基因工程第一章 绪论

基 因 工 程主讲 赵俊杰

基 因 工 程 GENE ENGINEERING

第一节 基因工程的概念一、基因工程的基本定义基因工程：指将一种或多种生物体(供体)的基因与载体在 体外进行剪接重组，然后转移到另一种生物(受体)的细胞 内，使之按照人们的意志遗传并表达出新的性状。 广义的基因工程定义为DNA重组技术的产业化设计与应用， 包括上游技术和下游技术两大组成部分。

上游技术指的是外源基因重组、克隆、表达的设计与构建； 而下游技术则涉及含有重组外源基因的生物细胞(基因工程 菌或细胞)的大规模培养，以及外源基因表达产物的分离纯 化过程。 与基因工程相关的名词；遗传工程、基因操作、重组DNA 技术、分子克隆、基因克隆等。基 因 工 程 GENE ENGINEERING

二、基因工程的基本过程1、从供体生物的基因组中，分离获得带有目的基因的DNA 片段，用限制性核酸内切酶分别将外源DNA与载体分子切开。 3、DNA连接酶将含有外源基因的DNA片段连接到载体分子 上，形成重组DNA分子。 4、借助细胞转化手段将重组DNA分子引入受体细胞。 5、短时间培养转化细胞，以扩增DNA重组分子或使其整合 到受体细胞的基因组中。

6、筛选和鉴定转化细胞，获得使外源基因高效稳定表达的基 因工程菌或细胞。基因工程的上游操作可简化为：切、接、转、增、检。基 因 工 程 GENE ENGINEERING

三、基因工程的基本原理1、利用载体DNA在受体细胞中独立于染色体DNA而独立 复制的特性，将外源基因与载体分子重组，通过载体分子 的扩增提高外源基因在受体细胞中的剂量，借此提高其宏 观表达水平。 2、筛选、修饰和重组启动子、增强子、操作子、终止子等 基因的转录调控元件，并将这些元件与外源基因精细拼接， 通过强化外源基因转录提高其表达水平。

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3、选择、修饰和重组核糖体结合位点及密码子等mRNA的 翻译调控元件，强化受体细胞中蛋白质的生物合成过程。 4、基因工程菌是现代生物工程中的微型生物反应器，在强 化并维持起最佳反应效能的基础上，从工程菌大规模培养的 工程和工艺角度切入，合理控制微生物反应器的增殖速度和 最终数量，也是提高外源基因表达产物产量的主要环节。 分子遗传学、分子生物学及生化工程学是基因工程原理的三 大基石。

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第二节 基因工程的诞生与发展一、基因工程诞生的理论基础(一)理论上的三大发现 第一、40年代确定了遗传信息的携带者，即基因的分子载体是 脱氧核糖核酸而不是蛋白质，从而明确了遗传的物质基础问题。 第二、50年代揭示了脱氧核糖

核酸分子的双螺旋结构模型和半 保留复制机理，解决了基因的自我复制和传递问题。

第三、50年代末和60年代，相继提出了中心法则和操纵子学说， 并成功破译了遗传密码，从而阐明了遗传信息的流向和表达问题。

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肺炎链球菌转化实验 ENGINEERING 基 因 工 程 GENE

1953年，Watson和Crick创立了脱氧核糖核酸双螺旋结构 模型，并提出了脱氧核糖核酸半保留复制机制。

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半 保 留 复 制基 因 工 程 GENE ENGINEERING

细菌培养在含14N 的培养基中

一代

两代

14N

15N

14N/ 15N

证实半保留复制的实验

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乳糖操纵子模型

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Crick提出了中心法则，确定了遗传信息由脱氧核糖 核酸通过RNA流向蛋白质的普遍规律。

DNA

RNA

蛋白质

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(二)技术上的三大发明1、限制性核酸内切酶的发现与DNA的切割1970年，Smith和Wilcox在流感嗜血杆菌中分离并纯化了限制 性核酸内切酶HindII,使DNA分子的切割成为可能。 2、DNA连接酶的发现与DNA片段的连接 1967年，世界上有5个实验室几乎同时发现了DNA连接酶。 1970年，美国威斯康星大学的Khorana实验室发现T4噬菌体 DNA连接酶。 3、基因工程载体的研究与应用 1946年起，Lederberg开始研究细菌的性因子——F因子， 到了20世纪60年代，相继发现其他质粒。 1973年，Cohen将质粒作为基因工程的载体使用。基 因 工 程 GENE ENGINEERING

二、基因工程的诞生其他的相关技术: 感受态大肠杆菌细胞的转化技术,琼脂糖凝胶 电泳和Southern转移杂交技术。 在 1972 年， P.Berg,使用 EcoRI 对 SV40DNA 和λ噬菌体 DNA 分别酶切，然后用 T4 连接酶把二种 DNA连接起来， 获得包 含有SV40 和λ DNA 的重组杂种 DNA 分子 。 在 1973 年，Cohen,用EcoRI对两种质粒DNA: R6-5(Km r) 和 pSC101(Tet r)分别酶切，用 T4 连接酶连接，用连接后的 混合物转化大肠杆菌, 某些转化子菌落表现为Km r Tet r双重 抗性。

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稍后， Cohen又与Boyer合作，把非洲爪蟾编码核糖体 基因的 DNA 片段同pSC101重组，并导入大肠杆菌， 结构表明：动物的基因已经进入大肠杆菌，并转录出 相应的 mRNA 产物。

1973 被定为基因工程诞生的元年。

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