《基因工程》上课笔记

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一、基因工程的概念：

基因工程学诞生于1973年，在短短的不到三十年的时间内已经取得了许多激动人心的成果，其研究涉及国民经济的诸多领域，如农林牧副渔、医药、环境监测与净化、食品、石油、化工等应用领域，并将为人类社会带来难以估量的社会效益。

基因工程以重组DNA技术开辟了在短时间内改造生物遗传性的新天地，它填补了生物种属间不可逾越的鸿沟，克服了常规育种的盲目性，使人类有可能按照需要定向培养生物新品种、新类型乃至创造自然界从未有过的新生物。基因工程的迅速发展，成为当今生物科学研究领域中最有生命力、最引人注目的前沿学科之一。

1． 基因工程的定义

基因工程是以分子遗传学理论为基础，以分子生物学和微生物学的现代方法为手段，将不同来源的基因（DNA分子），按预先设计的蓝图，在体外构建杂种DNA分子，然后导入活细胞，以改变生物原来的遗传特性，获得新的品种，生产新的产品，或是研究基因的结构和功能。

基因工程的定义强调了外源DNA的新组合被引入到一种新的寄主生物中进行繁殖。这种DNA分子的新组合是按照工程学的方法进行设计和操作的，这就赋予基因工程跨越天然物种屏障的能力，克服了固有的生物种间的限制，扩大和带来了定向创造新生物的可能性（特征）。

2.   基因工程的特点：分子水平上的操作，细胞水平上的表达。

3.   何谓克隆（clone）？

n.克隆是指一个祖先通过无性繁殖方式产生的后代，或具有相同遗传性状的DNA分子、细胞或个体所组成的特殊的生命群体。

v.是指从同一祖先生产这类同一的DNA分子群或细胞群的过程。

由于体外重组DNA的过程中是通过能够独立自主复制的载体或噬菌体为媒介，把外源DNA片段引入宿主细胞进行繁殖，实际上是从一个DNA片段增殖了结构和功能完全相同DNA分子群的过程，因此基因工程又称为基因克隆或DNA分子克隆。

二、基因工程的发展史

基因工程发展的道路并非一帆风顺，它是数十年来无数科学家辛勤劳动的结果、智慧的结晶。从上个世纪40年代开始，科学家们从理论和技术两方面为基因工程的诞生奠定了坚实的基础。

1．理论基础

(1) 40年代发现了生物的遗传物质是DNA。英国著名的微生物学家O.T.Avery的这一超越时代的科学成就打破了当时人们认为只有蛋白质这样复杂的大分子才能决定细胞的特性和遗传的信条，证明了DNA可以把一个细菌



的性状转给另一个细胞，即DNA分子是遗传信息的载体。

(2) 50年代J.Watson（沃森）和F.Crick（克锐克）搞清了DNA的双螺旋结构和半保留复制机理，解决了基因的自我复制和传递问题，这便是中心法则：


这个图示表明，在DNA的复制过程中，它的双链解开（氢链断开），以单链形式作为合成自己互补链（cDNA）的模板；而在DNA到RNA的转录过程中，单链的DNA则是作为指导RNA合成的模板，实验证明，在细胞内的DNA的两条链中，只有一条具有转录的活性，另一条则只能进行复制而无转录的功能。在从RNA到蛋白质的所谓转译过程中，RNA又反过来作为蛋白质氨基酸顺序的模板，指导多肽链的合成。

修改后的中心法则：


(3) 60年代成功地破译了三联体遗传密码，从而阐明了遗传信息的流向和表达问题。1961年，Monod和Jacob提出了操纵子学说，使人们在认识生命基本现象的实质方面有了基因调控的思想。

所有这些理论的研究和发展，都为基因工程的诞生奠定了坚实的理论基础，堪称划时代的成就。

2．技术准备

(1) 基因工程的工具酶：1970年限制性核酸内切酶的发现，使DNA分子的切割成为可能，研究者可根据所用的内切酶，获得所需的DNA 片段。此外是1967年DNA连接酶的发现，这种酶能够参与DNA裂口的修复，其连接的功能是通过合成相邻核苷酸之间的磷酸二脂键，尤其是T4DNA连接酶，具有更高的连接活性，这为基因工程提供了重要的技术基础。

(2) 基因克隆的载体：有了在体外对DNA进行切割和重组的工具（酶），还不能满足基因工程的要求。因为大多数DNA片段不具备自我复制能力，为了能够在寄主细胞内繁殖，必须使DNA片段连接到特定的具有自我复制能力的DNA分子上。这种DNA分子就是基因工程的载体（Vector），其中质粒是基因工程中最常用的一种载体。

(3) 大肠杆菌转化：外源DNA片段同载体分子重组而成的杂种DNA分子，需要重新导入大肠杆菌寄主细胞后才能进行正常的增殖，这种将外源DNA分子导入细菌细胞的转化现象虽然早在40年代就已在肺炎链球菌中发现，但对于大肠杆菌来说，却迟到1970年才获得成功。大肠杆菌转化体系的建立，对基因工程的创立具有特别重要的意义。因为早期使用的克隆载体都是在大肠杆菌细胞中增殖的复制子。

此外，在60年代还发展了琼脂糖凝胶电泳和Southern转移杂交技术，它们对于DNA片段的分离和检测同样是十分有用的。于是在70年代初期开展DNA重组工作，无论在理论上还是技术上都已具备了条件。

1972年，美国斯坦福大学的P.Berg（伯格，80年度诺贝尔化学奖获得者）领导的研究小组，在世界上第一次成功地实现了DNA体外重组，但并没有证明体外重组的DNA分子具有生物学功能。1973年，斯坦福大学的S.Cohen（科恩）等人成功地进行了另一个体外重组实验并实现了细菌间性状的转移。他们将大肠杆菌（E.coli）的抗四环素（Tetr）质粒DNA pSC101和抗卡那霉素（Kanr）质粒DNA R6-5混合后，用限制性内切酶EcoRⅠ切割，而后再用T4DNA连接酶将它们连接成重组的DNA分子，再转化到大肠杆菌中，结果在含四环素和卡那霉素的平板上，选出了既抗四环素又抗卡那霉素的重组菌落，即表型为TetrKanr的菌落（命名为pSC102质粒DNA）。这是基因工程发展史上第一次实现重组体转化成功的例子。基因工程从此诞生。

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太简单了，能否做完整的doc格式的文档？