第一章基因工程概论ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,基因工程,基因工程,1,第一章 绪论,第二章 操作技术原理,第三章 酶学原理,第四章 载体,第五章 目的基因的分离与鉴定,第六章 克隆基因的表达,第七章 动物基因工程,第八章 植物基因工程,第一章 绪论,2,参考书目：,吴乃虎 ，基因工程原理（上，下）第二版，科学出版社，2001。,楼士林，杨盛昌等编著.基因工程，科学出版社，2002 版。,马建岗主编.基因工程学原理，西安交通大学出版社，2001。,张惠展 ，基因工程概论，华东理工大学出版社，2000。,Gene,参考期刊：,生命的化学、Gene、,生物化学与生物物理研究进展, Review of Microbiology and Molecular 等,参考网站：,参考书目：吴乃虎 ，基因工程原理（上，下）第二版，科学出,3,考试方式,各部分成绩的比例如下：,平时作业与小测 占5%,讨论与回答问题 占5%,课程总结与文献综述占10%,期末闭卷考试 占80%,基因工程原理考核方式主要是采取平时作业与小测、讨论与文献综述、课程总结、与期末闭卷考试相结合的方式进行，通过平时考核及时掌握学生的领受状况，及时解决并且提高学生平时听课的积极性和听课效果（成绩占总成绩的20%）；,通过期末考试测验学生对本课程的总体掌握水平（成绩占总成绩的80%）。,考试方式各部分成绩的比例如下： 基因工程原理考核方式主要是,4,第一章 绪 论,第一章 绪 论,5,第一节 基因工程的发展过程,一、基因工程与基因,二、基因的认识,1、基因的发展过程,2、基因的现代概念,三、基因工程的诞生,第二节 基因工程的主要研究内容,第三节 基因工程的应用,第四节 基因工程的安全性,第一节 基因工程的发展过程第二节 基因工程的主要研究内容第三,6,一、基因工程与基因,基因决定性状,家蚕能够吐出蚕丝为人类利用,豆科植物的根瘤能够固定空气中的氮,青霉菌能产生对人类有用的抗生素青霉素,一、基因工程与基因基因决定性状家蚕能够吐出蚕丝为人类利用豆科,7,定向基因改造设想,设想一,能否让禾本科的植物也能够固定空气中的氮？,能否让细菌“吐出”蚕丝？,设想二,能否让微生物产生出人的胰岛素、干扰素等珍贵的药物？,设想三,经过多年的努力，科学家于20世纪70年代创立了可以定向改造生物的新技术,基因工程。,定向基因改造设想 设想一能否让禾本科的植物也能够固定空气中的,8,一、基因工程与基因,基因工程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。它的创立和发展，直接依赖于基因工程或称分子生物学的进步，两者之间有着密不可分的联系。,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成，以及基因的现代概念进行一下回顾是十分必要的。,一、基因工程与基因 基因工程是在分子生物学和分,9,二、基因的认识,二、基因的认识,10,1866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,1866年，孟德尔（Johann Gregor Mendel， 18221884）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。,（1856-1864豌豆杂交实验）,1、基因的发展过程,1866年发表论文，提出分离规律和独立分配规律。1900年M,11,1909年，丹麦的遗传学家Wilhelm Ludwig,Johanssen (1859-1927)。,根据希腊语“给予生命”之义，创造了“,gene,”一词，并用这个术语代替孟德尔的“遗传因子”。不过他所说的基因并不代表物质实体，而是一种与细胞的任何可见形态结构毫无关系的抽象单位。因此，那时所指的基因只是遗传性状的符号，还没有具体涉及基因的物质概念。,1909年，丹麦的遗传学家Wilhelm Ludwi,12,“,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？,“遗传因子/基因”的设想一经提出，便推动人们去寻找，去探索,13,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。,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,14,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，创立了遗传的染色体理论。随后遗传学家又应用当时发展的基因作图（gene mapping）技术，构筑了基因的连锁图，进一步揭示了在染色体载体上基因是按线性顺序排列的。,。,1910年，美国遗传学家摩尔根（,T,homas Hunt Morgan,1866-1945,）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。,1933,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,15,1941年，,美国生化遗传学家比德尔(,George Wells Beadle,19031989,),等通过果蝇复眼色素的研究和脉孢菌的营养缺陷型的研究，证明了基因通过酶起作用，提出了“,一个基因一个酶,”的假说。,这一假说揭示了基因的基本功能。他所使用的营养缺陷型研究方法，以后被广泛应用于各种代谢途径和发育途径的研究。,莱德伯格,(Joshua Lederberg),采用大肠杆菌的营养缺陷型发现了细菌的遗传重组，从而开辟了微生物遗传学研究的广阔领域。因此，无论在概念上还是在方法上，“一个基因一种酶”的假说及工作，是分子生物学的重要基础之一。为此，比德尔与泰特姆(,Edward Lawrie Tatum)以及,莱德伯格共同获得了1958年的诺贝尔生理学或医学奖。,1958,1941年，美国生化遗传学家比德尔(George Wel,16,发现DNA的遗传功能，始于1928年英国科学家格里菲斯（PGriffith）所做的用肺炎双球菌感染小鼠的实验。首次发现了基因是一类特殊生物分子的证据。,Frederic Griffith,18791941,格里菲斯用肺炎球菌做实验时发现了一个令人惊异的现象：,加热杀死的能致病的S型菌不能致病的R型菌混合注射到小鼠体内小鼠病死从死鼠体内分离出大量的S型肺炎球菌,难道S型致病菌复活了吗？,这就是著名的“格里菲斯之谜”。,发现DNA的遗传功能，始于1928年英国科学家格里菲斯（,17,艾弗里等人的实验说明使细菌性状发生转化的因子是DNA（即脱氧核糖核酸），而不是蛋白质或RNA（即核糖核酸）。,不仅揭开了“格里菲斯之谜”，并且在世界上第一次证明基因就在DNA上,。,Oswald Theodore Avery,(18771955),1944年，艾弗里首次证实遗传物质的基础是DNA，基因位于DNA上。实验材料是肺炎链球菌，他们发现死去的S型菌并未复活，而是S型菌的DNA进入了R型菌，使其转化为新的S型致病肺炎双球菌。,艾弗里等人的实验说明使细菌性状发生转化的因子是DNA,18,美国微生物学家阿尔弗雷德戴赫尔希（Alfred Day Hershey，19081997）他们的实验材料是T2噬菌体实验证实，进入细菌细胞的噬菌体是核酸；进而说明，携带遗传信息的是核酸，而不是蛋白质。噬菌体的DNA不但包括噬菌体自我复制的信息，而且包括合成噬菌体蛋白质所需要的全部信息。1952年，赫尔希和他的学生共同发表报告，肯定了艾弗里的结论。 此后，再也无人怀疑DNA是遗传物质了。,35,S,32,P,35,S 标记外壳蛋白质,感染后放射标记不进入大肠杆菌细胞,32,P 标记 DNA ,感染后放射标记进入大肠杆菌细胞,1969,美国微生物学家阿尔弗雷德戴赫尔希（Alfred Da,19,1953年，Francis Crick 和 James Watson,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。,用分子结构的特征解释生命现象最基本问题之一基因复制的机理，从而使生物学真正进入分子生物学的新时代,。,1953,James Dewey Watson,，Francis Harry Compton Crick,1953年，Francis Crick 和 Jam,20,1955年，美国分子遗传学家和行为遗传学家西摩尔本泽,（Seymour 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能上统一起来。,西摩尔本泽（Seymour Benzer）是参与开创分子生物学的重要人物，在1950年代用实验证明基因突变是由于DNA序列的改变导致，并提出每个生物系学生都学过的顺反子学说。1960年代起，他转而以果蝇为材料，研究基因与动物行为、发育的关系，做出了一系列重大发现（包括发现第一种控制动物行为的基因一种控制果蝇生物钟的基因），使得果蝇这个经典遗传学的英雄，在寂寞多年之后，在分子生物学时代重新成为热门的动物模型。这些都是影响深远的开拓性工作，本泽也获得了几乎所有重要的生物医学学奖项（拉斯卡奖、格拉芙奖、沃尔夫奖等等），独独缺一个诺贝尔奖。,1955年，美国分子遗传学家和行为遗传学家西摩尔,21,1961年，法国巴黎巴斯德研究所的雅各布（Franois,Jacob）和,莫诺,(Jacques Monod)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。,Jacques Monod,Franois Jacob,Andre Michel Lwoff,1965,1965年，雅各布、尔沃夫（Andre Michel Lwoff）和莫诺 “因有关酶和病毒合成的遗传调节方面的发现”获得诺贝尔奖。,1961年，法国巴黎巴斯德研究所的雅各布（Fran,22,DNA如何储存并表达遗传信息？这个问题引起了很多物理学家的兴趣，1945年，薛定谔在生命是什么一书中提出了遗传密码的概念。,1954年，物理学家伽莫夫提出三联体密码的概念。,1961年，尼伦伯格和马太利用三联体密码合成了由笨丙氨酸组成的多肽长链。,到1966年，64种遗传密码的含义全部得到了解答，形成了一部密码辞典。,DNA如何储存并表达遗传信息？这个问题引起了很多物理,23,1961年，美国生物学家尼伦伯格（Marshall Warren Nirenberg，1927）等人成功破译了遗传密码，以无可辩驳的科学依据证实了DNA双螺旋结构的正确性。人们对遗传机制有了更深刻的认识。,1967年发表了全套的遗传密码表。,1968,1961年，美国生物学家尼伦伯格（Marshall Wa,24,现在，基因已经是以一种真正的分子物质呈现在我们面前，再也不是一种神秘成分了。科学家可以像研究其它大分子一样，客观地探索基因的结构和功能，并已经开始向控制遗传机制、防治遗传疾病、合成生命等更大的造福于人类的工作方向前进。,2、现代基因概念,此后随着分子生物学的迅速发展，人们对基因的认识不断深化。,现在，基因已经是以一种真正的分子物质呈现在我们面前，,25,移动基因（movable gene）,又称为转位因子(transposable elements）， 由于它可以从染色体基因组上的一个位置转移到另一个位置，甚至在不同的染色体之间跃迁，因此又叫做跳跃基因（jumping genes），最早在玉米中发现。它又分为插入序列、转位子、逆转座子。,1983,芭芭拉 .麦克林托克(Barbara McClintock,1902-1992),移动基因（movable gene） 又称为转位因子(,26,50年代初,芭芭拉,.麦克林托克在玉米的染色体中发现了可以改变自身位置的基因，她称之为“解离因子”。,1963年泰勒发现噬菌体Mu能随机地插入细菌染色体基因组内；,1966年，贝克威斯等在大肠杆菌中发现了可以整合在染色体上、也可游离于染色体外的F因子（性因子）；,60年代末，科学家们在大肠杆菌中发现存在所谓的“插入序列”（IS）；,后又在沙门氏菌中发现了基因的流动性（转座子）和抗药性基因等。,1.插入序列（insertion sequence）,两端有短的正向重复序列（direct repeats，DR）,略长的反向重复序列（inverted repeasts,IR）及1kb左右的编码区，仅编码和转座有关的转座酶。,Host DNA,Host DNA,50年代初,芭芭拉 .麦克林托克在玉米的染色体中发现了可以改,27,2.复合转座子（composite transponson）,3.TnA家族转座子,长约5kb左右，两端具有IR，而不是IS，中部的编码区不仅编码抗性标记,还编码转座酶和解离酶。,transposase,resolvase,转位作用,a. Replicative transposition,b. non-replicative transposition,c. conservative transposition,2.复合转座子（composite transponson）,28,4.逆转录转座子(Retrotransposon/retroposon ),Retroposon formation,4.逆转录转座子(Retrotransposon/retro,29,断裂基因（split gene）,1993,(美国)理查德罗伯茨 (Richard J. Roberts )和菲利浦夏普(Phillip A. Sharp)在腺病毒(adenovirus)中发现一个基因可以被分开成几个单位（split gene） 。,指编码序列不连续的间断基因,Phillip,A.,Sharp,Richard J,.,Roberts,断裂基因（split gene）1993 (美国)理查德,30,1977年MT道尔等首次发现卵清蛋白基因是不连续的，在基因内部插入了7个没有编码意义的DNA片段。,鸡卵清蛋白mRNA与DNA杂交实验,S1核酸酶作图法测定断裂基因中的间隔子,1977年MT道尔等首次发现卵清蛋白基因是不连续的，,31,类似于基因但不表达的DNA序列,常用表示。不表现任何功能，是基因的退化形式。,假基因在基因组中形成稳定的和无活性的拷贝，由活化的原始基因突变而来，这是因为存在着在某个阶段伤及基因表达的一种或多种缺陷（入启动子错误、有缺陷的剪接信号、框架中有终止信号等）之故。一旦不能产生正常的基因产物，就失去了对发生进一步突变的选择性屏障作用，因此典型的假基因都有很多缺陷。某些假基因有3-多聚A尾巴及准确地切掉了内含子，因而与mRNA类似，被认为是源自插入基因组的逆转录体（可能由某些病毒携带）。,假基因（,pseudogene,）,类似于基因但不表达的DNA序列,常用表示。不表现,32,第一章基因工程概论ppt课件,33,这类假基因没有与“亲本基因”连锁，而且其结构是同转录本而非“亲本基因”类似。加工的假基因与转录本都没有启动子和内含子，3端都有poly（A）尾巴。,许多假基因都是同亲本基因（parental gene）连锁的，而且同其编码区及侧翼序列的DNA具有很高的同源性。,人的及珠蛋白基因簇,重复的假基因,（repeated pseudogene ）,加工的假基因,（processed pseudogene）,这类假基因没有与“亲本基因”连锁，而且其结构是同转,34,人金属硫蛋白功能基因Mt-A与,无功能的加工的假基因Mt-B的结构比较,细胞质mRNA反转录作用形成加工的假基因,人金属硫蛋白功能基因Mt-A与细胞质mRNA反转录作用形成,35,重复基因（repeated genes）,单拷贝或低度重复序列（10个拷贝）,包括大多数编码蛋白质的结构基因和基因间间隔序列,中度重复序列（10到几百个拷贝）,特点：,重复单位序列相似，但不完全一样；,散在分布于基因组中；,序列的长度和拷贝数非常不均一；,中度重复序列一般具有种属特异性，可作为DNA标记,分类：,中度重复序列可能是转座元件(返座子),长散在重复序列(longinterspersedrepeatedsegments),LINEs：长度1Kb (可达7Kb),拷贝数10,4,-10,5,，如人LINEl,短散在重复序列,(Shortinterspersedrepeatedsegments),SINES：长度10,5,.如人Alu序列,重复基因（repeated genes） 单拷贝或低度重复序,36,高度重复序列（几百个拷贝到几百万个拷贝）,卫星DNA(SatelliteDNA),高度重复序列（几百个拷贝到几百万个拷贝） 卫星DNA,37,1977年,英国生物化学家弗雷德里克桑格 (Frederick Sanger )等在噬菌体中发现重叠基因，即某一段核苷酸序列同时为两个基因编码。,后来在其它病毒以及细菌和果蝇等生物中也发现了重叠基因，一段DNA序列为两个或三个基因所共用，或者一个小基因位于一个大基因之内。重叠基因是生物体合理而又经济地利用自身DNA的一种绝妙方式，它的发现打破了基因是彼此分离的传统观念。,重叠基因,（overlapping genes）,或,嵌套基因,（nested genes）,1977年,英国生物化学家弗雷德里克桑格 (Fred,38,1979年S那卡尼施等发现,多个基因编码一条多肽链,。例如有些病毒可以由一段DNA序列转录出一条mRNA分子，然后翻译出一条多肽链，最后这条多肽链被切割成多个有生物功能的肽链。有多少个功能肽链产生，对应的DNA序列就应当含有多少个基因。这种多个基因编码一条多肽链的现象，不符合“一个基因决定一条多肽链”的普遍原则，使基因的定义更加复杂化。,不编码蛋白质的基因在蛋白质合成过程中需要两类RNA分子的参与，一类是核糖体RNA（rRNA）。另一类是转运RNA（tRNA）。编码这两类RNA分子的DNA序列称为,RNA基因,，或者分别称为rRNA基因和tRNA基因。这样看来，把基因定义为编码一条多肽链的DNA序列显然不够全面。,1979年S那卡尼施等发现多个基因编码一条多肽链。,39,U-insertion in the RNA of Trypanosomes,隐蔽（匿）基因,自1985年以来，在某些病毒、植物和动物中发现，mRNA前体在成熟过程中发生了碱基的增加、缺失或智换，mRNA与基因之间失去了一一对应的关系。这一现象首先在原生动物锥虫中发现，并称之为RNA编辑。,这种需要编辑才能正常表达的基因称为隐蔽基因,。隐蔽基因的发现使对基因的准确定义更加困难。,U-insertion in the RNA of Tryp,40,从上述基因研究的进展可以看出，基因不仅在功能上多种多样，在结构上也是五花八门，因此，给它下一个非常准确和永远适用的定义是相当困难的。根据目前所掌握的知识，从分子生物学的角度，可以把基因定义为“,能够表达出一个有功能的多肽链或功能RNA分子的核酸序列,”。 这个定义较确切地表述了基因的本质和功能，已经被绝大多数学者所接受。随着时间的推移，今后还可能有新的突破，出现新的基因概念。,总的趋势是基因概念正经历着从稳定到动态的变化。基因概念的演变必将促进生命科学的发展，深化人们对生命规律的认识，更好地为人类服务。,从上述基因研究的进展可以看出，基因不仅在功能上多种多,41,基因的特点:,1. 不同基因具有相同的物质基础,2. 基因是可以切割的,3. 基因是可以转移的,4. 多肽与基因之间存在对应关系,5. 遗传密码是通用的,6. 基因可以通过复制把遗传信息传递给下一代,基因的特点:1. 不同基因具有相同的物质基础2. 基因是可以,42,三、基因工程的诞生,三、基因工程的诞生,43,理论上的三大发现：,发现了生物的遗传物质是 DNA发现了 DNA 分子的双螺旋结构和半保留复制机理发现了遗传信息的传递方式,基因工程的准备阶段,理论上的三大发现：发现了生物的遗传物质是 DNA发现了,44,由于基因工程是一门内容广泛、综合性的生物技术学科，在60年代科学发展的水平下真正实施基因工程，还存在许多问题，特别是在技术方面。生物有机体，尤其是具有复杂结构的真核生物，其DNA含量是十分庞大的。,DNA content of the haploid genome is related to the morphological complexity of lower eukaryotes, but varies extensively among the higher eukaryotes. The range of DNA values within a phylum is indicated by the shaded area.,由于基因工程是一门内容广泛、综合性的生物技术学科，在,45,技术上的三大发明：,1967 发现了DNA连接酶；,1970 Khorana实验室发现T4噬菌体DNA连接酶；,1972 建立双链DNA的连接方法。,3.基因工程的载体:,Genetic engineering vector,1972,2.限制性核酸内切酶的发现:,Restriction enzyme,1970,1.DNA连接酶的发现: DNA ligase 1967,独立于染色体外的遗传因子：,细菌的性因子 F 因子;,抗药性因子（R ）;,大肠杆菌素因子（COE）,技术上的三大发明：1967 发现了DNA连接酶；3.基因工程,46,1978,The 1978 Nobel Prize in physiology or medicine was shared by three scientists:,Hamilton O. Smith,(1931- ) and,Daniel Nathans,(1928- ) of the United States and,Werner Arber,(1929- ) of Switzerland. They received the prize for their contribution “to the development of restriction endonucleases,Werner Arber , Hamilton O. Smith, Daniel Nathans,Smith 和 Wilcox（1970）在流感嗜血杆菌(,Haemo-pilus influenzae)中分离纯化了限制性内切酶,Hind,II；Boyer实验室（1972）发现核酸内切酶,Eco,RI。,GO,1978The 1978 Nobel Prize in ph,47,1970年，Baltimore等和Temin等各自发现了反转录酶，完善了中心法则，使真核基因的制备成为了可能。,相关技术,1960s发明了琼脂糖凝胶电泳，可将不同长度的DNA分离开。,1975年F. Sanger、A. Maxam和W. Gilbert发明了DNA快速测序技术。,感受态体系的建立：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。,1970年，Baltimore等和Temin等各自发现了,48,1972年，美国斯坦福大学生物化学系,（,Department of Biochemistry, Stanford University, USA,）,保罗伯格教授、博士,（,Prof. Dr. Paul Berg, 1926- ，美国著名分子生物学家， 1980年获诺贝尔化学奖,）,等首先成功地实现了 DNA 的体外重组合分子研究。,70年代初期，伯格开始研究正常细胞发生癌变机理，把猴 SV40 病毒有关基因通过噬菌体为载体，成功移植到大肠杆菌遗传物质中，首次实现用两个不同种属重组DNA。在重组DNA时，创立一系列基因分离和连接技术，为基因工程奠定基础并合人工改变生物遗传特性、定向繁殖自然界从未有过的新物种成为可能。这一成就在制造对多种病毒和某些癌症的生物制品及治疗多种遗传性疾病方面有巨大实用价值。,1980年，伯格与桑格、吉尔伯特共获诺贝尔化学奖。,1980,1972年，美国斯坦福大学生物化学系（ Depar,49,1973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。,S,r,S,r,Ne,r,Tc,r,Psc101,R6-3,ECORI,ECORI,转化E.coli,连接酶,PSC101 R6-3： 质粒,Ner： 抗新霉素基因,Sr ： 抗黄胺基因,Tc,r,：,抗四环素基因,1986 Nobel生理或医学奖,1986,1973年斯坦福大学的S.Cohen小组将含有卡那霉素,50,Stanley Cohen,Herbert Boyer,非洲爪蟾核糖体基因片断同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。,Stanley CohenHerbert Boyer,51,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。,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,52,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,克隆（clone）,有性杂交,诱变育种,体细胞融合,酶工程,农业工程,发酵工程,细胞工程,与基因工程相关的几个概念,生物工程 biological engineering有性杂,53,第一章基因工程概论ppt课件,54,基因工程的发展阶段,自基因工程问世以的这二十几年是基因工程迅速发展的阶段。如果说20世纪八九十年代是基因工程基础研究趋向成熟，那么二十一世纪初将是基因工程应用研究的鼎盛时期。,基因工程的发展阶段 自基因工程问世以的这二十几年是基,55,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。,第二节 基因工程的主要研究内容,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，,56,第一章基因工程概论ppt课件,57,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。,第三节 基因工程的应用,第三节 基因工程的应用,58,生产基因工程药品,基因工程与医药卫生,基因诊断,基因治疗,如胰岛素、干扰素,如用基因探针检测肝类病毒、诊断遗传病,把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的,基因工程疫苗,生产基因工程药品基因工程与医药卫生基因诊断基因治疗如胰岛素、,59,胰岛素,人生长激素,干扰素,白细胞介素2,粒细胞集落刺激因子,粒细胞巨噬细胞集落刺激因子,红细胞生成素 EPO,组织纤溶酶原激活剂,生长激素,促生长素,抗血友病因子,脱氧核糖核酸酶,葡糖脑苷脂酶,鼠单克隆抗体,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,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,胰岛素胰岛素 1000 磅牛胰 10 克胰岛素,60,基因治疗,基因治疗,61,美国加利福尼亚大学伯克利分校化学工程学教授Jay Keasling及其同事最近成功地用转基因酵母合成了青蒿素的前体物质青蒿酸，有望大幅增加青蒿素产量、降低治疗疟疾的费用。,美国加利福尼亚大学伯克利分校化学工程学教授Jay Ke,62,农业上,基因工程与农牧业、食品工业,畜牧养殖业上,食品业,获得高产、稳产和具有优良品质的农作物,培养具有各种抗逆性的作物新品种,获得人们所需要的和具优良品质的转基因动物,利用某些特定的外源基因在哺乳动物体内表达,为人类开辟新的食物来源,农业上基因工程与农牧业、食品工业畜牧养殖业上食品业获得高产、,63,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,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,64,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。,纤维素的开发利用,酿酒工业,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 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种,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,65,把,大鼠生长因子,转入小鼠,得到巨大型的,转基因小鼠,。,草鱼的GH基因导入鲫鱼,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。草鱼的GH基因,66,第一章基因工程概论ppt课件,67,提高植物的光合作用效率,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CO,2,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,提高植物的光合作用效率改变与光合作用有关的酶的结构和组成（如,68,Roundup Ready,转抗除草剂基因的,大豆和玉米,Roundup Ready,69,反义基因在耐储藏番茄育种中的应用,ACC gene,( 1-氨基丙环烷羧酸氧化酶， 乙烯合成途径酶类),anti-sense ACC-mRNA,ACC-mRNA,乙烯合成被抑制,(-) 5 3,mRNA,(-) 5 3,(+) 3 5,cDNA,anti-sense ACC gene,pCaMV35s-,pCaMV35s-,反义基因在耐储藏番茄育种中的应用 ACC gene ( 1-,70,（Antifreeze Proteins AFPs),避免细胞结冰,有助植物抗冻,抗冻糖蛋白,无冰晶细菌帮助草莓抗霜冻,降低原生质冰点,抑制冰晶重结晶,修饰冰晶形态,调节原生质胶体性质,（Antifreeze Proteins AFPs)避免细胞,71,Golden rice and normal (white), wsjbiotech.html,转2个 水仙花 和1个细菌,V,A,合成酶基因的水稻,“金米”,Golden rice and normal (white),72,荧光蛋白酶基因转化花卉,荧光蛋白酶基因转化花卉,73,基因工程与环境保护,用DNA探针检测水中病毒的含量,获得分解四种烃类的“超级菌”，吞噬汞和降解土壤中DDT的细菌,环境监测,环境净化,基因工程与环境保护用DNA探针检测水中病毒的含量 获得分解四,74,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。,工程菌在环境工程中应用,喷洒工程菌清除石油污染,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,75,第四节 基因工程的安全性,随着转基因生物的不断出现和大规模应用，一些新的风险因素也不断被引入，所以生物安全性问题越来越引起人们的关注。,如何监测、管理和防范转基因生物的生物性安全问题是我们在未来时代面临的一项重大课题。,在20世纪70年代，当微生物的基因工程实验刚刚开始发展时，关于重组DNA潜在危险性问题的争论就已经开始。,1971年，在美国麻省理工学院，有人提出了将猴肾病毒SV40 DNA同噬菌体DNA重组，然后导人大肠杆菌细胞的研究设想。这个计划一传出，立即就遭到了许多科学家的反对。他们认为，这种带有病毒 DNA的重组DNA分子有可能从实验室逸出，并随着大肠杆菌感染到人类的肠道，其后果将十分严重的。,第四节 基因工程的安全性 随着转基因生物的不断出现和,76,美国国家卫生研究院(NIH)考虑到重组DNA的危险性，便提请Berg博士组成一个重组DNA咨询委员会(Recombinant DNA Advisory Committee，RAC)，专门进行研究。,1974年7月，RAC委员会联名在科学杂志上发表了一封对生物危害的关键性建议的公开信，此建议后被称为“伯格信件”。,在还没有弄清重组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，暂停两种类型的实验，即涉及组合一种在自然界中尚未发现的、有产生病毒能力或带有抗菌素抗性基因的新型有机体；涉及将肿瘤病毒或其他动物病毒的DNA引入细菌的实验,。,因为这两类重组，DNA可能更容易在人类及其他的生物体内传播，因而有可能造成扩大癌症及其他疾病的发生范围。,美国国家卫生研究院(NIH)考虑到重组DNA的,77,1975年2月，美国国家卫生研究院在加利福尼亚州的Asilomar会议中心举行了一次有160名来自美国和其他16个国家的有关专家学者参加的国际会议。最后尽管代表们意见分歧很大，但仍然在如下三个重要问题上取得了一致的看法,：,第一，新发展的基因工程技术，为解决一些重要的生物学 和医学问题，以及令人普遍关注的社会问题 (如环境污染、食品及能源问题)展现了乐观的前景；,第二，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，因此必须采取严格的防范措施；,第三，目前进行的某些实验，即便是采取最严格的控制条件，其潜在的危险性仍然很大。,1975年2月，美国国家卫生研究院在加利福尼亚,78,1976年6月23日，美国国家卫生研究院制订并正式公布了“重组DNA研究准则”(以下简称“安全准则”),为了避免可能造成的危险，“安全准则”除了规定禁止若干类型的重组DNA实验之外，在实验安全防护方面明确规定了物理防护和生物防护两个方面的统一标准。,物理防护分为P1P4四个不同等级，P4级为最高等级；生物防护分为EKlEK3三个不同等级，都是专门针对大肠杆菌菌株而规定的安全防护标准，它是依据大肠杆菌在自然环境中的存活率为前提制定的。EKl级的大肠杆菌菌株在自然环境中一般都是要死亡的，而符合EK23级标准的大肠杆菌菌株在自然环境中则是无法存活的。,1976年6月23日，美国国家卫生研究院制订并正式,79,客观地说，由于“安全准则”的公布，以及安全的寄主细菌质粒载体系统的建立，重组DNA研究进入到一个蓬勃发展的新阶段。1977年，世界上第一家专门制造和生产医疗药品的基因工程公司(Genentech)在美国诞生，标志着基因工程即将进入实用阶段。,实际上，与自然界中那些原本就具有危害的微生物相比，基因重组微生物在自然界中扩散并造成危机的可能性要小得多。一方面是因为虽然基因重组微生物具有一些特殊的性状，有可能影响到自然的微生物，但是这种性状的改变毕竟是在人类的操纵和掌握之中的。而自然界中那些原本就具有危害的微生物在紫外线、辐射等不可知因素的影响下发生的基因突变却是人类无法控制和预知的，因此更值得注意。,客观地说，由于“安全准则”的公布，以及安全的寄主细,80,另一方面，基因重组微生物在实验室条件下具有的性状在自然界的复杂条件中并不一定能够显现出来，在残酷的自然选择面前被自动淘汰的可能性很大。,“安全准则”已经经过了很多次修改，就目前的情况看，只要重组DNA的实验规模不大，不向自然界传播，实际上已不再受任何法则的限制了。当然，这在任何意义上讲都不是说重组DNA研究已经不具有潜在的危险性了，相反地，作为负责的科学工作者，对此仍须保持清醒的认识。,另一方面，基因重组微生物在实验室条件下具有的性状在自,81,生物安全性评价:,根据受体生物、基因操作、遗传工程体及其产品的生物学特性，预期用途和接受环境等，综合评价基因工程工作对人类健康和生态环境可能造成的潜在危险，确定其安全等级，提出相应的监控措施。,一般都采取个案评审的原则，针对每项基因工程工作的具体情况确定其安全等级。,通过制定政策和法律规定，确立相关的技术准则，建立健全管理机构并完善检测和监督机制，积极发展生物技术的研究与开发，切实加强生物安全的科学技术研究，有效地将生物技术可能产生地风险见地到最低限度，以最大限度地保护人类健康和生态环境安全，促进国家经济发展和社会进步。,生物安全性评价: 通过制定政策和法律规定，确立相关的技,82,83,是普罗米修斯(造福于人类的神)的礼物还是潘多拉魔盒？,福兮？祸兮？,是普罗米修斯(造福于人类的神)的礼物还是潘多拉魔盒？福兮？祸,84,