主细胞内可大量扩增，和高水平表达。,1. 跨物种性,2. 无性扩增,外源基因到另一种不同的生物细胞内进行繁殖。,五、基因工程的特征,外源DNA在寄主细胞内可大量扩增，和高水平表达。1. 跨物种,2. 重组体的制备,六、基因工程的主要操作内容,1. 目的基因的获取,从复杂的生物基因组中，经过酶切消化或PCR扩增等步骤，分离出带有目的基因的DNA片断。,将目的基因的DNA片断插入

8、到能自我复制并带有选择性标记（抗菌素抗性）的载体分子上。,2. 重组体的制备六、基因工程的主要操作内容1. 目的基因的,将重组体（载体）转入适当的受体细胞中。,4.克隆鉴定,3.重组体的转化,挑选转化成功的细胞克隆（含有目的基因）。,5.目的基因表达,使导入寄主细胞的目的基因表达出我们所需要的基因产物。,将重组体（载体）转入适当的受体细胞中。4.克隆鉴定3.重组体,制造带有抗生素抗性基因或有产生病毒能力的基因的新型微生物有可能在人类或其它生物体内传播。,1. 对环境的影响,2. 新型病毒的出现,重新组合一种在自然见尚未发现的的生物性状有可能给现有的生态环境带来不良影响。,一、基因工程的安全隐患

9、,第二节 基因工程的安全性,制造带有抗生素抗性基因或有产生病毒能力的基因的新型微生物有可,将肿瘤病毒或其它动物病毒的DNA引入细菌有可能扩大癌症的发生范围。,4. 人造生物扩散,新组成的重组DNA生物体的意外扩散可能会出现不同程度的潜在危险。,3. 癌症扩散,将肿瘤病毒或其它动物病毒的DNA引入细菌有可能扩大癌症的发生,1. 公众的担忧,二、重组DNA研究的安全准则,1973年美国的公众第一次公开表示担心应用重组DNA技术可能会培养出具有潜在危险性的新型微生物，从而给人类带来难以预料的后果。,1. 公众的担忧二、重组DNA研究的安全准则1973年美国的,1974年美国国立卫生研究院（NIH）考

10、虑到重组DNA的潜在危险，提请Paul Berg博士组成一个重组DNA咨询委员会。,这个由11名分子生物学和重组DNA权威学者组成的委员会在同年7月发表公开信（science,158,303)，要求在没有弄清楚重组DNA所涉及的危险性范围和程度，以及在采取必要的防护措施之前，暂停两类试验（带抗生素抗性和肿瘤病毒及动物病毒）。,2. 专家的态度,1974年美国国立卫生研究院（NIH）考虑到重组DNA的潜在,3.制定安全规则,1976年6月23日，NIH正式公布了“重组DNA研究的安全准则”。,规定了安全防护（物理防护和生物防护）标准以及禁止若干类型的实验。 1979年、1981年、1989年NI

11、H又做了多次修改，放宽了许多限制。,3.制定安全规则1976年6月23日，NIH正式公布了“重组,一、基因工程在农业生产中的应用,1. 提高植物的光合作用效率,第三节 基因工程的应用,改变与光合作用有关的酶的结构和组成（如二磷酸核酮糖羧化酶）。,（1）提高CO2的固定率,改变光能交换系统的分子的基因结构。,（2）提高光能吸收率和转化率,一、基因工程在农业生产中的应用1. 提高植物的光合作用效率第,3转基因植物 农业生物技术的主要内容。 将克隆到的特殊基因导入受体植物，使之增加一些优质性状（高产、稳定、优质、抗虫、抗病等）。,2. 提高豆科植物的固氮效率,3转基因植物 农业生物技术的主要内容。

12、将克隆到的特殊基,将外源基因导入动物细胞，并在基因组内稳定整合，遗传给后代。 使动物成为生物反应器生产有用的活性蛋白等。,4. 转基因动物,在乳汁中分泌人组织纤溶酶源激活物（TPA）和尿激酶的转基因小鼠； 分泌a1抗胰蛋白酶的转基因山羊等。,转基因猪转基因牛转基因鼠转基因药物工厂 转基因鱼,将外源基因导入动物细胞，并在基因组内稳定整合,转基因生物安全性 2019年8 月，英国阿伯丁罗威特研究所教授普兹泰发现老鼠食用转基因土豆之后免疫系统受到破坏，普兹泰进一步推论，很多消费者也象被用于试验的老鼠一样食用没有经过严格鉴定的转基因食品。该消息的发布，使世界各国如日中天的转基因热潮蒙上了一层阴影。人们

13、开始疑惑：转基因技术-改造自然还是破坏自然？造福人类还是给人类带来灾难性的毁灭？,转基因生物安全性,中国的生物基因工程安全管理工作相对滞后，到目前为止，只有2部基因工程安全管理规章：1993年12月国家科委发布的基因工程安全管理办法 2019年7月农业部发布的农业生物基因工程安全管理实施办法 据了解，我国目前正在进行研究的基因工程受体生物92种，而申报只有22种，从事此类研究的单位80多个，申报安全性评价的只有19个。但是最令人担忧的是基因工程安全评价没有一个完全合理的办法。,中国的生物基因工程安全管理工作相对滞后，到目前,影响转基因作物品种商业化的主要因素1、安全性问题，即转入的某一特性对最

14、终产品使用的影响， 特别是作为食品，对人体有无不良影响。2、转基因DNA的移动性，即这种DNA是否会转至其他作物或 杂草，因而引起环境及生态问题。3、对其他农业措施的后效应，对发展中国家农业及农产品出 口的影响等。4、公众的接受性，即心理因素。,影响转基因作物品种商业化的主要因素,转基因食品能吃吗？,对转基因食品无害性的评估主要有以下几方面：是否有毒性、引起过敏反应、营养或毒性蛋白质的特性、注入基因的稳定性、基因改变引起的营养效果及其他不必要的功能等。 对人类健康而言，专家们认为，主要应审查转基因食品有无毒性及对环境的影响。,转基因食品能吃吗？ 对转基因食品无害性的评估主,二、基因工程在工业中

15、的应用,克隆各种参与纤维素降解的酶的基因，导入酿酒酵母，就可能利用廉价的纤维素来生产葡萄糖，发酵成酒。,用外源基因改造酿酒酵母，产生优质的啤酒。或用酿酒酵母生产蛋白质等。,1. 纤维素的开发利用,2. 酿酒工业,二、基因工程在工业中的应用克隆各种参与纤维素降解的酶的基因，,三、基因工程在医药上的应用,1976年，27岁的风险投资人Robert Swanson与University of California的教授Herb Boyer共饮了几杯啤酒，讨论了基因工程技术的商业前景。讨论结束时，他们决定建立一个公司，并取名为Genentech（Genetic Engineering Technolo

16、gy）。,第一个基因工程公司在学术界和商业界的满腹怀疑中诞生了！,三、基因工程在医药上的应用1976年，27岁的风险投资人Ro,制造新型疫苗（如HIV、乙肝、丙肝、霍乱、痢疾、SARS）,2. 用微生物生产药物,3. 技术设计高效高特异性的生物制剂,4. 研制疫苗,1. 用转基因植物或动物生产药物,大肠杆菌或酵母菌生产激素（如胰岛素）、干扰素等,应用定点突变技术设计蛋白质或酶的结构，制造出高效高特异性的生物制剂,制造新型疫苗（如HIV、乙肝、丙肝、霍乱、痢疾、SARS）2,通过对受检者基因组进行直接分析来测定某个基因的结构是否正确，从而判断受检者是否携带有致病基因，以达到对遗传病的诊断目的。,

17、5. 基因诊断,通过对受检者基因组进行直接分析来测定某个,从人类基因组计划我们已经走进DNA时代: 人类只有一个基因组，不存在黄种人基因组、白种人基因组之分。这是人类基因组的同一性。 同一性下又确实存在着多样性。 体现在每个人身上称为“基因多样性”或“个体特异性”: 一般每个人之间5位点的等位基因不同，有0.1的序列不同。 体现在黄种人白种人的种族差异上，称为“种族多样性”；体现在民族（族群）上，称为族群多样性。,从人类基因组计划我们已经走进DNA时代:,基因诊断的应用： 诊断腹泻病原菌和病毒、性病病原体、巨细胞病毒、乙型肝炎病毒、疱疹病毒、肿瘤、寄生虫病； 诊断动脉粥样硬化易感性、职业病、癌

18、症和艾滋病毒等。 产前诊断遗传疾病如镰刀型贫血症、地中海贫血和肌营养不良等症，起到预防作用。,基因诊断的应用：,DNA探针进行产前诊断 1979年Riggs及Comings都提出用某一段已知的DNA作为探针，称为互补DNA（complement DNAs），放射标记后，与羊水细胞的DNA杂交，并用放射自显影法得出结果，诊断胎儿的遗传性疾病。 现在已经知道80种不同的DNA序列。除了镰形细胞贫血以外，现在还能用此法诊断-地中海贫血、-地中海贫血、1-胰蛋白缺乏症（1-Anti Trypsin deficiency）和苯丙酮尿症。随着科学家对各种酶基因序列的了解及克隆化，可诊断的疾病将愈来愈多。,

19、DNA探针进行产前诊断,生物芯片 生物芯片是指能对生物分子进行快速并行处理和分析的指甲盖大小的固体薄型器件，是当今世界最尖端的应用型科学技术之一。 生物芯片的本质是进行生物信号的平行分析。它利用微点阵技术将成千上万的生物讯息密码集中到一小片固相基质上，从而使一些传统的生物学分析手段能够在尽量小的空间范围内，以尽量快的速度完成。,生物芯片,6.基因治疗,将正常的外源基因导入靶细胞中以弥补靶细胞所缺失或突变的基因、或抑制异常表达的基因。,基因病、肿瘤、心血管病、糖尿病等。,6.基因治疗将正常的外源基因导入靶细胞中以弥补靶细胞所缺失或,方 法 理想的途径是将基因导入可以持续分裂的干细胞中，使细胞在体

20、内不断增殖，不必用药就可以利用机体本身新产生的免疫能力对抗疾病。此外，还可以将还有某特定基因的载体注入患者体内，通过载体将基因转至患者的细胞内，缺乏有效治疗方法的遗传性疾病、癌症和艾滋病等可以采用这类治疗方法。,方 法,应 用 ： 治疗遗传性疾病、肿瘤、传染性疾病、心血管疾病等。研究热点为恶性肿瘤的治疗，有以下几种治疗途径： 肿瘤的免疫基因治疗：提高肿瘤细胞的免疫原性：刺激免疫细胞活性； 肿瘤的病因基因治疗：寻找抑癌基因或影响癌基因表达的药物； 自杀基因疗法：在肿瘤细胞中表达毒素蛋白基因，选择杀死肿瘤细胞； 辅助化疗法：增强肿瘤细胞对化疗药物的敏感性和正常细胞的抗药性。,应 用 ：,基因工程绪

21、论课件,用带有重组质粒的“超级菌”分解油（烷烃类）、有机农药污染。,四、基因工程在环境保护中的应用,1. 检测水污染,2. 生物降解,用重组细菌或转基因鱼等检测水污染,用带有重组质粒的“超级菌”分解油（烷烃类）、有机农药污染。四,1.2 基因工程药物：现有或正在开发中的基因工程药物大致有以下几类：单克隆抗体、疫苗、基因治疗药物、干扰素、白介素、生长因子、重组可溶性受体、反义药物、人生长激素、织纤溶酶原激活剂、凝血因子、集落细胞刺激因子、促红细胞生成素及SOD等。,1.2 基因工程药物：,3.6 基因工程疫苗 即DNA疫苗（遗传工程疫苗），是用重组DNA技术克隆并表达保护性抗原基因，利用表达的抗

22、原产物或重组体本身（多数无毒性、无感染能力、有较强免疫原性）制成的疫苗。,传统疫苗主要包括: 减毒活疫苗、灭活疫苗和亚单位疫苗；新型疫苗以基因工程疫苗为主，主要包括： 基因工程疫苗（基因工程亚单位疫苗、基因工程载体疫苗、核酸疫苗、基因缺失活疫苗及蛋白工程疫苗）、遗传重组疫苗、合成肽疫苗、抗独特型抗体疫苗以及微胶囊可控缓释疫苗等。,3.6 基因工程疫苗 传统疫苗主要包括: 减毒活疫苗、灭,现代意义的疫苗，就是一种使用抗原、通过诱发机体产生特异免疫反应、预防和治疗疾病或达到特定医学目的的生物制剂。 目前用于人类疾病防治的疫苗有20多种，根据预防对象可分为病毒疫苗和细菌疫苗，根据技术特点则分为传统疫

23、苗和新型疫苗,现代意义的疫苗，就是一种使用抗原、通过诱发机,克 隆（colning)有相同遗传信息的生物及细胞，如同卵双生的双胞胎，彼此即互为克隆。受精卵克隆是指卵裂后的受精卵各细胞发育而形成个体，产生的后代之间互为克隆。体细胞克隆是指除去核的未受精卵与成熟机体体细胞的细胞核融合，在将它移植到代理母亲的子宫内的方法。它产生的后代就是一种含有与成熟体细胞相同遗传信息的克隆。,克 隆（colning),干 细 胞 在细胞的分化过程中，细胞往往由于高度分化而完全失去了再分裂的能力，最终衰老死亡。机体在发展适应过程中为了弥补这一不足，保留了一部分未分化的原始细胞，称之为干细胞（stem cell）。一

24、旦生理需要，这些干细胞可按照发育途径通过分裂而产生分化细胞。,干 细 胞,类 型全能干细胞：它具有形成完整个体的分化潜能。如胚胎干细胞。胚胎干细胞是在人胚胎发育早期囊胚（受精后约57天）中未分化的细胞。囊胚含有约140个细胞，外表是一层扁平细胞，称滋养层，可发育成胚胎的支持组织如胎盘等。中心的腔称囊胚腔，腔内一侧的细胞群，称内细胞群，这些未分化的细胞可进一步分裂、分化，发育成个体。内细胞群在形成内、中、外三个胚层时开始分化。,类 型,多能性干细胞：这种干细胞具有分化出多种细胞组织的潜能，但失去了发育成完整个体的能力，发育潜能受到一定的限制。骨髓多能造血干细胞是典型的例子，它可分化出至少十二种血

25、细胞，但不能分化出造血系统以外的其它细胞。 单能干细胞：也称专能、偏能干细胞，这类干细胞只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化，如上皮组织基底层的干细胞、肌肉中的成肌细胞或叫卫星细胞。,多能性干细胞：这种干细胞具有分化出多种细胞组织的潜能，但失去,应用领域体外研究人胚胎的发生发育 研究非正常发育（通过改变细胞系的靶基因） 新人类基因的发现 药物筛选和致畸实验；组织移植、细胞治疗和基因治疗的细胞源,应用领域,5 蛋白质工程 是指通过蛋白质化学、蛋白质晶体学和动力学的研究，获取有关蛋白质物理和化学等各方面的信息，在此基础上利用生物技术手段对蛋白质的DNA编码序列进行有目的的改造并分离、纯化蛋

26、白质，从而获取自然界没有的、具有优良性质或适用于工业生产条件的全新蛋白质的过程。蛋白质工程也被称为“第二代基因工程”。蛋白质工程的方向基因水平上的蛋白质改造蛋白质修饰，即蛋白质翻译后的基因修饰,5 蛋白质工程,7 组织工程-再造生命奇迹: 是运用工程学与生命科学的原理和方法，在体外构建有生物活性的组织，植入体内，修复组织缺损，重建功能；或作为一种体外装置，暂时替代器官功能，达到提高生存质量、延长生命目的的一门技术。 修复缺损器官的方法一般有自体移植、异体移植和组织代用器三种。自体移植-拆东墙补墙; 异体移植-组强免疫排斥反应; 动物器官移植，同样存在排斥反应，而且还要冒着将动物特有的一些病毒传

27、给人类的危险 采用组织代用品如硅胶、不锈钢、金属合金等，它们致命的弱点是与人体相容性差，不能长久使用，还易引起感染。,7 组织工程-再造生命奇迹:,组织工程是体外培养原理：取生物（人或动物）组织分离细胞体外培养 接种到生物材料上形成组织设计形态植入生物体内。 目前的进展和成就： 耳廓再造 皮肤再造 修复狗头,组织工程是体外培养,8 生物工程产业化 医药生物工程产业形成的特点3大要素：雄厚的资金投入，优秀的产品开发以及先进的生 化工程与装备。 医药生物工程产业化的主要领域主要集中在五个方面：生物技术药品、生物技术营养保健品、生物技术诊断方法和试剂以及应用于生物技术的设备和生物技术的信息化。 从研

28、究生产到投放市场这一过程所消耗的时间和财力上进行难易程度的分析，其顺序如下（按由难到简单排列）：生物技术药品生物技术营养保健品生物技术诊断试剂设备生物技术信息化； 从投放到市场的收获大小上进行分析，其顺序如下（按单项投入市场收益计）：生物技术药品生物技术营养保健品生物技术诊断试剂生物技术信息化设备；,8 生物工程产业化,作 业 题,一、简答：1、什么叫克隆？以克隆羊为例说明克隆技术的主要过程。2、什么是基因工程？其主要技术过程是什么？3、什么是人类基因组计划，何谓后基因组时代？二、论述：1、你认为基因工程技术的发展给人类生活和生存产生哪些影响？2、你怎样看基因工程技术在农业中的应用前景？,作 业 题一、简答：,