1、2022-8-17第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿第三章第三章-基因工程部分基因工程部分-PowerPoint演示文稿演示文稿第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿 基因工程是20世纪70年代发展起来的遗传学的一个分支学科第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿基基因因克克隆隆操操作作第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿基基因因工工程程的的应应用用第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿基因工程的对象是基因，所以如果是获得商品的话，就是基因的产品基因的产品，或是改变了遗传性的细胞细胞和个体个体。如果要获得
2、效益的话，除了经济效益之外，还有巨大的社会效益。基因工程的对象是基因，而基因要安居才能基因要安居才能乐业乐业，也就是说基因需要在宿主细胞中工作，这样，基因工程同一般的土建工程的根本差别在于，它需要在体外操作，然后送到细胞它需要在体外操作，然后送到细胞中去进行表现中去进行表现。3.1 3.1 基因工程的特点基因工程的特点第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿 3.1.1 基因工程与遗传工程遗传工程遗传工程(genetic engineering)一词产生于一词产生于19世世纪纪20年代，是遗传学和工程学相结合的一门年代，是遗传学和工程学相结合的一门技术科学。借用工程技术上的设计思想技术科
3、学。借用工程技术上的设计思想,在离在离体条件下体条件下,对生物细胞、细胞器、染色体或对生物细胞、细胞器、染色体或DNA分子进行按图施工的遗传操作分子进行按图施工的遗传操作,以求以求定向定向地地改造生物的遗传性。遗传工程的概念有广改造生物的遗传性。遗传工程的概念有广义和狭义之分。义和狭义之分。广义的遗传工程包括传统遗传操作中的杂交技广义的遗传工程包括传统遗传操作中的杂交技术和现代遗传操作中的基因工程和细胞工程术和现代遗传操作中的基因工程和细胞工程,狭义的遗传工程仅指基因工程。狭义的遗传工程仅指基因工程。第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿 3.1.2 生物技术生物技术生物技术(biot
4、echnology)又称生物工艺学又称生物工艺学,生物工程学。是根据生物学、化学和工程生物工程学。是根据生物学、化学和工程学的原理进行工业规模的经营和开发微生学的原理进行工业规模的经营和开发微生物、动植物细胞及其亚细胞组分物、动植物细胞及其亚细胞组分,进而利用进而利用生物体所具有的功能元件生物体所具有的功能元件(如基因、蛋白质如基因、蛋白质)等来提供商品或社会服务的一门综合性科等来提供商品或社会服务的一门综合性科学技术。学技术。基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程等是生物技术的主要内容。等是生物技术的主要内容。第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿
5、基因工程基因工程(gene engineering)又称基因操作又称基因操作(gene manipulation),重组重组DNA(recombinant DNA)。基因工程是以分子基因工程是以分子遗传学为理论基础遗传学为理论基础,以分子生物学和微生物学以分子生物学和微生物学的现代方法为手段的现代方法为手段,将不同来源的基因将不同来源的基因(DNA分分子子),按预先设计的蓝图，在体外构建杂种按预先设计的蓝图，在体外构建杂种DNA分子分子,然后导入活细胞然后导入活细胞,以改变生物原有的遗传以改变生物原有的遗传特性特性,获得新品种获得新品种,生产新产品生产新产品,或是研究基因或是研究基因的结构和功
6、能。的结构和功能。第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿体体外操外操作与作与细胞细胞内表内表达达第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿细胞工程细胞工程(cell engineering)应用细胞生物学的原理和方法应用细胞生物学的原理和方法,结合工程学结合工程学的技术手段的技术手段,按照人们预先的设计按照人们预先的设计,有计划有计划地改变或创造细胞遗传性的技术地改变或创造细胞遗传性的技术,以及在体以及在体外大量培养和繁殖细胞外大量培养和繁殖细胞,或获得细胞产品或获得细胞产品,或利用细胞体本身的技术领域。或利用细胞体本身的技术领域。主要内容包括细胞融合、细胞拆合、染色主要内容包括细
7、胞融合、细胞拆合、染色体转移、基因转移、细胞或组织培养等。体转移、基因转移、细胞或组织培养等。由于所用细胞的来源不同，细胞工程又分由于所用细胞的来源不同，细胞工程又分为微生物细胞工程、植物细胞工程、动物为微生物细胞工程、植物细胞工程、动物细胞工程等细胞工程等。第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿植物细胞工程第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿 细胞分泌工程细胞分泌工程 根据细胞内蛋白质合成和运输理论根据细胞内蛋白质合成和运输理论而发展起来的一项新的细胞工程技术，而发展起来的一项新的细胞工程技术，主要是通过对基因改造，如基因缺失、主要是通过对基因改造，如基因缺失、多效分泌突变
8、、周质泄漏突变或加接多效分泌突变、周质泄漏突变或加接信号肽等措施，促进基因产物分泌的信号肽等措施，促进基因产物分泌的技术。技术。第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿酶工程酶工程(enzyme engineering)又称酶技术。它是围绕着酶所特有的生化又称酶技术。它是围绕着酶所特有的生化催化特性催化特性,结合现代的技术手段结合现代的技术手段,在体外模在体外模拟或在常温常压下生成酶反应的产品以及拟或在常温常压下生成酶反应的产品以及利用重组利用重组DNA技术定向改变酶技术定向改变酶,进行酶的进行酶的修饰修饰,或酶的全人工合成。或酶的全人工合成。其主要内容包括酶的化学修饰、酶的固定其主要内
9、容包括酶的化学修饰、酶的固定化、酶反应器等。化、酶反应器等。第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿蛋白质工程蛋白质工程(protein engineering)是更广义上的包括酶工程在内的蛋白质修是更广义上的包括酶工程在内的蛋白质修饰操作饰操作,通过对蛋白质及酶的化学修饰及基通过对蛋白质及酶的化学修饰及基因改造获得具有特殊功能的非天然蛋白质因改造获得具有特殊功能的非天然蛋白质的技术。的技术。主要是根据蛋白质的结构和功能间的相互主要是根据蛋白质的结构和功能间的相互关系关系,利用基因工程技术利用基因工程技术,或用化学方法或用化学方法,合合成基因成基因,改造基因改造基因,以便合成新的蛋白质以
10、便合成新的蛋白质,或或改变蛋白质的活性、功能以及溶解性等。改变蛋白质的活性、功能以及溶解性等。第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿发酵工程发酵工程(fermentation engineering)又称微生物工程又称微生物工程,微生物发酵工程。微生物发酵工程。利用生物利用生物,主要是微生物的某种特定功能主要是微生物的某种特定功能,通过现通过现代化工程技术手段代化工程技术手段,生产有用物质生产有用物质,或把微生物或把微生物直接用于某种工业化生产的一种技术体系。直接用于某种工业化生产的一种技术体系。主要内容包括菌种选育主要内容包括菌种选育,发酵生产微生物发酵生产微生物,或植或植物细胞的代
11、谢产物物细胞的代谢产物,生产微生物菌体生产微生物菌体,最佳培养最佳培养条件的优化组合等。条件的优化组合等。第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿3.2 3.2 基因工程技术的诞生基因工程技术的诞生 3.2.1 3.2.1 基因工程的技术准备基因工程的技术准备 基因工程技术的诞生不仅依赖于基因分子生物基因工程技术的诞生不仅依赖于基因分子生物学理论的发展，同时也有赖于一些重要的分子生学理论的发展，同时也有赖于一些重要的分子生物学研究方法的建立。最重要的技术准备是物学研究方法的建立。最重要的技术准备是限制限制性酶的分离纯化性酶的分离纯化、DNADNA连接酶的分离连接酶的分离、大肠杆菌大肠杆菌
12、转化技术的突破转化技术的突破。到到19701970年，这三大技术都已经年，这三大技术都已经建立，建立，“万事齐备，只欠东风万事齐备，只欠东风”了。到了了。到了1972197219731973年，两位科学助产士年，两位科学助产士BergBerg和和CohenCohen将基因工将基因工程接到了人间。程接到了人间。第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿3.2.2 3.2.2 基因工程技术的诞生基因工程技术的诞生第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿 第一个重组体的构建第一个重组体的构建 1972年，美国斯坦福大学年，美国斯坦福大学P.Berg等在等在PNAS上发表了题为上发表了题为
13、“Biochemical methode for inserting new genetic information into DNA of Simian Virus 40:circular SV40 DNA molecules cotaining lamda phage genes and the galactose operon of Escherichia coli.Proc.Natl.Acad.Sci.USA 69:2904-2909,1972”，标志着基因工程技术的诞生。标志着基因工程技术的诞生。第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿第第一一个个重重组组体体构构建建第三章基因
14、工程部分PowerPoint演示文稿 SV40病毒是猿猴病毒，是一种直径为病毒是猿猴病毒，是一种直径为450的球形病毒，分子量为的球形病毒，分子量为28106道尔道尔顿。顿。SV40的的DNA是环状双链结构，全长是环状双链结构，全长5243个碱基对。个碱基对。SV40DNA上有一个限制上有一个限制性内切酶性内切酶EcoR的切点。的切点。第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿SV40病毒病毒第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿当获得二聚体当获得二聚体SV40DNA后，后，Berg等就等就证明了环状证明了环状DNA被内切酶切成线性被内切酶切成线性DNA后能够重新环化，并且能够同另
15、外的分后能够重新环化，并且能够同另外的分子重组。子重组。于是他们进行第二步的实验就是从于是他们进行第二步的实验就是从dvgal DNA中制备含有中制备含有E.coli的半乳糖的半乳糖操纵子操纵子DNA，用上述同样的方法进行重，用上述同样的方法进行重组连接，并获得成功。组连接，并获得成功。第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿 第一个有功能重组体的构建第一个有功能重组体的构建虽然虽然Berg的工作具有划时代的意义，但是他们并的工作具有划时代的意义，但是他们并没有证明体外重组的没有证明体外重组的DNA分子具有生物学功能。分子具有生物学功能。1973年，年，S.N.Cohen等在美国等在美国
16、PNAS上发表了题为上发表了题为“Construction of Biologically Functional Bacterial Plasmid In Vitro”（S.N.Cohen,A.C.Y.Chang,H.W.Borer,and R.B.Helling,Proc.Natl.Acad.Sci.USA 70:3240-3244,1973）的论文，宣布体外构建的细菌质粒能够在细胞中的论文，宣布体外构建的细菌质粒能够在细胞中进行表达进行表达,从而完善了从而完善了Berg开创的基因重组技术。开创的基因重组技术。第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿Boyer and Cohen第三章
17、基因工程部分PowerPoint演示文稿质粒质粒 pSC101的获得的获得In 1972,Cohen constructed a new plasmid beginning with DNA isolated from E.coli.Cohen named the plasmid pSC101(“SC for Stanley Cohen).The new plasmid had three important features:it had only a single recognition site where EcoRI would cut the molecule,thus identi
18、fying the spot where the plasmid would open;(2)it had a sequence of nucleotides called an origin of replication,which is needed to initiate DNA replication;such a sequence stimulates plasmids to multiply in a host organism;(1)(3)it contained a gene for resistance to the antibiotic tetracycline;thus,
19、bacteria having the plasmid could resist the effects of tetracycline,whereas bacteria lacking the plasmid would be killed by the tetracycline.Cohen在重组在重组DNA技术中杰出贡技术中杰出贡献献第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿pSC101质粒质粒DNA第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿质粒质粒 pSC101对大肠杆菌的转化技术突破对大肠杆菌的转化技术突破 Another key characteristic of Cohen
20、s plasmid was the ease of inserting it to a host cell.Cohen found that he could insert plasmids to fresh bacteria by suspending the latter in cold calcium chloride,then rapidly heating the bacteria to 42oC.So treated,the bacterial wall and plasma membrane open to permit the plasmids to pass through
21、and into the cytoplasm.Cohen在重组在重组DNA技术中杰出贡技术中杰出贡献献第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿Cohen与与Boyer合作创建重组合作创建重组DNA分子分子 To some historians,the discipline of DNA technology came into being over pastrami sandwiches at a local delicatessen in Waikiki Beach.The year was 1972.It happened that Herbert Boyer was at a sc
22、ientific conference in Hawaii speaking about the EcoRl restriction enzyme.Stanley Cohen was in the audience.After the presentation,Cohen invited Boyer to lunch to explore their possible collaboration on a series of experiments.The two researchers sat and considered the experiments that would send DN
23、A technology into a new era.Cohen在重组在重组DNA技术中杰出贡技术中杰出贡献献第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿Cohen与与Boyer合作创建重组合作创建重组DNA分子分子Cohen had been conducting fruitful experiments with plasmids,but he was experiencing difficulty cutting open the plasmids.Boyers EcoRI enzyme seemed to be the ideal solution,so Cohen suggest
24、ed they join forces.They would use his plasmids and Boyers enzyme to recombine the plasmid DNA.First they would try to recombine two plasmids to form a single plasmid.If successful,they would attempt to bring DNA from a foreign species into the plasmid to produce a recombinant DNA molecule.Boyer agr
25、eed,and the bargain was struck.Cohen在重组在重组DNA技术中杰出贡技术中杰出贡献献第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿Boyer and Cohen 的策略的策略第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿pSC102,体内构建的重组体体内构建的重组体他们首先检查了他们首先检查了EcoR对质粒对质粒pSC101和和R6-5的切割情况，发现的切割情况，发现EcoR在质粒在质粒pSC101上只有一个上只有一个切点，在质粒切点，在质粒R6-5上有上有12个切点个切点,这样就可以用这样就可以用pSC101作为重组作为重组DNA的载体分子。的载体分子。第三
26、章基因工程部分PowerPoint演示文稿 他们用他们用EcoR处理过的和没有处理过的处理过的和没有处理过的 质粒质粒pSC101和和R6-5DNA分别转化分别转化E.coli C600,得到下表的实验结果得到下表的实验结果 表：环状和线状质粒表：环状和线状质粒DNA的转化的转化质粒质粒DNA每每g DNA转化子转化子四环素四环素卡那霉素卡那霉素氯霉素氯霉素pSC101(未切割未切割)3105-(EcoR切割切割)2.8104-R6-5(未切割未切割)-1.31041.3104R6-5(EcoR切割切割)511024101第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿 他们从用他们从用EcoR
27、处理的处理的R6-5的卡那霉素的卡那霉素抗性平板上选择了一个克隆，并检查了它抗性平板上选择了一个克隆，并检查了它的抗性，发现该克隆同时具有磺胺的抗性，的抗性，发现该克隆同时具有磺胺的抗性，但没有氯霉素、四环素的抗性。然后从该但没有氯霉素、四环素的抗性。然后从该克隆中分离了一个环状质粒克隆中分离了一个环状质粒DNA，命名为，命名为pSC102，分子量大约为，分子量大约为17106。第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿接着用接着用EcoR分别切割分别切割pSC102 和和R6-5质粒质粒DNA，进行电泳检查，发现，进行电泳检查，发现pSC102被切成三个被切成三个片段，相对于质粒片段，相
28、对于质粒R6-5的的EcoR酶切片段酶切片段、和和。这些结果说明不同的酶切片段转化大肠杆菌后这些结果说明不同的酶切片段转化大肠杆菌后能够在细胞内进行重组连接形成有功能的重组能够在细胞内进行重组连接形成有功能的重组质粒。这一结果也提示，如果能够在体外重组质粒。这一结果也提示，如果能够在体外重组成功，并能将重组体引入细胞内，同样具有生成功，并能将重组体引入细胞内，同样具有生物学功能。物学功能。第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿 pSC105，体外构建的重组体，体外构建的重组体作者为了获得体外构建的重组体，分作者为了获得体外构建的重组体，分别用别用EcoR切割质粒切割质粒pSC101 和
29、和pSC102,然后加入然后加入DNA连接酶进行连接连接酶进行连接后转化大肠杆菌，在四环素和卡那霉后转化大肠杆菌，在四环素和卡那霉素双抗性的平板上检查重组情况，同素双抗性的平板上检查重组情况，同时设计一些合理的对照实验。时设计一些合理的对照实验。第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿 质粒质粒DNA抗生素抗性的转化频率抗生素抗性的转化频率四环素四环素卡那霉素卡那霉素四环素四环素卡那霉素卡那霉素未用酶处理未用酶处理210511052102EcoR处理处理1.21041.11037101 EcoR+DNA连接酶连接酶1.21041.31035.7102表：质粒表：质粒pSC101 和和pS
30、C102混合混合DNA的的 大肠杆菌大肠杆菌C600的转化的转化第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿pSC101与与RSF1010的共整合的共整合:pSC109的构建的构建象象pSC101一样，质粒一样，质粒RSF1010上也只有一个上也只有一个EcoR切点，所以只要用切点，所以只要用EcoR分别处理质粒分别处理质粒RSF1010和和pSC101，然后用，然后用DNA连接酶将两个线性连接酶将两个线性DNA连接连接起来转化大肠杆菌，得到一个具有三种抗性的重组起来转化大肠杆菌，得到一个具有三种抗性的重组质粒质粒 四环素抗性、链霉素抗性、磺胺抗性。四环素抗性、链霉素抗性、磺胺抗性。这种重组
31、说明两个复制子能够重组，并能在细胞内这种重组说明两个复制子能够重组，并能在细胞内表达。表达。第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿 3.2.3 3.2.3 基因操作基因操作的基本过程和特点的基本过程和特点基因操作的基本过程基因操作的基本过程 涉及的过程可用分涉及的过程可用分/合成、合成、切、连、转、选、鉴六个字表示。切、连、转、选、鉴六个字表示。第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿外源外源基因基因的克的克隆与隆与表达表达第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿基基因因工工程程的的技技术术组组合合第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿基因工程的特点基因工程的特点基
32、因工程有两个基本的特点基因工程有两个基本的特点分子水平上的操分子水平上的操作和细胞水平上的表达作和细胞水平上的表达。基因工程技术的诞生使人们能够在试管里进行基因工程技术的诞生使人们能够在试管里进行分子水平上的操作，象一项工程那样，进行按分子水平上的操作，象一项工程那样，进行按图施工的操作，构建在生物体内难以进行的重图施工的操作，构建在生物体内难以进行的重组体，然后将重组的遗传物质引入相应的宿主组体，然后将重组的遗传物质引入相应的宿主细胞，让其在宿主细胞中进行工作。细胞，让其在宿主细胞中进行工作。这实际上是进行无性繁殖，即克隆，所以基因这实际上是进行无性繁殖，即克隆，所以基因工程通常又称为基因克隆工程通常又称为基因克隆。2022-8-17第三章基因工程部分PowerPoint演示文稿
