上游充通大粤 小 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 第2章基因工程 Human Cu/Zn SOD 1日三G
第2章 基因工程
上游充通大兽 第一节基因工程概述 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 一、基因的概念 遗传因子(genetic factor)一（1857年一1864年)孟 德尔(G.Mendel):生物体的性状是由遗传因子控制的 基因（Gene)一约翰逊(W.Johannsen):基因的物质？ 摩尔根（T.H.Morgan)一“基因学说” 随着科学研究水平的不断提高，由浅入深，由宏观到微 观，基因的概念也不断地在修正和发展。 从遗传学史角度，基因概念大致分为以下几个阶段：孟 德尔的遗传因子阶段、摩尔根的基因阶段、顺反子阶段 和现代基因阶段
第一节 基因工程概述 一、基因的概念 遗传因子（genetic factor）——（ 1857年－1864年）孟 德尔（G. Mendel）：生物体的性状是由遗传因子控制的 。 基因（Gene）—约翰逊(W. Johannsen):基因的物质？ 摩尔根（T.H. Morgan）——“基因学说” 随着科学研究水平的不断提高，由浅入深，由宏观到微 观，基因的概念也不断地在修正和发展。 从遗传学史角度，基因概念大致分为以下几个阶段：孟 德尔的遗传因子阶段、摩尔根的基因阶段、顺反子阶段 和现代基因阶段
上泽文大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 早期基因 早期的基因概念是把基因作为决定性状的最 小单位、突变的最小单位和重组的最小单位 后来，这种“三位一体”的概念不断受到新 发现的挑战。在1953年，沃森(J.Vatson) 和克里克(F.Crick)提出了DNA的双螺旋 结构，使人们开始普遍认为基因是一个化学 单元，是具有一定遗传效应的DNA片段，从 而确定了基因的化学本质
早期基因 早期的基因概念是把基因作为决定性状的最 小单位、突变的最小单位和重组的最小单位， 后来，这种“三位一体”的概念不断受到新 发现的挑战。在1953年，沃森（J. Watson） 和克里克（F. Crick）提出了DNA的双螺旋 结构，使人们开始普遍认为基因是一个化学 单元，是具有一定遗传效应的DNA片段，从 而确定了基因的化学本质
上游充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 顺反子阶段 1957年，本泽尔（S.Benzer):提出了顺反子学说 ( cistron theory):一个顺反子就是遗传上一个不容分割 的功能单位，但并不是一个突变单位和交换单位。 本泽尔是第一个在分子水平上研究基因并直接地把“分 子”基因的概念引入遗传学的人。他说：“经典的基因 概念是不能认为满意的，对互换单位、突变单位、功能 单位应给予分别的定义”。从这时起，人们开始把基因 的内部结构和DNA分子结构联系起来，认为基因就是 DNA分子上起着作用的一段核苷酸序列，不同的核苷酸 序列就是不同的基因
顺反子阶段 1957年，本泽尔（S. Benzer）：提出了顺反子学说（ cistron theory）：一个顺反子就是遗传上一个不容分割 的功能单位，但并不是一个突变单位和交换单位。 本泽尔是第一个在分子水平上研究基因并直接地把“分 子”基因的概念引入遗传学的人。他说： “经典的基因 概念是不能认为满意的，对互换单位、突变单位、功能 单位应给予分别的定义” 。从这时起，人们开始把基因 的内部结构和DNA分子结构联系起来，认为基因就是 DNA分子上起着作用的一段核苷酸序列，不同的核苷酸 序列就是不同的基因
上游充通大学 顺反子-现代基因 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 基因有着复杂的细微结构，它的结构是可分的， 它的功能是否也可分呢？1961年，法国遗传学家 雅克（F.Jacob)和莫诺（J.Monod)根据对大 肠杆菌的试验，提出了原核生物基因调控的操纵 子模型（operon model),认为典型的操纵子模 型包括若干结构基因、操纵基因、启动基因和调 节基因。这一模型赋予基因概念以新的内容，进 一步说明了基因的可分性，修正了基因是决定蛋 白质的功能单位的概念，指出了基因的多样性
顺反子-现代基因 基因有着复杂的细微结构，它的结构是可分的， 它的功能是否也可分呢？1961年，法国遗传学家 雅克（F. Jacob）和莫诺（J. Monod）根据对大 肠杆菌的试验，提出了原核生物基因调控的操纵 子模型（operon model），认为典型的操纵子模 型包括若干结构基因、操纵基因、启动基因和调 节基因。这一模型赋予基因概念以新的内容，进 一步说明了基因的可分性，修正了基因是决定蛋 白质的功能单位的概念，指出了基因的多样性
上游充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 纵子启动子DNADNA调节基因 结构基因 DNA- ☐翅口中I■N77/WWA RNA IRNA tRNA mRNA mRNA 多聚酶 调节蛋白 多肽婕 蛋白质 氨基酸 核糖林 图4-1各类基因或DNA区段之间的相互关系
上游充通大学 现代基因阶段 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 跳跃基因(leap gene):是指能够改变自身位置的一段DNA序列， 也叫“转座元”，可在染色体内或不同染色体间移动，其本身可编 码转座酶(transposase),也含有非蛋白编码序列。 重复基因(repeat gene),指在真核基因组中具有一份以上拷贝的 基因，这些拷贝或在一条染色体上串联排列，或分散到多条染色体 上。 重叠基因(overlapping gene),指公用一段DNA序列的两个或两个 以上结构基因的互称，这与“互不沾染、单个分离”的传统基因概念相 悖。 假基因(seudogene)看似正常基因，却不能表达任何RNA或蛋白 质。 隐蔽基因(cryptogene):需要编辑才能正常表达的基因。 在基因组时代，基因的概念主要基于“三种方法”和“五个标准”原则
现代基因阶段 跳跃基因（leap gene）：是指能够改变自身位置的一段DNA序列， 也叫“转座元” ，可在染色体内或不同染色体间移动，其本身可编 码转座酶（transposase），也含有非蛋白编码序列。 重复基因（repeat gene），指在真核基因组中具有一份以上拷贝的 基因，这些拷贝或在一条染色体上串联排列，或分散到多条染色体 上。 重叠基因（overlapping gene），指公用一段DNA序列的两个或两个 以上结构基因的互称，这与“互不沾染、单个分离”的传统基因概念相 悖。 假基因（seudogene）看似正常基因，却不能表达任何RNA或蛋白 质。 隐蔽基因（cryptogene）：需要编辑才能正常表达的基因。 在基因组时代，基因的概念主要基于“三种方法”和“五个标准”原则
上游文通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY CW.P.Armstrong 2000 1932年，美国遗传学家 B.McClintock发现玉 米籽粒色斑不稳定遗传 现象。1951年首次提出 转座子的概念，认为在 基因组的不同区域存在 可移动的控制因子， controlling element。 ©w.R.Armstrong2o01 1983年获诺贝尔奖
1932年，美国遗传学家 B. McClintock 发现玉 米籽粒色斑不稳定遗传 现象。1951年首次提出 转座子的概念，认为在 基因组的不同区域存在 可移动的控制因子， controlling element。 1983年获诺贝尔奖
(a) mRNA Viral strand DNA synthesis H A A translation begins here A mRNA G X174 Complementary strand DNA synthesis mRNA Segment of Spacer X174 DNA genome (b) A A(A) K Protein Ala) Gly(Lys STOPI DNA Sequence GCTGGTGGAAAATGAGGAAATTCAAT K Protein Leu Val GIu Asn GIu GIn Copyright1997.by John Wiley Sons.Inc.All rights reserved
上游充通大兽 “三种方法”和“五个标准”原则 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 三种方法是： ⊕ (1)cDNA克隆和poly(A)+mRNA的表达序列标签(expressed sequence tag,EST)测序； (2)比较基因组分析鉴定保守的编码区； (3)计算机预测高丰度、高表达和进化上保守的蛋白编码基因，但是这种 方法在预测中必然会低估其他基因的数目，比如“非编码RNA(cRNA)基 因”。 五个标准： ①开放阅读框(open reading frame,ORF),通过基因组中大的开 放阅读框的鉴定来发现蛋白编码基因； ②DNA序列特征，运用密码偏爱（codon bias)和剪接位点等特异 序列特征有助于锁定基因，再根据计算机程序即可预测近50%的开 放阅读框和20%的完整基因；
“三种方法”和“五个标准”原则 三种方法是： （1）cDNA克隆和poly(A)+mRNA的表达序列标签（expressed sequence tag，EST）测序； （2）比较基因组分析鉴定保守的编码区； （3）计算机预测高丰度、高表达和进化上保守的蛋白编码基因，但是这种 方法在预测中必然会低估其他基因的数目，比如“非编码 RNA（ncRNA）基 因”。 五个标准： ①开放阅读框（open reading frame，ORF），通过基因组中大的开 放阅读框的鉴定来发现蛋白编码基因； ②DNA序列特征，运用密码偏爱（codon bias）和剪接位点等特异 序列特征有助于锁定基因，再根据计算机程序即可预测近50％的开 放阅读框和20％的完整基因；