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1、生命科学导论,石河子大学生命科学学院College of Life Science，Shihezi University,王绍明,基因与基因工程,一、基因的基本知识二、基因工程的原理三、基因工程技术的应用四、人类基因组计划,基因与基因工程,一、基因的基本知识,基因的概念,1.孟德尔遗传因子2.基因位于染色体上3.DNA与染色体的关系4.从DNA到蛋白质5.DNA与性状,生命最重要的本质之一是性状特征自上代传至下代遗传。今天，从遗传学研究衍生出来的基因工程技术，已构成生物技术的核心，在实际应用中显示出极大的潜力。,在孟德尔以前，人们看到遗传现象，猜想遗传是有规律的，甚至在农牧业育种中实际运用了遗
2、传规律，但是，一直找不到研究遗传规律的恰当方法。,孟德尔学说奠定了遗传学基础,孟 德 尔(1822-1884),孟德尔（18221884）从 1856 年起开始豌豆试验。孟德尔的基本方法是杂交。经过近 10 年的潜心研究，孟德尔发表了他的研究报告。其内容可概括两个定律。,1.孟德尔遗传因子,基因的概念,豌豆杂交操作,孟德尔研究的七对性状,孟德尔学说的重要意义,（1）孟德尔第一次明确提出遗传因子的概念,并且提出了遗传因子控制遗传性状的若干规律：,大多数生物体通常由 一对遗传因子（后来称为两个等位基因）控制同一性状。这样的生物体称为 2n 个体。遗传因子可以区分为显性和隐性。控制不同性状的遗传因子
3、是各自独立的。,孟德尔提出了杂交、自交、回交等一套科学有效的遗传研究方法，来研究遗传因子的规律。孟德尔创立的这套方法一直沿用到 1950s，才被分子遗传学方法取代。,基因是一段 DNA 序列,“遗传因子/基因”的设想一经提出，便推动人们去寻找，去探索 基因在哪里？基因是什么？,基因在染色体上,显微镜技术与染色技术的发展，使人们注意到，细胞分裂时，尤其是减数分裂中，染色体的行为和孟德尔提出的等位基因的分离规律相当一致，所以，确定基因在细胞核中，在染色体上。,摩尔根实验室用果蝇为材料的工作，确定了基因在染色体上的分布规律（基因的连锁与互换定律）。,果蝇有 4 对染色体,2.基因位于染色体上,基因的
4、概念,野生果蝇没有现成的成对性状摩根在长期饲养中找到各个性状的突变株。,控制不同性状的等位基因,在2#染色体上的位置,触须长/短,身体灰/黑,眼睛红/紫,翅长/短,减数分裂时发生：染色体交叉/基因重组。,g 身体,c 眼睛,l 翅,灰/黑,红/紫,长/短,基因重组服从这样的规则：两个基因在染色体离得越远，重组频率越高；两个基因在染色体上离得越近，重组频率越低。,重 组 频 率,3.染色体与DNA的关系,基因的概念,同源染色体分别带着控制,同一性状的两个等位基因,显性等位基因 纯合子,隐性等位基因 纯合子,杂合子,遗传物质是 DNA,各方面的实验证据表明，基因的化学本质不是蛋白质，而是 DNA。
5、格里菲斯的实验（1928）证明遗传物质可以转化进入细菌，改变细菌特性。后来爱弗莱的实验（1944）证实，进入细菌改变特性的遗传物质是 DNA，而不是蛋白质。,肺炎双球菌有多糖荚膜,可致病的S型,不致病的R型,活 S,死 S,死 S,活 R,活 R,格里菲斯的转化实验,格里菲斯的肺炎双球菌转化实验,分别用放射性同位素标记噬菌体,35S标记蛋白质,32P标记 DNA,35S 标记外壳蛋白质,感染后放射标记不进入大肠杆菌细胞,32P 标记 DNA,感染后放射标记进入大肠杆菌细胞,爱弗莱证实转化物质是 DNA,华生和克里克提出 DNA 双螺旋模型。,DNA 双螺旋模型说明 DNA 分子能 够充当遗传的
6、物质基础。按照双螺旋模型，在细胞分裂时，DNA 的合成应是“半保留复制”的模式。,DNA双螺旋模型,DNA的半保留复制,DNA在自我复制的过程中，两条双链打开，以形成的两条单链为模板，各自合成一条与之互补的新链。新形成的两条双链DNA中各含有一条旧链和一条新链，所以称为半保留复制。,半保留复制,证实半保留复制的实验,细菌培养在含15N 的培养基 中,细菌培养在含14N 的培养基中,一代,两代,4.从DNA到蛋白质,DNA,前体RNA,mRNA,多肽链,基因的概念,5.DNA与性状,基因的概念,基因在遗传中的作用,性状是由基因与环境共同作用的结果,基因在遗传中的作用,基因理论中的许多复杂情况,以
7、孟德尔学说为开端的遗传理论，发展到以 DNA 分子结构为基础的分子遗传学，使我们对遗传规律有了确切的理解。应该看到，实际上生命世界的遗传现象远比上面谈到的要复杂得多。,一个基因一个性状？不一定。例如肤色的控制至少有三个基因参与。基因决定性状，环境还起不起作用？在基因型确定的基础上,环境常常会影响表型。,人的肤色至少由三个基因控制,产生黑色素的酶在较 高温度下失活，所以毛色在端点位置体温较低处呈黑色,环境影响表型,基因与基因工程,二、基因工程的原理,DNA作为遗传物质的功能,（1）贮藏遗传信息的功能（2）传递遗传信息的功能（3）表达遗传信息的功能 由此，克里克提出中心法则,确定遗传信息由 DNA
8、 通过 RNA 流向蛋白质的普遍规律。,中心法则遗传信息储存在DNA中，DNA通过转录生成 mRNA，mRNA再通过翻译生成蛋白质，从而完成遗传信息的表达过程。,中心法则,转录,翻译,复制,细菌细胞（原核）的基因表达,动物植物（真核）细胞中的基因表达,什么是基因工程,基因工程又叫做基因拼接技术或DNA重组技术。是在生物体外，通过对DNA分子进行人工“剪切”和“拼接”，对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生出人类所需要的新的生物类型和生物产品,DNA重组技术的基本工具,是在生物体外，通过对DNA分子进行人工“剪切”和“拼接”，对生物的基因
9、进行改造和重新组合，然后导入受体细胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生出人类所需要的新的生物类型和生物产品,分析概念：,工具,为什么要加工,什么是表达,用什么导入,基因工程技术的基本工具,DNA分析技术（测序）DNA分解技术（酶切）DNA合成技术（聚合链式反应）DNA导入与转化技术（载体-质粒等）,基因操作的工具,基因的剪刀（分子手术刀）限制性核酸内切酶（限制酶）基因的针线（分子缝合针）DNA连接酶基因的运输工具（分子运输车）运载体,到哪里去寻找这种酶,（1）限制酶,分布：主要在原核生物中。作用特点:专一性，识别特定核苷酸序列，切割特定切点。结果：产生黏性未端和平末端 举例：Ec
10、oR1限制酶、Sma1限制酶,与我们学过的DNA酶相同吗？,识别序列的特点,作用是什么,两者的区别,这两种酶切的特点,切断的是什么键,限制酶的识别特点,以中轴线双侧的DNA上碱基呈反向对称，重复排列 如：GAA TTC CCC GGG CTT AAG GGG CCC,（2）DNA连接酶,连接的部位：磷酸和脱氧核糖之间的键：磷酸二酯键（梯子的扶手）结果：两个相同的未端的连接。举例：Ecoli DNA连接酶 T4 DNA连接酶,与DNA聚合酶相同吗,二者在性质上的区别,作用：将外源基因送入受体细胞。具备的条件：能在宿主细胞内复制 并稳定地保存。具有多个限制酶切点。具有某些标记基因 对受体细胞无害
11、举例：质粒、噬菌体 和动植物病毒。,为什么要具备这些条件,运载体,基因工程的基本操作,将外源基因（又称目的基因，是一段 DNA 片断）组合到载体 DNA 分子中去，再把它转到受体细胞（亦称寄主细胞）中去，使外源基因在寄主细胞中增殖和表达，从而得到期望的由这个外源基因所编码的蛋白质。,（1）获得目的基因,到哪里去找目的基因？一般来说，人的基因，要从人体的组织细胞中去找；小鼠的基因要从小鼠的组织细胞中去找。从组织细胞中可以分离得到人/小鼠的全套基因，称为基因文库。文库中基因总数 就人来说约有 3 万个基因。如何从中把需要的基因找出来？采取“钓”的办法。这个办法通常称为印迹法。,（2）目的基因的扩增
12、,用上面的方法“钓”出的目的基因，数量极少，所以，接下来必须经过扩增，亦称为基因克隆。获得相当数量的目的基因后，才能继续下一步操作。,PCR 把寻找目的基因和扩增目的基因两步操作并成一步。,PCR 法，全称多聚酶链式反应，是近年来开发出来的基因工程新技术，它的最大优点是把目的基因的寻找和扩增，放在一个步骤里完成。,P C R操作流程,90 0 C,50 0 C,70 0 C,（3）构造重组 DNA 分子,首先要有载体。载体有好几种，常用的有：质粒环状双链小分子DNA，适于做小片断基因的载体。噬菌体DNA线状双链DNA，适于做大片断基因的载体。,用质粒构建重组DNA分子,用噬菌体DNA构建重组D
13、NA分子,（4）转化/转染,把构造好的重组 DNA 分子送进寄主细胞，亦需要适当的技术方法。若受体细胞是细菌，通常称转化；若受体细胞是 动/植 物细胞，通常称转染。,（5）目的基因表达及蛋白质分离,进入到寄主细胞的目的基因还要能表达产生有活性的目的蛋白，这些目的蛋白可以是某种蛋白质药物，也可以表达某种抗性性状（如植物的抗病性和抗旱性）。蛋白质的分离纯化生物分离技术,重组 DNA 分子进入寄主细胞后，其中的目的基因能否表达，表达效率高低，还有很大差别。表达通常是指目的基因编码的蛋白质合成。基因工程的最后一步，是把所获得的蛋白质分离纯化，得到蛋白质产品。,基因工程的基本操作程序,为什么要获得目的基
14、因,为什么要把目的基因与载体结合,受体细胞是指什么,为什么要进行检测,基因与基因工程,三、基因工程技术的应用,基因工程的应用,生产基因工程产品的,生物反应器,在医学上的应用 基因工程被用于大量生产过去难以得到或几乎不可能得到的蛋白质肽类药物。,胰岛素1000 磅牛胰 10 克胰岛素200 升发酵液 10 克胰岛素,干扰素1200 升人血 23 万美元/病人 1 升发酵液 200300 美元/病人,提高奶酪产量,生产奶酪的凝乳酶传统上来自哺乳小牛的胃。现在可以通过基因工程办法，用酵母生产凝乳酶，大量用于奶酪制造。,转基因动物和植物,转基因动物首先在小鼠获得成功。“乳腺反应器”工程：转基因动物技术
15、已用于牛、羊，使得从 牛/羊 奶中可以生产蛋白质药物。转基因植物亦已在大田中广为播种。,转基因植物获得新的性状,把大鼠生长因子转入小鼠,得到巨大型的转基因小鼠。,工程菌在环境工程中应用,美国 GE 公司构造成功具有巨大烃类分解能力的工程菌，并获专利，用于清除石油污染。,喷洒工程菌清除石油污染,无冰晶细菌帮助草莓抗霜冻,蛋白质工程的崛起,蛋白质工程的概念 是研究蛋白质的结构及结构与功能的关系，然后人为地设计一个新蛋白质，并按这个设计的蛋白质结构去改变其基因结构，从而产生新的蛋白质。或者从蛋白质结构与功能的关系出发，定向地改造天然蛋白质的结构，特别是对功能基因的修饰，也可以制造新型的蛋白质。,蛋白
16、质的改造,干扰素在体外保存困难玉米中赖氨酸含量比较低,将分子中的一个半胱氨酸转变成丝氨酸,第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸,第352位的苏氨酸变成异亮氨酸,二、蛋白质工程的基本原理,天然蛋白质的合成过程时怎样的？,遵循中心法则，并需经过高级空间结构的转变,蛋白质工程的途径,预期蛋白质功能,设计蛋白质结构,推测氨基酸序列,相应的脱氧核苷酸序列（基因）,投入生产,依赖于什么工程,根据什么预期,包括哪些方面的结构,依据是什么,讨论：某多肽链的一段氨基酸序列是：丙氨酸色氨酸赖氨酸甲硫氨酸苯 丙氨酸（1）怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把相应的碱基序列写出来。有多少种？（2）确定目的基因的碱基
17、序列后，怎样才能合成或改造目的基因（DNA）？,蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程的不同,基因工程是遵循中心法则，从DNAmRNA蛋白质折叠产生功能，生产出自然界已有的蛋白质。蛋白质工程是确定蛋白质的功能蛋白质应有的高级结构蛋白质应具备的折叠状态应有的氨基酸序列应有的碱基排列，创造自然界不存在的蛋白质。,蛋白质工程的进展和前景,1、蛋白质工程的诞生是有其理论与技术条件的，它是随着分子生物学、晶体学以及计算机技术的发展而诞生的，与基因组学、蛋白质组学、生物信息学的发展等因素有关 2、现状：成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥其功能需要依赖于正确的空间结构，而科学家目前对大多数蛋白质的空间结构了解很少。,酶工程简介,酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用，借助工程学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环境保护等方面的一门科学技术。由酶制剂的生产和应用两方面组成的。酶工程通常是用工程菌生产酶制剂，重点在于对已存酶的合理充分利用。蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白质分子的改造。随着蛋白质工程的发展，其成果也会应用到酶工程中，使酶工程成为蛋白质工程的一部分。,基因与基因工程,四、人类基因组计划,
