基因工程简介

美国医学家安德森
谢德尔，1999
基 因 治 疗
用基因治疗血友病
器 官 移 植
基因治疗是指（
）
A、把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达
到治疗目的
B、对有缺陷的细胞进行修复，从而使其恢复正常，
达到治疗的目的
C、运用人工诱变的方法，使有基因缺陷的细胞发生
基因突变，从而恢复正常
D、运用基因工程技术，把有缺陷的基因切除，达到
2）将外源目的基因或片段拼接到具有运输或 转移能力的工程载体（质粒、噬菌体、病 毒等）上，形成重组DNA分子。载体须能 够自我复制且具有选择标记。
3）把重组DNA分子转移到适宜的受体细胞中进 行扩增、表达（基因工程重组系统）。
4）阳性克隆子的鉴定。 5）阳性克隆子的直接诱导表达，或再将其克隆
到其他表达载体上，导入真核受体细胞（酵 母、植物、动物或人体细胞），以便在新的 背景下实现功能表达 ，产生人们所需的基 因工程产品。
重度联合免疫缺陷症
1990年，美国医学家安德森对一例患腺苷脱氨酶(ADA)缺乏症的4 岁女孩谢德尔进行基因治疗。该女孩由于先天缺乏ADA基因，自身不 能生产ADA，先天免疫功能不全，只能生活在无菌的隔离帐里。他们 将含有这个女孩自己的白血球的溶液输入她左臂的一条静脉血管中，
这种白血球都已经过改造，有缺陷的基因已经被健康的基因所替代。 在以后的10个月内她又接受了7次这样的治疗，同时也接受特定抗体 的治疗。经治疗后，免疫功能日趋健全，能够走出隔离帐，过上了正 常人的生活。
通俗地说，基因工程就是指将一种供体生 物体的目的基因与适宜的载体在体外进行拼接 重组，然后转入另一种受体生物体内，使之按 照人们的意愿稳定遗传并表达出新的基因产物 或产生新的遗传性状的DNA体外操作程序。也 称为分子克隆技术。
三大基本元件：供体基因、受体细胞、载体。
2、基因工程的基本流程
1） 从复杂的生物体基因组中，经过不同的技 术方法（酶切法、逆转录法、化学合成 法、 PCR法），分离获得目的基因的DNA片段；
问题 原因 对策
喝牛奶过敏、呕吐、腹泻
乳糖不消化
肠乳糖 酶基因
构建 表达 载体
显微注射技术 导 入 正常牛
转基因牛
牛奶中乳糖含量减少， 其他营养成分不受影响
3.用转基因动物生产药物
设想：让牛奶中产出生长素、抗凝血蛋白、 血清白蛋白、α-抗胰蛋白酶等
乳腺生物反应器 产量高、质量好、成本低、易提取 （把哺乳动物变成成“批量生产药物的工厂）
限制性核酸内切酶
外源基因或DNA片段
载体
基
因
含有外源基因的重
工
组载体DNA分子
程
的
转化受体细 胞并筛选
流
程
图
基因功能与表 达调控研究
外源 基因表达
多肽类或抗体类 动植物性状改良 基因工程产品 与人类基因治疗
二 、基因工程发展简史
1. 基因工程诞生的背景
• 理论上三大发现：遗传物质是DNA、 DNA的双螺旋结构与半保留复制机 理以及中心法则的发现。
基 因 工
传统提取 胰岛素、 干扰素
提取部位 — 细胞、组织、血液等 提取量 — 少
程
缺点 — 材料少、提取难、成本高
制 药
改进— 工程菌
提取部位 — “工程菌” （大肠杆菌、酵母菌）
提取量 — 多
优点 — 高效、高质量、低成本
菌优点：繁殖快、单细胞、遗传物质少
1997年，科学家将动物体内的能够 合成胰岛素的基因与大肠杆菌的 DNA分子重组，并且在大肠杆菌中 表达成功。如右图，请据图回答问 题。 (1)此图表示的是采取_____合成基因 的方法获取_______基因的过程。 (2)图中①DNA是以____________为 模板，_______形成单链DNA，在酶 的作用下合成双链DNA，从而获得 了所需要的_______________。
基因工程
Gene engineering
教材
• 《基因工程》，袁婺洲主编，化学工业出 版社出版，2010年第一版。国家精品课 程建设教材。
参考书与参考资料
李立家编著，《基因工程》，科学出版社，2004年。 徐晋麟著，《基因工程原理》，科学出版社。2007年 楼士林编著，《基因工程》，科学出版社。2002 孙明主编，《基因工程》，高等教育出版社。2006年。 刘祥林《基因工程》，科学出版社。2005年。 张惠展编著，《基因工程》，华东理工大学出版社。2005年。 傅继梁主编《基因工程小鼠》，上海科学技术出版社。2006年。 曾北危主编，《转基因生物安全》，化学工业出版社，2004年。 沈孝宙编，《转基因之争》，化学工业出版社。2008年。 （英国）布鲁克斯编，黄尚志主译，《基因治疗：应用DNA作 为药物》，化学工业出版社。2007年。 李元主编，《基因工程药物》，第二版，化学工业出版社。2007年。 李德山主编，《基因工程制药》，化学工业出版社。2010年。
among individual）与健康和疾病之间的关系； ⑨ 基因突变与疾病发生和发展之间的关系； ⑩ 药理基因组学等。
2、基因工程在工业领域的应用
环保工业：“白色垃圾”降解重组菌、石油降解质粒，农药 降解质粒，工业污染物降解质粒，尼龙和洗涤剂降 解质粒；水质与土壤重金属污染的清除：金属结合 蛋白或金属结合肽。
• 1973年， S.Cohen等人将大肠杆菌的编码卡那霉素抗性的质粒R5-6质粒， 与另一种 编码四环素抗性的质粒pSC101 ，用限制性核酸内切酶EcoRI切 割，T4DNA连接酶连接成新的重组质粒，转化到大肠杆菌中，在含四环 素和卡那霉素的平板上筛选出了抗四环素和在链霉素的重组菌落。这是 基因工程发展史上第一次实现重组体转化成功的实验，基因工程从此诞 生了!
了重度联合免疫缺陷症（SDID）的基因治疗； 1985年提出，1990年启动的人类基因组计划； 1996年，体细胞核移植--克隆多利绵羊……
三、基因工程的研究意义和应用
1、基因工程在功能基因组学研究中的应用
① 基因定位和基因功能研究； ② 基因表达调控的顺式元件和反式因子的鉴定和转录调控机制的研究； ③ 发育的遗传学和基因组学； ④ 非编码DNA与RNA的类型、含量、分布及所包含的信息与功能； ⑤ 基因转录、蛋白质合成和翻译后事件的相互协调。 ⑥ 在大分子功能复合体中蛋白质间的相互作用； ⑦ 人类蛋白质组学研究； ⑧ 个体间单核苷酸多态性变异（SNPs, Single-based DNA variations
• 技术上三大发明：限制性核酸内切 酶及 各种工具酶的发现、载体分子 的研究与发现、逆转录酶的发现。
一种
遗传因子（？）
控制形状
遗传因子是 DNA 而非 蛋白质
DNA的α-双螺旋结构
A、T、G、C四种 脱氧核糖核苷酸
2、基因工程诞生的标志
• 1972年， P.Berg领导的研究小组，在世界上第一次成功地实现了DNA的 体外重组。他们使用限制性核酸内切酶EcoR I，在体外对猿猴病毒SV40 的DNA和λ噬菌体的DNA分别进行酶切，然后再用T4DNA连接酶把两种 酶切的DNA片段连接起来，从而获得了世界上第一个体外重组的杂种DNA 分子。他们因此获得1980年诺贝尔化学奖(同Sanger、Gilbert分享)。
不会引起过敏的转基因大豆
5.利用转基因改良植物的品质
观赏花卉
问题 解决
颜色单调，变色困难 花青素有关调节基因动物
1.用于提高动物生长速度
生长速度
生长激素
解决方法 成功案例
导入生长激素基因 绵羊：生长速度提高30%，体积增加50%
鲤鱼：9个月后，体重增1.5kg
2.用于改善畜产品的品质
4. 基因工程药物异军突起
转基因抗乙肝西红柿，虽然不能治愈乙肝，但一年只吃几个抗 乙肝西红柿，就完全能代替注射乙肝疫苗。抗乙肝西红柿属于 转基因食品，就是将乙肝疫苗植入西红柿内，经过多代繁殖， 使转入的基因稳定化。这种西红柿培育历时十年，先是在实验 室生长，等各种安全因素达标后，才移至户外，进行封闭种植。
4、基因工程在医药领域的应用
制药工业：重组人胰岛素（1982，Eli.lilly公司生产，Genentech研制）， 干扰素，人生长激素，白细胞介素，肿瘤坏死因子，红细胞生成素EPO， 组织纤溶酶原激活剂和乙肝甲肝疫苗等
• 动物疾病模型的建立 • 基因诊断 • 基因治疗 • 器官移植
第一种基因工程药物 — 重组人胰岛素
能源工业：生物能，清洁汽油（乙醇），纤维素质原料，生物 柴油。
食品工业：食品添加剂，氨基酸，食用油（油酸、亚油酸）。
3、基因工程在农业领域的应用
1. 抗虫转基因植物
优点 — 避免化学杀虫剂的污染 Bt毒蛋白基因 Bt毒蛋白水解成 有毒多肽
基因
蛋白酶抑制剂基因 淀粉酶抑制剂基因 植物凝集素基因
消化不良 不吸收
1、抑制抗原决定基因 表达的调控因子
2、去除抗原决定基因 （受精卵） 克隆技术
培育出没有免疫 排斥反应的转基 因克隆猪
抑制抗原 决定基因 表达
导入猪 受精卵
具特殊用途的猪和小鼠
美国通过基因工程将人的基因植入牛的体内，由转基因公牛授 精的母牛产下5头健壮的牛犊，每头都含有一个人类的基因。
中科院水生生物研究所培育的转基因鲤鱼，表现出快速生长效应。
治疗疾病的目的
应用基因工程技术诊断疾病的过程中必须使用 基因探针才能达到检测疾病的目的。这里的基因探 针是指（ ）
A、用于检测疾病的医疗器械
B、用放射性同位素或萤光分子等标记的DNA分子
C、合成球蛋白的DNA
D、合成苯丙羟化酶的DNA片段
抗虫害的玉米
2. 抗病转基因植物
基因
抗病毒 —病毒外壳蛋白基因 —病毒的复制酶基因
抗真菌 —几丁质酶基因 —抗毒素合成基因
抗细菌 —裂解肽基因 —溶菌酶基因
抗烟草花叶病毒的转基因烟草
转黄瓜抗青枯(细菌)病基因的马铃薯
3. 抗逆转基因植物
调节细胞渗透压的基因 基因 鱼的抗冻蛋白基因
抗除草剂基因
抗旱、抗盐碱 耐寒烟草，番茄 抗除草剂大豆、玉米
科研人员将乙型肝炎表面抗 原基因注入兔受精卵的情形。
我国培养的转基因兔，转入的乙型肝炎 表面抗原基因已在基因兔体内整合并表达。
基因治疗的概念： 将正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发 挥功效，从而达到治疗疾病的目的
免疫系统发挥正常作用的必须物质
腺苷酸脱氨酶
腺苷酸脱氨酶基因（逆转录病毒） 淋巴细胞
药用蛋白基因+ 乳腺蛋白基因启动子 （只在乳腺中且 在泌乳期表达）
构建基因表达载体
导入_受__精__卵_ 显微注射技术
送回母体发育成新个体
新个体泌乳期乳汁中产药
乳汁中含有人生长激素的转基因 牛(阿根廷)
4. 用转基因动物作器官移植的供体
器官移植问题 — 1、供体器官少，2、排斥反应强
用猪的器官做供体
3. 基因工程的发展
1976年，第一家生物技术公司--美国基因泰克公司（Genentech）成立； 1977年，第一个基因工程药物--生长激素抑制素（Somatostostatin）； 1978年，人重组胰岛素；1982年上市（Eli Lilly）；
生长激素、α-干扰素、白细胞介素2等。
基因工程的腾飞： 1982年，转新霉素抗性基因的转基因烟草； 1985年，基因工程微生物杀虫剂走向市场； 1988年，PCR技术问世； 1990年，美国人，逆转录病毒将腺苷脱氨酶（ADA）基因导入人体，实现
第一章 基因工程概述
一、基因工程概念与基本流程 二、基因工程的发展简史 三、基因工程的研究意义和应用
一、基因工程概念与基本流程
1. 基因工程的概念 采用类似于工程设计的方法，根据人们事先设计的
蓝图，人为地在体外将外源目的基因插入质粒、病毒或 其它载体中，构成遗传物质的新组合即重组载体DNA分子 ，并将这种含有目的基因的重组载体分子转移到原先没 有这类目的基因的受体细胞中去扩增和表达,从而使受 体或受体细胞获得新的遗传特性，或形成新的基因产物。
我国科学家在实验田观察 转鱼抗冻蛋白基因的番茄
转基因抗除草剂玉米
4.利用转基因改良植物的品质
粮食
问题 解决
大豆、玉米、大麦、小麦
①导入含必需AA多Pro的编码基因 ②改变AA合成过程中关键酶活性
果蔬
问题 解决
难保鲜 控制番茄成熟的基因 （延迟番茄成熟）
富含胡萝卜素的“金大米”。
富含赖氨酸的转基因玉米