基因工程概述9.1(周四).ppt

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1、,第二讲（1-2节）第一章 基因工程概述 第二节基因工程研究发展史 第三节 基因工程研究内容 第四节 基因工程技术的意义,第二节 基因工程研究发展史,一、基因工程准备阶段1944年美国微生物学家 Avery及其同事通过转化实验，证实遗传物质是DNA（基因载体）。1953年，Watson（美国）和Crick（英国）提出了DNA双螺旋结构模型,DNA双螺旋中两条链的碱基具有互补的特点，预示了DNA复制是半保留复制,同时指出遗传信息储存在DNA分子碱基序列之中。,Francis Crick&James Watson,“中心法则”。1958年Crick在DNA双螺旋学说基础上提出。,遗传密码的破译。1

2、961年Nirenberg用人工合成mRNA破译出第一个遗传密码到1969年确定全部遗传密码，人们了解了大多数生物遗传信息表达的规律。从遗传密码表中我们可以看到mRNA中每3个核苷酸组成一个密码子，体现一个氨基酸的信息。遗传密码的通用性。在64个密码子中，其中61个分别代表各种氨基酸，剩余的3个密码子(UAA、UAG、UGA)为肽链的终止信号,不代表任何氨基酸,这套密码从细菌到人都可通用。,遗传密码的例外。1986年报道UGA代表selenocysteine(硒代半胱氨酸)。2002年报道在Archaea(产甲烷菌的甲胺甲基转移酶中发现)和真菌中发现UAG可能是编码第22种氨基酸pyrroly

3、sine(吡咯赖氨酸）的密码子。,20世纪60年代末至70年代初，限制性核酸内切酶和连接酶等陆续被发现,有了进行DNA操作基本工具,使DNA进行体外切割和连接成为可能。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SV40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。,1972-Paul Berg:Produced first recombinant DNA using EcoR

4、I,EcoRI recognition sites,phage DNA,EcoRI cuts DNA into fragments,Sticky end,SV40 DNA（猴空泡病毒40）,The two fragments stick together by base pairing,DNA ligase,Recombinant DNA,二、基因工程的问世 1973年，Cohen等人将编码Kan（卡那霉素）抗性基因质粒R6-5和编码Tet(四环素)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Ka

5、n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。,1973-Boyer,Cohen&Chang:Transform E.coli with recombinant plasmid,Stanley Cohen&Annie Chan,Herbert Boyer,Kanamycin resistance gene,Plasmid pSC101,Tetracycline resistance gene,E.coli transformed with recombinant plasmid,Tr

6、ansformed cells plated onto medium with kanamycin and tetracycline,Only cells with recombinant plasmid survive to produce colonies,三、基因工程的迅速发展阶段 自基因工程技术问世以来，这三十多年是基因工程迅速发展的阶段。不仅发展了一系列新的基因工程操作技术,而且构建了多种供转化原核生物和动物、植物细胞载体,获得大量转基因菌株。,1981年首次通过显微注射培育出世界上第一个转基因动物转基因小鼠（将大鼠生长素基因转到小鼠）。,1982年，基因工程胰岛素商品在美国投放市场

7、。,1982年，采用农杆菌介导法培育出世界上第一例转基因植物转基因烟草。,1985年基因工程微生物杀虫剂通过美国环保署审批,1990年基因治疗开始进入临床试验。,如果说20世纪八九十年代是基因工程基础研究趋向成熟，应用研究初露锋芒的阶段，那么21世纪初将是基因工程应用研究的鼎盛时期，农、林、牧、渔、医等的很多产品都会打上基因工程的标记。,一、基础研究 基因工程问世以来，科技工作者始终十分重视基础研究，包括构建一系列克隆载体和相应的表达系统，建立不同物种的基因组文库和cDNA文库，开发新的工具酶，探索新的操作方法等，各方面取得了丰硕的研究成果，使基因工程技术不断趋向成熟。,第三节 基因工程研究内

8、容,1.基因工程克隆载体的研究2.基因工程受体系统的研究3.目的基因研究医药相关的基因抗病虫害和恶劣生境的基因编码具有特殊营养价值的蛋白或多肽的基因,4.基因组研究。1990年开始，先后由美国、英国、日本、德国、法国、中国等国实施“人类基因组计划”，2003年完成全部序列测定，共编码约3-3.5万个基因。至1998年完成基因组测序的生物有11种，如幽门螺旋杆菌(1667867bp，1590个基因)等。5.基因工程工具酶的研究6.基因工程新技术研究,二、应用研究,尽管基因工程出现后的一段时间内带给人们的是猜疑和恐惧，但实践表明，基因工程已经给人类带来了难以估量的经济和社会效益。特别是对人类所面临

9、的能源、粮食、环境和健康等日趋严重的社会问题，基因工程正在并且将要发挥越来越大的作用。,1.基因工程与农业,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,1.基因工程与农业,（1）基因工程与光合作用。提高光合作用效率将是提高农作物产量的一个有效方法。,水稻属C3植物,玉米属C4植物,（2）生物固氮的基因工程。若能把禾谷等非豆科植物转变为能同根瘤菌共生，或具固氮能力，将代替无数个氮肥厂。（3）转基因植物。增加农作物产品的营养价值，如：增加种子、块茎的蛋白质含量，改变植物蛋白的必需氨基酸比例等。提高农作物抗逆性能如：抗病虫害、抗旱、抗涝、抗除草剂等性能。（4）转基因动物。（5）产生次生代谢

10、产物。如吲哚乙酸，赤霉素等。,棉花是一种具有杀虫能力的转基因棉花。是一种土壤杆菌“苏云金芽孢杆菌”的缩写，这种菌在芽孢的形成过程中会产生一种具有很高杀虫活性的晶体蛋白，近几年克隆基因已被转入植物，使得植物具备同样的杀虫能力，也可以说植物本身就成了自己的“杀虫剂”。,转基因大豆,荧光转基因鳗鱼,2.基因工程在工业中的应用,（1）环保工业 DNA重组得到石油、农药、工业污染物降解等质粒，用于污水处理等。（2）酶制剂工业利用基因工程技术生产酶，如蛋白酶、淀粉酶等。提高酶的产量，如基因工程技术使DNA连接酶产量提高了500倍。耐热、耐压、耐盐酶的研制，如利用基因工程技术生产初耐热的-淀粉酶。,2.基因

11、工程在工业中的应用,（3）食品工业转基因植物，改良作物品质，如降低豆油中的软脂酸成分从而降低冠心病的发病率。利用基因工程菌生产柠檬酸、乳酸、苹果酸等。利用基因工程菌生产高产生产谷氨酸等。（4）化学与能源工业石油开采，如降低石油粘度，提高深层石油石油流出量。将淀粉转化为乙醇，如将马铃薯、玉米，大米转化为乙醇。将纤维素转化为乙醇（研究阶段，已取得一定成就）。,3.基因工程在医学中的应用（1）基因工程药物多肽和蛋白类药物。如，重组人胰岛素、IL-2、干扰素、肿瘤坏死因子等。酶类基因工程药物。如，尿激酶原、链激酶（均可治疗血管栓塞类疾病）等。（2）基因诊断和基因治疗基因诊断。利用重组DNA技术直接从D

12、NA水平检测人类遗传性疾病的基因缺陷、肿瘤等的技术。如，利用基因探针检测镰刀细胞平血、地中海平血症、流行病、肿瘤等。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，达到治疗疾病的目的。如，镰刀状细胞平血的基因治疗等。,（3）基因工程疫苗使用DNA重组生物技术，把天然的或人工合成的遗传物质定向插入细菌、酵母菌或哺乳动物细胞中，使之充分表达，经纯化后而制得的疫苗。如基因工程乙型肝炎疫苗等,A.基因矫正（gene correction）B.基因置换（gene replacement）C.基因增补（gene augmentation）又称为补偿性基因治疗 D.基因失活（g

13、ene inactivation）包括反义基因治疗RNA干扰,基因治疗,基因失活:指采用反义（antisense）技术或RNA干扰（RNA interference）、基因敲除（gene knock-out）等技术，阻断某些基因的异常表达。,a.反义基因疗法,RNA干扰与靶基因同源的双链RNA诱导的特异转录后基因沉默现象。其作用机制是双链RNA被特异的核酸酶降解，产生干扰小RNA(siRNA)，这些siRNA与同源的靶RNA互补结合，特异性酶降解靶RNA，从而抑制、下调基因表达。已经发展成为基因治疗、基因结构功能研究的快速而有效的方法。,b.RNA干扰,RNAi靶向技术治疗肿瘤最新进展,RNA

14、i靶向治疗的条件1.致病的细胞为特异细胞，如肿瘤干细胞。2.该细胞具有特异的膜蛋白或受体，且具有免疫原性，并能制备单克隆抗体。3.该细胞内具有致病的特异基因，如Twist基因。4.并构建针对该特异基因的siRNA表达载体。5.单克隆抗体与DNA载体蛋白形成融合蛋白，将miRNA带入靶向细胞内。,RNA干扰靶向治疗的原理图,第四节 基因工程技术的意义,基因工程可以绕过远缘有性杂交的困难，使基因在微生物、植物、动物之间交流，迅速并定向的获得人类需要的新的生物类型。概括地讲，其意义体现在以下三个方面：大规模生产生物分子；设计构建新物种；搜集、分离、鉴定生物信息资源。,第 一 章 作 业,一、名词解释基因 2.断裂基因 3.RNA干扰（RNAi）二、简答题1.简述基因工程的基本过程。2.简述基因工程在医药领域中的应用。,