第九章 基因工程和基因組學(xué)

1、 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)第九章 基因工程和基因組學(xué) 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)第一節(jié)第一節(jié) 基因工程基因工程(Genetic Engineering) 1 基因工程概述2 限制性?xún)?nèi)切核酸酶3 載體4 基因的分離與鑒定5 基因工程的應(yīng)用 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)1 基因工程概述基因工程概述遺傳工程遺傳工程廣義廣義狹義：狹義：細(xì)胞工程、細(xì)胞工程、染色體工程、染色體工程、細(xì)胞器工程等細(xì)胞器工程等基因工程基因工程 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)是指將一種或多種生物體（供體）的基因與是指將一種或多種生物體（供體）的基因與載體在體外進(jìn)行拼接重組，然后轉(zhuǎn)入另

2、一種生物載體在體外進(jìn)行拼接重組，然后轉(zhuǎn)入另一種生物體（受體）內(nèi)，使之按照人們的意愿遺傳并表達(dá)體（受體）內(nèi)，使之按照人們的意愿遺傳并表達(dá)出新的性狀。出新的性狀。1 基因工程概述基因工程概述也稱(chēng)為也稱(chēng)為DNA重組技術(shù)重組技術(shù)(DNA Recombination)、或分子克隆或分子克隆(Molecular cloning) 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)71年，美國(guó)Smith,H.O.等分離出一種限制性酶，可酶切病毒的DNA分子；1972年：erg, P.等 實(shí)現(xiàn)不同酶切DNA片段的體外連接； 1973年：Cohen,s.等將體外重組的DNA 轉(zhuǎn)入大腸桿菌細(xì)胞并得以表達(dá)。 1 基因工程概述基

3、因工程概述 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)1 基因工程概述基因工程概述 從供體細(xì)胞中分離出目的基因；從供體細(xì)胞中分離出目的基因；(簡(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)“切切”) 用用DNA連接酶將含有外源基連接酶將含有外源基因的因的DNA片斷接到載體上，形片斷接到載體上，形成成DNA重組分子重組分子(“接接”)； 借助細(xì)胞轉(zhuǎn)化手段將借助細(xì)胞轉(zhuǎn)化手段將DNA重重組分子導(dǎo)入受體細(xì)胞組分子導(dǎo)入受體細(xì)胞(“轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)”)； 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)1 基因工程概述基因工程概述 培養(yǎng)轉(zhuǎn)化細(xì)胞培養(yǎng)轉(zhuǎn)化細(xì)胞，以擴(kuò)增以擴(kuò)增DNA重重 組分子組分子，使其整合到受體細(xì)胞使其整合到受體細(xì)胞 的基因組中的基因組中（ “增增”）；

4、）； 鑒定轉(zhuǎn)化細(xì)胞，獲得外源基因鑒定轉(zhuǎn)化細(xì)胞，獲得外源基因 高效表達(dá)的細(xì)胞高效表達(dá)的細(xì)胞（ “檢檢”）；）；由此可見(jiàn)由此可見(jiàn)，基因工程的操作過(guò)基因工程的操作過(guò)程可簡(jiǎn)化為程可簡(jiǎn)化為：“切切、接接、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)、增增、檢檢” 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)目的基因與載體連接目的基因與載體連接(DNA分子重組分子重組) 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)DNA分子重組 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)目的基因?qū)胧荏w目的基因?qū)胧荏w 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)二二 限制性?xún)?nèi)切核酸酶限制性?xún)?nèi)切核酸酶 限制性?xún)?nèi)切核酸酶或限制性酶限制性?xún)?nèi)切核酸酶或限制性酶：(restriction

5、enzymes)在細(xì)菌中此酶的功能是降解外來(lái)DNA分子，以限制(restriction )或阻止病毒侵染。 該類(lèi)能識(shí)別雙鏈DNA分子中一段特異的核苷酸序列，并將雙鏈DNA分子切斷。 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)二二 限制性?xún)?nèi)切核酸酶限制性?xún)?nèi)切核酸酶 限制性酶據(jù)其作用特點(diǎn)，可分為兩類(lèi)。 第第類(lèi)限制性酶：類(lèi)限制性酶：每隔一段DNA序列隨機(jī)切割雙鏈DNA分子，沒(méi)有序列特異性。 第第類(lèi)限制性酶：類(lèi)限制性酶：能識(shí)別一段特異的DNA序列，準(zhǔn)確地酶切雙鏈DNA的特異序列。其識(shí)別的序列是對(duì)稱(chēng)的，即在一條鏈中從5到3方向的序列，與其互補(bǔ)鏈從5到3方向的序列完全相同。這種序列稱(chēng)為回紋對(duì)稱(chēng)序列回紋對(duì)稱(chēng)序列

6、(palindrome)。 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué) 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué) 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué) 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)三三 載體載體 一個(gè)DNA片段只有與適合的載體(vector)DNA連接構(gòu)成重組DNA后，在載體DNA的運(yùn)載下，才可以高效率地進(jìn)入宿主細(xì)胞(host cell)，并在其中復(fù)制、擴(kuò)增、克隆出多個(gè)拷貝?？勺鳛镈NA載體的有質(zhì)粒、噬菌體、病毒、細(xì)菌或酵母菌人工染色體（BAC、YAC）等。 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)三 載體 作為載體作為載體DNA分子分子，需具備四個(gè)條件需具備四個(gè)條件：具復(fù)制原點(diǎn)具復(fù)制原點(diǎn)

7、(ori)，能攜帶的外源DNA片段獨(dú)立地自我復(fù)制；具有多克隆位點(diǎn)具有多克隆位點(diǎn)，即具有多種限制性酶的切點(diǎn)，用于克隆外源DNA片段；至少具有一個(gè)選擇標(biāo)記基因至少具有一個(gè)選擇標(biāo)記基因；易從宿主細(xì)胞中回收易從宿主細(xì)胞中回收。 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)1. 細(xì)菌質(zhì)粒細(xì)菌質(zhì)粒 質(zhì)粒是細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)獨(dú)立于細(xì)菌染色體而自然存在的、能自我復(fù)制、易分離和導(dǎo)入的環(huán)狀雙鏈DNA分子。這些質(zhì)粒的適應(yīng)范圍廣，拷貝數(shù)多。進(jìn)入宿主細(xì)胞復(fù)制后，每個(gè)細(xì)胞的質(zhì)?？截悢?shù)可高達(dá)1000個(gè)。 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)2. 噬菌體噬菌體 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)3. 柯斯柯斯質(zhì)粒質(zhì)粒 普通遺傳學(xué)普通

8、遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)4. 穿梭載體穿梭載體 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)5. 細(xì)菌人工染色體細(xì)菌人工染色體 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)6. 酵母人工染色體酵母人工染色體 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)7. Ti質(zhì)粒及其衍生載體質(zhì)粒及其衍生載體 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)四四 基因的分離與鑒定基因的分離與鑒定 (一) 從基因庫(kù)中分離基因 (二) 聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)擴(kuò)增基因(三) 人工合成基因 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)五五 基因工程基因工程的應(yīng)用的應(yīng)用 (一)基因工程工業(yè)(二)植物基因工程(三) 轉(zhuǎn)基因動(dòng)物(四) 遺傳疾病診斷 普通

9、遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)(一一)基因工程藥物基因工程藥物胰島素的人工生產(chǎn)胰島素的人工生產(chǎn) 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)(二二)植物基因工程植物基因工程 1. 根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)的植物轉(zhuǎn)化根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)的植物轉(zhuǎn)化植物基因轉(zhuǎn)化：是指將外源基因轉(zhuǎn)移到植物細(xì)胞內(nèi)、并整合到植物基因組中穩(wěn)定遺傳和表達(dá)的過(guò)程。根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)的植物轉(zhuǎn)化 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)2. 基因槍轉(zhuǎn)化技術(shù)基因槍轉(zhuǎn)化技術(shù) 通過(guò)高壓氣體等動(dòng)力，高速發(fā)射包裹有重組DNA的金屬顆粒，將目的基因直接導(dǎo)入受體細(xì)胞，并整合到染色體上的方法。此法已廣泛用于轉(zhuǎn)化水稻、小麥、玉米、大豆等主要作物。 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)

10、江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)(三三) 轉(zhuǎn)基因動(dòng)物轉(zhuǎn)基因動(dòng)物 與轉(zhuǎn)基因植物相比，轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的發(fā)展要慢些。 例如，利用轉(zhuǎn)基因羊大量表達(dá)人類(lèi)的抗胰蛋白酶。將人的抗胰蛋白酶-1基因克隆在羊奶產(chǎn)生相關(guān)基因啟動(dòng)子的下游，這種啟動(dòng)子僅在乳腺細(xì)胞中表達(dá)，使羊奶中含有大量有功能的人類(lèi)抗胰蛋白酶；可利用家禽作為生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器，生產(chǎn)人類(lèi)大量需要的重要蛋白質(zhì)。 大象的生長(zhǎng)基因轉(zhuǎn)到豬身上大象的生長(zhǎng)基因轉(zhuǎn)到豬身上 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)(四四) 遺傳疾病診斷遺傳疾病診斷 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)(五五) 基因治療基因治療 利用基因工程技術(shù)，將特異基因?qū)氩⒄系骄哂羞z傳缺陷的患者的基因組中，以治療遺

11、傳疾病的方法，通常叫做基因治療(gene therapy)。目前最常用的方法是利用病毒DNA作載體，構(gòu)建重組DNA分子，用病毒包裝物包裝后形成的重組去毒病毒感染患者的細(xì)胞，將正?；蛘系饺旧w上。 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)第二節(jié)第二節(jié) 基因組學(xué)基因組學(xué) 基因組學(xué)基因組學(xué)(genomics)：是遺傳學(xué)研究進(jìn)入分子水平后發(fā)展起來(lái)的一個(gè)分支，主要研究生物體全基因組(genome)的分子特征。 特點(diǎn)：是以基因組基因組為研究單位，而不是以單個(gè)基因，目標(biāo)：是認(rèn)識(shí)基因組的結(jié)構(gòu)、功能及進(jìn)化，弄清基因組包含的全部遺傳信息及相互關(guān)系，為最終充分合理利用各種有效資源，預(yù)防和治療人類(lèi)遺傳疾病提供科學(xué)依

12、據(jù)。 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué) 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)構(gòu)建基因組的遺傳圖譜(genetic map)；構(gòu)建基因組的物理圖譜(physical map)；測(cè)定基因組DNA的全部序列；構(gòu)建基因組的轉(zhuǎn)錄本圖譜；分析基因組的功能。 基因組學(xué)的重要組成部分是基因組學(xué)的重要組成部分是基因組計(jì)劃基因組計(jì)劃(genome project)，u大體上可分為：大體上可分為： 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)人類(lèi)基因組計(jì)劃人類(lèi)基因組計(jì)劃(human genome project，HGP) ：水稻基因組計(jì)劃水稻基因組計(jì)劃(rice genome project，RGP) 模式生物基

13、因組計(jì)劃：模式生物基因組計(jì)劃：如酵母、線(xiàn)蟲(chóng)、果蠅、小鼠、家豬、擬南芥如酵母、線(xiàn)蟲(chóng)、果蠅、小鼠、家豬、擬南芥 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)一一 基因組圖譜的構(gòu)建基因組圖譜的構(gòu)建 鳥(niǎo)槍射擊法鳥(niǎo)槍射擊法(shotgun) 基因基因組序列測(cè)定組序列測(cè)定 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)遺傳圖譜的構(gòu)建遺傳圖譜的構(gòu)建物理圖譜的構(gòu)建物理圖譜的構(gòu)建一一 基因組圖譜的構(gòu)建基因組圖譜的構(gòu)建 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)(一一) 遺傳圖譜的構(gòu)建遺傳圖譜的構(gòu)建 圖譜標(biāo)記圖譜標(biāo)記 圖譜構(gòu)建中需要可以鑒別的標(biāo)記圖譜構(gòu)建中需要可以鑒別的標(biāo)記(marker)，在，在構(gòu)建遺傳圖譜中，可用基因和構(gòu)建遺傳

14、圖譜中，可用基因和DNA作為標(biāo)記。作為標(biāo)記。(1) 基因標(biāo)記基因標(biāo)記 (2) DNA標(biāo)記標(biāo)記 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)(二二) 物理圖譜的構(gòu)建物理圖譜的構(gòu)建 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué) 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)擬南芥擬南芥 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué) 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué) 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)二二 基因組圖譜的應(yīng)用基因組圖譜的應(yīng)用 基因定位基因定位基因組比較分析基因組比較分析 標(biāo)記輔助選擇標(biāo)記輔助選擇(marker-assisted selection，MAS) 基因的克隆與分離基因的克隆與分離 普通遺傳學(xué)

15、普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)三三 后基因組學(xué)后基因組學(xué) 后基因組學(xué)(post-genomics)：是在完成基因組圖譜構(gòu)建以及全部序列測(cè)定的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究全基因組的基因功能、基因之間的相互關(guān)系和調(diào)控機(jī)制為主要內(nèi)容的學(xué)科。后基因組學(xué)主要利用DNA微列陣技術(shù)、蛋白質(zhì)組學(xué)、酵母菌雙雜交系統(tǒng)以及生物信息學(xué)等技術(shù)相結(jié)合，對(duì)已知的基因組序列進(jìn)行研究。 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)(1) DNA微列陣微列陣(DNA microarrays) 是利用是利用DNA芯片技術(shù)，同時(shí)進(jìn)行大量分子雜交，以分析比較芯片技術(shù)，同時(shí)進(jìn)行大量分子雜交，以分析比較不同組織或器官的基因表達(dá)水平，篩選突變基因，從核酸水平

16、分不同組織或器官的基因表達(dá)水平，篩選突變基因，從核酸水平分析基因表達(dá)模式。這是后基因組學(xué)研究中的重要方法之一析基因表達(dá)模式。這是后基因組學(xué)研究中的重要方法之一 。三三 后基因組學(xué)后基因組學(xué) 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué) 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)(2) 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué) 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)(proteomics)是從蛋白質(zhì)水平來(lái)研究是從蛋白質(zhì)水平來(lái)研究基因組的基因表達(dá)，分析基因組的蛋白質(zhì)類(lèi)型、數(shù)基因組的基因表達(dá)，分析基因組的蛋白質(zhì)類(lèi)型、數(shù)量、空間結(jié)構(gòu)變異以及相互作用的機(jī)制。在蛋白質(zhì)量、空間結(jié)構(gòu)變異以及相互作用的機(jī)制。在蛋白質(zhì)分析中，目前主要利用奧佛諾分析中，目前主要

17、利用奧佛諾(O Farrel，1975)發(fā)發(fā)明的據(jù)蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)和分子量分析蛋白質(zhì)的雙向明的據(jù)蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)和分子量分析蛋白質(zhì)的雙向電泳技術(shù)，來(lái)分析蛋白質(zhì)組電泳技術(shù)，來(lái)分析蛋白質(zhì)組(proteomes)， 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)四四 生物信息學(xué)生物信息學(xué) l生物信息學(xué)生物信息學(xué)(bioinformatics)是：是：利用計(jì)算機(jī)貯存原始資料，分析生物信息，將利用計(jì)算機(jī)貯存原始資料，分析生物信息，將DNA芯片以及蛋白質(zhì)雙向電泳結(jié)果轉(zhuǎn)變成為可讀的芯片以及蛋白質(zhì)雙向電泳結(jié)果轉(zhuǎn)變成為可讀的遺傳學(xué)信息的學(xué)科。遺傳學(xué)信息的學(xué)科。是將現(xiàn)代生物技術(shù)與計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合，收集、是將現(xiàn)代生物技術(shù)與計(jì)算機(jī)

18、科學(xué)結(jié)合，收集、加工和處理生物資料。加工和處理生物資料。 普通遺傳學(xué)普通遺傳學(xué) 長(zhǎng)江大學(xué)長(zhǎng)江大學(xué)PubMedEntrezBLASTOMIMBooksTaxBrowserStructureSite MapGuide to NCBI resourcesAbout NCBIAn introduction for researchers, educators and the publicGenBankSequence submission support and softwareLiterature databasesPubMed, OMIM, Books, and PubMed Central Molecular databasesSequences, structures, and taxonomy Genomic bi