当前课程知识点：现代生物学导论 > 第八讲 重组DNA > 8.1 重组DNA > 8.1 重组DNA
20世纪的生物学家在研究生物功能的时候主要有两种方法
第一种是生物化学的方法
比如说科学家们想知道蝴蝶飞行的机理
那么他们一般怎么做呢
他们一般是从蝴蝶中提取出蛋白质，然后根据蛋白质的结构研究其功能
也就是研究哪种蛋白质导致了蝴蝶可以飞行
所以生物化学家研究的主要对象是蛋白质
另外一种方法是遗传学的方法
遗传学家如果想知道蝴蝶飞行的机理
通常是通过筛选各种蝴蝶的变体
找到蝴蝶缺失哪种基因会影响蝴蝶的飞行
所以遗传学家主要研究的是基因
在相当长的时间里，这两类科学家他们的工作都是相对独立的
直到分子生物学的出现
分子生物学的出现使遗传学家和生化学家认识到
这两个学科是紧密联系的
而且基因和蛋白质是紧密联系的
就像是一枚硬币的两面一样
那么所以也随后出现了DNA双螺旋结构的被解出
中心法则的被提出，遗传密码被破译等等
不过真正使分子生物学得到广泛重视
并且广泛地应用在医学、制药、农业、环境治理等方面的
还是重组DNA技术
在这一章的学习当中，我们首先来介绍现代生物学的核心技术
就是重组DNA技术
我们会介绍重组DNA技术的一些基本的原理和基本的步骤
然后我们还会介绍一些现代生物学常用的DNA技术
包括DNA测序、PCR、电泳、基因克隆
然后，我们会进一步介绍转基因动物和转基因植物的一些基本技术
这包括转基因动物、克隆动物、干细胞的研究
转基因植物的一些基本和前沿的技术
DNA技术不仅仅应用于实验室的研究当中
而且也被广泛应用于环境治理、法医鉴定、医疗诊断、基因治疗
还有生物制药很多方面
在这一章的最后，我们将会介绍现代生物学近些年
一门发展非常迅速的学科，就是生物信息学
我们会介绍生物信息学的基本技术和应用
1993年上映的《侏罗纪公园》是影史上的一部里程碑式的电影
在这部电影中，科学家们通过现代生物学技术使已经灭绝的恐龙复活
他们通过提取叮咬过恐龙的蚊子中的恐龙血液来得到恐龙的DNA
再连接蛙类的DNA，通过重组DNA技术还原恐龙
在现实中，虽然复活恐龙是一个美好的梦想
不过生物学家们利用重组DNA技术创造了不少奇迹
蛋白质的相关技术在20世纪70年代已经发展的相当快了
当时蛋白质技术面临的主要问题
是在保证蛋白质纯度的同时提高蛋白质的产量
虽然最后得到的蛋白质纯度较高，但产量较低
如何提高产量又同时节省成本呢
其中的一个思路是
如果提纯出来的成品能进行自身复制的话就可以降低成本了
蛋白质是无法复制自己的，但是DNA可以
所以科学家们开始动DNA的脑筋了
如果我们可以研究编码目的蛋白的某种基因
利用DNA可以复制的特点
我们就可以得到大量的DNA表达产物---蛋白质了
我们研究单个蛋白质实际上是比较容易的事情
因为蛋白质由于不同的氨基酸的组合
导致不同的构型和不同的化学性质
但是基因间的化学性质是没有差异的，都是由ATCG四种碱基构成的
这就出现了另一个问题：我们如何研究单个基因呢
其中的一个思路是
如果能用酶把目的基因从基因组中切出来并且产生很多拷贝
我们就可以研究单个基因了
那么使用什么酶呢
有一种酶叫做限制性内切酶
它的特点是识别特定的DNA序列并进行切除
比如一种叫EcoRI的酶识别的DNA序列是GAATTC
另一种叫做HindIII的酶识别的DNA序列为AAGCTT
在20实际70年代，有两位科学家首先发明了重组DNA技术
他们是Herbert Boyer和Stanley Cohen
他们当时把一段青蛙的DNA从基因组中切除，并且连接到一个质粒上
再转化到大肠杆菌细胞内，从而在大肠杆菌内表达了青蛙的DNA
这种重组DNA技术的出现
标志着分子生物学的飞速发展
其中的Herbert Boyer更是成立了Genetech生物技术公司
利用重组DNA技术生产一系列重组蛋白质，比如像胰岛素
把重组DNA这项技术完善的科学家是Paul Berg
他因此也获得了1980年的诺贝尔生理或医学奖
重组DNA技术实际上是人工把两段本来不在一起的DNA组装在一起
表达这个嵌合体
有时也指我们把一些基因添加到另外一个物种的基因组中进行表达
这种情况也就是我们所熟知的基因工程
重组DNA技术的流程主要分为两大步骤
（1）在体外产生重组DNA
（2）复制及表达重组DNA
首先来看产生重组DNA
产生重组DNA需要以下3个重要的元件：目的基因、载体还有酶
目的基因就是我们想要研究的基因
或者是我们希望插入到基因组中的基因
那么载体是什么呢
我们日常生活中对载体的概念比如像公共汽车那样可以运载乘客
在这项技术中的载体的主要功能就是运载目的基因
把目的基因送入宿主细胞
载体可分为2类：一类是独立于宿主染色体存在的，可以进行自我复制
另一类是整合到宿主基因组中的
我们以质粒载体为例讨论，质粒载体是双链环状DNA分子
载体上有复制起始位点，指导DNA的复制
还有一个多克隆位点，是插入目的基因的地方
还有一个筛选标记，我们等会再来讨论
好，我们现在有了目的基因，有了载体
下一步就是如何把目的基因插入载体
质粒载体是环状DNA分子，那么我们怎么插入呢
这需要两种酶：一种是限制性内切酶，另一种是连接酶
两种酶的功能就像剪刀和胶水一样
首先，我们使用限制性内切酶负责把目的基因切除出来
用同样的酶把载体也切开，就是剪刀的作用
然后，我们用连接酶把目的基因和载体连接起来，就是胶水的作用
把目的基因连接到载体上后，就准备复制和表达这个基因了
主要分为以下几步
第一个是重组DNA （即连有目的基因的载体） 导入宿主细胞
第二个是产生更多的重组DNA的拷贝
第三个是筛选含有重组DNA的宿主细胞
首先是导入宿主细胞
宿主细胞必须要满足进行一切生命必需的活动
比如营养代谢，DNA复制和基因表达
常见的宿主细胞有大肠杆菌、酵母细胞、植物细胞和动物细胞等
这些宿主细胞都有天然障碍细胞膜和细胞壁
那么重组DNA是如何进入细胞的呢
其中一种方法是使用物理化学的处理方式使得细胞壁的通透性增加
DNA趁机进入
送入宿主细胞后，重组DNA就借助宿主细胞的机制
随着宿主细胞的繁殖而复制出更多的拷贝
这种导入宿主细胞产生更多拷贝的目的基因的过程就是基因克隆，也叫分子克隆
下面我们来讨论筛选
为什么要筛选宿主细胞呢
因为把重组DNA送入宿主细胞是一个随机的过程
打一个比方，就像我们到公园喂鱼一样
你撒一把鱼食，一群鱼过来抢食
有的鱼可能吃到一个鱼食，有的鱼可能吃到三个鱼食
而有的鱼可能一个鱼食都没有吃到
那么宿主细胞接受DNA的过程也是类似的
有的宿主细胞可能接受了重组DNA，而有的宿主细胞没有
那么筛选的过程就是把含有重组DNA的细胞和不含有重组DNA的细胞
分开并且留下我们想要的含有重组DNA的细胞
那么我们如何区分呢
这就需要我们事先给重组DNA做一个记号
我们刚才介绍质粒载体上的筛选标记就是干这个用的
常用的筛选标记是抗生素抗性基因
携带抗性基因的宿主细胞对于抗生素有抗性
如果被培养在含有相应抗生素的培养基里，是可以生长并大量繁殖的
相反，不含有重组DNA的宿主细胞不能在其中生长
我们通过这种方法筛选出含有重组DNA的宿主细胞
筛选出来的宿主细胞中含有重组DNA
我们可以通过检测基因产物---蛋白质或性状来确认重组DNA的结果
-1.1 生物学的基本主题
-1.2 科学方法
--1.2 科学方法
-1.3 如何正确地评价科学结果
-1.4 施一公老师和不同院系本科生座谈（上）
-1.5 施一公老师和不同院系本科生座谈（下）
-课前小短片
--课前短片
-2.1 元素和化学键
-2.2 水和生命
--2.2 水和生命
-2.3 碳和生命的分子多样性
-2.4 大生物分子
-2.5 营养以及身体健康
-第二讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-3.1 细胞的结构和功能
-3.2 细胞膜和跨膜运输
-3.3 细胞间交流
-3.4 细胞分裂和细胞周期
-3.5 癌症与细胞分裂
-第三讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-4.1 热动力学和代谢
-4.2 自由能和代谢
-4.3 ATP的工作原理
-4.4 活化能和酶
-4.5 酶的反应特性和酶的调控
-4.6 细胞呼吸
--4.6 细胞呼吸
-4.7 光合作用
--4.7 光合作用
-第四讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-5.1 减数分裂和生命周期
-5.2 孟德尔遗传学
-5.3 孟德尔遗传学的延伸
-5.4 基因连锁和染色体互换
-5.5 伴性遗传
--5.5 伴性遗传
-5.6 非孟德尔遗传
-5.7 人类遗传学疾病及诊断
-第五讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-6.1 DNA是遗传物质
-6.2 DNA结构和染色体结构
-6.3 DNA的复制
-6.4 DNA的突变、损伤和修复
-6.5 DNA重组
-第六讲 遗传的分子基础--第六讲小测验
-课前小短片
--课前小短片
-7.1 基因表达综述
-7.2 基因表达的具体步骤
-7.3 突变和表型
-7.4 基因表达调控的特点
-7.5 原核生物的基因表达调控
-7.6 真核生物的基因表达调控
-7.7 表观遗传
--7.7 表观遗传
-第七节小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-8.1 重组DNA
-8.2 电泳技术、PCR和DNA测序
-8.3 转基因动物、克隆动物和干细胞研究
-8.4 转基因植物
-8.5 DNA技术的应用
-8.6 生物的信息时代
-8.7 新药研发的基本过程
-第八章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-9.1 演化理论的介绍
-9.2 演化的证据
-9.3 Hardy-Weinberg定律
-9.4 改变种群中等位基因频率的机制
-9.5 自然选择
--9.5 自然选择
-9.6 物种的形成
-9.7 地球上生命的历史
-第九章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-10.1 动物的结构与功能
-10.2 反馈调节
-10.3 植物的结构和生长
-10.4 植物的营养和运输
-第十讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-11.1 病原体
--11.1 病原体
-11.2 免疫系统介绍
-11.3 先天性免疫
-11.4 适应性免疫中的受体识别
-11.5 体液免疫和细胞免疫
-11.6 免疫系统疾病
-11.7 免疫知识的应用
-第十一讲 免疫系统--第十一讲小测验
-12.1 神经元的结构和功能
-12.2 静息电位和动作电位
-12.3 突触传导和神经递质
-12.4 神经系统的组成
-12.5 脑的结构和功能
-12.6 神经系统疾病
-第十二章小测验--作业
-13.1 激素的介绍
-13.2 内分泌系统
-13.3 动物的生殖---配子的形成
-13.4 动物的生殖---激素调节动物生殖
-13.5 动物的生殖---胚胎在子宫中的发育
-13.6 动物发育(1)
-13.7 动物发育(2)
-13.8 动物发育(3)
-第十三讲小测验--作业
-14.1 生态学的基本内容
-14.2 种群生态学
-14.3 种群间的相互作用
-14.4 生态系统
-14.5 生态系统中的物质循环
-14.6 生物多样性和物种
