基因與基因工程以及轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的安全性評(píng)價(jià)課件

生命最重要的本質(zhì)之一是性狀特征自上代傳至下代——遺傳

今天，從遺傳學(xué)研究衍生出來的基因工程技術(shù)，已構(gòu)成生物技術(shù)的核心，在實(shí)際應(yīng)用中顯示出極大的潛力。第四講從基因到基因工程

一、

孟德爾學(xué)說奠定了遺傳學(xué)基礎(chǔ)二、

基因是一段DNA序列

三、

基因工程的操作和應(yīng)用一、孟德爾學(xué)說奠定了遺傳學(xué)基礎(chǔ)

在孟德爾以前，人們看到遺傳現(xiàn)象，猜想遺傳是有規(guī)律的，甚至在農(nóng)牧業(yè)育種中實(shí)際運(yùn)用了遺傳規(guī)律，但是，一直找不到研究遺傳規(guī)律的恰當(dāng)方法。

孟德爾（1822－1884）從1856年起開始豌豆試驗(yàn)。

孟德爾的基本方法是雜交。他挑選了七對性狀。

經(jīng)過近10年的潛心研究，孟德爾發(fā)表了他的研究報(bào)告。其內(nèi)容可概括兩個(gè)定律。

返回G.Mendel，奧地利修道士，1822年—1884年，現(xiàn)代遺傳學(xué)的奠基人。1857年開始豌豆遺傳實(shí)驗(yàn)，8年后公布研究成果，1866年發(fā)表了“植物雜交實(shí)驗(yàn)”的劃時(shí)代論文。否定了當(dāng)時(shí)流行的所謂融合遺傳，確定了遺傳物質(zhì)的存在和遺傳學(xué)的兩個(gè)基本規(guī)律：分離定律和自由組合定律。1900年，研究才引起遺傳學(xué)家、育種家的高度重視。返回豌豆雜交操作孟德爾研究的七對性狀返回孟德爾分離律真實(shí)遺傳：基因是純合的生物，可以繁衍和自身一樣的子代。雜合體不能真實(shí)遺傳白化?。簽閱位虿?，其致病基因是隱性的，基因?yàn)锳A、Aa的正常，aa則為病人，但Aa的后代會(huì)出現(xiàn)病人。禁止近親結(jié)婚；雜交稻，不可做種子分離定律的實(shí)踐意義2、孟德爾第二定律－－自由組合律

他用兩對性狀雜交，子一代全為顯性性狀，子一代之間雜交，子二代出現(xiàn)四種性狀，其數(shù)量比例為9：3：3：1

3、孟德爾學(xué)說的要點(diǎn)

依據(jù)上面的試驗(yàn)結(jié)果，孟德爾認(rèn)為，每株豌豆植株中的每一對性狀，都是由一對遺傳因子所控制的，遺傳因子有顯性因子和隱性因子之分。

當(dāng)一株植株中控制某一對性狀的一對遺傳因子均為隱性因子時(shí)，該植株才表現(xiàn)出隱性性狀（如白花或綠色豆粒）。其他情況下，包括一對遺傳因子均為顯性，或一個(gè)顯性一個(gè)隱性，均表現(xiàn)出顯性性狀（如紫花或黃色豆粒）。這一點(diǎn)在分離律實(shí)驗(yàn)中看的很清楚。返回孟德爾自由組合律黃圓綠圓黃皺綠皺4、孟德爾學(xué)說的重要意義

（1）孟德爾第一次明確提出遺傳因子的概念,并且提出了遺傳因子控制遺傳性狀的若干規(guī)律：

?

大多數(shù)生物體通常由

一對遺傳因

子（后來稱為兩個(gè)等位基因）控

制同一性狀。這樣的生物體稱為

2n個(gè)體。

?

遺傳因子可以區(qū)分為顯性和隱性。

?

控制不同性狀的遺傳因子是各自

獨(dú)立的。

（2）孟德爾提出了雜交、自交、回交等一套科學(xué)有效的遺傳研究方法，來研究遺傳因子的規(guī)律。孟德爾創(chuàng)立的這套方法一直沿用到1950s，才被分子遺傳學(xué)方法取代。

為何選擇豌豆？豌豆是一種自花授粉的植物，人工去雄比較方便，容易栽種、分離和雜交，還具有一系列穩(wěn)定可遺傳的性狀，非常巧合每一染色體上只有決定同一性狀的基因，豌豆的7對性狀正好分別位于僅有的7條染色體上。但孟德爾自由組合定律無法解釋不同性狀位于同一染色體上相距不遠(yuǎn)的情況，同源染色體上的不同對基因所控制的不同性狀并不是自由組合的——連鎖和交換定律思考題

已知：控制鸚鵡羽毛顏色的有四個(gè)等位基因（即兩對基因）：B、b、C、c。

B－使羽毛顏色呈黃色

C－使羽毛顏色呈藍(lán)色

b和c是隱性基因，不產(chǎn)生色素。

下圖5、連鎖和交換定律摩爾根以果蠅為研究材料，研究連鎖、交換和伴性遺傳等，把遺傳學(xué)和細(xì)胞學(xué)結(jié)合起來，確立并發(fā)展了染色體的遺傳學(xué)說。把遺傳因子命名為基因（gene），因此染色體遺傳學(xué)說也稱基因?qū)W說。

連鎖（linkage）連鎖群（linkagegroups）交換（crossingover）FruitFly,Drosophilamelanogaster,(SEMX60).染色體4對，形態(tài)各不相同，容易區(qū)別?；蚪M長1.8×108bp，有12000個(gè)基因。推測人類80%的人類基因與之有同源性。已發(fā)現(xiàn)100余個(gè)人類疾病基因在果蠅中發(fā)現(xiàn)。果蠅用做遺傳研究有其優(yōu)勢同自由組合定律不符原因：形成配子時(shí)，各位于同一染色體上的基因B和v及b和V沒有分開，有連鎖存在連鎖（linkage）:同一染色體上的遺傳因子連在一起一同遺傳的現(xiàn)象。連鎖群（linkagegroup）：許多基因按照一定的順序排列在同一條染色體上，相互連鎖，構(gòu)成一個(gè)連鎖群連鎖是生物遺傳中的普遍現(xiàn)象，一個(gè)生物具有的連鎖群數(shù)目往往就是生物細(xì)胞內(nèi)染色體的對數(shù)灰身殘翅黑身長翅親代F1配子F1側(cè)交F2BvBvbVbV×BvbV×bvbvBvbVbv灰身長翅黑身殘翅灰身殘翅黑身長翅bvBVBvbVbvBVbvbvbvbv黑身殘翅灰身長翅41.5%41.5%8.5%8.5%交換（crossingover）:兩個(gè)同源染色體上對應(yīng)節(jié)段上相互交換，引起遺傳因子基因間的交換重組。CScsCScsCSCscScs親組合：（41.5%+41.5%）占83%重組合：（8.5%+8.5%）占17%二、基因是一段DNA序列

“遺傳因子/基因”的設(shè)想一經(jīng)提出，便推動(dòng)人們?nèi)ふ?，去探?/p>

基因在哪里？基因是什么？

1、基因在染色體上

顯微鏡技術(shù)與染色技術(shù)的發(fā)展，使人們注意到，細(xì)胞分裂時(shí)，尤其是減數(shù)分裂中，染色體的行為和孟德爾提出的等位基因的分離規(guī)律相當(dāng)一致，所以，確定基因在細(xì)胞核中，在染色體上。返回同源染色體分別帶著控制同一性狀的兩個(gè)等位基因顯性等位基因純合子隱性等位基因純合子雜合子

摩根實(shí)驗(yàn)室用果蠅為材料的工作，確定了基因在染色體上的分布規(guī)律。圖下圖野生果蠅沒有現(xiàn)成的成對性狀摩兒根在長期飼養(yǎng)中找到各個(gè)性狀的突變株?？刂撇煌誀畹牡任换蛟?#染色體上的位置觸須長/短身體灰/黑眼睛紅/紫翅長/短下圖減數(shù)分裂時(shí)發(fā)生：染色體交叉/基因重組。返回g－身體c－

眼睛l－翅灰/黑紅/紫長/短基因重組服從這樣的規(guī)則：兩個(gè)基因在染色體離得越遠(yuǎn)，重組頻率越高；兩個(gè)基因在染色體上離得越近，重組頻率越低。重組頻率

隨著生物化學(xué)的發(fā)展，蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子逐漸分離、純化出來。各方面的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，基因的化學(xué)本質(zhì)不是蛋白質(zhì)，而是DNA。格里菲斯的實(shí)驗(yàn)證明遺傳物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化進(jìn)入細(xì)菌，改變細(xì)菌特性。愛弗萊的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，進(jìn)入細(xì)菌改變特性的遺傳物質(zhì)是DNA，而不是蛋白質(zhì)。

2、遺傳物質(zhì)是DNA

圖下圖1944年，O.T.Avery的細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)☆結(jié)論：抽提液中含有一種轉(zhuǎn)化因子下圖

*轉(zhuǎn)化因子的證實(shí)1944Avery（美微生物學(xué)家）從S抽提液純化轉(zhuǎn)化因子

因此：Avery是首先用實(shí)驗(yàn)證明基因的化學(xué)本質(zhì)就是DNA的科學(xué)家分別用放射性同位素標(biāo)記噬菌體35S－標(biāo)記蛋白質(zhì)32P－標(biāo)記DNA返回35S標(biāo)記外殼蛋白質(zhì),感染后放射標(biāo)記不進(jìn)入大腸桿菌細(xì)胞32P標(biāo)記DNA,感染后放射標(biāo)記進(jìn)入大腸桿菌細(xì)胞

3、華生和克里克提出

DNA雙螺旋模型。

DNA雙螺旋模型說明DNA分子能

夠充當(dāng)遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。

按照雙螺旋模型，在細(xì)胞分裂時(shí)，DNA的合成應(yīng)是“半保留復(fù)制”的模式。Watson&Crick是生命科學(xué)研究歷程中的一個(gè)具有劃時(shí)代意義的突破。它開辟了生命科學(xué)研究的新紀(jì)元。ItwasdrawnbyCrick’wife，whichwaspublishedasthesolefigureinthispaper.(美國)(英國)雙螺旋模型的提出Watson&CricktheirmodelofDNAdoublehelix雙螺旋模型的提出精美的金屬雙螺旋模型，高1.83米theirmodelofDNAdoublehelix雙螺旋模型的提出MonaLisaNomoleculeinthehistoryofsciencehasreachedtheiconicstatusofthedoublehelixofDNA.雙螺旋模型的提出分子生物學(xué)的新時(shí)代就此開始了！雙螺旋模型的提出2003年4月24日，Nature

雜志發(fā)表了紀(jì)念文章《Doublehelixat50》雙螺旋模型的提出DNA雙螺旋模型返回美國政府決定于1990年正式啟動(dòng)HGP，預(yù)計(jì)用15年時(shí)間，投入30億美元，完成HGP。2000.6.26

完成并公布人類基因組工作草圖。2001年2月16日

人類基因組計(jì)劃（HGP）完成

下圖半保留復(fù)制返回證實(shí)半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)細(xì)菌培養(yǎng)在含15N的培養(yǎng)基中細(xì)菌培養(yǎng)在含14N的培養(yǎng)基中一代兩代

4、DNA作為遺傳物質(zhì)的功能

（1）貯藏遺傳信息的功能

（2）傳遞遺傳信息的功能

（3）表達(dá)遺傳信息的功能

由此，克里克提出中心法則,確定遺傳信息由DNA通過RNA流向蛋白質(zhì)的普遍規(guī)律。DNADNARNA蛋白質(zhì)中心法則遺傳信息儲(chǔ)存在核酸中遺傳信息由核酸流向蛋白質(zhì)返回

5、基因理論中的許多復(fù)雜情況

以孟德爾學(xué)說為開端的遺傳理論，發(fā)展到以DNA分子結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的分子遺傳學(xué)，使我們對遺傳規(guī)律有了確切的理解。

應(yīng)該看到，實(shí)際上生命世界的遺傳現(xiàn)象遠(yuǎn)比上面談到的要復(fù)雜得多。

一個(gè)基因一個(gè)性狀？不一定。例如膚色的控制至少有三個(gè)基因參與。

基因決定性狀，環(huán)境還起不起作用？在基因型確定的基礎(chǔ)上,環(huán)境常常會(huì)影響表型。

遺傳和變異是遺傳學(xué)的重要內(nèi)容。子代總是與親代

相像，又有一些不像。返回人的膚色至少由三個(gè)基因控制返回產(chǎn)生黑色素的酶在較高溫度下失活，所以毛色在端點(diǎn)位置呈黑色環(huán)境影響表型基因工程技術(shù)和應(yīng)用

1、基因工程技術(shù)

基因工程是生物技術(shù)的核心部分。基因工程的操作可以簡述如下：基因工程的操作流程返回

將外源基因（又稱目的基因，是一段DNA片斷）組合到載體DNA

分子中去，再把它轉(zhuǎn)到受體細(xì)胞（亦稱寄主細(xì)胞）中去，使外源基因在寄主細(xì)胞中增值和表達(dá)，從而得到期望的由這個(gè)外源基因所編碼的蛋白質(zhì)。

所以，基因工程的操作包含以下步驟：

獲得目的基因

構(gòu)造重組DNA分子

轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)染

表達(dá)

蛋白質(zhì)產(chǎn)物的分離純化

目的基因基因載體重組體分切接轉(zhuǎn)篩總體技術(shù)路線內(nèi)切酶:DNA分子的”手術(shù)刀”連接酶:DNA片斷的”縫衣針”載體:DNA分子的”交通工具”

到哪里去找目的基因？一般來說，人的基因，要從人體的組織細(xì)胞中去找；小鼠的基因要從小鼠的組織細(xì)胞中去找。

從組織細(xì)胞中可以分離得到人/小鼠的全套基因，稱為基因文庫。文庫中基因總數(shù)就人來說約有3萬個(gè)基因。如何從中把需要的基因找出來？

采取“釣”的辦法。這個(gè)辦法通常稱為印跡法。

（1）獲得目的基因

細(xì)胞內(nèi)總DNA的提取與分離基因文庫的構(gòu)建紫外分光光度計(jì)測定DNA的純度反轉(zhuǎn)錄人工互補(bǔ)DNA返回印跡法內(nèi)切酶切開DNA電泳印跡轉(zhuǎn)移放射性探針雜交膠片顯影印跡法的主要步驟：

（1）基因文庫－DNA用限制性內(nèi)切

酶處理。

（2）DNA片斷混合物通過電泳分離。

（3）電泳后，通過印跡技術(shù)轉(zhuǎn)到酯酰

纖維薄膜上，以便操作。

（4）用已知小片斷DNA作為探針，

互補(bǔ)結(jié)合需要找的基因片斷。

（5）探針DNA片斷已用放射性元素

標(biāo)記，使膠片感光后可看出。

印跡法的關(guān)鍵是“分子雜交”，利用堿基配對的原則，用一段小的已知的DNA片斷去尋找（“釣”）大的未知的基因片斷。

探針DNA片斷從何而來？

根據(jù)目的蛋白的氨基酸序列，只要其中N－端15－20個(gè)氨基酸序列，按三聯(lián)密碼轉(zhuǎn)為40-60核苷酸序列，人工合成，即為探針DNA片斷。

（2）目的基因的擴(kuò)增

用上面的方法“釣”出的目的基因，數(shù)量極少，所以，接下來必須經(jīng)過擴(kuò)增，亦稱為基因克隆。獲得相當(dāng)數(shù)量的目的基因后，才能繼續(xù)下一步操作。

克隆——生物分子，細(xì)胞，生物個(gè)體

的無性增殖過程都稱為克隆。返回

（3）PCR——把尋找目的基因和擴(kuò)增目的基因兩步操作并成一步。

PCR法，又稱多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，是近年來開發(fā)出來的基因工程新技術(shù)，它的最大優(yōu)點(diǎn)是把目的基因的尋找和擴(kuò)增，放在一個(gè)步驟里完成。PCR操作流程90

0C500C700C返回PCR反應(yīng)分三步完成：

第一步

——90

0C高溫下，使混合物的DNA片斷因變性而成單鏈。

第二步

——500C溫度下，引物DNA結(jié)合在適于配對的DNA片斷上。

第三步

——700C溫度下，由合成酶（DNA高溫聚合酶）催化，從引物開始合成目的基因DNA。

PCR的三個(gè)步驟為一次循環(huán)，約需5－10分鐘。每經(jīng)一次循環(huán)，所找到的目的基因擴(kuò)充一倍。經(jīng)過20次循環(huán)，即可擴(kuò)增106

倍，總共只需幾個(gè)小時(shí)。

（4）構(gòu)造重組DNA分子

首先要有載體。

載體有好幾種，常用的有：

質(zhì)粒－－環(huán)狀雙鏈小分子DNA，適于做小片斷基因的載體。

噬菌體DNA－－線狀雙鏈DNA，適于做大片斷基因的載體。返回用質(zhì)粒構(gòu)建重組DNA分子返回用噬菌體DNA構(gòu)建重組DNA分子

其次要把目的基因“裝”到載體中去?！鞍惭b”的過程，需要好幾種工具酶，其中關(guān)鍵的酶叫

限制性內(nèi)切酶

此酶識(shí)別一定堿基序列，有的還可切出“粘性”末端，使得目的基因和載體的連接非常容易。圖一圖二下圖限制性內(nèi)切酶識(shí)別特定的堿基序列返回限制性內(nèi)切酶造成粘性末端有利于重組DNA分子的構(gòu)建

（5）轉(zhuǎn)化/轉(zhuǎn)染—表達(dá)—蛋白質(zhì)分離

把構(gòu)造好的重組DNA分子送進(jìn)寄主細(xì)胞，亦需要適當(dāng)?shù)募夹g(shù)方法。若受體細(xì)胞是細(xì)菌，通常稱轉(zhuǎn)化；若受體細(xì)胞是動(dòng)/植物細(xì)胞，通常稱轉(zhuǎn)染?；驑尫ㄊ痔峄驑尭邏簹怏w基因槍

重組DNA分子進(jìn)入寄主細(xì)胞后，其中的目的基因能否表達(dá)，表達(dá)效率高低，還有很大差別。表達(dá)通常是指目的基因編碼的蛋白質(zhì)合成?；蚬こ痰淖詈笠徊剑前阉@得的蛋白質(zhì)分離純化，得到蛋白質(zhì)產(chǎn)品。大腸桿菌SS蛋白重組體+SS基因安瑪西亞快速蛋白純化儀（FPLC）返回生產(chǎn)基因工程產(chǎn)品的生物反應(yīng)器

2、基因工程的應(yīng)用

基因工程技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

（1）在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

基因工程被用于大量生產(chǎn)過去難以得到或幾乎不