第18章生物技术与动物育种

NYTG主讲人：成述儒联系信息电话：[phone]Email:[e-mail]第18章现代生物技术与动物育种NYTG理论教学NYTG第一节生物技术概论NYTG生物技术（Biotechnology）——概念的提出与发展NYTG生物技术经典分支领域1.基因工程（geneengineering)2.细胞工程(cellengineering)3.酶工程(enzymeengineering)4.发酵工程(fermentationengineering)NYTG基因工程基因工程的理论依据①不同基因具有相同的物质基础②基因是可切割的③基因是可以转移的④多肽与基因之间存在对应关系⑤遗传密码的通用性⑥基因可以通过复制把遗传信息传递给下一代NYTG基因工程的基本流程NYTG基因工程研究进展成就：在医药领域在农业领域在工业领域研究进展：理论研究方面实际应用方面NYTG细胞工程主要技术:动植物组织细胞培养技术细胞融合技术（也称细胞杂交技术）细胞移植技术染色体技术等NYTG淋巴细胞杂交瘤产生单克隆抗体NYTG体细胞克隆“多莉（Dolly）”的产生NYTG举例2004年2月15日，美国爱达荷大学的研究人员在西雅图的美国科学年会上展示三头克隆骡子NYTG世界首例成年体细胞克隆水牛2005年3月17日在广西大学“863计划”良种牛南方繁殖中心诞生NYTG2005年4月24日韩国科学家培育出首只克隆狗“史纳皮”（snuppy）NYTG我国第一头体细胞克隆猪诞生——经中国农业大学李宁教授领导的课题组一年多的科技攻关，2005年8月5日，我国第一头体细胞克隆猪终于在河北省三河成功诞生NYTG2005年12月8日中国科学院动物研究所用山羊克隆的一只亚洲黄羊(左)与普通山羊一起在山东临沂亮相国际首例体细胞异种克隆亚洲黄羊临沂降生NYTG世界冠军赛马“斯卡普”被克隆成功世界速度赛马冠军查尔马妮·詹姆士2006年11月16日对外宣布，她向德克萨斯州奥斯汀的ViaGen公司支付了15万美元,在四次尝试失败后，最终在今年8月8日成功克隆了她的赛马——夺得过十项世界冠军的“斯卡普”，产下小马驹“克莱顿”NYTG东北农业大学刘忠华教授带领的课题组，把水母绿色荧光蛋白基因转移到猪胎儿成纤维细胞的基因组中，再把转基因体细胞的细胞核移植到成熟的去核猪卵母细胞中构建成转基因胚胎。再将其植入受体母猪，经过114天的发育，2006年12月22日成功培育出国内首例绿色荧光蛋白转基因克隆猪中国首例绿色荧光蛋白转基因克隆猪问世NYTG发酵工程发酵类型:微生物菌体发酵微生物酶发酵微生物代谢产物发酵微生物的转化发酵生物工程细胞的发酵NYTG发酵工程的应用医药工业抗生素、维生素、激素疫苗和菌苗等NYTG食品工业微生物蛋白、氨基酸、新糖源、饮料、酒类食品添加剂（柠檬酸、乳酸、天然色素等）NYTG能源工业酒精沼气氢能NYTG化学工业可降解的生物塑料化工原料（乙醇、丙酮、丁醇、癸二酸等）生物表面活性剂及生物凝集剂NYTG冶金工业黄金开采和铜、铀等金属的浸提NYTG农业生物固氮生物杀虫剂微生物饲料NYTG环境保护使用生物肥料，生物杀虫剂降解有毒物质净化废水废气，处理石油污染NYTG酶工程研究内容:酶的发酵生产酶的分离与纯化酶的固定化技术酶修饰改造技术酶反应技术NYTG生物技术安全举例:转基因食品安全生物武器克隆人引发的伦理道德问题NYTG第二节细胞层面的生物技术与动物育种应用NYTG基因芯片技术生物信息学技术基因组学技术动物转基因技术分子遗传标记技术分子层面核移植技术性别控制技术胚胎移植综合技术人工授精技术细胞层面生物技术NYTG人工授精人工授精对畜禽改良的重要性人工授精技术要点人工授精技术发展现状与应用前景NYTG胚胎移植技术胚胎移植技术在畜种改良中的重要性胚胎移植的基本原则和技术程序NYTG奶牛MOET育种方案NYTG性别控制技术性别控制（sexcontrol）是指通过人为地干预并按人们的愿望使雌性动物繁殖出所需性别后代的一项繁殖新技术。NYTG性别控制研究方法受精前性别控制:受精前将x精子Y精子分离细胞流式分选法NYTG流式细胞检索分离技术进展与问题2007年4月中国金牛集团XY种畜（天津）有限公司分离速度达到每秒4000－7000个精子每台分选仪器每小时生产5－6枚性控细管精子（每细管含有效精子200万个）分离后获得的X精子纯度在90%以上输精配种后的产母犊率在90%以上主要问题受胎率较低，50%左右。原因有待进一步探讨（如每剂所含有效精子数较少？精子活率达不到输精要求？）染色剂对精子的影响：NYTG胚胎的性别鉴定:SRY-PCR鉴定法NYTG动物细胞核移植技术核移植及克隆技术的发展核移植（nucleartransplantation）是将发育不同时期的胚胎或成体细胞核显微注射至去核卵母细胞透明带下，再经过细胞融合移植到去核卵母细胞中，或直接将体细胞的核注入去核卵母细胞质中，构成重组胚胎的技术。NYTG核移植技术及影响因素:①供核细胞因素的影响②受核细胞因素的影响③动物种属差异的影响NYTG多莉羊的生产过程和克隆动物意义体细胞全能性无性繁殖的可能性濒危动物种质资源保护提高生产转基因动物的效率NYTG第三节分子层面的生物技术与动物育种应用NYTG分子遗传标记技术遗传标记及其发展遗传标记（geneticmarker）是指可准确鉴别并可用于反映个体特异性的遗传特征。理想的遗传标记应具备：①高度多态性，即群体中有多种基因型存在。多态程度越高，个体之间在标记上就越能表现出差异，所提供的信息就越多。②数量多，而且均匀地覆盖整个基因组。③测定不受年龄、性别、环境等因素限制。④共显性，能够准确判别所有可能的基因型。NYTG1.表型标记方法包括:形态学标记、细胞学标记、免疫学标记和生化标记2.DNA标记第1代标记——限制性片段长度多态性方法第2代标记——小卫星，微卫星DNA标记第3代标记——单核苷酸多态性标记NYTG主要分子遗传标记方法限制性片段长度多态性：基因组DNA经特定限制性内切酶酶切后，形成大小不等、数量不同的分子片段，该特异DNA片段经电泳分离，通过Southern印记法将DNA片断转移至支持膜（尼龙膜或硝酸纤维素膜）上，然后用放射性同位素或非同位素（如地高辛、荧光素）标记的探针与支持膜上的DNA片段杂交。不同基因组DNA因为在检测区域内发生了点突变、片段缺失、插入或重排等，导致酶切位点发生改变，使得RFLP谱带表现出不同程度的多态性，从而构建出多态性图谱。NYTGRFLP的优点：①RFLP由限制性内切酶切割特定位点产生，故标记结果可靠，重复性好；②RFLP标记位点的等位基因间呈共显性，通过杂交后电泳带型可以直接区分杂合子与纯合子；③RFLP通过酶切反应来反映DNA水平上的所有差异，因而在数量上无限制；④无表型差异。但是RFLP标记也有一定局限性，如操作过程复杂，相对费时；在检测中需用放射性同位素；多态信息含量低等等。NYTG小卫星标记和微卫星标记微卫星DNA小卫星DNA存在部位染色体任何部位染色体近端粒和着丝粒区重复单位长度1-6bp6-70bp，常富含GC重复次数10-60次几次到几百次总序列长度约200bp0.3-30kb重复单位的差异重复单位的变异性低，可看为结构相同重复单位组成稍有差异，如单个碱基转换存在数量很多，人基因组有5-10万个有限，有些染色体尚未见到NYTG微卫星ＤＮＡ结构TGCCTTCTACCAAATACCC…CACACACACACACACACA…GGTGTTGCTTCTCTCAGGAAGACACGGAAGATGGTTTATGGG…GTGTGTGTGTGTGTGTGT…CCACAACGAAGAGAGTCCTTCTGNYTG微卫星DNA主要用于：①绘制各种生物的基因组图谱。②在生物学或生物的进化关系方面，微卫星对亲子分析和品种划分很有用。③作为一种工具估测生物群体的近交水平。④群体内的微卫星变异可用于评估群体大小、群体间的基因流并进而阐明群体间的遗传相关和遗传差异。⑤微卫星变异也被用于研究近缘物种间的杂交程度。⑥微卫星还可用于近缘物种的进化史分析。NYTG单核苷酸多态性标记(SNP)SNP具有以下特征：①高密度②代表性③易实现自动化分析NYTG单链构象多态性(SingleStrandConformationPolymorphism,SSCP)NYTGSNP主要用于：①遗传作图②进化分析③位点标识④疾病检测NYTG线粒体DNA标记NYTG分子遗传标记在动物育种中的应用标记辅助选择个体及群体亲缘关系的鉴定种质资源的遗传评估、监测、保护和利用构建动物遗传图谱NYTG动物转基因技术动物转基因技术及用途目前主要采用反转录病毒法、显微注射法、胚胎干细胞法、精子载体法等方法。目前转基因动物的用途主要有开展畜禽品种改良、构建生物反应器、建立疾病模型、基因治疗和发育调控、器官移植等。NYTG动物转基因技术的主要问题:①生产转基因动物需要高水平DNA操作②动物转基因技术效率低③基因的非定向整合和非可控表达限制了转基因动物的用途。NYTG转基因动物育种转基因动物具有自身的优点：①将理想的遗传物质直接转入染色体中，扩大了种内的遗传变异，且不受有性繁殖的限制，实现基因在物种间的交流；②可以形成价值很高的新的经济性状和其他性状；③可将高性能种质资源的畜种有利基因导入低性能畜种中，以淘汰其不利基因，为选育新品种或类群提供最有效的途径；④可开展畜禽抗病育种，充分利用现有畜种的抗性资源，全面提高畜禽生产效率。NYTG就目前的技术水平而言，要使动物转基因技术成为一项育种技术，还有许多问题亟待解决:①目的基因有哪些？②转基因技术自身的问题（如上所述）③被转移基因的稳定遗传问题④建立纯合的转基因动物育种系的问题NYTG基因组学技术基因组（genomics）学是美国的RoderickH于1986年提出来的。研究基因组的结构与功能的科学就是基因组学。基因组表示一个生物物种所有染色体的总和；从分子遗传学角度讲，基因组表示一个生物物种所有核酸分子的总和。为便于理解，采用现代生物学定义，即指一个物种结构与功能的所有遗传信息的总和就是基因组。NYTG人类基因组计划1987年，美国国立卫生研究院和美国能源部联合提出了人类基因组计划（HGP），于1990年正式启动NYTG目标：完成人类基因组全部DNA序列测定人类单倍体基因组含30亿碱基对(bp)的DNA序列，包括约2.6万个基因，分布于22条常染色体和X、Y性染色体。NYTG基因组的结构13蛋白编码基因细胞核基因组线粒体基因组人类基因组基因外DNA基因和基因有关序列2个cRNA基因22个tRNA基因单一或中等重复编码DNA非编码DNA假基因DNA片段内含子非翻译顺序中度至高度重复顺序单一的或低拷贝顺序串联重复顺序/成锁重复顺序中度至高度重复顺序NYTG遗传图谱转录图谱0.7cM或kb序列图谱物理图谱100kbSTSmap结构基因组四张图物理图转录图遗传图序列图NYTG功能基因组任务：利用结构基因组学中已有的信息，建立与发展各种技术和实验模型来测定基因及其非编码序列的生物学功能研究方法：序列比对技术基因表达分析技术蛋白质产物分析技术基因定位进展：NYTG基因组进化任务：比较不同物种基因组的异同，分析生物基因组进化关系研究方法：系统发育谱法（phylogeneticprofilemethod）基因邻居法（geneneighbourmethod）进展：NYTG基因组学技术及意义基因组学技术全自动核酸测序技术、分子遗传标记技术、功能基因组学技术、全基因组分析技术、比较基因组分析技术、蛋白质组学技术、生物芯片技术等意义鉴定新基因、分析基因功能表达谱、分析非编码区信息结构、设计蛋白质分子和药物、研制新药、基因诊断和基因治疗、动植物遗传改良和新品种选育等方面，有着不