基因與基因工程課件

1、基因與基因工程主要內(nèi)容:基因在遺傳中的作用基因工程基因的概念人類基因組計(jì)劃合成生物學(xué)1.基因是怎么發(fā)現(xiàn)的？基因的概念孟德?tīng)?866年發(fā)表了介紹豌豆雜交的經(jīng)典論文Versuche ber Pflanzen-Hybriden（Experiments on Plant Hybridization） 一、基因的概念?基因的概念孟德?tīng)柖傻睦饷系聽(tīng)栄芯窟^(guò)的七對(duì)基因在染色體上的相對(duì)位置和圖距（A/a花色I(xiàn)/i子葉色Fa/fa花位置Le/le植株高矮,V/v豆莢形狀Gp/gp豆莢顏色R/r豆粒飽滿和皺縮）基因是可以跳躍的？基因的概念Barbara McClintock (1983 Nobel Price)

2、2.基因在什么地方？基因的概念摩爾根因發(fā)現(xiàn)“染色體在遺傳中的作用”而獲得1933年諾貝爾獎(jiǎng)（18661945） 摩爾根成功的三個(gè)關(guān)鍵因素：1）方法的使用：經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)遺傳學(xué)加上微觀遺傳學(xué)方法；2）選對(duì)了實(shí)驗(yàn)材料：果蠅實(shí)在是很好的模式動(dòng)物，所以摩爾根能夠比同行更早的獲得更多新的發(fā)現(xiàn)；3）優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)：很少有人像摩爾根一樣能夠團(tuán)結(jié)那么多好學(xué)生和合作者。 5.遺傳性狀發(fā)生改變的原因？基因的概念二、基因是如何傳遞的?1.基因與性狀2.常染色體上基因的遺傳3.性染色體上基因的遺傳4.性別決定5.性別畸形6.多基因遺傳7.表觀遺傳學(xué)8.基因表達(dá)的調(diào)控1.基因決定性狀？顯性基因 顯性性狀隱性基因 隱性性狀致死基

3、因 致死作用性狀是由基因與環(huán)境共同作用的結(jié)果基因在遺傳中的作用隱性基因的遺傳白化病先天性聾啞先天性高度近視白化病遺傳基因在遺傳中的作用2.常染色體上的基因如何遺傳?隱性基因的遺傳白化病先天性聾啞先天性高度近視白化病基因在遺傳中的作用2.常染色體上的基因如何遺傳?3. 性染色體上的基因如何遺傳?伴性遺傳：決定性狀的基因位于性染色體上.連鎖的顯性遺傳病抗維生素性佝僂病基因在遺傳中的作用伴性遺傳：決定性狀的基因位于性染色體上X連鎖的隱性遺傳色盲基因在遺傳中的作用3. 性染色體上的基因如何遺傳?4.性別由什么決定？性染色體決定性別型 雄性有兩個(gè)異型性染色體， 人類，哺乳動(dòng)物，果蠅等型 雌性有兩個(gè)異型性

4、染色體， 鳥(niǎo)類，蝴蝶等型 雄性只有染色體，沒(méi)有染色體。 蝗蟲(chóng)：雄性是， 雌性是1基因在遺傳中的作用單倍體決定性別蜜蜂雄性為單倍體(n),由未受精卵發(fā)育而來(lái), 無(wú)父親雌性為二倍體(2n),由受精卵發(fā)育而來(lái)基因在遺傳中的作用4.性別由什么決定？環(huán)境決定珊瑚島魚(yú) 在3040條左右的群體中,只有一條為雄性,當(dāng)雄性死后,由一條強(qiáng)壯的雌性轉(zhuǎn)變?yōu)樾坌曰蛟谶z傳中的作用4.性別由什么決定？基因決定性別玉米雌雄同株 雌花序由Ba基因控制; 雄花序由Ts基因控制;基因在遺傳中的作用4.性別由什么決定？性染色體與性別畸形Klinefetter綜合癥(先天性睪丸發(fā)育不全) 外貌男性,睪丸萎縮,具有乳房,不育, 低智商

5、 身高183 cm 占1/260; 染色體組成: 47, XXY 在男性不育中占1/100基因在遺傳中的作用5. 性別畸形有哪些類型？性染色體與性別畸形Klinefetter綜合癥(先天性睪丸發(fā)育不全) 基因在遺傳中的作用5. 性別畸形有哪些類型？性染色體與性別畸形Turner綜合癥（性腺發(fā)育不全） 外貌女性，個(gè)矮（1.3m左右）第二性征發(fā)育不良，原發(fā)性閉經(jīng)，肘外翻，盾狀胸，35%有心血管病，智力低下或正常 染色體組成：45, X0基因在遺傳中的作用5. 性別畸形有哪些類型？性染色體與性別畸形Turner綜合癥（性腺發(fā)育不全） 基因在遺傳中的作用5. 性別畸形有哪些類型？性染色體與性別畸形XY

6、Y或多個(gè)Y個(gè)體 占男性的1/2501/500，個(gè)高（1.80 m以上) , 外貌男性,病癥類似 47,XYY,智力一般較低,性格粗暴,易沖動(dòng),生殖器官發(fā)育不良,多數(shù)不育 ,有人認(rèn)為患者有反社會(huì)行為基因在遺傳中的作用5. 性別畸形有哪些類型？真兩性畸形 第二性征:內(nèi)生殖器一側(cè)睪丸一側(cè)卵巢,外生殖器男中有女,女中有男病因: 46，XY / 46，XX.基因在遺傳中的作用5. 性別畸形有哪些類型？性染色體與性別畸形基因與性別畸形男性陰陽(yáng)人 具有正常男性的染色體組成（46，XY).外觀多呈女性，不育病因 雄性激素受體基因突變；性染色體缺失突變?；蛟谶z傳中的作用5. 性別畸形有哪些類型？基因與性別畸形

7、女性陰陽(yáng)人 第二性征多呈男性病因 性別分化基因的基因突變基因在遺傳中的作用5. 性別畸形有哪些類型？基因與性取向基因與果蠅的求偶行為基因在遺傳中的作用5. 性別畸形有哪些類型？6. 遺傳性狀都是由單個(gè)基因決定嗎？數(shù)量性狀:其變異在一個(gè)群體中是連續(xù)的基因在遺傳中的作用 數(shù)量性狀受環(huán)境的影響甚為明顯。環(huán)境引起的變異一般只表現(xiàn)于當(dāng)代，不能連續(xù)。遺傳變異是可以遺傳的。遺傳變異對(duì)數(shù)量性狀的作用，用遺傳率來(lái)表示： 遺傳變異遺傳率（%）= - 100% 總變異（遺傳變異+環(huán)境變異） 遺傳率高說(shuō)明群體的變異主要是由遺傳變異引起的遺傳率基因在遺傳中的作用 如何評(píng)價(jià)多基因決定的遺傳性狀？人類多基因決定的性狀有哪些

8、?人類一些性狀與疾病的遺傳率 性狀 遺傳率 疾 病 群體發(fā)病率 遺 傳率 （%） （%） （%）身高 81 唇裂+腭裂 0.17 76體重 78 糖尿病 0.2 75智商 80 精神分裂癥 1.0 80語(yǔ)言能力 68 哮喘 4 80計(jì)算能力 12 高血壓 4-8 62 基因在遺傳中的作用近交系數(shù)(coefficient of inbreeding) ： 一個(gè)個(gè)體從某一祖先得到一對(duì)純合的、而且遺傳上是等同的基因的概率。7、近親繁殖與雜種優(yōu)勢(shì)?基因在遺傳中的作用P1P2SS 的近交系數(shù)是多少？P1P2B2B1S a1a2 a3a4B4P1P2P3P4B1C1C2SB2B3S 的近交系數(shù)是多少？7、

9、近親繁殖與雜種優(yōu)勢(shì)?基因在遺傳中的作用7、近親繁殖與雜種優(yōu)勢(shì)?基因在遺傳中的作用雜種優(yōu)勢(shì) (hybrid vigor,heterosis) ： 選擇有利于雜合子的程度大于兩種純合子雜種優(yōu)勢(shì)理論： 1)顯學(xué)說(shuō) 2)超顯性學(xué)說(shuō) 3)上位互作學(xué)說(shuō) 環(huán)境影響基因表達(dá)？這種影響能否遺傳？ 經(jīng)典： DNA是遺傳的分子基礎(chǔ)；遺傳信息儲(chǔ)存在DNA的堿基序列中 8、什么是表觀遺傳學(xué)?基因在遺傳中的作用拉馬克的“用進(jìn)廢退”進(jìn)化論的依據(jù)？ 用進(jìn)廢退：生物體的器官用則進(jìn)化，不用就退化 獲得性遺傳：生物后天獲得的性狀是可以遺傳的馬、驢正反交的后代差別較大，與孟德?tīng)栠z傳不符基因在遺傳中的作用基因在遺傳中的作用同卵雙生的兩

10、人雖然具有完全相同的基因組，但即使是在同樣的環(huán)境中長(zhǎng)大，他們?cè)谛愿?、健康等方面也?huì)有較大的差異HD舞蹈癥小腦共濟(jì)失調(diào)4號(hào)染色體顯性基因同一個(gè)基因從父、母?jìng)鹘o途徑不同，子女患病輕重不同？基因組印跡（genomic impriting） 來(lái)自雙親的基因在功能上存在差異，同一基因的改變，由不同的性別親體傳給子女時(shí)，可引起不同的表現(xiàn)DM強(qiáng)直性肌營(yíng)養(yǎng)不良顯性基因從父親傳來(lái)發(fā)病早，從母親傳來(lái)發(fā)病晚？基因在遺傳中的作用DNA的硫修飾：DNA的第六元素硫 上交大鄧子新團(tuán)隊(duì)發(fā)許多種微生物的DNA會(huì)進(jìn)行一種叫“硫修飾 ”的工作，它們依靠基因組中的硫元素，改變遺傳特性。這一發(fā)現(xiàn)，引起了國(guó)際上的高度重視。該成果將刊登

11、在權(quán)威科學(xué)刊物自然化學(xué)生物學(xué)（Nature Chemical Biology）上 。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，很多致病菌的DNA就有硫修飾功能，這提示科研人員，如果能夠干擾這種 “自我修飾”，就可能改造這些病菌，化解它們對(duì)人體的危害?；蛟谶z傳中的作用表觀遺傳所謂表觀遺傳就是不基于DNA差異的核酸遺傳。即細(xì)胞分裂過(guò)程中，DNA 序列不變的前提下，全基因組的基因表達(dá)調(diào)控所決定的表型遺傳。表觀遺傳學(xué)研究不涉及DNA序列改變的基因表達(dá)和調(diào)控的可遺傳變化的，或者說(shuō)是研究從基因演繹為表型的過(guò)程和機(jī)制的一門新興的遺傳學(xué)分支?；蛟谶z傳中的作用遺傳與表觀遺傳基因在遺傳中的作用DNMT1SAM胞嘧啶5-甲基胞嘧啶胞嘧啶甲基

12、化反應(yīng) 基因在遺傳中的作用表觀遺傳變異（epigenetic variation）的機(jī)理: 1. DNA甲基化DNA甲基化是表觀遺傳變異的重要方式之一。 在DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶的作用下,使CpG的胞嘧啶甲基化, 基因表達(dá)水平與甲基化呈負(fù)相關(guān)?；蛟谶z傳中的作用1. DNA甲基化基因在遺傳中的作用2. 組蛋白修飾 組蛋白與DNA結(jié)合,可降低DNA的轉(zhuǎn)錄活性,組蛋白上有許多信號(hào)位點(diǎn),常被修飾而影響染色體的高級(jí)結(jié)構(gòu)和基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控: 乙?；? 可逆,正調(diào)控 磷酸化: 可逆,正調(diào)控 甲基化: 不可逆,負(fù)調(diào)控表觀遺傳變異（epigenetic variation）的機(jī)理: 組蛋白乙?；ヒ阴；瘏⑴c的功能：

13、 轉(zhuǎn)錄激活、轉(zhuǎn)錄延伸 DNA修復(fù)、拼接、復(fù)制 染色體的組裝 基因沉默 某些疾病的形成 細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo) 基因組的整體乙酰化 基因在遺傳中的作用表觀遺傳變異（epigenetic variation）的機(jī)理: 基因在遺傳中的作用3. 染色質(zhì)重塑: 染色質(zhì)位置和結(jié)構(gòu)的變化 染色質(zhì)重塑復(fù)合物、組蛋白修飾酶的突變和轉(zhuǎn)錄調(diào)控、DNA甲基化、 DNA重組、細(xì)胞周期、 DNA的復(fù)制和修復(fù)的異常相關(guān)。表觀遺傳變異（epigenetic variation）的機(jī)理: 9、基因是如何表達(dá)和調(diào)控的?基因在遺傳中的作用 DNA復(fù)制水平 RNA轉(zhuǎn)錄水平 前體RNA加工水平 蛋白質(zhì)翻譯水平 翻譯后加工和轉(zhuǎn)運(yùn)水平 蛋白質(zhì)降解

14、水平基因在遺傳中的作用乳糖操縱子-原核基因表達(dá)的調(diào)控-調(diào)節(jié)基因 ：編碼阻遏蛋白的基因-啟動(dòng)子：RNA聚合酶識(shí)別、結(jié)合并啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄的序列-操縱基因：調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的DNA序列-結(jié)構(gòu)基因 ：操縱子中被調(diào)控的編碼蛋白質(zhì)的基因調(diào)節(jié)基因啟動(dòng)子操縱基因結(jié)構(gòu)基因Regulation of Gene Expression分解乳糖產(chǎn)生半乳糖和葡萄糖 乳糖透過(guò)酶 轉(zhuǎn)移乙酰基酶乳糖培養(yǎng)液阻遏蛋白 -半乳糖酶 RNA聚合酶結(jié)構(gòu)基因調(diào)控機(jī)制 在沒(méi)有乳糖的條件下，阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合，編碼的酶基因不能轉(zhuǎn)錄。 當(dāng)有乳糖存在時(shí)，作為誘導(dǎo)劑（inducer）與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白與操縱基因解聚，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。基因在

15、遺傳中的作用三、什么是人類基因組計(jì)劃 (Human Genome Program，HGP） 什么是基因組（genome ）？ 是一個(gè)單倍體細(xì)胞內(nèi)基因的總和，它分為核基因組、線粒體基因組與葉綠體基因組?；蚪M內(nèi)包括編碼序列與非編碼序列人類基因組計(jì)劃人體基因組的特征1、人體基因組的大小: 人類DNA30億個(gè)堿基對(duì)的序列2、人體基因組結(jié)構(gòu)： 人體基因組中含有大量的重復(fù)順序和高度重復(fù)順序。非重復(fù)順序約只占總基因組的54-58。3、人體基因特征：1）人類的基因比預(yù)期的少得多，約3萬(wàn)個(gè)左右；2）約有1,500個(gè)基因家族，每個(gè)家族的基因數(shù)遠(yuǎn)多于其他生物；3）有223個(gè)基因源自微生物，可能在進(jìn)化過(guò)程中逐個(gè)插入

16、的；4）染色體上基因有群聚現(xiàn)象；5）只有約1.5左右的DNA編碼蛋白質(zhì)。（一）什么是人類基因組計(jì)劃（HGP）？（二）什么是人類基因組作圖？（三）HGP會(huì)給人類帶來(lái)什么樣的影響？人類基因組計(jì)劃（一）人類基因組計(jì)劃的誕生1984年12月,Utah州的Alta,White R受美國(guó)能源部的委托，主持召開(kāi)了一個(gè)小型會(huì)議，討論DNA重組技術(shù)的發(fā)展及測(cè)定人類整個(gè)基因組的DNA序列的意義。1985年6月,在美國(guó)加州舉行了一次會(huì)議，美國(guó)能源部提出了“人類基因組計(jì)劃”的初步草案。1986年6月,在新墨西哥州討論了這一計(jì)劃的可行性。隨后美國(guó)能源部宣布實(shí)施這一草案。1987年初,美國(guó)能源部與國(guó)家醫(yī)學(xué)研究院（NIH）

17、為“人類基因組計(jì)劃”下?lián)芰藛?dòng)經(jīng)費(fèi)約550萬(wàn)美元，1987年總額近1.66億美元。同時(shí)，美國(guó)開(kāi)始籌建人類基因組計(jì)劃實(shí)驗(yàn)室。1989年美國(guó)成立“國(guó)家人類基因組研究中心”。諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者J.Waston出任第一任主任。1990年,美國(guó)國(guó)會(huì)批準(zhǔn)美國(guó)的“人類基因組計(jì)劃”于10月1日正式啟動(dòng)。美國(guó)的人類基因組計(jì)劃總體規(guī)劃是：擬在15年內(nèi)至少投入30億美元，進(jìn)行對(duì)人類全基因組的分析。人類基因組計(jì)劃（二）HGP的主要任務(wù)是什么？遺傳圖譜物理圖譜 序列圖譜轉(zhuǎn)錄圖譜、HGP 作圖人類基因組計(jì)劃人類基因組作圖 通過(guò)計(jì)算連鎖的遺傳標(biāo)志之間的重組頻率，確定它們的相對(duì)距離，一般用厘摩（cM，即每次減數(shù)分裂的重組頻率為

18、1%）表示。什么是遺傳圖譜（Genetic mapping）？ 采用分子生物學(xué)技術(shù)直接將DNA分子標(biāo)記、基因或克隆標(biāo)定在基因組實(shí)際位置。一般為DNA的分子長(zhǎng)度，即堿基對(duì)。人類基因組作圖 1998 年完成了具有52,000個(gè)序列標(biāo)簽位點(diǎn)(STS)，并覆蓋人類基因組大部分區(qū)域的連續(xù)克隆系的物理圖譜。什么是物理圖譜（Physical mapping）？人類基因組作圖什么基因轉(zhuǎn)錄圖譜（生命的樂(lè)譜）？ 轉(zhuǎn)錄圖譜是在識(shí)別基因組所包含的蛋白質(zhì)編碼序列的基礎(chǔ)上繪制的結(jié)合有關(guān)基因序列、位置及表達(dá)模式等信息的圖譜 對(duì)基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)產(chǎn)物mRNA互補(bǔ)的cDNA（其片段稱為表達(dá)序列標(biāo)簽，EST）進(jìn)行大規(guī)模測(cè)序，并以此構(gòu)建

19、人類基因組轉(zhuǎn)錄圖（基因圖）人類基因組作圖大規(guī)?；蚪M測(cè)序什么是序列圖譜 ？ DNA序列分析技術(shù)是一個(gè)包括制備DNA片段化及堿基分析、DNA信息翻譯的多階段的過(guò)程。通過(guò)測(cè)序得到基因組的序列圖譜。 DNA測(cè)序原理動(dòng)畫(huà)演示2、為何要繪制遺傳圖與物理圖？1）如果將每個(gè)堿基比作一個(gè)英文字母，以每10 cm書(shū)寫(xiě)60個(gè)字母計(jì)算，人類基因組30億個(gè)堿基其長(zhǎng)度可達(dá)5000千米。2）以上述標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)書(shū)籍，可寫(xiě)成3000本每?jī)?cè)200萬(wàn)字的著作。3）即使簡(jiǎn)單的原核生物，以上述標(biāo)準(zhǔn)推算也足有1000千米。人類基因組作圖3、完成 HGP 的艱難歷程1998年初 HGP 才完成 9 x 108 bp,約3。1998年一季度H

20、GP中一些科學(xué)家懷疑，原計(jì)劃可能過(guò)于樂(lè)觀。1998.5.9 J.C. Venter等宣布，組建商業(yè)公司,投入3億美元，3年內(nèi)完成。1998.6.5 Venter 在 Science 上發(fā)表文章，論述人類基因測(cè)序新策略。 1998.8 加州 Incyte 藥物公司宣布投入 2 億美元用于HGP。 接著又有若干家公司成立，總共投入資金約幾十億美元，形成公”“私”并進(jìn)格局人類基因組作圖 1998.10 美國(guó)國(guó)家人類基因組研究所宣布HGP可提前2年, 即在2003年完成 。 1999.12 國(guó)際HGP聯(lián)合小組宣布完整地破譯第22對(duì)染色體 的遺傳密碼。 2000.04 塞萊拉公司宣布完成一名志愿者的完整

21、遺傳密碼。2000.06完成并公布人類基因組工作草圖2000.6.26克林頓和布萊爾通過(guò)衛(wèi)星聯(lián)合宣布 HGP 草圖 完成消息2000.6.28江澤民在中央思想政治工作會(huì)議上談到 HGP 草圖完成人類基因組作圖1999. 9.在國(guó)際第五次人類基因組測(cè)序戰(zhàn)略會(huì)議上，中國(guó)正式承擔(dān) 1% 的測(cè)序任務(wù)。 3 號(hào)染色體上 3 107bp 估計(jì)有750 1100 個(gè)基因 有中國(guó)特色，與鼻炎癌、肺癌、 卵巢癌有關(guān)的基因人類基因組作圖4、 HGP對(duì)生物信息學(xué)提出挑戰(zhàn)人類基因組作圖 隨著實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和可利用信息急劇增加，信息的管理和分析成為HGP的一項(xiàng)重要的工作 發(fā)現(xiàn)生物學(xué)規(guī)律解讀生物遺傳密碼認(rèn)識(shí)生命的本質(zhì)研究基因組

22、數(shù)據(jù)之間的關(guān)系分析現(xiàn)有的基因組數(shù)據(jù)利用數(shù)學(xué)模型和人工智能技術(shù)（三）HGP 會(huì)給人類帶來(lái)什么樣的影響？1、推動(dòng)醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)的飛躍發(fā)展2、又有商機(jī)，又有知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題3、 對(duì)社會(huì)倫理的沖擊4、后基因組計(jì)劃1、推動(dòng)醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)的飛躍發(fā)展1）新藥開(kāi)發(fā)2）司法審判1）新藥開(kāi)發(fā)推動(dòng)醫(yī)學(xué)與生物技術(shù)的飛躍發(fā)展估計(jì)人類基因中可能成為藥物靶的的基因約為：10%，3000個(gè)若全世界 100家頂級(jí)制藥公司來(lái)競(jìng)爭(zhēng)每家平均30個(gè)一些人們感興趣的靶基因如： 致癌基因、抑癌基因 肥胖基因、支氣管哮喘基因2）司法審判由于（1）可以很容易地從血液、精液、頭發(fā)、衣物上的殘留物、木乃伊或古尸的骨髓、內(nèi)臟等出獲得 DNA的樣品；（2

23、）理論證明，兩個(gè)人的 DNA完全相同的機(jī)率為幾十億分之一。 所以，DNA 測(cè)試很快被用在罪犯管制上。推動(dòng)醫(yī)學(xué)與生物技術(shù)的飛躍發(fā)展推動(dòng)醫(yī)學(xué)與生物技術(shù)的飛躍發(fā)展在法庭上可用 RFLP 于謀殺案取證RFLP 用于親子關(guān)系確認(rèn)，電泳圖譜中左側(cè)：母親 中間：兒子右側(cè)：父親（？）推動(dòng)醫(yī)學(xué)與生物技術(shù)的飛躍發(fā)展 1985年Jeffreys應(yīng)用RFLP進(jìn)行親子鑒定,創(chuàng)建DNA指紋分析方法人類基因組計(jì)劃推動(dòng)了生物技術(shù)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)2、又有商機(jī)，又有知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題（1）給HGP極大推動(dòng)（ 2）尋求利潤(rùn)要求知識(shí)產(chǎn)權(quán)商業(yè)公司的參與帶來(lái)兩個(gè)后果又有商機(jī)，又有知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題尋求利潤(rùn)= 要求知識(shí)產(chǎn)權(quán)基因?qū)＠吧虡I(yè)操作已經(jīng)開(kāi)始 紅血

24、球生成素（EP） 是治療惡性貧血的有效蛋白質(zhì)類藥物。 1998年 全球銷售額 13.6 億美元 2000年 34 億美元 美國(guó) Amgen 公司依靠 EPO 基因的開(kāi)發(fā)利用，從一個(gè)瀕臨破產(chǎn)的企業(yè)變成為生物工程醫(yī)藥領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊又有商機(jī)，又有知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題FKBP 神經(jīng)免疫因子配體基因 1997年 美國(guó)基因公司將 FKBP 神經(jīng)免疫因子配體基因轉(zhuǎn)讓給 Guiford公司，交易額高達(dá) 3.92 億美元。這是迄今為止單個(gè)基因交易的最高價(jià)格尋求利潤(rùn)= 要求知識(shí)產(chǎn)權(quán)又有商機(jī)，又有知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題尋求利潤(rùn)= 要求知識(shí)產(chǎn)權(quán)有關(guān)基因?qū)＠恼摖?zhēng) 1998 年 5 月 1日出版的Science雜志上登載兩篇觀點(diǎn)相反的文章

25、又有商機(jī)，又有知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題密執(zhí)安大學(xué)法學(xué)院兩位研究者 認(rèn)為： 由于基因的專利化，使支離破碎和相互重疊的知識(shí)產(chǎn)權(quán)迅速增加，阻礙了上游知識(shí)向下游產(chǎn)品的轉(zhuǎn)讓 結(jié)果是：上游的知識(shí)產(chǎn)權(quán)越多，有用的下游產(chǎn)品反而越少他們主張： 決策者應(yīng)對(duì)上游的專利進(jìn)行合理的界定，最大限度地減少影響下游產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的限制性特許證又有商機(jī)，又有知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題 同一期 Science 上，美國(guó)專利和商標(biāo)局負(fù)責(zé)生物工程的官員的文章，題為“ DNA 的專利”， 認(rèn)為：沒(méi)有必要對(duì)現(xiàn)行專利制度進(jìn)行改革。又有商機(jī)，又有知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題3、對(duì)社會(huì)倫理的沖擊隨著 HGP 的進(jìn)展，在不久的將來(lái),技術(shù)上有可能 為每個(gè)人提供基因檔案。好的方面： （1）每個(gè)人

26、可以了解自己的體質(zhì)，使疾病的預(yù)防和治療大為有效 （2）每個(gè)人可以根據(jù)自己的基因特征，揚(yáng)長(zhǎng)避短，規(guī)劃自己的發(fā)展前途和成長(zhǎng)道路對(duì)社會(huì)倫理的沖擊問(wèn)題方面：個(gè)人遺傳信息（基因檔案）的隱私問(wèn)題和公正應(yīng)用問(wèn)題 個(gè)人基因檔案是否個(gè)人隱私？ 應(yīng)如何得到保護(hù)？ 是否會(huì)產(chǎn)生“基因”歧視？ 上學(xué)、 招工、 醫(yī)療保險(xiǎn)、 戀愛(ài)婚姻對(duì)社會(huì)倫理的沖擊對(duì)社會(huì)倫理的沖擊我這輩子沒(méi)戲了！個(gè)人隱私！基因注定論？DNA Report對(duì)社會(huì)倫理的沖擊要不是你的基因告了密，我們本可以錄用你如何解決由此出現(xiàn)的問(wèn)題？美國(guó)國(guó)會(huì)早已開(kāi)始考慮制訂法律，來(lái)確保個(gè)人的基因隱私權(quán)。對(duì)社會(huì)倫理的沖擊 克林頓總統(tǒng)卸任前簽署法令，禁止聯(lián)邦機(jī)構(gòu)把遺傳信息用于人

27、員聘用過(guò)程。對(duì)社會(huì)倫理的沖擊4、什么是后基因組計(jì)劃？基因克隆計(jì)劃:克隆和鑒定人的3-5萬(wàn)個(gè)基因基因組多樣性計(jì)劃: 代表基因組到個(gè)體基因組的研究cDNA計(jì)劃:目標(biāo)是建立不同組織、不同基因在不同時(shí)期的表達(dá)“目錄”，即個(gè)體基因表達(dá)的時(shí)空?qǐng)D蛋白組計(jì)劃:HGP的基因序列可以馬上轉(zhuǎn)化為信息的和物質(zhì)的蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)。仿照HGP從單一的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)向大規(guī)模的種類、結(jié)構(gòu)和功能的研究細(xì)胞計(jì)劃:從分子水平到細(xì)胞水平的研究中國(guó)的HGP指導(dǎo)思想：參與、分享，重點(diǎn)是利用我們的資源，依靠我們自己的力量，為我們的子孫克隆我們自己的基因 生物的性狀大都可以遺傳，改變基因就可改變性狀基因工程的基本原理四、什么是基因工程？（一）基因工

28、程的基本內(nèi)容目的基因的獲得目的基因與載體的連接成重組DNA分子重組DNA分子導(dǎo)入受體細(xì)胞篩選重組克隆 基因表達(dá)與產(chǎn)物分離基因工程1) 從基因所在的生物體直接取得限制性內(nèi)切酶 2) 人工合成DNA片段（DNA合成儀）3) PCR反應(yīng)合成DNA4) mRNA反轉(zhuǎn)錄成cDNA5) 機(jī)械切割的方法: 超聲波、高速噴射基因工程1、目的基因的獲得基因工程2、獲得基因的PCR技術(shù)Kary B. Mullis (1944 -)，在Cetus公司工作期間，發(fā)明了PCR。 他原本是要合成DNA引物來(lái)進(jìn)行測(cè)序工作， 卻常為沒(méi)有足夠多的模板DNA而煩惱。1983年春夏之交的一個(gè)晚上，他開(kāi)車去鄉(xiāng)下別墅的路上萌發(fā)了用兩個(gè)

29、引物（而不是一個(gè)引物）去擴(kuò)增模板DNA 的想法.Mullis開(kāi)車的時(shí)候, 瞬間感覺(jué)兩排路燈就是DNA的兩條鏈，自己的車和對(duì)面開(kāi)來(lái)的車象是DNA聚合酶，面對(duì)面地合成著DNA， 動(dòng)畫(huà)演示Mullis的第一個(gè)PCR實(shí)驗(yàn) 1983年9月中旬。 Mullis在反應(yīng)體系中加 入DNA聚合酶后在37 一直保溫。結(jié)果第二 天在瓊脂糖電泳上沒(méi)有 看到任何條帶。于是他認(rèn)識(shí)到有必要用加熱來(lái)解鏈，每次解鏈后再加入DNA聚合酶進(jìn)行反應(yīng)，依次循環(huán)。1983年12月，他終于看到了被同位素標(biāo)記的PCR條帶?；蚬こ藾NA 片段的分離凝膠電泳基因工程3、目的基因與載體的連接動(dòng)畫(huà)演示基因工程4、重組DNA分子導(dǎo)入受體細(xì)胞轉(zhuǎn)化演示

30、基因工程5、篩選重組克隆 6、基因表達(dá)與產(chǎn)物分離重組 DNA 技術(shù)抽取DNA切下鼠DNA切開(kāi)質(zhì)粒DNA將質(zhì)粒導(dǎo)入宿主細(xì)胞混合、連接 基因工程動(dòng)畫(huà)演示培養(yǎng)基中加抗生素培養(yǎng)裂解細(xì)胞釋放DNA分子雜交分離擴(kuò)增目的克隆基因工程重組DNA 技術(shù)（二）基因工程的應(yīng)用轉(zhuǎn)基因微生物轉(zhuǎn)基因植物轉(zhuǎn)基因動(dòng)物轉(zhuǎn)基因冶療基因工程1、轉(zhuǎn)基因微生物轉(zhuǎn)基因生產(chǎn)藥物：激素類、細(xì)胞因子、抗體、疫苗轉(zhuǎn)基因工程菌：能源：石油二次開(kāi)采、纖維素分解、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換環(huán)保：污水處理、廢物處理 冶金：采礦輕工食品 ：生產(chǎn)各類產(chǎn)品基因工程胰島素1000 磅牛胰 10 克胰島素200 升發(fā)酵液 10 克胰島素干擾素1200 升人血 1 升發(fā)酵液23

31、萬(wàn)美元 / 病人 200300 美元 / 病人基因工程2、轉(zhuǎn)基因植物抗蟲(chóng)轉(zhuǎn)基因植物：毒素基因（如Bt）、其他基因抗病毒轉(zhuǎn)基因植物：抗病毒基因、病毒蛋白基因等抗真菌轉(zhuǎn)基因植物：幾丁質(zhì)酶基因、抗毒素基因抗逆轉(zhuǎn)基因植物：抗鹽、抗旱、抗熱、抗凍、抗除草劑基因藥用轉(zhuǎn)基因植物：抗體、疫苗、生長(zhǎng)因子、生長(zhǎng)激素轉(zhuǎn)基因植物食品：提高產(chǎn)量、改良品質(zhì)其他轉(zhuǎn)基因植物：抗早衰、產(chǎn)塑料（PHA）微生物聚脂基因工程3、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物轉(zhuǎn)基因動(dòng)物品種：生長(zhǎng)激素、抗病害基因（干擾素、抗體）轉(zhuǎn)基因動(dòng)物作為反應(yīng)器：生產(chǎn)蛋白類藥物轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型：篩選藥物：抗腫瘤、抗病毒等轉(zhuǎn)基因動(dòng)物應(yīng)用于器官移植：免疫排斥基因轉(zhuǎn)基因豬基因工程轉(zhuǎn)生長(zhǎng)激素基因

32、小鼠基因工程動(dòng)物多肽藥物用途綿羊a1抗胰蛋白酶蛋白治療氣腫綿羊CFTR治療 囊腫性纖維化綿羊組織型纖溶酶原活化因子治療血栓綿羊凝血VIII因子、IX因子治療血友病綿羊纖維蛋白原傷口愈合豬組織型纖溶酶原活化因子治療血栓豬凝血VIII因子、IX因子治療血友病山羊人蛋白質(zhì) C治療血栓山羊抗血栓因子 3治療血栓山羊谷氨酸脫羧酶治療I型糖尿病山羊Pro542治療愛(ài)滋 病牛a-乳清白蛋白抗炎癥牛凝血VIII因子治療血友病牛纖維蛋白原傷口愈合牛膠原蛋白 I, II組織修復(fù), 治療風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎牛乳鐵蛋白治療腸道感染, 感染性關(guān)節(jié)炎牛人血清白蛋白維護(hù)血液體積雞, 牛, 山羊單克隆抗體用于疫苗生產(chǎn)基因工程基因工程

33、藥物4、轉(zhuǎn)基因冶療腫瘤基因冶療分子遺傳病的基因冶療心血管病的基因冶療 其他疾病的冶療基因工程（三）為什么會(huì)有人反對(duì)轉(zhuǎn)基因技術(shù)？基因工程宗教因素公眾缺乏對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的理解1998年11月，孟山都公司在印度的兩塊試驗(yàn)地被當(dāng)?shù)厝朔贌?，原因是該公司在轉(zhuǎn)基因植物中采用了“雄性不育”技術(shù)。一些農(nóng)民懷疑這些 “雄性不育” 的植物與人接觸后也會(huì)使人患上“不育癥”。瑞典的一個(gè)民意測(cè)驗(yàn)結(jié)果表明，60的人認(rèn)為普通食物中沒(méi)有基因。生態(tài)學(xué)家們出于生態(tài)平衡的考慮對(duì)未知的彷徨貿(mào)易壁壘的需要基因工程 2014年12月3日，辯論組織“智能平方”（Intelligence Squared）在紐約舉辦了一場(chǎng)辯論，主題是我們是否應(yīng)

34、該支持轉(zhuǎn)基因食品。這場(chǎng)辯論引發(fā)了很多關(guān)注，因?yàn)檎措p方都是各自陣營(yíng)里比較靠譜的人物，是正規(guī)選手之間的較量而非混亂罵戰(zhàn)。G的評(píng)論是“終于有一場(chǎng)不大吵大鬧的轉(zhuǎn)基因辯論了”。（四）關(guān)于轉(zhuǎn)基因的辯論基因工程1. 這是一種潛力巨大的技術(shù)，能夠解決糧食安全相關(guān)的種種問(wèn)題，包括植物疾病和害蟲(chóng)，還可能進(jìn)一步減少肥料使用、提高生產(chǎn)力、帶來(lái)有益的環(huán)境影響。很多益處已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí)。2. 通過(guò)增加免耕土地面積、減少殺蟲(chóng)劑使用，它對(duì)環(huán)境已經(jīng)帶來(lái)了直接的益處。3. 不需要把轉(zhuǎn)基因和傳統(tǒng)育種對(duì)立起來(lái)，轉(zhuǎn)基因原本就是在傳統(tǒng)育種的基礎(chǔ)上完成的。正方觀點(diǎn)基因工程4. 抗藥性對(duì)于任何技術(shù)來(lái)說(shuō)都是問(wèn)題，包括傳統(tǒng)的除草劑和殺蟲(chóng)劑。演化

35、不會(huì)停步，不能因?yàn)榭股貢?huì)有抗藥性就不再研發(fā)新的抗生素，轉(zhuǎn)基因技術(shù)也是如此。5. 廣泛的科學(xué)共識(shí)認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)是安全的，包括美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)、英國(guó)皇家學(xué)會(huì)等等諸多組織都持這一立場(chǎng)。二十年的廣泛研究和經(jīng)驗(yàn)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何一例對(duì)人或動(dòng)物有任何危害的實(shí)例（對(duì)此反方也承認(rèn)了）。6. 并沒(méi)有可靠的理論認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)會(huì)對(duì)人或者動(dòng)物的健康帶來(lái)任何新的未知危害。正方觀點(diǎn)基因工程1. 轉(zhuǎn)基因技術(shù)盛名之下其實(shí)難副，許多看起來(lái)很有前景的技術(shù)一直在研發(fā)中，但我們只看到了少數(shù)幾個(gè)有用的產(chǎn)品，還沒(méi)有出現(xiàn)什么產(chǎn)品改變整個(gè)農(nóng)業(yè)面貌。2. 支持轉(zhuǎn)基因的證據(jù)大多來(lái)自早期的成功，但抗藥性的增加將會(huì)讓這些好處無(wú)法長(zhǎng)期維持。3.

36、 轉(zhuǎn)基因的明星地位會(huì)讓人們忽略傳統(tǒng)育種在對(duì)抗各種問(wèn)題中起到的巨大貢獻(xiàn)。反方觀點(diǎn)基因工程4. 使用這一技術(shù)帶來(lái)了抗性雜草和害蟲(chóng)，而且增加了除草劑的使用量，也許會(huì)危害人類健康（雖然他們承認(rèn)并沒(méi)有數(shù)據(jù)支持）。5. 這一技術(shù)的問(wèn)題可能在現(xiàn)在的時(shí)間尺度下還不明顯。6. 現(xiàn)有安全措施沒(méi)有考慮到轉(zhuǎn)基因技術(shù)快速的更新?lián)Q代問(wèn)題，批評(píng)家一直以來(lái)要求的安全措施很多也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。反方觀點(diǎn)基因工程根據(jù)規(guī)則，本場(chǎng)辯論正方獲勝基因工程編輯的話 轉(zhuǎn)基因是一個(gè)復(fù)雜的領(lǐng)域，其中有很多值得討論的議題。但遺憾的是，大部分相關(guān)討論很難獲得成效，部分原因是辯論者會(huì)抱住一些違反基本事實(shí)的論點(diǎn)不放比如“美國(guó)人不吃轉(zhuǎn)基因食品”、“轉(zhuǎn)基因玉米致癌

37、”、“對(duì)蟲(chóng)子有害的東西怎么能吃”、“轉(zhuǎn)基因完全不能增產(chǎn)”這樣的論調(diào)。這讓辯論無(wú)法在共同平臺(tái)上進(jìn)行。 轉(zhuǎn)基因作物弊潛在的危害轉(zhuǎn)基因/抗性基因的不良傳播對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響對(duì)生物多樣性的潛在影響對(duì)遺傳穩(wěn)定性的擔(dān)心對(duì)世界農(nóng)業(yè)格局的沖擊（種子壟斷）基因工程五.合成生物學(xué)(syntheticbiology)/合成生物學(xué)就是全新設(shè)計(jì)建立一個(gè)生命系統(tǒng)，使其能夠按預(yù)設(shè)的方式運(yùn)行，同時(shí)具有復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)和邏輯特征。To make biology to engineer easier. Drew Endy, MIT什么是合成生物學(xué) (syntheticbiology) ?病毒的全合成按“指令”發(fā)光的大腸桿菌合成生物學(xué)的

38、主要研究?jī)?nèi)容 合成新的生物元器件，其中包括： 設(shè)計(jì)和構(gòu)建新的生物元器件和系統(tǒng)； 對(duì)于已有的生物原件的重新設(shè)計(jì)，使其完成特定 的功能； 有目的地對(duì)生物元器件進(jìn)行組裝，使系統(tǒng)獲得新的功能； 生產(chǎn)出能滿足人類需要的新的生命系統(tǒng)。合成生物學(xué)的目的是：“走到冰箱里，取出相應(yīng)的生物零件，把它們組裝起來(lái)，成為一個(gè)微小的生物機(jī)器”。合成生物學(xué)層級(jí)關(guān)系與計(jì)算機(jī)工程的類比示意圖系統(tǒng)控制單元模塊元件Adrianantoandro et al. Mol Sys Biol. 2006標(biāo)準(zhǔn)化生物模塊生物積塊“Biobrick” 經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理，具有標(biāo)準(zhǔn)的酶切位點(diǎn)的功能DNA序列。功能片段載體EXSP 標(biāo)準(zhǔn)化生物模塊生物積

39、塊“Biobrick”生物積塊是標(biāo)準(zhǔn)化的生物模塊，種類多生物積塊經(jīng)過(guò)改造具有很好的生物功能標(biāo)準(zhǔn)化的酶切位點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的描述文件和分類方法標(biāo)準(zhǔn)化的動(dòng)力學(xué)參數(shù)模擬和背景iGEM Registry提供對(duì)于生物積塊的寶貴經(jīng)驗(yàn)共享“Biobrick”的連接X(jué)SPEXSEXSPEXSPEXSPEXSP邏輯門功能遺傳線路邏輯門 啟動(dòng)子2啟動(dòng)子1lacIGFPtetR&熒光IPTGaTcIPTG aTc GFP000010100111與門IPTGaTc邏輯門功能遺傳線路啟動(dòng)子2啟動(dòng)子1lacItetRGFPGFP啟動(dòng)子3邏輯門 IPTGaTc+熒光IPTGaTcIPTG aTc GFP000011101111或門

40、基因調(diào)控開(kāi)關(guān)雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)啟動(dòng)子2抑制子1啟動(dòng)子1抑制子2gfp誘導(dǎo)子1誘導(dǎo)子2人工細(xì)胞群體圖案系統(tǒng) gfpluxIPLtetO-1lacIM1cIgfp信號(hào)發(fā)生細(xì)胞高濃度中濃度lacIlacIM1cIgfp低濃度lacIM1cIlacIlacI基因線路的空間響應(yīng) 人工細(xì)胞群體圖案系統(tǒng) 大腸桿菌成像系統(tǒng) 當(dāng)有光照刺激時(shí)，感光蛋白刺激并抑制EnvZ蛋白的自磷酸化過(guò)程，EnvZ蛋白通過(guò)使OmpR蛋白也無(wú)法磷酸化, 將其啟動(dòng)子關(guān)閉，作為融合基因的lacZ基因無(wú)法表達(dá)，此區(qū)域中無(wú)黑色化合物產(chǎn)生為菌苔原有的顏色。Classic Conditioned Reflex experiment was first

41、carried out by Pavlov on dog.2022/9/11Conditioned Reflex Mimicking in E.coli138The Ring is linked to Food!Learning & MemorySalivation0MemoryRingFoodSalivaLearning AND GateRecalling AND GateLogic Circuit139OR Synthetic Genome Brings New Life to Bacterium-“Synthia” 2010年5月21日的Science雜志上,報(bào)道了美國(guó)科學(xué)家Venter

42、研究團(tuán)隊(duì)將人工合成的蕈狀支原體Mycoplasma mycoides的基因組轉(zhuǎn)入山羊支原體Mycoplasma capricolum細(xì)胞，產(chǎn)生的人造細(xì)胞表現(xiàn)出后者的生命特性。他們將這一人造細(xì)胞稱作“Synthia”(合成體)“辛西婭”菌落圖“辛西婭”顯微圖Venter團(tuán)隊(duì)制造人造細(xì)胞的研究歷程:1995年 開(kāi)始2007年 實(shí)現(xiàn)兩種支原體中天然基因組轉(zhuǎn)移2008年 合成了生殖支原體的基因組DNA2010年 “Synthia”就是兩種技術(shù)合而為一的結(jié)果1) 蕈狀支原體的全基因組測(cè)序2) 通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)合成序列的精密計(jì)算3) 合成1 078條均長(zhǎng)為1 080 bp的DNA片段,片段兩兩間具有80 bp

43、的重疊較天然基因組略不同:去除了14個(gè)不重要的基因?yàn)樽钄嗷蚨O(shè)計(jì)的兩個(gè)插入序列27處單核苷酸多態(tài)性4條用來(lái)區(qū)分于天然序列模本的“水印”標(biāo)記 (Watermark)1.合成供體的基因組DNA實(shí)驗(yàn)步驟與原理合成的1 078條DNA片段分別連接到載體在酵母細(xì)胞中通過(guò)同源重組拼接10個(gè)一組拼接為大約10 kb的片段 (109個(gè))4) 將109個(gè)片段每組10個(gè)再拼接成100 kb的片段 (11個(gè))5) 這11條片段最終拼接成完整的1 077 947 bp的基因組2. 合成DNA片段的拼接3. 人工基因組的甲基化修飾4. 人工基因組移植入受體細(xì)胞構(gòu)建好的人工合成基因組移植入山羊支原體內(nèi)含人造基因組的細(xì)胞在含抗生素的培養(yǎng)基中培養(yǎng)通過(guò)生長(zhǎng)和分離，受體細(xì)菌產(chǎn)生兩個(gè)細(xì)胞，一個(gè)帶有人造DNA，另外一個(gè)帶有天然DNA。在抗生素的篩選下,含有天然DNA的細(xì)胞逐漸消失殆盡,最終只剩下含有山羊支原體細(xì)胞質(zhì)但由合成的蕈狀支原體DNA控制的人工嵌合體細(xì)胞“Synthia” 。文特爾人造生命合成示意圖 科學(xué)狂人J. Craig VenterJohn Craig Venter 出生于