基因工程ppt01-1

中心法则
1.2.3 基因操作技术的发展促进基因工程 的诞生和发展
⒈ 基因工程的工具
（1）基因操作的车间——大肠杆菌Escherichia coli和病毒 （2）获得基因片段的工具——限制性核酸内切酶 （3）连接基因片段的工具——连接酶 （4）基因操作的载体——质粒和病毒
⒉ 重组DNA实验 基因工程的核心


1955年，Watson和Crick提 出了DNA的复制模型，即每 一条链都可以复制出各自 的互补链。 1957年，Meselson和Stahl 的实验表明，在复制完成 后DNA链与新合成的互补链 重新形成双链结构，也就 是说DNA的复制是采用半保 留复制 （semiconservative replication）的方式进行。
理论上的三大发现
（3）确定了遗传信息传递的方式（60年代） 破译遗传密码和确定了密码子三联体 遗传信息流的中心法则
技术上的三大发明
（1）工具酶的使用： Smith 和 Wilcox（1970） 流感嗜血杆菌Haemophilus influenzae d 分离纯化了 限制性内切酶Hind II 其它工具酶（如连接酶）等的发现和纯化奠定了基因工程 诞生的最重要的技术基础 分子剪刀和DNA缝合工具 （2）基因运载工具—DNA载体的使用 (对质粒的认识） 细菌的致育因子（Fertility factor）— F因子 Lederberg 1946 抗药性因子（R） 大肠杆菌素因子（Col） （3）逆转录酶的使用 Baltimomore 等和 Temin 等（1970）各自发现了逆转录酶 意义：丰富了“中心法则 ” 、真的通用策略




克隆的概念是广泛的，但基因克隆在一定程度上被等同于 基因的分离 克隆的简要步骤(见图1-4):外源DNA和（或克隆）中寻找出 目的基因的小片段的过程。
图1-4 原核生物基因克隆的步骤示意图
第 一 篇 基 因 操 作 原 理
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第二篇 基因工程应用（22学时）
各章名称 计划学时 13．植物基因工程 4 14．动物基因工程 4 15．酵母基因工程 2 16．细菌基因工程 2 17．病毒基因工程 2 18．医药基因工程 2 19．基因工程产品的安全及其管理 0 专题讨论 6
专题讨论(供参考）
1.2.4 基因工程的内容
1.基因操作原理 （1）DNA和RNA的操作 （2）基因克隆 2.基因工程应用 （1）生物反应器 微生物 动植物细胞 转基因动植物 （2）遗传改良 （3）基因治疗
1.3 基因的结构--基因操作的理论基础
1.3.1 基因的结构组成对基因操作的影响
1．基因及其产物的共线性
⒊ 传递遗传信息


基因可以控制蛋白质的产生，基因和蛋白质的氨基酸序列 之间存在对应关系，基因突变会导致蛋白质中一个氨基酸 的变化。 RNA是DNA遗传信息和蛋白质氨基酸序列之间的桥梁。
⒋ 指导蛋白质合成

DNA可编码3种RNA，即mRNA、rRNA和tRNA。 tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子互补，并在蛋白质合 成过程中携带氨基酸到正确的位置。 转录是以DNA为模板，将遗传信息转移到mRNA的过程，翻 译就是将mRNA中的遗传信息转移到蛋白质的氨基酸序列的 过程。


Martin Temin (December 10, 1934 – February 9, 1994) was a U.S. geneticist. Along with Renato Dulbecco and David Baltimore he discovered reverse transcriptase in the 1970s at the University of Wisconsin-Madison, for which he shared the 1975 Nobel Prize in Physiology or Medicine.
图1-1 1973年 Cohen和Boyer 开展的基因重 组示意图


质粒pSC101和 pSC102连接， 转化大肠杆菌, 抗Tet和抗Kan. 蟾蜍DNA核糖体 RNA片段+ pSC101，转化 大肠杆菌
1.2 基因因工程是生物科学 发展的必然产物
1.2.1 基因是基因重组的物质基础
1.遗传因子 由孟德尔提出，认为生物性状的遗传是由遗传因子所控制的。 1909年，丹麦学者W.Johannsen提出“基因”（gene）一 词,代替了孟德尔的遗传因子，认为在杂种中等位基因不 融合，各自保持其独立性。 2.DNA与遗传的关系 1928年Griffith首先发现了肺炎球菌的转化作用，为以后 的研究开辟了道路。 1944年Avery用转化实验证明了DNA是遗传物质。
全世界转基因植物种植面积 1996～2005年，全世界转基 因植物在21个国家种植，面 积从1996年的170万公顷增加 到2005年的9 000万公顷，增 加了50倍之多。

美国斯坦福大学生物化学 系：Paul Berg教授 (1980年诺贝尔化学奖获 得者)

1970年美国科学家特明 （H.M.Temin）和巴尔的摩 （D.Baltimore）分别于动物致 癌RNA病毒中发现的，他们并因 此获得1975年度诺贝尔生理学 或医学奖。 David L. Baltimore (born 7 March 1938) is an American biologist, university administrator, and Nobel laureate in Physiology or Medicine.
DNA
外显子1 内含子1 外显子2 内含子2 外显子3 内含子3 外显子4
mRNA前体
剪接 mRNA
翻译 蛋白质
图1-3 真核生物蛋白质合成过程中外显子和内含子的关系
3．基因的重叠与基因的可变性



DNA序列与蛋白质序列的对应关系不是单一的，单个DNA序 列可编码一个以上的蛋白质，这些蛋白质在结构上有的是 相同的序列重复，也可以是全新的蛋白质。 由单个基因通过在不同部位的起始（或终止）表达而形成 两种蛋白质，两个基因也可通过在不同读码中译读DNA而 共用同一序列。 基因的重叠与可变性也可从重组中得以体现。例如芽胞杆 菌的spoⅣ基因片段分布在两个不同区域，当需要发挥作 用时，便通过重组而连接在一起。
理论上的三大发现
（1）DNA是遗传物质 1944 Avery 细菌转化实验 证明：DNA是遗传物质 意义：DNA 可以从一个细菌转移到另一 个细菌，从而把遗传性状传递过去。 现代生物 学科学性的革命性开端和基因工程的先导 （Lederberg语）。
理论上的三大发现
（2）DNA双螺旋模型（Watson/Crick 1953） 这对于生命科学的发展作用可与达尔文学说媲 美，与孟德尔定律齐名。
4．启动子和终止子



启动子是基因转录过程中控制起始的部位。 RNA聚合酶的结合位点（binding site)，不同生物中 这个结合（识别）位点是有差异的，同一生物的不同 基因之间也有差异。 上游（upstream）指转录起始点左侧的序列，而下游 （downstream）指起始点右侧的序列。或上游指其 5′方向，下游指其3′方向。 转录终止子主要有两种，一种依赖ρ因子，另一种不 依赖ρ因子。后者主要是能够形成特定二级结构的 DNA序列，如茎环结构。
基因工程
授课专业：生物技术 生物工程
推荐教材或参考书目
（1）教材 《基因工程》 孙明主编，高等教育出版社，2006.5 《基因工程原理与应用》 陈宏主编，中国农业出版社， 2004.1 （2）参考书目 ①《基因操作原理》（第6版）（中文版），Sandy B. Primrose等主编，瞿礼嘉等译，高等教育出版社， 2003.12 ②《基因克隆和DNA分析》（第4版）（中文版），T.A. Brown编著，魏 群等译，高等教育出版社，2003.8 ③《基因工程》（第2版），吴乃虎主编，科学出版社， 1999 ④《分子克隆实验指南》（第3版），J萨姆布鲁克，DW拉塞 尔著，黄培堂等译，科学出版社，2002
1.1.2 基因工程的诞生与发展
基因工程诞生的基础 理论上的三大发现和技术上的三大 发明 1971年，史密斯（Smith H. O.）等人从细菌中分离出的 一种限制性酶,酶切病毒DNA分子，标志着DNA重组时代的 开始。 1972年 伯格（Berg P.）等用限制性酶分别酶切猿猴病 毒和噬菌体DNA，将两种DNA分子用连接酶连接起来,得到 新的DNA分子。 1973年，科恩（Cohen S.）等进一步将酶切DNA分子与质 DNA连接起来，并将重组质粒转入E.coli细胞中。 1982年，美国食品卫生和医药管理局批准，用基因工程在 细菌中生产人的胰岛素投放市场。 1985年，转基因植物获得成功。 1994年，延熟保鲜的转基因番茄商品生产。 1996年，克隆羊诞生。
1. 2. 3. 4. 5. 6.
基因操作中大分析的分离和分析 PCR技术的应用 基因组研究技术 植物转基因技术 基因诊断与基因治疗 基因工程的安全性
2-3人/小组，做好PPT, 10周报告
课程目的


本门课程讲述基因操作相关的原理，为分子生 物学的研究服务。 通过分子生物学内在的原理，如 DNA 结构、 复制、转录、表达、调控等，讲述研究方法和 技术的设计原理。


基因决定蛋白质的序列组成，是由密码子对应特定氨基酸 所决定的。 当一个基因的核苷酸序列与其产物的氨基酸序列是一一对 应时，则表明它们是共线性的。
2．基因及其产物的非共线性




20世纪70年代以来，在真核生物中发现了间断基因 （interrupted gene），后来发现这种间断基因在真核生 物中普遍存在，也就是后来所说的基因间存在着内含子 （intron）。 内含子指真核生物基因中不能翻译成蛋白质的DNA片段， 但可被转录，当两侧序列（外显子）的转录RNA被剪接在 一起时，就将内含子转录的RNA从整个转录物中除去。 外显子是指能够翻译成蛋白质的任一间断的基因片段，一 个基因可有多个外显子。 图1-3是遗传信息从DNA传到蛋白质的流程。