基因与基因工程

生命科学导论生命科学导论石河子大学生命科学学院石河子大学生命科学学院College of Life ScienceCollege of Life Science，Shihezi Shihezi UniversityUniversity王绍明基因与基因工程基因与基因工程一、基因的基本知识一、基因的基本知识二、基因工程的原理二、基因工程的原理三、基因工程技术的应用三、基因工程技术的应用四、人类基因组计划四、人类基因组计划基因与基因工程基因与基因工程一、基因的基本知识一、基因的基本知识基因的概念1.1.孟德尔遗传因子孟德尔遗传因子2.2.基因位于染色体上基因位于染色体上3.DNA3.DNA与染色体的关系与染色体的关系4.4.从从DNADNA到蛋白质到蛋白质5.DNA5.DNA与性状与性状生命最重要的本质之一是性状特征自上代传至下代遗传。今天，从遗传学研究衍生出来的基因工程技术，已构成生物技术的核心，在实际应用中显示出极大的潜力。在在孟孟德德尔尔以以前前，人人们们看看到到遗遗传传现现象象，猜猜想想遗遗传传是是有有规规律律的的，甚甚至至在在农农牧牧业业育育种种中中实实际际运运用用了了遗遗传传规规律律，但但是是，一一直直找找不到研究遗传规律的恰当方法。不到研究遗传规律的恰当方法。孟德尔学说奠定了遗传学基础孟德尔学说奠定了遗传学基础孟德尔(1822-1884)孟德尔（18221884）从 1856 年起开始豌豆试验。孟德尔的基本方法是杂交。经过近 10 年的潜心研究，孟德尔发表了他的研究报告。其内容可概括两个定律。1.孟德尔遗传因子基因的概念豌豆杂交操作孟德尔研究的七对性状孟德尔学说的重要意义（1）孟德尔第一次明确提出遗传因子的概念,并且提出了遗传因子控制遗传性状的若干规律：大多数生物体通常由一对遗传因子（后来称为两个等位基因）控制同一性状。这样的生物体称为 2n 个体。遗传因子可以区分为显性和隐性。控制不同性状的遗传因子是各自独立的。孟德尔提出了杂交、自交、回交等一套科学有效的遗传研究方法，来研究遗传因子的规律。孟德尔创立的这套方法一直沿用到 1950s，才被分子遗传学方法取代。基因是一段 DNA 序列“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？基因在染色体上显微镜技术与染色技术的发展，使人们注意到，细胞分裂时，尤其是减数分裂中，染色体的行为和孟德尔提出的等位基因的分离规律相当一致，所以，确定基因在细胞核中，在染色体上。摩尔根实验室用果蝇为材料的工作，确定了基因在染色体上的分布规律（基因的连锁与互换定律）。果蝇有4对染色体2.基因位于染色体上基因的概念野生果蝇没有现成的成对性状摩根在长期饲养中找到各个性状的突变株。控制不同性状的等位基因在2#染色体上的位置触须长/短身体灰/黑眼睛红/紫翅长/短减数分裂时发生：染色体交叉/基因重组。g 身体c 眼睛l翅灰/黑红/紫长/短基因重组服从这样的规则：两个基因在染色体离得越远，重组频率越高；两个基因在染色体上离得越近，重组频率越低。重组频率3.染色体与DNA的关系基因的概念同源染色体分别带着控制同一性状的两个等位基因显性等位基因纯合子隐性等位基因纯合子杂合子 遗传物质是 DNA 各方面的实验证据表明，基因的化学本质不是蛋白质，而是 DNA。格里菲斯的实验（1928）证明遗传物质可以转化进入细菌，改变细菌特性。后来爱弗莱的实验（1944）证实，进入细菌改变特性的遗传物质是 DNA，而不是蛋白质。肺炎双球菌有多糖荚膜可致病的可致病的S型型不致病的不致病的R型型活活S死死S死死S活活R活活R格里菲斯的转化实验格里菲斯的肺炎双球菌转化实验分别用放射性同位素标记噬菌体35S标记蛋白质标记蛋白质32P标记标记DNA35S 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爱弗莱证实转化物质是 DNA华生和克里克提出 DNA 双螺旋模型。DNA 双螺旋模型说明 DNA 分子能 够充当遗传的物质基础。按照双螺旋模型，在细胞分裂时，DNA 的合成应是“半保留复制”的模式。DNA双螺旋模型DNA的半保留复制DNA在自我复制的过程中，两条双链打开，以形成的两条单链为模板，各自合成一条与之互补的新链。新形成的两条双链DNA中各含有一条旧链和一条新链，所以称为半保留复制。半保留复制证实半保留复制的实验细菌培养在含细菌培养在含15N的培养的培养基基中中细菌培养在含细菌培养在含14N的培养基中的培养基中一代两代4.从D DN NA A到蛋白质DNADNA前体前体RNARNAmRNAmRNA多肽链多肽链基因的概念5.5.DNADNA与性状与性状基因的概念基因在遗传中的作用基因在遗传中的作用显性基因显性基因显性基因显性基因显性性状显性性状显性性状显性性状隐性基因隐性基因隐性基因隐性基因隐性性状隐性性状隐性性状隐性性状致死基因致死基因致死基因致死基因致死作用致死作用致死作用致死作用性状是由基因与环境共同作用的结果性状是由基因与环境共同作用的结果基因在遗传中的作用基因理论中的许多复杂情况 以孟德尔学说为开端的遗传理论，发展到以 DNA 分子结构为基础的分子遗传学，使我们对遗传规律有了确切的理解。应该看到，实际上生命世界的遗传现象远比上面谈到的要复杂得多。一个基因一个性状？不一定。例如肤色的控制至少有三个基因参与。基因决定性状，环境还起不起作用？在基因型确定的基础上,环境常常会影响表型。人的肤色至少由三个基因控制产生黑色素的酶在较 高温度下失活，所以毛色在端点位置体温较低处呈黑色环境影响表型基因与基因工程基因与基因工程二、基因工程的原理二、基因工程的原理 DNA作为遗传物质的功能 （1）贮藏遗传信息的功能 （2）传递遗传信息的功能 （3）表达遗传信息的功能 由此，克里克提出中心法则,确定遗传信息由 DNA 通过 RNA 流向蛋白质的普遍规律。中心法则遗传信息储存在DNA中，DNA通过转录生成mRNA，mRNA再通过翻译生成蛋白质，从而完成遗传信息的表达过程。DNADNARNA蛋白质蛋白质细菌细胞（原核）的基因表达动物植物（真核）细胞中的基因表达什么是基因工程什么是基因工程基因工程基因工程又叫做基因拼接技术或又叫做基因拼接技术或DNADNA重组技术。重组技术。是在生物体外，通过对是在生物体外，通过对DNADNA分子进行人工分子进行人工“剪切剪切”和和“拼接拼接”，对生物的基因进行改，对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞内进行无性造和重新组合，然后导入受体细胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生出繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生出人类所需要的新的生物类型和生物产品人类所需要的新的生物类型和生物产品 DNA重组技术的基本工具重组技术的基本工具是在生物体外，通过对是在生物体外，通过对DNA分子进行人工分子进行人工“剪切剪切”和和“拼接拼接”，对生物的基因进行改，对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞内进行无造和重新组合，然后导入受体细胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生出生出人类所需要的新的生物类型和生物产品人类所需要的新的生物类型和生物产品分析概念分析概念：工工具具为什么为什么要加工要加工什么是什么是表达表达用什么用什么导入导入基因工程技术的基因工程技术的基本工具基本工具DNA分析技术（测序）分析技术（测序）DNA分解技术分解技术（酶切）（酶切）DNA合成技术（聚合链式反应）合成技术（聚合链式反应）DNA导入与转化技术（载体导入与转化技术（载体-质粒等）质粒等）基因操作的工具基因操作的工具基因的剪刀（分子手术刀）基因的剪刀（分子手术刀）限制性核酸内切酶（限制酶）限制性核酸内切酶（限制酶）基因的针线（分子缝合针）基因的针线（分子缝合针）DNA连接酶连接酶基因的运输工具（分子运输车）基因的运输工具（分子运输车）运载体运载体到哪里去寻找这种酶到哪里去寻找这种酶（1）限制酶）限制酶分布：主要在原核生物中。分布：主要在原核生物中。作用特点作用特点:专一性，识别特定核苷酸序列，专一性，识别特定核苷酸序列，切割特定切点。切割特定切点。结果：产生黏性未端和平末端结果：产生黏性未端和平末端举例：举例：EcoR1限制酶、限制酶、Sma1限制酶限制酶与我们学过的与我们学过的DNA酶相同吗？酶相同吗？识别序列的特点识别序列的特点作用是什么作用是什么两者的区别两者的区别这两种酶切的特点这两种酶切的特点切断的是什么键切断的是什么键限制酶的识别特点限制酶的识别特点以中轴线双侧的以中轴线双侧的DNA上碱基呈反向对称，重复排列上碱基呈反向对称，重复排列如：如：GAATTCCCCGGGCTTAAGGGGCCC（2）DNA连接酶连接酶连接的部位：磷酸和脱氧核糖之间的键：连接的部位：磷酸和脱氧核糖之间的键：磷酸二酯键（梯子的扶手）磷酸二酯键（梯子的扶手）结果：两个相同的未端的连接。结果：两个相同的未端的连接。举例：举例：EcoliDNA连接酶连接酶T4DNA连接酶连接酶与与DNA聚合酶聚合酶相同吗相同吗二者在性质二者在性质上的区别上的区别作用：将外源基因送入受体细胞。作用：将外源基因送入受体细胞。具备的条件：具备的条件：能在宿主细胞内复制能在宿主细胞内复制并稳定地保存。并稳定地保存。具有多个限制酶切点。具有多个限制酶切点。具有某些标记基因具有某些标记基因对受体细胞无害对受体细胞无害举例：质粒、噬菌体举例：质粒、噬菌体和动植物病毒。和动植物病毒。为什么为什么要具备要具备这些条件这些条件运载体运载体基因工程的基本操作基因工程的基本操作将将外源基因外源基因（又称（又称目的基因目的基因，是一段，是一段 DNA DNA 片断）组合到片断）组合到载体载体 DNA DNA 分子中去，再把分子中去，再把它转到它转到受体细胞受体细胞（亦称寄主细胞）中去，（亦称寄主细胞）中去，使外源基因在寄主细胞中使外源基因在寄主细胞中增殖和表达增殖和表达，从，从而得到期望的由这个外源基因所编码的而得到期望的由这个外源基因所编码的蛋蛋白质白质。（1）获得目的基因 到哪里去找目的基因？一般来说，人的基因，要从人体的组织细胞中去找；小鼠的基因要从小鼠的组织细胞中去找。从组织细胞中可以分离得到人/小鼠的全套基因，称为基因文库。文库中基因总数 就人来说约有 3 万个基因。如何从中把需要的基因找出来？采取“钓”的办法。这个办法通常称为印迹法。（2）目的基因的扩增用上面的方法“钓”出的目的基因，数量极少，所以，接下来必须经过扩增，亦称为基因克隆。获得相当数量的目的基因后，才能继续下一步操作。PCR 把寻找目的基因和扩增目的基因两步操作并成一步。PCR 法，全称多聚酶链式反应，是近年来开发出来的基因工程新技术，它的最大优点是把目的基因的寻找和扩增，放在一个步骤里完成。P C R操作流程90 0 0 C50 0 0 C70 0 0 C（3）构造重组 DNA 分子首先要有载体。载体有好几种，常用的有：质粒环状双链小分子DNA，适于做小片断基因的载体。噬菌体DNA线状双链DNA，适于做大片断基因的载体。用质粒构建重组DNA分子用噬菌体DNA构建重组DNA分子（4）转化/转染 把构造好的重组 DNA 分子送进寄主细胞，亦需要适当的技术方法。若受体细胞是细菌，通常称转化；若受体细胞是 动/植 物细胞，通常称转染。（5）目的基因表达及蛋白质分离 进入到寄主细胞的目的基因还要能表达产生有活性的目的蛋白，这些目的蛋白可以是某种蛋白质药物，也可以表达某种抗性性状（如植物的抗病性和抗旱性）。蛋白质的分离纯化生物分离技术重组 DNA 分子进入寄主细胞后，其中的目的基因能否表达，表达效率高低，还有很大差别。表达通常是指目的基因编码的蛋白质合成。基因工程的最后一步，是把所获得的蛋白质分离纯化，得到蛋白质产品。基因工程的基因工程的基本操作程序基本操作程序为什么要获得目的基因为什么要获得目的基因为什么要把目的基因为什么要把目的基因与载体结合与载体结合受体细胞是指什么受体细胞是指什么为什么要进行检测为什么要进行检测基因与基因工程基因与基因工程三、基因工程技术的应用三、基因工程技术的应用基因工程的应用基因工程的应用转基因生物转基因生物目的基因目的基因目的基因来源目的基因来源抗虫植物抗虫植物BtBt毒蛋白基因毒蛋白基因苏云金芽胞杆菌苏云金芽胞杆菌（如：抗虫（如：抗虫蛋白酶抑制剂基因蛋白酶抑制剂基因植物植物棉）棉）淀粉酶抑制剂基因淀粉酶抑制剂基因植物凝集素基因植物凝集素基因抗病植物抗病植物病毒外壳蛋白基因病毒外壳蛋白基因（如：转基（如：转基病毒的复制酶基因病毒的复制酶基因因烟草）因烟草）几丁质酶基因几丁质酶基因抗逆转基因植物抗逆转基因植物抗冻蛋白基因抗冻蛋白基因鱼鱼抗除草剂基因抗除草剂基因转基因玉米转基因玉米富含赖氨酸的蛋白质编码基因富含赖氨酸的蛋白质编码基因转基因延熟番茄转基因延熟番茄控制番茄果实成熟的基因控制番茄果实成熟的基因转基因矮牵牛转基因矮牵牛植物花青素代谢有关的基因植物花青素代谢有关的基因转基因鲤鱼转基因鲤鱼外源生长激素基因外源生长激素基因人人转基因牛转基因牛肠乳糖酶基因肠乳糖酶基因人人转基因牛（羊）转基因牛（羊）抗凝血酶基因、血清白蛋白基抗凝血酶基因、血清白蛋白基因、生长激素基因、因、生长激素基因、a-抗胰蛋白抗胰蛋白酶酶转基因烟草转基因烟草发光基因发光基因萤火虫萤火虫工程菌工程菌细胞因子、抗体、疫苗、细胞因子、抗体、疫苗、激素、白细胞介素激素、白细胞介素-2、干、干扰素、乙肝疫苗扰素、乙肝疫苗基因治疗基因治疗腺苷酸脱氨酶基因腺苷酸脱氨酶基因功能正常的基因功能正常的基因反义基因反义基因自杀基因自杀基因器官移植的供体器官移植的供体动物动物被导入某种调节因子的器被导入某种调节因子的器官供体基因组官供体基因组生产基因工程产品的生物反应器在医学上的应用在医学上的应用 基因工程被用于大量生产过去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难以得到或几乎不可能得到的蛋白质蛋白质肽类药物。肽类药物。胰岛素胰岛素1000磅牛胰磅牛胰10克胰岛素克胰岛素200升发酵液升发酵液10克胰岛素克胰岛素干扰素干扰素1200升人血升人血23万美元万美元/病人病人1升发酵液升发酵液200300美元美元/病人病人 提高奶酪产量提高奶酪产量生产奶酪的凝乳酶传统上来自哺生产奶酪的凝乳酶传统上来自哺乳小牛的胃。现在可以通过基因乳小牛的胃。现在可以通过基因工程办法，用工程办法，用酵母生产凝乳酶酵母生产凝乳酶，大量用于奶酪制造。大量用于奶酪制造。哺乳小牛哺乳小牛 凝乳酶基因凝乳酶基因 胃胃 转入转入啤酒酵母啤酒酵母 凝乳酶凝乳酶 凝乳酶凝乳酶 制造奶酪制造奶酪 转基因动物和植物 转基因动物首先在小鼠获得成功。“乳腺反应器”工程：转基因动物技术已用于牛、羊，使得从 牛/羊 奶中可以生产蛋白质药物。转基因植物亦已在大田中广为播种。转基因植物获得新的性状把大鼠生长因子转入小鼠得到巨大型的转基因小鼠。工程菌工程菌在环境工程中应用在环境工程中应用 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蛋白质工程的崛起蛋白质工程的崛起蛋白质工程的概念蛋白质工程的概念是研究蛋白质的结构及结构与功能的关系，是研究蛋白质的结构及结构与功能的关系，然后人为地然后人为地设计设计一个新蛋白质，并按这个设计的蛋一个新蛋白质，并按这个设计的蛋白质结构去改变其基因结构，从而产生新的蛋白质。白质结构去改变其基因结构，从而产生新的蛋白质。或者或者从蛋白质结构与功能的关系出发，定向地从蛋白质结构与功能的关系出发，定向地改造改造天然蛋白质的结构，特别是对功能基因的修饰，也天然蛋白质的结构，特别是对功能基因的修饰，也可以制造新型的蛋白质。可以制造新型的蛋白质。蛋白质的改造蛋白质的改造干扰素在体外保存困难玉米中赖氨酸含量比较低将分子中的一个半胱氨酸转变成丝氨酸将分子中的一个半胱氨酸转变成丝氨酸第第104位的位的天冬酰胺天冬酰胺变成变成异亮氨酸异亮氨酸第第352位的位的苏氨酸苏氨酸变成变成异亮氨酸异亮氨酸解除赖氨酸对酶活性的限制解除赖氨酸对酶活性的限制赖氨酸赖氨酸天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶二氢吡啶二羧酸合成酶二氢吡啶二羧酸合成酶二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工程的基本原理天然蛋白质的合成过程时怎样的？天然蛋白质的合成过程时怎样的？遵循中心法则，并需经过高级空间结构的转变遵循中心法则，并需经过高级空间结构的转变蛋白质工程的途径蛋白质工程的途径预期蛋白质功能预期蛋白质功能设计蛋白质结构设计蛋白质结构推测氨基酸序列推测氨基酸序列相应的脱氧核苷酸序列（基因）相应的脱氧核苷酸序列（基因）投入生产投入生产依赖于什么工程依赖于什么工程根据什么预期根据什么预期包括哪些方面的结构包括哪些方面的结构依据是什么依据是什么讨论：某多肽链的一段氨基酸序列是：丙氨酸色氨酸赖氨酸甲硫氨酸苯丙氨酸（1）怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把相应的碱基序列写出来。有多少种？（2）确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因（DNA）？蛋白质工程操作程序的基本思路与蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程的不同基因工程的不同 基因工程基因工程是遵循中心法则，是遵循中心法则，从从DNAmRNA蛋白质蛋白质折叠产生功能，折叠产生功能，生产出自然界已有的蛋白质。生产出自然界已有的蛋白质。蛋白质工程蛋白质工程是是确定蛋白质的功能确定蛋白质的功能蛋白质蛋白质应有的高级结构应有的高级结构蛋白质应具备的折叠状态蛋白质应具备的折叠状态应有的氨基酸序列应有的氨基酸序列应有的碱基排列，应有的碱基排列，创造自然界不存在的蛋白质创造自然界不存在的蛋白质。蛋白质工程的进展和前景蛋白质工程的进展和前景1、蛋白质工程的诞生是有其理论与技术条件蛋白质工程的诞生是有其理论与技术条件的，它是随着分子生物学、晶体学以及计算机的，它是随着分子生物学、晶体学以及计算机技术的发展而诞生的，与基因组学、蛋白质组技术的发展而诞生的，与基因组学、蛋白质组学、生物信息学的发展等因素有关学、生物信息学的发展等因素有关2、现状：成功的例子不多，主要是因为蛋、现状：成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥其功能需要依赖于正确的空间结构，白质发挥其功能需要依赖于正确的空间结构，而科学家目前对大多数蛋白质的空间结构了解而科学家目前对大多数蛋白质的空间结构了解很少。很少。酶工程简介酶工程简介 酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用，借助工程学的酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用，借助工程学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环境保护等方面的一手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环境保护等方面的一门科学技术。由门科学技术。由酶制剂的生产酶制剂的生产和和应用应用两方面组成的。两方面组成的。酶工程酶工程通常是用工程菌生产酶制剂，重点在于对已存酶的通常是用工程菌生产酶制剂，重点在于对已存酶的合理充分利用。合理充分利用。蛋白质工程蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白质分子的改造。的重点则在于对已存在的蛋白质分子的改造。随着蛋白质工程的发展，其成果也会应用到酶工程中，使随着蛋白质工程的发展，其成果也会应用到酶工程中，使酶工程成为蛋白质工程的一部分。酶工程成为蛋白质工程的一部分。基因与基因工程基因与基因工程四、人类基因组计划四、人类基因组计划