第一章 基因工程概况

1绪论—基因工程概况如何理解基因工程？有哪些理论依据？怎样达到目的？一、基因工程含义进行严密设计，通过体外DNA重组和转基因等技术将外源基因导入受体细胞，有目的地改造生物，短时内创造出更完善的新的生物类型。广义上指产业化设计与应用，包括上、下游技术两大部分，倾向于工程学范畴。优点：打破了常规的物种间界限（原核与真核生物之间、动植物之间、甚至人与其他生物之间），使遗传信息进行重组和转移。二、基因工程理论依据①基因有共同的物质基础：有遗传功能的特定核酸序列：DNA片段或RNA。②基因可切割：存在间隔序列（重叠序列的基因也可切出）。③基因可转移：可在染色体DNA或不同染色体之间跳跃，基因组也可重组。④多肽与基因之间存在对应关系。一种多肽对应一种基因。根据表达产物的性质可检查基因的转移或重组。⑤遗传密码通用。三联密码子（少数除外）与氨基酸相对应，所有生物都相同，只要具备转录翻译条件均能转译出原样的氨基酸。基因可人工合成。⑥基因可复制传递遗传信息。重组基因可传代，获得相对稳定的转基因生物。三、基因工程的基本技术路线四、基因工程研究发展史①准备阶段。1944年美国Avery等细菌转化证明DNA是基因载体。1953年Watson和CrickDNA双螺旋模型。1958～1971年先后确立中心法则,破译64种密码子，揭示了遗传信息的流向和表达。20世纪60年代末70年代初：发现限制性核酸内切酶和DNA连接酶，实现DNA体外切割和连接。1972年首次构建出重组DNA分子。②基因工程问世。1973年首次完成重组质粒DNA对大肠杆菌的转化，证实真核基因可转移到原核生物细胞并表达。③基因工程的迅速发展阶段。一系列新的操作技术，构建了多种供转化（或转导）原核生物和动、植物细胞的载体，获得了大量转基因菌株。1980年：显微注射培育出第一个转基因动物—转基因小鼠，1983年：农杆菌介导培育出第一例转基因植物—转基因烟草。21世纪初将是基因工程应用研究的鼎盛时期，医、农、牧、渔的等产品都会使用基因工程的标记。五、基因工程研究内容基础研究1、克隆载体：原核生物的克隆载体：Ti质粒及其衍生载体（植物基因工程），动物病毒克隆载体（动物基因工程）。核心环节：构建新载体（适于高等动植物转基因表达载体和定位整合载体），应大力发展。•2、受体系统：克隆载体的宿主：外源目的基因表达场所（单个细胞、组织、器官、个体）。分两类：原核,如大肠杆菌，早期的蓝藻；真核单细胞生物如酵母菌。人和高等动、植物复杂基因组文库的受体系统：小球藻和衣藻，高等植物受体（愈伤组织、细胞和原生质体、部分组织和器官），双子叶植物拟南芥、烟草，单子叶植物水稻、玉米等。动物体细胞再分化能力差，主要是生殖细胞或胚细胞受体，已获转基因鼠、鱼等。人体细胞受体。转基因细胞系作病理研究，以异常生长细胞作受体，通过转基因使其回复正常生长状态（基因治疗）。3、目的基因：开发人们特殊需要的基因，即目的基因（优良性状的基因、致病基因）。发达国家激烈竞争的焦点，有限的战略性资源，可申请新基因专利。获取途径：构建基因组文库或cDNA文库；PCR直接从某生物基因组扩增；较小的可人工化学合成。已获目的基因大致种类：与医药相关的基因；抗病、虫害和恶劣环境的基因；编码特殊营养价值的蛋白或多肽基因。某种生物基因组的全部基因：1990年开始实施“人类基因组计划”，2000年6月已绘制“工作框架图”。意义：人生长、发育、繁殖，遗传性疾病的病因（基因治疗），优生优育。“水稻基因组计划”：中国水稻（籼稻）基因组“工作框架图”和数据库已完成。中、英两国合作“家猪基因组计划”。•4、工具酶：指体外进行DNA合成、切割、修饰和连接等系列过程中所需要的酶（DNA聚合酶、限制性核酸内切酶、修饰酶和连接酶）。限制性核酸内切酶：有规律地切割DNA，获得特定末端的DNA片段。研究热点：耐热内切酶和长识别序列稀切酶。两种DNA连接酶：大肠杆菌DNA连接酶、T4DNA连接酶。DNA聚合酶：人工合成连杆、引物等DNA小片段以及含基因的较大的DNA片段，制备DNA探针。已发现的多种耐热性DNA聚合酶有Taq、Tth、Bst、Pwo、pfu等。DNA修饰酶：修饰DNA分子的有甲基化酶，修饰末端的有碱性磷酸酯酶、转移酶、核酸外切酶等。5、新技术：一系列用于不同类型受体细胞的DNA转化方法和病毒转导方法：基因枪、电激仪等克服了某些克隆载体应用的物种局限性，提高外源DNA转化的效率。基因的检测技术：放射性同位素标记探针，非放射性标记DNA探针和荧光探针技术。基因分离技术：凝胶电泳可分开几万碱基的DNA分子或DNA片段；脉冲电泳能分开上百万碱基的DNA分子或片段或完整的染色体。•应用研究：•广泛用于医、农、牧、渔等产业，甚至环保。基因工程药物：最活跃和发展最快的领域。欧、美、日等国激烈竞争，金融界和大企业家投资的热点，我国近年猛追势头。主要指基因工程活性多肽、疫苗和DNA药物等，一些人体活性多肽（如激素、神经多肽、淋巴因子、凝血因子等），用于疾病诊断、预防和治疗。已生产和上市的人体活性多肽有干扰素（IFN）、白介素（IL）、生长因子等几十种。转基因植物疫苗，如转抗原基因马铃薯、香蕉、蓝藻等。转基因植物：三类①农杆菌介导的基因转移。②直接基因转移：以原生质体或细胞为受体。如用PEG、电激仪、基因枪、脂质体等将基因导入细胞或原生质体，培养成转基因植株。③种质系统的基因转移。如利用子房注射，花粉管通导等方法导入外源基因。抗病毒、细菌和真菌病，抗虫，抗除草剂，抗旱、抗寒、抗热和抗盐，改善植物品质，获得能生产疫苗或活性多肽药物的植物。转基因动物：改良家畜、家禽和鱼的经济性状，生产某些药物和蛋白质等，转基因兔、羊、鱼等多种。其他方面：酶制剂工业、食品工业、化学与能源工业及环境保护等。相应的安全管理：20世纪80年代发达国家已制定一系列法则。我国1993年发布《基因工程安全管理办法》；1996年发布《农业生物基因工程安全管理实施办法》；2001年发布了《农业转基因生物安全管理条例》，对基因工程操作的各个环节做了严格的规定。六、基因工程研究发展前景传统的生产方式和产业结构:决策者的战略：竞相拟定宏伟研究发展计划，争取主动权，巨资开发。一大批高学历的科技工作者参与：重点开展基因组学、基因工程药物、动植物生物反应器和环保等方面。人类生活质量全面改善