第7章 基因工程菌大规模培养
基因工程的基本概念
2 基因工程的基本原理
A 重组DNA技术的理论基础
19世纪中 孟德尔 豌豆杂交试验 遗传因子 经典遗传学 20世纪初 摩尔根 果蝇杂交实验 基因 1944年 基因学
艾弗瑞 肺炎双球菌转化实验 遗传物质DNA 分子遗传学
1953年 1973年
沃森-克瑞克 DNA双螺旋结构
分子生物学
伯格-杰克森-考恩-鲍耶 DNA分子体外拼ห้องสมุดไป่ตู้ 基因工程
1 基因工程的基本概念
B 基因工程的基本定义
基因工程是指重组DNA技术的产业化设计与应用， 包括上游技术和下游技术两大组成部分。上游技术指的 是基因重组、克隆和表达的设计与构建（即重组DNA技 术）；而下游技术则涉及到基因工程菌或细胞的大规模 培养以及基因产物的分离纯化过程。
1 基因工程的基本概念
1 基因工程的基本概念
A 重组DNA技术的基本定义
重组DNA技术是指将一种生物体（供体）的基因与 载体在体外进行拼接重组，然后转入另一种生物体（受 体）内，使之按照人们的意愿稳定遗传并表达出新产物 或新性状的DNA体外操作程序，也称为分子克隆技术。 因此，供体、受体、载体是重组DNA技术的三大基 本元件。
2 基因工程的基本原理
D 基因工程的支撑技术
核酸凝胶电泳技术 核酸分子杂交技术 细菌转化转染技术 DNA序列分析技术 寡核苷酸合成技术 基因定点突变技术 聚合酶链反应（PCR）技术
D 基因工程的基本形式
第一代基因工程 蛋白多肽基因的高效表达 经典基因工程 第二代基因工程 蛋白编码基因的定向诱变 蛋白质工程 第三代基因工程 代谢信息途径的修饰重构 途径工程 第四代基因工程 基因组或染色体的转移
基因组工程
2 基因工程的基本原理
基因工程药物
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表达蛋白在细胞中的稳定性－－防止蛋白降解
①融合蛋白表达系统：封闭了水解酶作用位点，增加稳定性。 ②分泌蛋白表达系统：分泌到细胞周质、培养基中 ③包涵体表达系统：难溶性的沉淀复合物,不易被宿主蛋白
形成原因：聚合物的不相容性，即聚合物分子的空间阻 碍作用，无法形成均一相。
双聚合物：聚乙二醇(PEG)/葡聚糖(Dx)。该系统上相富 含PEG，下相富含Dx；
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5、反胶团萃取： ➢ 反胶团：是表面活性剂分散在连续的有机溶剂中，自发
形成的纳米尺度的一种聚集体。
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8.2.3.2 基因重组蛋白的纯化方法－－进一
定反应的有机分子； ②它们的作用力很强，很低的浓度就能引起很强的反应； ③它们都是短命的，在细胞中不能积累，很快就会被破坏。 • 激素都是有特异性的，只对某种或某几种细胞有效，具
有接受相应激素的特异受体。
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8.3.1.1 胰岛素（ insulin ）
概况：动物胰脏胰岛的β细胞以前胰岛素原形式合成→ 跨膜运输后成胰岛素原→高尔基体内形成成熟胰岛素。
• ③酵母发酵产生前胰岛素原。
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已上市的基因工程胰岛素药物
1、重组人胰岛素：Humulin、Novoli 2、重组人胰岛素类似物：赖脯胰岛素 Humalog，作用快 3、甘精胰岛素：Lantus 4、门冬胰岛素：Novolog：速效
Humulin
Humalog
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曾经的II型糖尿病治疗药物
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种类 产生细胞 α-干扰素 白细胞
IFN-α1b
基因工程 重点复习
质粒拷贝数即一个细胞内质粒的数量与染色体数量之比。
每种质粒在相应的宿主细胞内保持相对稳定的拷贝数。
根据在每个细胞中的分子数（拷贝数）多寡，质粒可分为两大复制类型：严谨型质粒：分子量大，低拷贝数，1－3拷贝松弛型质粒：分子量小，高拷贝数，10－60拷贝天然存在的野生型质粒由于分子量大、拷贝数低、单一酶切位点少、遗传标记不理想等缺陷，不能满足克隆载体的要求，因此往往需要以多种野生型质粒为基础进行人工构建。
理想的载体应该有两种抗菌素抗性基因。
穿梭质粒载体;人工构建的、具有两种不同复制起点和选择标记、可以在两种不同的寄主细胞中存活和复制的质粒载体。
优点;①利用大肠杆菌进行基因克隆、表达②也能利用其它细胞系统（酵母、枯草杆菌、哺乳动物细胞等）进行基因表达。
③可以自如地在两种不同寄主细胞之间来回转移基因。
蓝白斑筛选的机理由α-互补产生的Lac+ 细菌较易识别，它在生色底物X-gal(5-溴-4氯-3-吲哚-β-D-半乳糖苷)下存在下被IPTG(异丙基硫代-β-D-半乳糖苷)诱导形成蓝色菌落。
当外源片段插入到载体的多克隆位点上后会导致读码框架改变, 表达蛋白失活, 产生的氨基酸片段失去α-互补能力, 因此在同样条件下含重组质粒的转化子在生色诱导培养基上只能形成白色菌落。
在麦康凯培养基上，α-互补产生的Lac+细菌由于含β-半乳糖苷酶，能分解麦康凯培养基中的乳糖，产生乳酸，使pH下降，因而产生红色菌落，而当外源片段插入后，失去α-互补能力，因而不产生β-半乳糖苷酶，无法分解培养基中的乳糖，菌落呈白色。
这样，LacZ基因上缺失近操纵基因区段的突变株与带有完整近操纵基因区段的β-半乳糖苷酶阴性的不同突变株之间实现互补，这种互补现象叫做 -互补蛋白质分离纯化的一般程序可分为以下几个步骤：（一）材料的预处理及细胞破碎分离提纯某一种蛋白质时，首先要把蛋白质从组织或细胞中释放出来并保持原来的天然状态，不丧失活性。
所以要采用适当的方法将组织和细胞破碎。
第一章 基因工程概述
或新性状的DNA体外操作程序，也称为分子克隆技术。
因此，供体、受体、载体是重组DNA技术的三大基
本元件。
基因工程的基本概念
B 基因工程的基本定义
基因工程是指重组DNA技术的产业化设计与应用，
包括上游技术和下游技术两大组成部分。上游技术指的
是基因重组、克隆和表达的设计与构建（即重组DNA技
术）；而下游技术则涉及到基因工程菌或细胞的大规模
酶工程
基因工程的基本概念
D 基因工程的基本形式
第一代基因工程 蛋白多肽基因的高效表达 经典基因工程 第二代基因工程 蛋白编码基因的定向诱变 蛋白质工程
第三代基因工程 代谢信息途径的修饰重构 途径工程
第四代基因工程 基因组或染色体的转移
基因组工程
第二节 基因工程的诞生和发展
一、基因
泛基因阶段
孟德尔遗传因子阶段
（如胰岛素）、干扰素、乙肝疫苗等 研制新型疫苗（HIV、霍乱、单纯疱疹病毒等）
生产具有药用价值的生物制剂，如水蛭素等
3. 基因诊断
– 遗传性疾病的分子诊断
– 癌症的分子诊断 – DNA指纹
4. 基因治疗
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。
3．断裂基因
1个基因被间隔区分成不连续的若干区段，这种编码序列不连续的间断基因被称为 断裂基因。
4．假基因
不能合成出功能蛋白质的失活基因 。
5．重叠基因
不同基因的核苷酸序列有时是可以共用的 即重叠的。
现代对基因的定义是DNA分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列， 是遗传物质的最小功能单位。
二、 基因工程的诞生
顺反子阶段
1957 年，本泽尔（Seymour Benzer）以T4噬菌 体为材料，在DNA分子水平上研究基因内部的精细结 构，提出了顺反子（cistron）概念。 顺反子是1个遗传功能单位，1个顺反子决定 1条多肽链。
基因工程导论
用于体外包装的蛋白质可直接从感染了l噬菌体的大肠杆菌中提取，现已商品化。这些包装蛋白通常分为相互互补的两部分：一部分缺少E组份，另一部分则缺少D组份。包装时，当且仅当这两部分包装蛋白与重组l-DNA分子混合后，包装才能有效进行，任何一种蛋白包装液被重组l-DNA污染后，均不能被包装成有感染力的噬菌体颗粒，这也是基于安全而设计的
转化子的筛选和鉴定（检）
重组DNA分子的转化和扩增（转、增）
DNA的体外重组（切、接）
基因工程的操作过程
基因工程的操作过程
切
接
转
增
检
B 基因工程的基本形式
1 基因工程的基本概念
第一代基因工程 蛋白多肽基因的高效表达 经典基因工程
第二代基因工程 蛋白编码基因的定向诱变 蛋白质工程
基因工程(gene engineering)常和以下名称混用: 遗传工程(genetic engineering); 基因克隆(gene cloning); 分子克隆(molecular cloning); 基因操作(gene manipulation); 重组DNA技术(rebination DNA technique) 克隆(clone): 作名词时指含有某目的DNA片段的重组DNA分子或含有该重组分子的无性繁殖系. 作动词时是指基因的分离与重组过程。
P
PstI等产生的3‘粘性末端
5‘ … G-C-T-C-T-G-C-A-G-G-A-G … 3’
3‘ … C-G-A-G-A-C-G-T-C-C-T-C … 5’
PstI 37 ℃
5‘ … G-C-T-C-T-G-C-A-OH P-G-G-A-G … 3’
具有与特定受体细胞相适应的复制位点或整合位点
基因工程原理及实验技术
DNA分子序列分析及相关技术的发展也推动了基 因工程的发展
DNA分子的核苷酸序列分析技术，琼脂糖凝胶电 泳和Southern杂交技术等技术的展。
基因工程的诞生标志
1973年，美国斯坦福大学Boyer 和Cohen等获得了 抗四环素和抗新霉素（卡那霉素）的重组菌落，标志 着基因工程的诞生。1973年建立的基因工程的基本模 式为标志的。他们将大肠杆菌体内的两个不同的质粒 提取出来，拼接成一个杂合的质粒。当杂合质粒被导 入大肠杆菌后，它能在大肠杆菌内复制并表达双亲质 粒的遗传信息。这是基因工程的第一个成功的克隆转
表1-1 主要基因工程产品的研制、开发、上市时间
产品
人生长激素释放抑制素(SRM) 人胰岛素 人生长激素（HGH）
时间 国家 用途 上市 国家 时间
1977 日本 巨人症 1978 美国 糖尿病 1982 欧洲 1979 美国 侏儒症 1985 美国
人α-干扰素（IFN） 乙肝疫苗（HBsAgV） 人白细胞介素
DNA半保）
中心法则的确立F. Crick(1958）
中心中法心则法的则确的立确F.立CFr.icCkr(i1c9k5(81)958)
1958年克里克确立的中心法则(1971年修改), 最早提出遗传密码这一名词的是量子力学奠基人之一，奥地利物理学 家施勒丁格(E．Schrodinger，1944)。第一个提出遗传密码具体设想的是美 国物理学家G.Gamov，他通过推算提出了三联体密码子的概念，并且进一步 推论一种氨基酸可能不止有一个密码子。 第一个用实验破译密码子的是马太(Matthaei)和尼伦伯格(Nirenberg)，1 966 M.Nirenberg and H.Khorana（1968年诺贝尔生理医学奖获得者）建立 了完整的遗传密码表
基因工程菌的发酵控制
基因工程菌的发酵控制近年来，基因工程已开始由实验室走向工业生产，一些珍稀药物如胰岛素、干扰素、人生长激素等已先后面市，但从许多研究中发现，基因重组菌的培养与发酵有其自身的特点。
从培养工程的角度应考虑诸如营养源浓度的控制（碳源、氮源等）、最适生长条件的控制等因素；从生物学上应考虑诸如质粒稳定性的控制、质粒拷贝数的控制、转录效率和翻译效率的提高及代谢产物向菌体外的分泌等主要因素。
1 、营养源浓度的控制由于大多数基因重组菌不能把所需的基因产物分泌到胞外，而只能靠破碎细胞后提取，因此要获得基因产物，首先必须得到大量菌体。
为此基因重组菌的发酵一般采用高浓度菌体培养的方法，如大肠杆菌培养时最高可达125g 干菌体/L 发酵液，酿酒酵母可达145g 干菌体/L 发酵液。
但要得到高浓度菌体，必须要提供高浓度的营养物质，而营养源浓度过高，渗透压也就高，反过来又会抑制重组菌的生长。
此外，许多基因重组菌常是维生素或氨基酸的营养缺陷型菌株，为维持菌体生长，也必须添加必需量的生长因子营养物。
常采用在调节pH 的同时补加氨基酸混合液和葡萄糖的方法。
使整个培养期间，葡萄糖和氨基酸的浓度几乎保持恒定，菌体持续以最高生长速度生长，得到高浓度菌体。
2 、质粒的不稳定性及其控制在重组菌工业化生产过程中，质粒的不稳定性是一个极为重要而独特的问题。
带有质粒的细胞生长较慢，生长速率与所带质粒的大小成反比。
此外，高水平克隆基因产物的生成也会导致生长缓慢或生长异常（表达越高，生长越慢）。
由于质粒的不稳定性，在繁殖传代过程中还会有一部分细胞部分甚至完全丢失质粒，导致所需产物的产量下降。
质粒不稳定包括分离性不稳定和结构性不稳定两种类型。
前者是细胞分裂过程中质粒没有分配到子细胞中而导致整个质粒的丢失；后者是由于重组质粒DNA 发生缺失、插入或重排而引起的质粒结构变化。
为了在工业化生产时使质粒的丢失降低到最低程度，除了构建合适的重组菌外，还应对重组菌进行一系列发酵试验，选择最佳的发酵条件。
生物制药复习题
第一章绪论1、生物药物广泛应用于医学各领域，按功能用途可分为三类，分别是（）、（）、（)2、生物技术制药发展历程经历了飞速发展的四个十年，分别是（）、（）、（）、（）。
3、生物技术所含的主要技术范畴有（）、（）、（）、（）、（）、（）、（）、（）和（）。
4、下列哪个产品不是用生物技术生产的（）A 青霉素B 淀粉酶C 乙醇D 氯化钠5、我国科学家承担了人类基因组计划（）的测序工作A 10%B 5%C 1%D 7%6、生物技术7、生物技术药物8、生物技术制药第二章基因工程制药1、基因工程药物制造的主要步骤是：（）、（）、（）、（）、（）、（）。
2、目的基因获得的主要方法是（）、（）、（）、（）。
3、基因表达的微生物宿主细胞分为2大类。
第一类为（），目前常用的主要有（）；第二类为（），常用的主要有（）。
4、基因工程药物的分离纯化一般不应超过5个步骤，包括（）、（）、（）、（）和（）。
5、在基因工程药物分离纯化过程中，基因重组蛋白的分离比较困难，可用（）、（）、（）、（）的方法，达到初步分离的目的。
6、人工化学合成DNA新形成的核苷酸链的合成方向是（），合成的DNA 5’末端是（），3’末端是（）。
7、凝胶过滤法是依赖（）来分离蛋白组分A、分子大小B、带电状态C、分子质量D、解离状态8、可用于医药目的的蛋白质和多肽药物都是由相应的（）合成的A RNAB 基因C 氨基酸D 激素9、用反转录法获得目的基因，首先必须获得（） P13cDNA文库法A tRNAB cDNAC rRNAD mRNA10、那一类细菌不属于原核细胞（）A 大肠杆菌B 枯草芽孢杆菌C 酵母D 链霉菌11、基因工程菌的生长代谢与（）无关A 碳源B RNA聚合酶C 核糖体 D产物的分子量12、基因工程菌的高密度发酵过程中，目前普遍采用（）作为发酵培养基的碳源A 葡萄糖B 蔗糖C 甘油 D甘露醇13、下列那种色谱方法是依据分子筛作用来纯化基因工程药物（）A 离子交换色谱B 亲和色谱C 凝胶色谱 D气相色谱简答:1、基因工程制药的概念？2、什么是载体？载体主要有哪几种？3、质粒载体的三种构型是什么？质粒载体的性质？用于克隆表达质粒载体的三个要素是什么？4、目的基因常用的制备方法有哪四种？这四种方法的基本步骤是什么？5、影响目的基因与载体之间的连接效率的主要因素是什么？6、重组DNA导入宿主细胞常用的四种方法是什么？7、什么是重组子？重组子删选与鉴定的5种方法是什么？8、重组蛋白的四种主要的分离技术？重组蛋白四种主要的纯化技术？9、分离纯化工艺应遵循的原则？10、基因工程药物的改造目的及改造思路是什么？11、定点突变的三种类型？12、基因工程的质量控制要点？13、蛋白质含量测定的5种方法？14、什么是蛋白质的等电点？等电聚焦法的原理？15、大肠杆菌表达系统的优缺点。