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第九章 基因工程和基因组学

第九章 基因工程和基因组学. 第一节 基因工程 (Genetic Engineering). 基因工程概述 限制性内切核酸酶 载体 基因的分离与鉴定 基因工程的应用. 基因工程概述. 细胞工程、 染色体工程、 细胞器工程等. 广义. ★ 遗传工程. 基因工程. 狭义：. 基因工程概述. ★ 1 、 概念 ： 是指将一种或多种生物体（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遗传并表达出新的性状。. 也称为 DNA 重组技术 ( DNA Recombination ) 、

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第九章 基因工程和基因组学

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  1. 第九章 基因工程和基因组学

  2. 第一节 基因工程(Genetic Engineering) • 基因工程概述 • 限制性内切核酸酶 • 载体 • 基因的分离与鉴定 • 基因工程的应用

  3. 基因工程概述 细胞工程、 染色体工程、 细胞器工程等 广义 ★遗传工程 基因工程 狭义：

  4. 基因工程概述 ★1、概念： 是指将一种或多种生物体（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遗传并表达出新的性状。 也称为DNA重组技术(DNA Recombination)、 　　　或　分子克隆(Molecular cloning)

  5. 基因工程概述 ★2、诞生： 1971年，美国Smith,H.O.等分离出一种 　　　　　限制性酶，可酶切病毒的DNA分子； 1972年：Ｂerg, P.等 实现不同酶切DNA片 　　　　　　段的体外连接； 1973年：Cohen,s.等将体外重组的DNA转入 　　　　　　大肠杆菌细胞并得以表达。

  6. 基因工程概述 ★３、基本过程： ⑴ 从供体细胞中分离出目的基因；(简称“切”) ⑵ 用DNA连接酶将含有外源基因的DNA片断接到载体上，形成DNA重组分子(“接”)； ⑶ 借助细胞转化手段将DNA重组分子导入受体细胞(“转”)；

  7. 基因工程概述 ★３、基本过程： ⑷ 培养转化细胞，以扩增DNA重 组分子，使其整合到受体细胞 的基因组中（ “增”）； ⑸ 鉴定转化细胞，获得外源基因 高效表达的细胞（ “检”）； 由此可见，基因工程的操作过程可简化为： “切、接、转、增、检”

  8. 目的基因与载体连接(DNA分子重组)

  9. DNA分子重组

  10. 目的基因导入受体

  11. 二 限制性内切核酸酶 ★限制性内切核酸酶或限制性酶： (restriction enzymes) 在细菌中此酶的功能是降解外来DNA分子， 以限制(restriction )或阻止病毒侵染。 该类能识别双链DNA分子中一段特异的核苷 酸序列，并将双链DNA分子切断。

  12. 二 限制性内切核酸酶 ★限制性酶据其作用特点，可分为两类。 ⑴第Ⅰ类限制性酶：每隔一段DNA序列随机切割双链 DNA分子，没有序列特异性。 ⑵第Ⅱ类限制性酶： 　　　能识别一段特异的DNA序列，准确地酶切双链DNA 　　的特异序列。 　　　　其识别的序列是对称的，即在一条链中从5’到3’方向的序列，与其互补链从5’到3’方向的序列完全相同。这种序列称为回纹对称序列(palindrome)。

  13. 　三 载体 　　一个DNA片段只有与适合的载体(vector)DNA连接构成重组DNA后，在载体DNA的运载下，才可以高效率地进入宿主细胞(host cell)，并在其中复制、扩增、克隆出多个拷贝。 　　可作为DNA载体的有质粒、噬菌体、病毒、细菌或酵母菌人工染色体（BAC、YAC）等。

  14. 三 载体 • ★作为载体DNA分子，需具备四个条件： • ⑴具复制原点(ori)， • 能携带的外源DNA片段独立地自我复制； • ⑵具有多克隆位点，即具有多种限制性酶的 • 　　　　　切点，用于克隆外源DNA片段； • ⑶至少具有一个选择标记基因； • ⑷易从宿主细胞中回收。

  15. 1. 细菌质粒 ◆质粒是细菌细胞内独立于细菌染色体而自然存在的、能自我复制、易分离和导入的环状双链DNA分子。 ☆这些质粒的适应范围广，拷贝数多。进入宿主细胞复制后，每个细胞的质粒拷贝数可高达1000个。

  16. 2. λ噬菌体

  17. 3. 柯斯质粒

  18. 4. 穿梭载体

  19. 5. 细菌人工染色体

  20. 6. 酵母人工染色体

  21. 7. Ti质粒及其衍生载体

  22. 四 基因的分离与鉴定 (一) 从基因库中分离基因 (二) 聚合酶链式反应(PCR)扩增基因 (三) 人工合成基因

  23. 五 基因工程的应用 (一)基因工程工业 (二)植物基因工程 (三) 转基因动物 (四) 遗传疾病诊断

  24. (一)基因工程药物 ◆胰岛素的人工生产

  25. (二)植物基因工程 • 根癌农杆菌介导的植物转化 • ◆植物基因转化：是指将外源基因转移到植物细胞内、并整合到植物基因组中稳定遗传和表达的过程。 • ◆根癌农杆菌介导的植物转化

  26. 2. 基因枪转化技术 ◆通过高压气体等动力，高速发射包裹有重组DNA的金属颗粒，将目的基因直接导入受体细胞，并整合到染色体上的方法。 ◆此法已广泛用于转化水稻、小麦、玉米、大豆等主要作物。

  27. (三) 转基因动物 与转基因植物相比，转基因动物的发展要慢些。 ◆例如，利用转基因羊大量表达人类的抗胰蛋白酶。 ◆将人的抗胰蛋白酶α-1基因克隆在羊奶产生相关基因 　启动子的下游，这种启动子仅在乳腺细胞中表达，使 　羊奶中含有大量有功能的人类抗胰蛋白酶； ◆可利用家禽作为生物反应器，生产人类大量需要的 　重要蛋白质。 • 　大象的生长基因转到猪身上

  28. (四) 遗传疾病诊断

  29. (五) 基因治疗 ◆利用基因工程技术，将特异基因导入并整合到具有遗传缺陷的患者的基因组中，以治疗遗传疾病的方法，通常叫做基因治疗(gene therapy)。 ◆目前最常用的方法是利用病毒DNA作载体，构建重组DNA分子，用病毒包装物包装后形成的重组去毒病毒感染患者的细胞，将正常基因整合到染色体上。

  30. 第二节 基因组学 ◆基因组学(genomics)： 　　是遗传学研究进入分子水平后发展起来的一个分支，主要研究生物体全基因组(genome)的分子特征。 ◆特点：是以基因组为研究单位，而不是以单个基因， ◆目标： 　　是认识基因组的结构、功能及进化，弄清基因组包含的全部遗传信息及相互关系，为最终充分合理利用各种有效资源，预防和治疗人类遗传疾病提供科学依据。

  31. 基因组学的重要组成部分是 　　　基因组计划(genome project)， • 大体上可分为： ㈠构建基因组的遗传图谱　 (genetic map)； ㈡构建基因组的物理图谱 (physical map)； ㈢测定基因组DNA的全部序列； ㈣构建基因组的转录本图谱； ㈤分析基因组的功能。

  32. ◆人类基因组计划(human genome project，HGP) ： ◆水稻基因组计划(rice genome project，RGP) ◆模式生物基因组计划： 　　如酵母、线虫、果蝇、小鼠、家猪、拟南芥

  33. 一 基因组图谱的构建 鸟枪射击法(shotgun) 基因组序列测定

  34. 一 基因组图谱的构建 ㈠遗传图谱的构建 ㈡物理图谱的构建

  35. (一) 遗传图谱的构建 • 图谱标记 • 　　图谱构建中需要可以鉴别的标记(marker)，在构建遗传图谱中，可用基因和DNA作为标记。 • (1) 基因标记(2) DNA标记

  36. (二) 物理图谱的构建

  37. 拟南芥

  38. 人类部分染色体物理图谱

  39. E.coli 物理图谱

  40. 二 基因组图谱的应用 ◆基因定位 ◆基因组比较分析 ◆标记辅助选择(marker-assisted selection，MAS) ◆基因的克隆与分离

  41. 三 后基因组学 ◆后基因组学(post-genomics)： 　　是在完成基因组图谱构建以及全部序列测定的基础 上，进一步研究全基因组的基因功能、基因之间的相互关系和调控机制为主要内容的学科。 ◆后基因组学主要利用DNA微列阵技术、蛋白质组学、 酵母菌双杂交系统以及生物信息学等技术相结合， 　　对已知的基因组序列进行研究。

  42. 三 后基因组学 (1) DNA微列阵(DNA microarrays) 是利用DNA芯片技术，同时进行大量分子杂交，以分析比较不同组织或器官的基因表达水平，筛选突变基因，从核酸水平分析基因表达模式。这是后基因组学研究中的重要方法之一 。

  43. 基因芯片发展历史 Southern & Northern Blot Dot Blot Macroarray Microarray

  44. (2) 蛋白质组学 蛋白质组学(proteomics)是从蛋白质水平来研究基因组的基因表达，分析基因组的蛋白质类型、数量、空间结构变异以及相互作用的机制。在蛋白质分析中，目前主要利用奥佛诺(O¢ Farrel，1975)发明的据蛋白质的等电点和分子量分析蛋白质的双向电泳技术，来分析蛋白质组(proteomes)，

  45. 　四 生物信息学 • 生物信息学(bioinformatics)是： • 利用计算机贮存原始资料，分析生物信息，将DNA芯片以及蛋白质双向电泳结果转变成为可读的遗传学信息的学科。 • 　　是将现代生物技术与计算机科学结合，收集、 • 加工和处理生物资料。

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