教程基因工程gene1

1、Contact Information Chengchao Zheng Office: Building 6, Room 203 Tel: 8242894(O) E-Mail: 考試僅是手段學(xué)習(xí)目的：知識(shí)、素質(zhì)、能力 學(xué)習(xí)方式 54: 27 for lecture 27 for experimental practice 分別獨(dú)立考試、學(xué)分、成績(jī) 、2-9周、開(kāi)卷考試科學(xué)的學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)能力更新觀念I(lǐng)nformationInternetNetwork eraPresentation清華大學(xué)校長(zhǎng)陳吉寧 成為清華人必須擁有獨(dú)立的人格，好學(xué)生不是把自己已有的知識(shí)爛熟于心，而要敢于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題和解

2、決問(wèn)題，三點(diǎn)一線、按部就班的生活是不適合清華人的。清華人還要學(xué)會(huì)包容和欣賞，獨(dú)立并不難，難的是既能獨(dú)立又能合作。中美兩國(guó)學(xué)生最大的差距在于主動(dòng)和激情，事實(shí)證明更加主動(dòng)和擁有激情的學(xué)生學(xué)得更好?！耙郧岸际菓?yīng)試教育，被動(dòng)學(xué)習(xí)，而現(xiàn)在大家需要積極主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題?！?。 InformationInternetNetwork era跨時(shí)空的資源共享學(xué)歷學(xué)位教育與非學(xué)歷學(xué)位教育融合自主學(xué)習(xí)終身學(xué)習(xí)科學(xué)的學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)能力更新觀念就業(yè) 考研 出國(guó)科學(xué)的學(xué)習(xí)方法 High efficiency 更新觀念提高實(shí)踐動(dòng)手能力內(nèi)心感受喜歡什么決定成就 Gene Cloning and DNA AnalysisTerry

3、A Brown 2010Department of Biochemistry and Applied Molecular BiologyUniversity of Manchester Institute of Science and Technology(UMIST) 曼徹斯特科技大學(xué) UK, UMIST was found in 1824Manchester: Cottonopolis, famous football club.2004, UM + UMIST UM 4thLife Science Gene Cloning and DNA AnalysisTerry A Brown 20

4、10Department of Biochemistry and Applied Molecular BiologyUniversity of Manchester Institute of Science and Technology(UMIST) 曼徹斯特科技大學(xué) UK, UMIST was found in 1824Manchester: Cottonopolis, famous football club.2004, UM + UMIST UM 4thLife ScienceWhy choose this textbook ?BSc in Microbiology in 1974, Q

5、ueen Elizabeth CollegePhD in 1977, University College London Postdoctor in 1981, UMIST Faculty member in Manchester ever since UKs Professor of Biomolecular Archaeology in 2000 Head of Biomolecular Sciences from 20022004 Associate Dean in Life Sciences since 2004Terry BrownAbout authorWhy choose thi

6、s textbook ?Terry Brown has been active in genomics and biomolecular archaeology since 1989. He is particularly interested in the origins and spread of agriculture Examine the genomes of wheat and maize to provide information on the history of cultivation of these crops.coverThe previous edition of

7、Gene Cloning and DNA Analysis, has e Known world-wide as the standard introductory text to this important and exciting area.Preface 1 (1986) 2 (1990) 3 (1995) 4 (2001)Fifth Edition (2006)Sixth Edition (2010) ConceptsGene CloningMolecular Cloning binant DNA TechnologyGene ManipulationGene Engineering

8、Genetic Engineering. 本課程的地位：現(xiàn)代科技革命Modern scientific and technological revolution高新技術(shù) Hi-Tech生物技術(shù) BT 基因工程Genetic engineering基因克隆Gene Cloning核心Part 1 基因克隆和DNA分析的基本原理 ( The basic principles ) 9 sectionsPart 2 基因克隆和DNA分析的應(yīng)用 ( The Application in Research) 3Part 3 基因克隆和DNA分析與生物技術(shù) ( The Application in Biot

9、echnology) 4 共16章 GlossaryChapter 1、Why gene cloning and DNA analysis are important 1. The early development of genetics2. The advent of gene cloning and PCR3. What is gene cloning?4. What is PCR ?5. Why gene cloning and PCR are so important6. How to find your way through this bookChapter 1、Why gene

10、 cloning and DNA analysis are important The early development of genetics Gregor Mendel: 1822-1884, 奧地利遺傳學(xué)家 1843，大學(xué)畢業(yè)，修道院傳教士 豌豆雜交實(shí)驗(yàn)（1856-1865）， 28000株 1865年2月，在奧地利布爾諾自然科學(xué) 會(huì)議上宣讀研究成果，沒(méi)有人理解、沒(méi)有人提問(wèn)、 沒(méi)有人感興趣。 1865年發(fā)表植物雜交實(shí)驗(yàn)論文，布爾諾自然科學(xué)會(huì) 雜志第4卷，該雜志盡管分送120個(gè)歐美圖書(shū) 館，但沒(méi)人重視。1900年 春天 荷蘭的德弗里斯(H.DeVries)白屈菜、曼陀羅 德國(guó)的科倫斯(C

11、. Correns) 豌豆、玉米 奧地利的切馬克(E. Tschermark) 豌豆. 白屈菜曼陀羅 Thomas H Morgan (1866-1945) Fruit fly, Drosophila, 果蠅 哥倫比亞大學(xué)果蠅實(shí)驗(yàn)室， 20年 1922年 將 2000個(gè)基因定位在4條染色體上 1933年 Nobel Prize For his discoveries concerning the role played by the chromosome in heredity, he was awarded the Nobel Prize in 1933. Among his collabo

12、rators at Columbia may be mentioned H. J. Muller, who was awarded the Nobel Prize in 1946 for his production of mutations by means of X-rays. Morgan married Lilian Sampson, in 1904, who had been a student at Bryn Mawr College, and who often assisted him in his research. They had one son and three da

13、ughters. .談家楨 1934 異色瓢蟲(chóng)鞘翅色斑的遺傳 1909-2008 錢(qián)學(xué)森談創(chuàng)新 黨和國(guó)家都很重視科技創(chuàng)新問(wèn)題，投了不少錢(qián)搞 “創(chuàng)新工程”、“創(chuàng)新計(jì)劃”等等，這是必要的。但我覺(jué)得更重要的是要具有創(chuàng)新思想的人才。問(wèn)題在于，中國(guó)還沒(méi)有一所大學(xué)能夠按照培養(yǎng)科學(xué)技術(shù)發(fā)明創(chuàng)造人才的模式去辦學(xué)，沒(méi)有自己獨(dú)特的創(chuàng)新東西。 我是在上個(gè)世紀(jì)30年代去美國(guó)的，開(kāi)始在麻省理工學(xué)院學(xué)習(xí),后來(lái)轉(zhuǎn)到加州理工學(xué)院，創(chuàng)新的學(xué)風(fēng)彌漫在整個(gè)校園，整個(gè)學(xué)校的精神就是創(chuàng)新。學(xué)術(shù)討論十分活躍，互相啟發(fā)，互相促進(jìn)。你真的有本事，就不怕別人趕上來(lái)。在這里，你必須想別人沒(méi)有想到的，做別人沒(méi)有做過(guò)的事。 在一次學(xué)術(shù)討論會(huì)上，馮卡

14、門(mén)講了一個(gè)非常好的學(xué)術(shù)思想 “good idea”，有沒(méi)有創(chuàng)新，首先就取決于你有沒(méi)有一個(gè) “good idea”。所以馬上就有人說(shuō)：“卡門(mén)教授，你把這么好的思想都講出來(lái)了，就不怕別人超過(guò)你？”卡門(mén)說(shuō)：“我不怕，等他趕上我這個(gè)想法，我又跑到前面老遠(yuǎn)去了，我又有更超前的 good idea了”。 加州理工學(xué)院給教授們、年輕的學(xué)生、研究生們提供了充分的學(xué)術(shù)權(quán)力和民主氛圍。不同的學(xué)派、不同的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)都可以充分發(fā)表。兩個(gè)學(xué)派常常在一起辯論。有一次，數(shù)學(xué)系的權(quán)威在學(xué)校布告欄里貼出了一個(gè)海報(bào)，說(shuō)他在什么時(shí)間什么地點(diǎn)講理論數(shù)學(xué)?？ㄩT(mén)一看，也馬上貼出一個(gè)海報(bào)，說(shuō)在同一時(shí)間他在相鄰地點(diǎn)講工程數(shù)學(xué)，也歡迎大家去聽(tīng)。

15、結(jié)果兩個(gè)講座都大受歡迎。今天我們有哪一所大學(xué)能做到這樣？大家見(jiàn)面都是客客氣氣，學(xué)術(shù)討論不活躍，怕互相得罪，包括論文答辯、課題申請(qǐng)答辯等都流于形式。怎么能夠培養(yǎng)創(chuàng)新人才？更不用說(shuō)大師級(jí)人才。 我本來(lái)是航空系的研究生，老師鼓勵(lì)我學(xué)習(xí)各種有用的知識(shí)。化學(xué)系的課我也去聽(tīng)，化學(xué)系主任鮑林講結(jié)構(gòu)化學(xué)，獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。他晚年主張服用大劑量維生素的思想遭到生物醫(yī)學(xué)界的普遍反對(duì)，但他仍堅(jiān)持自己的觀點(diǎn)，每天服用大劑量維生素，活到93歲。加州理工學(xué)院就有許多這樣的大師、這樣的怪人，決不隨大流，敢想敢做。 所謂優(yōu)秀學(xué)生就是要有創(chuàng)新。沒(méi)有創(chuàng)新，死記硬背，考試成績(jī)?cè)俸靡膊皇莾?yōu)秀學(xué)生。 James Watson (192

16、8- ) 美國(guó)生物化學(xué)家 Francis Crick (1916-2004) 英國(guó)生物物理學(xué)家 1953 DNA double helix 1962 Nobel PrizeFrom 1977 he held the position of distinguished professor at the Salk Institute for Biological Studies in San Diego, Calif. Cold Spring Harbor Laboratory 學(xué)科交叉1 The early development of genetics2 The advent of gene

17、cloning and PCR3 What is gene cloning?4 What is PCR5 Why gene cloning and PCR are so important6 How to find your way through this book。The advent of gene cloning and PCR 1967年 世界5個(gè)實(shí)驗(yàn)室?guī)缀跬瑫r(shí)發(fā)現(xiàn)了DNA Ligase 1970 Wisconsin大學(xué)H.G. Khorana發(fā)現(xiàn) T4 DNA Ligase (1968 Nobel Prize ) 1970年 Hopkins大學(xué)Hamilton Smith 等分離到

18、 第一個(gè)限制性內(nèi)切酶 (1978 Nobel Prize ) 1972年 Stanford大學(xué)Paul Berg等，DNA體外重組 (1980 Nobel Prize ) 1973年 美國(guó)加州大學(xué)舊金山分校Boyer 和Stanford大學(xué)Cohen等完成了真正 意義上的DNA體外重組實(shí)驗(yàn).Kanamycin Tetracycline EcoR IDNA ligaseKanr and TetrR6-5pSC101Plasmid 質(zhì)?；蚬こ陶降巧狭松茖W(xué)大舞臺(tái)1985, Kary Mullis (1944-) Cetus Kary B. Mullis, La Jolla, CA, USA

19、The Nobel Prize in Chemistry 1993Michael Smith (1932-2000) University of British Columbia Vancouver, CanadaEstablishment of oligonucleotide-based, site-directed mutagenesis 創(chuàng)造力想象力時(shí)光逆轉(zhuǎn)的宇宙學(xué)意義，nature150年以來(lái)，基因研究領(lǐng)域內(nèi)20個(gè)重要的里程碑事件 1865奧地利G.J.Mendel（孟德?tīng)枺┨岢觥斑z傳因子”概念， (Mendels Law)1882 德國(guó)W.Flemming (弗萊明)描述了染色體復(fù)制

20、到有絲分裂的全過(guò)程1926 美國(guó)T.H.Margan (摩爾根）發(fā)表了著名的基因論，指出位于染 色體上的基因是遺傳的基本單位1943 美國(guó)O.T. Avery等證實(shí)遺傳物質(zhì)是DNA1950 美國(guó)E.Chargaff (查伽夫）測(cè)定了DNA中核苷酸種類(lèi)、數(shù)目和比例1953 英國(guó)M. Wilkins (威爾金斯）拍出了最清晰的DNAX-射線衍射圖譜， R. Franking (富蘭克林） 即DNA結(jié)構(gòu)照片1953 英國(guó)和美國(guó) 確定了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)J.D.Watson and F.H.C.Crick1958 美國(guó)F.H.C. Crick確定了遺傳信息流的中心法則1966 美國(guó)M.Nirenberg

21、, H.Matthaei破譯了遺傳密碼1971 美國(guó)W. Arbor等發(fā)現(xiàn)限制性核酸酶能特異性切割DNA1972 美國(guó)D.A. Jackson等 在體外切割、連接不同物種DNA1973 美國(guó)S.N. Cohen等 把具有生物活性的重組DNA轉(zhuǎn)入細(xì)菌1979 美國(guó)H.G. Khorana 人工合成了第一條基因1980 美國(guó)J.W. Gordon等第一個(gè)轉(zhuǎn)基因鼠誕生1981 美國(guó)J.D. Kemp，T.H. Hall第一株轉(zhuǎn)基因植物誕生1982 美國(guó)GenoTech公司第一個(gè)基因工程產(chǎn)品人胰島素上市1997 英國(guó)Ian Wilmut等 第一只克隆綿羊（Dolly）問(wèn)世2000 美英德法中日等國(guó)科學(xué)

22、家人類(lèi)基因組工作草圖完成和美國(guó)Celera公司Postgenome Era2003 美國(guó)霍普金斯大學(xué)的Peter Agre 發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜水通道蛋白 2004 以色列和美國(guó)科學(xué)家 泛素介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解2012 美國(guó)科學(xué)家Robert J. Lefkowitz和Brian K. Kobilka 發(fā)現(xiàn)G蛋白偶聯(lián)受體2001-2014 幾百種生物基因組測(cè)序完成Postgenome EraNature 452, 913-914 (24 April 2008)Editorial The big omeIts time to make the case for proteins.The bodys build

23、ing blocks, cellular machinery: proteins are sometimes stuck with rather mundane labels. Certainly they sit in the scientific shadow of the genome sequence and the eulogies that inspires. 當(dāng)前，科學(xué)家正在積極籌備發(fā)起一個(gè)雄心勃勃的研究項(xiàng)目人類(lèi)蛋白質(zhì)組計(jì)劃（Human Proteome Project），旨在歸類(lèi)和描繪出人體內(nèi)的所有蛋白質(zhì)。如果能夠?qū)崿F(xiàn)，這將是繼“人類(lèi)基因組計(jì)劃”后又一宏偉壯舉。該項(xiàng)目預(yù)計(jì)耗資數(shù)

24、十億美元。2010 美國(guó)Craig Venter等美國(guó)著名生物學(xué)家克雷格溫特(Craig Venter)宣布，他們用人工設(shè)計(jì)、合成和裝配的”絲狀支原體絲狀亞種” (M. mycoides) 基因組，導(dǎo)入掏空遺傳物質(zhì)的山羊支原體(M. capricolum)中，使無(wú)生命的空殼，重新獲得了生命。首個(gè)人工生命 “辛西婭” Synthia, “人造兒”。 “人造生命之父” 用人工合成基因作為全部遺傳物質(zhì)的山羊支原體誕生，即“人工生命”誕生支原體介于細(xì)菌與病毒之間的小微生物，0.20.3um,可通過(guò)濾菌器。無(wú)細(xì)胞壁，不能維持固定的形態(tài)而呈現(xiàn)多形性。基因組為環(huán)狀雙鏈DNA，分子量小（大腸桿菌的1/5） 吃

25、垃圾吐石油的細(xì)菌 改變細(xì)菌碳?xì)浠衔铮N）代謝途徑 科學(xué)怪人(Bad boy of Science) Third generation sequencing第一代測(cè)序技術(shù)2006年以前，第一代測(cè)序技術(shù)在分子生物學(xué)研究中發(fā)揮過(guò)重要的作用，從細(xì)菌到人類(lèi)基因組草圖計(jì)劃( human genome project)主要基于第一代DNA測(cè)序技術(shù)完成的。1975年 Sanger等發(fā)明的雙脫氧鏈終止法手動(dòng)測(cè)序：電泳自動(dòng)測(cè)序：熒光自動(dòng)測(cè)序儀1975 Bacteriophage X174 (5386bp)1977 SV40 virus (5243bp)1978 pBR322 plasmid (4363bp)19

26、81 Human mitochondrial genome1982 Bacteriophage (49kb)1996 Yeast (Sc) genome.1998 Nematode2000 Fruit fly 2000 Arabidopsis2001 Human (中國(guó)參與1%)2004 Rice (中國(guó)、日本)2005 Pig.第二代測(cè)序技術(shù)第二代測(cè)序技術(shù) 高通量、低成本，快速應(yīng)用大規(guī)模基因組測(cè)序DNA合成、芯片技術(shù)和計(jì)算軟件程序2005年 瑞士羅氏公司454測(cè)序儀2007年 美國(guó)Illumina公司Solexa測(cè)序儀2007年 美國(guó)ABI公司的Solid測(cè)序儀第二代高速測(cè)序技術(shù)完成沃森基因

27、組首張人類(lèi)全基因組圖譜花了13年時(shí)間, 50億美元。 Nature2008“DNA之父”詹姆斯.沃森的全基因組該成果標(biāo)志著人類(lèi)基因組測(cè)序領(lǐng)域的又一個(gè)里程碑?；ㄙM(fèi)150萬(wàn)美元，耗時(shí)只4個(gè)月。 在美國(guó)農(nóng)業(yè)研究局和貝勒醫(yī)學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)下，來(lái)自25個(gè)國(guó)家的300多位科學(xué)家，歷經(jīng)6年完成了基因組測(cè)序工作。 ?；蚪M測(cè)序完成 2009 玉米基因組測(cè)序完成（美國(guó)） 2009 蘋(píng)果基因組測(cè)序完成（美國(guó)） 2011 . 2010年1月 深圳華大基因研究院 中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所 中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所 成都大熊貓繁育研究基地大熊貓21對(duì)染色體2.4億對(duì)堿基2萬(wàn)多個(gè)基因。大熊貓基因組測(cè)序和組裝 自然.深圳華大基因研究

28、院2010年1月宣布啟動(dòng)“千種動(dòng)植物基因組計(jì)劃”預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年內(nèi)破譯千種具有重要經(jīng)濟(jì)和科研價(jià)值的動(dòng)植物物種基因組.第三代測(cè)序技術(shù)基于納米孔(nanopore)的單分子測(cè)序技術(shù)2010年 Nature Methods更快更便宜測(cè)序哥倫比亞大學(xué)電氣工程教授Shepard與賓州大學(xué)的研究人員合作，通過(guò)薄膜上的納米孔，檢測(cè)單個(gè)生物分子（next-next-generation sequencing）2012年4月Nature Biotechnology華盛頓大學(xué)物理學(xué)Gundlach教授阿拉巴馬大學(xué)微生物專(zhuān)家合作利用分枝桿菌porin A的蛋白孔形成納米孔（十億分之一米），正好能讓一條DNA單鏈通過(guò)，

29、四種堿基都有各自不同的信號(hào)D=1.2 nm中科院北京基因組研究所于軍研究員第三代基因測(cè)序儀僅需15分鐘即可完成一個(gè)人的完整基因測(cè)序，第二代3個(gè)月以上。成本下降到5000元左右，僅為當(dāng)前的1%。2011年中科院與浪潮集團(tuán)宣布將共同研制國(guó)產(chǎn)第三代基因測(cè)序儀。 目前國(guó)際上對(duì)第三代基因測(cè)序儀的競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，美國(guó)宣稱(chēng)要在2014年推出第三代基因測(cè)序儀，日本和歐洲也有相關(guān)的研發(fā)計(jì)劃。我國(guó)1 The early development of genetics2 The advent of gene cloning and PCR3 What is gene cloning?4 What is PCR5 Wh

30、y gene cloning and PCR are so important6 How to find your way through this bookFig. 1.1 The basic steps in gene cloning What is gene cloning ?5 Steps1. Construction of a binant DNA molecule2. Transport into the host cell3. Multiplication of binant DNA molecule4. Division of the host cell5. Numerous

31、cell division resulting in a cloneFig. 1.1 The basic steps in gene cloning What is gene cloning ?5 Steps1 The early development of genetics2 The advent of gene cloning and PCR3 What is gene cloning?4 What is PCR5 Why gene cloning and PCR are so important6 How to find your way through this book4 step

32、s3 reactionsFig. 1.2 The basic steps in PCR I 水浴鍋 II 壓縮機(jī)III 半導(dǎo)體PCR儀PCR儀性能 I 溫度均一性 II 升降溫速度半導(dǎo)體制冷：當(dāng)電流通過(guò)半導(dǎo)體制冷片時(shí) 一端發(fā)熱、另一端降溫。Real-time PCR 實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀1 The early development of genetics2 The advent of gene cloning and PCR3 What is gene cloning?4 What is PCR5 Why gene cloning and PCR are so important6 How

33、to find your way through this book Why gene cloning and PCR are so importantGene isolation by cloning Separate an individual gene from hundred thousands other genes Then we can study the structure , expression and function of the gene i.Fig. Cloning allows individual fragments of DNA to be purifiedB

34、ut the problem of selection still remainsFig. The problem of selectionGene isolation by PCRTwo limitations:The sequences of the annealing sitesThe lengthii.Several million1 The early development of genetics2 The advent of gene cloning and PCR3 What is gene cloning?4 What is PCR5 Why gene cloning and

35、 PCR are so important6 How to find your way through this bookThe End of Chapter 1Study hardEnjoy study2013,魯山2011,紅葉谷2010,日照2003,泰山 Homework: What are the main bases of the advent of gene cloning ? Why gene cloning and PCR are important ? Take one question about life science (gene engineering) which

36、 you feel puzzle (confusion) and really want to know.Chapter 2、 Vehicles for Gene Cloning: plasmids and bacteriophages Concept Plasmids: A usually circular piece of DNA, primarily independent of the host chromosome, often found in bacterial cells and some other types of cells.Covalently closed circu

37、lar DNA, cccDNA Fig. 2.1 Plasmids: independent genetic elements found in bacterial cells Basic features of plasmids : Replication within the host cells Small size, ideally 10 kb Selective marker, resistant gene Multiple cloning sites (MCS)Fig. 2.2 The use of antibiotic resistance as a selectable marker for a plasmid.Fig. 2.3 Replication strategiesnon-integrative plasmid(b) Integrative plasmid (episome )能可逆地整合進(jìn)入宿主染色體的質(zhì)粒（非整合型質(zhì)粒）manyfew（整合型質(zhì)粒 游離型質(zhì)粒）