– 超螺旋：共价闭环（CCC） – 开环：单链缺口（OC） – 线型：双链断裂（L）
真核生物基因组
• 真核基因组结构庞大 3×109bp、染色质、核膜 • 基因不连续性，大部分基因含有内含子(intron) • 非编码区域多于编码区域(9:1)，编码基因约2万个 • 单顺反子 • 含有大量重复序列
注：在每个细胞周期中，每个复制子发生一次复制， 且只发生一次。
不同生物复制子的数目
• 质粒一般是一个自主环状的DNA基因组， 构成一个独立复制子；
第一章 基因工程学 概论
第一章 概论
一、基因工程概述
基本概念 发展历史 相关理论的复习
二、基因工程的基本过程与策略 三、基因工程的发展与应用
一、基本概念
➢ 基因工程 ➢ 载体和复制子 ➢ DNA重组、转化
基因工程 (genetic engineering)：
在基因水平上，根据人们的需要以人工的方法取得 特定基因，在体外重组于载体DNA分子上，然后将重 组DNA转入受体细胞进行无性繁殖（称为“克隆” ） 和行使正常功能（称为“表达 ” ），从而制备人类 需要的基因、基因产物或创造出新的生物类型的分子 生物学技术。
（含P）——用32p标记
噬
菌
体
（含S）——用35S标记
赫尔希和蔡斯得噬菌体侵染细菌实验
离心
离心
DNA的空间结构
沃森和克里克根据对DNA的X光衍射结果，以及 对DNA分子不同碱基之间数量关系的分析，提出了 DNA分子的双螺旋结构模型。
从图上可辨认出DNA是由两条 链交缠在一起的螺旋结构
沃森、克里克发现 生命的双螺旋而荣 获1962年诺贝尔医 学生理学奖。
✓ 1972年 Berg 首次实现基因重组 ✓ 1973年 Cohen 重组DNA转化
基因工程核心技术：DNA的重组技术
相关理论的复习
• 基因的概念和特性 • 基因组 • DNA的结构与性能 • DNA的复制 • DNA的转录与调控
基因的概念和分子生物学定义
• 遗传学概念：位于染色体上的基本遗传单位，携带遗 传信息，控制遗传性状
DNA双螺旋结构 mRNA
• 分子生物学定义：编码功能性蛋白质多肽链或RNA分 子所必需的全部核酸序列，负载特定的遗传信息并在 一定条件下表达遗传信息，指令e gene)： 决定蛋白质/多肽链或酶分子的结构
• 调控基因 (regulatory gene)： 调节控制结构基因表达功能
乳糖操纵子
基因的一般特性
• 半保留自我复制
• 决定生物表型或性状
• 基因突变
新的生物性状
基因组（genome）
• 概念：细胞或生物体的全套遗传物质的总和 • 常见基因组特点：
– 病毒基因组 – 原核生物基因组 – 真核生物基因组 – 人类基因组
1. 病毒基因组
• 基因组小，基因数少 • 带有重叠基因 • 大部分为编码蛋白质的结构基因
载体（Vector）：
能容忍外源DNA片段插入，可在细胞间转移 并在宿主细胞内自主复制的DNA分子。
复制子（Replicon）
具有独立复制能力的DNA分子，或DNA 分子中可从某一起点进行复制的部分称复制子。
DNA重组（DNA recombination)：
不同来源的DNA片段共价连接、通过重新组 合构成了具有两个DNA分子遗传信息的新重组 体DNA分子的过程。
成单链的过程 • DNA复性：变性因素去除后，恢复成双链的过程
DNA的复制与表达
• 半保留复制（semi-conservative replication） • 基因表达（gene expression）
复 DNA 转录
制
逆转录
RNA 翻译
蛋白质
DNA的复制
解旋 ：解旋酶催化
模板
同时进行
复制 ：以母链为模板进行碱基配对
HB V 基 因 组
2. 原核生物基因组
• 基因组很小，大多只有一条染色体（细菌染色体） 质粒（plasmid）： 细菌染色体以外的遗传物质，是环状闭合的双链DNA。
• 可自主复制 • 编码生物学形状 • 基因工程常用载体
• 结构简单，没有核膜
• 存在转录单元多顺反子
细菌及质粒DNA的三种构型：
人类基因组
➢ 细胞核基因组（nuclear genome) ➢ 线粒体基因组 (mitochondrial genome)
DNA的结构
• 基本单位：核苷酸（A、T、C、G） • 双螺旋结构
DNA的性能
• 吸收光谱高峰为260nm • 在电场中的迁移率与分子量大小、构象有关 • DNA变性：在物理或化学因素作用下，氢键断裂
格里菲思肺炎双球菌的转化实验
S（Smooth）型菌： 有荚膜，有毒性
R（Rough）型菌： 无荚膜，无毒性
艾弗里及同事的实验
R型细菌 S型菌的DNA R型细菌 S型菌
R型细菌
S型菌的
只长R型菌
蛋白质或荚膜多糖
R型细菌
S型菌的
只长R型菌
DNA+DNA酶
蛋白质 的组成元素： C、H、O、N、（S） DNA 的组成元素： C、H、O、N 、P(99%)
转化 (transformation)：
以质粒为载体构建的重组DNA，在一定条件 下引入受体细胞的过程。
基因工程发展历史
• 基因工程三大理论基础 • 基因工程三大技术发现
基因工程理论基础
➢ 20世纪40年代：证明了遗传物质是DNA ➢ 20世纪50年代：DNA双螺旋结构 ➢ 20世纪60年代：确定了遗传信息的传递方式
面对DNA双螺旋模 型的美国生物学家 沃森(左)和英国生 物物理学家克里克 (右)。
遗传信息的传递方式
复 制
转录
DNA
逆转录
翻译
RNA
蛋白质
Non-coding RNA microRNA, lncRNA
基因工程学重大的技术发现
➢ 1970年 限制性核酸内切酶的分离和纯化（Hind III） ➢ 1970年 逆转录酶的发现 ➢ 1972年 载体与重组技术
（在DNA聚合酶的催化下，利用游 离的脱氧核苷酸进行）
母链（旧链） 复制后的DNA：组成
子链（新链）
复制子
DNA中发生一次复制的单位称为复制子(replicon) 。 复制子是根据它含有复制所需的控制元件来定义的， 在复制启动位点具起始点（origin)，在复制终止位点 具终点（terminus)。起始点仅作用于所在复制子。