基因工程概论

第一章基因工程概论

第一节基因工程的基本概述

一、基因工程的基本概念

1、基因工程的基本定义：

按照预先设计好的蓝图，利用现代分子生物学技术，特别是酶学技术，对遗传物质DNA 直接进行体外重组操作与改造，将一种生物（供体）的基因转移到另外一种生物（受体）中去，从而实现受体生物的定向改造与改良。

广义基因工程：DNA重组技术的产业化设计与应用。分为上游和下游技术。

2、上游技术：外源基因重组、克隆和表达的设计与构建（狭义基因工程）

3、下游技术：含有外源基因的生物细胞（基因工程菌或细胞）的大规模培养以及外源基因的表达、分离、纯化过程。

基因工程又称为：gene manipulation, gene cloning, recombinant DNA technoglogy, genetic modification, new genetics, molecular agriculture

二、基因工程的基本过程：

1、材料的准备：目的基因、载体、工具酶和受体细胞（宿主）的准备。用限制性内切酶分别将外源DNA和载体分子切开。

2、目的基因与载体DNA的体外重组，形成重组DNA分子。

3、重组的DNA分子引入受体细胞，并建立起无性繁殖系。

4、筛选出所需要的无性繁殖系，并保证外源基因在受体细胞中稳定遗传、正确表达。

进一步可将基本步骤概括为：切、接、转、增、检［步骤演示］

图1-1 基因工程的基本步骤

三、基因工程的基本原理：

主体战略思想是外源基因的高效表达，可从四方面达到目的：

1、利用载体DNA在受体细胞中独立于染色体DNA而自主复制的特性与载体分子重组，通过载体分子的扩增提高外源基因在受体细胞中的剂量，借此提高宏观表达水平。

2、筛选、修饰重组基因表达的转录调控元件：启动子、增强子、上游调控序列、操作子、终止子。

3、修饰和构建蛋白质生物合成的翻译调控元件：序列、密码子。

4、工程菌（微型生物反应器）的稳定生产及增殖。

第二节基因工程的发展

一、基因工程的诞生

基因工程是一项新兴的工程技术，它的诞生需要理论和技术上的支持：

1. 理论上的三大发现：

证明了生物的遗传物质是DNA（基因工程的先导）

DNA的双螺旋结构和半保留复制机理

遗传信息的传递方式（中心法则）和三联体密码子系统的建立

2. 技术上的三大发现

限制性内切酶和DNA连接酶的发现（标志着DNA重组时代的开始）

载体的使用

1970年，逆转录酶的发现。

1973年，C o h e n等获得了抗四环素和新霉素的重组菌落T c r N e r，标志着基因工程的诞生。

二、基因工程的发展：

1. 1972-1976年，日本人，somatostatin；

2. 1978年，美国人，生长激素基因（HGH）；

3. 1980年，美国/瑞士人，a干扰素－基因；

4. 1984年，日本人，白细胞介素2（IL-2）；

三、基因工程的腾飞：

1. 1982年，美国人，大鼠生长激素基因转入小鼠；

2. 1983年，美国人，Ti质粒导入植物细胞（细菌Neor基因）

3. 1990年，美国人，腺苷脱氨酶（ADA）基因治疗，重度联合免疫缺陷症（SDID）

4. 1991年，美国倡导，人类基因组计划109bp，15年时间30亿USD；

5. 1997年，美国人，威尔英特克隆多利绵羊

大鼠生长激素基因转入小鼠

第三节基因工程的研究意义

基因工程可以绕过远缘有性杂交的困难，使基因在微生物、植物、动物之间交流，迅速并定向的获得人类需要的新的生物类型。

概括地讲，其意义体现在以下三个方面：

大规模生产生物分子；

设计构建新物种；

搜集、分离、鉴定生物信息资源

一、第四次工业大革命：

1980年11月15日，美国纽约证券交易所开盘的20分钟内，Genentech公司的新上市股要从3.5USD上至89USD，胰岛素基因表达

1. 医学：抗病毒、抗癌因子、新型抗生素、疫苗、抗衰老保健品、心脏血管药物、生长因子诊断剂

2. 轻工食品：氨基酸、助鲜剂、甜味剂、淀粉酶、纤维素酶、脂肪酶蛋白酶、生物拆分混旋体

3. 能源：石油二次开采、纤维素分解、太阳能转换

4. 环保：微生物生态种群

5. 信息：蛋白芯片、基因芯片

日本政府称基因工程为战略工业

二、第二次农业大革命：

1. 蛋白类杀虫剂（生物农药）、抗广谱虫害植物；

2. 农作物品种改良；高营养、长保存、抗环境压力、花卉颜色与型状；

3. 畜牧业；高蛋白乳汁、鱼生长激素、饲料利用率

4. 固氮

三、第二次医学大革命：（麻醉外科术是第一次医学大革命）

1. 分子病：（文明病富贵病）基因治疗，遗传病、心脑血管病、糖尿病、癌症过度肥胖综合症、老年痴呆症、骨质疏松症

2. 抗衰老：端粒酶编码基因

基因疗法

补充突变基因原始产物、更换突变基因