第一章 基因工程概述课件.ppt

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1、生物工程,基因工程,第一章 基因工程概述,第一节 基因工程的诞生和发展第二节 基因工程的研究内容第三节 基因工程的成就和前景展望,第一节 基因工程的诞生和发展,顺反子阶段,摩尔根的基因阶段,孟德尔遗传因子阶段,现代基因阶段,基因的研究 历史,一 基因,Mendel G.J.(1822-1884)：1856-1864豌豆杂交实验。,Mendel的遗传因子阶段,1866年发表论文，提出分离规律和独立分配规律1900年Mendel遗传规律被重新发现遗传学的元年,Mendel提出：生物的某种性状是 由遗传因子负责传 递的。是颗粒性的，体细 胞内成双存在，生 殖细胞内成单存在 遗传因子是决定性 状的抽象

2、符号。,格里戈孟德尔（G.Mendel，1822.7.22-1884.1.6）原名约翰孟德尔,奥地利一个贫寒的农民家庭,对自然科学发生兴趣,1843年布隆奥古斯丁教派的圣托马斯修道院教士，1847年担任神父,1854年在德国技术学校获得讲授物理学和自然科学的职位，长达14年,1855年他第二次参加教师资格考式，仍旧名落孙山,孟德尔的植物杂交的试验论文，1865年2月8日和3月8日在布隆自然科学家协会上宣读，第二年在该会刊上发表。此后，默默无闻达35年之久，直到1900年才被三位植物学家（荷兰的德弗里斯、德国的科伦斯、奥地利的丘歇马克）各自重新发现，因此常把1900年看作遗传学作为一个独立学科而

3、出现的一年,左：德国的科伦斯；中：荷兰的德弗里斯；右：奥地利的丘歇马克,（1）孟德尔的理论超越了当时学者所能接受的水平,（2）孟德尔在宣读和发表论文时，只是一个神父、中等学校代理教员，不是知名的科学家，科学家们不重视这样的“小人物”，自然也不会去认真地分析和理解“小人物”提出的理论,（3）当时的科学界，正热衷于达尔文的进化论。达尔文物种起源1859年出版后，学者们主要注意力在生物进化的问题,为什么默默无闻三十多年、偏偏在 1900 年被重新发现呢?这和1899年在英国伦敦召开的第一次遗传学国际会议（当时称为“植物杂交工作国际会议”）有密切关系。这次国际会议大大地激发了学者们进行植物杂交工作，所

4、以第二年（1900年）三位植物学家各自独立地发现了孟德尔的论文。这三位学者多年的植物杂交工作，获得了与孟德尔35年前所发表的同样结果,为什么默默无闻三十多年、偏偏在 1900 年被重新发现呢?,1903年萨顿（W.S.Sutton 18771916，美国细胞学家）和鲍维里（T.Boveri 18621915，德国胚胎学家）：,萨顿鲍维里假想:遗传因子位于染色体上,1909年丹麦遗传学家约翰逊（W.Johansen 18591927）：提出“基因”概念，以此来替代孟德尔假定的“遗传因子”，另外还提出了“基因型”与“表现型”，初步阐明了基因与性状的关系,不过此时的基因仍然是一个未经证实的，仅靠逻辑

5、推理得出的概念,1909年丹麦遗传学家Johannsen(1859-1927)：发表了“纯系学说”首先提出了“基因”的概念，代替了Mendel“遗传因子”的 概念。但没有提出基因的物质概念。,Morgan的基因阶段,1910年以后，Morgan T.H.等提出了基因的连锁遗传规律。说明了基因是在染色体上占有一定空间的实体。基因不再是抽象符号，被赋予物质内涵。,连锁遗传规律的提出,两对（或两对以上）的等位基因位于同一对同源染色体上，在遗传时位于同一个染色体上的不同（非等位）基因常常连在一起不相分离，进入同一配子中,顺反子阶段,1957年：本泽尔（Seymour Benzer，美国分子生物学家）以

6、T4噬 菌体为材料，在DNA分子水平上研究基因内部的精细结 构，提出了顺反子（cistron）概念,顺反子：遗传功能单位，1个顺反子决定一条 多肽链。,早期的基因概念是把基因作为决定性状的最小单位、突变的最小单位和重组的最小单位，后来，这种“三位一体”的概念不断受到新发现的挑战,20世纪50年代以后，随着分子遗传学的发展，1953年在沃森和克里克提出DNA的双螺旋结构以后，人们普遍认为基因是DNA的片段，确定了基因的化学本质。,一个顺反子决定一条多肽链，顺反子也可以理解为是基因的同义词。顺反子概念把基因具体化为DNA分子的一段序列，它负责传递遗传信息，是决定一条多肽链的完整的功能单位,顺反子是

7、一个遗传功能单位，一个顺反子决定一条多肽链，这就使以前一个基因一种酶的假说发展为一个基因一种多肽的假说能产生一种多肽的是一个顺反子，顺反子也就是基因的同义词顺反子可以包含一系列突变单位突变子突变子是DNA中构成基因的一个或若干个核苷酸由于基因内的各个突变子之间有一定距离，所以彼此间能发生重组，这样，基因就有了第三个内涵“重组子”。重组子代表一个空间单位，它有起点和终点，可以是若干个密码子的重组，也可以是单个核苷酸的互换。如果是后者，重组子也就是突变子。顺反子概念把基因具体化为DNA分子的一段序列，它负责传递遗传信息，是决定一条多肽链的完整的功能单位；但它又是可分的，组成顺反子的核苷酸可以独自发

8、生突变或重组，而且基因与基因之间还有相互作用基因排列位置的不同，会产生不同的效应,现代基因阶段,从分子水平来看，基因就是DNA分子上的一个个片段，经过转录和翻译能合成1条完整的多肽链。可是，通过近年来的研究，认为这个结论并不全面，因为有些基因，如rRNA和tRNA基因只有转录功能而没有翻译功能。另外，还有一类基因，其本身并不进行转录，但可以对邻近的结构基因的表达起控制作用，如启动基因和操纵基因。从功能上讲，能编码多肽链的基因称为结构基因；启动基因、操纵基因和编码阻遏蛋白、激活蛋白的调节基因属于调控基因,1 操纵子操纵基因与其控制下的一系列结构基因组成1个功能单位，称为操纵子（启动基因操纵基因结

9、构基因）,基因是遗传的物质基础，是DNA或RNA分子上具有遗传信息的特定核苷酸序列。基因通过复制把遗传信息传递给下一代，使后代出现与亲代相似的性状。,现代基因阶段,一个基因被间隔区分成不连续的若干区段，这种编码序列不连续的间断基因被称为断裂基因。,3 断裂基因,2 跳跃基因,指DNA能在有机体的染色体组内从一个地方跳到另一个地方，它们能从一个位点切除，然后插入同一或不同染色体上的另一个位置。,4 假基因,现代基因阶段,5 重叠基因,现代对基因的定义：DNA分子中含有特定遗传信息的 一段核苷酸序列，是遗传物质的最 小功能单位。,不能合成出功能蛋白质的失活基因。,不同基因的核苷酸序列有时是可以共用

10、的 即重叠的。,二 基因工程的诞生,（S.Cohen等获得了卡那霉素和四环素双抗性的转化子菌落),理论上的三大发现和技术上的三大发明对于基因工程的诞生起到了决定性的作用,一般认为1973年是基因工程诞生的元年,1944年，Avery O.T.利用肺炎双球菌转化实验,三大发现,1 DNA是遗传物质被证实,三大发现,1944年，美国洛克菲勒研究所的Oswald Avery等公开发表了改进的肺炎双球菌实验结果（1）S型菌细胞提取物及其纯化的DNA都可使R型菌转变成S型菌；（2）经DNase 处理的S型菌细胞提取物失去了转化作用（3）经胰蛋白酶处理的S型菌细胞提取物仍有转化作用 不仅证实了DNA是遗传

11、物质，而且证明了DNA可以将一个细菌的性状转给另一个细菌，他的工作被称为是现代生物科学的革命性开端,40年代，DNA是遗传物质被证实,Watson 和Crick,2 DNA双螺旋模型的提出,三大发现,50年代，DNA的双螺旋模型的提出和DNA复制机理的阐明,1953年，Francis Crick和James Watson搜集了力所能及的资料，提出了DNA的双螺旋模型。随后，DNA的半保留复制和半不连续复制机理也被阐明，为基因工程的诞生奠定了坚实的理论基础。,三大发现,DNA是遗传物质已被证实，但是DNA是怎样携带并传递遗传信息的？在细胞增殖过程中，DNA是怎样复制的？因此，对于DNA结构的研究

12、成为了当时生物学家研究的热点。,Nireberg等为代表的一批科学家,3“中心法则”和“操纵子学说”的提出,三大发现,60年代，确定了遗传信息的传递方式（中心法则）,以Nireberg等为代表的一批科学家经过艰苦的努力，确定了遗传信息以密码方式传递，每三个核苷酸组成一个密码子，代表一个氨基酸，到1966年，全部破译了64个密码子，并提出了遗传信息传递的“中心法则”。,既然，DNA是遗传信息的载体，那么它是如何传递遗传信息的呢？遗传信息又是如何控制生物的表型性状的呢？,原核生物的基因调控操纵子模型,1961年，Jacques Monod和 Fancois Jacob提出了原核基因调控的操纵子模型

13、（operon model）。,1970年Smith等分离并纯化了限制性核酸内切酶Hind II，1972年，H.W.Boyer等相继发现了coR I 一类重要的限制性内切酶。,4 工具酶的发现和应用,三大发明,1967年，世界上有五个实验室几乎同时发现DNA连接酶，特别是1970年H.G.Khorana等发现的T4 DNA连接酶具有更高的连接活性。,三大发明,4 工具酶的发现和应用,1970年，Baltimore等和Temin等在RNA肿瘤病毒中各自发现了反转录酶，完善了中心法则，用于构建cDNA 文库。,4 工具酶的发现和应用,三大发明,载体主要是小分子量的复制子如：病毒、噬菌体、质粒。1

14、972年，美国Stanford大学的P.Berg 等首次成功地实现了DNA的体外重组；,5 载体的发现及其应用,三大发明,SV40,噬菌体,第一个重组分子,三大发明,三大发明,6 重组子导入受体细胞技术,1944年：肺炎链球菌被成功转化1970年：大肠杆菌才被成功转化，得益于CaCl2 的应用,1973年，Stanford大学的Cohen等成功地利用体外重组实现了细菌间性状的转移。1973年被定为基因工程诞生的元年。,基因工程诞生,Cohen等的重组实验示意图,Tcr,Ner,基因工程发展史上首次实现了重组DNA的细菌转化,pSC101质粒DNA,R65质粒DNA,第二节 基因工程的研究内容,

15、一 基因工程的概念,在分子水平上，提取或合成不同生物的遗传物质，在体外进行切割、再和某一载体进行拼接重组，然后再将重组的DNA导入宿主细胞内，最后实现目的基因稳定复制和表达的过程。,生物工程 biological engineering遗传工程 genetic engineering基因工程 gene engineering分子克隆 molecular cloning基因克隆 gene cloning基因操作 gene manipulation重组DNA技术 recombinant DNA technique,一 基因工程的概念,二 基因工程研究的基本步骤,1、从生物体中分离得到目的基因（或D

16、NA片段）,2、在体外，将目的基因插入能自我复制的载体中得到重组DNA 分子。,3、将重组DNA分子导入受体细胞中，并进行繁殖。,4、选择得到含有重组DNA分子的细胞克隆，并进行大量繁殖，从而使得目的基因得到扩增。,5、进一步对获得的目的基因进行研究和利用。比如，序列分 析、表达载体构建、原核表达以及转基因研究和利用等。,三 基因工程的基本流程,基因分离酶切,载体酶切,基因和载体连接,导入细菌,重组质粒繁殖,重组克隆的选择,序列分析和基因表达等研究,第三节 基因工程的成就和研究进展,成就：在医药领域在农业领域在工业领域研究进展：,医药领域,1977年，激素抑制素的发酵生产成功。Itakara等

17、，化学合成的激素抑制素基因和大肠杆菌-半乳糖（苷）激酶基因插入到pBR322中得到重组质粒，并通过大肠杆菌生产出含有激素抑制素的嵌合型蛋白，经溴化氰处理后释放出了有生物活性的激素抑制素。首次实现了真核基因的原核表达。用价值几美元的9升培养液生产出50毫克的生物活性物质，这相当于50万头羊脑的提取量。,1978年：Goeddel等，人胰岛素的发酵生产成功。1979年：Goeddel等，又在大肠杆菌中成功表达了人生长激 素基因。1980年：Nagata等，遗传工程菌生产干扰素获得成功。1981年：用遗传工程菌生产的生物制剂包括动物口蹄疫疫苗、乙型肝炎病毒表面抗原及核心抗原、牛生长激素等。1982年

18、：重组DNA技术生产的药物-人胰岛素进入商品化生产。1983年：基因工程生产狂犬病疫苗取得突破型进展。,我国基因工程部分研究进展,我国科学家将抗虫基因导入棉花，获得了抗虫植株，对棉蛉虫的抗虫效果十分显著。抗黄矮病、赤霉病、白粉病转基因小麦和抗青枯病马铃薯也已研究成功，开始田间加代繁殖。,转基因抗病虫植物,乙型肝炎是危害我国人民健康的严重疾病，我国乙肝病毒携带者1亿 1千万人，其中40左右的慢性肝炎可能发展成为肝硬化和原发肝癌。以往乙肝疫苗是从人血清中提取，基因工程乙肝疫苗的研制成功，不仅有巨大的经济效益，而且有巨大的社会效益。基因工程乙肝疫苗是我国正式批准投放市场的第一种高技术疫苗，在20多项指标上达到国际先进水平，获国家科技进步一等奖。继乙肝疫苗之后，我国又研制成功了痢疾、霍乱等数种基因工程疫苗，并经国家批准进入临床试验。,基因工程疫苗,干扰素是一种广谱的抗病毒和抗肿瘤高技术药物，对防治病毒性肝炎和恶性肿瘤有重要的作用。现已有了3个品种的基因工程干扰素获得国家新药证书，开始大批量生产。除此之外，我 国还研制成功了肝癌导向药物（生物炸弹）、系列恶性肿瘤辅助治疗药物等十余种基因工程药物，有些已获试生产文号或进入中试开发阶段。,基因工程药物,转基因动物,