基因的概念与发展历史

格里菲斯和埃弗里的肺炎双球杆菌转化实验
35S－ 标记蛋白质
32P－ 标记 DNA
Alfed Hershey和Martha Chase(1952) 分别用放射性同位素标记噬菌体
35S 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
1953年，沃森和克里克提出了DNA 双螺旋模结构和自我复制机制
摩根 1866-1945
摩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。
果蝇有 4 对染色体
触须 长/短
身体 灰/黑
眼睛 红/紫
翅 长/短
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 在制 2# 不 染同 色性 体状 上的 的等 位位 置基
因
减数分裂时发生：染色体交叉/基因重组。
• 基因工程的核心——基因操作
载 体 DNA
＋
(限制性内切酶切开)
目的基因
＋
宿主细胞
重组体
已转化的宿主细胞
繁殖 阳性克隆株
表达
基因克隆示意图
基因工程发展历史
• 1973 Cohen第一例成功的克隆实验 • 1978 Genentech公司 人胰岛素 世界上第一种
基因工程蛋白药物（商品化第一例，实际上第一 例产品就促生长素抑制素somatostatin） • 1982 第一个基因工程药物--重组人胰岛素在英、 美获准使用 • 1985 第一批转基因家畜（兔、猪和羊），中国 转基因鱼
在细胞分裂时，DNA 的合成应是“半保留复制”的模式。
细菌培养在含15N 的培养基 中 细菌培养在含14N 的培养基中 一代 两代
证实半保留复制的实验
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。
五、基因工程
• 基因工程(genetic engineering)也叫基因操作、遗 传工程，基因克隆、DNA克隆、分子克隆、 DNA重 组或重组DNA技术。
• 它是一项将生物的某个基因通过基因载体运送到另— 种生物的活性细胞中，并使之无性繁殖(称之为“克 隆”)和行使正常功能(称之为“表达”)，从而创造生 物新品种或新物种的遗传学技术。
中心法则
孟 德 尔 (1822-1884)
孟德尔（1822－1884）从 1856 年起开 始豌豆试验。
孟德尔的基本方法是杂交。他挑选了七 对性状。
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 （分离定律和自由组合定律 ）。
孟 德 尔 研 究 的 七 对 性 状
基因的结构
• 编码区 ORF (Open Reading Frame) • 启动子 Promoter • 终止子 Terminator • Flanking Sequence
upstream/downstream • Cap/Tail
基因的结构
四、克隆（clone） 无性繁殖
应用酶学的方法，在体外将目的基因（target gene) 与载体（vector）DNA结合成一具有自我复制能力的 DNA分子复制子(replicon)、重组体(recombinant），继 而通过转化或转染宿主细胞、筛选出含有目的基因的转化 子细胞，再进行扩增、提取获得大量同一DNA分子拷贝， 或其表达产物。
g－ 身体 灰/黑
c－ 眼睛 红/紫
l－ 翅 长/短
重 组频 率
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。
遗传物质是 DNA
随着生物化学的发展，蛋白质、核 酸等生物大分子逐渐分离、纯化出来。 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 的实验证明遗传物质可以转化进入细菌， 改变细菌特性。埃弗里的实验证实，进 入细菌改变特性的遗传物质是 DNA， 而不是Байду номын сангаас白质。
• Paul Berg的方法非常繁琐，且重组的分子不易 选择。
• 加州大学的Herbert Boyer与斯坦福的Stanlry Cohen）合作，用细菌的质粒作为载体，构建了 重组DNA分子，并加上了抗生素基因。应用与上 述类似的方法，把非洲蟾蜍的DNA同细菌质粒重 组，并导入大肠杆菌细胞表达并转录出相应的 mRNA产物。这就是第一次成功的基因克隆实验， 说明了质粒分子是可以作为基因克隆的载体，真 核动物的基因是可以被成功地转移到原核细胞中 去，并实现其功能表达
DNA -> RNA -> proteins Translation, occurs on ribosomes
二、基因的认识历程
• 1866，孟德尔 • 1910，摩根 • 1941，George Beadle一种基因一种
酶—一种基因一种多肽链 • 1944，O.T. Avery细菌转化实验 • 1953，Watson-Crick DNA双链结构，
• 制药公司--------畜场 • 土地上种植的不仅有营养丰富的粮食和药物， 还有可降
解的生物塑料 • 蔬菜水果可以当药 • 垃圾处理与废物变宝 • 能源植物 • 生物计算机
面对一块种满植物的土地，我们不知道它究竟是隶属于农 业，医药 业，还是化学原材料业，或者是能源产业。事 实上，这种区分也越来越没有意 义，因为大家都共同融 入了世界上最大也是最重要的产业——生命科学产业。
基因工程的理论依据
不同基因具有相同的物质基础。DNA DNA是可切割的。除少数基因重叠排列外，大
多数基因彼此之间存在着间隔序列。 基因是可以转移的。生物体内有的基因可以在
染色体DNA上移动，甚至可以在不同染色体间 进行跳跃 多肽与基因之间存在对应关系。 遗传密码是通用的。 基因可以通过复制把遗传信息传递给下一代。 获得相对稳定的转基因生物。
• 1993 基因工程西红柿在美国上市 • 1997 英国罗斯林研究所 多莉羊 • 1999.9 中国获准加入人类基因组计划.负责测定人类
基因组全部序列的1% • 2000.6.26 科学家公布人类基因组工作草图 • 2001.2.11 公布人类基因组基本信息 • 2002 水稻基因组 • 2009 玉米基因组 • 2010 苹果基因组 • 2012 柑橘基因组
The Central Dogma
replication
transcription
DNA
RNA
translation Proteins
Reverse transcription
遗传信息储存在核酸中 遗传信息由核酸流向蛋白质
三、基因的结构
1955 S. Benzen证明基因的最小突变单位和 重组单位是DNA的一个碱基对。
• 1956年 华盛顿大学 A.Kornberg利用大肠杆菌的 细胞液，在体外合成了DNA，两年后分离出了 DNA聚合酶。（Nobel Prize)
• 1967 Kornberg在试管内合成了噬菌体的 DNA,并 用DNA连接酶将它们连接成环状。1970，发现和 分离了限制性内切酶。
• 1972年Stanford大学的Paul Berg用EcoRI把猿猴 空泡病毒和噬菌体的DNA切开，然后在这两种病 毒的节开的DNA末端用末端转移酶加A和T，使这 两个DNA在体外结合，再用DNA聚合酶补平缺口， 最合用它们的连接点封闭成一头的重组DNA分子-----
豌豆杂交操作
基因在染色体上
随着显微镜技术与染色技术的发展， 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。
显性等位基因 隐性等位基因 杂合子
纯合子
纯合子
同同 一源 性染 状色 的体 两分 个别 等带 位着 基控 因制
• ……
基因工程研究的意义
如果说IT业改变的是 我们的生活方式，那么 BT(Biotechnology生物产业)业改变的则 是我们生命的方式。 我们将面临前所未有 的机遇与挑战。
讨论：基因工程可能的应用方面
人类的梦想能否成真？
基因工程研究的意义
• 基础理论研究
• 加速进化，改造与创造物种
• 越来越多的产业加入到“用DNA编程” 的行列中来。农业、食品业、化工业、 医药产业和畜牧业。
第六章 基因分离与克隆
主要内容
第一节 基因的概念与发展历史 第二节 基因克隆操作 第三节 基因克隆的策略
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第一节 基因的概念与发展历史
一、基因的本质
• 基因是遗传信息的基本单位
• 从物质结构上看，基因是染色体核酸分子
• 基因是作为遗传物质的核酸分子上的一段片段， 可以是连续的，也可以是不连续的；可以是DNA 也可以是RNA；可以存在于染色体上，也可存在 于染色体之外（如质粒、噬菌体）