第二章基因工程的基本原理课件.ppt
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- 第二 基因工程 基本原理 课件
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1、第二章基因工程的基本原理A 重组DNA技术的理论基础 基因工程的基本原理19世纪中 孟德尔 豌豆杂交试验 遗传因子 经典遗传学20世纪初 摩尔根 果蝇杂交实验 基因 基因学1944年 艾弗瑞 肺炎双球菌转化实验 遗传物质DNA1973年 伯格-杰克森-考恩-鲍耶 DNA分子体外拼接分子遗传学1953年 沃森-克瑞克 DNA双螺旋结构 分子生物学基因工程B 基因的分子生物学 基因工程的基本原理C 基因工程的基本原理 基因工程的基本原理提高外源基因的剂量分子遗传学原理筛选修饰重组基因表达的转录调控元件,如:启动子、增强子、操作子、终止子、上游调控序列等列、mRNA非编码区、密码子等分子生物学原理
2、修饰构建蛋白质生物合成的翻译调控元件,如:SD序 基因工程菌(微型生物反应器)的增殖及稳定生产生化工程学原理 分子生物学原理 D 基因工程的支撑技术 基因工程的基本原理核酸凝胶电泳技术核酸分子杂交技术细菌转化转染技术DNA序列分析技术寡核苷酸合成技术基因定点突变技术聚合酶链反应(PCR)技术2.1 核酸的结构与功能核酸的结构与功能2.2 基因与基因组基因与基因组2.3 中心法则与基因表达调控中心法则与基因表达调控2.4 自然界的基因转移和重组自然界的基因转移和重组第二节第二节 基因工程的分子生物学基础基因工程的分子生物学基础2.1 核酸的结构与功能核酸:就是由许多核苷酸按照一定的顺序连接核酸:
3、就是由许多核苷酸按照一定的顺序连接所组成的多核苷酸,它的主要功能是充当遗传所组成的多核苷酸,它的主要功能是充当遗传信息的载体。信息的载体。脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸:DNA:DNA核糖核酸核糖核酸:RNA:RNA戊糖戊糖碱基碱基核苷酸的基本组成DNA的一级结构与功能的一级结构与功能结构式DNA的结构和功能的结构和功能DNA的二级结构与功能的二级结构与功能1 螺旋直径螺旋直径2nm2 链间有螺旋形凹槽,较链间有螺旋形凹槽,较小的为小沟(小的为小沟(1.2 nm),),较大的为大沟(较大的为大沟(2.2nm)3 碱基间距为碱基间距为0.34nm4 结构重复周期结构重复周期3.4nm5 每轮碱基数为每
4、轮碱基数为106 碱基平面与纵轴垂直。碱基平面与纵轴垂直。RNA的结构与功能信使信使RNA(messenger RNA,mRNA)核糖体核糖体RNA(ribosomal RNA,rRNA)转运转运RNA(transfer RNA,tRNA)mRNA1.mRNA的转录和翻译发生在同一个细胞空间,这两个过程几乎是同步进行的。2.半衰期短。3.许多原核生物mRNA以多顺反子的形式存在。4.原核生物mRNA的5端无帽子结构,3端没有或只有较短的多聚(A)结构。5.原核生物常以AUG(有时GUG,甚至UUG)作为起始密码子 真核细胞mRNA的合成和功能表达发生在不同的空间和时间范畴内。单顺反子形式存在。
5、5端存在“帽子”结构。绝大多数具有多聚(A)尾巴。真核生物几乎永远以AUG作为起始密码子。rRNA49种蛋白质种蛋白质60S亚基亚基28S rRNA5.8S rRNA5S rRNA40S亚基亚基18S rRNA33种蛋白质种蛋白质50S亚基亚基23S rRNA5S rRNA36种蛋白质种蛋白质30S亚基亚基16s rRNA21种蛋白质种蛋白质高等动物核糖体(高等动物核糖体(80S80S)E.coli核糖体(核糖体(70S)tRNA二级结构二级结构 三级结构三级结构核酸的理化性质及其应用一般理化性质一般理化性质DNA为白色纤维状固体RNA为白色粉末状固体紫外吸收:260nmA260/A280值可
6、以反映核酸的纯度。纯的DNA:A260/A280=1.8纯的RNA:A260/A280=2.0DNADNA变性变性 在某些理化因素下,在某些理化因素下,DNA分子互补碱基之间的氢键断分子互补碱基之间的氢键断裂,致使裂,致使DNA双螺旋结构松开,变成单链,即为双螺旋结构松开,变成单链,即为DNA变性变性(denaturation)。引起变性的因素有:加热、酸碱、尿素、)。引起变性的因素有:加热、酸碱、尿素、甲醛等。甲醛等。核酸变性后,在核酸变性后,在260nm处的吸收值上升,这叫增色效处的吸收值上升,这叫增色效应应(hyperchromic effect)。增色效应常可用来衡量。增色效应常可用来
7、衡量DNA变变性的程度。性的程度。核酸的理化性质核酸的理化性质 热变性中光吸收达到最大吸收(完全变性)一半热变性中光吸收达到最大吸收(完全变性)一半(双螺旋结构失去一半)时的温度称为(双螺旋结构失去一半)时的温度称为DNADNA的熔点或的熔点或熔解温度(熔解温度(TmTm)。)。DNADNA变性变性热变性曲线热变性曲线 (熔解曲线熔解曲线)在在DNADNA发生热变性发生热变性的过程中,的过程中,A260A260随随温度的变化曲线温度的变化曲线影响Tm值的因素?变性DNA在适当条件下,两条互补链可重新恢复为天然的双螺旋结构,这种现象称为复性(renaturation)。DNA单链之间、一条DNA
8、和一条RNA链之间主要存在序列互补配对区域,不管是整条链互补,还是部分序列互补,均可能重新形成整条双链或部分双链,这即为核酸分子杂交(hybridization)。复性和杂交复性和杂交2.2 基因与基因组基因的结构基因(基因(gene):能够编码一段多肽或功能):能够编码一段多肽或功能RNA的一段核苷酸序列。的一段核苷酸序列。基因的基本特性:基因可自我复制基因的基本特性:基因可自我复制 基因决定性状基因决定性状 基因可以突变基因可以突变 基因的分类:结构基因基因的分类:结构基因 调控基因调控基因原核生物基因结构原核生物基因结构 操纵子操纵子(operon)机制机制其他调节序列其他调节序列编码序
9、列编码序列(promoter)操纵序列(operator)启动序列启动序列真核生物基因结构真核生物的结构基因不仅在两侧有非编码区,真核生物的结构基因不仅在两侧有非编码区,而且在基因内部也有许多不编码蛋白质的间隔而且在基因内部也有许多不编码蛋白质的间隔序列,即内含子(序列,即内含子(intronintron),编码区则成为外),编码区则成为外显子(显子(exonexon)。)。终止子(终止子(terminatorterminator)基因结构中能够促进转)基因结构中能够促进转录终止的录终止的DNADNA序列,在序列,在RNARNA水平上通过转录出的水平上通过转录出的终止子序列形成茎环结构而终止。
10、终止子序列形成茎环结构而终止。基因组原核生物的基因组原核生物的基因组基因组小基因组小多顺反子多顺反子mRNAmRNA非编码区少非编码区少基因重叠基因重叠不含内含子不含内含子基因组(基因组(genome):单倍体细胞中的全套染色体):单倍体细胞中的全套染色体上所有基因的总和。上所有基因的总和。真核生物基因组真核生物基因组同源基因组同源基因组基因组大基因组大单顺反子单顺反子重复序列重复序列非编码序列非编码序列90%90%以上以上基因家族基因家族转座子转座子/逆转座子逆转座子2.3 中心法则与基因表达调控生物信息的传递生物信息的传递原核生物基因的表达调控原核生物基因的表达调控真核生物基因的表达调控真
11、核生物基因的表达调控2.3.1 生物信息的传递生物信息的传递DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制 复制的起始复制的起始(initiation)DNA链的延伸链的延伸(elongation)复制的终止复制的终止(termination)DNA复制的基本过程复制的基本过程转录的基本过程转录的基本过程 模板识别模板识别(Template Recognition)转录起始转录起始(Initiation)转录的延伸转录的延伸(Elongation)转录的终止转录的终止(Termination)蛋白质的生物合成氨基酸活化肽链的起始肽链的延伸肽链的终止新合成多肽链的折叠和加工转录水平上的调控mRN
12、A加工成熟水平上的调控翻译水平上的调控2.3.2 基因的表达调控基因的表达调控32lacI调节基因调节基因lacZlacYlacADNAmRNA-GalactosidasePermeaseTransacetylaseProtein结构基因结构基因PlacIPlacOlacThe LAC operon原核生物基因的表达调控原核生物基因的表达调控阻遏蛋白的负调控阻遏蛋白的负调控调控基因调控基因CAPCAP正调控正调控真核生物基因的表达调控真核生物基因的表达调控DNA水平的调控转录水平的调控(transcriptional regulation)转录后水平的调控(post transcription
13、al regulation)翻译水平的调控(translational regulation)翻译后水平的调控(protein maturation)真核生物基因表达调控的特点和种类真核生物基因表达调控的特点和种类真核生物真核生物DNADNA水平上的基因表达调控水平上的基因表达调控 真核生物转录水平上的基因表达调控真核生物转录水平上的基因表达调控 顺式作用元件和反式作用因子顺式作用元件和反式作用因子真核基因他水平上的调控真核基因他水平上的调控 RNA RNA的加工成熟、翻译水平的调控、翻译后水平的调控的加工成熟、翻译水平的调控、翻译后水平的调控基因丢失基因丢失基因扩增基因扩增基因重排基因重排D
14、NADNA甲基化状态与调控甲基化状态与调控染色质结构与调控染色质结构与调控DNaseI超敏感位点基因座控制区(LCR)核基质结合区(MAR)2.4 自然界的基因转移和重组接合作用细菌之间通过菌毛相互接触时,质粒便可从一个细胞转移至另一细胞,这种类型的DNA转移称为接合作用(conjugation)。转化作用(转化作用(transfromationtransfromation)通过自动获取或人为地供给外源通过自动获取或人为地供给外源DNADNA,使细胞,使细胞或培养的受体细胞获得新的遗传表型。或培养的受体细胞获得新的遗传表型。转导作用(转导作用(transductiontransduction)
15、当病毒从被感染的(供体)细胞释放出来再次当病毒从被感染的(供体)细胞释放出来再次感染另一(受体)细胞时,发生在供体细胞与感染另一(受体)细胞时,发生在供体细胞与受体细胞之间的受体细胞之间的DNADNA转移及基因重组方式。转移及基因重组方式。转化及转导转化及转导溶菌途径溶菌途径溶源途径溶源途径噬菌体感染宿主的结果噬菌体感染宿主的结果:第三节 基因工程的支撑技术核酸凝胶电泳技术核酸分子杂交技术细菌转化转染技术DNA序列分析技术寡核苷酸合成技术基因定点突变技术聚合酶链反应(PCR)技术基本原理基本原理(PCRPolymerase Chain Reaction 聚合酶链式反应聚合酶链式反应)一个一个D
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