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 . (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 .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 .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，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。

1980年， Nagata等，遗传工程菌生产干扰素获得成功。

1981年，用遗传工程菌生产的生物制剂包括动物口蹄疫疫苗、乙型肝炎病毒表面抗原及核心抗原、牛生长激素等。

1982年，重组DNA技术生产的药物-人胰岛素进入商品化生产。

1983年，基因工程生产狂犬病疫苗取得突破型进展。

2.植物基因工程的发展迅速

植物转基因育种的发展优势

（1）扩大了作物育种的基因库

转基因育种打破了常规育种的物种界限，来源于动植物和微生物的有用基因都

可以导入作物，培育成具有某些特殊性状的新型作物品种。

（2）提高了作物育种的效率

作物转基因育种不仅大大缩短育种年限，而且可成功地改良某些单一性状却不

影响改良品种的原有优良特性。

（3）减轻了农业生产对环境的污染

转基因抗虫棉花的大面积种植和推广，不仅可以减少化学杀虫剂对棉农及天敌

的伤害，而且可以大幅度降低用于购买农药和虫害防治的费用。另外，随着高

效固氮转基因作物及高效吸收土壤中磷元素等营养元素的转基因作物不断问世

和推广，农用化肥的利用率将极大地提高，这对减少农田污染具有重要意义。

（4）拓宽了作物生产的范畴

各种有价值的蛋白产品都可以利用植物反应器进行高效生产，番茄、马铃薯、

莴苣和香蕉等作物已被成功用于生产口服疫苗。另外，各种工业原料，比如纤