第一章基因工程概论ppt课件.ppt

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1、基因工程概论,多利和它的孩子,沃尔小组成功克隆两只恒河猴,吴明杰小组：5只克 隆猪,基因工程概论,基 因（gene）,基因研究发展的过程,基因的概念,基因的特点,基因工程（genetic engineering）,基因工程研究发展史,基因工程的定义、研究内容,基因工程的应用,基因操作，是在分子生物学和分子遗传学等学科综合发展的基础上、于本世纪70年代诞生的一门崭新的生物技术科学。基因的研究为基因工程的创立奠定了坚实的理论基础，基因工程的诞生是基因研究发展的必然结果；而基因工程技术的发展和应用，又深刻并有力地影响着基因的研究，使我们对基因的研究提到了空前的高度。因此，对基因研究发展的过程，以及基

2、因的现代概念进行一下回顾是十分必要的。,基因工程与基因,什么是基因？,一、基 因（gene）,1.A brief history of genetics.,1866年，孟德尔（G.J.Mendel）提出了遗传因子（hereditary factor）的概念。他将控制豌豆性状的遗传因素称之为遗传因子形成了基因的雏形。,1909年，丹麦的遗传学家W.Johanssen根据希腊语“给予生命”之义，创造了“gene”一词。但它只是一个抽象的单位，并不代表物质实体。,“遗传因子/基因”的设想一经提出，便推动人们去寻找，去探索 基因在哪里？基因是什么？,1910年，美国遗传学家摩尔根（T.H.M.orga

3、n）以果蝇为研究材料，发现了连锁交换定律并提出遗传粒子学说，第一次将代表某一特定性状的基因与某一特定的染色体联系起来，即基因位于染色体上。,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。,The transforming principle is DNA.,DNA is the genetic material,1953年，J.Watson和F.Crike创立DNA双螺旋模型，证实基因是具有一定遗传效应的DNA片段。,1955年，Benzer在T4噬菌体的顺反互补实验中，正式使用“顺反子（cristron）”这个术语，并将顺反子与基因在意义上和功

4、能上统一起来。同时证实了基因不是最小单位。它仍然是可分的；并非所有的DNA序列都是基因，只有其中某一特定的核苷酸区段才是基因的编码区。,1960年，F.Jacob和J.Monmd提出了操纵元（操纵子）的概念，揭示了原核生物基因表达调控的重要规律。,2.基因的定义基因（gene）:一段可以编码具有某种生物学功能物质的核苷酸序列。是遗传物质的最小功能单位。编码蛋白的基因只转录而无翻译功能的基因（tRNA，rRNA）不转录的基因,基因的现代概念移动基因（movable gene）断裂基因（split gene）假基因（pseudogene）重复基因（repeated genes）重叠基因（overl

5、apping genes）或嵌套基因（nested genes）,3.基因的特点:不同基因具有相同的物质基础 在原则上，所有生物的DNA都是可以重组互换的，因为他们的基因都是一个具有遗传功能的特定核苷酸序列的DNA片断，而所有生物的DNA结构都是一样的。有些病毒的基因定位在RNA上，但这些病毒RNA可以通过反转录产生CDNA，并不影响不同基因的重组互换。,基因是可以切割的 基因在染色体上的存在形式是直线排列。大多数基因彼此之间存在这间隔，少数基因是重叠排列的。,基因是可以转移的 生物体内有的基因是可以在染色体上移动的，甚至可以在不同的染色体上跳跃，插入到靶DNA分子中。基因在转移的过程中就完成

6、了基因间的重组。（转座子、反转座子）,多肽与基因之间存在对应关系 现在普遍认为，一种多肽就有一种相对应的基因。因此，基因的转移或重组可以根据其表达产物多肽的性质来检查。,遗传密码是通用的 一系列的三联密码子（除极少数外）同氨基酸之间的对应关系，在所有生物中都是相同的。,基因可以通过复制把遗传信息传递给下一代 经重组的基因一般来说是能传代的，可以获得相对稳定的转基因生物。,生物技术可以分为传统生物技术，工业生物发酵技术和现代生物技术。现在人们常说的生物技术实际上就是现代生物技术。现代生物技术包括基因工程、蛋白质工程、细胞工程、酶工程和发酵工程等五大工程技术。其中基因工程技术是现代生物技术的核心技

7、术。,二、基因工程（genetic engineering）也叫基因操作、遗传工程，或重组体DNA技术。一般说来所谓的基因工程是指在体外将核酸分子插入病毒、质粒或其它载体分子，构成遗传物质的新组合，并使之参入到原先没有这类分子的寄主细胞中内，而能持续稳定的繁殖。,一般认为1973年是基因工程诞生的元年（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。,1、基因工程的诞生,理论上的三大发现（1）、DNA是遗传物质被证实1944年，Avery O.T.利用肺炎双球菌转化实验（2）、DNA的双螺旋结构和半保留复制机理（

8、3）、“中心法则”和“操纵子学说”的提出三联体密码子系统的建立,（1）、工具酶的发现和应用,技术上的三大发现,限制性内切酶和DNA连接酶的发现（标志着DNA重组时代的开始）,1970年，逆转录酶的发现。,（2）、载体的发现及其应用载体主要是小分子量的复制子如：病毒、噬菌体、质粒。1972年，美国Stanford大学的P.Berg 等首次成功地实现了DNA的体外重组；,SV40,噬菌体,第一个重组分子,（3）、重组子导入受体细胞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,基因工程诞生1973年，Stanford大学的Cohen等成功地利用体外重组实

9、现了细菌间性状的转移。1973年被定为基因工程诞生的元年。,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,2.基因工程的定义：将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内，使这个基因能在受体细胞内复制、转录、翻译表达的操作称为基因工程基因工程包括基因的分离、重组、转移以及基因在受体细胞内的保持、转录、翻译表达等全过程。,基因工程的实施至少要有四个必要条件工具酶基因载体受体细胞,遗传工程DNA重组基因工程,区别？,遗传工程是发生在遗传过程中的自然界原本存在的导致变异的一种现象，及自然出现的不同DNA链断裂并连接成

10、新的DNA分子，新的DNA分子含有不同于亲本的DNA片段。DNA重组是人们根据遗传工程的原理利用限制性内切酶在体外对于DNA进行的人工操作，构成杂种DNA，在自然界一般不能自发实现。,目的基因转移 转化或感染,3.基因工程的基本操作程序,第三步：将目的基因导入受体细胞,第四步：目的基因的检测与鉴定,第一步：目的基因的获取,第二步：基因表达载体构建,从复杂的生物有机体基因组中，经过酶切消化或PCR扩增等步骤，分离出带有目的基因的DNA片段；在体外，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记号的载体分子上，形成重组DNA分子；将重组DNA分子转移到适当的受体细胞（寄主细胞），并

11、与之一起增殖；从大量的细胞繁殖群体中，筛选出获得了细胞重组DNA分子的受体细胞克隆；从这些筛选出来的受体细胞克隆，提取出已经得到扩增的目的基因，供进一步分析研究使用；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，产生出人类所需要的物质。,基因工程研究的基本技术路线,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,4.基因工程的应用 基因工程技术已经在医学、工业、农业等各个领域得到了广泛的应用。,（1）在医学上的应用 基因工程被用于大量生产过去难以得到或几乎不可能得到的蛋白质肽类药物。

12、,基因工程疫苗 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。,基因工程药物 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

13、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。,胰岛素,1000 磅牛胰 10 克胰岛素,200 升发酵液 10 克胰岛素,干扰素,1200 升人血 1 升发酵液,23 万美元/病人 200300 美元/病人,用于提高奶酪产量 生产奶酪的凝乳酶传统上来自哺乳小牛的胃。现在可以通过基因工程办法，用酵母生产凝乳酶，大量用于奶酪制造。,哺乳小牛 凝乳酶基因,胃 转入啤酒酵母,凝乳酶 凝乳酶,制造奶酪,（2）转基因动物和植物 转基因动物首先在小鼠获得成功。现在转基因动物技术已用于牛、羊，使得从 牛/羊

14、 奶中可以生产蛋白质药物。称为“乳腺反应器”工程。转基因植物亦已在大田中广为播,把大鼠生长因子转入小鼠,得到巨大型的转基因小鼠。,核移植，就是利用一个动物体细胞的细胞核（供体核）来取代受精或未受精卵中的细胞核，形成一个重建的“合子”。克隆原意是无性繁殖。克隆动物就是不经过生殖细胞的受精过程而直接由体细胞获得新的动物个体，这个新个体是原核供体动物的拷贝。多莉(Dolly)：1996.7.52003.2.14,277次乳腺细胞核移植实验；获得29个发育为8细胞的“胚”；13头代孕母亲；1996年7月5日，羊羔6LL3，被命名为“多莉”。,几点说明,任何一个高等动物的细胞或个体都有两套独立的遗传系统

15、：细胞核遗传系统和细胞质遗传系统（线粒体和叶绿体DNA）。细胞质遗传系统与细胞核遗传系统有着密切的关系，但线粒体和叶绿体DNA上的基因是细胞核的染色体上所没有的，因此，细胞质遗传系统的功能不能由细胞核遗传系统来代行。由于动物的精子不为后代提供细胞质，所以高等动物的线粒体是通过母系的细胞质来遗传的，即其后代的所有线粒体都来自于母亲，与父亲无关。,（1）多莉并不是与母体完全一样的克隆,多莉的细胞核来自芬兰白面母羊，但线粒体DNA分析确认其线粒体来自苏格兰黑面母羊，由于线粒体在细胞生命活动中具有极其重要的功能，与许多生理活动密切相关，因此多莉在生理上与其母体也会有明显的差异。多莉的诞生显示了用生物技

16、术复制与母体完全一样个体的可能性：如果受体细胞的去核卵与体细胞是来自于同一个体，则所得复制体的细胞质与细胞核里的基因都与母体是完全一样的，这样的克隆才是母体真实的复制品。女性有可能用自身的体细胞和去核卵细胞克隆出与自己遗传组成和生理特征完全一样的个体；而克隆技术不可能用男性的体细胞复制出与原来个体在遗传上完全相同的克隆。,动物克隆和转基因研究 在“神舟”五号成功着陆的同一天，包括两头转基因体细胞克隆牛在内的10头体细胞克隆牛现身山东梁山县。我国转基因体细胞克隆技术及体细胞克隆技术的研究与应用达到国际前沿水平。体细胞克隆牛“乐娃”，由于成功地转入了绿色荧光蛋白基因，成为我国首例转基因体细胞克隆牛

17、，标志着我国在转基因体细胞克隆技术方面的新突破。,转基因植物获得新的性状,转基因农作物产品市场销售额：（世界市场）1995年 0.75亿美元1998年 15亿美元（4年增长20倍）2000年 30亿美元2010年 将达到200亿美元,中国已经批准进入大田的转基因植物,马铃薯：抗病毒、抗逆、高营养品质水稻：抗病毒、抗虫、抗除草剂棉花：抗虫玉米：抗虫大豆：抗除草剂小麦：抗除草剂、高营养品质番茄：抗病、耐储存甜椒：抗病,辣椒：抗病毒烟草：抗病毒、抗虫番木瓜：抗病毒矮牵牛：改变花色杨树：抗虫微生物：提高固氮效率,我国基因工程部分研究进展,转基因抗病虫植物 我国科学家将抗虫基因导入棉花，获得了抗虫植株，

18、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。,生产部件,（3）工程菌在环境工程中应用 美国 GE 公司构造成功具有巨大烃类分解能力的工程菌，并获专利，用于清除石油污染。,喷洒工程菌清除石油污染,无冰晶细菌帮助草莓抗霜冻,（4）工业领域,环保工业 能降解工业废品、农药残留等基因工程菌的构建酶制剂工业 耐热、耐压、耐盐、耐溶剂的酶基因转化构建的工程菌食品工业 改善食品品质的转基因作物化学与能源工业生产乙醇、甘油、丙酮等的转基因生物,人类跨入21世纪，崭新的基因操作技术、不断涌现的基因科技成果，表明基因工程时代已经到来！,有同学知道这

19、三种标志吗?,你会优先选择转基因食品吗？简要说明你的理由。,三、生物技术面临的严肃问题,基因一旦被改动，一方面可能引起生物体内一系列未知的结构与功能的变化；另一方面，转基因操作对生物体的影响会通过遗传传递。,转基因技术的安全性问题,外源基因引入后，是否会影响其他重要的调节基因，甚至会激活原癌基因？转基因技术的广泛应用是否会导致难以消灭的新病原物出现？是否会造成生态学灾难？人类生存环境异化的后果是什么？人类摄食大量转基因食品是否会影响人类及其后代的健康？,克隆人的伦理问题,在克隆阶段，如果有关胚胎发育的基因重新编排或启动不完全，对新生儿可能产生什么严重后果呢？兄弟、姐妹、父母、子女？器官克隆和干

20、细胞培养和分化器官，用于医学和临床治疗？,个人基因信息的隐私权问题,人类基因信息利用的伦理、法律和社会影响计划，称之为ELSI项目：（1）在应用和解释基因信息时的隐私权和公正性；（2）基因信息由实验室研究向实际医疗应用的转化；（3）人类基因组计划参与者相互协调和成果发布；（4）公众与专业教育,基因治疗的应用问题,一个人有权决定另一个人的基因结构或未来命运吗？万一这种基因操作失败了或者造成了将来才能发现的不可挽回的缺陷和后果，谁承当责任呢？是否可以通过基因治疗操作来增加运动员的身高或短跑速度，这与运动员服用兴奋剂有什么本质区别？,生物技术引发的其它问题,生物技术费用高，在自身健康上的贫富差距？涉及人类自身发展的重要生物技术的垄断？生物武器？,