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Welcome to Our Class Gene Engineering

Welcome to Our Class Gene Engineering. Elective Course for Biotechnology. 基因工程技术 Genetic Engineering. Zhong, Weihong, PhD Zhong, Li College of Biological & Environmental Engineering 2007-09-12. Contact us :. 0571-88320658 (0ffice) whzhong@zjut.edu.cn zhongli@zjut.edu.cn. Visit us at:

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Presentation Transcript

  1. Welcome to Our Class Gene Engineering

  2. Elective Course for Biotechnology 基因工程技术Genetic Engineering Zhong, Weihong, PhD Zhong, Li College of Biological & Environmental Engineering 2007-09-12

  3. Contact us : 0571-88320658 (0ffice) whzhong@zjut.edu.cn zhongli@zjut.edu.cn Visit us at: office C314 Zhiliang Building

  4. 课堂网站论坛 基因工程技术 教学网站 http://210.32.200.206/gene 留言版

  5. Text Books

  6. References: • 分子生物学与基因工程习题集 中山大学 王金发等 编著

  7. 课程考核方式: • 期末笔试, 80%; • 平时(课堂,网站), 20%;

  8. 何谓基因工程？ （1）相关基本概念 （2）基因工程的诞生 （3）基因工程主要内容

  9. 相关基本概念 • 遗传的物质基础是核酸（DNA或RNA）： 除了某些病毒或噬菌体是以RNA作为其遗传信息的载体绝大多数生物是以DNA分子为其遗传信息的载体。 • 中心法则： DNA以自身为模板进行复制，并通过RNA分子将遗传信息传递给蛋白质分子。其中利用DNA分子为模板合成RNA的过程叫转录；以RNA分子为模板合成蛋白质分子的过程叫翻译。复制，转录，翻译是中心法则的三个主要步骤。 • 基因： 是指DNA片段，是遗传信息的基本功能单位。

  10. 基因工程技术的诞生 • 1972年，美国斯坦福大学P. Berg等将新的遗传信息插入SV40病毒 DNA，标志着基因工程技术的诞生。 • 1973年，Cohen等构建了第一个有功能的重组DNA分子（DNA克隆）。 • 1977年，美国Boyer等人第一次使大肠杆菌产生了人脑的一种激素：生长激素释放抑制素。

  11. 基因工程主要内容 • 外源基因通过体外重组后而导入受体细胞内，使这个基因能在受体细胞内复制、转录、翻译表达的操作叫做基因工程，又称重组DNA技术，基因操作，基因克隆。 • 基因工程实施的四个必要条件：工具酶，基因，载体，受体细胞。 • 基因工程的两个基本特点：1.分子水平操作；2. 细胞水平表达。 • 克隆基因的目的：1.扩增DNA；2.获得基因产物；3.研究基因表达调控；4.改良生物的遗传性。

  12. 基因工程基本操作 • 目的基因的取得 • 载体的选择 • 目的基因与载体DNA的体外重组 • 重组载体引入受体细胞

  13. 有生产意义目的基因的取得 • 从适当的供体细胞（各种动植物及微生物均可选用）的DNA中分离； • 通过反转录酶的作用由mRNA合成cDNA (complementary DNA，即互补DNA)； • 由化学方法合成特定功能基因。

  14. 载体的选择(载体必备条件) • 是一个有自我复制能力的复制子（replicon）； • 能在受体细胞内大量增殖，即有较高的复制率； • 载体上最好只有一个限制性内切核酸酶的切口,使目的基因能固定地整合到载体DNA的一定位置上； • 载体上必须有一种遗传标记，以便及时把极少数“工程菌”或“工程细胞”选择出来。 • 原核受体细胞载体主要有细菌质粒（松弛型）和λ噬菌体两类。动物细胞载体主要有SV40病毒。植物细胞则主要是Ti质粒。

  15. 目的基因与载体DNA的体外重组 • 限制性核酸内切酶处理或人为地把DNA的3’－末端加上polyA或polyT，可使参加重组的两个DNA分子产生“榫头”和“卯眼”似的互补粘性末端。然后把两者放在较低温度混和“退火”。由于每一种限制性核酸内切酶所切断的双链DNA的粘性末端有相同的核苷酸组分，所以当两者相混时，凡粘性末端上碱基互补的片段，就会因氢键的作用而彼此吸引，重新形成双链。这时，在外界连接酶的作用下，供体的目的基因就与载体的DNA片段接合并被“缝补”（形成共价结合），形成一个完整的有复制能力的环状重组载体－嵌合体（chimaera）.

  16. 重组载体引入受体细胞 • 受体细胞可以是微生物细胞，也可以是动物或植物细胞。在所有受体细胞中，目前使用最广泛的还是微生物E.coli(大肠杆菌)，当然，另外两种微生物即Bacillus subtilis(枯草杆菌)和Sacchaomyces cerevisiae(酿酒酵母)也正被越来越多地用作基因工程中的受体。 • 重组载体DNA分子引入受体细胞的方法：若以重组质粒作载体时，可以转化的手段；若以病毒DNA作为重组载体时，则要用感染的方法。

  17. 基因工程的应用和发展前景 • 基因工程在工业上的应用； • 基因工程在农业上的应用； • 遗传工程在医疗上的应用； • 基因工程在环境保护中的应用； • 基因工程与基本理论研究。

  18. 基因工程在工业上的应用 • 抗生素生产基因工程菌； • 人胰岛素基因工程菌(体）； • 家蚕产丝蛋白基因工程菌(体） ； • 人或动物抗体、干扰素、激素或血细胞介素(interleukin)等的基因工程菌(体） ； • 基因工程疫苗； • 氨基酸高产基因工程菌； • 工业和医用酶制剂高产基因工程菌。

  19. 3-4g胰岛素 5mg “SRIH” 传统生产 100kg胰脏 50万头羊 基因工程菌生产 几升发酵液 10L发酵液 基因工程菌经济效益 SRIH: somatotropin releasing inhibitory hormone 生长激素释放抑制激素

  20. 基因工程在农业上的应用 • 固氮基因基因工程：以获得能独立固氮的新型作物品种。研究经费仅及发展氮肥工业以达到同样效果的1/200至1/2000；且更省事。 • 木质素分解酶或纤维素分解酶基因的酵母基因工程菌：利用稻草、木屑等地球上贮量大并可永续利用的廉价原料来直接生产酒精，为人类开辟一个取之不尽的新能源和化工原料来源； • 改良和培育农作物和家畜、家禽新品种：抗性基因工程（植物的抗盐、抗旱、抗病基因以及鱼的抗冻蛋白基因）等。

  21. 基因工程在环境保护中的应用 • 利用基因工程可获得同时能分解多种有物质的新型菌种。例如，1975年，有人把降解芳烃、萜烃和多环芳烃的质粒转移到能降解烃的Pseudomonas sp.（一种假单胞菌）内，结果获得了能同时降解四种烃类的“超级菌”，它能把原油中约三分之二的烃分解掉。这种新型“工程菌”在环境保护方面有很大的潜力。据报道，利用自然菌种分解海上浮油要花费一年以上的时间，而这种“超级菌”却只要几个小时就够了。

  22. 基因工程与基本理论研究 • 基因工程技术的发展，对生物学基本理论的研究起着巨大的推动作用，尤其在基因的结构和功能的研究方面，它可为研究者提拱足量的高纯度DNA样品，从而使过去望而生畏的DNA顺序分析研究工作简单化了。对真核生物的基因结构和表达、肿瘤的发生、细胞的分化和发育等重大生物学基本理论问题的解决也将作出新的贡献。

  23. 基因工程在医疗上的应用 • 已经发现的人类遗传病有三千多种。在更多地重视优生学的前提下，利用基因工程技术来治疗某些遗传病，已不是遥不可及的事情。很早就有人做过这方面的动物试验或离体试验。例如，1971年时，就有人对人类半乳糖血症遗传病患者的成纤维细胞进行过离体培养，然后将E.coli的DNA作为供体基因，并通过病毒作载体进行转移，结果使这一细胞的遗传病得到了“治疗”，因而它也能利用半乳糖了。

  24. Summary 从70年代初在国际范围内兴起的基因工程，其实质无非是创造了一种能利用微生物细胞的优越体制和种种优良的生物学特性，来高效地表达生物界中几乎一切物种的优良遗传性状的最佳实验手段。

  25. 基因工程与人类健康关系 • 基因工程体生产药物： 基因工程菌,转基因植物,转基因动物； • 基因治疗和基因诊断； • 人类基因组研究

  26. 基因工程体生产药物 1.基因工程菌生产人类药物：蛋白类药物（干扰素,生长激素,促红细胞生成素EPO，集落刺激因子CSF,白细胞介素IL，表皮生长因子EGF和超氧化物歧化酶SOD等）的基因，通过载体转入受体细胞（大肠杆菌，酵母菌）获得表达。 2.转基因植物：将优质基因，抗性基因（抗虫，抗病，抗逆，抗除草剂等）转入作物体内，获得转基因作物。或将疫苗基因转入水果，获得含疫苗水果（如转基因香蕉）。 3.转基因动物：将人类蛋白类药物基因转入受精卵，转入养母体内，可以产出转基因动物，转基因动物(如牛)乳腺可以分泌出含人类蛋白药物的乳汁。

  27. 基因治疗、基因诊断 • 自杀基因治疗癌症：基因检查技术发展，将有可能为每个患者定做“自杀基因”。 • 其他一些疾病的基因治疗：首先要研究这些遗传性疾病的控制基因。我国克隆了如神经性耳聋、遗传多发性外生骨疣致病基因，并在食管癌，肝癌，鼻咽癌，白血病等基因研究上获得重要进展。 • 基因治疗最新进展：基因枪在动物中成功，可把基因药物定向注射到癌症患者体内，杀死癌细胞。

  28. 人类基因组研究HGP: Human Genosome Project • 目标： 阐明人类基因组30亿个碱基对的序列，发现所有人类基因并搞清楚在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息，使人类第一次在分子水平上全面地认识自我。 • 进展：1990年启动，2000.6.26 获得基因草图。 • 意义： 生命科学“Apolo Plan”；基因治疗更多的疾病将不再是一个奢望；人类寿命大大延长；“器官工厂”：生产转基因器官；基因产业：21世纪最大产业，生物制药公司，基因就是钱。

  29. HGP的反思考

  30. “克隆人” • 基因超市（性别，交流，智力，眼睛等） • 生物和人类的多样性

  31. 基因组个人隐私权：工作，保险; • 基因没有好、坏之分，没正常与病症基因组区别。应保护自然的基因组，而非优化的基因组。

  32. “基因决定论”是一种可怕的社会达尔文主义、纳粹优生主义、种族无纪的基础。“基因决定论”是一种可怕的社会达尔文主义、纳粹优生主义、种族无纪的基础。 • 不能否定基因和环境（人际关系，社会环境等）关系。 • 滥用将使我们向“生物学的广岛”靠拢。基因武器比核武器更有理由让人恐惧。

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