1 基因工程的分子生物学基础201209

一、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。
2.基因的特点 :
（1）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，因为地球上的一切生物，无论是高等 还是低等，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。
（4）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பைடு நூலகம்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。
（5）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。
（6）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。
主要参考资料

孙明. 基因工程.高等教育出版社。 吴乃虎等. 基因工程原理.科学出版社。 张惠展等。基因工程。高等教育出版社。
• Molecular genetics and genomics • Animal biotechnology • Nature genetics • Plant cell • Science • Nature
目前世界许多国家将生物技术，信 息技术和新材料技术作为三大重中之重 技术，而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术。
三、基因工程的基本流程
基因和载 体连接
基因分 离酶切
载体酶切
重组克隆的选择
导入细菌
导入 植物 细胞
序列分析和基 因表达等研究
重组质粒繁殖
基因工程研究的基本技术路线
基 因 工 程 流 程 示 意 图
三、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
中 心 法 则
2）技术基础
（1）20世纪60年代末70年代初，限制性内切酶和DNA 连接酶等的发现，使DNA分子进行体外切割和连接成 为可能。 （2） 70年代中期，DNA分子的核苷酸序列分析技术问 世。 这两项技术，使DNA的结构分析问题得到了根本的解 决。 （3）1972年首次构建了一个重组DNA分子，并提出了体 外重组的DNA分子进入宿主细胞的过程，以及在其中 进行复制和有效表达等问题。 （4）在60年代还发展出了琼脂糖凝胶电泳和Southern转 移杂交技术，这对于DNA片断的分离、检测十分有用， 并很快被应用于基因操作实验。
1、基因工程研究发展史
1）基因工程的准备阶段
理论基础 （1）在40年代确定了遗传信息的携带者，即基 因的分子载体是DNA而不是蛋白质，从而明确 了遗传的物质基础问题。 （2）在50年代揭示了DNA分子的双螺旋模型和 半保留复制机理，解决了基因的自我复制和传 递的问题。 （3）在50年代末期和60年代，相继提出了“中 心法则”和操纵子学说，并成功的破译了遗传 密码，从而阐明了信息的流向和表达问题。
（2）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。
（3）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 程中就完成了基因间的重组。 （转座子、反转座子）
噢噢！
3）基因工程的问世
1973年Cohen等首次完成了重组质粒DNA 对大肠杆菌的转化，同时与S.Boyer合作，将非 洲爪蟾含核糖体基因的DNA片段与质粒pSC101 重组，转化大肠杆菌，转录出相应的mRNA。 此研究成果表明基因工程已正式问世；并说明 了质粒分子可以作为基因克隆的载体能携带外 源基因导入宿主细胞，也说明了真核生物的基 因可以转移到原核生物细胞中并在其中实现功 能表达。
二、基因工程
1、概念（重点）：利用人工的方法把生物的遗传 物质在体外进行切割、与载体拼接和重组，获得 重组DNA分子，然后导入宿主细胞或个体，使受 体的遗传特性得到修饰或改变的过程。 基因工程操作的对象是DNA分子，首先把目标 基因克隆出来插入到一定的载体中，然后将重组 DNA分子导入到受体细胞，并使其保持和遗传下 去。 优点：打破了常规的物种间界限（原核与真 核生物之间、动植物之间、甚至人与其他生物之 间），使遗传信息进行重组和转移。
4）基因工程的迅速发展阶段
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。
2、基因工程研究的 主要内容或步骤 （重点）
（1）目的基因的克隆 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； （2）基因与载体的连接，获得重组DNA 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； （3）将重组DNA转化受体细胞，进行大量增殖 将重组DNA分子转移到适当的受体细胞（通常是大肠杆菌），并与之一 起增殖； （4）筛选和鉴定重组子 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； （5）将目的基因克隆到表达载体上，导入寄主细胞（动物细胞、植物细胞、 酵母细胞、大肠杆菌细胞等），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。
胰岛素
1000 磅牛胰 200 升发酵液 10 克胰岛素 10 克胰岛素
干扰素
1200 升人血 2－3 万美元 / 病人 1 升发酵液 200－300 美元 / 病人
（2）食品工业
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
基因工程与基因
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。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程， 以及基因的现代概念进行一下回顾是十分必要 的。
把正常有功能的基因，通过基因转移的方法导入患者 的细胞内，并使之成为表达功能正常的基因，或成为表达 原来不存在物质的外源基因，使患者体内产生有改善机体 机能的基因产物的治疗方法。此法分两类： 基因矫正和置 换；基因增补和失活。理想的途径是将基因导入可以持续 分裂的干细胞中，使细胞在体内不断增殖，不必用药就可 以利用机体本身新产生的免疫能力对抗疾病。此外，还可 以将含有某特定基因的载体注入患者体内，通过载体将基 因转至患者的细胞内，缺乏有效治疗方法的遗传性疾病、 癌症和艾滋病等可以采用这类治疗方法。
猴
吴明杰小组：5只克 隆猪
得 到 巨 大 型 的 转 基 因 小 鼠 。
把 大 鼠 生 长 因 子 转 入 小 鼠
转基因植物获得新的性状
（6）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
基 因 工 程
考核方法
平时成绩20% 100% 出勤 课堂表现 名词解释 20% 填空题 20%
闭卷考试 80%
选择题 20% 判断题 10% 问答题 30%
《基因工程》
第一章 基因工程概述
第二章 基因工程的载体和工具酶 第三章 基因的常规技术:基因克隆；转化； 筛选；鉴定 第四章 基因在大肠杆菌、酵母中的高效表达 （基因工程制 药） 第五章 转基因植物 第六章 转基因动物 第七章 基因治疗
（7）基因治疗
这是一个年仅6岁的美国小女孩，她的 名字叫艾米。由于遗传的因素，她身体 内无法合成有分解氨基毒素功能的酶， 导致免疫系统严重受损－－整天浑身无 力，吃不下饭，不想走动，还出现各种 疼痛，小小年纪就吃尽了苦头。 1990年 9月14日，美国医生安德逊给艾米移植 健康的基因，一年多以后，艾米能够自 己合成以前不能合成的腺苷膜氨酶了， 从此，她又成为一个健康活泼的小女孩 了。人类首次基因疗法获得成功。
• 生物技术通报 • 中国生物工程杂志 • 农业生物技术学报 • 生物工程学报 • 生物技术 • 遗传
第一章 基因工程概述
2012.09
基 因（gene） •基因研究发展的过程 •基因的现代概念 •基因的特点 基因工程（genetic engineering） •基因工程的定义与研究发展史 •基因工程研究的主要内容或步骤 •基因工程的应用
量用于奶酪制造。
哺乳小牛 胃
凝乳酶基因 转入啤酒酵母
凝乳酶
凝乳酶
制造奶酪
（3）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
多 利 和 它 的 孩 子
沃 尔 小 组 成 功 克 隆 两 只 恒 河