1、基因工程的基本内容,Gene engineering,基因决定性状（一）,青霉菌能产生对人类有用的抗生素青霉素,基因决定性状（二）,家蚕能够吐出蚕丝为人类利用,基因决定性状（三）,豆科植物的根瘤能够固定空气中的氮,定向基因改造设想,设想一,能否让禾本科的植物也能够固定空气中的氮？,能否让细菌“吐出”蚕丝？,设想二,能否让微生物产生出人的胰岛素、干扰素等珍贵的药物？,设想三,经过多年的努力，科学家于20世纪70年代创立了可以定向改造生物的新技术基因工程。,基因对性状的控制,1.通过控制蛋白质分子的结构来影响性状,定向改造生物的依据,基因工程概念,基因工程：在生物体外，通过对DNA分子进行人工“剪
2、切”和“拼接”，对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生出所需要的基因产物。,基因操作的工具,基因的剪刀限制性内切酶,基因工程过程示意图,基因的针线DNA连接酶,基因的运输工具运载体,基因工程过程示意图,从细胞中分离出DNA,限制酶截取DNA片断,分离大肠杆菌中的质粒, DNA重组,用重组质粒转化大肠杆菌,培养大肠杆菌克隆大量基因,返 回,限制性内切酶,分布：主要在微生物中。特点：特异性，即识别特定核苷酸序列， 切割特定切点。结果：产生黏性未端（碱基互补配对）。举例：大肠杆菌的一种限制酶能识别 GAATTC序列，并在G和A之间切开。,返 回
3、,DNA连接酶,连接酶的作用：将互补配对的两个黏性末端连接起来，使之成为一个完整的DNA分子。连接的部位：磷酸二酯键，不是氢键。DNA连接酶的作用过程,返 回,运载体,作用：将外源基因送入受体细胞。条件：能在宿主细胞内复制并稳定地保存。具有多个限制酶切点。具有某些标记基因种类：质粒、噬菌体和动植物病毒。质粒的特点,能将外源基因送入受体细胞的工具就是运载体。,返 回,基因操作的基本步骤,提取目的基因,目的基因与运载体结合,将目的基因导入受体细胞,目的基因的检测和表达一,目的基因的检测和表达二,提取目的基因,将需要的基因从供体生物的细胞内提取出来。,取 出DNA,用限制酶切断DNA,目前被较广泛提
4、取使用的目的基因有：苏云金杆菌抗虫基因、人胰岛素基因、人干扰素基因、种子贮藏蛋白基因、植物抗病基因等。,返 回,提取目的基因的方法（一）,直接分离基因鸟枪法,将供体生物的DNA用限制酶切割为许多片段，再用运载体将这些片段都运载到受体生物的不同细胞中去。只要有一个细胞获得了需要的目的基因并得以表达，基因工程就算成功了。该法最大的缺点是带有很大的盲目性，工作量大，成功率低。且不能将真核生物的基因转移到原核生物中去。,用限制酶切成许多片断,下一页,提取目的基因的方法（二）,人工基因合成法,反转录法：直接合成法： 用游离的脱氧核苷酸 直接合成相应的基因。,DNA合成仪,PCR扩增仪,返 回,目的基因与
5、运载体结合,返 回,目的基因,重组DNA（质粒）,将目的基因导入受体细胞并扩增,将目的基因导入受体细胞,将受体细胞进行扩增,返 回,基因工程中常用的受体细胞有大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌和动植物细胞等。,目的基因的检测和表达（一）,为保证目的基因得到有效利用，通常用大量的受体细胞来接受不多的目的基因。,细菌的检测：将每个受体细胞单独培养形成菌落，检测菌落中是否有目的基因的表达产物。,返 回,目的基因的检测和表达（二）,返 回,多细胞生物的检测：将每个受体细胞单独培养并诱导发育成完整个体，检测这些个体是否摄入目的基因，摄入的基因是否表达（是否表现出相应的性状）。,（转基因生物）,提取目的基因,
6、目的基因与运载体结合,将目的基因导入受体细胞,目的基因的检测和表达,小 结,练习,1988年5月中国青年科学家陈炬成功地把人的干扰素基因移植到烟草的DNA分子上，转化后的烟草具备了抗病毒能力。,1.人的基因之所以能接到植物细胞中，物质基础是 。2.烟草能抗病毒是因为体内产生了 。3.以上事实可说明哪些问题？,练习,返回,二、基因工程的成果与发展前景,1.医药卫生方面，基因工程有哪些应用和前景？,2.农业和食品工业方面，基因工程有哪些应用 和前景？,3.环境保护方面，基因工程有哪些应用和前景？,4.你想像中未来的基因工程会有怎样的发展？,1.基因工程与医药卫生,、生产基因工程药品,工程菌：用基因
7、工程方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系。,、基因诊断,back,DNA探针：利用DNA分子杂交原理,外源正常基因导入靶细胞,与基因治疗,back,2.基因工程与农牧业、食品工业,A、在农业方面，可获得高产、稳产和具优良品质的农作物；培育出具各种抗性的作物新品种。,B、在畜牧业上，可获得人们需要的转基因动物,显微注射技术：,C、为人类开辟新的食物来源,3.基因工程与环境保护,back,检测病毒：用DNA探针（由特定DNA片段制成）,净化环境：创造出“超级细菌”；吞噬汞和降解土壤中DDT的细菌；净化镉污染的植物；构建新的杀虫剂。,袁隆平的梦想,我做过这样一个梦：有一天傍晚，我和我的助手走过
8、我们的试验田，发现水稻长得象高粱那么高，穗子有扫帚那么长，籽粒有花生那么大理论上，光能利用率可以达到5%，而现在只有1% ,让农作物成为“灵丹妙药”转基因西红柿与SARS抗体基因治疗面面观餐桌上的转基因食品2050年基因工程和我的生活,基因工程潜在的危险,back,1990年美国国立卫生研究院治愈一位“重症联合免疫缺陷综合症”的4岁女孩,基因治疗：用一个正常的基因来代替缺陷基因,ADA基因缺陷ADA：腺苷酸脱氨酶,back,基因结构的基本单位相同密码子相同蛋白质合成方式相同,基因治疗（gene therapy）是指将外源正常基因导入靶细胞，以纠正或补偿因基因缺陷和异常引起的疾病，以达到治疗目的
9、。也就是将外源基因通过基因转移技术将其插入病人的适当的受体细胞中，使外源基因制造的产物能治疗某种疾病。基因治疗主要以两种策略达到治疗目的。其一是正常基因来纠正突变基因，也就是在原位修复缺陷基因的直接疗法，此乃理想的基因治疗策略，由于多种困难，目前尚未实现；其二是用正常基因不替代致病基因的间接疗法，此法较前者难度小，也是目前众多主张采用的策略，并已付诸临床实践。而就基因转移的受体细胞不同，基因治疗又有两种途径,即生殖（种系）细胞基因治疗和体细胞基因治疗。,back,日本科学家近日发现，寄生在昆虫体内的细菌基因可进入寄主昆虫的细胞核，并通过寄主昆虫把细菌基因遗传下去。这一发现有可能使人们重新认识生
10、物进化论学说，高度警惕转基因技术的风险。包括人类在内，各种生物的染色体内都有可能汲取了寄生或共生在生物体内的微生物的基因。不同种类生物之间转基因现象范围不断扩大的事实，对了解生物进化的原因和病原体相互作用原理将大有帮助。同时也向人类发出警告：转基因技术存在风险，导入基因有可能扩散到其它生物。,生物安全的特点：转基因生物体对人类和环境的影响是长期的，不可预见的，很多影响可能产生滞时效应，不像非生物影响那样随时间而减小，随距离而减弱，大量的转基因生物是以特殊的生命形式，以超过自然进化千百倍的速度介入到自然界来，潜在的危险可能会更大。,back,DNA连接酶的作用原理,主 页,一种限制酶只能识别一种
11、特定的核苷酸序列，并在特定的切割点上将DNA 分子切断。目前已发现的限制酶有200多种。,返 回,DNA连接酶的作用过程,返 回,质 粒,返 回,质粒的特点,细胞染色体外能自主复制的小型环状DNA分子；质粒是基因工程中最常用的运载体；最常用的质粒是大肠杆菌的质粒；存在于许多细菌及酵母菌等生物中；质粒的存在对宿主细胞无影响；质粒的复制只能在宿主细胞内完成。,返 回,小 结,基因工程的基本内容,基因操作的基本步骤,基因操作的工具,限制性内切酶,DNA连接酶,运载体,概念辨析,遗传信息密码子遗传性状,限制性内切酶DNA连接酶DNA聚合酶,目的基因供体细胞受体细胞转化细胞,复制转录翻译,根据蛋白质合成
12、中遗传信息传递的过程填表：,A,遗传信息在？DNA-a DNA-bmRNA tRNA,亮氨酸,HIV,next,back,如果想要获得一定的基因，可以有哪些途径？,常用的是“鸟枪法”直接剪切供体细胞DNA分子,1、以信使RNA为模板逆转录并互补成DNA分子,2、根据已知的氨基酸序列推测出基因的核苷酸序列，直接合成DNA分子,直接分离基因,人工合成基因,基因操作的工具,聚合酶链反应(Polymerase Chain Reaction ,PCR)是80年代中期发展起来的体外核酸扩增技术。PCR技术的基本原理类似于DNA的天然复制过程，其特异性依赖于与靶序列两端互补的寡核苷酸引物。PCR由变性-退火
13、-延伸三个基本反应步骤构成：模板DNA的变性：模板DNA经加热至93左右一定时间后，使模板DNA双链或经PCR扩增形成的双链DNA解离，使之成为单链，以便它与引物结合，为下轮反应作准备；模板DNA与引物的退火(复性)：模板DNA经加热变性成单链后，温度降至55左右，引物与模板DNA单链的互补序列配对结合；引物的延伸：DNA模板-引物结合物在TaqDNA聚合酶的作用下，以dNTP为反应原料，靶序列为模板，按碱基配对与半保留复制原理，合成一条新的与模板DNA 链互补的半保留复制链重复循环变性-退火-延伸三过程，就可获得更多的“半保留复制链”，而且这种新链又可成为下次循环的模板。每完成一个循环需24
14、分钟， 23小时就能将待扩目的基因扩增放大几百万倍。标准的PCR反应体系：10扩增缓冲液 10ul4种dNTP混合物 各200umol/L引物 各10100pmol模板DNA 0.12ug Taq DNA聚合酶 2.5uMg2+ 1.5mmol/L加双或三蒸水至 100ulPCR反应五要素： 参加PCR反应的物质主要有五种即引物、酶、dNTP、模板和Mg2+引物： 引物是PCR特异性反应的关键，PCR 产物的特异性取决于引物与模板DNA互补的程度。理论上，只要知道任何一段模板DNA序列， 就能按其设计互补的寡核苷酸链做引物，利用PCR就可将模板DNA在体外大量扩增。,1995年，我国科学家将某种细菌的杀虫蛋白基因导入棉花，培育出了抗棉铃虫效果明显的棉花新品系。,中心法则的补充:,中心法则的信息流主方向:,RNA病毒,逆转录病毒,基因转移技术和基因扩增技术,
