分子生物学课件--基因工程

1、1,第八章 基因工程 （GENETIC ENGINEERING）,本章，我们讨论4个问题： 1. 什么是基因工程基因工程的概念。 2. 为什么能进行基因工程基因工程的原理和技术。（包括3大理论和3大技术准备） 3.怎样进行基因工程3大步骤（DNA体外重组，重组DNA导入宿主细胞后扩增和表达，基因工程后处理） 4.基因工程的应用和前景对于医学来说即生产基因工程产品、开展基因治疗等。,第一节 概 述,一.现代科学技术发展的3个特点： （一）科学技术加速发展和急剧变革： 1.当代科学发展成指数增长趋势，全世界发表科技论文60008000/天，平均1篇/10.8秒问世。 2.人类科技知识在19世纪半衰期是50年，现在是35年（终身教育学习）。 3.1973年，Cohen Group第一次实现了细菌遗传性状的转移terr+nersrterrner ，导致基因工程技术诞生，至今不到30年，人类已经拥有了克隆羊、猪等等的技术，可以复制一个生命体。（克隆羊多利19972003，体细胞克隆，胚胎细胞克隆）,Psclol,tetr,Rb-3,ner,sr,tetr,ner,tetr ner,O,tetr,

2、ne,图8-1 Cohen Group第一次实现了细菌遗传性状转移示意图,(二)科学技术发展的综合化 1.19世纪中叶，以科学技术是分离的，它们各有独自文化传统，它们的发展往往是脱节的。 2.科学回答“是什么”“为什么”，技术回答“做什么”“怎么做”。当今科技发展已经密不可分，科学里包含技术，技术里体现科学。 3.当代科技发展有两种形式：一是突破，二是融合。突破是线性的，即从研究开发新一代的科技成果取代原有一代科技成果。融合是非线性的，即混合原有不同的科技领域，进而发展新产品，造成革命性市场，它们是互补和合作的结果。 基因工程既是科学又是技术，既是突破，又是融合。她造成革命性市场（美国基因工程产品300亿美元/年，乙肝疫苗50美元/人）；她是分子遗传学，生物化学，细胞学，细胞生物学，分子生物学相互渗透，交叉融合、突破的结果。,(三)科技发展必需和人文社会科学发展相结合： 1.当代各种全球性问题出现，从一定意义上来说是由于科学技术广泛应用于社会而引发的，如TMD、NMD(布什对萨达姆) 2.科学技术是第一生产力，而文化水平是人类把握科学技术的一个尺度。 3.科学技术是一把双刃剑，原子核技

3、术可以给人类带来光明，原子弹却可以把长崎、广岛夷为平地；克隆技术，基因工程技术可以挽救濒临灭绝的动物（国宝熊猫），也可以动摇人类以性爱为基础的生产方式（冷冰冰克隆人和自然人，情人节少了一个经济增长点；克隆战争狂人和反战英雄；克隆idea孙悟空齐天大圣）。基因工程技术是当代科学技术重要的前沿。,二基因工程的概念 （一）基因（gene） 基因 从化学上来说，指的是一段DNA或RNA顺序，该顺序可以产生或影响某种表型（genotype，phenotype），可以由于突变生成等位基因变异体（体细胞父源和母源；正常和突变基因）；从遗传学上来说，基因代表一个遗传单位，一个功能单位，一个突变单位。 （二）基因工程（genetic engineering） 基因工程 在体外通过人工剪、接，将不同来源的DNA分子组成一个杂合DNA分子(DNA分子重组体)，然后导入宿主细胞去复制扩增或表达。因为通过人工设计,得到一定的设计方案，故称为基因工程。由于整个操作在分子水平上进行，所以也称分子克隆。 基因工程的基本特点是，分子水平操作，细胞水平表达。,在这个过程中： 1.“基因剪刀” 剪取DNA的酶就像一把“基因

4、剪刀” 2.“缝纫针” 连接不同来源DNA分子的酶就像一根“缝纫针”，使二者连在一起 3.“交通工具” 使用载体好比一辆车子 4.“乘客” 有用基因如IL2好比使乘客，车子把乘客送进理想天堂（宿主细胞）去繁衍生息，春华秋实，生产我们需要的产品或开展基因治疗（IL2/LAK抗癌）。,我们应该记住他们 1.第一个实现DNA重组的人Berg 1972年，Berg用E.coR切割SV40DNA和phageDNA，经过连接组成重组的DNA分子。Berg是第一个实现DNA重组的人。 2.第一个取得基因工程成功的人Cohen 1973年，Cohen Group将E.coli的tetr质粒psclol和nersrR6-3质粒体外限制酶切割，连接成一个新的质粒，转化E.coli，在含四环素和新霉素的平板上筛选出了terrNer,实现了细菌遗传性状的转移。这是基因工程史上的第一个克隆化并取得成功的例子，这一年被定为基因工程诞生的元年。,三基因工程克隆技术人类对自然的干预 （一）遗传和变异是生物学的一对重要概念。 1.遗传赋予生物种的稳定，保证生物种的延绵不断（不能断香火）。 2. 变异赋予生物种的进化，保

5、证生物种对环境的适应。 3. 遗传和变异这一对矛盾在一个生物体内统一起来。 4.在生物演变的历史长河中，自然发生的变异是相当相当缓慢的。 5.随着生物科学的发展，尤其是基因工程技术的诞生，人类开始干预生物的变异（福耶祸耶？无法定论） 6.经典的遗传学千百万年才能积累出现的有利的变异，通过基因工程手段几十年乃至几年就可以实现。而时至今日，几乎一发不可收拾。,(二)多利 1997223，Nature杂志报道，英国爱丁斯堡罗斯林研究所和PPL生物技术公司已经成功克隆了一只名叫多利的绵羊（19972003/7/12）。这一消息的公布，全世界震惊的程度不亚于原子弹在长崎和广岛的爆炸，在全球引起了轩然大波，以至世人惊呼：不要让科学疯狂！ 为什么以前胚胎克隆没有在世界上引起轩然大波呢?原因是此克隆非彼克隆，多利取自功能彻底分化的成年动物乳腺细胞，即体细胞。它推翻了遗传学上一条上百年的定律：体细胞功能高度分化，不可能重新发育成个体。,（三）多利诞生的过程 为什么震惊和惊呼，我们先了解一下多利诞生的过程以及胚胎细胞克隆和体细胞克隆的区别这两个基本问题，对我们学习后面内容或许有所帮助和启发。 多利诞生的过

6、程： 1.取出第一只成年母羊乳腺的普通细胞，分离基因备用。 2.取出第二只母羊未受精的卵细胞，取出基因换上第一只羊乳腺细胞基因（“掉包”），放电激活该卵细胞，使之象正常受精卵一样进行细胞分裂，直至一定阶段，胚胎成熟。 3.将成熟的胚胎移植到第三只母羊子宫中发育，妊娠（同正常一样），最后产下多利。 这样一只与第一只羊基因百分之百一样的复制品诞生了。,（四）此克隆非彼克隆 胚胎细胞克隆 体 细 胞 克 隆 供体细胞 胚胎细胞（核） 体细胞（核） 受体细胞 去核未受精的卵细胞 去核未受精的卵细胞 发育场所 母体宫腔 母体宫腔 关键区别 克隆的是子代（多生了一个） 复制的是自己（复制了一个）,（五）克隆是一把双刃剑,试想，有了克隆技术，有人在你毫不知晓的情况下复制一个“你”去犯罪，怎么办？试想，有了克隆技术，一些极权的政治野心家一下子克隆出好几个战争狂人希特勒、墨索里尼，怎么办？还有，有了克隆技术，世界上同时生活着多个你、我、父母、兄弟、姐妹，按现行的社会伦理道德很难为其“名份”定位，又该怎么办？因此说克隆对人类社会伦理道德提出了一场非同寻常的挑战，平添一系列是我非我、是父非父、是妻非妻、是子

7、非子之类的麻烦事，绝非危言耸听。从社会伦理角度看，用克隆技术培育出的人，有其特定的生理性状，这对人类的自然发展和人种的自然构成无疑会产生极大的影响。,从家庭伦理角度看，将克隆技术用于人体繁殖，会加剧家庭多元化倾向，还会从根本上改变人的亲系关系，确定人类亲系关系的标准也将发生改变。 从性伦理角度看，它完全改变了人类自然的基于性爱的生育方式，使人口的生产与性爱分离，从而破坏男女之间基于性受而获得后代的情感，并由此改变人类的基本性伦理关系。 从遗传学上看，人本来是由两性细胞结合而产生的，这种结合有利于人种进化，而克隆使人的遗传基因成为单一的，势必导致人种退化。 从哲学上看，克隆还会使人们正常的生与死的概念发生动摇。,图8-2 用克隆技术复制人类的假想图,四基因工程3大理论，3大技术准备： （一）理论上的3大发现： 1. 20世纪40年代，Avery发现了生物遗传物质的化学本质是DNA。超越时代的科学成就往往不易被人们接受，Avery当时并未赢得阵阵掌声，他的论文事隔10年以后才公开发表。 2. 20世纪50年代，Watson-crick提出了DNA结构的双螺旋结构模型，搞清楚了生物遗传物质的

8、分子机制。 3. 20世纪60年代，确定了遗传信息的传递方式：DNARNAPr,破译了全部遗传密码，43。,（二） 技术上的3大发明： 1“基因剪刀”限制性内切酶的发明 （1）20世纪4060年代，科学家们就为基因工程设计了美好的蓝图，但是面对庞大的dsDNA（104，2.2*1011公里）束手无策，无从下手把它切成单个基因片断。 （2）当时的酶学知识已有相当的发展，但是没有一个已发现的酶能完成这样的使命。 （3）1970年，Smith和Wilcox在流感嗜血杆菌（Haemophilus inffuenzae）分离纯化了Hind，取得了突破，打破了基因工程的禁锢，迎来了改造生物的春天，为基因工程奠定了最为重要的技术基础。,2载体(“交通工具车子”)基因工程技术诞生的第二个技术准备 （1） 有了切割与缝合（ligase）基因DNA的工具，还得有一个车子（富康） 将重组DNA送到宿主细胞中去。 （2）1946年起，Lederberg就研究细菌性因子（F因子）.50-60年代相继发现了R因子（抗药因子），CoE(大肠杆菌因子)等质粒。 （3）然而，直到1973年Cohen才能将质粒作为基因工

9、程载体使用（至今一直是基因工程最重要最广泛使用的载体）。这是基因工程的第二个技术准备。,3逆转录酶1970年Baltimove和Temin等同时各自发现了逆转录酶，打破了遗传学（生物学）中心法则，使真核基因的制备成为可能。（原因如下） (1)真核基因组庞大而复杂，不易制得基因图谱。HGP2005年完成，2.8万个基因，13kb/基因，104，2.2*1011公里。 （2）即使有了基因图谱，因为真核基因有内含子，不能在原核表达系统剪接出mRNA，没有成熟的mRNA就不能得到相应得产物。 （3）经过逆转录mRNAcDNA (complementory DNA)文库要比基因组文库小得多，所以筛选阳性克隆就方便得多。 有了这些理论核技术的武装，基因工程的临盆降生指日可待，Berg和Cohen两位科学的“助产士”，把基因工程接到了人间。,五与基因工程相关的概念： （一）克隆（clone,cloning）： 1.原意是指单细胞纯系无性繁殖。 2.现代概念是将实验得到的人们所需的微量基因结构，引入适当的宿主细胞中去。在合适的生理环境中进行无性繁殖，从而利用宿主的生理机制繁衍人们所需要的基因结构，并进行表达。由于整个操作在分子水平上进行，所以称为分子克隆（molecular cloning）。 3. 这个术语的几种含义： （1）作为名词 带有相同插入顺序的重组DNA分子的1个群体。 基因型（genetype）相同的细胞或生物体的一个群体。 最常用的是描述一个微生物的一个菌落，这些微生物带有插入了特定DNA片断的载体分子。 （2）作为动词，是“去克隆”，即利用体外DNA重组技术将一个特定的基因或DNA顺序插入一个载体分子。,（二）重组DNA技术(DNA recombination technique) 是用酶学的方法将不同来源的DNA在体外切割，连接组成一个杂合的DNA分子的技术。基因工程包括DNA重组技术，现将相关的概念关系列表如下。 （三）生物工程（Biologic engin

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