南开大学 基因操作原理 第一章
基因操作原理01-PPT精品文档
这里所说的基因操作并不是一个法律概
念，除了包括基因克隆外，还包括基因
的表达，调控，检测等，与基因研究相 关的内容。
了解对基因的研究是如何实施的
二、本课程在学科发展中的地位
这门课以前叫“分子克隆I” 实验课为“分子克隆II”
利用分子生物学原理,为在分子或基因水 平的研究服务的学科
20世纪是生物学发展最为迅速的时期，1953年由于 认识了DNA的双螺旋结构，从而揭开了分子生物学 研究的热潮。 在整个生物学研究进程或研究层次来说，其发展过 程涉及到个体、组织器官、细胞、亚细胞水平 同时由于遗传学的兴起与发展，DNA作为生命遗传 信息的物质基础被确定下来，从而导致分子生物学 的诞生。
基因克隆的技术路线
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基因克隆的技术路线
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酶切 连接
酶切
基因克隆的技术路线
２．基因及其产物的非共线性
interrupted gene, intron
３．基因的重叠与可变性
三、基因的基本结构组成
• 编码区 ORF • 启动子 promoter
• RBS
ribosomal binding site
• 终止区 terminator
• flanking sequence
• upstream / downstream • Cap/tail
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酶切
基因克隆的技术路线
基因操作的原理和过程
基因操作的原理和过程基因操作（Genetic engineering）是一种利用基因技术对生物体的遗传物质进行修改和重组的技术手段。
通过基因操作，可以对生物的基因进行剪接、修饰或移除，并向生物中引入新的基因或基因片段，从而改变生物的遗传特征和表现形式。
基因操作在农业、医学、生物工程等领域都有广泛的应用，它不仅可以提高生物的抗病性、耐性和产量，还可以用于研究基因的功能和调控机制。
基因操作的原理是基于对生物体的基因组进行修改和优化，具体分为以下几个步骤：1. 选择目标基因：首先需要确定要操作的基因，可以是现有生物体中的某个基因，也可以是外源基因。
有时也会选择修改某个特定区域的基因片段。
2. 基因克隆和构建载体：利用分子生物学技术，将目标基因从生物体中分离提取。
然后，将目标基因插入到载体DNA中，构建成重组载体。
常用的载体包括质粒和病毒。
3. 转化目标细胞：将构建好的重组载体导入到目标细胞中。
可以通过多种途径实现细胞的转化，如化学转化、电转化、冷冻复苏等。
4. 基因表达和筛选：在转化成功后，目标基因会在细胞内进行表达，从而改变生物的遗传特征和表现形式。
为了筛选出表达目标基因的细胞，可以在重组载体中引入选择标记基因，如抗生素抗性基因。
5. 验证和分析：在筛选出表达目标基因的细胞后，需要对其进行验证和分析。
可以通过PCR、酶切、同源重组等技术手段来验证基因操作的结果，并进一步分析基因的功能。
基因操作的过程中有一些关键技术和工具，如PCR技术、限制性内切酶、连接酶、DNA测序等。
这些技术和工具的应用使得基因操作的过程更加高效、准确。
基因操作的应用领域广泛，涉及农业、医学、生物工程等多个领域。
在农业领域，基因操作可以用于改良农作物的品质和产量，提高抗病虫害的能力，延长保存期限等。
比如，通过引入抗病虫害基因，使植物对害虫和病毒的侵害产生免疫反应。
在医学领域，基因操作可以用于治疗遗传性疾病、癌症等疾病。
比如，通过修正患者的遗传突变，可以恢复正常的基因功能。
《基因操作原理》课程教学大纲
《基因操作原理》课程教学大纲课程编码：3043009402 课程名称：基因操作原理总学分： 3 总学时：48课程英文名称：Principles of Gene Manipulation先修课程：生物学，生物化学，遗传学，分子生物学等适用专业：生物技术, 生物科学, 应用生物技术, 生物工程等一、课程教学目的《基因操作原理》是伴随着生物学尤其是分子生物学的飞速发展而兴起的一门新学科。
是分子生物学系列教材中的重要环节，是一门直接利用分子生物学基础知识指导分子生物学实验操作的理论与实践相结合的课程, 其上承接《分子生物学》课程，其下有《分子克隆技术》作为本课程配套的实验课程。
本教材以基因工程的操作技术，即基因操作原理为主线，重点介绍在核酸水平上进行各种操作的基本原理和技术步骤，希望通过对基础原理的认识，能够理解和掌握实践中具体操作的原理和步骤，并能自主选择或设计相关的实验方法；掌握通过基因工程的方法实现物种改种和生物制药的途径和工作原理。
二、课程教学任务任务重点介绍基因操作中的工具酶及其种类、活性和用途；质粒载体、 噬菌体载体和表达载体等的基本构成、种类和用途；重组DNA导入细菌和真核细胞的方法；DNA、RNA和蛋白质的分离及检测技术；定点诱变技术；PCR技术原理及其应用；cDNA文库和基因组文库的构建；分子杂交原理和技术；DNA序列分析的原理，通过Internet 进行序列分析处理以及数据的获取。
本门课程开设的指导思想在于使学生在掌握一般生物学以及分子生物学知识的基础上，掌握DNA重组，转移、表达和检测等技术的基本概念和基本原理，为日后从事基因工程和分子生物学研究打下技术操作方面的理论基础。
三、课程教学内容的结构课程组将分子克隆的具体技术与基因研究的宏观策略按照“宏观-微观”、“微观-宏观”的方式，实现动态知识与静态基础的有机统一，主要分为四个层次：1.基因操作静态知识。
讲授进行基因操作必备的常用工具，包括分子克隆工具酶（14学时），分子克隆载体（24学时）；2.基因操作动态知识。
南开大学基因操作原理 复习要点
大肠杆菌受体优点：1、易转化；2、可使用多种易操作的载体，宿主范围较大缺点：1、缺少辅助功能的生化途径，这些有利于表型功能的研究，如芳香族的降解、抗生素的合成、致病性、孢子形成等在新宿主中克隆有3个先决条件：1、具有将目的基因导入受体的方法：转化、接合、电穿孔；2、目的基因在受体菌中能稳定存在：以复制子的形式或整合到基因组中、前质粒中；3、目的基因在表达时能被检测到目的基因的导入其他菌的转化特点：1、自然发生，转化能力是一个短暂现象2、在一些菌中，转化是独立序列进行的3、自然转化机制涉及到DNA双螺旋的断裂，并降解其中一条单链，使得另外一条能够进入宿主方法：感受态细胞的转化、原生质体的转化、电穿孔、质粒援救转化目的基因的稳定重组DNA分子通常以CCC的形式存在于质粒中，而后者主要取决于质粒的宿主范围（编码复制过程的蛋白质的数量），如S.aureus 的质粒和RSF1010均可在G+或G-中复制为了扩大宿主范围，通用方法为形成杂交质粒。
如大肠的pBR322和S.aureus或B.subtilis 的pC194、pUB110的混合穿梭质粒。
它的特点，人工构建、两种不同复制起点和选择标记，能在两种类群宿主中存在并复制。
它的优点是大肠能够成为克隆的中间宿主重组DNA的综合重组质粒进入宿主细胞后，通常会有以下结果：1）以稳定的质粒形式存在2）丢失3）通常整合到基因组中4）同源重组：代替经常是双链交换例子：构建了一个集合质粒：neomycin抗性基因和B.subtilis的amyE基因插入到pBR322中，将这个质粒转入B.subtilis，该质粒不能复制，但如果筛选为抗性而做，那么质粒的集合就在amyE处进行。
这一方法可用于构建单拷贝的外源基因的重组子。
G-中的clone经常以大肠作为中间体，因此所需质粒必须能。
基因操作原理01
二、本课程在学科发展中的地位
这门课以前叫“分子克隆I” 实验课为“分子克隆II”
利用分子生物学原理,为在分子或基因水 平的研究服务的学科
20世纪是生物学发展最为迅速的时期，1953年由于 认识了DNA的双螺旋结构，从而揭开了分子生物学 研究的热潮。
在整个生物学研究进程或研究层次来说，其发展过 程涉及到个体、组织器官、细胞、亚细胞水平
二、基因的基本概念
• 基因是遗传信息的基本单位 • 从物质结构上看，基因是染色体组核酸分子
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、噬菌体等）
１．基因及其产物的共线性
一个基因的核苷酸序列与其产物的氨基酸序 列一一对应
酶切
基因克隆的技术路线
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...G
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酶切 连接
转化
酶切
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
筛选
5．亚克隆
初步克隆中的外源片段往往较长，含有 许多目的基因片段以外的DNA片段，在 诸如表达序列分析和突变等操作中不便 进行，因此必须将目的基因所对应的一 小段DNA找出来，这个过程叫“亚克隆”
２．基因及其产物的非共线性
interrupted gene, intron
３．基因的重叠与可变性
三、基因的基本结构组成
• 编码区 ORF
• 启动子 promoter
• RBS ribosomal binding site
• 终止区 terminator
基因操作原理和方法
克隆和重组技术的应用
克隆和重组技术广泛应 用于基因工程、生物制 药、农业和医学等领域 。
在基因工程中，克隆和 重组技术用于生产重组 蛋白、疫苗和抗体等生 物制品。
在农业中，克隆和重组 技术用于改良作物品种 和提高农作物的抗逆性 和产量。
生物科学研究
基因敲除和敲入技术可用于研究基因功能、细胞信 号转导、药物筛选等生物科学研究领域，有助于深 入了解生命活动的本质。
生物制药
基因敲除和敲入技术可用于生产基因工程药物，通 过改造或增强微生物、细胞或动物细胞中的基因表 达，生产具有特定功能的药物。
敲除和敲入技术的限制和挑战
80%
技术难度高
基因敲除和敲入技术需要精确的 操作和设计，对技术和实验条件 要求较高，且存在一定的失败率 和不确定性。
05
基因编辑新技术
CRISPR-Cas9系统
总结词
CRISPR-Cas9系统是一种高效、简单、低成本的基因编辑技术，通过向导RNA和Cas9 蛋白的引导，实现对特定DNA序列的切割和修复。
详细描述
CRISPR-Cas9系统利用向导RNA与目标DNA序列的特异性结合，将Cas9蛋白引导至目 标位置，通过切割DNA双链形成缺口，启动细胞内的DNA修复机制。在修复过程中， 插入、删除或替换特定DNA序列成为可能，从而实现基因敲除、敲入和点突变等基因
基因操作的历史与发展
基因操作技术的起源可以追溯到20 世纪70年代，当时科学家开始探索 限制性内切酶和DNA连接酶等工具 的应用。
随着技术的不断发展，基因操作逐渐 成为现代生物学和医学研究的重要手 段，广泛应用于基因克隆、基因治疗 、基因工程等领域。
南开大学普通生物学-第一章绪论
1、新陈代谢（metabolism） 广义:生物与自然界和它周围
环境进行物质交换及相 互作用的过程 。 具体：包括两个代谢过程并 涉及相互联系的两个方 面。
同化作用 新陈代谢 (assimilation)
异化作用 (dissimilation)
小分子合成生物大分子
需要能量 能量
物质
释放能量 代谢
代谢
蜡烛和岩石都属非生物的范畴 蜡烛 燃烧 CO2 + H2 O 岩石 风化 土壤
2、生长(growth)和发育(development)和生殖(reproduction) 生物体：一生所经历的从小到大—生长；从幼年到成熟，经衰 老而死亡总的转变过程—发育；发育到一定大小和程度时，产 生后代使个体的数目增多，种族得以延续这种现象—繁殖。
16.“植物学”下册，周云龙主编，1992 17.“植物生物学”，杨继，1999
18.“普通生态学”/“生态学”，孙儒泳主编，1993/2002 19. “澄江生物群—寒武纪大爆发见证”，陈均远 20. “普通生物学多媒体系列教学软件”，九所高校，1999 21. “基础生命科学”，吴庆余主编，2002
yahoo()：查找网址方便 天网()：
文件搜索可进行生物软件查找 Biology Links(/BioLinks.html)： Internet生物学总汇，将生物资源分成若干板块，收录全面 Amos’wwwLinksPage(/alinks.html)：
2.地位：第一门基础课，生命科学21世纪主旋律！ 3.课时安排：3-4学分、2次/周 4.学习本课必要性：基本知识和基本概念，后续课先期准备 5.困难：面广内容杂，时间短… 6.主导思想、目的以及讲课顺序： 1)保持系统性，生命的结构和功能的适应等；详，简及自学； 2)目的：理解生命的“统一，延续和多样性”，后续课的基础； 3)顺序：物质基础，结构基础，遗传，植物，原核，病毒，原生，菌物，
《基因操作原理》课程学习指南
《基因操作原理》课程学习指南《基因操作原理》课程是生命科学相关专业分子生物学课程体系的中间环节，承接上游《分子生物学》课程与下游《基因工程》课程。
《基因操作原理》在基因工程的实践中深化分子生物学的理论知识，并且通过分子生物学的理论知识更好地指导基因工程实践。
《基因操作原理》课堂是学习基因操作技术、基因研究策略等必备本领的场所，是通往分子生物学神圣研究殿堂基石。
本课程目标是让学生掌握基因是怎样去研究的、基因工程是如何实现的，如何设计研究基因的基本方案，为学生进入研究生阶段开展分子生物学研究打好理论和思维基础，为本科毕业从事生物技术和生物科学工作强化基因操作的认识。
一、先期要求和配套课程在学习该门课的先期应学习《分子生物学》，《生物化学》、和遗传学等基本理论知识。
跟该课程同时配套开设的还有《分子克隆技术》，以便于对该课程的相关知识学以致用，加深对相关技术原理的理解和认识。
二、课程学习建议1.教学过程课堂教学——课后自习——课后作业——课外辅导——习题库——课程综合报告——期末考核2.教学内容及学时安排（祥见资源库教学大纲内容）3.各章节教学重点和难点（祥见资源库教学大纲内容）4.指导和建议（1）做好课前预习。
按教学进程做好课前预习，尽可能理解教材中重点和难点内容，记下理解发生困难的内容，然后有针对性的上课听课，同时积极参与课外交流等。
（2）做到认真听课。
理解每次课的教学目的及相关知识点和知识面，记下未听懂的相关问题便于课后交流与辅导。
（3）课后积极交流。
对于本课程难以理解的问题和需要深入讨论的问题可通过课外辅导、习题课等教学环节的帮助。
（4）认真完成课程作业。
课程作业是巩固所学知识点和知识面的重要环节。
本课题布置的相关课程作业均是以实际素材引导学生对基本概念的理解和掌握，充分利用科学研究的实际例子为模板进行剖析，从中找到工作原理和技术实质。
课程作业的完成也是对相关知识点进行整理和积累的过程，应独立收集资料并仔细思考完成。
最新基因操作原理01
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酶切
筛选
5．亚克隆
初步克隆中的外源片段往往较长，含有 许多目的基因片段以外的DNA片段，在 诸如表达序列分析和突变等操作中不便 进行，因此必须将目的基因所对应的一 小段DNA找出来，这个过程叫“亚克隆”
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酶切
基因克隆的技术路线
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酶切
基因克隆的技术路线
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Black well Scientific Publications S Primrose, R Twyman, B OLD, 2001.
二、基因的基本概念
• 基因是遗传信息的基本单位 • 从物质结构上看，基因是染色体组核酸分子
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、噬菌体等）
结束语
谢谢大家聆听！！！
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生物科学 领域 医学生物 农业生物
基因操作原理知识点总结
基因操作原理知识点总结基因操作是一种在生物体内对基因进行修改或操作的技术，它的出现为生物学、医学和农业等领域带来了革命性的变革。
通过基因操作技术，科学家们可以改变生物体的一些性状，使得其具有更好的抗病性、生长速度、产量等特性，从而为人类生活和生产带来了巨大的便利和利益。
在这篇文章中，我将从基因操作的原理、技术、应用和风险等方面进行详细的介绍和讨论。
基因操作的原则基因操作的基本原理是对生物体的基因进行修改或操作，使得其具有某些特定的性状。
这是通过DNA重组技术来实现的，DNA重组技术是一种利用酶的作用或化学方法，将DNA片段进行切割、粘接、合成等操作，从而实现对基因的改变或移植。
利用这一技术，科学家们可以将某种物种的基因转移到另一种物种中，或者通过改变某个基因的表达方式来使得生物体产生一些新的性状。
基因操作的技术基因操作技术主要包括DNA重组技术、基因克隆技术、基因敲除技术、基因编辑技术等。
其中，DNA重组技术是最基本的技术，它通过切割、粘接、重组DNA片段来改变基因的结构和表达方式；基因克隆技术是一种通过细胞培养和分裂来复制基因的方法，可以用于大规模生产具有某些特定性状的生物体；基因敲除技术是一种通过干扰某个基因的表达来观察该基因在生物体中的功能和作用；基因编辑技术是一种通过精确的操纵基因序列来实现对基因的改变和操作。
基因操作的应用基因操作技术在农业、医学、生物工程等领域都有着广泛的应用。
在农业领域，基因操作技术可以用来改良作物的产量、抗病性、品质等性状，从而为农业生产提供更多的选择和可能；在医学领域，基因操作技术可以用来治疗或预防一些遗传疾病，为人类健康带来更多的希望和机会；在生物工程领域，基因操作技术可以用来生产某些特定的物质或药物，从而为生产和生活提供更多的可能性。
基因操作的风险尽管基因操作技术为人类带来了巨大的利益和希望，但是它可能也会带来一些潜在的风险和问题。
其中，最主要的风险包括对环境的影响和对人类健康的影响。
南开大学遗传学-19-20遗传变异的分子机理-重组,转座子
Ds因子特点：非自主转座子
2．Ds因子不稳定，它受另一调控因子Ac的影响
Ac存在：能解除Ds对色素基因C的抑 制作用,使C基因表达，颗粒出现色素斑点;
切除
➢噬菌体的attP和细菌的attB中O 序
列完全相同，是发生特异性重组的部
位。
右图示：环形噬菌体DNA通过attP位 点和attB位点的交互重组将噬菌体 DNA变成整合的线形原噬菌体DNA。
（2）催化重组的酶类。
催化整合和切除反应需要
不同酶类催化：
①整合反应(attB attP)
需要噬菌体基因 int 产 物
大肠杆菌中编码重组功能的有关基因： RecBCD形成单链、RecA使单链同 化、 RuvA识别连接体，RuvB与 RuvA结合，RuvC切割双链，拆分 Holiday连接体形成两条DNA分子。
上图示：RuvAB蛋白是一个促使 分枝迁移的不对称蛋白复合体。 右图示：细菌的酶类能够催化DNA修 复中所有阶段的反应而产生目的DNA。
右图示：RecBCD核酸酶从一端靠近Chi 位点，在移动中降解DNA。在Chi位点 行使内切酶活性切断单链，然后丢掉 RecD，只保留解旋酶活性。
上图示：根据切断发生链的不同， Holiday连接体的拆分可产生两种双螺 旋：亲本双螺旋分子和重组双螺旋。两 种螺旋分子都含有一个异源双链区。
上图示：在RecA催化下发生在部分双 链和完整双链间的交换产生一个类似重 组中间体的结构。
重组过程的步骤和酶：(a) 一对同源双链；(b)由recB，C核酸酶在第一对 DNA双链的一条链打开缺口，并使螺旋部分松开。SSB结合到单链区使 之稳定，recA的蛋白也能结合到单链上，引导双链形成，使原双链中相 应的单链被置换；(c)另一对DNA双链的一条链打开缺口并与第一对 DNA双链的一条链配对；(d) 切口由连接酶封口；(e) 开始180o旋转的 结构。
南开大学遗传学-18遗传变异的分子机理-基因突变
图14.29 糖基水解酶通过攻击碱基与脱氧核 糖之间的共价键将碱基去除。
二、诱发突变
1. 天然碱基类似物
胸 腺 嘧 啶 类 似 物 ——5 溴 尿 嘧 啶 （ 5-BU ） ， 由 于 胸 腺 嘧 啶 中 5CH3 被 Br 取 代 会 导 致 5-BU 变换异构体，使其碱基 的配对能力发生变化。
(2) 脱氨基作用(deamination)：如胞嘧啶C脱氨基后形成了 尿嘧啶U，在复制过程中将与A配对，从而引起GC→AT转换突 变。
脱氨基
复制
GC
AU
AT
突变
➢细胞中有一种修复酶能 识 别 DNA 中 的 尿 嘧 啶 并 将其切除，称尿嘧啶— DNA糖基酶。 ➢5 甲 基 胞 嘧 啶 是 发 生 GC→AT 转 换 突 变 的 热 点 。因为5甲基胞嘧啶脱氨 基后形成的T不能被上述 修复酶识别，因此不能被 修复。
图14.27 在切除-修复中，受损伤 的序列被除去，代之以完好的 DNA链。
➢切除修复的uvr系统包括3个 基因，uvrA，B，C，编码一
种修复核酸内切酶的成分(图 14.28)。 ➢首先，UvrAB组分识别嘧啶 二聚体和其它较大的损伤。然 后 UvrA 解 离 ( 需 要 ATP) ， UvrC与UvrB结合。UvrBC重 组使损伤两边都产生一个切口， 切口位置是在损伤5端的7个 核苷酸处，3端的3-4个核苷 酸处。也需要ATP。 ➢UvrD 是 一 个 解 旋 酶 ， 能 使 DNA 解 旋 以 释 放 两 个 切 口 之 间的单链。切除涉及到的酶可 能是DNA聚合酶I。
5CTGAGAGA (e) 3GACTCTCTCTGCA
CT
5CTGAGAGAGACGT (f) 3GACTCTCTCTGCA
基因操作原理与方法
能识别并切割dS-DNA分子内特殊核甘酸序 列的酶称为限制性核酸内切酶。
细菌的限制与修饰系统
1952午Luria和Human在研究T偶数噬茵体 及1953年Bertani和Weigle在研究λ和P2噬菌体的 宿主范围时发现:当一个噬茵体从其天然宿主E. coli品系A转到另一个品系B细胞中时，往往不 能生长。他们把此现象称为宿主控制性限制现 象 1962年，Arber及其同事们作了大量工作， 经过放射性同位素标记证明，噬菌体在新品系 中的损害伴随有其DNA的降解，但宿主自己的 DNA并不降解，他们提出了限制-修饰酶假说 来解释这种现象。
基因工程原理与方法
基因操作、基因重组、基因工程 基因克隆、分子克隆
First, restriction endonucleases cleave DNA at specific sequences to generate a set of smaller fragments. Second, the DNA fragment to be cloned can be isolated and joined to a suitable cloning vector using DNA ligase to seal the
DNA ligase
1、T4 DNA ligase 催化DNA分子的5‘-P与3’-OH 之间形成磷酸二酯键。它既能连接粘性末端， 又能连接平端，但连接粘端的效率比平端的要 高得多。其连接活性多数厂商用Weiss单位(μ) 表示, 浓度 一般是1-3 μ/ μl。在多数情况下对于 DNA重组来说，平端用1 μ，而粘端用0.1 μ即 可达到有效连接DNA分子的目的。
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外对不同来源的DNA分子进行重新组合，并使之在
宿主细胞中实现增殖和表达的遗传操作。
13
2.基因工程的特点
1）不受亲缘关系限制； 2）可以定向改变生物的遗传特征； 3）改变目的基因的剂量。
14
3.基因工程技术的发展
15
16
40年代
确定了DNA是遗传物质 ---解决了遗传的物质基础问题
50年代
确定了DNA的双螺旋结构和半保留复制 ---解决了遗传机制问题
24
3）1979年，人生长素基因在E.coli中表达
组成：191肽（脑垂体分泌） 功能：治疗侏儒症 效益：50个人脑垂体→1名患者用一年 基因工程法：1升发酵液卽可达到这样的目的
25
4）1980年，人干扰素基因在E.coli中表达
组成：α 、β 干扰素由166个氨基酸组成，γ干扰
27
人类基因组计划 (Human Genome Project, HGP)
人类基因组
人体有100万亿个细胞 每个细胞核内有23对染色体 约30亿对核苷酸，编码约2.5－5万个蛋白质
28
(1)结构基因组学
基因组作图(遗传连锁图，物理图)
基因组DNA测序 基因组序列的工作草图(working draft)
参考书
3
基因操作原理内容
第一章 概论 第二章 安全问题 第三章 用于基因操作的工具酶 第四章 质粒载体 第五章 噬菌体和章 克隆DNA分子在E.coli中的表达 第九章 PCR技术和定点诱变 第十章 在E.coli以外的细菌中克隆 第十一章 在酵母中克隆 第十二章 植物基因工程 第十三章 动物基因工程
22
6.基因工程的几大成就
1）1977年，somatostatin基因人工合成 组成：14肽（产于下丘脑） 功能：抑制生长素、胰岛素和胰高血糖素的分泌 应用：治疗急性胰腺炎、肢端肥大症 效益：9升发酵液→50万头羊脑提取物 理论意义：真核细胞基因在原核细胞表达，人工合成基因在 原核细胞表达，合成有功能的蛋白质。
39
用马铃薯生产人糖尿病疫苗
用烟草生产人的红血球蛋白
用烟草生产人的溶酶素 用烟草生产人的抗癌疫苗 用苜蓿生产人的免疫球蛋白 用玉米生产人的牙齿保健抗体蛋白等
40
41
42
43
44
45
（6）基因治疗技术
目前处于研发阶段 治疗对象：遗传病、恶性肿瘤、艾滋病、乙型肝炎、心血管
5
1.为什么人类只有如此少的基因？ 2.意识的生物学依据是什么？ 3.遗传变异和个人健康的联系有多大？ 4.人类寿命能延长多少？ 5.地球上的生命是何时何地产生的？ 6.器官再生是由什么控制的？ 7.怎样使皮肤细胞变成神经细胞？ 8.合成行为是如何进化的？ 9.是什么决定了物种的多样性？ 10.是什么遗传变化使我们成为独特的人类？ 11.记忆是如何存储和提取的？ 12.一个体细胞如何发育成为整个植物? 13.如何从海量的生物学数据中得出全面的结论？ 14.我们能否有选择的关闭免疫反应？ 15.制造有效地HIV疫苗是否可能？
生物信息技术
计算机科学与生命科学相结合形成了一门新的学科— —生物信息学
（Bioinformatics）。
47
美国总统克林顿在1998年1月对全国的国 情咨询演讲中曾经明示：“在未来的十二年内， 基因芯片将为我们一生中的疾病预防提供导向 图”。
同时Science杂志还把生物芯片评选为1998 年的世界十大科技突破之一。估计在未来5-10 年内，生物芯片将发展成在人类健康保健、医 药、环保、食品、农业以及其它生命科学研究 领域内的巨大产业。
1997年美国提出，目的在于了解环境对人类疾病的 影响和意义。
30
(4)转基因动物 (transgenic animal)
用途：
研究基因表达调控机理 人类基因的动物模型，用于药物实验 培育高产、抗病或能够为人类提供移植用器官的家畜 生物反应器(bioreactor)
31
成本：
常规生产1g药物蛋白800－5000美元 转基因动物 0.02－0.50美元
章
11
1.基因工程的概念；
2.基因工程的特点；
3.基因工程技术的发展；
4.基因工程的大致过程；
5.为基因工程的的发展做出杰出贡献的科学家；
6.基因工程的几大成就；
7.基因工程与生物技术产业。
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1.基因工程的概念
基因工程(Gene Engineering), 又称基因操作 (Gene Manipulation), 或称重组体DNA技术 (Recombinant DNA technology)。其含义是：在体
生产周期：
*常规 15－20年 (研制－开发－药审－上市) *转基因动物(乳腺做生物反应器) 5年 (转基因羊从显微注射－泌乳；周期18个月 转基因牛从显微注射－泌乳；周期25－29个月)
经济效益：
动物乳腺生物反应器生产药物 一头奶牛：300公斤蛋白质/年， 一头转基因牛每年乳汁所含的EPO价值42亿美元 一头绵羊：30公斤蛋白质/年
疾病、代谢性疾病等。 全球临床方案数达300多项，病例数超过3500人，其中美国 的病例占80%； 61%的病例为恶性肿瘤；24%为艾滋病 裸DNA和基因疫苗
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生物芯片
将成千上万个大量的生命活动相关的的大分子样 品，包括DNA和蛋白质，借鉴于半导体技术，集成在一 块数平方厘米的载体片，进行化学反应，并将检测数据 进行分析处理的一种崭新技术。目前的生物芯片主要是 DN植物细胞是如何形成细胞壁的？ 17.为什么植物不是对所有疾病都有免疫能力呢？ 18.植物适应逆境胁迫而产生变异的基础是什么？ 19.是什么导致了大规模的物种灭绝？ 20.我们能阻止物种灭绝吗？ 21.生态系统将会如何适应全球变暖？ 22.在近代到底有多少个人种共同生活在一起，他们之间的关 系又是怎样的呢？ 23.近代的人类行为是如何形成的呢？ 24.人类文化的根源又是从何而来的呢？ 25.端粒和着丝粒在基因组功能中起什么作用？ 26.为什么有些基因组非常巨大而有些则非常小？ 27.“垃圾”序列在我们的基因组中起什么作用？ 28.新技术能够将测序成本降低到什么程度？ 29.非突变的染色体改变是如何被遗传的？ 30.器官以及整个机体如何知道何时停止生长？
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46.炎症反应是所有慢性疾病的关键因素吗？ 47.朊病毒如何导致疾病的产生？ 48.抵御感染时，脊椎动物对天然免疫系统的依赖有多大？ 49.免疫记忆是否需要抗原的长期存在？ 50.为什么怀孕的妇女不排斥他们的胎儿？ 51.我们是否可以免受老年痴呆症的困扰？ 52.上瘾的生物学基础是什么？ 53.道德是不是大脑的固有功能？ 54.机器学习的局限是什么？ 55.人的个性有多少是遗传的？ 56.性取向的生物学基础是什么？ 57.会不会有一棵生命树被分类学家认同？ 58.谁是所有生物体最早的共同祖先？ 59.花是怎样进化而来的？ 60.植物生长是怎么受控制的？
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解读未来生命科学 65个有待解决的生物学问题
在美国《科学》杂志（Science）创刊125 周年之际，2005年7月1日出版的Science杂志刊 登了今后有待解决的25个重大科学问题和100个 较小的重要问题（Science, 2005, 309: 78102）,涉及从宇宙本质到人类和社会本质的广泛 科学领域。在25个重大问题中，与生物学相关 的有15个（本文所列问题1－15），其中处于前 10位的，生物学问题占8个。在总共125个问题 中，有65个与生物学有关。
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2）1978年，胰岛素基因在E.coli中表达
组成：51肽 功能：抑制高血糖，治疗糖尿病 效益：全世界糖尿病患者6000万，美国200万 8000吨胰脏→1Kg胰岛素→1000名患者使用一年，卽每 名患者每年需用8吨胰脏提取的胰岛素
用基因工程法：2吨发酵液→650吨动物胰脏：卽每名患者每年
需用25升发酵液
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31.胚胎如何决定不对称？ 32.翼、鳍和脸如何发展和进化？ 33.是什么启动了青春期？ 34.生物钟是如何同步化的？ 35.迁移的生物是如何认路的？ 36.我们为什么要睡觉？ 37.我们为什么要做梦？ 38.为什么存在语言学习的关键期？ 39.信息素影响人类的行为吗？ 40.全身麻醉的机制是什么？ 41.什么导致了精神分裂？ 42.什么导致了自闭症？ 43.干细胞是不是所有癌症的核心？ 44.癌症是否受免疫系统调控？ 45.如果不能治愈癌症，是否能将它控制住？
素由146个氨基酸组成
功能：调节免疫功能，抗病毒，抗肿瘤 效益：1升发酵液→600ug干扰素＝1000升血细胞
提取物
基因工程以前：1mg干扰素价值超过1万美元； 基因工程以后：1mg干扰素价值只有几美分
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7. 基因工程与生物技术产业 生物技术的核心技术包括 (Biotechnology) 基因工程技术 细胞工程技术 酶工程技术 发酵工程技术 蛋白质工程技术
基因操作原理
乔文涛 谈 娟 王 颖
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Principles of Gene Manipulation
S.B.Primrose,R.M.Twyman and R.W.Old Sixth Edition 2001 Blackwell Science 教材
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基因工程原理
吴乃虎（上下册） 科学出版社 1999年
对染色体用4－5倍覆盖率测序，而获得基因组90％以上的 序列，其错误率低于1％的基因组物理图称为工作草图。
生物信息学分析
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(2)功能基因组学
药物基因组学(pharmacogenomics)
DNA芯片(或cDNA微阵列技术)
蛋白质组学(protemics)
(3)比较基因组学
疾病基因组学 环境基因组学计划(EGP)
整合表达率低（一般整合率为1％，表达率则为整合率的50％） 基因传递率低（其后代只能有一半能获得转基因位点拷贝）