第八章基因工程诞生与发展
基因工程的诞生和发展
基因工程的诞生和发展基因工程（Genetic engineering）是一门综合性的科学技术，它是指通过改变生物体的遗传物质DNA的结构和功能，来获得新的生物种类或改造现有生物种类的一种技术。
基因工程的诞生与发展离不开科学家们长期以来对生物遗传学和分子生物学的研究和发现。
20世纪50年代，科学家们开始对DNA的结构和功能进行深入研究，发现DNA是一种可以编码生物体遗传信息的物质。
随后，Watson和Crick 于1953年发现了DNA的双螺旋结构，这一发现为现代基因工程的诞生提供了重要的理论基础。
随后几十年间，科学家们陆续发现了DNA的复制过程、转录和翻译过程等一系列重要的分子生物学过程，为基因工程的研究奠定了基础。
1960年代，爱德华·塔图姆尔（Edward Tatum）和乌斯彭·利德尔（Uspenskii L）等科学家在真菌中实现了DNA的横向转移，开创了外源DNA在生物体中的应用。
这一发现激发了科学家们进一步研究外源DNA途径的兴趣。
1970年，科学家们首次成功地在细菌中插入外源DNA，这一过程被称为基因转化。
此后，基因转化逐渐成为基因工程的核心技术之一1973年，斯坦利·科恩（Stanley Cohen）和赫伯特·沃里克（Herbert Boyer）首次成功实现了DNA的重组组装，这一技术被称为重组DNA技术。
重组DNA技术的出现，使得科学家们能够将不同生物种类的DNA重新组合，创造出全新的生物种类，或者利用外源DNA来改变生物体的遗传特征。
重组DNA技术的突破性发现，被认为是基因工程领域的里程碑事件。
随后的几十年间，重组DNA技术得到了广泛的应用和发展，并带来了革命性的变革。
基因工程的发展经历了多个阶段。
上世纪80年代，通过基因工程技术，科学家们成功地制备出了第一个重组人胰岛素，开创了生物制药的新时代。
此后，利用基因工程技术制备的重组蛋白和重组抗体等治疗药物相继问世，为医学领域带来了革命性的进展。
人类基因工程技术的发展史
人类基因工程技术的发展史随着人类社会的发展，科技更迭，人类的认知和技能水平也不断提升，基因工程技术作为其中的重要组成部分，在人类历史上展现了其重要的意义和价值。
本文将从基因工程技术的起源、发展、应用和未来四个方面进行探讨，以期带给读者更广阔的视野和知识。
一、基因工程技术的起源基因工程技术是通过对生物体的基因进行人工修改和重组，来达到创造新物种、修改现有物种、修复有缺陷的基因等目的的一门技术。
基因工程技术的起源可以追溯到20世纪50年代，美国科学家Watson和Crick通过对DNA二级结构的研究，揭示了生命世界的奥秘，这为基因工程技术的诞生奠定了基础。
20世纪60年代，科学家Har Gobind Khorana首次合成人工基因序列，并成功翻译编码难题，实现了从基因到蛋白质的转化。
70年代到80年代，基因工程技术又陆续出现了DNA重组技术、遗传工程等技术，对生物技术、医学界、饲料业、种业等领域产生了重要影响，为现代医学提供了新的治疗方案，并为农业、畜牧业提供了更有效的途径，成为21世纪科技领域中不可或缺的一部分。
二、基因工程技术的发展随着基因工程技术的不断发展，其应用领域也不断扩大。
在农业领域，基因工程技术为粮食安全、植物防病、生态环境治理等带来了方便和效益。
例如，转基因玉米、大豆等作物具有良好的防虫能力和较高的产量，能够增加农民的收益和推动粮食生产的可持续性。
在医学领域，基因工程技术的出现为疾病治疗、基因诊断等提供了更加高效和精准的手段。
例如，基因治疗是一种通过将健康基因导入体内达到修复有缺陷的基因的治疗方法，常在癌症、免疫系统缺陷病、遗传疾病等方面应用，可以使患者达到治愈、预防或缓解的效果。
此外，基因工程技术在环境治理、新能源和新材料研究等领域也展现了良好的前景。
例如，通过基因工程技术可以制造出更加高效的催化剂，从而加速化学反应的速度和效率，实现能源的可持续利用。
三、基因工程技术的应用随着技术的不断进步，基因工程技术的应用也在不断深入和推广。
《生物化学》-第八章
➢ 与前述操纵子的基本组成一样，乳糖操纵子也是由结构基因和调控区组成的 ➢ 乳糖操纵子包括Z、Y和A三个结构基因 ➢ Z结构基因编码β-半乳糖苷酶，催化乳糖转变为别乳糖 ➢ Y结构基因编码半乳糖透过酶，促使半乳糖透过酶进入细菌内 ➢ A结构基因编码乙酰转移酶，催化半乳糖形成乙酰半乳糖 ➢ 调控区包括调节基因（I）、启动子（P）、操纵基因（O）及启动子上游的一个CAP结合位点，
第一节 基因表达的调控
二、基因表达调控的概念和意义
（一）基因表达调控的概念
➢ 基因表达调控是指细胞或生物体在接收内外环境信号刺激 或适应环境变化的过程中，在基因表达水平上所做出的应 答，即基因组内的基因如何被表达、表达多少等
➢ 基因表达调控大致可以在5个层次上进行，即转录前、转 录、转录后、翻译和翻译后
➢ 基因表达是指在一定的调节机制的控制下，基因组DNA经 转录、翻译等一系列过程，合成具有特异生物学功能的蛋 白质的过程
➢ 并非所有基因表达过程都产生蛋白质，rRNA、tRNA编码 基因转录生成功能型RNA的过程也属于基因表达
第一节 基因表达的调控
一、基因表达的概念、特点及方式
（二）基因表达的特点--时间特异性
5′-侧上游，主要控制整个结构基因群的转录
第一节 基因表达的调控
三、原核生物基因表达的调控
（一）操纵子的基本组成
➢ 3．操纵基因 ➢ 操纵基因是指能被阻遏蛋白特异性识别并结合
的一段DNA序列，常与启动子邻近或与启动子 序列重叠 ➢ 当阻遏蛋白结合在操纵基因上，阻遏蛋白会阻 碍RNA聚合酶与启动子结合或使RNA聚合酶 不能沿DNA链向前移动，从而阻遏转录的进行
（一）操纵子的基本组成
➢ 1．结构基因 ➢ 操纵子中被调控的编码蛋白质的基因称为结构基因 ➢ 一个操纵子中含有2个以上的结构基因，多的可达20个以上 ➢ 各结构基因头尾衔接、串联排列，组成结构基因群
《微生物学》主要知识点-08第八章微生物的遗传
第八章微生物的遗传概述：遗传(heredity or inheritanc® 和变异(variation)是生物体的最本质的属性之一。
遗传即生物的亲代将一整套遗传因子传递给子代的行为或功能。
变异指生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改变。
基因型(ge no type某一生物个体所含有的全部基因的总和。
表型(phe no type)某一生物所具有的一切外表特征及内在特性的总和。
饰变( modification)不涉及遗传物质结构改变而发生在转录、翻译水平上的表型变化。
8.1遗传变异的物质基础8.1.1三个经典实验1. 经典转化实验：1928年F.Griffith以Streptococcus pneumoniae为研究对象进行转化(transformation)实验。
1944年O.T.Avery等人进一步研究得出DNA是遗传因子。
S strun A2. 噬菌体感染实验：1952年Alfred D.Hershey和Martha Chase用32P标记病毒的DNA，用35S标记病毒的蛋白质外壳，证实了T2噬菌体的DNA是遗传物质。
3.植物病毒的重建实1956年H.Fraenkel-Conrat用含RNA的烟草花叶病毒（tobacco mosaic virus,TMV）与TMV 近源的霍氏车前花叶病毒（Holmes ribgrass mosaic virus,HRV）所进行的拆分与重建实验证明，RNA也是遗传的物质基础。
8.2微生物的基因组结构：基因组（genome是指存在于细胞或病毒中的所有基因。
细菌在一般情况下是一套基因，即单倍体（haploid）;真核微生物通常是有两套基因又称二倍体（diploid ）。
基因组通常是指全部一套基因。
由于现在发现许多非编码序列具有重要的功能，因此目前基因组的含义实际上是指细胞中基因以及非基因的DNA序列的总称，包括编码蛋白质的结构基因、调控序列以及目前功能还尚不清楚的DNA序列。
基因工程课件
05
基因工程的伦理与法规问题
伦理问题
人类基因组编辑
尽管有可能治愈某些遗传疾病，但人类基 因组的编辑可能会带来不可逆转的后果，
对人类基因库产生长远影响。
A 基因歧视
基因工程可能导致基于基因信息的 歧视，特别是在就业、保险、教育
等领域。
B
C
D
生物安全与生物武器
基因工程可能产生具有高度传染性和杀伤 力的生物武器，对人类安全构成威胁。
法规执行困难
由于基因工程技术的复杂性和专 业性，法规的执行可能面临挑战 ，例如如何界定和处罚违规行为 。
跨国公司的监管
跨国公司在不同国家开展业务时 可能面临复杂的法律和监管环境 ，这可能对公司的运营和投资决 策产生影响。
06
未来展望与挑战
技术创新与发展趋势
基因编辑技术的优化
随着基因编辑技术的发展，未来有望实现更为精确和高效 的基因编辑，为基因治疗、生物育种等领域提供更多可能 性。
基因隔离
基因工程可能会加剧社会不平等，导致基 因“精英”与大多数人的隔离。
法规问题
缺乏全球统一的法规 目前尚无全球统一的基因工程法 规，各国对基因工程的监管存在 差异，这可能导致不公平竞争和 市场混乱。
公众参与和透明度 公众对基因工程的了解和参与程 度可能影响法规的制定和执行， 同时保证透明度也有助于维护公 众信任。
DNA上的特定位点并与之结 合，从而调节转录的效率和
时间。
表观遗传学
表观遗传学研究的是在不改 变DNA序列的情况下，通过 调节基因表达来实现遗传性 状的改变。这包括DNA甲基 化、组蛋白修饰和微RNA等 机制。
基因克隆与鉴定
克隆化
基因克隆是将目的基因插入到载体中并导入 到宿主细胞中，使目的基因在宿主细胞中复 制、扩增和表达的过程。
第八章基因工程电子教案
导入外源DNA片段而获得新的表型的过程。
目的基因的筛选和鉴定
(screening/selection)
• 遗传学方法
– 插入灭活法(insertion inactivation):抗药性标志选择 – 标志补救 表达产物与营养缺陷互补
• 3′→5′外切酶活性 • 5′→3′外切酶活性
3′→5′外 切 酶 活 性
5′
3′
3′
5′
5′→3′外 切 酶 活 性
末端脱氧核 苷酰转移酶 (TDT)
载体 vector
• DNA ，能在宿主细胞中进行自我复制和 表达
• 克隆载体、表达载体 • 原核载体: 质粒(pBR322,pUC…）
Eco RⅠ Hind Ⅲ
氨苄青霉素 抗性基因
(ampr)
Pst Ⅰ
pBR322
Bam HⅠ
Sal Ⅰ
四环素 抗性基因
(terr)
Ava Ⅰ
O ri
Pvu Ⅱ
常用的克隆载体
• λ噬菌体(λphage) • 基因组分三个区域: 左侧区、中间区（非必需
区）、右侧区 • DNA，替换型载体，外源DNA: 9~23kb • 常用: EMBL 系列、 λgt 系列、charon系列 • 粘性质粒(cosmid): λDNA的 cos区+质粒，双链
环状DNA，克隆容量: 40~50kb • M13噬菌体 • 最大优点: 产生单链DNA
特点:
cos:cohesiveend site
RF DNA: replicational form DNA
优点:
表达载体(expressing vector)
第八章 基因工程的诞生与发展
他设计试验，首先用限制性内切酶切开SV40和λ噬菌体 的DNA环，然后再用连接酶把这两种DNA连接成环，最 后让含有这种DNA的噬菌体在大肠杆菌中繁殖。
因此，他开发了在酶的作用下在试管内将的噬菌体基 因与SV40基因结合在一起的技术。
• 可以说，DNA重组试验是分子生物学与生物化学研究的里 程碑，该技术与基因快速测序以及定位技术，使基因工程 成为生物技术快速发展的基础。
• 基因工程的产生并不是偶然的，它是分子生物学发展到一 定的阶段或时期的一种历史的必然。
基因工程引发了一场分子生物学革命
不仅能将目标基因定向引入到其他物种中去 而且可以利用细菌对目的DNA分子进行克隆 基于“遗传重组”技术的生物学的理论不断创新 基于“遗传工程”技术的生物遗传改良成效明显
感染、代谢病等疑难病症。
美国投放市场的基因药物，1997年超过60亿美 元，且每年以20%的速度增长。
我国也有10多种基因药物投放市场，但大部分基 因药物仍需进口。
因此，基因是企业家的聚宝盆。
基因工程的诞生
1. 随着遗传密码的破译诞生了一门新的学科――基因工程。 2. 20世纪70年代，内森、史密斯和阿尔伯发现了限制性内切
第八章 基因工程的诞生与发展
基因——生命的真谛
1909年，丹麦的遗传学家W. Johanssen根据希腊语 “给予生命”之义，创造了“gene”一词。
基因是生物遗传信息的载体，它是由核苷酸序列( 通常为DNA)组成的生物大分子，决定着生物的所有 性状、行为和疾病 的发生。
基因是福音，发现了某疾病基因，就可以对患者进 行基因水平上的治疗，从根本上根除疾病的危害。
《基因工程的诞生和发展》教案
《基因工程的诞生和发展》教案【教学目标】知识与能力方面：1、简述基础理论研究和技术进步催生了基因工程。
2、简述基因工程的原理和技术。
过程与方法方面：1、运用所学的DNA重组技术的知识，模拟制作重组DNA模型2、运用基因工程的原理，提出解决某一实际问题的方案情感态度、价值观方面：关注基因工程的发展，体会S、T、S三者之间的关系。
【教学重点】DNA重组技术所需要3种基本工具的作用。
【教学难点】基因工程载体需要具备的条件。
【教学过程】(导入新课)1973年转基因微生物──转基因大肠杆菌问世；1980年第一个转基因动物──转基因小鼠诞生；1983年第一例转基因植物──转基因烟草出现，实现了一种生物的某些基因在另一种生物中的表达。
基因工程的理论基础和技术保障分别是什么？理论基础：DNA双螺旋结构的发现，使科学家发现所有生物的DNA都是由四种脱氧核苷酸聚合而成的，为来自异种的DNA拼接提供了结构基础；中心法则揭示了生物的遗传信息传递的过程，而且所有的生物共用一套密码子，这使基因在异种生物细胞内表达成为了可能。
既然科学家意识到了上述可能之后，就开始探索转基因的技术手段，此时，几种基因工程的工具的发现，为使这项技术最终成功了。
基因工程的技术保障：限制性核酸内切酶，DNA连接酶，运载体。
(提出问题)限制性核酸内切酶是从什么生物体内发现的？它的作用有什么特点？限制酶切开的DNA末端有什么特点？(学生活动)阅读课文，总结限制性内切酶的作用特点和作用结果。
(总结归纳)科学家的基本意向也和同学们一样。
单细胞生物比多细胞生物更容易受到外源DNA的侵入。
在长期的进化过程中，使其必须有处理外源DNA的酶。
科学家们经过不懈的努力，终于从原核生物中分离纯化出这种酶，叫做限制酶。
迄今已从近300种微生物中分离出4000种限制酶。
这种酶能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。
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有关基因工程技术发明获得 Nobel奖
第八章基因工程诞生与发展
基因工程概念
在分子水平上，用人工方法提取或合成不同生物的 DNA片段，在体外切割，拼接形成重组DNA，然后将 重组DNA与载体的遗传物质重新组合，
第八章基因工程பைடு நூலகம்生与发展
我是一个实验主义者，我能告诉你的检验 它是否有效的唯一方法就是尝试它。
——保罗·伯格
第八章基因工程诞生与发展
保罗·伯格 Paul Berg
• 保罗·伯格1926年生于美国。 在参加了第二次世界大战 后回到宾夕法尼亚州立大 学学习，1948年获生物化 学学士学位，
• 后在凯斯西部保留地大学 获生化博士学位，1959年 到斯坦福大学任教。
先进入市场。 美国已有40多种基因药物投放市场，主要用于治疗
癌症、血液病、艾滋病、乙型肝炎、丙型肝炎、细菌
感染、代谢病等疑难病症。
第八章基因工程诞生与发展
美国投放市场的基因药物，1997年超过60亿美 元，且每年以20%的速度增长。
我国也有10多种基因药物投放市场，但大部分基 因药物仍需进口。
因此，基因是企业家的聚宝盆。
因此，他开发了在酶的作用下在试管内将的噬菌体基 因与SV40基因结合在一起的技术。
第八章基因工程诞生与发展
DNA体外重组的创建成功， 是“遗传工程”的奠基之作。
EcoRI
＋
SV40 λDNA
1972. PNAS
David Jackson Robert Symons Paul Berg
Recombination DNA
第八章基因工程诞生与发展
• 可以说，DNA重组试验是分子生物学与生物化学研究的里 程碑，该技术与基因快速测序以及定位技术，使基因工程 成为生物技术快速发展的基础。
• 基因工程的产生并不是偶然的，它是分子生物学发展到一 定的阶段或时期的一种历史的必然。
第八章基因工程诞生与发展
基因工程引发了一场分子生物学革命
第八章基因工程诞生与发展
基因工程的诞生
1. 随着遗传密码的破译诞生了一门新的学科――基因工程。 2. 20世纪70年代，内森、史密斯和阿尔伯发现了限制性内切
酶在分子遗传中的作用，为基因工程奠定了基础。 3. 1973年保罗·伯格成功地实现了DNA的体外重组，人类开始
进入按需要设计并改造物种，创造自然界原先不存在的新 物种。 4. 由此兴起了以基因工程为主体的生物工程新学科。分子遗 传学和生物工程已成为最活跃最前沿的新领域。
第八章 基因工程的诞生与发展
第八章基因工程诞生与发展
基因——生命的真谛
1909年，丹麦的遗传学家W. Johanssen根据希腊语 “给予生命”之义，创造了“gene”一词。
基因是生物遗传信息的载体，它是由核苷酸序列( 通常为DNA)组成的生物大分子，决定着生物的所有 性状、行为和疾病 的发生。
第八章基因工程诞生与发展
• 原核生物基因工程 • 酵母基因工程 • 植物基因工程 • 医学基因工程 • 动物基因工程
第八章基因工程诞生与发展
• 基因工程最突出的优点:
就是打破了常规情况下难以突破的物 种之间界限，可在：
原核生物与真核生物之间、 动物与植物之间、 甚至人与其他生物之间、
将遗传信息进行重组和转移。
第八章基因工程诞生与发展
NP 1980
虽然，没有任何一项技术具有原创性 但是，利用已报道的多项技术，
Paul Berg
创造性地实现了不同DNA分子的体外重组
这些工作为分子生物学的研究和遗传 改造展示了一个清晰而又美好的前景
具有与沃森和克里克发现DNA双螺旋 结构模型同样的开拓性价值！
• 1973 年 ， 加州大学旧金山分校的 赫伯特·博耶 H.Boyer和斯坦福大学 的斯坦利·科恩 S. Cohen将外源基 因拼接在质粒中，在大肠杆菌中表 达，揭开基因工程的序幕。
基因工程理论依据
• 不同基因具有相同的物质基础 • 基因是可以切割的 • 基因是可以转移的 • 多肽与基因之间存在对应关系 • 基因通过复制把遗传信息传给下代 • 遗传密码是通用的
第八章基因工程诞生与发展
基因工程与生物工程的关系
生物工程分为六类：即基因工程、蛋白质工程、 细胞工程、发酵工程、酶工程、生化工程。
• 这时，保罗·伯格却想到了基因重组的安全性问题。 • 他与其他10位研究者联名给《科学》杂志写了一封信，希
望科学家深入了解基因重组技术的安全性，先暂停有关试 验，并敦促美国NIH对基因重组技术的使用进行管制。 • 这封信引发了广泛的研究和讨论，1975年，上百位科学家 在Asilomar会议上对不同物种之间基因重组的安全性进行 了讨论。 • 1976年，NIH出台了关于基因重组的一系列指导方针。
基因是福音，发现了某疾病基因，就可以对患者进 行基因水平上的治疗，从根本上根除疾病的危害。
基因就是铁的证据，基因分析在重大犯罪案件、历 史案件的侦破中是最终确定罪犯的有力工具，当事人 的头发、血、皮屑的基因分析都将作为确凿证据。
第八章基因工程诞生与发展
基因是企业家的聚宝盆 目前生产基因药物的技术已较成熟，基因药物已率
第八章基因工程诞生与发展
基因工程的地位：
现代科技革命 高新技术 生物技术
基因工程
基因克隆
如果说20世纪八九十年代是基因工程基础研 究趋向成熟，应用研究初露锋芒的阶段，
再将其引入到没有该DNA的受体细胞中，进行复制 和表达，生产出符合人类需要的产品或创造出生物的新 性状，并使之稳定地遗传给下一代。
第八章基因工程诞生与发展
基因工程又称重组DNA 技术.
(切、接、转、增、检）
基因枪、农杆菌介导的植物转基因
基因枪法
农杆菌法
第八章基因工程诞生与发展
按目的基因的克隆和表达系统，分类为：
第八章基因工程诞生与发展
主要成就
1972年，伯格首次证明可以用两种不同物种的基因人 工合成DNA分子。
伯格选择了名为SV40的猴病毒和λ噬菌体，这两种病毒 的DNA都是闭合的环状结构。
他设计试验，首先用限制性内切酶切开SV40和λ噬菌体 的DNA环，然后再用连接酶把这两种DNA连接成环，最 后让含有这种DNA的噬菌体在大肠杆菌中繁殖。