基因的结构

null基因工程基因工程基因工程的基础 基因工程的基础 核酸的结构与功能 从裸露的质粒到病毒颗粒，从原核细胞到真核细胞，承载和传递遗传信息的物质都是核酸。因此，核酸成为基因工程操作的主要对象 。核酸组成核酸组成 核酸的化学组成元素除含有碳、氢、氧、氮外，还含有较多的磷和少量的硫，其中磷的含量在9%~10%。核酸同蛋白质一样，也是高分子化合物。组成核酸的基本单位是核苷酸。核苷酸是由碱基、戊糖和磷酸所组成的。每个核酸分子是由几百个到几千个核苷酸互相连接而成的长链。 核酸分类 核酸分类 DNA主要存在于染色体 A =T C=G RNA主要存在于细胞质 mRNA(信使RNA) tRNA(转运RNA) rRNA(核糖体RNA ) 核酸的功能 核酸的功能 （1）能携带遗传信息： 遗传信息编码在核酸分子上，主要定位在 DNA分子上； (2)DNA分子能在细胞内复制： 生物体内DNA 双链的复制是以半保留形式进行的。 核酸的功能核酸的功能（3）DNA分子可转录合成RNA： 细胞内的DNA分子上只有编码基因的片段才能转录合成出相应的RNA （4）mRNA翻译合成蛋白质： 贮存在DNA上的遗传信息通过mRNA传递给蛋白质。 基因的结构基因的结构null什么是基因? 基因是有遗传效应的DNA片断，是决定生 物性状的基本单位。 每个DNA分子上有很多个基因，每个基因 可以含有成百上千个脱氧核苷酸。 不同基因中脱氧核苷酸的排列顺序不同，因此不同的基因含有不同的遗传信息。null基因的功能是什么? 基因能够储存、传递和表达遗传信息，也都可能发生突变，从而决定生物体的性状。 基因如何决定生物性状? 通过转录、翻译，控制合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质，从而控制生物的性状。nullDNA → RNARNA → 蛋白质基因的表达null 为什么同一个体，胰岛细胞能合成胰岛素，而口腔上皮细胞却不能？是否基因组成是不同的？null原核细胞的基因结构编码区非编码区非编码区编码区上游编码区下游不能编码蛋白质 可调控遗传信息的表达 (调控序列)null原核细胞的基因结构与RNA聚合酶结合位点 RNA聚合酶是由多个肽链 构成的蛋白质，能识别并与 调控序列中的结合位点结合, 催化转录形成RNA。nullA G G T C A C G T C GT C C A G T G C A G C与RNA聚合酶结合位点RNA聚合酶RNA聚合酶RNA聚合酶真核细胞的基因结构编码区含有 能够编码蛋白质的序列(外显子) 不能编码蛋白质的插入序列(内含子) 真核生物的结构基因是断裂基因真核细胞的基因结构一个典型的真核细胞基因结构示意图null真核细胞的基因结构编码区非编码区非编码区编码区下游调控遗传信息的表达 (调控序列)外显子 (能编码蛋白质)内含子 (不能编码蛋白质)null与RNA聚合酶结合位点外显子内含子12345编码区下游非编码区非编码区编码区转录mRNA前体加工成熟mRNA翻译肽链null一个典型的真核细胞基因结构示意图原核细胞基因与真核细胞基因的比较 都是由能够编码蛋白质的编码区和 具有调控作用的非编码区组成。编码区是连续的编码区是间隔的， 是不连续的null不同基因所含的外显子和内含子数量不同 如人血红蛋白的－珠蛋白基因有1700个碱基对，含有3个外显子和2个内含子，编码146个氨基酸。 一种凝血因子基因有186000碱基对，含有26个外显子和25个内含子，编码2552个氨基酸。 请计算人的－珠蛋白和凝血因子基因中外显子的碱基对在整个基因碱基对中所占的比例？ (146×3)÷1700×100% = 26% (2552×3)÷186000×100% = 4%null从这个比例中你能得出什么结论? 在真核细胞中，不同基因的编码序列，在各自基因中所占的比例是不同的。 在真核细胞中，编码序列在整个基因中所占的比例是较少的，而非编码序列所占的比例则是较大的，从某种意义上体现了真核细胞基因结构与功能的复杂性。基因工程简介基因工程简介null 生物体的不同性状是通过基因的特异性表达 而形成的，如 青霉菌能够产生抗生素——青霉素。 豆科植物的根瘤菌能够固定空气中的氮。 人胰岛 β细胞能合成分泌胰岛素。 人类是否能够通过改造基因从而定向改变生 物的性状呢？基因工程的基本 用人工方法，把生物的遗传物质DNA提取出来，在体外进行剪切、拼接和重组，然后将重组的DNA（基因）导入适当的受体细胞或个体，从而改变它们的遗传性质，或者使新的遗传信息在新的细胞或个体中大量表达，以获得基因产物（蛋白质、多肽、酶等）。基因工程的基本内容什么是基因工程基因工程概念基因拼接技术或DNA重组技术生物体外基因DNA分子水平剪切 → 拼接 → 导入 → 表达获得人类需要的基因产物基因工程概念null表达 以上通过基因工程培育抗虫棉的过程中，关键步骤或难点是什么?苏云金芽孢杆菌(抗虫基因)普通棉花(无抗虫基因)抗虫基因棉花细胞(含抗虫基因)棉花植株(有抗虫特性)抗虫棉的培育过程拼接导入从苏云金芽孢杆菌细胞内提取抗虫基因。 将抗虫基因“放入”棉的细胞。 抗虫基因在棉体内表达。重要特征重要特征1、可把来自任何生物的基因转移到与其毫无关系的任何其他受体细胞中，可以任意改造生物的遗传特性，创造出生物的新性状 。 2、某一段DNA可在受体细胞内进行复制，为制备大量纯化的DNA片段提供了可能 。二、基因工程的产生及发展 二、基因工程的产生及发展 40年代确定了遗传信息的携带者，即基因的分子载体是DNA而不是蛋白质，解决了遗传的物质基础问题； 50年代提示了DNA分子的双螺旋结构模型和半保留复制机制,解决了基因的自我复制和世代交替问题； 50年代末至60年代，相继提出了"中心法则"和操纵子学说,成功地破译了遗传密码，充分认识了遗传信息的流动和表达。 重组DNA技术历史上的主要事件 重组DNA技术历史上的主要事件 1869  F Miescher首次从莱茵河鲑鱼精子中分离DNA。 O.T. Avery证实DNA是遗传物质。 1952 A.D. Hershey和M.Chase再次证实和噬菌体的遗传物质是DNA 1953 J.D.Watson和F.H.C.Crick提出DNA分子结构的双螺旋模型。M.Wilkins 用X-射线衍射法证实了这一结构。 null1957  A.Kornberg从大肠杆菌中发现了DNA聚合酶I。 1958  M. Meselson和F. W. Stahl提出了DNA的半保留复制模 型 1959-1960  S. Ochoa发现RNA聚合酶和信使RNA，并mRNA决定了蛋白质分子中的氨基酸序列。 1961 Nirenberg破译了第一相遗传密码；F. Jacob和J. Monod提出了调节基因表达的操纵子模型。 null1964  C. Yanofsky和S. Brenner等人证明，多肽链上的氨基酸序列与该基因中的核苷酸序列存在着共线性关系。 1965  S. W. Holley完成了酵母丙氨酸tRNA的全序列测定；科学家证明细菌的抗药性通常由“质粒”DNA所决定。 1966  M.W.Nirenberg，F.H.C.Crick等人破译了全部遗传密码。 1970 H.O.Smith，K.W.Wilcox和T.J.Kelley分离了第一种限制性核酸内切酶。H.M.Temin和D.Baltimore从RNA肿瘤病毒中发现反转录酶。null1972-1973  H.Boyer，P.Berg等人发展了DNA重组技术 于 72年获得第一个重组DNA分子，73年完成第一例细菌基 因克隆。 1975-1977  F.Sanger与A.Maxam、W.Gilbert等人发明了DNA序列测定技术。1977年完成了全长5387bp的噬菌体φ174基因组测定。 1978  首次在大肠杆菌中生产由人工合成基因表达的人脑激素和人胰岛素。 null1980 美国联邦最高法院裁定微生物基因工程可以专利化。1981 R. D. Palmiter和R. L. Brinster获得转基因小鼠；A. C. Spradling和G. M. Rubin得到转基因果蝇。 1982 美、英批准使用第一例基因工程药物--胰岛素；Sanger等人完成了入噬菌体48,502bp全序列测定。 1983  获得第一例转基因植物。 1984  斯坦福大学获得关于重组DNA的专利。 1986  GMO首次在环境中释放。null1988  J. D. Watson出任"人类基因组计划"首席科学家。 1989 DuPont公司获得转肿瘤基因小氧--“Oncomouse”。 1992  欧共体35个实验室联合完成酵母第三染色体全序列测定(315kb) 1994 第一批基因工程西红柿在美国上市。 1996 完成了酵母基因组(1.25×107bp)全序列测定。 1997 英国爱丁堡罗斯林研究所获得克隆羊三、基因工程的主要内容 三、基因工程的主要内容 1. 从生物有机体基因组中，分离出带有目的基因的DNA片段。 2. 将带有目的基因的外源DNA片段连接到能够自我复制的并具有选择记号的载体分子上，形成重组DNA分子。 3. 将重组DNA分子转移到适当的受体细胞（亦称寄主细胞）并与之一起增殖。 null4. 从大量的细胞繁殖群体中，筛选出获得了重组DNA分子的受体细胞，并筛选出已经得到扩增的目的基因。 5. 将目的基因克隆到表达载体上，导入寄主细胞，使之在新的遗传背景下实现功能表达，产生出人类所需要的物质。null四、基因工程的四大要素 四、基因工程的四大要素 基因工程工具酶 基因克隆载体 目的基因 受体细胞基因操作的工具 基因的剪刀——限制性内切酶 已发现200多种，从微生物分离。 一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子。 EcoRI —GAATTC— —CTTAAG— BamHI —GGATCC— —CCTAGG— 识别反向重复序列，切割后形成黏性末端。基因操作的工具限制性内切酶EcoRI限制性内切酶EcoRInull限制酶切割的是什么键?磷酸二酯键null连接的部位 磷酸二酯键（梯子的扶手） 而不是氢键（梯子的踏板）。 结果 两个DNA相同的黏性末端连接起来。基因的针线——DNA连接酶null 作用 将外源基因送入受体细胞。 运载体的条件 能够在宿主细胞中复制并稳定地保存。 具有多个限制酶切点，以便与外源基因连接。 具有某些标记基因，便于进行筛选。 常用的运载体 质粒 噬菌体 动植物病毒等基因的运输工具——运载体null 什么是质粒 存在于细菌以及酵母菌等生物中 细胞拟核外能自主复制的双链环状DNA分子 比拟核DNA小得多，约百分之一 带有少量基因 常有抗生素抗性基因，使细菌有抗药性 质粒与宿主细胞的关系 质粒的存在对宿主细胞无影响 质粒的复制只能在宿主细胞内完成质粒（最常用的运载体）nullnull基因工程的概念是什么? 基因操作的工具酶有几种? 分别是什么? 基因的剪刀是什么? 其主要作用是什么? 基因的针线是什么? 其主要作用是什么? 基因的运输工具是什么? 运载体必须具备的条件是什么? 最常用的运载体有哪些? 质粒的结构怎样?人类基因组研究人类基因组 人体DNA分子所携带的全部遗传信息。 由24个双链DNA分子组成,上边有30亿个碱基对，估计有3 - 3.5万个基因。 这24个DNA分子分布在哪里? 1 - 22号染色体、X染色体、Y染色体。人类基因组研究null分析测定人类基因组的脱氧核苷酸序列 包括绘制四张图： 遗传图 以遗传距离表示基因相对位置的图 物理图 以DNA上脱氧核苷酸数目来表示表示基因实际 距离的图 序列图 整个人类基因组的脱氧核苷酸序列图(最详尽 的物理图) 转录图 基因的编码序列图(通过确定与DNA序列相应的 信使RNA，确定基因的可转录部分) null参与国家 美国、英国、法国、德国、日本、中国。 中国是参与这项研究计划的惟一发展中国家，承担3号染色体上3000万个碱基对的测序工作，约1%。 研究进程 美国科学家于1985年率先提出 1990年启动 2000年6月，完成框架图 2001年2月公布基因组图谱第二版 2003年2月基因组图谱精细图完成null意义 有利于遗传病的诊断和治疗。 有利于研究生物的进化。 有利于研究基因表达的调控机制。 推动高新技术发展，产生巨大经济效益。 负面影响 基因歧视(歧视具不正常基因的人)。 带来新的种族歧视，或被种族主义者改造其遗传性，创造出超越任何人的超人。null水稻基因组测序 由我国科学工作者单独完成了测序工作。2001年10月开始，2002年4月完成，约4.3亿个碱基对，5 - 6万个基因。 要测几条染色体上的 DNA ? 12条