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1第3章基因工程原理王金发Lsswjf@mail.sysu.edu.cn2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3基因克隆操作4基因工程的应用56◆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，或是改变了遗传性的细胞和个体。如果要获得效益的话，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，然后送到细胞中去进行表现。3.1基因工程的特点73.1.1基因工程与遗传工程遗传工程(geneticengineering)一词产生于19世纪20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,在离体条件下,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,以求定向地改造生物的遗传性。遗传工程的概念有广义和狭义之分。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。83.1.2生物技术生物技术(biotechnology)又称生物工艺学,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物、动植物细胞及其亚细胞组分,进而利用生物体所具有的功能元件(如基因、蛋白质)等来提供商品或社会服务的一门综合性科学技术。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。9基因工程(geneengineering)又称基因操作(genemanipulation),重组DNA(recombinantDNA)。基因工程是以分子遗传学为理论基础,以分子生物学和微生物学的现代方法为手段,将不同来源的基因(DNA分子),按预先设计的蓝图，在体外构建杂种DNA分子,然后导入活细胞,以改变生物原有的遗传特性,获得新品种,生产新产品,或是研究基因的结构和功能。10体外操作与细胞内表达11细胞工程(cellengineering)◆应用细胞生物学的原理和方法,结合工程学的技术手段,按照人们预先的设计,有计划地改变或创造细胞遗传性的技术,以及在体外大量培养和繁殖细胞,或获得细胞产品,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，细胞工程又分为微生物细胞工程、植物细胞工程、动物细胞工程等。12植物细胞工程13细胞分泌工程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，主要是通过对基因改造，如基因缺失、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技术。14酶工程(enzymeengineering)◆又称酶技术。它是围绕着酶所特有的生化催化特性,结合现代的技术手段,在体外模拟或在常温常压下生成酶反应的产品以及利用重组DNA技术定向改变酶,进行酶的修饰,或酶的全人工合成。◆其主要内容包括酶的化学修饰、酶的固定化、酶反应器等。15蛋白质工程(proteinengineering)◆是更广义上的包括酶工程在内的蛋白质修饰操作,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的技术。◆主要是根据蛋白质的结构和功能间的相互关系,利用基因工程技术,或用化学方法,合成基因,改造基因,以便合成新的蛋白质,或改变蛋白质的活性、功能以及溶解性等。16发酵工程(fermentationengineering)◆又称微生物工程,微生物发酵工程。◆利用生物,主要是微生物的某种特定功能,通过现代化工程技术手段,生产有用物质,或把微生物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,发酵生产微生物,或植物细胞的代谢产物,生产微生物菌体,最佳培养条件的优化组合等。173.2基因工程技术的诞生3.2.1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限制性酶的分离纯化、DNA连接酶的分离、大肠杆菌转化技术的突破。到1970年，这三大技术都已经建立，“万事齐备，只欠东风”了。到了1972～1973年，两位科学助产士Berg和Cohen将基因工程接到了人间。183.2.2基因工程技术的诞生19第一个重组体的构建1972年，美国斯坦福大学P.Berg等在PNAS上发表了题为∶“BiochemicalmethodeforinsertingnewgeneticinformationintoDNAofSimianVirus40:circularSV40DNAmoleculescotaininglamdaphagegenesandthegalactoseoperonofEscherichiacoli.Proc.Natl.Acad.Sci.USA69:2904-2909,1972”，标志着基因工程技术的诞生。20第一个重组体构建21SV40病毒是猿猴病毒，是一种直径为450Å的球形病毒，分子量为28×106道尔顿。SV40的DNA是环状双链结构，全长5243个碱基对。SV40DNA上有一个限制性内切酶EcoRⅠ的切点。22SV40病毒23◆当获得二聚体SV40DNA后，Berg等就证明了环状DNA被内切酶切成线性DNA后能够重新环化，并且能够同另外的分子重组。◆于是他们进行第二步的实验就是从λdvgalDNA中制备含有E.coli的半乳糖操纵子DNA，用上述同样的方法进行重组连接，并获得成功。24第一个有功能重组体的构建◆虽然Berg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DNA分子具有生物学功能。◆1973年，S.N.Cohen等在美国PNAS上发表了题为“ConstructionofBiologicallyFunctionalBacterialPlasmidInVitro”（S.N.Cohen,A.C.Y.Chang,H.W.Borer,andR.B.Helling,Proc.Natl.Acad.Sci.USA70:3240-3244,1973）的论文，宣布体外构建的细菌质粒能够在细胞中进行表达,从而完善了Berg开创的基因重组技术。25BoyerandCohen26◆质粒pSC101的获得●In1972,CohenconstructedanewplasmidbeginningwithDNAisolatedfromE.coli.CohennamedtheplasmidpSC101(“SCforStanleyCohen).Thenewplasmidhadthreeimportantfeatures:(1)ithadonlyasinglerecognitionsitewhereEcoRIwouldcutthemolecule,thusidentifyingthespotwheretheplasmidwouldopen;(2)ithadasequenceofnucleotidescalledanoriginofreplication,whichisneededtoinitiateDNAreplication;suchasequencestimulatesplasmidstomultiplyinahostorganism;(3)itcontainedageneforresistancetotheantibiotictetracycline;thus,bacteriahavingtheplasmidcouldresisttheeffectsoftetracycline,whereasbacterialackingtheplasmidwouldbekilledbythetetracycline.Cohen在重组DNA技术中杰出贡献27pSC101质粒DNA28◆质粒pSC101对大肠杆菌的转化技术突破●AnotherkeycharacteristicofCohen'splasmidwastheeaseofinsertingittoahostcell.Cohenfoundthathecouldinsertplasmidstofreshbacteriabysuspendingthelatterincoldcalciumchloride,thenrapidlyheatingthebacteriato42oC.Sotreated,thebacterialwallandplasmamembraneopentopermittheplasmidstopassthroughandintothecytoplasm.Cohen在重组DNA技术中杰出贡献29◆Cohen与Boyer合作创建重组DNA分子●Tosomehistorians,thedisciplineofDNAtechnologycameintobeingoverpastramisandwichesatalocaldelicatesseninWaikikiBeach.Theyearwas1972.●IthappenedthatHerbertBoyerwasatascientificconferenceinHawaiispeakingabouttheEcoRlrestrictionenzyme.StanleyCohenwasintheaudience.●Afterthepresentation,CoheninvitedBoyertolunchtoexploretheirpossiblecollaborationonaseriesofexperiments.●ThetworesearcherssatandconsideredtheexperimentsthatwouldsendDNAtechnologyintoanewera.Cohen在重组DNA技术中杰出贡献30◆Cohen与Boyer合作创建重组DNA分子●Cohenhadbeenconductingfruitfulexperimentswithplasmids,buthewasexperiencingdifficultycuttingopentheplasmids.●Boyer'sEcoRIenzymeseemedtobetheidealsolution,soCohensuggestedtheyjoinforces.●TheywouldusehisplasmidsandBoyer'senzymetorecombinetheplasmidDNA.■Firsttheywouldtrytorecombinetwoplasmidstoformasingleplasmid.■Ifsuccessful,theywouldattempttobringDNAfromaforeignspeciesintotheplasmidtoproducearecombinantDNAmolecule.Boyeragreed,andthebargainwasstruck.Cohen在重组DNA技术中杰出贡献31BoyerandCohen的策略32◆pSC102,体内构建的重组体●他们首先检查了EcoRⅠ对质粒pSC101和R6-5的切割情况，发现EcoRⅠ在质粒pSC101上只有一个切点，在质粒R6-5上有12个切点,这样就可以用pSC101作为重组DNA的载体分子。33他们用EcoRⅠ处理过的和没有处理过的质粒pSC101和R6-5DNA分别转化E.coliC600,得到下表的实验结果∶表：环状和线状质粒DNA的转化质粒DNA每μgDNA转化子四环素卡那霉素氯霉素pSC101(未切割)3×105------(EcoRⅠ切割)2.8×104------R6-5(未切割)----1.3×1041.3×104R6-5(EcoRⅠ切割)＜51×1024×10134◆他们从用EcoRⅠ处理的R6-5的卡那霉素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，但没有氯霉素、四环素的抗性。