1 基因工程概论

基因工程细胞工程发酵工程酶工程蛋白质工程生物工程武汉生物工程学院学科基础课PrinciplesofGeneticEngineering基因工程原理武汉生物工程学院阮景军◆教学目的与要求基因工程学自20世纪70年代初期诞生以来，在短短的30多年间已经取得了许多令世人瞩目的成就，成为当代生命科学研究领域中最具生命力、最引人关注的前沿学科之一，是现代分子生物学与生物技术的核心内容。本课程充分考虑到我院生物口研究生的来源及其知识结构的特点，着重加强有关基因工程原理部分的讲授，并努力将基因工程学同分子生物学、分子遗传学以及生物化学等基础学科有机地联系起来进行讨论。在内容安排上，强调基础性、先进性、系统性和实用性，同时也努力反映国内外有关学者的最新研究成果。◆教学目的与要求本课程为分子生物学、分子遗传学、发育生物学、细胞生物学、生物化学等有关专业研究生的学科基础课，同时也是植物学、动物学以及微生物学等专业研究生的重点选修课。我们期望不同专业的研究生在修完本课程之后，能够较为系统、全面地掌握基因工程的基础知识和最新进展，并能跟上该专业学科的发展进程。◆教学目的与要求学时/学分：60/3上课方式：讲解为主，讨论为辅考试时间：待定考试方式：课堂开卷勤于思考，勇于发言ParticipateandEnjoyit!!◆教材与参考书GENEVII或VIII分子克隆实验指南(第三版)吴乃虎，基因工程原理(第二版，上册)，科学出版社，1998吴乃虎，基因工程原理(第二版，下册)，科学出版社，2001楼士林等，基因工程(第一版)，科学出版社，2002吴乃虎、张方、黄美娟，基因工程术语，科学出版社，2005本课程的地位：现代科技革命高新技术生物技术基因工程基因克隆基因工程原理纲要第一讲基因工程概论第二讲基因工程的主要技术第三讲基因工程的酶学基础第四讲基因克隆的载体与受体第五讲目的基因的分离与克隆第六讲克隆基因的检测与鉴定第七讲基因表达调节与产物纯化第八讲从原核到真核基因工程第一讲基因工程概论1、现代生物技术—重塑自然生命2、基因研究的发展3、基因的现代概念4、基因工程的诞生与发展5、基因工程的应用6、基因工程的安全性现代生物技术从传统的生物技术到现代生物技术基因工程细胞工程现代生物技术的人文忧患基因工程发展的过程基因工程的本质特征基因工程在农业医药卫生领域的应用细胞工程的主要内容克隆技术现代生物技术会打破生物物种间的平衡吗？对转基因食物的担忧我们是否要接纳克隆人？1、现代生物技术—重塑自然生命…………◆生物技术发展历程第一代生物工程技术(19世纪—20世纪30年代)很早人们就掌握了酿酒、制造酱油、奶酪、醋、面包等发酵技术，其实这些都是生物工程产品。直至十九世纪，微生物的发现证明了从粮食到酒精是由活的酵母菌引起，其他发酵产物也是由不同的微生物作用而形成，随后科学家又发现了发酵过程中的高效催化剂——酶，从此揭开了发酵的奥秘，大规模发酵生产得以开始。◆生物技术发展历程第二代生物工程技术(20世纪40年代—60年代)以获取微生物的代谢产物——抗生素为目的的抗生素工业为这一时期生物工程产业的支柱产业。1928年英国的Fleming爵士在对细菌的研究中发现一种青色霉菌能杀死长在培养皿中的金黄色葡萄球菌，随后他又发现这种青霉菌的培养汤也能杀死葡萄球菌，于是他推断是青霉菌的代谢产物中含有杀菌物质，他称之为青霉素。1943年英美科学家联合开发出大规模从青霉中提取青霉素的工艺，从此开始了大规模抗生素的生产，拯救了无数人的生命。◆生物技术发展历程第三代生物工程技术(20世纪70年代起)1953年遗传物质DNA的双螺旋结构模型的提出和1972年DNA重组技术的诞生，开辟了分子生物学和现代生物技术的新纪元。基因的发现使科学家们不再满足于利用现有的生物来为人类服务，而基因重组技术的问世使通过改造生物基因创造有新的遗传特性的生物成为可能，从而使以往的生物工程实现了向代表二十一世纪发展方向的现代生物工程的飞跃。◆现代生物技术的含义生物工程也叫生物技术，就是以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他自然科学原理，按照预先的设计改造生物体，或利用微生物、动物体、植物体或其组成部分（包括器官、组织、细胞等）作为反应器对原料进行加工，为人类生产出所需要的产品或达到某种目的的技术。◆现代生物技术的目的对生物体进行改造，培育出具有优良品质的动物、植物、微生物新品系。利用微生物、动物、植物为反应器对原料进行加工，生产出人类所需要的产品。进行疾病的防治、诊断和治疗。环境污染的检测。◆现代与传统生物技术的区别现代生物技术通过操作基因来改变自然生命物质的原有结构和成分。显然，现代生物技术与传统生物技术已经有了区别，即它不再是在原有物种水平上和沿袭自然的途径，而是超越物种的界限，实现的是创造崭新的品种和有目的的改造和控制自然界已有的生化过程。◆现代生物技术研究的主要内容主要由以下5个分支组成：基因工程(核心所在)蛋白质工程(第二代基因工程)酶工程发酵工程细胞工程◆蛋白质工程也称“第二代基因工程”，其主要内容和基本目的可以概括为：以蛋白质的结构规律及其与生物功能的关系为基础，通过有控制的基因修饰和基因合成，对现有蛋白质加以定向改造，设计、构建并最终生产出性能比自然界存在的蛋白质更加优良、更加符合人类社会需要的新型蛋白质。◆酶工程酶工程即利用酶的催化作用，在特定的生物反应器中，将相应的原料转化成所需的产品。酶工程是现代酶学理论与化工技术的交叉技术，它的应用主要集中于食品工业、轻工业和医药工业等领域。◆发酵工程发酵工程也叫微生物工程，是指利用微生物的特定性状，在生物反应器中生产有用物质的技术。当前的医用抗生素、农用抗生素等已有数百种，绝大部分是发酵的产品。除抗生素外，发酵工程产品还包括氨基酸、工业用酶等。人们日常生活中广泛使用的味精、维生素等都是发酵工程的产品。◆细胞工程细胞工程是利用细胞的全能性，在体外条件下，采用组织与细胞培养技术对动、植物进行修饰，从而改良和创造新品种，生产人类所需要的新的生物类型。细胞工程主要包括动植物细胞的组织培养技术、细胞融合技术、细胞核移植、细胞器摄取和染色体片段重组技术等。◆细胞工程细胞融合技术是指两个不同种类的细胞，加上融合剂，在一定条件下，彼此融合成杂交细胞，使来自两个亲本细胞的基因有可能都被表达，从而打破了远缘生物不能杂交的屏障，提供了创造新物种的可能。细胞器摄取主要是指叶绿体和线粒体的摄取。如用白化型原生质体摄取正常的叶绿体，进而发育成正常的绿色植物；用抗药型草履虫的线粒体植入其他草履虫细胞，使后者获得抗药性。◆细胞工程染色体片段重组是利用染色体替换来改变生物遗传特性，如利用染色体的易位、缺体等方法，获得新的染色体组合。细胞核移植对动物优良杂交种的无性繁殖具有重要的意义。它的典型应用就是用于动物无性繁殖的“克隆”。◆克隆技术克隆也就是细胞核移植，即将一个细胞中的核经显微手术和细胞融合的方法移植到去核的另一个细胞中，重组胚胎发育至产仔的过程。广义的说法就是动物不经过受精作用而获得新个体的方法，即无性繁殖。无性繁殖的英文名称叫“Clone”，译音为“克隆”。在技术上，科学家的“克隆”试验经历了从两栖动物的核移植到高等动物的核移植；从胚胎细胞核移植到体细胞的核移植的过程。第一讲基因工程概论1、现代生物技术—重塑自然生命2、基因研究的发展3、基因的现代概念4、基因工程的诞生与发展5、基因工程的应用6、基因工程的安全性2、基因研究的发展基因工程或称基因操作，是在分子生物学和分子遗传学等学科综合发展的基础上，于上世纪70年代诞生的一门崭新的生物技术科学。其创立与发展，直接依赖于基因分子生物学的进步。可以说，基因的研究为基因工程的创立奠定了坚实的理论基础，而基因工程技术的发展与应用，又深刻有力地影响着基因的研究，使我们对基因本质的认识提高到了空前的高度。2、基因研究的发展20世纪以来，基因研究一直是影响整个遗传学发展的主线。根据不同历史时期的水平和特点，可分3阶段：20世纪50年代前：基因的染色体遗传学阶段，主要从细胞染色体水平上进行研究；20世纪50年代—70年代：基因的分子生物学阶段，主要从DNA大分子水平上进行研究；20世纪80年代以来：重组DNA技术不断完善，人们能够直接从克隆目的基因出发，研究基因的功能及其与表型间的关系，使基因研究进入了反向生物学阶段。2、基因研究的发展（1）基因学说的创立（2）基因与DNA分子（3）基因与多肽链（4）基因的结构（5）基因的表达与调控（6）基因的分离（7）基因的合成◆（1）基因学说的创立基因的最基本性质是在一个多世纪前由孟德尔(G.Mendel)定义的。由他提出的两大定律——分离律与独立分配律可总结出：A、基因是一种由亲代传到子代的特殊因子——遗传因子(hereditaryfactor)；B、基因可能存在变异的形式。(1857-1864，豌豆杂交)G.J.MendelMendel临终前说；GregorMendel1822-1884等着瞧吧，我的时代总有一天会来临◆（1）基因学说的创立35年的湮没。1900年荷兰H.DeVries(德·弗里斯)、德国C.Correns(科伦斯)和奥地利E.Tschermak(丘歇马克)等植物学家重新发现。“科学论文文献核查”的做法，为科学界所接受，一直沿用至今。Hugodevires1848-1935荷兰阿姆斯特丹大学CarlCorrens1864-1933德国土宾根大学ErichvonTschermark1871-1962奥地利维也纳农业大学◆（1）基因学说的创立1909年，丹麦生物学家W.Johannsen根据希腊文“给予生命”之义，创造了基因(gene)一词，替代了孟德尔的“遗传因子”。遗传性状的符号，尚未具体涉及基因的物质概念。摩尔根(T.H.Morgan)学派对基因学说的建立作出了卓越的贡献。他们通过果蝇突变体的研究第一次将代表某一特定性状的基因同某一特定的染色体联系了起来，创立了遗传的染色体理论，使基因学说得到了普遍的承认。(1910-1915)Morgan,ThomasHunt(1866-1945)2、基因研究的发展（1）基因学说的创立（2）基因与DNA分子（3）基因与多肽链（4）基因的结构（5）基因的表达与调控（6）基因的分离（7）基因的合成◆（2）基因与DNA分子在人们认识核酸的过程中，1928年发现的“转化”现象具有重要作用。肺炎双球菌能够通过引起肺炎杀死老鼠。这种细菌的有毒物质被认为是它的外壳多糖，是一种细菌表面的物质，能够避免细菌被宿主破坏掉。不同类型的肺炎双球杆菌有不同的外壳多糖。但它们都有平滑的表面。已死亡的病菌中的参与转化的那一部分物质称之为转化物。1944年Avery和他的同事们的实验表明转移物的化学组成实际上就是脱氧核糖核酸（DNA）。图1.1转化过程的核心是DNA这个结果说明了原核生物的遗传物质是也是DNA，还为细菌和高等生物的遗传提供了一种独特的观点。原文对图1.1的结果是这样分析的：这种引入的物质，就它的化学和物理性质而言，看起来是高度聚合且有粘性的DNA。另一方面，III型外壳多糖的合成是由可转移的物质激发的，它是由不含氮的多糖组成。因此我们认为，引入的物质以及反过来产生的产物在化学上是不同的，在功能上有生物特异性，两者对于决定它们所在细胞的特异性是必须的。这个讨论描述了遗传物质及表达产物之间的区别，为后来的研究奠定了重要的理论基础。当可转移分子被发现由DNA组成之后，下一步需要证明的就是DNA可在一个完全不同的体系中提供遗传物质。1952年，Hershey和Chase用放射性标记T2噬菌体感染细菌(32P标记DNA，35S标记蛋白质)的实验进一步说明了不管是在细胞基因组中还是病毒中，遗传物质就是DNA这一结论。图1.2说明了这个试验的结果。图1.2T2噬菌体的遗传物质被证明是DNA(捣碎实验)。本实验直接表明父代噬菌体的DNA进入