什么叫基因工程

第二章基因工程Outline一、DNA与遗传物质二、DNA与基因三、基因工程技术及应用•1909年丹麦遗传学家约翰逊（W.Johansen）在《精密遗传学原理》一书中提出“基因”概念。“基因型”(genotype)、“遗传学”(genetics)等名词由此派生而来的。具有特定功能的DNA片段，这些片段有的编码蛋白质，有的编码rRNA、tRNA，有的则是与复制、转录调控有关的DNA序列。二.DNA与基因基因(gene)•基因是什么？•基因是生命的密码•基因记录和传递遗传信息•基因决定生物体的生、长、病、•老、死等一切生命现象基因是染色体上的一段DNA染色体基因1基因2人体染色体DNA（人体基因组）总长度为30亿碱基对（bp）。人体各组织的每一个细胞核内都带有相同的基因组，即23对染色体的全部DNA。也就是说携带了人体基因的全部遗传信息。不同种细胞的形态与功能是通过细胞内基因表达的调控作用控制着基因表达成相应的蛋白质。各种刺激对细胞内基因表达影响是通过信号传递的过程来完成.生物体内每种蛋白质都有其自身特定的遗传信息，它们被储存于染色体DNA链中。携带某特定蛋白质完整遗传密码的那段DNA片段称为基因，人体总共有大约10万个基因，分别定位于23对染色体上。DNA双螺旋模型的发现，中心法则的提出，遗传密码的破译，基因表达调控及信号传递机制的研究，表明基因设计的时代已经来临。DNA可以被特异地切割(利用限制性内切酶这种分子剪刀似的东西)、移动和拼接，我们可以将一种生物体的DNA拼接到另一种生物体的DNA上。生物体内每种蛋白质都有其自身特定的遗传信息，它们被储存于染色体DNA链中。DNA的结构1．组成DNA分子的基本单位是什么?每个基本单位由哪几部分组成？2．组成DNA的碱基有几种？分别是什么？3．脱氧核苷酸有几种？分别是哪些？一.DNA与遗传物质脱氧核糖磷酸AGCT腺嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶胸腺嘧啶DNA的基本单位－脱氧核苷酸含氮碱基碱基配对原则：A——TG——C碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖磷酸(phosphate)DNA的化学本质核酸单核苷酸核苷磷酸戊糖含氮碱基嘌呤鸟嘌呤G腺嘌呤A嘧啶胞嘧啶C尿嘧啶U胸腺嘧啶（T）存于DNA中存于RNA中核糖脱氧核糖5´端3´端多个核苷酸3´,5´磷酸二酯键核酸AOCH2OHPOOO-O5'COCH2POOO-O3'5'TOCH2POOO--O3'5'碱基配对及氢键形成RNA的分子结构至于RNA的分子结构，就其化学组成上看，也是由四种核苷酸组成的多聚体。它与DNA的不同，首先在于以U代替了T，其次是用核糖代替了脱氧核糖，此外，还有一个重要的不同点，就是绝大部分RNA以单链形式存在，但可以折叠起来形成若干双链区域。在这些区域内，凡互补的碱基对间可以形成氢键(图)。但有一些以RNA为遗传物质的动物病毒含有双链RNA。RNA的分子结构总结DNA分子结构的主要特性？相对的稳定性、多样性和特异性。①DNA分子结构的相对稳定性，主要是由于外侧脱氧核糖与磷酸交替排列的顺序是稳定不变的。②DNA分子结构的多样性，主要是由于内侧碱基对的排列顺序是千变万化的。③DNA分子的特异性，是由于每个特定的DNA分子都具有其特定的碱基对排列顺序。WatsonandCrickproposedthatthetwopolynucleotidechainsinthedoublehelixassociatebyhydrogenbondingbetweenthenitrogenousbases.GcanhydrogenbondspecificallyonlywithC,whileAcanbondspecificallyonlywithT.Thesereactionsaredescribedasbasepairing,andthepairedbases(GwithC,orAwithT)aresaidtobecomplementary.例、下图是DNA分子结构模式图，用文字填出1—10的名称。PPPPACTG1234567891012345678910胞嘧啶（C）腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胸腺嘧啶（T）脱氧核糖磷酸胸腺嘧啶脱氧核苷酸碱基对氢键一条脱氧核苷酸链的片段随堂闯关随堂闯关DNA是遗传物质(1)贮藏遗传信息的功能(2)传递遗传信息的功能(3)表达遗传信息的功能由此，克里克提出中心法则,确定遗传信息由DNA通过RNA流向蛋白质的普遍规律。生命通过繁殖而延续,DNA是生物遗传的基本物质。漂亮的模特遗传学家“中心法则”遗传信息储存在DNA中，DNA通过转录生成mRNA，mRNA再通过翻译生成蛋白质，从而完成遗传信息的表达过程。克里克提出中心法则,遗传信息由DNA通过RNA流向蛋白质缬氨酸天冬酰胺谷氨酰胺组氨酸亮氨酸苯丙氨酸真核生物原核生物一个基因一个性状？不一定。例如肤色的控制至少有三个基因参与。基因决定性状，环境还起不起作用？在基因型确定的基础上,环境常常会影响表型。产生黑色素的酶在较高温度下失活，所以毛色在端点位置体温较低处呈黑色随堂闯关随堂闯关基因与疾病基因与人类的疾病密切相关,遗传病是由于基因先天缺陷所致;肿瘤的发生涉及多种基因改变,包括癌基因激活或抑癌基因失活;高血压、糖尿病等多基因病也涉及到多种基因的改变;由病原体所致的传染病也和人体基因密切相关,存在易感人群和耐受人群;甚至致病原因与基因无关的外伤也在治疗和恢复过程中离不开基因.基因与个性•从血型和性格的相关性谈起.•基因与人的性格密切相关,特别是一些精神性疾病,如烦躁,抑郁,同性恋,犯罪,自杀等,最近研究表明,人的聪明程度,行为倾向,高矮胖瘦等特征均与基因密切相关.随堂闯关随堂闯关•真核细胞基因结构和原核细胞的有何相同点和不同点？1）相同点：都是由能够编码蛋白质的编码区和具有调控作用的非编码区组成。2）不同点：原核细胞基因的编码区是连续的，真核细胞基因的编码区是间隔的，不连续的。真核细胞基因组中的基因常有内含子存在，能否在原核细胞中表达？能，为什么？不能，为什么？不能，因为原核细胞缺乏对真核基因中内含子的剪接功能和转录后加工系统。原核生物必须有相应的原核RNA聚合酶可识别原核细胞的启动子,以催化RNA的合成。基因表达是以操纵子为单位，操纵子由数个相关的结构基因和调控功能的部位组成的。因此在构建原核表达载体时必须有1个强的原核启动子及其两侧的调控序列。随堂闯关随堂闯关核酸核糖核酸（RNA）脱氧核糖核酸（DNA）核糖体RNA（rRNA）转运RNA（tRNA）信使RNA（mRNA）分类分布细胞核、线粒体、叶绿体、质粒等功能遗传信息的载体细胞质、细胞核核糖体的成分转运氨基酸传递DNA的遗传信息，指导蛋白质合成是现代分子生物学领域理论上的三大发现和技术上的三大发明。理论上的三大发现：①证实了DNA是遗传物质②揭示了DNA分子的双螺旋结构模型和半保留复制机理③遗传密码的破译和遗传信息传递方式的确定技术上的三大发明：①限制核酸内切酶的发现与DNA切割②DNA连接酶的发现与DNA片段的连接③基因工程载体的研究与应用随堂闯关随堂闯关基因工程诞生的理论基础是什么？为什么能把一种生物的基因“嫁接”到另一种生物上？推测这种“嫁接”怎样才能实现？DNA是生物的主要遗传物质DNA都是由四种脱氧核苷酸形成的规则的双螺旋结构二.基因工程•基因工程培育抗虫棉的简要过程：普通棉花(无抗虫特性)苏云金芽孢杆菌提取抗虫基因与运载体DNA拼接导入棉花细胞(含抗虫基因)棉花植株(有抗虫特性)•上述培育抗虫棉的关键步骤是什么？基因工程的概念基因工程又叫做基因拼接技术或DNA重组技术。是在生物体外，通过对DNA分子进行人工“剪切”和“拼接”，对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生出人类所需要的新的生物类型和生物产品.基因工程基因工程操作的工具1.将目的基因片断从受体细胞内提取，需要基因的剪刀——限制性核酸内切酶。2.将目的基因与质粒DNA连接，需要基因的针线——DNA连接酶。3.将目的基因运入大肠杆菌，需要基因的运输工具——运载体。基因工程所需的基本条件C用于基因转移的受体菌或细胞目的基因-符合人类需要的基因目的基因表达系统B用于基因克隆的载体-运载和表达基因的工具A用于核酸操作的工具酶限制性核酸内切酶-分割DNA分子的工具DNA连接酶-把DNA片段连接起来的工具基因工程原理示意图A用于核酸操作的工具酶基因的剪刀——限制性内切酶限制性内切酶(简称限制酶)。主要存在于微生物中。一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并且能在特定的切点上切割DNA分子工具酶基因工程中的工具酶主要包括用于DNA和RNA分子的切割、连接、聚合、逆转录等相关的各种酶类。一、限制性核酸内切酶(restrictionendonuclease,RE)限制性内切酶的发现1960年，瑞士科学家阿尔伯在观察大肠杆菌时，发现了一种酶。这种酶，它能识别DNA顺序上特定的DNA位置并在这一位置进行切割。这种酶被称为限制性内切酶，后来被广泛地使用于基因工程中，阿尔伯因此荣获了1978年度诺贝尔奖。限制性核酸内切酶史密斯（1931--）内森斯（1928--）内森斯和史密斯都是美国科学家，因为发现限制性核酸内切酶而获得1978年诺贝尔生理学及医学奖。限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶EcoR1限制性核酸内切酶EcoR1对DNA分子的切割有趣的回文序列CGACGAATTCGATAGCTGCTTAAGCTAT是一类由细菌产生的能专一识别和切割双链DNA中的特定碱基序列的核酸内切酶，简称限制酶或切割酶。根据限制酶作用特性，一般分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型，其中常用的是Ⅱ型限制酶。限制性核酸内切酶第一个字母取自产生该酶的细菌属名，用大写；第二、第三个字母是该细菌的种名，用小写；第四个字母代表株；用罗马数字表示发现的先后次序。命名EcoRⅠ属种株序EscherichiacoliRY13株大肠杆菌RY13株的第一种酶大肠杆菌限制酶的命名应该是依据其来源和发现顺序，名称分两部分：•第一部分：用供体微生物拉丁学名的关键字（如大肠杆菌：Escherichiacoli，E.coli）；•第二部分：该酶在该菌中发现的顺序：I表示首先发现，II表示第二发现。ECORI：大肠杆菌中发现最早的限制酶SmaI：粘质沙雷氏菌中发现最早的限制酶HindⅠ、HindⅡ和HindⅢ:从流感嗜血杆菌d株（Haemophilusinfluenzaed）中先后分离到3种限制酶，（2）产生平末端(bluntend):酶的识别和切割位点:通常4-6bp,具有回文结构(palindrom)（1）产生粘性末端(stickingend)5＇-末端:EcoR1:5＇-GAATTC-3＇3＇-CTTAAG-5’3＇-末端:Pst1:5＇-CTGCAG-3＇3＇-GACGTC-5＇Sma1:5＇-CCCGGG-3＇3＇-GGGCCC-5＇bp是basepair的简称，也就是一个碱基对。又称异源同工酶。指来源不同，但具有相同的识别序列。同识同切:在切割DNA时，其切割点可以是相同的，产生平头末端.同识异切:切割点也可以是不同的，产生3ˊ或5ˊ粘性末端.同裂酶同裂酶——同识同切5'-TTT3'-AAAAAA-3'TTT-5'+AhaⅢDraⅠ5'-TTT3'-AAAAAA-3'TTT-5'同裂酶——同识异切GCCATGGTACCGGGTACCCCATGGGGTACCCCATGG+KpnI5'-G3'-CCATGGTACC-3'G-5'+Asp718I5'-3'--3'-5'5'-3'--3'-5'5'-3'--3'-5'GCCTAGGATCCGGATCCTAGGATCCTAG5'-3'--3'-5'MboⅠBamHⅠBglⅡ5'-3'--3'-5'5'-A3'-TT-3'A-5'指来源不同，但识别与切割顺序有一定的相关性的一类酶。它们作用后产生相同的粘性末端。同尾酶BamHⅠBglⅡGGATCCCCTAGGAGATCTTCTAGAGCCTAGGA