基因工程-第1章

基因工程

GeneEngineering生命科學與技術學院王秀利教授/博士第一章緒論參考書1.樓士林基因工程2.馬建崗基因工程學原理3.吳乃虎基因工程原理4.閻隆飛，等分子生物學5.孫乃恩，等分子遺傳學6.BenjaminLewinGenes7.專業(yè)期刊第一章緒論20世紀70年代初，美國科學家S.Cohen第一次將兩個不同的質粒加以拼接，組合成一個雜合質粒，并將其引入大腸桿菌體內表達。這種被稱為基因轉移或DNA重組的技術立即在學術界引起了很大的震動。由于基因轉移是將不同的生命元件按照類似于工程學的方法組裝在一起，生產出人們所期待的生命物質，因此也被稱為基因工程?；蚬こ痰某霈F(xiàn)使人類跨進了按照自己的意愿創(chuàng)建新生物的偉大時代。第一章緒論一、基因與基因工程人們對基因的認識經歷了長時間的發(fā)展過程1866年,孟德爾,遺傳因子,已形成了基因的雛形。1909年,丹麥的遺傳學家W.L.Johanssen首次提出用‘gene’來代替孟德爾的遺傳因子，提出了基因型和表現(xiàn)型的區(qū)別，但并未涉及遺傳的物質概念。（談家楨首先將gene翻譯為基因）。第一章緒論1910年以后，美國遺傳學家以果蠅為材料進行雜交實驗，第一次把代表某一性狀的特定基因與某一特定染色體上的特定位置聯(lián)系起來，發(fā)現(xiàn)了連鎖交換定律。摩爾根（T.H.Morgan）提出了遺傳粒子理論，認為基因是一粒一粒在染色體上呈直線排列的，且互不重疊。摩爾根理論的重要性在于基因已不在是一個抽象的符號，而是與染色體緊密相關的一個實體。第一章緒論20世紀40年代初，物理學家和化學家把研究方向轉移到對基因本質問題的探討上。1944年，Avery等首次證實遺傳的物質基礎是DNA，把基因位于染色體上的理論進一步推進到基因位于DNA上。1953年，Watson和Crick提出了DNA雙螺旋結構模型，闡明了DNA的半保留復制模式，從而開辟了分子生物學研究的新紀元。這時，人們接受了基因是具有一定遺傳效應的DNA片段的概念。第一章緒論1955年，Benzer基于T4噬菌體的順反互補試驗，提出了順反子的概念。到此為止，已經從功能單位的意義上把順反子和基因統(tǒng)一起來了，順反子實際上成為基因的同義詞。20世紀60年代，法國遺傳學家F.Jacob和J.Monod在研究細菌基因調控中證實：基因是可分的，功能上是有差別的，即既有決定合成某種蛋白質的結構基因，又有編碼阻遏或激活結構基因轉錄和合成蛋白質的調節(jié)基因，還有其他無翻譯產物的基因。第一章緒論操縱基因的發(fā)現(xiàn)修正了一個基因就有一條多肽，或決定一個蛋白質的結構單位的說法，同時也提出了順反子代替基因概念的不準確性。1961年M.Nirenberg等破譯了遺傳密碼，揭開了DNA編碼的遺傳信息是如何傳遞給蛋白質這一秘密。20世紀70年代以后，人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了斷裂基因、重疊基因、跳躍基因等，使對基因的認識更進一步深化。第一章緒論綜上所述，我們對基因的認識可以肯定以下幾點：1、基因是實體，它的物質基礎是DNA或（RNA）。2、基因是具有一定遺傳效應的DNA分子中的特定核苷酸序列。3、基因是遺傳信息傳遞和性狀分化發(fā)育的依據(jù)。第一章緒論4、基因是可分的。根據(jù)基因的產物可將其分為編碼蛋白質的基因、無翻譯產物基因（如tRNA和rRNA）以及不轉錄的DNA區(qū)段（如啟動區(qū)、操縱基因、內含子等）。概括說來，基因是一個含有特定遺傳信息的核苷酸序列，它是遺傳物質的最小功能單位。第一章緒論二、基因工程與生物工程的關系生物工程也稱生物技術，是20世紀70年代初在分子生物學、細胞生物學和遺傳學等基礎上發(fā)展起來的一個新興領域。它主要包括以下5個方面。

第一章緒論1、基因工程(Geneengineering)其主要原理是應用人工方法把生物的遺傳物質，通常是脫氧核糖核酸(DNA)分離出來，在體外進行切割、拼接和重組。然后通過載體將重組了的DNA導人某種宿主細胞或個體，進行無性繁殖，從而改變它們的遺傳品性；或使新的遺傳信息在新的宿主細胞或個體中大量表達，以獲得基因產物(多肽或蛋白質)。這種創(chuàng)造新生物并給予新生物以特殊功能的過程就稱為基因工程，也稱DNA重組技術。第一章緒論第一章緒論2、細胞工程(cellengineering)是指以細胞為基本單位，在體外條件下進行培養(yǎng)、繁殖，或人為地使細胞某些生物學特性按人們的意愿發(fā)生改變，從而改良生物品種和創(chuàng)造新品種，加速繁育動、植物個體，或獲得某種有用的物質的過程。細胞工程包括動、植物細胞的體外培養(yǎng)技術、細胞融合技術(也稱細胞雜交技術)、細胞器移植技術等。第一章緒論3、酶工程(enzymeengineering)是利用酶、細胞器或細胞所具有的特異催化功能，或對酶進行修飾改造，并借助生物反應器和工藝過程來生產人類所需產品的一項技術。它包括酶的固定化技術、細胞的固定化技術、酶的修飾改造技術及酶反應器的設計等技術。第一章緒論4、發(fā)酵工程(fermentationengineering)利用微生物生長速度快、生長條件簡單以及代謝過程特殊等特點，在合適條件下，通過現(xiàn)代化工程技術手段，由微生物的某種特定功能生產出人類所需的產品稱為發(fā)酵工程。包括菌種選育、菌體生產利用、代謝產物的生產利用以及微生物機能的利用技術。第一章緒論5、蛋白質工程(proteinengineering)是指在基因工程的基礎上，結合蛋白質結晶學、計算機輔助設計和蛋白質化學等多學科的基礎知識，通過對基因的定向改造等手段，達到對蛋白質進行修飾、改造、拼接，以產生能滿足人類需要的新型蛋白質。包括生物反應器設計制造、傳感器的研制以及產物的分離提取和精制技術。第一章緒論以上5個方面的工程技術系統(tǒng)是相互依賴、相輔相成的，但在這些技術系統(tǒng)中，基因工程占主導地位。因為，只有用基因工程改造過的微生物和細胞，才能真正按照人們的意愿進行工程設計，產生出特定的生物工程產品。而微生物發(fā)酵工程又常常是基因工程的基礎和必備條件。蛋白質工程是其他生物工程技術轉化為生產力時所必不可缺的重要環(huán)節(jié)。正是這5個工程技術系統(tǒng)，共同組成了現(xiàn)代生物工程學。第一章緒論三、基因工程涉及的學科包括分子生物學、細胞生物學、微生物學、免疫學、生理學、生物化學、生物物理學、遺傳學等幾乎所有生物科學的次級學科為支撐，又結合了諸如化學、化學工程學、數(shù)學、微電子技術、計算機科學等生物學領域之外的尖端基礎學科，從而形成一門多學科互相滲透的綜合性學科。其中又以生命科學領域的重大理論和技術的突破為基礎。第一章緒論例如，沒有Watson和Crick的DNA雙螺旋結構及闡明DNA的半保留復制模式，沒有遺傳密碼的破譯以及DNA與蛋白質的關系等理論上的突破，沒有發(fā)現(xiàn)DNA限制性內切酶、DNA連接酶等工具酶，就不可能有基因工程高技術的出現(xiàn)；另外，所有生物技術領域還使用了大量的現(xiàn)代化高精尖儀器，如超速離心機、電子顯微鏡、高效液相色譜、DNA合成儀、DNA序列分析儀等。這些儀器全部都是由微機控制的、全自動化的。這就是現(xiàn)代微電子學和計算機技術與生物技術的結合和滲透。第一章緒論四、基因工程的應用盡管基因工程出現(xiàn)后的一段時間內帶給人們的是猜疑和恐懼，但它還是以迅猛的速度發(fā)展。實踐表明，基因工程會給人類帶來難以估量的經濟效益和社會效益。特別是對人類所面臨的能源、糧食、人口、環(huán)境和疾病等日趨嚴重的社會問題，基因工程正在并且將要發(fā)揮越來越大的作用。第一章緒論1、基因工程與農業(yè)基因工程在農業(yè)中的應用主要包括提高植物光合作用效率、擴展植物的固氮能力、生產轉基因植物和轉基因動物等。（1）光合作用應用基因工程技術，已經克隆了許多參與光合作用的基因并分析了光對基因表達的調節(jié)作用。一是深入研究在CO2的固定反應中起關鍵作用的二磷酸核酮糖羧化酶（RuBisCo），以便提高其與CO2的親和力，以及取消或減少光呼吸的競爭反應。實驗表明，第一章緒論通過交換RuBisCo亞基的基因，將不同來源的基因導入同一種植物，形成的具有異源亞基的RuBisCo基因；或是采用定點突變技術，改變RuBisCo的活性，增加其同CO2親和力；甚至用更為有效的突變基因，取代正常的RuBisCo基因等辦法，以提高植物對CO2的固定效率。二是提高光能吸收及轉化效率。第一章緒論（2）固氮作用固氮作用通常指豆科植物將空氣中的氮轉變?yōu)榘钡倪^程。它是通過與其共生的根瘤菌屬細菌實現(xiàn)的。要使普通的非固氮植物的細胞從遺傳上轉變?yōu)榫哂泄痰δ艿奶厥饧毎?，必須具備如下?個條件：（a）根瘤菌的全部固氮基因（nif）都能在同一植物細胞中適當?shù)乇磉_；（b）固氮酶復合體能正確地加工和組裝；第一章緒論（c）具有一個厭氧的環(huán)境；（d）提供足夠的ATP；（e）提供NADPH。這是一項十分復雜而艱巨的工作。目前，一種是用帶有nif基因的質粒轉化植物細胞的葉綠體，從而有可能使用正常的原核信號進行表達，而不必將17個nif基因都置于植物細胞核基因組啟動子的控制之下；另一種是把豆科植物的固氮基因轉移到其他植物中，使其對固氮菌的感染產生相應的反應。到目前為止，已有許多植物的根瘤蛋白基因被克隆出來，而且還建立了一種三葉草的根瘤模型。第一章緒論（3）轉基因植物轉基因植物是指將克隆到的一些編碼特殊性狀的基因，通過生物、物理和化學等方法，導入到受體植物細胞，然后進行組織培養(yǎng)而培育出再生植株。人們可以在一定范圍內根據(jù)自己的意愿來改造植物的一些性狀，從而獲得高產、穩(wěn)定、優(yōu)質和抗逆性強的品種。已有煙草、馬鈴薯、胡蘿卜、油菜、棉花、水稻、玉米、擬南芥等數(shù)百種轉基因植物問世。第一章緒論應用轉基因植物技術，不但可以培育出抗病毒、抗真菌、抗蟲害、抗逆性或抗除草劑的植物，而且可以獲得雄性不育植株或增加種子的營養(yǎng)價值，此外，還可以應用轉基因植物技術使植物果實變硬便于儲運，或改變花卉的顏色提高觀賞價值，以及在轉基因植物中生產一些醫(yī)藥上應用的多肽。第一章緒論（4）轉基因動物轉基因動物是指用實驗方法導入的外源基因在染色體基因組內穩(wěn)定整合并能遺傳給后代的一類動物。自從20世紀80年代初美國首次將大鼠生長激素基因導入小鼠受精卵的雄原核中，獲得了個體比對照組大一倍的轉基因‘超級鼠’后，轉基因昆蟲、豬、魚、兔、牛和羊等相繼問世，不但為動物基因工程育種提供了新的途徑，而且可以作為生物反應器生產各種有用的蛋白質，特別是醫(yī)用活性肽。此外，還可以通過轉基因技術培育抗病的轉基因家畜，使其免遭傳染病的危害。第一章緒論（5）產生次生代謝產物植物提供了全世界25%的藥物資源，并產生出化學物質（如生物堿等）及生化物質（如各種必須氨基酸等）。應用基因工程技術，結合植物組織培養(yǎng)方法有可能對其編碼的藥物基因進行改造，以提高有效成分的合成效率并確保其生物活性，甚至可以生產出嶄新性質的植物生化藥物。第一章緒論2、基因工程與工業(yè)基因工程在工業(yè)中的應用主要包括纖維素的開發(fā)利用、釀酒工業(yè)、食品工業(yè)、制藥工業(yè)和新型蛋白質的生產等方面。（1）纖維素的開發(fā)利用纖維素是植物的主要組成部分。據(jù)估計，全世界的纖維素資源總量為7×1011噸，而每年經綠色植物光合作用合成的纖維素又可高達為4×1010噸，因此，纖維素被認為是地球上數(shù)量最豐富的有機質。第一章緒論纖維素是一種無水葡萄糖的線性多體分子，其重復單位叫纖維二糖。纖維素完全降解的產物葡萄糖是食品、燃料和化學原料的重要來源。植物材料中的纖維素的天然降解主要是由絲狀真菌發(fā)酵引起的?，F(xiàn)在已從細菌和絲狀真菌中克隆出了各種纖維素分解酶的基因。如果通過基因工程方法，把這些基因導入釀酒酵母，并使釀酒酵母具備分泌纖維素酶的能力，那么就有可能將纖維素降解成葡萄糖，再發(fā)酵成酒精，從而實現(xiàn)酒精生產流程一步化的新工藝。第一章緒論（2）釀酒工業(yè)釀酒酵母不僅是一種在釀酒工業(yè)中廣泛使用的發(fā)酵微生物，而且是一種有用的基因操作菌株之一。如果把面包酵母（S.diastaticus）基因組中編碼淀粉a-1，4-葡萄糖苷酶的DEX基因引入到釀酒酵母細胞，產生出一種新的酵母菌株，就可以克服釀酒酵母不能發(fā)酵糊精（含22%的碳水化合物）的缺點，生產出碳水化合物含量低、味道好的優(yōu)質啤酒。第一章緒論如果把能夠降解具有極高相對分子量的分枝糊精（brancheddextrins）的淀粉酶基因導入釀酒酵母，則可進一步改善啤酒的質量。如果把木瓜蛋白酶基因引入釀酒酵母，則可保持啤酒的清晰度。此外，還可應用體外突變技術主動改變這些酶的特性，使其穩(wěn)定性增加?？傊卺劸乒I(yè)中，基因工程技術是大有可為的。第一章緒論（3）食品工業(yè)在食品工業(yè)中，干酪的生產離不開凝乳酶對乳蛋白-酪蛋白的切割。凝乳酶是從小牛的第四個胃中提取的，很不經濟?，F(xiàn)在已經將小牛的凝乳酶基因克隆出來，并在釀酒酵母中實現(xiàn)了表達，生產出高產量的、具有全部天然活性的凝乳酶，它能夠使牛奶凝固。第一章緒論（4）制藥工業(yè)傳統(tǒng)的制藥工業(yè)，要么依靠化學合成，要么從自然界中篩選藥物產生菌，然后通過發(fā)酵分離提取獲得，這兩者都費事費力。應用基因工程技術，不但可以提高藥物的產量，而且可以創(chuàng)造藥物新品種。目前已商品化生產的基因工程藥物有各種抗生素和多肽藥物，多達數(shù)百種。我國已能自行生產基因工程干擾素、紅細胞生成素（EPO）、白介素和心鈉素等。第一章緒論（5）新型蛋白質生產利用基因工程技