1、基因工程概况基因工程概况参考书基因工程（第二版）基因工程（第二版）孙明孙明 高等教育出版社高等教育出版社基因工程原理 吴乃虎基因工程概论 张惠展分子克隆生物学期刊杂志网络上的各种技术相关视频思考题1.请问你对遗传学上所说的杂交的理解是？2.为何要杂交？3.杂交后代有何优势？4.传统育种杂交中亲代的选择是？能能发发光光的的水水母母不能发光的热带斑马鱼不能发光的热带斑马鱼能发能发荧光荧光的热的热带斑带斑马鱼马鱼普通热带斑马鱼是不发荧光的普通热带斑马鱼是不发荧光的抗抗虫虫害害的的玉玉米米抗虫棉抗虫棉能产能产生人生人胰岛胰岛素的素的大肠大肠杆菌杆菌糖尿病糖尿病是一组以高血糖为特征的代谢性疾病。高血糖则
2、是由于胰岛素分泌缺陷或其生物作用受损，或两者兼有引起。中国糖尿病患者人数高达1.14亿胰岛素每100kg 猪或牛的胰腺中提取 45g胰岛素1979年，利用大肠杆菌的DNA分子重组，2000L培养液提取100g，相当于2吨猪胰腺中提取的量 胰岛素是治疗糖尿病的特效胰岛素是治疗糖尿病的特效药，长期以来只能依靠从猪、牛药，长期以来只能依靠从猪、牛等动物的胰腺中提取，等动物的胰腺中提取，100Kg100Kg胰腺胰腺只能提取只能提取4-5g4-5g的胰岛素，其产量的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。之低和价格之高可想而知。将合成的胰岛素基因将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每导入大肠杆菌，每2000L
3、2000L培养液就能产生培养液就能产生100g100g胰岛胰岛素！大规模工业化生产不素！大规模工业化生产不但解决了这种比黄金还贵但解决了这种比黄金还贵的药品产量问题，还使其的药品产量问题，还使其价格降低了价格降低了30%-50%!30%-50%!干扰素干扰素 一千克纯的干扰素价值可达一千克纯的干扰素价值可达440亿美元。亿美元。传统生产方法：传统生产方法：血液中提出白细胞，然血液中提出白细胞，然后用病毒去感染它，这时会产生干扰素，后用病毒去感染它，这时会产生干扰素，1个细胞最多生产个细胞最多生产1001000个干扰素分子个干扰素分子 基因工程：基因工程：改造的大肠杆菌发酵生产：改造的大肠杆菌发
4、酵生产：一天内便可生产一天内便可生产20万个干扰素分子。万个干扰素分子。1KG培培养物中可以得到养物中可以得到2040mg干扰素干扰素现在市面上销售干扰素价格现在市面上销售干扰素价格爱尔兰先灵葆雅公司 100g 支 1600；上海罗氏制药有限公司 180ug/ml*0.5ml 瓶 1350；安达芬注射用重组人干扰素-2a 安徽安科生物（集团）股份有限公司 600万IU 支 52；迪恩安注射用重组人干扰素-2a 辽宁卫星生物制品研究所（有限公司）600万IU 支 76.5；福康泰注射用重组人干扰素-2a 长春生物制品研究所 100万单位 支 19.4；福康泰注射用重组人干扰素-2a 长春生物制品
5、研究所 300万iu 支 42.2。干扰素治疗病毒感染简直干扰素治疗病毒感染简直是是“万能灵药万能灵药”！过去从人血！过去从人血中提取，中提取，300L300L血才提取血才提取1mg1mg！其其“珍贵珍贵”程度自不用多说。程度自不用多说。人造血液、白细胞人造血液、白细胞介素、乙肝疫苗等通过介素、乙肝疫苗等通过基因工程实现工业化生基因工程实现工业化生产，均为解除人类的病产，均为解除人类的病苦，提高人类的健康水苦，提高人类的健康水平发挥了重大的作用。平发挥了重大的作用。人造血液及其生产人造血液及其生产思考：思考：1、为什么能把一种生物的基因、为什么能把一种生物的基因“嫁接嫁接”到另一种生物上？到另
6、一种生物上？2、推测这种、推测这种“嫁接嫁接”怎样能实现？怎样能实现？3、这种、这种“嫁接嫁接”对品种的改良有什么意对品种的改良有什么意义？义？主要内容1.基因工程的基本概念2.基因工程的理论依据3.基因操作的基本步骤4.基因工程的发展历史5.基因工程研究内容6.转基因生物与转基因食品的安全性1.基因工程的基本概念重组重组DNADNA技术技术 重组DNA技术是指将一种生物（供体）的基因与载体在体外进行拼接重组，然后转入另一种生物体（受体）内，使之按照人们的意愿稳定遗传并表达出新产物或新性状的DNA体外操作程序，也称为分子克隆技术。因此，供体、受体、载体供体、受体、载体是重组DNA技术的三大基本
7、元件基因工程含义基因工程含义 基因工程（Gene EngineeringGene Engineering）：利用DNA体外重组或PCR扩增技术从某种生物基因组中分离靶基因,或是用人工合成的方法获取基因,然后经过一系列切割,加工修饰,连接反应形成重组DNA分子,再将其转入适当的受体细胞,以期获得基因表达的过程.基因工程基因工程指重组DNA技术的产业化设计与应用，包括上游技术上游技术和下游技术下游技术两大组成部分。上游技术指的是基因重组、克隆和表达的设计与构建（即重组DNA技术）；而下游技术则涉及到基因工程菌或细胞的大规模培养以及基因产物的分离纯化过程。二、基因工程的理论依据二、基因工程的理论依据
8、 不同的基因具有相同的物质基础相同的物质基础 基因是可以切割可以切割的 基因是可以转移可以转移的 多肽与基因间存在对应关系对应关系 遗传密码是通用通用的 基因可以通过复制把遗传信息传递传递到下一代三基因操作的基本步骤三基因操作的基本步骤1）提取提取目的基因目的基因2）目的基因）目的基因与运载体结合与运载体结合3）将目的基因）将目的基因导入导入受体细受体细胞胞4）目的基因的）目的基因的检测检测和和表达表达四四 基因工程的发展历史基因工程的发展历史1 1）准备阶段 19世纪中 孟德尔 豌豆杂交试验 遗传因子遗传因子 经典遗传学 20世纪初 莫尔根 果蝇杂交试验 基因基因 基因学 1944年 艾弗瑞
9、 肺炎双球菌转化实验 遗传物质遗传物质DNADNA 1953年 沃森克瑞克 DNA双螺旋结构 搞清了遗搞清了遗传物质的分子机制传物质的分子机制 1958年至1971年确立中心法则，破译64种遗传密码使遗传学在分子水平上得到解释使遗传学在分子水平上得到解释。1972 1972 年美国Berg,Jackson Berg,Jackson 等人将猿猴病基因组 SV40 DNA,SV40 DNA,噬菌体基因，大肠杆菌半乳糖操纵子，体体外重组外重组获得成功。四 基因工程的发展历史2 2）问世阶段问世阶段 1973 1973 年美国斯坦福大学 Cohen,Boyer Cohen,Boyer 等，在体外构建含
10、有 四环素，链霉素，两个抗性基因的重组质粒分子,导入大肠杆菌后稳定复制，赋予受体 细胞 相应 抗生素抗性。同时与别人合作将非洲爪蟾含核糖体基因的DNA片段与质粒重组，转化大肠杆菌，转录出相应的RNA -（宣告基因工程诞生）KanrTetrEcoRIEcoRIEcoRIpSC101R6-5EcoRIEcoRIligaseEcoRIEcoRIKanrTetr四 基因工程的发展历史3 3）发展阶段）发展阶段19781978年美国GenentechGenentech公司利用重组大肠杆菌合成人胰島人胰島素素的先进生产工艺-（揭开基因工程产业化的序幕）19831983年，携带有细菌新霉素抗性基因的重组重组
11、Ti Ti 质粒质粒转化 植物细胞获得成功。19901990年，美国科学家对一名因腺苷脱氨酶基因缺陷患有重度联合免疫缺陷症的儿童进行基因治疗基因治疗获得成功。-（分子医学新纪元）四 基因工程的发展历史19911991年，美国倡导在全球实施人类基因组计划人类基因组计划，用1515年时间斥资3030亿美元，完成 1212万50005000个人类基因的全部测序工作。19971997年，英国科学家利用体细胞克隆技术复制出“多利多利”绵羊绵羊。-（人类可以在实验室进行复制自身的尝试）20052005年，邓宏魁，丁明孝教授 克隆小白鼠克隆小白鼠在中国属首例。2006.12 2006.12 美国允许将克隆动
12、物肉和奶制品动物肉和奶制品进入市场,可以不作标记.但受百姓质疑.克隆动物肉和奶制品将摆上百姓餐桌五、基因工程研究内容u基础研究基础研究 基因工程克隆载体载体的研究 基因工程克隆受体受体的研究 目的基因基因的研究 基因工程工具酶工具酶的研究 基因工程新技术新技术研究u应用研究应用研究 基因工程药物药物研究 转基因植物植物研究 转基因动物动物研究 基因治疗 其他方面其他方面的应用研究载体概念概念：通过不同途径能将承载的外源承载的外源DNADNA片段片段（基因）带入受体细胞，并在其中得以维持的DNA分子称为DNA克隆载体或基因克隆载体。举例：举例：pET系列载体 T载体 pBR322等受体细胞概念概
13、念：受体细胞也称为宿主细胞或寄主细胞，从技术上讲是能摄取外源DNA并使其稳定维持的细胞；从实验目的上讲是有运用价值和理论研究价值的细胞。举例举例：原核生物（大肠杆菌大肠杆菌；蓝藻）真核生物（酵母菌酵母菌；植物；动物）目的基因基因是一种资源资源，且是一种战略资源战略资源基因工程研究的任务是开发人们特许需要的基因产物基因组计划：从1990年开始，耗费30亿，由美国、英国、日本、德国、法国和中国一起完成，我国承担基因组1的测序任务。2000年6月26日是人类历史上值得纪念的一天。人类基因组的工作草图已经绘制完毕并于这天向全世界公布。最终完成图要求测序所用的克隆能忠实地代表常染色体的基因组结构，序列错
14、误率低于万分之一序列错误率低于万分之一。工具酶概念：体外进行DNADNA合成合成、切割、修饰和连接切割、修饰和连接等系列过程中所需要的酶，包括DNA聚合酶、限制性核酸内切酶、修饰酶和连接酶等。举例:DNA聚合酶（Taq酶，pfu酶）限制性内切酶（Hind III、Sal I、Kpn I）连接酶（T4连接酶）修饰酶（碱性磷酸酶）新技术核酸凝胶电泳技术核酸分子杂交技术细菌转化转染技术DNA序列分析技术寡核苷酸合成技术基因定点突变技术聚合酶链反应（PCR）技术药物研究1.基因工程激素类药物（胰岛素；生长激素；促卵泡激素）2.基因工程细胞因子类药物（干扰素；集落刺激因子；白介素；肿瘤坏死因子；趋化因子
15、等）3.基因工程抗体（抗肿瘤、抗感染、防止器官移植中的排斥反应等）4.基因工程受体（细胞因子受体；免疫球蛋白受体；补体受体；抗原受体）5.基因工程疫苗（细菌疫苗；病毒疫苗；核酸疫苗；其他疫苗）我国生产的部分基因我国生产的部分基因工程疫苗和药物工程疫苗和药物许多药品的生产许多药品的生产是从生物组织中提取是从生物组织中提取的。受材料来源限制的。受材料来源限制产量有限，其价格往产量有限，其价格往往十分昂贵。往十分昂贵。微生物生长迅速，容易控制，适于大规模微生物生长迅速，容易控制，适于大规模工业化生产。若将生物合成相应药物成分的基工业化生产。若将生物合成相应药物成分的基因导入微生物细胞内，让它们产生相
16、应的药物，因导入微生物细胞内，让它们产生相应的药物，不但能解决产量问题，还能大大降低生产成本。不但能解决产量问题，还能大大降低生产成本。产品名称菌株或细胞应用人胰岛素大肠杆菌人生长激素大肠杆菌表皮生长因子大肠杆菌白细胞介素-2大肠杆菌a干扰素酵母菌乙型肝炎疫苗酵母菌溶血栓剂哺乳动物 细胞治疗糖尿病治疗糖尿病治疗生长缺陷症治疗生长缺陷症治疗烫伤、胃溃疡治疗烫伤、胃溃疡治疗某些癌症治疗某些癌症治疗癌症或病毒感染治疗癌症或病毒感染预防病毒性肝炎预防病毒性肝炎治疗心血管病治疗心血管病（心脏病）（心脏病）天竺葵香茅醛天竺葵香茅醛转基因龙胆花色奇异转基因龙胆花色奇异转基因植物研究1983年，转基因烟草和转
17、基因马铃薯获得成功转基因的目的：提高植物抗性 改良作物品质 作为生物反应器生产有用化合物举例：1.提高植物抗性 抗病毒方面，将病毒外壳蛋白基因转入植株中，是植物获得抗病毒的能力。1986年首先将TMV外壳蛋白导入烟草和番茄中。见图抗抗CMV病毒转基因番茄病毒转基因番茄 烟草烟草l甜椒在栽培的过程中，容易受病毒的感染。我国科学工作者，采用转基因技术，培育出抗病毒的甜椒。抗抗CMV病毒转基因甜椒病毒转基因甜椒转基因植物研究1.提高植物抗性 抗细菌和真菌细菌和真菌从抗病植物中克隆出抗病基因再导入易感病植物中，从而提高后者的抗病性。如：抗白粉病、赤霉病和黄矮病的小麦或将抗菌肽转入植株转基因植物研究1.
18、提高植物抗性抗虫方面抗虫方面将抗虫基因导入易感植物中提高植物的抗虫性 苏云金杆菌的Bt杀虫蛋白基因；胰蛋白酶抑制基因；凝集素基因抗虫棉花抗虫棉花由中国农科院生物工程中心开发的Bt棉对棉铃虫有显著的抗性。与对照相比减少农药用量80，并减少用工150个/hm2，以上两者可使每公顷节省1500元，Bt转基因棉种深受棉农的欢迎。如今中国北部地区的棉花有如今中国北部地区的棉花有95%95%都已经都已经是转基因的了，只有新疆北部地区还在种是转基因的了，只有新疆北部地区还在种植非转基因棉花。植非转基因棉花。.我国大豆食用油近七成是我国大豆食用油近七成是“转基因转基因”产品产品 转基因植物研究1.提高植物抗性
19、 抗除草剂改变除草剂靶物的敏感性或导入编码除草剂的解毒酶基因 如：将除草剂草甘膦的靶酶（EPSPS）的cDNA转入油菜，使油菜对草甘膦的抗性提高4倍；将bar基因、bxn基因、tfdA基因导入作物提高抗性抗除草剂大豆抗除草剂大豆抗除草剂作物抗除草剂作物转基因植物研究1.提高植物抗性 抗旱、抗寒、抗热和抗盐转基因番茄转基因番茄 1994年，美国政府批准了他们研制成功抗干旱、早熟、保鲜的转基因番茄商品化之后，我国也相继成功培育出优良品种的转基因番茄，以满足人们的需求。转鱼抗寒基转鱼抗寒基因的番茄因的番茄转基因植物研究2.改善植物品质 通过转基因技术改变植物中氨基酸组成和含量，提高植物的品质 我国科
20、学工作者，用转基因技术，可以转变矮牵牛花的花色，使矮牵牛花的花色更加丰富多彩。样品比较（左为普通棉花，右为兔毛转基因棉花样品比较（左为普通棉花，右为兔毛转基因棉花）转基因小麦转基因小麦 从植物体中分离出合成赖氨酸的基因，把这基因转入小麦植株中，培育出转基因小麦。用这种转基因小麦制造出来的面粉，更适合用来烤面包，而且面粉中赖赖氨酸含量高，这种面包的营氨酸含量高，这种面包的营养价值高。养价值高。转基因玉米 玉米是主要粮食之一，又可以提炼油脂，也可以用作食品和工业的原料以及作饲料，浑身是宝。人们称它是含金的植物。如今培育出转基因玉米，品质更好，产量更高。转基因油菜转基因油菜 油菜是人们食用油的主要来
21、源之一。油菜是人们食用油的主要来源之一。一般油菜籽的含油量约为一般油菜籽的含油量约为4040左右。左右。通过转基因技术，培育出来的油菜籽，通过转基因技术，培育出来的油菜籽，可以大大地提高它的出油率。而且油可以大大地提高它的出油率。而且油的纯度质量更好。的纯度质量更好。转基因水稻转基因水稻转基因动物改良家畜、家禽和鱼的经济性状，或通过转基因动物生产某些药物和蛋白质等。如：将牛的基因导入猪体内 美国弗吉尼亚技术制药工程研究院培育转基因猪，其体内含有人类的基因，产乳后其乳汁含有人体蛋白fator。据估计，只需300600只这样的母猪就能满足全世界对这种蛋白的需求。导入人基因具特殊用途的猪和小鼠导入人
22、基因具特殊用途的猪和小鼠特殊特殊动物动物 图为图为20012001年年1212月底出生的月底出生的5 5只可爱的转只可爱的转基因克隆小猪。据培育者英国基因克隆小猪。据培育者英国PPLPPL医疗公司医疗公司称，这些转基因小猪将为研究和称，这些转基因小猪将为研究和“生产生产”适适用于人体移植手术使用的动物器官提供巨大用于人体移植手术使用的动物器官提供巨大的帮助。的帮助。世界上第一只转基因动物世界上第一只转基因动物通过转基因技术可以通过转基因技术可以使绵羊产生更多更好使绵羊产生更多更好的毛，甚至可以使绵的毛，甚至可以使绵羊产出不同色彩的羊羊产出不同色彩的羊毛毛基因治疗1.定义基因治疗即利用基因工程技
23、术治疗人类遗传学疾病。正常的人类基因可以通过克隆并引入遗传病患者的体细胞，以替代、修复或纠正有缺陷的基因。通常使用一种反转录病毒作为基因治疗的转移系统，重组载体可以感染人的组织和细胞，但不自我复制。19901990年年9 9月月1414日，安德森对一例患日，安德森对一例患ADAADA缺乏症的缺乏症的4 4岁女孩进岁女孩进行基因治疗。这个行基因治疗。这个4 4 岁女孩由于遗传基因有缺陷，自身不岁女孩由于遗传基因有缺陷，自身不能生产能生产ADAADA，先天性免疫功能不全，只能生活在无菌的隔离，先天性免疫功能不全，只能生活在无菌的隔离帐里。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
24、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，同时也接受酶治疗。1991年1月，另一名患同样病的女孩也接受了同样的治疗。两患儿经治疗后，免疫功能日趋健全，能够走出隔离帐，过上了正常人的生活，并进入普通小学上学。其他方面的应用1.酶制剂工业 传统来源：动植物或微生物 基因工程：将基因导入大肠杆菌，发酵获得 2.环境污染的检测与治理 工业生产导致环境污染，将降解有机污染物的基因导入大肠杆菌中，分解有机物，净化环境。环境监测：环境监测：基因工程做成的基因工程做成的DNADNA探针能够十分灵敏地检探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细
25、菌等污染。测环境中的病毒、细菌等污染。1t1t水中只有水中只有1010个病毒也能被个病毒也能被DNADNA探针检测出来探针检测出来利用基因工程培育的利用基因工程培育的“指示生物指示生物”能十分能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。环境污染治理：环境污染治理：基因工程做成的基因工程做成的“超级细菌超级细菌”能吞食和分能吞食和分解多种污染环境的物质。解多种污染环境的物质。通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程培育成
26、功的工程培育成功的“超级细菌超级细菌”却能分解石油中的多种烃却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDTDDT等毒害物质等毒害物质。其他方面的应用3.食品工业 通过基因重组使各种转基因生物提高生产谷氨酸、调味剂、酒类等有机物的产率或提高利用价值。4.化学工业方面 构建工程菌株，发酵过程提高丙酮、醋酸、丙烯酸、酒精等有机物的转化效率，达到提高产量，降低成本等目的。20062006年年3 3月月1414日日绿色和平组织发布消绿色和平组织发布消息息,称亨氏营养米粉含有转称亨氏营养米粉含有转BtBt基因抗虫水基因抗虫水稻成分。
27、稻成分。那么转基因那么转基因食品到底安全吗？食品到底安全吗？什么样的转基因什么样的转基因食品才能上市？食品才能上市？如何面对市场上如何面对市场上的转基因食品的转基因食品呢？呢？美科研机构对72名中国儿童做转基因食品试验 2012年8月1日发布于美国临床营养学杂志的论文公布了其对24名中国湖南省儿童进行转基因大米人体试验的结果。美国的这项研究共选取了72名六到八岁的健康儿童，受试儿童全部是湖南省衡阳市一所小学的学生。研究者令其中24名儿童在21天的时间里每日午餐进食60克黄金大米，并对其体内维生素A含量进行检测，得出的结论是黄金大米与维生素A胶囊效果相当。该项研究旨在检验美国先正达公司研制的转基
28、因“黄金大米”对补充人体维生素A的作用。两种观点两种观点不安全：证据不安全：证据 安全：证据安全：证据http:/ 1、转基因食品与非转基因食品的构、转基因食品与非转基因食品的构成是一样的；成是一样的；2 2、减少农药使用、减少环境污染；、减少农药使用、减少环境污染；3 3、节省生产成本，降低粮食售价；、节省生产成本，降低粮食售价；4 4、增加食品营养、提高食品产量等。、增加食品营养、提高食品产量等。不安全观点：不安全观点：1 1、可能产生抗除草剂的超级杂草；、可能产生抗除草剂的超级杂草；2 2、可能使疾病的散播跨越物种障碍；、可能使疾病的散播跨越物种障碍；3 3、可能损害农作物的生物多样性；
29、、可能损害农作物的生物多样性；4 4、认为创造新物种，可能干扰生态、认为创造新物种，可能干扰生态系统的稳定性；系统的稳定性；5 5、可能产生新毒素和新过敏源。、可能产生新毒素和新过敏源。课后问题1.1.重组重组DNADNA的含义是什么？的含义是什么？2.2.在在cohencohen构建有生物功能重组体的第一步实构建有生物功能重组体的第一步实验中，用验中，用EcoREcoR I I切割了切割了R6-5R6-5质粒，然后转化质粒，然后转化E.coliE.coli C600 C600，在卡那霉素抗性平板上筛选到，在卡那霉素抗性平板上筛选到了了pSC102pSC102，它是由，它是由R6-5R6-5的三个的三个EcoREcoR I I片段组片段组成，请推测这个质粒具有什么遗传特性？成，请推测这个质粒具有什么遗传特性？3.3.何为分子克隆？何为分子克隆？4.4.基因克隆是如何使含有单个基因的基因克隆是如何使含有单个基因的DNADNA片段片段得到纯化的？得到纯化的？5.5.比较遗传工程、基因工程和生物技术。比较遗传工程、基因工程和生物技术。
