第 五讲 从基因 到基 因工 程
一,孟德尔学说奠定了遗传学基础
二,基因是一段 DNA序列
三,基因工程的操作和应用
生命最重要的本质之一是性状特
征自上代传至下代 ——遗传 。
今天，从遗传学研究衍生出来的
基因工程 技术，已构成 生物技术 的核
心，在实际应用中显示出极大的潜力。
一, 孟 德尔学 说奠定 了遗 传学基 础
（ 本节见参考书第 101-107页 ）
在孟德尔以前, 人们看到遗传
现象, 猜想遗传是有规律的, 甚至在
农牧业育种中实际运用了遗传规律,
但是, 一直找不到研究遗传规律的恰
当方法 。
孟德尔 （ 1822－ 1884）从 1856
年起开始豌豆试验。
孟德尔的基本方法是 杂交 。他挑
选了七对性状。
经过近 10 年的潜心研究，孟德尔
发表了他的研究报告。其内容可概括
两个定律 。
1、孟德尔第一定律－－ 分离律
他用一对性状杂交，子一代全
为显性性状，子一代之间自交，子
二代为：
显性性状：隐性性状＝ 3,1
2、孟德尔第二定律－－ 自由组合律
他用两对性状杂交，子一代全
为显性性状，子一代之间杂交，子
二代出现四种性状，其数量比例为
9,3,3,1
3、孟德尔学说的要点
依据上面的试验结果，孟德尔认
为，每株豌豆植株中的每一对性状，
都是由 一对遗传因子 所控制的，遗传
因子有 显性 因子和 隐性 因子之分。
当一株植株中控制某一对性状的
一对遗传因子均为 隐性 因子时，该植
株才表现出 隐性 性状（如白花或绿色
豆粒）。其他情况下，包括一对遗传
因子均为 显性,或一个 显性 一个 隐性,
均表现出 显性 性状（如紫花或黄色豆
粒）。这一点在分离律实验中看的很
清楚。
当两对性状一起加以研究时,显性
和隐性的基本规律仍与上面相同,但要
加上一条,控制不同性状的遗传因子,
在传代中各自独立,互不干扰,出现 自由
组合 现象。
4、孟德尔学说的重要意义
（ 1）孟德尔第一次明确提出 遗传因
子 的概念,并且提出了遗传因子控制
遗传性状的 若干规律,
大多数生物体通常由 一对遗传因
子 （后来称为两个等位基因） 控
制同一性状。这样的生物体称为
2n 个体。
遗传因子可以区分为 显性和隐性 。
控制不同性状的遗传因子是 各自
独立的 。
（ 2）孟德尔提出了 杂交, 自交, 回交
等一套科学有效的遗传研究方法，来
研究遗传因子的规律。孟德尔创立的
这套方法一直沿用到 1950s，才被 分
子遗传学方法 取代。
思考题
二、基因是一段 DNA 序列
（本节见参考书第 107-113页）
“遗传因子 /基因, 的设想一经提
出，便推动人们去寻找，去探索
基因在哪里？
基因是什么？
1、基因在染色体上
显微镜技术与染色技术的发展，
使人们注意到，细胞分裂时，尤其是
减数分裂中，染色体的行为和孟德尔
提出的 等位基因 的分离规律相当一致，
所以,确定基因在细胞核中，在染色
体上。
摩根实验室用果蝇为材料的工
作，确定了基因在染色体上的分
布规律。
随着生物化学的发展，蛋白质、
核酸等生物大分子逐渐分离、纯化出
来。各方面的实验证据表明，基因的
化学本质不是蛋白质，而是 DNA。
格里菲斯的实验证明遗传物质可以 转
化 进入细菌，改变细菌特性。 爱弗莱
的实验证实，进入细菌改变特性的遗
传物质是 DNA，而不是 蛋白质 。
2、遗传物质是 DNA
3,华生和克里克提出 DNA 双螺旋模型 。
DNA 双螺旋模型说明 DNA 分子能
够充当遗传的物质基础。
按照双螺旋模型，在细胞分裂
时,DNA 的合成应是, 半保留复
制, 的模式。
4,DNA作为遗传物质的功能
（ 1） 贮藏 遗传信息的功能
（ 2） 传递 遗传信息的功能
（ 3） 表达 遗传信息的功能
由此，克里克提出 中心法则,确
定遗传信息由 DNA 通过 RNA 流向
蛋白质的普遍规律。
5、基因理论中的许多复杂情况
以孟德尔学说为开端的遗传理论，
发展到以 DNA 分子结构为基础的 分
子遗传学,使我们对遗传规律有了确
切的理解。
应该看到,实际上生命世界的遗
传现象远比上面谈到的要复杂得多。
一个基因一个性状？ 不一定。
例如肤色的控制至少有三个基因参
与。
基因决定性状，环境还起不起
作用？ 在基因型确定的基础上,环
境常常会影响表型。
遗传 和 变异 是遗传学的重要内容。
子代 总是与 亲代
相像，
又有一些不像。
三、基因工程技术和应用
（本节见参考书第 138-151页）
1、基因工程技术
基因工程是生物技术的核心部分。
基因工程的 操作 可以简述如下：
将 外源基因 （ 又称目的基因, 是一
段 DNA 片断 ） 组合到 载体 DNA 分子
中去, 再把它 转到 受体细胞 （ 亦称寄
主细胞 ） 中去, 使外源基因在寄主细
胞中 增值和表达, 从而得到期望的由
这个外源基因所编码的 蛋白质 。
所以，基因工程的操作包含以下步骤：
? 获得目的基因
? 构造重组 DNA 分子
? 转化或转染
? 表达
? 蛋白质产物的分离纯化
到哪里去找目的基因？ 一般来说，
人的基因，要从人体的组织细胞中去
找；小鼠的基因要从小鼠的组织细胞
中去找。
从组织细胞中可以分离得到人 /小
鼠的全套基因，称为 基因文库 。文库
中基因总数 就人来说约有 3 万个基因。
如何从中把需要的基因找出来？
采取, 钓, 的办法。这个办法通常称
为 印迹法 。
（ 1）获得目的基因
印迹法的主要步骤：
（ 1）基因文库－ DNA 用 限制性内切
酶 处理。
（ 2） DNA 片断混合物通过 电泳 分离。
（ 3）电泳后，通过 印迹 技术转到酯酰
纤维薄膜上，以便操作。
（ 4）用已知小片断 DNA 作为 探针,
互补结合需要找的基因片断。
（ 5）探针 DNA 片断已用放射性元素
标记，使胶片 感光 后可看出。
印迹法的关键是, 分子杂交,,
利用碱基配对的原则，用一段小的已
知的 DNA 片断去 寻找 （, 钓, ）大
的未知的基因片断。
探针 DNA 片断从何而来？
根据目的蛋白的氨基酸序列，只
要其中 N－端 15－ 20 个氨基酸序列，
按三联密码转为 40-60 核苷酸序列，
人工合成，即为 探针 DNA 片断 。
（ 2）目的基因的扩增
用上面的方法, 钓, 出的目的基
因，数量极少，所以，接下来必须经
过扩增，亦称为 基因克隆 。获得相当
数量的目的基因后，才能继续下一步
操作。
（ 3） PCR —— 把 寻找目的基因 和
扩增目的基因 两步操作并成一步。
PCR 法,又称 多聚酶链式反应,
是近年来开发出来的基因工程新技术，
它的最大优点是把目的基因的寻找和
扩增，放在一个步骤里完成。
PCR 反应分三步完成：
第一步 —— 900 C 高温下，使混合物
的 DNA 片断因 变性 而成单链。
第二步 —— 50 0 C 温度下，引物 DNA
结合在适于 配对 的 DNA片断上。
第三步 —— 70 0 C 温度下，由合成酶
（ DNA 高温聚合酶）催化，从引物
开始 合成 目的基因 DNA。
PCR 的三个步骤为一次循环, 约需
5－ 10 分钟 。 每经一次循环, 所找到的
目的基因扩充一倍 。 经过 20 次循环,
即可扩增 106 倍, 总共只需 几个小时 。
（ 4）构造重组 DNA 分子
首先要有 载体 。
载体有好几种，常用的有：
质粒 －－环状双链小分子 DNA，适于
做小片断基因的载体。
噬菌体 DNA－－线状双链 DNA，适于
做大片断基因的载体。
其次要把目的基因“装”到载
体中去。“安装”的过程，需要
好几种工具酶，其中关键的酶叫
限制性内切酶 。
此酶识别一定碱基序列，有的
还可切出,粘性”末端,使得目
的基因和载体的连接非常容易。
（ 5）转化 /转染 —表达 —蛋白质分离
把构造好的重组 DNA 分子送进 寄
主细胞,亦需要适当的 技术方法 。若受
体细胞是细菌，通常称 转化 ；若受体细
胞是 动 /植 物细胞，通常称 转染 。
重组 DNA 分子进入寄主细胞后,
其中的目的基因能否表达, 表达效率
高低, 还有很大差别 。 表达 通常是指
目的基因编码的蛋白质合成 。 基因工
程的最后一步, 是把所获得的蛋白质
分离纯化, 得到蛋白质产品 。
2、基因工程的应用
基因工程技术已经在医学、工业、
农业等各个领域得到了广泛的应用。
（ 1）在医学上的应用
基因工程被用于大量生产过去难
以得到或几乎不可能得到的 蛋白质－
肽类药物 。
（ 2）用于提高奶酪产量
生产奶酪的 凝乳酶 传统上来自哺
乳小牛的胃。现在可以通过基因工
程办法，用 酵母生产凝乳酶,大量
用于奶酪制造。
（ 3）转基因动物和植物
转基因动物首先在 小鼠 获得成功。
现在转基因动物技术已用于牛、羊，
使得从 牛 /羊 奶中可以生产蛋白质药
物。称为, 乳腺反应器, 工程 。
转基因植物 亦已在大田中广为播
种。
（ 4） 工程菌 在环境工程中应用
美国 GE 公司构造成功具有巨大
烃类分解能力的工程菌，并获专利，
用于清除石油污染。
哈哈，
下
课
了
!