生物技术与动物育种-课件.ppt

1、医学资料1第第18章章 现代生物技术与动物育种现代生物技术与动物育种医学资料2理理 论论 教教 学学医学资料3第一节第一节 生物技术概论生物技术概论医学资料4生物技术（生物技术（Biotechnology）概念的提出与发展概念的提出与发展医学资料5生物技术经典分支领域生物技术经典分支领域1.基因工程基因工程（gene engineering)2.细胞工程细胞工程 (cell engineering)3.酶工程酶工程 (enzyme engineering)4.发酵工程发酵工程 (fermentation engineering)医学资料6基因工程基因工程 基因工程的理论依据基因工程的理论依据不

2、同基因具有相同的物质基础不同基因具有相同的物质基础基因是可切割的基因是可切割的基因是可以转移的基因是可以转移的多肽与基因之间存在对应关系多肽与基因之间存在对应关系遗传密码的通用性遗传密码的通用性基因可以通过复制把遗传信息传递给基因可以通过复制把遗传信息传递给下一代下一代医学资料7基因工程的基本流程医学资料8基因工程研究进展成就：在医药领域在农业领域在工业领域研究进展：理论研究方面实际应用方面医学资料9细胞工程 主要技术:动植物组织细胞培养技术细胞融合技术（也称细胞杂交技术）细胞移植技术染色体技术等 医学资料10淋巴细胞杂交瘤产生单克隆抗体医学资料11体细胞克隆医学资料12 举 例2004200

3、4年年2 2月月1515日，日，美国爱达荷大学美国爱达荷大学的研究人员在西雅图的美国科学年的研究人员在西雅图的美国科学年会上展示三头克隆骡子会上展示三头克隆骡子医学资料13世界首例成年体细胞克隆水牛世界首例成年体细胞克隆水牛2005年年3月月17日在广西大学日在广西大学“863计划计划”良种牛南方良种牛南方繁殖中心诞生繁殖中心诞生医学资料142005年年4月月24日韩国科学家培育出首只克日韩国科学家培育出首只克隆狗隆狗“史纳皮史纳皮”（snuppy）医学资料15 我国第一头体细胞克隆猪诞生我国第一头体细胞克隆猪诞生经中国农业大学李宁教授领导经中国农业大学李宁教授领导的课题组一年多的科技攻关，的

4、课题组一年多的科技攻关，2005年年8月月5日，我国第一头体细胞克隆日，我国第一头体细胞克隆猪终于在河北省三河成功诞生猪终于在河北省三河成功诞生 医学资料162005年年12月月8日中国科学院动物研究所用山羊克隆的一只亚洲黄羊日中国科学院动物研究所用山羊克隆的一只亚洲黄羊(左左)与普通山羊一起在山东临沂亮相与普通山羊一起在山东临沂亮相 国际首例体细胞异种克隆亚洲黄羊临国际首例体细胞异种克隆亚洲黄羊临沂降生沂降生医学资料17世界冠军赛马世界冠军赛马“斯卡普斯卡普”被被克隆成功克隆成功 世界速度赛马冠军查尔马世界速度赛马冠军查尔马妮妮詹姆士詹姆士2006年年11月月16日对外宣布，她向德克日对外宣

5、布，她向德克萨斯州奥斯汀的萨斯州奥斯汀的ViaGen公司支付了公司支付了15万美元万美元,在在四次尝试失败后，最终四次尝试失败后，最终在今年在今年8月月8日成功克隆日成功克隆了她的赛马了她的赛马夺得过夺得过十项世界冠军的十项世界冠军的“斯卡斯卡普普”，产下小马驹，产下小马驹“克克莱顿莱顿”医学资料18 东北农业大学刘东北农业大学刘忠华教授带领的课题忠华教授带领的课题组，把水母绿色荧光组，把水母绿色荧光蛋白基因转移到猪胎蛋白基因转移到猪胎儿成纤维细胞的基因儿成纤维细胞的基因组中，再把转基因体组中，再把转基因体细胞的细胞核移植到细胞的细胞核移植到成熟的去核猪卵母细成熟的去核猪卵母细胞中构建成转基因

6、胚胞中构建成转基因胚胎。再将其植入受体胎。再将其植入受体母猪，经过母猪，经过114天的天的发育，发育，2006年年12月月22日成功培育出国内日成功培育出国内首例绿色荧光蛋白转首例绿色荧光蛋白转基因克隆猪基因克隆猪中国首例绿色荧光蛋中国首例绿色荧光蛋白转基因克隆猪问世白转基因克隆猪问世医学资料19发酵工程 发酵类型:微生物菌体发酵 微生物酶发酵 微生物代谢产物发酵微生物的转化发酵 生物工程细胞的发酵医学资料20发酵工程的应用 n抗生素、维生素、激素n疫苗和菌苗等医学资料21食品工业 n微生物蛋白、氨基酸、新糖源、饮料、酒类n食品添加剂（柠檬酸、乳酸、天然色素等）医学资料22能源工业 n酒精n沼

7、气n氢能医学资料23化学工业 n可降解的生物塑料n化工原料（乙醇、丙酮、丁醇、癸二酸等）n生物表面活性剂及生物凝集剂 医学资料24冶金工业 n黄金开采和铜、铀等金属的浸提 医学资料25农业 n生物固氮n生物杀虫剂n微生物饲料 医学资料26环境保护 n使用生物肥料，生物杀虫剂n降解有毒物质n净化废水废气，处理石油污染医学资料27酶工程研究内容:酶的发酵生产酶的发酵生产酶的分离与纯化酶的分离与纯化酶的固定化技术酶的固定化技术酶修饰改造技术酶修饰改造技术酶反应技术酶反应技术医学资料28生物技术安全举例:转基因食品安全生物武器克隆人引发的伦理道德问题医学资料29第二节 细胞层面的生物技术 与动物育种应

8、用医学资料30基因芯片技术生物信息学技术基因组学技术动物转基因技术分子遗传标记技术分子层面核移植技术性别控制技术胚胎移植综合技术人工授精技术细胞层面生物技术医学资料31人工授精人工授精对畜禽改良的重要性人工授精对畜禽改良的重要性 人工授精技术要点人工授精技术要点 人工授精技术发展现状与应用前景人工授精技术发展现状与应用前景 医学资料32胚胎移植技术 胚胎移植技术在畜种改良中的重要性胚胎移植的基本原则和技术程序医学资料33奶牛MOET育种方案 医学资料34性别控制技术 性别控制（sex control）是指通过人为地干预并按人们的愿望使雌性动物繁殖出所需性别后代的一项繁殖新技术。医学资料35性别

9、控制研究方法 受精前性别控制:受精前将x精子Y精子分离细胞流式分选法医学资料36流式细胞检索分离技术进展与问题 2007年4月中国金牛集团XY种畜（天津）有限公司 分离速度达到每秒40007000个精子 每台分选仪器每小时生产56枚性控细管精子（每细管含有效精子200万个）分离后获得的X精子纯度在90%以上 输精配种后的产母犊率在90%以上 主要问题 受胎率较低，50%左右。原因有待进一步探讨（如每剂所含有效精子数较少？精子活率达不到输精要求？）染色剂对精子的影响：医学资料37胚胎的性别鉴定:SRY-PCR鉴定法 医学资料38动物细胞核移植技术 核移植及克隆技术的发展 核移植（nuclear

10、transplantation）是将发育不同时期的胚胎或成体细胞核显微注射至去核卵母细胞透明带下，再经过细胞融合移植到去核卵母细胞中，或直接将体细胞的核注入去核卵母细胞质中，构成重组胚胎的技术。医学资料39核移植技术及影响因素:供核细胞因素的影响受核细胞因素的影响动物种属差异的影响 医学资料40多莉羊的生产过程和克隆动物意义体细胞全能性无性繁殖的可能性濒危动物种质资源保护提高生产转基因动物的效率 医学资料41第三节 分子层面的生物技术与 动物育种应用医学资料42 分子遗传标记技术遗传标记及其发展 遗传标记（genetic marker）是指可准确鉴别并可用于反映个体特异性的遗传特征。理想的遗传

11、标记应具备：高度多态性，即群体中有多种基因型存在。多态程度越高，个体之间在标记上就越能表现出差异，所提供的信息就越多。数量多，而且均匀地覆盖整个基因组。测定不受年龄、性别、环境等因素限制。共显性，能够准确判别所有可能的基因型。医学资料43 1.表型标记方法 包括:形态学标记、细胞学标记、免疫学标记和生化标记 2.DNA标记第1代标记 限制性片段长度多态性方法第2代标记 小卫星，微卫星DNA标记第3代标记 单核苷酸多态性标记 医学资料44主要分子遗传标记方法 限制性片段长度多态性：基因组DNA经特定限制性内切酶酶切后，形成大小不等、数量不同的分子片段，该特异DNA片段经电泳分离，通过Southe

12、rn印记法将DNA片断转移至支持膜（尼龙膜或硝酸纤维素膜）上，然后用放射性同位素或非同位素（如地高辛、荧光素）标记的探针与支持膜上的DNA片段杂交。不同基因组DNA因为在检测区域内发生了点突变、片段缺失、插入或重排等，导致酶切位点发生改变，使得RFLP谱带表现出不同程度的多态性，从而构建出多态性图谱。医学资料45RFLP的优点：RFLP由限制性内切酶切割特定位点产生，故标记结果可靠，重复性好；RFLP标记位点的等位基因间呈共显性，通过杂交后电泳带型可以直接区分杂合子与纯合子；RFLP通过酶切反应来反映DNA水平上的所有差异，因而在数量上无限制；无表型差异。但是RFLP标记也有一定局限性，如操作

13、过程复杂，相对费时；在检测中需用放射性同位素；多态信息含量低等等。医学资料46小卫星标记和微卫星标记 微卫星DNADNA小卫星DNADNA存在部位染色体任何部位染色体近端粒和着丝粒区重复单位长度1-6 bp1-6 bp6-70 bp6-70 bp，常富含GCGC重复次数10-60 10-60 次几次到几百次总序列长度约200 bp200 bp0.3-30 kb0.3-30 kb重复单位的差异重复单位的变异性低，可看为结构相同重复单位组成稍有差异，如单个碱基转换存在数量很多，人基因组有5-105-10万个有限，有些染色体尚未见到医学资料47微卫星结构TGCCTTCTACCAAATACCCCACA

14、CACACACACACACAGGTGTTGCTTCTCTCAGGAAGAC ACGGAAGATGGTTTATGGGGTGTGTGTGTGTGTGTGTCCACAACGAAGAGAGTCCTTCTG 医学资料48 微卫星DNA主要用于：绘制各种生物的基因组图谱。在生物学或生物的进化关系方面，微卫星对亲子分析和品种划分很有用。作为一种工具估测生物群体的近交水平。群体内的微卫星变异可用于评估群体大小、群体间的基因流并进而阐明群体间的遗传相关和遗传差异。微卫星变异也被用于研究近缘物种间的杂交程度。微卫星还可用于近缘物种的进化史分析。医学资料49单核苷酸多态性标记(SNP)SNP具有以下特征：高密度代表

15、性易实现自动化分析医学资料50 单链构象多态性(Single Stra nd Conforma tion Polymorphism,SSCP)医学资料51SNP主要用于：遗传作图进化分析位点标识疾病检测医学资料52线粒体DNA标记 医学资料53分子遗传标记在动物育种中的应用 标记辅助选择 个体及群体亲缘关系的鉴定 种质资源的遗传评估、监测、保护和利用 构建动物遗传图谱 医学资料54动物转基因技术动物转基因技术及用途 目前主要采用反转录病毒法、显微注射法、胚胎干细胞法、精子载体法等方法。目前转基因动物的用途主要有开展畜禽品种改良、构建生物反应器、建立疾病模型、基因治疗和发育调控、器官移植等。医学

16、资料55动物转基因技术的主要问题:生产转基因动物需要高水平DNA操作 动物转基因技术效率低 基因的非定向整合和非可控表达限制了转基因动物的用途。医学资料56转基因动物育种 转基因动物具有自身的优点：将理想的遗传物质直接转入染色体中，扩大了种内的遗传变异，且不受有性繁殖的限制，实现基因在物种间的交流；可以形成价值很高的新的经济性状和其他性状；可将高性能种质资源的畜种有利基因导入低性能畜种中，以淘汰其不利基因，为选育新品种或类群提供最有效的途径；可开展畜禽抗病育种，充分利用现有畜种的抗性资源，全面提高畜禽生产效率。医学资料57 就目前的技术水平而言，要使动物转基因技术成为一项育种技术，还有许多问题

17、亟待解决:目的基因有哪些？转基因技术自身的问题（如上所述）被转移基因的稳定遗传问题 建立纯合的转基因动物育种系的问题 医学资料58基因组学技术 基因组（genomics）学是美国的Roderick H于1986年提出来的。研究基因组的结构与功能的科学就是基因组学。基因组表示一个生物物种所有染色体的总和；从分子遗传学角度讲，基因组表示一个生物物种所有核酸分子的总和。为便于理解，采用现代生物学定义，即指一个物种结构与功能的所有遗传信息的总和就是基因组。医学资料59 人类基因组计划 1987年，美国国立卫生研究院和美国能源部联合提出了人类基因组计划（HGP），于1990年正式启动医学资料60医学资料

18、61基因组的结构13蛋白编码 基因细胞核基因组线粒体基因组人类基因组人类基因组基因外DNA基因和基因有关序列 2个cRNA 基因 22个tRNA 基因单一或中等重复编码DNA非编码DNA假基因DNA片段内含子非翻译顺序 中度至高度重复顺序 单一的或低拷贝顺序 串联重复顺序/成锁重复顺序 中度至高度重复顺序医学资料62遗传图谱遗传图谱转录图谱转录图谱0.7 cM 或或 kb 序列图谱序列图谱物理图谱物理图谱结构基因组结构基因组四张图四张图物理图物理图转录图转录图遗传图遗传图序列图序列图 医学资料63功能基因组任务：利用结构基因组学中已有的信息，建立与发展各种技术和实验模型来测定基因及其非编码序列

19、的生物学功能研究方法：序列比对技术序列比对技术基因表达分析技术基因表达分析技术蛋白质产物分析技术蛋白质产物分析技术基因定位基因定位进展：医学资料64基因组进化任务：比较不同物种基因组的异同，分析生物基因组进化关系研究方法：系统发育谱法（phylogenetic profile method）基因邻居法（gene neighbour method）进展：医学资料65基因组学技术及意义 基因组学技术 全自动核酸测序技术、分子遗传标记技术、功能基因组学技术、全基因组分析技术、比较基因组分析技术、蛋白质组学技术、生物芯片技术等 意义 鉴定新基因、分析基因功能表达谱、分析非编码区信息结构、设计蛋白质分子

20、和药物、研制新药、基因诊断和基因治疗、动植物遗传改良和新品种选育等方面，有着不可替代的重要用途。医学资料66生物信息学技术 生物信息学（Bioinformatics）是指通过对生物学实验数据的获取、加工、存储、分类、检索与分析，以达到揭示生物学数据（大分子信息）所蕴含的生物学意义的目的。生物信息学的内涵比较丰富，但其核心是基因组信息学。包括基因组信息的获取、处理、存储、分配和解释。医学资料67生物信息学研究内容 生物信息的收集、存储、管理与提供 基因组序列信息的提取和分析 功能基因组相关信息分析 生物大分子结构模拟和药物设计 生物信息分析的技术与方法研究 应用与发展研究 医学资料68生物信息学

21、基本理论和常用软件 基本理论 多重排列 相似性搜索 分类和种系发生学 生物信息学软件 序列对比软件 进化分析软件 基因组序列分析工具 PCR引物设计程序医学资料69 PCRPCR引物设计软件“医学资料70MVSP 软件（主成份分析）医学资料71 Structure and Distructure Structure and Distructure 软件（遗传结构推导）K=2K=3医学资料72NetworkNetwork软件（网络关系分析）医学资料73基因芯片技术 生物芯片（gene chip）技术是20世纪90年代中期以来随人类基因组计划的进展而快速发展起来的以基因芯片为先导的高新技术。是一种

22、小型的分析装置,通过微加工和微电子技术在固相基质表面构建微型生物化学分析系统，实现对细胞、蛋白质、核酸以及其他生物分子开展准确、快速、高通量检测。生物芯片分为三大类，即基因芯片、蛋白质芯片和芯片实验室，目前以基因芯片技术的发展为主流。医学资料74基因芯片原理医学资料75 基因芯片技术主要包括4个基本技术环节 芯片微阵列制备 样品制备 生物分子反应 信号的检测与分析基因芯片技术基因芯片技术医学资料76 生物信息学应用前景：生物信息学是分析处理生物分子信息、揭示生物分子信息内涵的一项技术。通过这项技术，将基因的序列与功能关联起来，认识基因在表达调控、机体分化等方面的生物学意义；揭示生物遗传进化、生

23、长发育、分化衰老等许多生命现象的奥秘；深入了解人类及畜禽疾病的物质基础及发生、发展过程；开发基因诊断、治疗和基因工程药物并用来预防、诊断和治疗各种遗传性疾病，这些都是现代生物技术所面临的最大挑战。随着各种生物基因组研究工作及各项生物技术的不断发展，生物信息学将会发挥越来越重要的作用，如对畜禽种类性状的分子遗传标记、基因定位、动物转基因育种技术等产生重大影响。医学资料77案例教学医学资料78案例一根据基因工程研究技术路线图谈谈目的基因获取的方法有哪些？根据基因工程研究技术路线图谈谈目的基因获取的方法有哪些？医学资料79案例分析 从基因工程技术路线图可以看出目的基因的获取有5种方法:直接酶切（较为

24、常用）PCR扩增（较为常用）基因组文库cDNA文库人工合成医学资料80案例二 转基因动物的生产过程复杂，而且转基因效率也不高，如何识别转基因动物？影响转基因效率的因素有哪些？医学资料81案例分析1 个体水平鉴定 根据性状特征和生理特征2 细胞和组织水平鉴定检测报告基因在细胞或组织中的表达，如荧光素酶基因等3 分子水平鉴定 PCR法（如实时荧光定量PCR技术）,DNA杂交技术,DNA测序技术,DNA芯片技术等。关于转基因技术效率低的原因，在上课过程已提到，需要同学们在课后查阅资料，做完善和补充。医学资料82案例三 转基因动物生产报道3则 如转基因牛，羊，猪，马等，从这些实例出发，简述转基因动物生

25、产的技术流程。医学资料83案例四 从人类基因组学研究进展中分析畜禽基因组学研究的差距。如何更好地实现畜禽基因组快速有效地发展？医学资料84案例五动物分子育种技术：以绵羊腐蹄病相关基因DQA2的检测与分子选种为例医学资料85数据分数据分析析实验室检测实验室检测样品收集样品收集选留风险值为选留风险值为1或或2的个体作为种羊，的个体作为种羊，改良改良利用已建立的腐蹄病数据分析利用已建立的腐蹄病数据分析系统对腐蹄病高发病地区绵羊群系统对腐蹄病高发病地区绵羊群体进行检测选留种羊。体进行检测选留种羊。相对风险值腐蹄病分值减少绵羊腐蹄病患病与死亡率技术路线减少绵羊腐蹄病患病与死亡率技术路线医学资料865UT

26、Rexon3exon1exon2intron1intron23UTR绵羊绵羊 MHC基基因因Class II bClass II aDQA2Class IIIClass I绵羊第绵羊第20号染色体号染色体与腐蹄病抗原结合激与腐蹄病抗原结合激活绵羊主动免疫反应活绵羊主动免疫反应绵羊绵羊MHC（OLA）基因染）基因染色体定位色体定位绵羊绵羊OLA-DQA2基因基因绵羊绵羊MHCII类类分子分子分子功分子功能能医学资料87教学案例 完成步骤1 小组讨论（15min)，全班讨论(30min)2 查阅文献资料(课后完成)，小组讨论(10min)，全班讨论(20min)3 完成讨论分析总结报告(课后完成)4 案例分析总结报告发至医学资料88