基因工程的诞生和发展

第一章基因工程概述

第一节基因工程的诞生和发展

一、基因

1．Mendel的遗传因子阶段

Mendel G.J. (1822-1884). 1856-1864豌豆杂交实验。

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

Mendel提出：生物的某种性状是由遗传因子负责传递的。是颗粒性的，体细胞内成双存在，生殖细胞内成单存在。遗传因子是决定性状的抽象符号。

2．Morgan的基因阶段

1909年丹麦遗传学家Yohannsen (1859-1927)

发表了“纯系学说”首先提出了“基因”的概念，代替了Mendel “遗传因子”的概念。但没有提出基因的物质概念。

1910年以后，Morgan T.H.等提出了基因的连锁遗传规律。说明了基因是在染色体上占有一定空间的实体。基因不再是抽象符号，被赋予物质内涵。

3．顺反子阶段

1957年，本泽尔（Seymour Benzer）以T4噬菌体为材料，在DNA分子水平上研究基因内部的精细结构，提出了顺反子（cistron）概念：顺反子是1个遗传功能单位，1个顺反子决定1条多肽链。

4.现代基因阶段

（1）操纵子

启动基因＋操纵基因＋结构基因

（2）跳跃基因

指DNA能在有机体的染色体组内从1个地方跳到另一个地方，它们能从1个位点切除，然后插入同一或不同染色体上的另一个位置。

（3）断裂基因

1个基因被间隔区分成不连续的若干区段，这种编码序列不连续的间断基因被称为断裂基因。

（4）假基因

不能合成出功能蛋白质的失活基因。

（5）重叠基因

不同基因的核苷酸序列有时是可以共用的即重叠的。

现代对基因的定义是DNA分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。

二、基因工程的诞生

一般认为1973年是基因工程诞生的元年

（S. Cohen等获得了卡那霉素和四环素双抗性的转化子菌落)

理论上的三大发现和技术上的三大发明

对于基因工程的诞生起到了决定性的作用。

（一）DNA是遗传物质被证实

1944年，Avery O.T.利用肺炎双球菌转化实验

1944年，美国洛克菲勒研究所的Oswald Avery等公开发表了改进的肺炎双球菌实验结果。

（1）S型菌细胞提取物及其纯化的DNA都可使R型菌转变成S型菌；

（2）经DNase 处理的S型菌细胞提取物失去了转化作用。

（3）经胰蛋白酶处理的S型菌细胞提取物仍有转化作用。

不仅证实了DNA是遗传物质，而且证明了DNA可以将一个细菌的性状转给另一个细菌，他的工作被称为是现代生物科学的革命性开端。

（二）DNA双螺旋模型的提出

DNA是遗传物质已被证实，但是DNA是怎样携带并传递遗传信息的？在细胞增殖过程中，DNA是怎样复制的？因此，对于DNA结构的研究成为了当时生物学家研究的热点。

1953年，Francis Crick和James Watson搜集了力所能及的资料，提出了DNA的双螺旋模型。随后，

DNA的半保留复制和半不连续复制机理也被阐明，为基因工程的诞生奠定了坚实的理论基础。

（三）“中心法则”和“操纵子学说”的提出

既然，DNA是遗传信息的载体，那么它是如何传递遗传信息的呢？遗传信息又是如何控制生物的表型性状的呢？

以Nireberg等为代表的一批科学家经过艰苦的努力，确定了遗传信息以密码方式传递，每三个核苷酸组成一个密码子，代表一个氨基酸，到1966年，全部破译了64个密码子，并提出了遗传信息传递的“中心法则”。

1961年，Jacques Monod和Fancois Jacob提出了原核基因调控的

操纵子模型（operon model）。

（四）工具酶的发现和应用

1970年Smith等分离并纯化了限制性核酸内切酶Hin d II，1972年，H.W.Boyer等相继发现了Ｅco R I 一类重要的限制性内切酶。

1967年，世界上有五个实验室几乎同时发现DNA连接酶，特别是1970年H.G.Khorana等发现的T4 DNA 连接酶具有更高的连接活性。

1970年，Baltimore等和Temin等在RNA肿瘤病毒中各自发现了反转录酶，完善了中心法则，用于构建cDNA 文库。

（五）载体的发现及其应用

载体主要是小分子量的复制子如：病毒、噬菌体、质粒。

1972年，美国Stanford大学的P. Berg 等首次成功地实现了DNA的体外重组；

6、重组子导入受体细胞技术

1944年，肺炎链球菌被成功转化。

1970年，大肠杆菌才被成功转化，得益于CaCl2的应用

基因工程诞生

1973年，Stanford大学的Cohen等成功地利用体外重组实现了细菌间性状的转移。

1973年被定为基因工程诞生的元年。

第二节基因工程的研究内容

一、基因工程的概念

在分子水平上，提取或合成不同生物的遗传物质，在体外进行切割、再和某一载体进行拼接重组，然后再将重组的DNA导入宿主细胞内，最后实现目的基因稳定复制和表达的过程。

二、基因工程研究的基本步骤

1、从生物体中分离得到目的基因（或DNA片段）

2、在体外，将目的基因插入能自我复制的载体中得到

重组DNA分子。

3、将重组DNA分子导入受体细胞中，并进行繁殖。

4、选择得到含有重组DNA分子的细胞克隆，并进行大量

繁殖，从而使得目的基因得到扩增。

5、进一步对获得的目的基因进行研究和利用。比如，

序列分析、表达载体构建、原核表达以及转基因研究

和利用等。

第三节基因工程的成就和前景展望

一、成就

1.医药领域

1977年，激素抑制素的发酵生产成功。Itakara等，化学合成的激素抑制素基因和大肠杆菌-半乳糖（苷）激酶基因插入到PBR322中得到重组质粒，并通过大肠杆菌生产出含有激素抑制素的嵌合型蛋白，经溴化氰处理后释放出了有生物活性的激素抑制素。首次实现了真核基因的原核表达。用价值几美元的9升培养液生产出50毫克的生物活性物质，这相当于50万头羊脑的提取量。

1978年，Goeddel等，人胰岛素的发酵生产成功。

1979年，Goeddel等，又在大肠杆菌中成功表达了人生长激素基因。