2024年高中生物競賽課件

生物技術(shù)專業(yè)基因工程目的與要求：1.掌握基因工程的基本概念和原理；2.了解基因操作的主要技術(shù)原理和應(yīng)用；3.了解基因工程的研究內(nèi)容；4.初步掌握基因工程基本的實驗操作技術(shù)。本課程教學(xué)目的與要求理論：32學(xué)時

實驗:16學(xué)時主要參考書：②樓士林，楊盛昌，龍敏南,章軍編著.《基因工程》,科學(xué)出版社,2002

③吳乃虎編著.《基因工程原理》(上、下冊),科學(xué)出版社，2002①何水林主編.《基因工程》科學(xué)出版社,2011第一章基因工程概述第二章基因工程工具酶第四章基因工程主要技術(shù)第三章基因工程載體第六章DNA重組的操作

第八章蛋白的分離與純化

第七章基因的高效表達(dá)本課程內(nèi)容介紹：第五章目的基因的獲得第九章基因工程的應(yīng)用3基因工程的發(fā)展2基因工程的概念1基因工程的應(yīng)用第一章基因工程概述基因工程的核心地位分子生物學(xué)基因工程生物工程生命科學(xué)一、什么是基因工程在分子水平上提?。ɑ蚝铣桑┎煌锏倪z傳物質(zhì)，在體外切割再和一定的載體拼接重組，然后把重組的DNA分子引入細(xì)胞或生物體，使外源DNA（基因）在受體細(xì)胞中進(jìn)行復(fù)制與表達(dá)，按人們的需要繁殖擴(kuò)增，或生產(chǎn)不同的產(chǎn)物，或定向地創(chuàng)造生物的新性狀，并能穩(wěn)定地遺傳給后代基因工程的核心內(nèi)容包括基因克隆和基因表達(dá)基因工程的重要特征：打破了物種的界限也是基因工程的優(yōu)勢可對物種性狀進(jìn)行定向改良創(chuàng)造物種

這是有可能實現(xiàn)的，當(dāng)實現(xiàn)了人們能夠按自己的意愿來重組基因時，便可以以一種生物為藍(lán)本把它的基因加以改變，就會創(chuàng)造出一個新的物種1980年通過顯微注射法培養(yǎng)出的世界上第一個轉(zhuǎn)基因動物----“碩鼠”完全由人造基因控制的單細(xì)胞細(xì)菌

2010年5月20日美國頂尖科學(xué)家克萊格·凡特等合成人造細(xì)菌內(nèi)核二、基因工程一般操作Generalprocessofgeneengineering1.從生物有機(jī)體基因組中，分離帶有目的基因DNA片段2.將帶有目的基因的外源DNA片段連接到能夠自我復(fù)制的并具有選擇標(biāo)記的載體分子上，形成重組DNA分子3.將重組DNA分子轉(zhuǎn)移到適當(dāng)?shù)氖荏w細(xì)胞并與之一起增殖4.從大量的細(xì)胞繁殖群體中，篩選出獲得了重組DNA分子的受體細(xì)胞,并篩選出已經(jīng)得到擴(kuò)增的目的基因5.將目的基因克隆到表達(dá)載體上，導(dǎo)入寄主細(xì)胞，使之在新的遺傳背景下實現(xiàn)功能表達(dá)，研究核酸序列與蛋白質(zhì)功能之間的關(guān)系1.DNA片段的取得（目的基因的分離和制備）2.DNA片段和載體的連接——重組體DNA3.外源DNA片段引入受體細(xì)胞——基因克隆和基因文庫4.選擇基因（目的基因）5.目的基因表達(dá)切接轉(zhuǎn)選表基因工程一般操作可概括為：基因工程的上游技術(shù)和下游技術(shù)：基因工程包括上游技術(shù)

和下游技術(shù)

兩大組成部分。上游技術(shù)指的是基因重組、克隆和表達(dá)的設(shè)計與構(gòu)建（即重組DNA技術(shù)）；而下游技術(shù)則涉及到基因工程菌或細(xì)胞的大規(guī)模培養(yǎng)以及基因產(chǎn)物的分離純化過程生物材料mRNADNARNAcDNA文庫基因組文庫目的基因人工合成克隆載體重組DNA受體細(xì)胞克隆子轉(zhuǎn)基因生物基本技術(shù)路線：在此基礎(chǔ)上根椐自己的目的和要求進(jìn)行增刪和具體化三、基因工程的基本條件1.目的基因2.載體

根據(jù)作用可分為克隆載體和表達(dá)載體3.工具酶4.受體細(xì)胞四、基因工程的技術(shù)策略強(qiáng)化基因的表達(dá)關(guān)閉基因的表達(dá)基因的異源表達(dá)思路有三：1.異源表達(dá)特定功能蛋白；2.利用已有的途徑構(gòu)建新的代謝支路；3.轉(zhuǎn)移特定合成酶基因，使轉(zhuǎn)基因生物獲得新的合成功能五、基因工程的發(fā)展歷程１基因工程準(zhǔn)備階段

1928年F.Griffith首先發(fā)現(xiàn)細(xì)菌轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，1944年O.Avery及其同事做的細(xì)菌轉(zhuǎn)化試驗，在轉(zhuǎn)化過程中，游離DNA的片段被活的細(xì)菌所接受，導(dǎo)致部分后代遺傳性狀發(fā)生了穩(wěn)定的改變

。通過該實驗，證實遺傳物質(zhì)是DNA----基因載體Griffith肺炎球菌轉(zhuǎn)化實驗

光滑型(S)菌株能引起人的肺炎和小鼠的敗血癥(septicemia)。這種菌株的細(xì)菌細(xì)胞外面有多糖類的膠狀莢膜保護(hù)層，使它們不會被宿主的防御機(jī)制所破壞。其他一些菌株沒有莢膜，不會引起疾病，長成粗糙型(R)菌落

此發(fā)現(xiàn)，開啟了分子生物學(xué)時代。分子生物學(xué)使生物大分子的研究進(jìn)入一個新的階段。在此以后的近50年里，分子遺傳學(xué)、分子免疫學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等新學(xué)科出現(xiàn)，DNA重組技術(shù)更是為利用生物工程手段的研究和應(yīng)用開辟了廣闊的前景1953年Watson和Crick提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并指出遺傳信息儲存在DNA分子堿基序列之中弗朗西斯·克里克（FrancisCrick）1916-2004詹姆斯·

杜威·

沃森（JamesDeweyWatson）1928-

1953年4月25日，F(xiàn)rancisCrick和JamesWatson在《Nature》雜志上發(fā)表了DNA雙螺旋分子結(jié)構(gòu)，當(dāng)時FrancisCrick三十七歲，JamesWatson只有二十五歲。他們的發(fā)現(xiàn)在1962年獲諾貝爾醫(yī)學(xué)生理學(xué)獎，由FrancisCrick，JamesWatson和MauriceWilkins共享JamesWatsonandFrancisCrickwiththeirDNAmodelattheCavendishLaboratoriesin1953.

PhotographcopyrightbyA.BarringtonBrown

卡文迪什實驗室

MauriceWilkins(1916-2004)LikeCrick,NewZealand-bornWilkinstrainedasaphysicist,andwasinvolvedwiththeManhattanprojecttobuildthenuclearbomb.WilkinsworkedonX-raycrystallographyofDNAwithFranklinatKing'sCollegeLondon,althoughtheirrelationshipwasstrained.HehelpedtoverifyWatsonandCrick'smodel,andsharedthe1962Nobelwiththem.——Nature，2003莫里斯·威爾金斯

RosalindFranklin(1920-1958)

Franklin,trainedasachemist,wasexpertindeducingthestructureofmoleculesbyfiringX-raysthroughthem.HerimagesofDNA-disclosedwithoutherknowledge-putWatsonandCrickonthetracktowardstherightstructure.Shewentontodopioneeringworkonthestructuresofviruses.——Nature,200370年代，內(nèi)森和史密斯、阿爾伯發(fā)現(xiàn)了限制內(nèi)切酶的在分子遺傳中的作用，為基因工程奠定了基礎(chǔ)內(nèi)森

1967196319531934基因轉(zhuǎn)移載體的發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)理論遺傳密碼子的破譯遺傳物質(zhì)的明確—DNA四大里程碑三大技術(shù)發(fā)明1967、1970工具酶的發(fā)現(xiàn)使在體外切割和連接DNA片段成為可能基因合成和測序（合成儀、測序儀）PCR技術(shù)（PCR擴(kuò)增儀）123Sanger

1972年，美國斯坦福大學(xué)的PaulBerg博士領(lǐng)導(dǎo)的小組，首次成功完成了DNA體外重組實驗，因此與W.Gilbert,F.Sanger分享了1980年度的諾貝爾化學(xué)獎Berg等人使用核酸內(nèi)切限制酶EcoRI，在體外對猿猴病毒SV40的DNA和λ噬菌體的DNA分別進(jìn)行酶切消化，然后再用T4DNA連接酶將兩種消化片段連接起來，結(jié)果獲得了包括SV40和λDNA的重組的雜交DNA分子

PaulBerg

２基因工程問世1972

年P(guān)aulBerg

:ProducedfirstrecombinantDNAusingEcoRⅠEcoRⅠrecognitionsitesλphageDNAEcoRⅠcutsDNAintofragmentsStickyendSV40DNAThetwofragmentssticktogetherbybasepairingDNAligaseRecombinantDNA

1973年，斯坦福大學(xué)的S．Cohen等人也成功地進(jìn)行了另一體外DNA重組實驗。他們將編碼有卡那霉素（kanamycin）抗性基因的大腸桿菌R6-5質(zhì)粒，和編碼有四環(huán)素（tetracycline）抗性基因的另一種大腸桿菌質(zhì)粒pSC101DNA混合后，加入限制內(nèi)切酶EcoRⅠ，對DNA進(jìn)行切割，后再用T4DNA連接酶將它們連接成重組的DNA分子。用連接后的DNA混合物轉(zhuǎn)化大腸桿菌。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：某些轉(zhuǎn)化子菌落表現(xiàn)出既抗卡那霉素又抗四環(huán)素的雙重抗性特征

1973-Boyer,Cohen&Chang：

TransformE.coliwithrecombinantplasmidStanleyCohen&AnnieChangHerbertBoyerKanamycinresistancegenePlasmidpSC101TetracyclineresistancegeneE.colitransformedwithrecombinantplasmidTransformedcellsplatedontomediumwithkanamycinandtetracyclineOnlycellswithrecombinantplasmidsurvivetoproducecolonies

自基因工程技術(shù)問世以來，這三十多年是基因工程迅速發(fā)展的階段。不僅發(fā)展了一系列新的基因工程操作技術(shù),而且構(gòu)建了多種供轉(zhuǎn)化原核生物和動物、植物細(xì)胞載體,獲得大量轉(zhuǎn)基因菌株３基因工程的迅速發(fā)展1981年首次通過顯微注射培育出世界上第一個轉(zhuǎn)基因動物---轉(zhuǎn)基因小鼠1982年基因工程胰島素商品在美國投放市場。同年采用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法培育出世界上第一例轉(zhuǎn)基因植物---轉(zhuǎn)基因煙草1985年基因工程微生物殺蟲劑通過美國環(huán)保署審批,1990年基因治療開始進(jìn)入臨床試驗到1991年批準(zhǔn)田間試驗1467例，到1998年已有4387例我國已獲批準(zhǔn)進(jìn)入大田的轉(zhuǎn)基因植物(1998年3月)轉(zhuǎn)基因植物及其特性申請單位獲批準(zhǔn)數(shù)馬鈴薯抗病毒中國科學(xué)院4抗病中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院1抗逆北京大學(xué)1提高營養(yǎng)品質(zhì)北京大學(xué)1水稻抗蟲

1抗病毒

2抗病中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院中國水稻研究所2抗除草劑中國水稻研究所1棉抗蟲中國科學(xué)院中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院美國孟山都公司9玉米抗蟲美國孟山都公司3大豆抗除草劑北京市農(nóng)林科學(xué)院1

小麥抗除草劑北京市農(nóng)林科學(xué)院1提高營養(yǎng)品質(zhì)北京市農(nóng)林科學(xué)院1番茄抗病北京大學(xué)1耐貯存中國科學(xué)院華中農(nóng)業(yè)大學(xué)3甜椒抗病北京大學(xué)1辣椒抗病毒中國科學(xué)院1煙草抗病毒北京大學(xué)2抗蟲中國科學(xué)院北京大學(xué)2番木瓜抗病毒北京熱帶農(nóng)作物研究所1廣霍香抗病農(nóng)業(yè)科學(xué)院1矮牽牛改變花色北京大學(xué)1楊樹抗蟲中國科學(xué)院1我國已獲批準(zhǔn)進(jìn)入大田的轉(zhuǎn)基因植物(1998年3月)(續(xù))生命科學(xué)基礎(chǔ)理論研究中的應(yīng)用定點誘變、表達(dá)系統(tǒng)、構(gòu)建文庫、反義核酸技術(shù)農(nóng)林牧漁中的應(yīng)用轉(zhuǎn)基因抗蟲棉、耐貯存番茄、耐鹽堿棉花、抗除草劑作物、轉(zhuǎn)基因奶牛、超級綿羊等等工業(yè)中的應(yīng)用釀酒、食品、發(fā)酵、酶制劑等

在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用基因治療、基因工程藥物干擾素、白細(xì)胞介素、溶血栓劑、凝血因子、疫苗六、基因工程的應(yīng)用抗癌抗衰老的紫色西紅柿補(bǔ)鈣的胡蘿卜基因工程的應(yīng)用舉例：例1：構(gòu)建工程菌種來降解化工產(chǎn)物美馬里蘭大學(xué)生化工程系的Coppella博士等將水解酶基因opd轉(zhuǎn)化到Strepomyceslivdians(注：Strepomyces鏈霉菌屬)轉(zhuǎn)化菌株能穩(wěn)定地降解硫磷，此菌株發(fā)酵液可用于對農(nóng)藥廠的廢水處理中例2利用基因工程技術(shù)生產(chǎn)工業(yè)用酶日本科學(xué)家將耐熱的α-淀粉酶基因轉(zhuǎn)入枯草桿菌后獲得大量的α-淀粉酶。啤酒釀造中，主要的發(fā)酵微生物是釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)酵母把麥芽汁中的葡萄糖、麥芽糖、麥芽二糖等成分轉(zhuǎn)變成乙醇。但是麥芽汁中還有約占碳水化合物總數(shù)約20%的糊精不能被釀酒酵母利用。另一種酵母叫糖化酵母(S.diastaticus)能分泌把糊精切開成為葡萄糖的酶，但是它產(chǎn)生的啤酒口味不好。用基因工程的方法，把糖化酵母中編碼切開糊精的酶的DNA基因引入釀酒酵母中