急救呀！！！PCR,PEP,PEG分别有什么作用

根癌农杆菌介导的遗传转化法（Agrobacterium Tumefaciens-Mediated Transformation，ATMT）已被广泛地应用于丝状真菌的插入突变。以具有植物病害生物防治功能的T.harzianum LTR-2的分生孢子为实验材料，研究建立了T.harzianum的高效ATMT插入技术（李国田等，2006）。该技术无须制备原生质体，具有操作简单、转化效率高和突变体遗传稳定等特点，转化效率约为200～300个/107分生孢子。通过继代培养和PCR检测，证明T-DNA中的潮霉素抗性基因插入木霉基因组中并可以随着有丝分裂稳定遗传。South-ern 杂交分析表明，T-DNA在木霉染色体上的插入位点是随机的，并且大约有90%突变体的T-DNA 插入是单拷贝。利用上述 ATMT 突变技术，建立了T.harzianum菌株LTR-2的插入突变体库。共得到具有潮霉素抗性的突变体400余个，主要考察了以下性状的变异情况：①形态变化：大部分菌落形态变化不大，具有明显变化的约占总数的2%，分生孢子颜色也基本没有变化，仍然为绿色，T1-25 突变体产生的分生孢子为黄褐色，但后期仍然显出绿色，产孢量减少；②拮抗能力变化：突变体与立枯丝核菌（Rhizoctonia solani）进行平板对峙实验，抑菌能力降低的约占28%，增强的约占56%，无变化的约占16%；③重寄生能力变化：36.2%的突变体重寄生能力减弱，其中T4-59和T4-31几乎丧失重寄生能力，51%的突变体增强。说明ATMT插入突变技术能够造成原始菌株的随机突变，是研究功能相关基因信息的有力工具，而该突变体库的构建，为研究木霉的植病生防功能基因提供了丰富的种质资源。选择重寄生能力较强、减弱和基本丧失的突变体 T2-58，T2-60，T1-25，T4-31，T4-59，以野生型LTR-2 为对照，以病原菌谷禾丝核菌（Rhizoctonia cerealis）为靶标，盆栽条件下测定了这些突变体对小麦纹枯病的生物防治活性，发现重寄生能力显著减弱的突变体 T4-59和T4-31 对小麦纹枯病的防治效果明显降低，约降低7%～13%，而重寄生能力明显增强的菌株T2-58和T2-60则对病害的防治效果明显增强，约增强10%～12%，说明木霉的重寄生能力与其生防活性密切相关。进一步的研究应利用这些突变体，探索与重寄生能力相关的基因信息。

5，6-二氢-6-戊基-2H-吡喃-2-酮（5，6-dihydro-6-penty-l2 H-pyran-2-one）是木霉菌产生的一种抗生素，具有椰子香味，生物活性高，对小麦纹枯病和棉花立枯病等多种植物病害都有显著的防治效果，因此具有很大的潜在应用价值。通过土壤杆菌介导的T-DNA转化方法，利用土壤杆菌菌株携带的Ti质粒，对绿色木霉LTR-2进行插入突变，获得木霉LTR-2突变体共400株。以串珠镰孢菌为指示菌，采用抑菌圈方法，从中筛选吡喃酮高产突变体6株，PCR和探针杂交证实，T-DNA序列已经插入木霉LTR-2基因组。经GC-MS分析发现，其中一株突变体T-54在PDA培养基上产生的吡喃酮含量较高，在分生孢子中的含量达到了2.62mg/g，比野生菌株提高9倍（扈进冬等，2010）。

利用T-DNA整合的方式，产生木霉菌突变体并进一步筛选的方式十分普遍。黄亚丽等（2010）通过对T.harzianum转化效率的因素具体研究，建立了转化效率高的体系，建立了含有8千多个转化子的突变体库。黄亚丽等（2010）还研究了整合过程中的机制，他们根据T.harzianum的基因组特点，采用12条随机的AD引物，并分别与3条右边界嵌套特异引物的组合对T.harzianum突变子的T-DNA侧翼未知序列进行扩增，选出扩增效率最高的引物AD5，对T.harzianum的52个突变子进行Tail-PCR扩增，分析扩增序列后发现，获得的42条侧翼序列中，有7条只含有质粒序列，33条为单一的侧翼序列，其余2条的序列相同。其中34条T-DNA侧翼边界序列中1/3的序列保存着完整的右边界，其余则出现了不同程度的缺失，研究说明，在农杆菌介导转化T.harzianum的过程中，会对T-DNA右边界产生一定的剪切作用。

紫外诱变和化学诱变的方法也常被用于T.harzianum 针对性性状筛选突变体系的构建。杨合同等（2004b）通过紫外线诱变处理，获得了可以在低温下（10e）生长的绿色木霉LTR-2的快速生长型突变株LR，以及对多菌灵具有抗性的突变株LRR。突变株对棉枯萎病菌、棉黄萎病菌、棉立枯病菌的平板拮抗能力一般低于野生型菌株。与野生型菌株相比，突变株在PDA平板上对棉花立枯病菌、枯萎病菌和黄萎病菌的抑菌圈都有变化，但是多数情况下抑菌圈变小而不是变大。LRR虽然对棉枯萎病菌和黄萎病菌的抑菌圈也较小，但是对两种病害的防治效果却略有提高。LR比LTR-2更能适合非根际土壤环境，而LRR在健康棉花根际的定殖能力上，比LTR-2有明显下降。LR对棉花立枯病基本没有防治效果，但对棉花黄萎病和枯萎病的防治效果则高于原始菌株；LRR对棉花上述3种病害的防治效果与原始菌株没有明显的差异。在PDA、玉米琼脂和NA平板上菌株LR生长速度最快，而LRR则与野生型菌株LTR-2没有明显差别。除了突变株LR在非根际土壤中的定殖能力有所提高以外，其他突变株的根际定殖能力没有明显改善，LRR定殖能力反而明显下降。该研究一方面表明紫外线诱变后目标性状变化的随机性，另一方面也说明定殖能力与抗药性间没有必然关系。紫外线诱变处理所获得的新性状容易消失，但也能够得到稳定的突变株。对木霉来说，紫外线诱变仍然是值得利用的菌株改良技术，在扩大突变体筛选基数的基础上，能够获得所需要的突变株。

Hassan等（2005）将 T.harzianum 暴露于伽马射线中，诱导两株耐盐突变菌——Th50M6h和Th50M11。在盐胁迫条件下，两株突变体的生长能力、孢子形成能力、拮抗病原菌能力均远超野生型。

安哲宇等（2010）通过紫外诱变和含药培养基诱导相结合的方法，获得了一株对三唑类杀菌剂有良好耐药性的T.harzianum的突变体，TUV-13。其抗药性为野生菌株的10倍，不同世代中的抗性比较稳定，且与原始菌株存在差异。该菌株可定殖于植物体内，植株生长产生正效应。杨春林等（2010）同样采用紫外线诱变与药剂培养驯化相结合的方法，构建了以T.harzianum Th-30为原始菌株的突变体。他们共得到4株可以比正常菌株耐受10倍福美双的变异菌株。其中，变异菌株UV-4不仅能抵抗高浓度福美双的胁迫作用，还具有几丁质酶活性。该菌株遗传性状稳定，具有福美双混用协同防治蔬菜真菌病害的功效。Zhang等（2013）的研究切入点侧重在突变体木霉对作物的促生效果上。研究通过紫外线诱变的方法从亲本SQR-T037菌株中得到124株突变体后代，并从中选择了拮抗植物病原菌能力较强的T-E5进行下一步的研究。他们比较了T.harzianum突变体菌株T-E5与野生型菌株SQR-T037，同时以施用有机肥料作为对照。研究中包括实验室和黄瓜温室试验，即对液体发酵液中植物激素的产出、对植物生长的促生能力和在植物根系根围的定制能力进行了分析评定。结果显示，T-E5相对SQR-T037，在植物生长素IAA的效率指标中提高了30.2%；相应的，T-E5处理显著提高了黄瓜无论在土壤栽培还是水培条件下的生物量。通过RT-PCR检测，在培养30d后，突变体T-E5在土壤样品中的定殖量几乎超过SQR-T037的10倍。两菌株在植物根茎内的定殖速率几乎是一致的；但每个取样时间中T-E5的定殖率均高于野生型的SQR-T037。

木霉属内及与其他真菌之间的原生质体融合，可为T.harzianum获得更多的性状功能。杨合同等（2005）以产孢量大，对苯菌灵有抗性，对潮霉素B敏感的T.harzianum菌株T9和产孢量少，对潮霉素B有抗性，对苯菌灵敏感的康宁木霉Tk7a为亲本，通过原生质体融合，筛选获得抗最高浓度杀菌剂的融合子。融合子产孢量高于Tk7a，水解酶活性比双亲号，并且在根际的竞争能力比T9强。张彩霞等（2004）对不同属间原生质体融合进行了成功尝试，他们构建了T.harzianum与链霉菌菌株原生质体融合技术。具体过程为将T.harzianum T-23与链霉菌菌株A分别以庆大霉素和50-53 e热灭活120min作为遗传标记。常规的聚乙二醇（PEG）作为融合系统的促融剂，通过调整PEG的最佳分子量及浓度和处理时间，最终确定0.05mol/L Ca2+的35%PEG6000为最佳融合系统，处理时间为15min。经过融合系统处理产生的融合子再经选择再生培养基培养后，筛选形状稳定的融合子。Srinicasan等（2009）希望通过原生质体融合的方法同时提高木霉中纤维素酶和几丁质酶的含量。在他们的研究报告中，为了构建一株既含有上述双酶特性的独一无二的高效菌株，尝试整合高纤维素酶产出活性的一株里氏木霉和高几丁质酶产出活性的一株T.harzianum的原生质体。他们利用细胞溶解酶分别从16株T.harzianum和里氏木霉中分离得到了原生质体。原生质体融合系统采用的常规的PEG作为助融剂。融合反应共获得20个生长效率高的融合子，紧接着通过抗性培养筛选，选出了六株具有良好的生长活性和拮抗活性的菌株。这六株筛选菌株自身也显示了多层次的形态多样性，包括菌丝发育、菌落颜色、分生孢子形成模式和孢子染色等。除了差异外，六个融合菌株仍具有与原始菌株相同的某些形态特征。他们进一步通过PCR-PFLP验证了融合子具有原始菌株双亲的特征指纹条带。从生长特性上看，三世代后，融合子后代的生长速率超过亲本的60%～70%。更重要的是，融合子菌株比双亲菌株提高了40%～50%纤维素酶活性和10%～20%几丁质酶的活性，并且具有高于双亲7%～8%的生物拮抗活性。

Herrera等（2012）比较了T.harzianum突变菌株和野生型菌株对杀菌剂敏感性的不同。他们将野生型T.harzianum（Th11，Th12和Th650）和突变体T.harzianum（Th11 A80.1，Th12 A10.1和Th650-NG7）同时暴露在不同的商用杀菌剂中进行研究。研究结果显示，所有的野生和突变体菌株均能在含有浓度为1700mg/L戊菌隆的条件下出芽。野生型菌株Th12和Th650及对应的突变体菌株Th12 A10.1和Th650-NG7均对不同浓度梯度的扑海因和代森锰有药敏反应。这些研究成果为T.harzianum特定突变体菌株在实际作用时，可否与抗菌剂联合施用，可施用的范围、水平等做了有意义的评估工作。

体液包括细胞内液和细胞外液（血浆、组织液和淋巴），细胞外液也称内环境。

血浆是血细胞直接生活的液体环境。

组织液是人体内绝大多数细胞（通称组织细胞）直接生活的液体环境。

淋巴是淋巴细胞、吞噬细胞直接生活的液体环境。

细胞外液有一定的渗透压和酸碱度。溶液浓度越高，渗透压也越高。血浆渗透压的大小主要与无机盐、蛋白质的含量有关。37℃时，人的血浆渗透压相当于细胞内液的渗透压。

★结论性语句：内环境是细胞与外界环境进行物质交换的媒介。

二、 内环境稳态的重要性

稳态的定义：正常机体通过调节作用，使各器官、系统协调活动，共同维持内环境相对稳定状态，。

维持稳态的主要调节机制：神经—体液—免疫调节网络。

内环境稳态的重要意义：机体进行正常生命活动的必要条件。

三、通过神经系统的调节

★★几个重要概念：

反射：神经调节的基本方式。它是指在中枢神经系统的参与下，动物体或人体对内外环境的变化作出的规律性应答。其结构基础是反射弧。

反射弧：完成反射的结构基础，通常由感受器、传入神经、神经中枢、传出神经、和效应器五部分组成。

效应器：指传出神经末稍和它所支配的肌肉或腺体等。

兴奋：动物体或人体内的某些组织（如神经组织）或细胞感受外界刺激后，由相对静止状态变为显著活跃状态的过程。

神经冲动：兴奋是以电信号的形式沿着神经纤维传导的，这种电信号叫神经冲动。

静息电位：内负外正

动作电位：内正外负

兴奋在神经纤维上的传导是双向的。神经冲动在神经纤维上的传导方向膜内电荷移动方向一致。

兴奋在神经元之间的传递是单向的。这是因为神经递质只存在于突触前膜的突触小泡中，只能由突触前膜释放，作用于突触后膜，引起另一个神经元兴奋或抑制。

神经系统的分级调节：

中枢神经系统包括脑和脊髓。

脑包括大脑、小脑和脑干，是高级神经中枢。

脊髓是低级神经中枢，受脑的控制。

下丘脑是脑干的组成部分，内有体温调节中枢、水平衡调节中枢、生物钟等。

脑干内有呼吸中枢、心跳中枢等。

大脑有调节机体活动的最高级中枢，如语言中枢等。

小脑内有维持身体平衡的中枢。

脊髓是调节躯体运动的低级中枢。

三、 通过激素的调节

★★人体主要内分泌腺及其分泌的激素：

下丘脑：促甲状腺激素释放激素：作用于垂体，控制垂体分泌促甲状腺激素。

垂体：分泌生长激素、促甲状腺激素（作用于甲状腺，控制甲状腺分泌甲状腺激素）等。

肾上腺：分泌肾上腺素。

卵巢：分泌雌性激素（如雌激素、孕激素等）。

睾丸：分泌雄性激素。

甲状腺：分泌甲状腺激素（含碘）。

胸腺：分泌胸腺激素等。

胰腺：其中的胰岛（内分泌部）分泌胰岛素（胰岛B细胞）和胰高血糖素（胰岛A细胞）。外分泌部分泌胰液（消化液）。

★★几种重要激素的主要作用：自己一定要动手写一遍！！

甲状腺激素： 促进新陈代谢，促进生长发育，加速体内物质氧化分解，提高神经系统的兴奋性。

肾上腺素： 增强心脏活动，使血管收缩，血压上升，促进糖元分解，使血糖升高。

胰高血糖素： 加速肝糖元分解，使血糖浓度升高 。

胰岛素：促进血糖合成糖元，加速血糖分解，降低血糖浓度。

血糖的三个来源：

① 由食物中的糖类消化、吸收而来。

② 由肝糖原水解而来。

③ 由脂肪等非糖物质转化而来。

血糖的三个去向：

① 氧化分解变成CO2和水，同时释放能量。

② 合成肝糖原、肌糖原。

③ 转化为脂肪、某些氨基酸等。

正常人的血糖浓度为0.8─1.2g/L。

与血糖平衡的调节最密切的激素是胰岛素、胰高血糖素和肾上腺素。

胰岛素是血糖平衡的调节中唯一能降血糖的激素，胰高血糖素和肾上腺素能使血糖浓度升高。

血糖平衡的调节是一种神经—体液调节。

反馈调节：

在一个系统中，系统本身工作的效果，反过来又作为信息调节该系统的工作，这种调节方称反馈调节。它是生命系统中非常普遍的调节机制，对于机体维持稳态具有重要意义。

★★激素调节的特点：

① 微量和高效

② 通过体液运输

③ 作用于靶器官、靶细胞

★★激素的特点：

种类多，量极微，不组成细胞结构，不提供能量，不起催化作用，只是使靶细胞原有的生理活动发生变化。

四、 神经调节和体液调节的关系

一方面，不少内分泌腺本身直接或间接地受中枢神经系统的调节，在这种情况下，体液调节可以看做神经调节的一个环节。

另一方面，内分泌腺所分泌的激素也可以影响神经系统的发育和功能。

第三，两者都是机体调节生命活动的基本形式，两者共同协调，相辅相承。

五、 免疫调节

免疫系统的组成：

① 免疫器官（包括扁桃体、淋巴结、胸腺、脾、骨髓）

② 免疫细胞（包括吞噬细胞和淋巴细胞）

淋巴细胞位于淋巴液、血液和淋巴结中，可分为T细胞和B细胞两种，两者都由骨髓中的造血干细胞分化而来。T细胞迁移到胸腺中成熟，B细胞在骨髓中成熟。

③ 免疫活性物质：如抗体、淋巴因子、溶菌酶等。

免疫系统的防卫功能：

第一道防线：皮肤和黏膜

第二道防线：体液中的杀菌物质（如溶菌酶）和吞噬细胞。

第三道防线：由免疫器官和免疫细胞借助血液循环和淋巴循环组成。

前两道防线没有特异性，叫做非特异性免疫。

★★与免疫有关的细胞及其作用：

① 吞噬细胞：来源于造血干细胞，可识别、处理、呈递抗原，吞噬抗体—抗原复合体。

② T细胞：来源于造血干细胞，在胸腺中发育成熟，能识别、呈递抗原，分化成效应T细胞和记忆细胞。

③ B细胞：来源于造血干细胞，在骨髓中发育成熟，能识别抗原，分化成效应B细胞（浆细胞）和记忆细胞。

④ 效应T细胞：来源于T细胞或记忆细胞，能分泌淋巴因子，与靶细胞结合发挥免疫效应。

⑤ 效应B细胞（浆细胞）：来源于B细胞或记忆细胞，能分泌抗体。

⑥ 记忆细胞：来源于T细胞或B细胞，

过敏反应

概念：已产生免疫的机体，在再次接受相同的抗原时所发生的组织损伤或功能紊乱。

特点：发作迅速，反应强烈，消退较快，有明显的遗传倾向和个体差异。

免疫系统的监控和清除功能：

是指监控并清除体内已经衰老或因其它因素而被破坏的细胞，以及癌变的细胞。

六、 植物的激素调节：

植物向光性的解释：是由于生长素分布不均匀造成的，单侧光照射后，胚芽鞘背光一侧的生长素多于向光一侧，因而引起两侧的生长不均匀，背光一侧生长快，向光一侧生长慢，从而造成向光弯曲。

生长素的产生：幼嫩的芽、叶和发育着的种子。由色氨酸经过一系列反应转变成生长素。

生长素的运输：

① 在胚芽鞘、芽、幼叶和幼根中，生长素只能从形态学的上端运输到形态学的下端，而不能反过来运输，称为极性运输，是一个主动运输的过程。

② 在成熟组织中，生长素可以通过韧皮部进行非极性运输。

生长素的分布：相对集中在生长旺盛的部分，如胚芽鞘、芽、根顶端的分生组织、形成层、发育中的果实和种子等处。

生长素的生理作用：

① 促进生长

② 促进子房发育成果实

③ 促进扦插的枝条生根

生长素的作用特点：两重性：既能促进生长，也能抑制生长；既能促进发芽，也能抑制发芽；既能防止落花落果，也能疏花疏果。一般情况下，生长素在浓度较低时促进生长，在浓度过高时会抑制生长，甚至杀死植物。

动植物激素的作用方式：不直接参与细胞代谢，而是给细胞传达一种调节代谢的信息。

其它植物激素及其作用：

① 赤霉素：

合成部位：末成熟的种子、幼根、幼芽。

主要作用：促进细胞伸长；促进种子萌发；促进果实发育

② 细胞分裂素：

合成部位：根尖

主要作用：促进细胞分裂。

③ 脱落酸：

合成部位：根冠、萎蔫的叶片。

分布部位：将要脱落的器官和组织中含量多。

主要作用：抑制细胞分裂，促进叶和果实的衰老和脱落。

④ 乙烯：

合成部位：植物的各个部位。

主要作用：促进果实成熟。

常识：

在植物的生长发育和适应环境变化的过程中，各种植物激素并不是孤立地起作用，而是多种激素相互作用共同调节。

植物的生长发育过程，在根本上是基因组在一定时间和空间上程序性表达的结果。

七、 种群的特征：

① 种群密度：种群最基本的数量特征。其调查常用的方法有样方法和标志重捕法。

② 出生率和死亡率

③ 迁入率和迁出率

④ 年龄组成和性别比例（年龄组成有增长型、稳定型和衰退型三种。）

八、 种群数量的变化：

1、 种群增长的“J”型曲线

计算公式：Nt=N0入t

其中：N0：该种群的起始数量；t：时间；Nt：t年后该种群的数量；入：该种群数量是一年前种群数量的倍数。

2、 种群增长的“S”型曲线

专业术语：

环境容纳量：在环境条件不受破坏的情况下，一定空间中所能维持的种群最大数量称为环境容纳量（又称K值）。

研究种群的变化规律以及影响种群变化的因素，对于有害动物的防治、野生生物资源的保护和利用，以及濒危动物种群的拯救和恢复，都有着重要意义。

九、 群落的结构

群落：同一时间内聚焦在一定区域中各种生物种群的集合，称群落。

群落的物种组成是区别不同群落的重要特征。

群落中物种数目的多少称为丰富度。其统计方法通常有两种：记名计算法和目测估计法。

群落的种间关系包括竞争、捕食、互利共生和寄生等。

群落的空间结构包括垂直结构和水平结构。

十、 群落的演替

演替：随着时间的推移，一个群落被另一个群落代替的过程。

演替类型：

1、 初生演替：是指在一个从来没有被植被覆盖的地面，或者是原来存在过植被，但被彻底消灭了的地方发生的演替。

例：裸岩、沙丘、火山岩、冰川泥上进行的演替。

发生在裸岩上的演替过程：裸岩阶段→地衣阶段→苔藓阶段→草本植物阶段→灌木阶段→森林阶段。

2、 次生演替：是指原有植被虽已不存在，但原有土壤条件基本保留，甚至还保留了植物的种子或其他繁殖体（如能发芽的地下茎）的地方发生的演替。

例：火灾过后的草原、过量砍伐的森林、弃耕的农田上进行的演替。

注意：人类活动往往会使群落演替按照不同于自然演替的速度和方向进行。

十一、生态系统的结构

生态系统：由生物群落与它的无机环境相互作用而形成的统一整体。

地球上最大的生态系统——生物圈

生态系统的组成成分及作用：

1、 非生物的物质和能量：包括阳光、热能、水、空气、无机盐等

2、 生产者：自养生物，如绿色植物、光合细菌、化能合成细菌等，是生态系统的基石。

3、 消费者：异养生物，动物、营寄生生活的微生物。消费者的存在能够加快生态系统的物质循环，消费者对于植物的传粉和种子的传播等具有重要作用。

4、 分解者：异养生物，主要是指营腐生生活的细菌和真菌。能将动植物遗体和动物的排泄物分解成无机物。

错综复杂的食物网是生态系统保持相对稳定的重要条件。一般认为，食物网越复杂，生态系统的抵抗力稳定性就越强。

食物链和食物网是生态系统的营养结构，生态系统的物质循环和能量流动就是沿着这种渠道进行的。

十二、生态系统的能量流动

生态系统的能量流动是指：生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程。

流经生态系统的总能量是指该生态系统的生产者固定下来的全部太阳能。

生态系统中能量流动的特点：

1、 单向流动

2、 逐级递减

生态系统中能量传递效率：10%～20%

★ ★★研究能量流动的意义：背诵！！！

1、 可以帮助人们科学规划、设计人工生态系统，使能量得到最有效的利用。

2、 可以帮助人们合理地调节生态系统中的能量流动关系，使能量持续高 效地流向对人类最有益的部分。

十三、生态系统的物质循环

生态系统的物质循环：

是指组成生物体的C、H、O、N、P、S等元素，都不断进行着从无机环境到生物群落，又从生物群落到无机环境的循环过程。这里的生态系统是指地球上最大的生态系统——生物圈。其中的物质循环具有全球性，因此又叫生物地球化学循环。

能量流动和物质循环的关系：

二者同时进行，彼此相互依存，不可分割。具体表现：1、物质作为能量的载体，使能量沿着食物链（网）流动。2、能量作为动力，使物质能够不断地在生物群落和无机环境之间循环往返。生态系统中的各种组成成分，正是通过能量流动和物质循环，才能够紧密地联系在一起，形成一个统一的整体。

能量流动和物质循环是生态系统的主要功能。

十四、生态系统的信息传递

意义：

①生命活动的正常进行，离不开信息的作用；

②生物种群的繁衍，离不开信息的传递；

③信息能调节生物的种间关系，以维持生态系统的稳定。

信息传递在农业生产中的应用：

1、 提高农产品或畜产品的产量；

2、 对有害动物进行控制。

十五、生态系统的稳定性

概念：生态系统所具有的保持或恢复自身结构和功能相对稳定的能力，叫做生态系统的稳定性。

负反馈调节在生态系统中普遍存在，它是生态系统自我调节能力的基础。

抵抗力稳定性：是指生态系统抵抗外界干扰并使自身的结构与功能保持原状（不受损害）的能力。

恢复力稳定性：是指生态系统在受到外界干扰因素的破坏后恢复到原状的能力。

一般来说，生态系统中的组分越多，食物网越复杂，其自我调节能力就越强，抵抗力稳定性就越高（但其恢复力稳定性就越低）。

提高生态系统的稳定性的措施：

1、 控制对生态系统干扰的程度，对生态系统的利用应该适度，不应超过生态系统的自我调节能力。

2、 对人类利用强度较大的生态系统，应实施相应的物质和能量投入，保证生态系统内部结构与功能的协调。

十六、全球性生态环境问题

全球性生态环境问题主要包括：

全球气候变化、水资源短缺、臭氧层破坏、酸雨、土地荒漠化、海洋污染和生物多样性锐减等。

生物多样性的构成：生物圈内所有的植物、动物和微生物，它们所拥有的全部基因以及各种各样的生态系统，共同构成了生物多样性。

生物多样性的价值：

1、 潜在价值：目前人类尚不清楚的应用价值。

2、 间接价值：指生态系统的重要调节功能（也叫生态功能）。

3、 直接价值：如食用、药用、工业原料、旅游观赏、科学研究、文学艺术创作等方面的价值。

注意：生物多样性的间接价值明显大于它的直接价值。

保护生物多样性的措施：

1、 就地保护：建立自然保护区以及风景名胜区（生物多样性最有效的保护）。

2、 易地保护：建立动物园、植物园以及濒危动植物繁育中心。

3、 其它措施：建立精子库、种子库、利用生物技术对濒危物种的基因进行保护、人工授精、组织培养、胚胎移植等。

保护生物多样性应注意的问题：

1、 关键是要协调好人与生态环境的关系；

2、 加强立法、执法和宣传教育；

3、 反对盲目地、掠夺式地开发利用，而不是说禁止开发和利用（合理利用就是最好的保护）。

可持续发展的含义：

“在不牺牲未来几代人需要的情况下，满足我们这代人的需要，”它追求的是自然、经济、社会的持久而协调的发展。

选修三理论部分

一、 基因工程

基因工程的基本工具：

1、 “分子手术刀”———限制性核酸内切酶（简称限制酶），识别并切割DNA每一条链中特定部位的两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键，产生两种DNA片段末端：黏性末端和平末端。

2、 “分子缝合针“———DNA连接酶：恢复被限制酶切开了的两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键，将黏性末端、平末端连接起来。

3、 “分子运输车”———基因进入受体细胞的载体。

常用载体：质粒、入噬菌体的衍生物、动植物病毒等。

质粒简介：

质粒是一种裸露的、结构简单、独立于细菌染色体（即拟核DNA）之外，具有自我复制能力的双链环状DNA 分子。其特点是：①能自我复制（也能随染色体DNA进行同步复制）；②有一个至多个限制酶切割位点（供外源DNA插入其中）；③有特殊的遗传标记基因（供重组DNA的鉴定和选择）。

在基因工程操作中，真正被用作载体的质粒，都是在天然质粒的基础上进行过人工改造的。

基因工程的基本操作程序：

1、 目的基因的获取

目的基因主要是指编码蛋白质的结构基因，也可以是一些具有调控作用的因子。

目的基因的获取方法：①从基因文库中获取，即根据目的基因的有关信息，如基因的脱氧核苷酸序列、基因的功能、基因在染色体上的位置、基因的转录产物mRNA、基因的翻译产物蛋白质等特性来获取目的基因。②利用PCR技术扩增目的基因。③通过DNA合成仪用化学方法直接人工合成（基因比较小，核苷酸序列又已知）

2、 基因表达载体的构建（基因工程的核心）

基因表达载体的组成：目的基因、启动子、终止子、标记基因。

启动子：一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端，是RNA聚合酶识别和结合的部位。

终止子：一段有特殊结构的DNA短片段，位于基因的尾端，使转录停止。

标记基因：鉴别受体细胞中是否含有目基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出来。

3、 将目的基因导入受体细胞

方法：将目的基因导入植物细胞：农杆菌转化法、基因枪法、花粉管通道法

将目的基因导入动物细胞：显微注射技术（显微注射法）

将目的基因导入微生物细胞：Ca2+处理法

4、目的基因的检测与鉴定：

① 检测转基因生物染色体的DNA上是否插入了目的基因――――DNA分子杂交技术

② 检测目的基因是否转录出了mRNA――――DNA－mRNA杂交

③ 检测目的基因是否翻译成蛋白质――――抗原－抗体杂交

④ 个体生物学水平鉴定

注：基因探针：是指用放射性同位素标记的一个DNA单链片段。

基因工程的应用

① 培育抗虫（抗病、抗逆）转基因植物

② 改良植物品质

③ 改善畜产品品质

④ 提高动物生长速度

⑤ 用转基因动物生产药物

⑥ 用转基因动物作器官移植的供体

⑦ 用基因工程生产药品

⑧ 基因制药

考生应了解以下基因的作用：

病毒外壳基因、病毒的复制酶基因―――抗病转基因植物采用

几丁质酶基因、抗毒素合成基因―――抗真菌转基因植物采用

抗冻蛋白基因―――抗寒转基因植物采用

抗除草剂基因―――使作物获得抗除草剂能力

外源生长激素基因―――使动物生长得更快

肠乳糖酶基因―――使乳汁中乳糖含量大大减低

药用蛋白基因―――

乳腺蛋白基因―――

抗原决定基因―――

腺苷酸脱氨酶基因―――

专业术语：乳腺（房）生物反应器

蛋白质工程

天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的，即：

基因→表达（转录和翻译）→形成氨基酸序列的多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能

蛋白质工程的基本流程：

从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列

蛋白质工程的定义：

以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活和需求。它是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程。

二、 细胞工程

（一）植物细胞工程

1、 植物组织培养技术：

是指在无菌和人工控制条件下，将离体的植物器官、组织、细胞，培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其产生愈伤组织、丛芽、最终形成完整的植株。一般都要用到生长素和细胞分裂素。

2、 植物体细胞杂交技术：

去除细胞壁：用纤维素酶和果胶酶

诱导原生质体融合：①物理法：离心、振荡、电激。②聚乙二醇（PEG）

意义：克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍。

3、 植物细胞工程的实际应用：

① 微型繁殖

② 作物脱毒

③ 人工种子

④ 单倍体育种（可明显缩短育种年限，节约大量人力物力）

⑤ 突变体的利用

⑥ 细胞产物的工厂化生产

（二）动物细胞工程

1、动物细胞培养

分散细胞：用胰蛋白酶或胶原蛋白酶

专业术语：细胞贴壁、接触抑制、原代培养、传代培养

动物细胞培养的条件：

① 无菌、无毒的环境

（措施：灭菌；细胞培养液中添加一定量的抗生素；定期更换培养液）

② 营养

（糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素、血清、血浆）

③适宜的温度和pH

③ 气体环境（指O2和CO2）

3、 动物体细胞核移植技术

是将动物的一个细胞的细胞核，移入一个已经去掉细胞核的卵母细胞中，使其重组并发育成一个新的胚胎，这个新的胚胎最终发育为动物个体。

哺乳动物核移植可以分为胚胎细胞核移植和体细胞核移植。动物体细胞核移植的难度明显高于胚胎细胞核移植。

动物细胞培养：从动物机体中取出相关的组织，将它们分散成单个细胞，然后放在适宜的培养基中，生长，增殖。

1丶选材：动物胚胎或幼龄动物的器官或组织。

2丶细胞分离：使器官组织分离成单个细胞，

常用方法，物理：剪刀剪碎，

化学法：胰蛋白酶，胶原蛋白酶

3丶制作细胞悬浮液，方法：加培养液。形成细胞悬浮液

4丶培养细胞株，原代培养，传代培养

5丶形成细胞系，传代培养，遗传物质的改变。

2细胞融合

方法：

物理法，电刺激，振动，离心。

化学法，聚乙二醇（PEG）强烈的吸水性，有凝聚蛋白质的作用。

病毒法，紫外线照射后灭活仙台病毒，丧失了感染活性，保留了融合活性

原理：细胞膜的流动性。

用途及意义：制备单克隆抗体。

3克隆抗体

单克隆：由一个细胞通过有丝分裂形成一个细胞群。

单克隆抗体：由一个浆细胞通过有丝分裂形成一个细胞群，这个细胞群可以产生特异性抗体。

4原理

利用了免疫，细胞融合，动物细胞培养等原理。

B淋巴细胞在抗原的刺激下，能够分化、增殖形成具有针对这种抗原分泌特异性抗体的能力。B细胞的这种能力和量是有限的，不可能持续分化增殖下去，因此产生免疫球蛋白的能力也是极其微小的。将这种B细胞与非分泌型的骨髓瘤细胞融合形成杂交瘤细胞，再进一步克隆化，这种克隆化的杂交瘤细胞是既具有瘤的无限生长的能力，又具有产生特异性抗体的B淋巴细胞的能力，将这种克隆化的杂交瘤细胞进行培养或注入小鼠体内即可获得大量的高效价、单一的特异性抗体。这种技术即称为单克隆抗体技术。

5材料

效应B细胞（只有效应B淋巴细胞才能产生出特异性的抗体）

骨髓瘤细胞（能无限增殖）

6过程

1）免疫脾细胞的制备 制备单克隆抗体的动物多采用纯系Balb/c小鼠。免疫的方法取决于所用抗原的性质。免疫方法同一般血清的制备，也可采用脾内直接免疫法。

2）骨髓瘤细胞的培养与筛选 在融合前，骨髓瘤细胞应经过含8-AG的培养基筛选，防止细胞发生突变恢复HGPRT的活性（恢复HGPRT的活性的细胞不能在含8-AG的培养基中存活）。骨髓瘤细胞用10%小牛血清的培养液在细胞培养瓶中培养，融合前24h换液一次，使骨髓瘤细胞处于对数生长期。

3）细胞融合的关键:

1技术上的误差常常导致融合的失败。例如，供者淋巴细胞没有查到免疫应答。这必然要失败的。

2融合试验最大的失败原因是污染，融合成功的关键是提供一个干净的环境，以及适宜的无菌操作技术。

4）阳性克隆的筛选 应尽早进行。通常在融合后10天作第一次检测，过早容易出现假阳性。检测方法应灵敏、准确、而且简便快速。具体应用的方法应根据抗原的性质，以及所需单克隆抗体的功能进行选择。常用的方法有RIA法、ELISA法和免疫荧光法等。其中ELISA法最简便，RIA法最准确。阳性克隆的筛选应进行多次，均阳性时才确定为阳性克隆进行扩增。

5）克隆化 克隆化的目的是为了获得单一细胞系的群体。克隆化应尽早进行并反复筛选。这是因为初期的杂交瘤细胞是不稳定的，有丢失染色体的倾向。反复克隆化后可获得稳定的杂交瘤细胞株。克隆化的方法很多，而最常用的是有限稀释法。

（1）显微操作法：在显微镜下取单细胞，然后进行单细胞培养。这种方法操作复杂，效率低，故不常用。

（2）有限稀释法：将对数生长期的杂交瘤细胞用培养液作一定的稀释后，按每孔1个细胞接种在培养皿中，细胞增值后成为单克隆细胞系。第一次克隆化时加一定量的饲养细胞。由于第一次克隆化生长的细胞不能保证单克隆化，所以为获得稳定的单克隆细胞株需经2～3次的再克隆才成。应该注意的是，每次克隆化过程中所有有意义的细胞都应冷冻保存，以便重复检查，避免丢失有意义的细胞。

（3）软琼脂法：将杂交瘤细胞稀释到一定密度，然后与琼脂混悬。在琼脂中的细胞不能自由移动，彼此互不相混，从而达到单细胞培养的目的。但此法不如有限稀释法好。

（4）荧光激光细胞分类法：用抗原包被的荧光乳胶微球标记杂交瘤细胞，然后根据抗原与杂交瘤细胞结合的特异性选出细胞，并进行单细胞培养。

6）细胞的冻存与复苏

7）大规模单克隆抗体的制备 选出的阳性细胞株应及早进行抗体制备，因为融合细胞随培养时间延长，发生污染、染包体丢失和细胞死亡的机率增加。抗体制备有两种方法。一是增量培养法，即将杂交瘤细胞在体外培养，在培养液中分离单克隆抗体。该法需用特殊的仪器设备，一般应用无血清培养基，以利于单克隆抗体的浓缩和纯化。最普遍采用的是小鼠腹腔接种法。选用BALB/c小鼠或其亲代小鼠，先用降植烷或液体石蜡行小鼠腹腔注射，一周后将杂交瘤细胞接种到小鼠腹腔中去。通常在接种一周后即有明显的腹水产生，每只小鼠可收集5～10ml的腹水，有时甚至超过40ml。该法制备的腹水抗体含量高，每毫升可达数毫克甚至数十毫克水平。此外，腹水中的杂蛋白也较少，便于抗体的纯化。

外源ＤＮＡ片段和线状质粒载体的连接，也就是在双链ＤＮＡ５'磷酸和相邻的3'羟基之间形成的新的共价链。如质粒载体的两条链都带5'磷酸，可生成４个新的磷酸二酯链。但如果质粒ＤＮＡ已去磷酸化，则吸能形成２个新的磷酸二酯链。在这种情况下产生的两个杂交体分子带有２个单链切口（图1.8），当杂本导入感受态细胞后可被修复。相邻的５'磷酸和３'羟基间磷酸二酯键的形成可在体外由两种不同的ＤＮＡ连接酶催化，这两种酶就是大肠杆菌ＤＮＡ连接酶和Ｔ４噬菌体ＤＮＡ连接酶。实际上在有克隆用途中，Ｔ４噬菌体ＤＮＡ连接酶都是首选的用酶。这是因为在下述反应条件下，它就能有效地将平端ＤＮＡ片段连接起来。

ＤＮＡ一端与另一端的连接可认为是双分子反应，在标准条件下，其反应速度完全由互相匹配的ＤＮＡ末端的浓度决定。不论末端位于同一ＤＮＡ分子（分子内连接）还是位于不同分子（分子间连接），都是如此。现考虑一种简单的情况，即连接混合物中只含有一种ＤＮＡ，也就是用可产生粘端的单个限制酶切割制备的磷酸化载体ＤＮＡ。在加作用的底物。如果反应中ＤＮＡ浓度低，则配对的两个末端同一ＤＮＡ分子的机会较大（因为ＤＮＡ分子的一个末端找到同一分子的另一末端的概率要高于找到不同ＤＮＡ分子的末端的概率）。这样，在ＤＮＡ浓度低时，质粒ＤＮＡ重新环化将卓有成效。如果连接反应中ＤＮＡ浓度有所增高，则在分子内连接反应发生以前，某一个ＤＮＡ分子的末端碰到另一ＤＮＡ分子末端的可能性也有所增大。因此在ＤＮＡ浓度高时，连接反的初产物将是质粒二聚体和更大一些的寡聚体。Dugaiczyk等(1975同时参见Bethesda Res,Lab.出版的Focus第2卷，第２、３期合刊）从理论上探讨了ＤＮＡ浓度对连接产物性质的影响。简而言之，环化的连接产物与多联体连接产物的比取决于两个参数：j和i。j是ＤＮＡ分子的一个末端在同一分子的另一末端附近的有效浓度，j的数值是根据如下一种假设作出的：沉吟液中的ＤＮＡ呈随机卷曲。这样，j与ＤＮＡ分子的长度成反比（因为ＤＮＡ越长，某一给定分子的两末端的越不可能相互作用），因此j对给定长度的ＤＮＡ分子来说是一个常数，与ＤＮＡ深度无关。j＝[3/(3πlb0)]3/2其中l是ＤＮＡ长度，以cm计，b是随机卷曲的ＤＮＡ区段的长度。b的值以缓冲液的离子强度为转移，而后者可影响ＤＮＡ的刚度。

i是溶液中所有互补末端的深度的测量值，对于具有自身互补粘端的双链dna而言，i=2NoMx10-3末端/ml这里Ｎo是阿佛伽德罗常数，Ｍ是ＤＮＡ的摩尔浓度（单位：mol/L)。理论上，当j=i时，给定ＤＮＡ分子的一个末端与同一分子的另一末端，以及与不同分子的末端相接触的可能性相等。因而在这样的条件下，在反应的初始阶段中，环状分子与多联体分子的生成速率相等。而当j>i时，有利于重新环化；当i>j，则有利于产生多联体。图1.9显示了ＤＮＡ区段的大小与连接反应混合物中j:i之比分别为0.5、1、2和5时所需ＤＮＡ浓度之间关系（Ｄugaiczyk等，1985）。现在考虑如下的连接反应混合物：其中除线状质粒之外，还含有带匹配末端的外源ＤＮＡ片段。对于一个给定的连接混合物而言，产生单体环状重组基因组的效率不仅受反应中末端的绝对浓度影响，而且还受质粒和外源ＤＮＡ末端的相对浓度的影响。当i是j的２－３倍（即末端的绝对浓度足以满足分子间连接的要求，而又不致引起大量寡聚体分子的形成时）外源ＤＮＡ末端浓度的２倍时，有效重组体的产量可达到最大。这些条什下，连接反应终产物的大约40％都是由单体质粒与外源ＤＮＡ所形成的嵌合体。当连接混合物中线性质粒的量恒定（j:i=3）而带匹配末端的外源ＤＮＡ的量递增时，这种嵌合体在连接反应之末的理论产量。

涉及带粘端的线状磷酸化质粒ＤＮＡ的连接反应应包含：

１）足量的载体ＤＮＡ，以满足j:i>1和j:i<3。对一个职pUC18一般大小的质粒，这意味着连接反应中应含有载体ＤＮＡ为20-60μg/ml。

２）末端浓度等于或稍高于载体ＤＮＡ的外源ＤＮＡ，如外源ＤＮＡ浓度比载体低得多，在效连接产物的数量会很低，这样就很难别小部分带重组抽粒的转化菌落。这种情况下，可考虑采用一些步骤来减少带非重组质粒的背景菌落。如用磷酸酶处理线状质粒ＤＮＡ或发迹克隆策略以便通过定向克隆的方法构建重组质粒。

(二）粘端连接

１）用适当的限制酶消化质粒和外源ＤＮＡ。如有必要，可用凝胶电泳分离片段并（或）用碱性磷酸酶处理质粒ＤＮＡ。通过酚：氯仿抽提和乙沉淀来纯化ＤＮＡ，然后用TE(pH7.6)溶液使其浓度为100/ml。

２）按如下所述设立连接反应混合物：

a．将0.1μl载体ＤＮＡ转移到无菌微量离心管中，加等摩尔量的外源ＤＮＡ。

b．加水至7.5μl，于45℃加温５分钟以使重新退炎的粘端解链，将混合物冷却到０℃。

c．加入：10xT4噬菌体ＤＮＡ连接酶缓冲液 １μl

Ｔ４噬菌体ＮＤＡ连接酶 0.1Weiss单位

５mmol/L ATP 1μl

于16℃温育１－４小时

10xT4噬菌体ＤＮＡ连接酶缓冲液

200mmol/L同Tris.Cl(pH7.6)

50mmol/K MgCl2

50mmol/L二硫苏糖醇

500μg/ml牛血清白蛋白（组分Ｖ.Sigma产品）（可用可不用）

该缓训液应分装成小份，贮存于－20℃。

另外，再设立两个对照反应，其中含有（１）只有质粒载体；（２）只有外源ＤＮＡ片段。如果外源ＤＮＡ量不足，每个连接反应可用50-100ng质粒ＤＮＡ，并尽可能多加外源ＤＮＡ，同时保持连接反应体积不超过10μl。可用至少３种不同方法来测定Ｔ４噬菌体ＤＮＡ连接酶的活性。大多数制造厂商（除New England Biolabs公司外）现在都用Weiss等，１1968)对该酶进行标化。１个Weiss单位是指在37℃下20分钏内催化１mmol32P从焦磷酸根置换到[γ,β-32P]ATP所需酶时，１个Weiss单位相当于0.2个用外切核酸酶耐受试验来定义的单位（Modrich和Lehman,1970)或者60个粘端单位（如Ｎew England Biolabs公司所定义）。因此，0.015Ｗeiss单位的Ｔ４噬菌体ＤＮＡ连接酶在16℃下30分钟内可使50％的λ噬菌体HindⅢ片段（5μg）得以连接。在本书中，Ｔ４噬菌体ＤＮＡ连接酶一律用Weiss单位表示。\par 目前提供的Ｔ４噬菌体ＤＮＡ连接酶均为浓溶液（1-5单位/μl），可用20mmol/L Tris.Cl(pH7.6)、60mmol/L KCl、5mmol/L二硫苏糖醇、500μg/ml牛血清白蛋白、50％甘稀释成100单位/ml的浓度置存。处于这种浓度并在这种缓冲液中的Ｔ４噬体ＤＮＡ连接酶于-20℃保存３个月可保持稳定。

３）每个样品各取１－２μl转化大肠杆菌感受态细胞。

（三）平端ＤＮＡ连接

Ｔ４噬菌体ＤＮＡ连接酶不同于大肠杆菌ＤＮＡ连接酶，它可以催化平端ＤＮＡ片段的连接（Sgaramella和Khorana,1972Sgaramella和Ehrlich,1978），由于ＤＮＡ很容易成为平端，所以这是一个极为有用的酶学物性。有了这样的物性，才能使任何ＤＮＡ分子彼此相连。然而，相对而言，平端连接是低效反应，它要求以下４个条件：

１）低浓度（0.5mmol/L）的ATP(Ferretti和Sgaranekka,1981）。

２）不存在亚精胺一类的多胺。

３）极高浓度的连接酶（50Weiss单位．ml）。

４）高浓度的平端。

１．凝聚剂

在反应混合物中加入一些可促进大分子群聚作用并可导致ＤＮＡ分子凝聚成集体的物质，如聚乙二醇（Pheiffer和Zimmerman,1983Zimmerman和Pheiffer,1983ZimmermanT Ｈarrison,1985)或氯化六氨全高钴（Rusche和Howard-Flanders,1985）,可以使如何取得适当浓度的平端ＤＮＡ的总是迎刃而解。在连接反应中，这些物质具有两作用：

１）它们可使平端ＤＮＡ的连接速率加大１－３个数量级，因此可使连接反应在酶ＤＮＡ浓度不高的条件下进行。

２）它们可以改变连接产物的分布，分子内连接受到抑制，所形成的连接产物一律是分子间连接的产物。这样，即使在有利于自身环化（j:i=10）的ＤＮＡ浓度下，所有的ＤＮＡ产物也将是线状多聚体。\par 在设立含凝聚剂的连接反应时，下列资料可供参考。

（１）聚乙二醇（PEG8000）

１）用去离子水配制的ＰＥＧ8000贮存液（40％）分装成小份，冰冻保存，但加入连接反应混合物之前应将其融化并使其达到室温。在含15％PEG 8000的连接反应混合物中，对连接反刺激效应最为显著。除PEG 800和Ｔ４噬菌体ＤＮＡ连接酶以外，其他所有连接混合物的组分应于０℃混合，然后加适当体积的PEG 8000（处于室温），混匀，加酶后于20℃进行温育。

２）连接混合物中含0.5mmol/L ATP和5mmol/L MgCl2时对连接反应的刺激效应最为显著，甚至ATP浓度略有增加或ＭgCl2浓度略有降低，都会严重降低刺激的强度（Pheiffer和Zimmerman,1983）。

３）浓度为15％的PEG 8000可刺激带粘端的ＤＮＡ分子的连接效率提高至原来的10-100倍，反应的主产物是串联的多联体。

４）PEG 8000可刺激短至８个核苷酸的合成寡聚物的平端连接，在这一方面，它与氯化六氨合高钴有所不同。

（２）氯化六氨合高钴

１）氯化六氨合高钴可用水配成10mmol/L贮存液贮存于-20℃，它对连接反应的刺激具有高度的浓度信赖性。当连接反应混合物中盐深度为1.0-1.5μmol/L时，其刺激作用最大。氯化六氨合高钴可使平端连接的效率大约提高到原来的50W部，但只能使端连接的效率提高到原来的５倍（Rusche和Howard-Flanders,1985）。

２）在单价阳离子（30mmol/L KCl）存在下，它对平端连接仍有一定的刺激作用，但此时连接产物的分布有所改变。连接产物不再是清一色的分子间连接产物，相反，环状ＤＮＡ将点尽优势。

３）与ＰＥＧ 8000不同，氯化六氨合高钴不能显著提高合成寡核苷酸的连接速率。

（四）质粒载体中的快速克隆

质粒克隆中最慢的步骤是所需的外源ＤＮＡ片段和相应质粒ＤＮＡ区段的电泳纯化，下面的操作方案[由S.Michaelis(个人通讯）根据Struhl(1985)的方法修订而成]是从纯化的凝胶中回收琼脂糖块，熔化后直接进行质粒和外源ＤＮＡ的连接。这一方法寻平端连接和粘端连接都同样奏效，但需大量的连接酶，而且效率要比标准操作方案约低一个数量级。

１）用适当的限制酶消化外源ＤＮＡ，其量应足以产生约0.2μg的靶片段。反应体积应为20μl或更小。在另一管中，用相应的限制酶消化约0.5μg载体ＤＮＡ，总反应体积为20μl或更小。如载体ＤＮＡ带相同的端，应用磷酸处理如下：用限制酶消化完全后，加2.5μl 100mmol/L Tris.Cl(pH8.3)、10mmol/L ZnCl2,加0.25单位牛小肠碱性磷酸酶，于37℃温育30分钟。

２）通过琼脂糖凝胶电泳分离目标片段。务必用低熔点琼脂糖灌制凝胶，务必用含溴化乙锭（0.5μg/ml）的１xTAE作为电泳缓冲液而不是常规的0.5xTBE来配制凝胶并进行电泳。

３）在长波长紫外照射下检查凝胶，根据目标条带的相对荧光强度估计所含ＤＮＡ的量（见附录Ｅ）。用刀片切出目标条带，尽可能少琼脂糖的体积（通常40-50μl)。将切下凝胶片分别放入作好标记的各个微量离心管中。

４）于70℃加热10-15分钏，使琼脂糖熔化。

５）合并熔化的小份凝胶并放到加温至37℃的中一管中，共终体积应不超过10μl,外源ＤＮＡ与质粒载体的摩尔比应接近２：１。

用另外两个管设立两个对照连反应，一个只含质粒载体，另一个只含外源ＤＮＡ片段。

６）将３个管于37℃温育5-10分钟，然后每管加10μl用冰预次的２xT４噬体ＤＮＡ连接酶混合物，在琼脂糖凝固前，充他混匀各管内容物，于16℃温育12-16小时。

２xT４噬菌体ＤＮＡ连接酶混合物可制备如下：

1mol/L Tris.Cl(pH7.6) 1.0μl

100mmol/L氯化镁 1.0μl

200mmol/L三硫苏糖醇 1.0μl

10mmol/L ATP 1.0μl

水 5.5μl

Ｔ４噬菌体ＤＮＡ连接酶 １Ｗeiss单位

混匀后放置于冰浴上。

７）连接反应行将结束时，取出贮存于-70的３管各200μl的冻存大肠杆菌感受态细胞

８）于70℃中热10-15分钟重新溶化连接混合物中的琼脂糖。

９）立即从每管连接混全物中取出５μl加到200μl大肠杆菌感受态细胞中，小心摇晃，快速地混匀内容物。从剩下每管连接混合物中分别再取５μl重复以上步骤，将转化混合物在冰浴上放置30分钟。

10）完成转化方案的其余各步 分子克隆化是在分子水平上提供一种纯化和扩增特定DNA片段的方法。常含有目的基因，用体外重组方法将它们插入克隆载体，形成重组克隆载体，通过转化与转导的方式，引入适合的寄主体内得到复制与扩增，然后再从筛选的寄主细胞内分离提纯所需的克隆载体，可以得到插入DNA的许多拷贝，从而获得目的基因的扩增。克隆(clone,clon)一词源于希腊文Klon，原意为树木的枝条。在生物学中其名词含义系指一个细胞或个体以无性繁殖的方式产生一群细胞或一群个体，在不发生突变的情况下，具有完全相同的遗传性状，常称无性繁殖(细胞)系；其动词(clone,cloned,cloning)含义指在生物体外用重组技术将特定基因插入载体分子中，即分子克隆技术。将DNA片段(或基因)与载体DNA分子共价连接，然后引入寄主细胞，再筛选获得重组的克隆，按克隆的目的可分为DNA和cDNA克隆两类。cDNA克隆是以mRNA为原材料，经体外反转录合成互补的DNA(cDNA)，再与载体DNA分子连接引入寄主细胞。每一cDNA反映一种mRNA的结构，cDNA克隆的分布也反映了mRNA的分布。特点是：①有些生物，如RNA病毒没有DNA，只能用cDNA克隆；②cDNA克隆易筛选，因为cDNA库中不包含非结构基因的克隆，而且每一cDNA克隆只含一个mRNA的信息；③cDNA能在细菌中表达。cDNA仅代表某一发育阶段表达出来的遗传信息，只有基因文库才包含一个生物的完整遗传信息。分子克隆化-方法(1)DNA片段的制备：常用以下方法获得DNA片段：①用限制性核酸内切酶将高分子量DNA切成一定大小的DNA片段；②用物理方法(如超声波)取得DNA随机片段；③在已知蛋白质的氨基酸顺序情况下，用人工方法合成对应的基因片段；④从mRNA反转录产生cDNA。(2)载体DNA的选择：①质粒：质粒是细菌染色体外遗传因子，DNA呈环状，大小为1-200千碱基对(kb)。在细胞中以游离超螺旋状存在，很容易制备。质粒DNA可通过转化引入寄主菌。在细胞中有两种状态，一是“紧密型”；二是“松驰型”。此外还应具有分子量小，易转化，有一至多个选择标记的特点。质粒型载体一般只能携带10kb以下的DNA片段，适用于构建原核生物基因文库，cDNA库和次级克隆。②噬菌体DNA：常用的λ噬菌体的DNA是双链，长约49kb，约含50个基因，其中50%的基因对噬菌体的生长和裂解寄主菌是必需的，分布在噬菌体DNA两端。中间是非必需区，进行改造后组建一系列具有不同特点的载体分子。λ载体系统最适用于构建真核生物基因文库和cDNA库。M13噬菌体是一种独特的载体系统，它只能侵袭具有F基因的大肠杆菌，但不裂解寄主菌。M13DNA(RF)在寄主菌内是双链环状分子，象质粒一样自主制复，制备方法同质粒。寄主菌可分泌含单链DNA的M13噬菌体，又能方便地制备单链DNA，用于DNA顺序分析、定点突变和核酸杂交。③拷斯(Cos)质粒：是一类带有噬菌体DNA粘性末端顺序的质粒DNA分子。是噬菌体－质粒混合物。此类载体分子容量大，可携带45kb的外源DNA片段。也能象一般质粒一样携带小片段DNA，直接转化寄主菌。这类载体常被用来构建高等生物基因文库。(3)DNA片段与载体连接：DNA分子与载体分子连接是克隆过程中的重要环节之一，方法有：①粘性末端连接，DNA片段两端的互补碱基顺序称之为粘性末端，用同一种限制性内切酶消化DNA可产生相同的粘性末端。在连接酶的作用下可恢复原样，有些限制性内切酶虽然识别不同顺序，却能产生相同末端。②平头末端连接，用物理方法制备的DNA往往是平头末端，有些酶也可产生平头末端。平头DNA片段可在某些DNA连接酶作用下连接起来，但连接效率不如粘性末端高；③同聚寡核苷酸末端连接。④人工接头分子连接，在平头DNA片段末端加上一段人工合成的、具有某一限制性内切酶识别位点的寡核苷酸片段，经限制性内切酶作用后就会产生粘性末端。连接反应需注意载体DNA与DNA片段的比率。以λ或Cos质粒为载体时，形成线性多连体DNA分子，载体与DNA片段的比率高些为佳。以质粒为载体时，形成环状分子，比率常为1∶1。(4)引入寄主细胞：常用两种方法：①转化或转染，方法是将重组质粒DNA或噬菌体DNA(M13)与氯化钙处理过的宿主细胞混合置于冰上，待DNA被吸收后铺在平板培养基上，再根据实验设计使用选择性培养基筛选重组子，通常重组分子的转化效率比非重组DNA低，原因是连接效率不高，有许多DNA分子无转化能力，而且重组后的DNA分子比原载体DNA分子大，转化困难。②转导，病毒类侵染宿主菌的过程称为转导，一般转导的效率比转化高。(5)克隆的选择：①直接筛选：有些载体带有可辨认的遗传标记，能有效地将重组分子与本底区分。例如：有些λ噬菌体携带外源基因后形成的噬菌斑就会从原来的混浊变为清亮；还有些载体分子携带外源基因后，形成的菌落或噬菌斑的颜色有明显变化，如蓝色变为无色；有些λ噬菌体能侵染甲菌而不能侵染乙菌，携带外源DNA片段后便能侵染乙菌，因此乙菌释放的噬菌体均为重组分子。②间接筛选：有引起载体分子带有一个或多个抗药性标记基因，当外源DNA插入到抗药基因区后，基因失活，抗性消失。如一质粒有A和B两个抗药性基因，当外源基因插入到B基因区后，便只抗A药而不抗B药。因此能在A药培养基上正常生长而不能在B药培养上生长的便是重组分子。③核酸杂交：广泛用于筛选含有特异DNA顺序的克隆。方法是将菌落或噬菌斑“印迹”到硝酸纤维膜等支持物上，变性后固定在原位，然后与标记的核酸探针进行杂交。阳性点的位置就是所需要的克隆。④免疫学方法：如果重组克隆能在宿主菌中表达，就可以用特异的蛋白质抗体为探针，进行原位杂交，选择特异的克隆。分子克隆化-重要意义分子克隆技术是70年代才发展起来的，它的出现和应用开辟了分子遗传学研究的新领域，打开了人类了解、识别、分离和改造基因，创造新物种的大门。它的成就对于工业、农牧业和医学产生深远影响，并将为解决世界面临的能源、食品和环保三大危机开拓一条新的出路。在医学方面，利用分子克隆技术已将胰岛素，人、牛和鸡的生长激素、人的干扰素、松驰素、促红细胞生长激素、乙型肝炎病毒抗原和口蹄疫病毒抗原的基因制成工程菌，利用发酵工业进行了大规模生产。还可提高微生物本身所产生的蛋白酶类和抗生素类药物的产量。在基因治疗方面。通过遗传工程看到癌细胞具有逆转为正常细胞的可能性，例如SV40病毒引起的小鼠肿瘤细胞，在温度高时可逆转为正常细胞。为治疗半乳糖血症，用带有大肠杆菌乳糖操纵子的λ噬菌体去感染半乳糖血症患者的离体培养细胞，发现这种细胞的半乳糖苷酶达到了正常水平，并确实能代谢半乳糖。在工业生产方面，以分子克隆技术为主体的基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程，四者紧密联系、常综合利用。许多化学试剂如丙烯酸、己二酸、乙二醇、甲醇、环氧乙烷、乌头酸和水杨酸等都可能利用分子克隆技术得到产品。在环境保护方面，人们根据需要进行基因操作，将某种微生物的基因转入另一微生物，创造一些对有害物质降解能力更强的新菌种，以分解工业污水中的有毒物质。在食品工业方面，细菌可为人类生产有价值的蛋白质、氨基酸和糖等。在农业生产方面，植物遗传工程对提高农作物的产量、培育新的农作物品种提供了可能。有许多外源基因导入植物获得成功。

一、  基因工程

1、（a）基因工程的诞生

（一）基因工程的概念

基因工程是指按照人们的愿望，进行严格的设计，通过体外DNA重组和转基因技术，赋予生物以新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，又叫做DNA重组技术。

2、（a）基因工程的原理及技术

原理：基因重组

技术：（一）基因工程的基本工具

1.“分子手术刀”——限制性核酸内切酶（限制酶）

（1）来源：主要是从原核生物中分离纯化出来的。

（2）功能：能够识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开，因此具有专一性。

（3）结果：经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式：黏性末端和平末端。

2.“分子缝合针”——DNA连接酶

(1)两种DNA连接酶（E·coliDNA连接酶和T4DNA连接酶）的比较：

①相同点：都缝合磷酸二酯键。

②区别：E·coliDNA连接酶来源于T4噬菌体，只能将双链DNA片段互补的黏性末端之间的磷酸二酯键连接起来；而T4DNA连接酶能缝合两种末端，但连接平末端的之间的效率较低。

(2)与DNA聚合酶作用的异同:DNA聚合酶只能将单个核苷酸加到已有的核苷酸片段的末端，形成磷酸二酯键。DNA连接酶是连接两个DNA片段的末端，形成磷酸二酯键。

3.“分子运输车”——载体

（1）载体具备的条件：①能在受体细胞中复制并稳定保存。②具有一至多个限制酶切点，供外源DNA片段插入。③具有标记基因，供重组DNA的鉴定和选择。

（2）最常用的载体是质粒,它是一种裸露的、结构简单的、独立于细菌染色体之外，并具有自我复制能力的双链环状DNA分子。

（3）其它载体： 噬菌体的衍生物、动植物病毒

(二)基因工程的基本操作程序

第一步：目的基因的获取

1.目的基因是指： 编码蛋白质的结构基因 。

2.原核基因采取直接分离获得，真核基因是人工合成。人工合成目的基因的常用方法有反转录法_和化学合成法_。

3.PCR技术扩增目的基因

（1）原理：DNA双链复制

（2）过程：第一步：加热至90～95℃DNA解链；第二步：冷却到55～60℃，引物结合到互补DNA链；第三步：加热至70～75℃，热稳定DNA聚合酶从引物起始互补链的合成。

第二步：基因表达载体的构建

1.目的：使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传至下一代，使目的基因能够表达和发挥作用。

2.组成：目的基因＋启动子＋终止子＋标记基因

（1）启动子：是一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端，是RNA聚合酶识别和结合的部位，能驱动基因转录出mRNA，最终获得所需的蛋白质。

（2）终止子：也是一段有特殊结构的DNA片段 ，位于基因的尾端。

（3）标记基因的作用：是为了鉴定受体细胞中是否含有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出来。常用的标记基因是抗生素基因。

第三步：将目的基因导入受体细胞_

1.转化的概念：是目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。

2.常用的转化方法：

将目的基因导入植物细胞：采用最多的方法是 农杆菌转化法，其次还有 基因枪法和 花粉管通道法等。

将目的基因导入动物细胞：最常用的方法是 显微注射技术。此方法的受体细胞多是 受精卵。

将目的基因导入微生物细胞：

3.重组细胞导入受体细胞后，筛选含有基因表达载体受体细胞的依据是标记基因是否表达。

第四步：目的基因的检测和表达

1.首先要检测 转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因，方法是采用 DNA分子杂交技术。

2.其次还要检测 目的基因是否转录出了mRNA，方法是采用 用标记的目的基因作探针与mRNA杂交。

3.最后检测 目的基因是否翻译成蛋白质，方法是从转基因生物中提取 蛋白质，用相应的 抗体进行 抗原－抗体杂交。

4.有时还需进行 个体生物学水平的鉴定。如 转基因抗虫植物是否出现抗虫性状。

（三）（b）基因工程的应用

1.植物基因工程：抗虫、抗病、抗逆转基因植物，利用转基因改良植物的品质。

2.动物基因工程：提高动物生长速度、改善畜产品品质、用转基因动物生产药物。

3.基因治疗：把正常的外源基因导入病人体内，使该基因表达产物发挥作用。

（四）（a）蛋白质工程的概念

蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。（基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质）（1）蛋白质工程崛起的缘由：基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质

（2）蛋白质工程的基本原理：它可以根据人的需求来设计蛋白质的结构，又称为第二代的基因工程。

基本途径：从预期的蛋白质功能出发，设计预期的蛋白质结构，推测应有的氨基酸序列，找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）以上是蛋白质工程特有的途径；以下按照基因工程的一般步骤进行。（注意：目的基因只能用人工合成的方法）

设计中的困难：如何推测非编码区以及内含子的脱氧核苷酸序列

二、细胞工程

（一）植物细胞工程

1.理论基础（原理）：细胞全能性

2.植物组织培养技术（b）

（1）过程：离体的植物器官、组织或细胞 ―――→愈伤组织 ―――→试管苗 ――→植物体

（2）用途：微型繁殖、作物脱毒、制造人工种子、单倍体育种、细胞产物的工厂化生产。

A 植物繁殖

微型繁殖：可以高效快速地实现种苗的大量繁殖

作物脱毒：采用茎尖组织培养来除去病毒（因为植物分生区附近的病毒极少或没有）

人工种子：以植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料，经人工薄膜包装得到的种子。优点：完全保持优良品种的遗传特性，不受季节的限制；方便储藏和运输

B 作物新品种培育

单倍体育种：

a过程：植株（AaBb）通过减数分裂得到花粉（AB、Ab、aB、ab四种类型）；对花粉进行花药离体培养（技术是植物组织培养）；得到单倍体植株；对其幼苗时期进行秋水仙素处理；得到了正常的纯合二倍体植株（AABB、AAbb、aaBB、aabb四种类型）。

b 优点：明显缩短育种年限

C 突变体利用：在组织培养中会出现突变体，通过从有用的突变体中选育出新品种（如筛选抗病、抗盐、含高蛋白的突变体）

D 细胞产物的生产：通过能够产生对人们有利的产物的细胞进行组织培养，从而让它们能够产生大量的细胞产物。

（3）地位：是培育转基因植物、植物体细胞杂交培育植物新品种的最后一道工序。

3.植物体细胞杂交技术

（1）过程：

（2）诱导融合的方法：物理法包括离心、振动、电刺激等。化学法一般是用聚乙二醇（PEG）作为诱导剂。

（3）意义：克服了远缘杂交不亲和的障碍。

（二）动物细胞工程

1. 动物细胞培养（a）

（1）概念：动物细胞培养就是从动物机体中取出相关的组织，将它分散成单个细胞，然后放在适宜的培养基中，让这些细胞生长和繁殖。

（2）动物细胞培养的流程：取动物组织块（动物胚胎或幼龄动物的器官或组织）→剪碎→用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理分散成单个细胞→制成细胞悬液→转入培养瓶中进行原代培养→贴满瓶壁的细胞重新用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理分散成单个细胞继续传代培养。

（3）细胞贴壁和接触抑制：悬液中分散的细胞很快就贴附在瓶壁上，称为细胞贴壁。细胞数目不断增多，当贴壁细胞分裂生长到表面相互抑制时，细胞就会停止分裂增殖，这种现象称为细胞的接触抑制。

（4）动物细胞培养需要满足以下条件

①无菌、无毒的环境：培养液应进行无菌处理。通常还要在培养液中添加一定量的抗生素，以防培养过程中的污染。此外，应定期更换培养液，防止代谢产物积累对细胞自身造成危害。

②营养：合成培养基成分：糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素等。通常需加入血清、血浆等天然成分。

③温度：适宜温度：哺乳动物多是36.5℃＋0.5℃；pH：7.2～7.4。

④气体环境：95%空气＋5%CO2。O2是细胞代谢所必需的，CO2的主要作用是维持培养液的pH。

（5）动物细胞培养技术的应用：制备病毒疫苗、制备单克隆抗体、检测有毒物质、培养医学研究的各种细胞。

2.动物体细胞核移植技术和克隆动物

（1）哺乳动物核移植可以分为胚胎细胞核移植（比较容易）和体细胞核移植（比较难）。

（2）选用去核卵(母)细胞的原因：卵(母)细胞比较大，容易操作；卵(母)细胞细胞质多，营养丰富。

（3）体细胞核移植的大致过程是：

高产奶牛（提供体细胞）进行细胞培养；同时采集卵母细胞，在体外培养到减二分裂中期的卵母细胞，去核（显微操作）[注：为什么要用卵细胞？它可以提供充足的营养；操作简便；细胞质不会抑制细胞核全能性的表达]；将供体细胞注入去核卵母细胞；通过电刺激使两细胞融合，供体核进入受体卵母细胞，构建重组胚胎；将胚胎移入受体（代孕）母牛体内；生出与供体奶牛遗传基因相同的犊牛

（4）体细胞核移植技术的应用：

①加速家畜遗传改良进程，促进良畜群繁育；②保护濒危物种，增大存活数量；

③生产珍贵的医用蛋白；④作为异种移植的供体；⑤用于组织器官的移植等。

（5）体细胞核移植技术存在的问题：

克隆动物存在着健康问题、表现出遗传和生理缺陷等。

3.动物细胞融合

（1）动物细胞融合也称细胞杂交，是指两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程。融合后形成的具有原来两个或多个细胞遗传信息的单核细胞，称为杂交细胞。

（2）动物细胞融合与植物原生质体融合的原理基本相同，诱导动物细胞融合的方法与植物原生质体融合的方法类似，常用的诱导因素有聚乙二醇、灭活的病毒、电刺激等。

（3）动物细胞融合的意义：克服了远缘杂交的不亲和性，成为研究细胞遗传、细胞免疫、肿瘤和生物生物新品种培育的重要手段。

（4）动物细胞融合与植物体细胞杂交的比较：

细胞工程 植物体细胞杂交 动物细胞融合

理论基础 细胞的全能性、细胞膜的流动性 细胞增殖、细胞膜的流动性

融合前处理 酶解法去除细胞壁（纤维素酶、果胶酶） 注射特定抗原，免疫处理正常小鼠

诱导手段 物理法:离心、振动、电激

化学法：聚乙二醇（PEG） 物理法:离心、振动、电激

化学法：聚乙二醇

生物法：灭活的病毒（灭活的仙台病毒）

诱导过程 第一步：原生质体的制备

（酶解法）

第二步：原生质体融合

（物、化法）

第三步：杂种细胞的筛选和培养

第四步：杂种植株的诱导与鉴定 正常小鼠免疫处理

动物细胞的融合

（物、化、生法）

杂交瘤细胞的筛选与培养

专一抗体检验阳性细胞培养

单克隆抗体的提纯

用途和意义 克服远缘杂交的不亲和障碍，大大扩展杂交的亲本组合范围

应用：白菜-甘蓝等杂种植株 制备单克隆抗体

诊断、治疗、预防疾病，例如“生物导弹”治疗癌症

4.单克隆抗体

（1）抗体：一个B淋巴细胞只分泌一种特异性抗体。从血清中分离出的抗体产量低、纯度低、特异性差。

（2）单克隆抗体的制备过程：

对免疫小鼠注射特定的抗原蛋白（目的使小鼠产生了效应B细胞）；提取B淋巴细胞；同时用动物细胞培养的方法培养骨髓瘤细胞并提取；促使它们细胞融合[注：融合的结果是有很多不符合要求的；如有2个B淋巴细胞融合的细胞等，所以要进行筛选]；在特定的选择培养基上筛选出融合的杂种细胞[特点是能迅速大量增殖，又能产生专一的抗体]；然后对它进行克隆化培养和抗体检测[筛选出能够分泌所需抗体的杂种细胞]；最后将杂交瘤细胞在体外做大规模培养或注射入小鼠腹腔内增殖，从细胞培养液或小鼠腹水中可得到大量的单克隆抗体。

（3）杂交瘤细胞的特点：既能大量繁殖，又能产生专一的抗体。

（4）单克隆抗体的优点：特异性强，灵敏度高，并能大量制备。

（5）单克隆抗体的作用：作为诊断试剂：准确识别各种抗原物质的细微差异，并跟一定抗原发生特异性结合，具有准确、高效、简易、快速的优点。用于治疗疾病和运载药物：主要用于治疗癌症治疗，可制成“生物导弹”，也有少量用于治疗其它疾病。

三、胚胎工程

（一）动物胚胎发育的基本过程

（1）精子的发生：补充，精原细胞先进行有丝分裂后进行减数分裂；变形过程中，细胞核为精子头的主要部分，高尔基体发育为顶体，中心体演变为精子的尾，线粒体在尾基部形成线粒体鞘膜，其他物质浓缩为原生质滴直至脱落。[线粒体为精子运动提供能量]

（2）卵子的发生：在胎儿时期，卵原细胞进行有丝分裂演变成初级卵母细胞[被卵泡细胞包围]，减一分裂在排卵前后完成，形成次级卵母细胞和第一极体进入输卵管准备受精；减二分裂是在受精过程中完成的。

（3）受精：精子获能（在雌性动物生殖道内）；卵子的准备（排出的卵子要在输卵管中进一步成熟到减二中期才具备受精能力）；受精阶段[卵子周围的结构由外到内：放射冠、透明带、卵黄膜]，a顶体反应：精子释放顶体酶溶解卵丘细胞之间的物质，穿越放射冠。

b透明带反应：顶体酶可将透明带溶出孔道，精子穿入，在精子触及卵黄膜的瞬间阻止后来精子进入透明带的生理反应[它是防止多精子入卵受精的第一道屏障]；c卵黄膜的封闭作用：精子外膜和卵黄膜融合，精子入卵后，卵黄膜会拒绝其他精子再进入卵内的过程[它是防止多精子入卵受精的第二道屏障]；精子尾部脱落，原有核膜破裂形成雄原核，同时卵子完成减二分裂，形成雌原核[注意：受精标志是第二极体的形成；受精完成标志是雌雄原核融合成合子]。

（4）胚胎发育：a卵裂期：细胞进行有丝分裂，数量增加，胚胎总体积不增加；b桑椹胚：32个细胞左右的胚胎[之前所有细胞都能发育成完整胚胎的潜能属全能细胞]；c囊胚：细胞开始分化，其中个体较大的细胞叫内细胞团将来发育成胎儿的各种组织；而滋养层细胞将来发育成胎膜和胎盘；胚胎内部逐渐出现囊胚腔[注：囊胚的扩大会导致透明带的破裂，胚胎伸展出来，这一过程叫孵化]；d原肠胚：内细胞团表层形成外胚层，下方细胞形成内胚层，由内胚层包围的囊腔叫原肠腔。[细胞分化在胚胎期达到最大限度]

9 胚胎工程的理论基础（识记）

（1）胚胎工程的概念及技术手段：对动物早期胚胎或配子所进行的多种显微操作和处理技术，如胚胎移植、体外受精、胚胎分割、胚胎干细胞培养等技术。

（2）体外受精[属有性生殖过程]：a卵母细胞的采集和培养 对体型小的动物用促性腺激素处理，从输卵管冲取卵子（可直接受精）；对体型大的动物从卵巢中采集卵母细胞（要在体外培养成熟）b精子的采集 假阴道法、手握法和电刺激法；获能 对啮齿动物、兔、猪等的精子用培养法（放入人工配制的获能液中）；对牛、羊等精子用化学法（放在肝素或钙离子载体溶液中）

（3）胚胎的早期培养：a培养液成分：无机盐、有机盐、维生素、激素、氨基酸、核苷酸、血清等[注意与动物细胞培养液成分的比较]；b当胚胎发育到适宜的阶段时，可将其取出向受体移植或冷冻保存。

（4）胚胎移植：a概念：将雌性动物的早期胚胎移植到同种的、生理状态相同的其他雌性动物的体内，使之继续发育为新个体的技术。是生产胚胎的供体和孕育胚胎的受体共同繁殖后代的过程，通过转基因、核移植、体外受精获得的胚胎必须移植给受体才能获得后代。

b优势：可以充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力，缩短供体本身的繁殖周期。

c胚胎移植的生理学基础：同种动物的供、受体生殖器官的生理变化是相同的[对供体和受体进行同期发情处理]；早期胚胎形成后处于游离状态，为胚胎的收集提供可能；受体对移入子宫的外来胚胎基本不发生免疫排斥反应；移入受体的供体胚胎的遗传特性在孕育过程中不受影响。

d胚胎移植的程序：对供、受体母牛进行选择，用激素进行同期发情处理；对供体母牛用激素做超数排卵处理；选择同种优秀公牛配种[有性生殖过程]；对胚胎进行收集[此时胚胎处于游离状态]；对胚胎进行质量检查[此时胚胎应发育到桑椹胚或囊胚]；胚胎移植[或冷冻保存]；检查受体母牛是否受孕；产下胚胎移植的犊牛。

（5）胚胎分割：a概念：用机械方法将早期胚胎切割成2、4、8等分等，经移植获得同卵双胎或多胎的技术[可看作是动物无性繁殖或克隆]

b基本过程：选择良好的桑椹胚或囊胚移入培养皿中，用分割针或分割刀片将其切开，吸出其中的半个胚胎注入透明带中或直接移植给受体。[注意：内细胞团要均等分割，否则会影响胚胎的恢复和进一步发育]

10 胚胎干细胞的移植（识记）

（1）胚胎干细胞的含义：由早期胚胎[囊胚]或原始性腺[胎儿]中分离出来的一类细胞，又叫ES或EK细胞。

（2）特征：形态上体积小、细胞核大、核仁明显；功能上具有发育的全能性，即可分化为成年动物体内任何一种组织细胞。[体外培养下，ES细胞可以只增殖不分化]

（3）应用：用于治疗人类疾病，如利用ES细胞诱导其分化成新的组织细胞特性，移植ES细胞可使坏死或退化的部位得以修复。

1、胚胎工程是指对动物早期胚胎或配子所进行的多种显微操作和处理技术，如胚胎移植、体外受精、胚胎分割、胚胎干细胞培养等技术。经过处理后获得的胚胎，还需移植到雌性动物体内生产后代，以满足人类的各种需求。

2、动物胚胎发育的基本过程

（1）受精场所是母体的输卵管。

（2）卵裂期：特点：细胞有丝分裂，细胞数量不断增加，但胚胎的总体体积并不增加，或略有减小。

（3）桑椹胚：特点：胚胎细胞数目达到32个左右时，胚胎形成致密的细胞团，形似桑椹。是全能细胞。

（4）囊 胚：特点：细胞开始出现分化（该时期细胞的全能性仍比较高）。聚集在胚胎一端个体较大的细胞称为内细胞团，将来发育成胎儿的各种组织。中间的空腔称为囊胚腔。

（5）原肠胚：特点：有了三胚层的分化，具有囊胚腔和原肠腔。

（二）胚胎干细胞

1、哺乳动物的胚胎干细胞简称ES或EK细胞，来源于早期胚胎或从原始性腺中分离出来。

2、具有胚胎细胞的特性，在形态上表现为体积小，细胞核大，核仁明显；在功能上，具有发育的全能性，可分化为成年动物体内任何一种组织细胞。另外，在体外培养的条件下，可以增殖而不发生分化，可进行冷冻保存，也可进行遗传改造。

3、胚胎干细胞的主要用途是：①可用于研究哺乳动物个体发生和发育规律；②是在体外条件下研究细胞分化的理想材料，在培养液中加入分化诱导因子，如牛黄酸等化学物质时，就可以诱导ES细胞向不同类型的组织细胞分化，这为揭示细胞分化和细胞凋亡的机理提供了有效的手段；③可以用于治疗人类的某些顽疾，如帕金森综合症、少年糖尿病等；④利用可以被诱导分化形成新的组织细胞的特性，移植ES细胞可使坏死或退化的部位得以修复并恢复正常功能；⑤随着组织工程技术的发展，通过ES细胞体外诱导分化，定向培育出人造组织器官，用于器官移植，解决供体器官不足和器官移植后免疫排斥的问题。

（三）胚胎工程的应用

1.体外受精和胚胎的早期培养

(1)卵母细胞的采集和培养：主要方法：用促性腺激素处理，使其排出更多的卵子，然后，从输卵管中冲取卵子，直接与获能的精子在体外受精。第二种方法：从刚屠宰母畜的卵巢中采集卵母细胞；第三种方法是借助超声波探测仪、腹腔镜等直接从活体动物的卵巢中吸取卵母细胞。采集的卵母细胞，都要在体外经人工培养成熟后，才能与获能的精子受精。

(2) 精子的采集和获能：在体外受精前，要对精子进行获能处理。

(3) 受精：获能的精子和培养成熟的卵细胞在获能溶液或专用的受精溶液中完成受精过程。

(4)胚胎的早期培养：精子与卵子在体外受精后，应将受精卵移入发育培养液中继续培养，以检查受精状况和受精卵的发育能力。培养液成分较复杂，除一些无机盐和有机盐外，还需添加维生素、激素、氨基酸、核苷酸等营养成分，以及血清等物质。当胚胎发育到适宜的阶段时，可将其取出向受体移植或冷冻保存。不同动物胚胎移植的时间不同。(牛、羊一般要培育到桑椹胚或囊胚阶段才能进行移植，小鼠、家兔等实验动物可在更早的阶段移植，人的体外受精胚胎可在4个细胞阶段移植。)

2.胚胎移植

(1)胚胎移植是指将雌性动物的早期胚胎，或者通过体外受精及其它方式得到的胚胎，移植到同种的、生理状态相同的其它雌性动物的体内，使之继续发育为新个体的技术。其中提供胚胎的个体称为“供体”，接受胚胎的个体称为“受体”。（供体为优良品种，作为受体的雌性动物应为常见或存量大的品种。）

地位：如转基因、核移植，或体外受精等任何一项胚胎工程技术所生产的胚胎，都必须经过胚胎移植技术才能获得后代，是胚胎工程的最后一道“工序”。

(2) 胚胎移植的意义：大大缩短了供体本身的繁殖周期，充分发挥雌性优良个体的繁殖能力。

(3) 生理学基础：①动物发情排卵后，同种动物的供、受体生殖器官的生理变化是相同的。这就为供体的胚胎移入受体提供了相同的生理环境。

②早期胚胎在一定时间内处于游离状态。这就为胚胎的收集提供了可能。

③受体对移入子宫的外来胚胎不发生免疫排斥反应。这为胚胎在受体的存活提供了可能。

④供体胚胎可与受体子宫建立正常的生理和组织联系，但供体胚胎的遗传特性在孕育过程中不受影响。

(4) 基本程序主要包括：

①对供、受体的选择和处理。选择遗传特性和生产性能优秀的供体，有健康的体质和正常繁殖能力的受体，供体和受体是同一物种。并用激素进行同期发情处理，用促性腺激素对供体母牛做超数排卵处理。

②配种或人工授精。

③对胚胎的收集、检查、培养或保存。配种或输精后第7天，用特制的冲卵装置，把供体母牛子宫内的胚胎冲洗出来(也叫冲卵)。对胚胎进行质量检查，此时的胚胎应发育到桑椹或胚囊胚阶段。直接向受体移植或放入－196℃的液氮中保存。

④对胚胎进行移植。

⑤移植后的检查。对受体母牛进行是否妊娠的检查。

3.胚胎分割

(1)概念：是指采用机械方法将早期胚胎切割2等份、4等份等，经移植获得同卵双胎或多胎的技术。

(2)意义：来自同一胚胎的后代具有相同的遗传物质，属于无性繁殖。

(3)材料：发育良好，形态正常的桑椹胚或囊胚。（桑椹胚至囊胚的发育过程中，细胞开始分化，但其全能性仍很高，也可用于胚胎分割。）

(4)操作过程：对囊胚阶段的胚胎分割时，要将内细胞团均等分割，否则会影响分割后胚胎的恢复和进一步发育。

（四）生物技术的安全性和伦理问题

1.转基因生物的安全性争论 ：

(1)基因生物与食物安全：

反方观点：反对“实质性等同”、出现滞后效应、出现新的过敏原、营养成分改变

正方观点：有安全性评价、科学家负责的态度、无实例无证据

(2)转基因生物与生物安全：对生物多样性的影响

反方观点：扩散到种植区之外变成野生种类、成为入侵外来物种、重组出有害的病原体、成为超级杂草、有可能造成“基因污染”

正方观点：生命力有限、存在生殖隔离、花粉传播距离有限、花粉存活时间有限

(3)转基因生物与环境安全：对生态系统稳定性的影响

反方观点：打破物种界限、二次污染、重组出有害的病原微生物、毒蛋白等可能通过食物链进入人体

正方观点：不改变生物原有的分类地位、减少农药使用、保护农田土壤环境

2.生物技术的伦理问题

(1)克隆人：两种不同观点，多数人持否定态度。

否定的理由：克隆人严重违反了人类伦理道德，是克隆技术的滥用；克隆人冲击了现有的婚姻、家庭和两性关系等传统的伦理道德观念；克隆人是在人为的制造在心理上和社会地位上都不健全的人。

肯定的理由：技术性问题可以通过胚胎分级、基因诊断和染色体检查等方法解决。不成熟的技术也只有通过实践才能使之成熟。

中国政府的态度：禁止生殖性克隆，不反对治疗性克隆。四不原则：不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人的实验。

(2)试管婴儿：两种目的试管婴儿的区别两种。不同观点，多数人持认可态度。

否定的理由：把试管婴儿当作人体零配件工厂，是对生命的不尊重；早期生命也有活下去的权利，抛弃或杀死多余胚胎，无异于“谋杀”。

肯定的理由：解决了不育问题，提供骨髓中造血干细胞救治患者最好、最快捷的方法，提供骨髓造血干细胞并不会对试管婴儿造成损伤。

(3)基因身份证：

否定的理由：个人基因资讯的泄漏造成基因歧视，势必造成遗传学失业大军、造成个人婚姻困难、人际关系疏远等严重后果。

肯定的理由：通过基因检测可以及早采取预防措施，适时进行治疗，达到挽救患者生命的目的。

3.生物武器

(1)种类：致病菌、病毒、生化毒剂，以及经过基因重组的致病菌。

(2)散布方式：吸入、误食、接触带菌物品、被带菌昆虫叮咬等。

(3)特点：致病力强、多数具传染性、传染途径多、污染面广、有潜伏期、不易被发现、危害时间长等。

(4)禁止生物武器公约及中国政府的态度：在任何情况下不发展、不生产、不储存生物武器，并反对生物武器及其技术和设备的扩散。

生态工程的原理（识记）

（1）生态工程建设的目的：遵循自然界物质循环的规律，充分发挥资源的生产潜力，防止环境污染，达到经济效益和生态效益的同步发展。

（2）生态经济：通过实行循环经济的原则，使一个系统产出的污染物能够成为本系统或另一个系统的生产原料，从而实现废弃物的资源化。[实现手段：生态工程]

（3）基本原理：物质循环再生原理[如无废弃物农业]

物种多样性原理[提高生态系统的抵抗力稳定性]

协调与平衡原理[处理生物与环境的协调与平衡，考虑环境容纳量]

所有的组成成分都集中在生产细胞中。经典的反转录病毒生产系统就是由产病毒细胞（VPC）组成，重组反转录病毒由VPC细胞不断分泌至培养上清中。这种生产系统操作最为简单，但是往往产量不高或不稳定。采用这种策略，需要将重组病毒产生所需要的所有元件都稳定地置于生产细胞中。由于许多病毒基因产物本身对细胞有破坏作用或不能在细胞中稳定表达，因此这种策略在许多病毒载体的生产中难以实施。

第一节 病毒载体产生的原理

病毒载体的产生建立在对病毒的生活周期和分子生物学认识的基础之上。研究病毒载体首先要对病毒的基因组结构和功能有充分的了解，最好能获得病毒基因组全序列信息。病毒基因组可分为编码区和非编码区。编码区基因产生病毒的结构蛋白和非结构蛋白；根据其对病毒感染性复制的影响，又可分为必需基因和非必需基因。非编码区中含有病毒进行复制和包装等功能所必需的顺式作用元件。

各种野生型病毒颗粒都具有一定的包装容量，即对所包装的病毒基因组的长度有一定的限制。一般来说，病毒包装容量不超过自身基因组大小的105～110％。

基因重组技术的发展使病毒载体的产生成为可能。最简单的做法是，将适当长度的外源DNA插入病毒基因组的非必需区，包装成重组病毒颗粒。比如，本实验室曾将4.5kb的lacZ基因表达盒（CMV-lacZ-polyA）插入HSV1病毒的UL44（糖蛋白C）基因的XbaI位点中，病毒基因组的其余部分不改变，构建成重组病毒HSV1-lacZ100（吴小兵等，1998）。由于UL44基因产物对于HSV病毒在培养细胞中产毒性感染是非必需的，因此，该重组病毒可以在细胞中增殖传代。用这种重组病毒感染细胞，能将lacZ基因带入细胞并高效表达。用同样的方法，将AAV-2病毒的rep和cap基因片段（4.3kb）插入HSV1病毒的UL2（编码尿嘧啶DNA糖基化酶）或UL44（编码糖蛋白C）基因中，构建成具有提供重组AAV载体复制和包装所需的全部辅助功能的辅助病毒rHSV-rc（伍志坚等，1999）。

然而，这样的重组病毒作为基因转移载体有许多缺点。首先，许多野生型病毒通过在细胞中产毒性复制而导致细胞裂解死亡；或带有病毒癌基因而使细胞发生转化。因此必须经过改造使其成为复制缺陷性病毒并且删除致癌基因后才能用于基因治疗。其次，插入外源DNA的长度受到很大限制，尤其对于基因组本身较小的病毒如腺病毒伴随病毒（AAV，4.7kb）、反转录病毒（8～10kb）、腺病毒（36kb），如果不去除病毒基因，可供外源DNA插入的容量就十分小。因此，必须删除更多的病毒基因以腾出位置插入较大的外源DNA。 为了增加病毒载体插入外源DNA的容量，除了可以删除病毒的非必需基因外，还可以进一步删去部分或全部必需基因，这些必需基因的功能由辅助病毒或包装细胞系反式提供。

病毒载体大体上可分为两种类型：

重组型病毒载体：这类载体是以完整的病毒基因组为改造对象。一般的步骤是选择性地删除病毒的某些必需基因尤其是立早基因或早期基因，或控制其表达；缺失的必需基因的功能由互补细胞反式提供；用外源基因表达单位替代病毒非必需基因区；病毒复制和包装所需的顺式作用元件不变。这类载体一般通过同源重组方法将外源基因表达单位插入病毒基因组中。如在传统的重组腺病毒构建方法中，将外源基因表达盒（exogenous gene expression cassette）插入穿梭质粒（如pXCX2或pFGdX1）的腺病毒同源序列中，与辅助质粒（含有腺病毒基因组的质粒如JM17或pBHG）共转染293细胞，通过细胞内的同源重组获得含有外源基因的重组腺病毒（Graham FL and Prevec L 1995）。

无病毒基因的病毒载体（gutless vectors）：这类载体在不同的病毒载体系统中的称谓不同。对于腺病毒，一般称为mini-Ad；在HSV载体系统，一般称为扩增子（amplicon）载体或质粒型载体。重组AAV载体也属于无病毒基因的病毒载体。这类载体系统往往由载体质粒和辅助系统组成。重组载体质粒主要由外源基因表达盒、病毒复制和包装所必需的顺式作用元件及质粒骨架组成。辅助系统包括病毒复制和包装所必需的所有反式作用元件。在辅助系统的作用下，重组载体质粒（包含或不包含质粒骨架）以特定形式（单链或双链，DNA或RNA）被包装到病毒壳粒中，其中不含有任何病毒基因。这类病毒载体的优点在于载体病毒本身安全性好，容量大。缺点在于往往需要辅助病毒参与载体DNA的包装，而辅助病毒又难以同载体病毒分离开来，造成最终产品中辅助病毒污染，从而影响其应用。实际上，无病毒基因的病毒载体可以看作是重组病毒载体的一种极端减毒情况。

表1列举了几种常见的病毒载体的顺式作用元件和经典的包装方式。 载体 顺式作用元件 经典包装方式

反转录病毒载体

1） 两个长末端重复序列（LTR）：含有整合和调节转录的必需序列；含有转录增强子和启动子；

2） tRNA 引物结合位点p；

3）包装信号序列ψ。

载体质粒转染整合了所有必需基因（gag,pol,env）的包装细胞系如PA317，经选择培养获得产病毒细胞系（VPC）；细胞不裂解，病毒不断分泌至培养上清中。

腺病毒载体

两个末端倒转重复序列（ITR）；

包装信号序列。

载体质粒与辅助质粒共转染293细胞获得重组腺病毒。重组腺病毒感染293细胞而扩增；细胞每次被感染后发生裂解。

腺病毒伴随病毒载体

两个末端倒转重复序列（ITR）；其中包括了病毒复制起点、包装信号及整合和拯救所必需的顺式元件。

AAV载体质粒和辅助质粒共转染293细胞，并加辅助病毒（腺病毒或单纯疱疹病毒）感染。

单纯疱疹病毒载体

HSV 病毒复制起点ori； 病毒包装信号pac 。

PTCA重组病毒在互补细胞上传代；

扩增子病毒在辅助病毒存在下传代。

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第二节 病毒载体的包装系统

将外源基因包装到病毒壳粒中，是病毒载体生产的核心技术。一般地，病毒载体的制备包括以下要素：

宿主细胞

虽然现在已有可能对有些病毒载体（如AAV载体）进行体外（无细胞）包装（Zhou XH et al . 1998Ding L et al. 1997），但是这种包装系统仍然需要细胞提取物，并且包装效率相当低，远远达不到可生产水平。至今为止，病毒载体的包装主要是在对该病毒敏感的宿主细胞中进行的。宿主细胞不但提供了病毒复制和包装的环境条件，许多细胞成分还直接参与了病毒复制和包装的过程。

病毒复制和包装所必需的顺式作用元件和外源基因的表达盒

一般地，病毒复制和包装所必需的顺式作用元件和外源基因的表达盒由细菌质粒携带，组成病毒载体质粒，是被包装的对象。由于病毒复制方式的不同，有些病毒载体如单纯疱疹病毒扩增子（HSV amplicon）载体在包装时，整个载体质粒都被包装进入病毒颗粒中；而有些病毒载体如反转录病毒、腺病毒伴随病毒载体的质粒骨架部分并不被包装到病毒颗粒中，只有病毒复制和包装所必需的顺式作用元件和外源基因表达盒被包装到病毒颗粒中。

构建重组型病毒载体时，病毒复制和包装所需的顺式作用元件存在于病毒基因组中（病毒基因组可以由具有感染性的病毒颗粒提供，也可以质粒形式提供）。先将外源基因表达盒插入穿梭质粒携带的病毒同源序列中；将重组穿梭质粒转染至细胞中，再用辅助病毒超感染；或将重组穿梭质粒与病毒基因组质粒共转染细胞；重组质粒与病毒基因组在细胞中进行同源重组而产生表达外源基因的重组病毒。 重组腺病毒（Graham FL and Prevec L 1995）和重组单纯疱疹病毒（Pyles RB et al. 1997；Kramm CM et al. 1997）的传统制备方法都是采用这种方式。

为了使病毒载体的生产更为方便，病毒复制和包装所必需的顺式作用元件和外源基因的表达盒除了可以用质粒携带以外，也可以用另一种病毒（往往是辅助病毒）或生产细胞来携带。

辅助元件

包括病毒复制和包装所必需的所有反式作用元件。这些元件一般包括病毒基因转录调控基因、病毒DNA合成和包装所需的各种酶类的基因、病毒的外壳蛋白基因等。辅助元件的表现形式可以多种多样。常用的形式有：

① 辅助质粒（helper plasmid），如用于产生重组腺病毒的质粒JM17，用于重组AAV包装的辅助质粒pAAV/Ad（Rolling F and Samulski J 1995）等；

② 辅助病毒（helper virus），如用于HSV 扩增子载体包装的辅助病毒HSV1 tsK株；

③ 包装细胞系如用于反转录病毒载体包装的PA317细胞。

这些表现形式之间可以相互转化或合并。例如，辅助病毒可以转化为辅助质粒：传统的AAV载体生产系统常用腺病毒作为辅助病毒。研究发现，并非腺病毒的所有基因对AAV病毒的产生都是必需的，只需要腺病毒E1a, E1b, E2a, E4和VA RNA 5种基因就行了。因此，将这5种基因置于同一个质粒中，构建成的这种新的辅助质粒就完全可以替代原来的辅助病毒（Xiao X et al. 1998Grimm D et al. 1998 ），不但提高了包装效率，而且避免了产品中腺病毒污染的问题。

上述几种要素的不同组合，便产生了各种各样的病毒载体包装策略。根据病毒载体生产系统的组成因素的多少，可将其分成以下几种：

单组成因素生产系统（one-component system）：

所有的组成成分都集中在生产细胞中。经典的反转录病毒生产系统就是由产病毒细胞（VPC）组成，重组反转录病毒由VPC细胞不断分泌至培养上清中。这种生产系统操作最为简单，但是往往产量不高或不稳定。采用这种策略，需要将重组病毒产生所需要的所有元件都稳定地置于生产细胞中。由于许多病毒基因产物本身对细胞有破坏作用或不能在细胞中稳定表达，因此这种策略在许多病毒载体的生产中难以实施。

双组成因素生产系统（two-component system）

这种生产系统一般由"一株病毒/一株细胞"组成。典型的例子是重组腺病毒生产系统。先用共转染的方法获得重组腺病毒毒种，再由该毒种和生产细胞（如293细胞）组成一个双组成因素的生产系统使病毒大量扩增。

多组成因素生产系统（multi-component system）

是由两种以上的组成因素组成的生产系统。传统的AAV载体生产系统就是由载体质粒，辅助质粒，辅助病毒和生产细胞4种因素组成。这种策略的缺点是影响因素多，操作复杂，产量不容易稳定，不利于大规模生产。 以上各种生产系统也可以相互转化。我们实验室通过将上述AAV载体生产系统的4种因素进行两两合并，即将辅助质粒和辅助病毒合并成一种重组的辅助病毒，将载体质粒和生产细胞合并成AAV前病毒细胞株，成功地将其转化成一种双组成因素的新型高效生产系统（伍志坚等，1999）。

一般来说，发展新的包装策略主要是为了以下几种目的：

（1） 减少生产系统中的组成因素，简化操作过程；

（2）提高生产效率，降低生产成本；

（3）避免或降低野生型病毒的产生；

（4）避免使用难以与产品病毒分离的辅助病毒。

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第三节 病毒载体的纯化方法

重组病毒的纯化与基因工程产品的纯化既有许多共性，又有显著的不同之处。病毒可以看作是一个具有特定结构的生物大分子，一般都由位于中心的核酸和包裹于其外的蛋白外壳组成。有些病毒还具有脂质膜和糖蛋白或糖脂。许多分离纯化蛋白质的方法如离心和梯度离心、盐析、柱层析、超滤、透析等方法都可用于病毒的纯化。然而，由于病毒结构的复杂性，纯化时不能采用蛋白质变性和复性的方法，因为一旦病毒蛋白发生变性，或病毒结构发生破坏，在体外就很难再重建成有感染性的病毒颗粒。因此，在病毒的纯化过程中必须保持病毒的结构不受破坏，并且监测其感染活性。

病毒的纯化一般分为以下几个步骤：

初始物（start material）的收集或制备

根据病毒产生方式的不同而采取不同的方式。对于不导致细胞病变和死亡的病毒如反转录病毒，可不断收集产毒细胞（VPC细胞）的培养上清作为初始物；对于在生产病毒过程中宿主细胞发生病变和死亡的病毒如腺病毒，在病毒产生达到高峰时，收集培养上清，并裂解细胞以释放细胞内的病毒。

培养上清和细胞裂解液都可作为纯化的初始物。在实验室的小规模制备中，往往采用将培养上清与细胞一起反复冻融3～4次的方法制备细胞裂解液作为初始物。对于初始物体积大于500ml的较大规模的制备，则需要考虑采用不同初始物的损益率。如果收集时大部分（90％以上）目标病毒仍存在于细胞中，为了减少操作大体积初始物带来的不便，可以考虑放弃上清中含有的目标病毒，而通过低速离心收集细胞，重悬于较小体积的缓冲液中进行细胞裂解制备细胞裂解液。对于腺病毒和AAV病毒的大规模制备都可以采用这种方式。如果通过延长培养时间可以使大部分的目标病毒释放到培养液中，也可以只收集培养上清而弃去细胞，从而省去反复冻融的步骤。

除了用反复冻融方法裂解细胞外，还可以根据目标病毒的生物学性质采用其它不影响其感染性的方法，如超声法、化学法（如在AAV病毒制备中用脱氧胆酸或氯仿）等。

初始物的浓缩

当初始物体积较大时，要考虑对其进行浓缩后再分离纯化。浓缩时最好同时能获得初步纯化对于效果。 在不影响目标病毒的感染性的前提下，可选用盐析、超滤、透析等方法进行浓缩。盐析法不仅可以用来浓缩初始物，同时也能达到一定的分离纯化效果。最常用的盐是硫酸铵；许多病毒如腺病毒、AAV病毒和单纯疱疹病毒用聚乙二醇/氯化钠系统沉淀可获得很好的效果并且不影响病毒的感染性。

目标病毒的分离纯化

氯化铯密度梯度离心法至今仍是分离纯化各种病毒的最常用方法。主要是依据不同病毒具有特征性的浮力密度，使其与细胞裂解液中的其它成分分离开来。收集到目标病毒特异的组分后，用透析法除去其中的氯化铯，获得纯化的病毒。用这种方法有时可获得极高纯度的病毒。目前在临床实验中应用的重组腺病毒大都是用这种方法进行纯化的。然而，这种方法也存在明显的弊病，主要是费时且操作难度较大，重复性较差；并且氯化铯对人体有毒性。因此随着基因治疗研究和应用的发展，用这种方法纯化的重组病毒可能不能适应人体内应用的要求。

用柱层析法尤其是亲和层析法分离纯化病毒可能成为用于临床的重组病毒载体大量纯化的主要方向。将病毒的特异性受体、抗体或化学合成的配体偶联在层析基质上并制备成亲和层析柱。将含有目标病毒的初始物经简单处理后直接上柱，最后洗脱和收集目标病毒。这类方法最近在AAV病毒载体的纯化中得到很高评价（Summerford C and Samulski J 1999）。

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第四节 病毒载体在基因治疗中的应用

自1989年开展第一例人体基因转移（标记基因）以来，据不完全统计，至今已开展了近400项基因治疗临床试验，涉及病人1000余人。2/3以上的临床方案中应用了病毒载体进行基因导入。

由于各种的病毒载体具有其特定的生物学特性，这些特性决定了其在基因治疗中的应用。

表2列举了常用的病毒载体的特性和适用范围 载体 顺式作用元件 经典包装方式

反转录病毒载体

1） 两个长末端重复序列（LTR）：含有整合和调节转录的必需序列；含有转录增强子和启动子；

2） tRNA 引物结合位点p；

3）包装信号序列ψ。

载体质粒转染整合了所有必需基因（gag,pol,env）的包装细胞系如PA317，经选择培养获得产病毒细胞系（VPC）；细胞不裂解，病毒不断分泌至培养上清中。

腺病毒载体

两个末端倒转重复序列（ITR）；

包装信号序列。

载体质粒与辅助质粒共转染293细胞获得重组腺病毒。重组腺病毒感染293细胞而扩增；细胞每次被感染后发生裂解。

腺病毒伴随病毒载体

两个末端倒转重复序列（ITR）；其中包括了病毒复制起点、包装信号及整合和拯救所必需的顺式元件。

AAV载体质粒和辅助质粒共转染293细胞，并加辅助病毒（腺病毒或单纯疱疹病毒）感染。

单纯疱疹病毒载体

HSV 病毒复制起点ori； 病毒包装信号pac 。

PTCA重组病毒在互补细胞上传代；

扩增子病毒在辅助病毒存在下传代。

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第五节 安全性检测

总的来说，病毒载体制剂的安全性检测主要涉及以下几个方面（Aderson RW 1996）：

有复制能力的病毒（replication competent virus, RCV）

RCV一般产生于重组病毒生产过程中基因重组事件。由于RCV具有复制能力，在生产过程中一旦出现，就可能呈现优势生长，从而影响载体病毒的产量；另外，含有RCV的制品用于人体内可能导致严重的病毒感染或急性/慢性病毒血症。

RCV是对用于基因治疗的病毒载体制剂安全性检测的特有项目。检测RCV的方法因不同的病毒载体而异。对于反转录病毒载体，检测有复制能力的反转录病毒（RCR）的方法主要是PG4 S+L- 分析法；也可采用其它的变通方法。对于腺病毒载体，检测有复制能力的腺病毒（RCA）主要采用空斑分析方法及PCR方法。

辅助病毒

对于生产过程需要辅助病毒参与的病毒载体如AAV病毒载体，由于这些辅助病毒本身具有复制能力并对机体细胞有破坏性，因此检测病毒制剂中的辅助病毒如腺病毒或单纯疱疹病毒的残存量十分重要。

其它成分的污染

检测指标包括细菌、霉菌、支原体、内毒素等及在纯化过程中所用试剂如氯化铯等的残余量。

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第六节 病毒载体的发展方向

基因治疗研究的快速发展对基因导入系统提出了越来越高的要求。病毒载体的发展也日新月异，包括对已有病毒载体的不断改进和完善，和越来越多的其它病毒被改造成为新的病毒载体。病毒载体的发展方向可归纳成以下几个方面：

简便、高效的病毒载体包装系统：考虑到包装的高效性和操作的简便性，越来越多的病毒载体生产系统将采用双组成因素系统。这种系统容易用于病毒载体的大规模生产（Liu XL et al.1999Conway JE et al. 1999 ）。

无病毒基因的病毒载体（gutless viral vector）：去除病毒载体中所有的病毒基因，只保留其复制和包装所必需的顺式作用元件，是病毒载体的重要发展方向。这种策略可最大限度地扩大载体的容量和减少病毒对细胞的直接毒性和病毒蛋白表达引起的免疫毒性。 腺病毒的微载体（mini-Ad）、AAV载体、HSV扩增子载体都是无病毒基因的病毒载体。这一发展方向需要解决的主要问题是建立高效、安全（无辅助病毒污染）的包装系统。

可调控表达外源基因的病毒载体：在许多疾病的基因治疗中，实现外源基因的可调控表达十分重要。如糖尿病的基因治疗，外源的胰岛素基因的表达最好能受血糖水平的调控；肾性贫血的基因治疗，EPO基因的表达最好能受血氧含量的调控等。目前所研究的表达调控系统主要包括各种药物诱导的表达"开关"。其中四环素控制系统（Tet-on和Tet-off）是人工设计的一种基因表达调控模式。这个系统在体外和动物体内实验中都表现出良好的表达调控作用（Fotaki ME et al.1997Miller N and Whelan J 1997）。然而，由于其中的反式作用蛋白（tTA或rtTA）是异种蛋白，在机体内可能引起毒性作用和免疫反应，因此用于人体前还需考虑其安全性和长期有效性。

最近Binley K等（1999）报道了用缺氧反应元件（hypoxia response element ,HRE）腺病毒载体中外源基因的表达。缺氧可激活bHLH/PAS 家族转录因子的表达，它们可结合HRE核心序列上，诱发其下游基因的表达。

自我扩增型载体（self-amplifying vector）（Herweijer H and Wolff JA 1997）：目前的基因转移方法基因转移的效率仍相对较低，尤其是在体内。为了提高外源基因表达总水平，除了提高基因转移效率外，另一种方法是尽量提高外源DNA在细胞中的表达水平。用自我扩增型的表达载体是达到此目的的方法之一。这些载体是以正链RNA病毒Sindbis病毒和Semliki Forest 病毒为基础的。用目的基因代替病毒的外壳蛋白编码序列，导入靶细胞中，病毒的复制蛋白大量复制重组的基因组，mRNA水平的大量增加导致高水平的转导基因表达。自我扩增型载体的表现形式可以是RNA，DNA和重组病毒。

特异性复制型性病毒载体（specifically replicating vector）：指可在某种特性的组织中产毒性复制，而在其它组织中不增殖的病毒载体。这类病毒载体主要用于特异性裂解肿瘤细胞。如腺病毒突变株Onyx-015是55Kdal E1B基因功能缺失的腺病毒突变株，可以选择性地在p53基因突变的肿瘤细胞中增殖，而在正常组织细胞中不增殖。用这种突变株联合化疗治疗恶性肿瘤II期临床结果令人鼓舞（Kirn D et al. 1998），已进入III期临床试验，从此，许多人工改造的腺病毒突变体被用于肿瘤治疗研究中。如将腺病毒E1基因的表达用甲胎蛋白（AFP）启动子控制，使得该病毒只能在甲胎蛋白阳性的肝癌细胞中增殖导致细胞死亡。也可以将这种病毒的基因组分开装在两个互补的缺陷性腺病毒载体上（Alemany R et al. 1999），其中一个载体除了腺病毒复制和包装所必需的顺式作用元件外，只含有E1区基因，其中E1A基因的表达受AFP启动子的控制；另一个载体为E1区缺失的重组腺病毒。这两个载体同时感染AFP阳性的肝癌细胞时，病毒可不断增殖而引起细胞死亡；对于AFP阴性的细胞，E1A基因不表达，因而病毒不能增殖。类似的设计在HSV载体系统也有报道。除了用甲胎蛋白作为反式激活因子外，各种其它组织特异性表达的蛋白和调控序列都可被用来控制病毒的增殖。

嵌合型病毒载体（hybrid viral vector）：是指将不同病毒的基因元件进行组合，形成的重组杂合病毒。如腺病毒与AAV病毒的杂合体病毒，既具有腺病毒的感染性和基因组特性（双链线状DNA），又具有AAV病毒的染色体整合性（Lieber A et al. 1999）。各种病毒基因元件组合形成新的杂合载体的报道层出不穷，如单纯疱疹病毒扩增子与AAV病毒杂合载体（Johnston KM et al. 1997）、腺病毒与EB病毒复制子杂合载体（Tan BT et al. 1999）腺病毒与反转录病毒杂合载体（Caplen NJ et al. 1999）等，不一而足。这些杂合载体使重组病毒的特性多样化，以适应不同基因转移目的的需要。

靶向性病毒载体（targeted viral vector）：是指能特异性地结合并感染某种细胞的病毒载体。靶向性病毒载体的产生主要有两种方法。一种方法是将病毒颗粒与某一靶向分子（Harari OA et al.1999 ）或特异性抗体（Bartlett JS et al. 1999）偶联；另一种方法是通过改变病毒外壳蛋白的结构，使其对细胞的亲嗜性发生改变（Reynolds P et al. 1999；Krasnykh VN et al. 1996 ）。

参考文献

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Lieber A, Steinwaerder.DS, Carlson CA et al. 1999. Integrating adenovirus-adeno-associated virus hybrid vectors devoid of all viral genes J Virol. 73:9314-9324

Liu XL, Clark KR, Johnson PR. 1999. Production of recombinant adeno-associated virus vectors using a packaging cell line and a hybrid recombinant adenovirus. Gene Ther. 6:293-299

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高中生物选修三基因工程知识点

一、基因工程的概念

基因工程是指按照人们的愿望，进行严格的设计，通过体外DNA重组和转基因技术，赋予生物以新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，又叫做DNA重组技术。

二、基因工程的原理及技术原理：基因重组技术

基因工程的基本工具

1.“分子手术刀”——限制性核酸内切酶(限制酶)

(1)来源：主要是从原核生物中分离纯化出来的。

(2)功能：能够识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开，因此具有专一性。

(3)结果：经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式：黏性末端和平末端.

2.“分子缝合针”——DNA连接酶

(1)两种DNA连接酶(E•coliDNA连接酶和T4DNA连接酶)的比较：

①.相同点：都缝合磷酸二酯键。

②.区别：E•coliDNA连接酶来源于T4噬菌体，只能将双链DNA片段互补的黏性末端之间的磷酸二酯键连接起来而T4DNA连接酶能缝合两种末端，但连接平末端的之间的效率较低。

(2)与DNA聚合酶作用的异同:DNA聚合酶只能将单个核苷酸加到已有的核苷酸片段的末端，形成磷酸二酯键。DNA连接酶是连接两个DNA片段的末端，形成磷酸二酯键。

3.“分子运输车”——载体

(1)载体具备的条件：

①能在受体细胞中复制并稳定保存。

②具有一至多个限制酶切点，供外源DNA片段插入。

③具有标记基因，供重组DNA的鉴定和选择。

(2)最常用的载体是质粒：

它是一种裸露的、结构简单的、独立于细菌染色体之外，并具有自我复制能力的双链环状DNA分子。

(3) 其它 载体：噬菌体的衍生物、动植物病毒

基因工程的基本操作程序

第一步：目的基因的获取

1.目的基因是指：编码蛋白质的结构基因。

2.原核基因采取直接分离获得，真核基因是人工合成。人工合成目的基因的常用 方法 有反转录法和化学合成法。

3.PCR技术扩增目的基因

(1)原理：DNA双链复制

(2)过程：①加热至90～95℃DNA解链

②冷却到55～60℃，引物结合到互补DNA链

③加热至70～75℃，热稳定DNA聚合酶从引物起始互补链的合成

第二步：基因表达载体的构建

1.目的：使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传至下一代，使目的基因能够表达和发挥作用。

2.组成：目的基因+启动子+终止子+标记基因

(1)启动子：是一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端，是RNA聚合酶识别和结合的部位，能驱动基因转录出mRNA，最终获得所需的蛋白质。

(2)终止子：也是一段有特殊结构的DNA片段 ，位于基因的尾端。

(3)标记基因的作用：是为了鉴定受体细胞中是否含有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出来。常用的标记基因是抗生素基因。

第三步：将目的基因导入受体细胞

1.转化的概念：是目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。

2.常用的转化方法：将目的基因导入植物细胞：采用最多的方法是 农杆菌转化法，其次还有 基因枪法和 花粉管通道法等。

3.将目的基因导入动物细胞：最常用的方法是 显微注射技术。此方法的受体细胞多是受精卵。将目的基因导入微生物细胞：

4.重组细胞导入受体细胞后，筛选含有基因表达载体受体细胞的依据是

标记基因是否表达.

第四步：目的基因的检测和表达

1.首先要检测转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因，方法是采用 DNA分子杂交技术.

2.其次还要检测目的基因是否转录出了mRNA，方法是采用 用标记的目的基因作探针与mRNA

杂交。

3.最后检测目的基因是否翻译成蛋白质，方法是从转基因生物中提取

蛋白质，用相应的抗体进行抗原-抗体杂交。

4.有时还需进行个体生物学水平的鉴定。如 转基因抗虫植物是否出现抗虫性状。

基因工程的应用:

1.植物基因工程：抗虫、抗病、抗逆转基因植物，利用转基因改良植物的品质。

2.动物基因工程：提高动物生长速度、改善畜产品品质、用转基因动物生产药物。

3.基因治疗：把正常的外源基因导入病人体内，使该基因表达产物发挥作用。

蛋白质工程的概念：

蛋白质工程：

是指以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。(基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质)

(1)蛋白质工程崛起的缘由：基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质

(2)蛋白质工程的基本原理：它可以根据人的需求来设计蛋白质的结构，又称为第二代的基因工程。

(3)基本途径：从预期的蛋白质功能出发，设计预期的蛋白质结构，推测应有的氨基酸序列，找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因)以上是蛋白质工程特有的途径以下按照基因工程的一般步骤进行。(注意：目的基因只能用人工合成的方法)

(4)设计中的困难：如何推测非编码区以及内含子的脱氧核苷酸序列

高中生物选修三知识要点

1.基因工程的诞生

(1)基因工程：按照人们的意愿，进行严格的设计，并通过体外 DNA 重组和转基因等技术，从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。

(2)基因工程诞生的理论基础是在生物化学、分子生物学和微生物学科的基础上发展起来，技术支持有基因转移载体的发现、工具酶的发现，DNA 合成和测序仪技术的发明等。

2.基因工程的原理及技术

基因工程操作中用到了限制酶、DNA 连接酶、运载体

3. 基因工程的应用

(1)在农业生产上：主要用于提高农作物的抗逆能力(如：抗除草剂、抗虫、抗病、抗干旱和抗盐碱等)，以及改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面。

(2)基因治疗不是对患病基因的修复，基因检测所用的 DNA 分子只有处理为单链才能与被检测的样品，按碱基 配对 原则进行杂交。

4. 蛋白质工程

蛋白质工程的本质是通过基因改造或基因合成，对先有蛋白质进行改造或制造新的蛋白质，所以被形象地称为第二代基因工程基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质

高中生物选修三知识点

1. 植物的组织培养

(1)细胞工程：指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，通过细胞水平或者细胞器水平上的操作，按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获取细胞产品的一门综合科学技术。在细胞器水平上改变细胞的遗传物质，属于细胞工程。

(2)细胞全能性：具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞，都具有发育成完整生物体的潜能。

考点细化：

① 都具有该生物全部遗传信息，因此从理论上讲，生物体的每一个活细胞都应该具有全能性。

② 细胞在生物体内没有表现出全能性的原因是基因选择性表达。

③ 植物细胞的全能性得以实现的条件是离体，合适的营养和激素，无菌操作。

④ 在生物的所有的细胞中，受精卵细胞的全能性最高。

(3)植物组织培养：在无菌和人工控制的条件下，将离体的植物器官、组织、细胞，培养在人工配置的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其产生愈伤组织、丛芽，最终形成完整的植株。

考点细化：

① 已分化的细胞经过诱导后，失去其特有的结构和功能而转变成未分化细胞的过程叫脱分化。

② 再分化是愈伤组织继续进行培养，重新分化出根或芽等器官。

③ 愈伤组织细胞排列疏松而无规则，高度液泡化的呈不定型状态的薄壁细胞。

④ 植物组织培养时培养基的成分有矿质元素、蔗糖、维生素、植物激素、有机添加物，与动物细胞培养相比需要蔗糖、植物激素，不需要动物血清。

⑤ 在植物组织培养脱分化过程中，需要植物激素

⑥ 植物组织培养全过程中都需要无菌，愈伤组织之前不需要光照

(4)植物组织培养技术的用途：微型繁殖、作物脱毒、制造人工种子、单倍体育种、细胞产物的工厂化生产。

考点细化：

① 用植物体的茎尖、根尖来获得无病毒植物

②人工种子中人工胚乳相当于大豆种子的子叶，人工种子与正常种子相比发芽率高。

③ 转基因植物的培育需要植物组织培养

(5)将不同 种植 物的体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新的植物体叫做植物体细胞杂交。

考点细化：

① 用纤维素酶、果胶酶去除细胞壁获得原生质体

② 物理方法：电刺激、振荡、离心化学方法：聚乙二醇

③ 植物体细胞杂交完成的标志是新细胞壁的形成

④ 融合后的杂种细胞通过植物组织培养才能发育成完整的植物体

(6)植物体细胞杂交这一育种方法的最大优点是克服远缘杂交不亲和障碍

2.动物的细胞培养与体细胞克隆

(7)动物细胞工程常用的技术手段有动物细胞培养、动物细胞核移植、动物细胞融合、生产单克隆抗体、胚胎移植等

(8)动物细胞培养经过原代培养和传代培养

考点细化：

① 动物细胞培养液的成分有糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素等

② 动物细胞培养基液体，植物细胞培养基固体，培养的动物细胞通常取自胚胎、幼龄动物的组织器官

② 动物细胞培养时的气体环境是95%的空气+5%二氧化碳的混合气体，CO2 起到调节 PH值作用

③ 使用胰蛋白酶处理使动物组织分散成单个细胞

④ 动物组织处理使细胞分散后的初次培养称为原代培养

⑤ 贴满瓶壁的细胞需要重新用胰蛋白酶等处理，然后分瓶继续培养，让细胞继续增殖。这样的培养过程通常被称为传代培养。

3.细胞融合与单克隆抗体

(9)动物细胞融合与植物原生质体融合的区别：操作步骤不同：植物原生质体融合需要先去除细胞壁，动物细胞无细胞壁诱导方法不同：动物细胞融合可以用物理、化学和生物三种方法，植物原生质体融合只能用物理、化学方法最终目的不同：植物原生质体融合最终是为了获得杂种植株，动物细胞融合最主要目的是获得单克隆抗体。

(10)单克隆抗体与血清抗体相比特异性强、灵敏度高并可大量制备

(11)熟悉单克隆抗体制备过程。

考点细化

① 生产杂交瘤细胞要用B 淋巴细胞和骨髓瘤细胞融合

② 注射相应抗原后，从小鼠脾脏中提取出B 淋巴细胞

③ 杂交瘤细胞既能大量增殖，又能产生专一抗体。

④ 制备单克隆抗体过程中需要两次筛选

目录

一、质粒提取原理

质粒是细胞内的一种环状的小分子DNA，是进行DNA重组的常用载体。作为一个具有自身复制起点的复制单位独立于细胞的主染色体之外，质粒DNA上携带了部分的基因信息，经过基因表达后使其宿主细胞表现相应的性状。在DNA重组中，质粒或经过改造后的质粒载体可通过连接外源基因构成重组体。

从宿主细胞中提取质粒DNA，是DNA重组技术中最基础的实验技能。分离质粒DNA有三个步骤：培养细菌使质粒扩增，收集和裂解细菌，分离和纯化质粒DNA。

在质粒提取过程中，由于机械力、酸碱度、试剂等的原因，可能使质粒DNA链发生断裂。所以，多数质粒粗提取物中含有三种构型的质粒：共价闭合环状DNA（cccDNA）： 质粒的两条链没有断裂；超螺旋开环DNA（ocDNA）： 质粒的一条链断裂；松弛的环状分子线形DNA（lDNA）： 质粒的两条链均断裂；线性分子质粒DNA的分子构型 。

质粒DNA琼脂塘凝胶电泳模式图可分为：松弛线性的DNA； 松弛开环的OC构型； 超螺旋的SC构型。由于琼脂糖中加有嵌入型染料溴化乙锭，因此，在紫外线照射下DNA电泳带成橘黄色。 道中的SC DNA走在最前沿，OC DNA则位于凝胶的最后边；道中的L DNA 是经核酸内切限制酶切割质粒之后产生的，它在凝胶中的位置介于OC DNA 和 SC DNA 之间。

二、质粒提取方法

质粒DNA的提取方法主要有碱裂解法、煮沸法、酚氯仿裂解法。跟据不同的实验目的和仪器设备择取不同的实验方案。

(一) 碱裂解法：

此方法适用于小量质粒DNA的提取，提取的质粒DNA可直接用于酶切、PCR扩增、银染序列分析。方法如下：

1. 接1%含质粒的大肠杆菌细胞于2ml LB培养基。

2. 37℃振荡培养过夜。

3. 取1.5ml菌体于Ep管，以4000rpm离心3min，弃上清液。

4. 加0.lml溶液I(1％葡萄糖，50mM/L EDTA pH8.0，25mM/L Tris-HCl pH8.0)充分混合。

5. 加入0.2ml溶液 II(0.2 mM/L NaOH，1％ SDS)，轻轻翻转混匀，置于冰浴5 min 。

6. 加入0.15m1预冷溶液III(5 mol/L KAc，pH4.8)，轻轻翻转混匀，置于冰浴5 min 。

7. 以10，000rpm离心20min，取上清液于另一新Ep管

8. 加入等体积的异戊醇，混匀后于0℃静置10min。

9. 再以10，000rpm离心20min，弃上清。

10. 用70％乙醇0.5ml洗涤一次，抽干所有液体。

11. 待沉淀干燥后，溶于0.05mlTE缓冲液中

(二) 煮沸法：

1. 将1.5ml培养液倒入eppendorf管中，4℃下12000g离心30秒。

2. 弃上清，将管倒置于卫生纸上几分钟，使液体流尽。

3. 将菌体沉淀悬浮于120ml STET溶液中，涡旋混匀。

4. 加入10ml新配制的溶菌酶溶液(10mg/ml)， 涡旋振荡3秒钟。

5. 将eppendorf管放入沸水浴中，50秒后立即取出。

6. 用微量离心机4℃下12000g离心10分钟。

7. 用无菌牙签从eppendorf管中去除细菌碎片。

8. 取20ml进行电泳检查。

(三) 酚氯仿裂解法：

1. 从琼脂平板上挑取转化菌阳性克隆，接种到标准LB培养液中（含有卡那霉素30 μg/mL）摇菌12 h；收集1.5 mL菌液，8000 g/min离心3 min，弃上清，沉淀加入200 μL TE，充分混匀；加入400 μL酚氯仿（1∶1体积）混合液，剧烈振动10 s，混匀；12 000 g/min离心5 min，1 mL胰岛素注射针收集上清，尽量避免吸入蛋白沉淀层；上清经国产0。22 μm针式滤器过滤1次；向过滤上清液内加入2倍体积无水乙醇，振荡10 s，12 000 g/min离心5 min；沉淀溶于20 μL的RTE溶液中，37℃水浴。

2. 按PstI内切酶说明书进行酶切反应（37℃，1 h）。 酶切产物10 μL，10 g/L琼脂糖凝胶电泳。

3. PCR引物根据参考文献〔1〕设计，预计扩增产物片断大小为714 bp。

4. 常规制备感受态菌E。coli DH5a，提取质粒DNA常规转化感受态，涂于含有卡那霉素（30 μ/mL）LB培养平板中，37℃培养，15 h后观察筛选克隆情况。

三、质粒提取常见问题

(一) 溶液I—溶菌液：

溶菌酶：它是糖苷水解酶，能水解菌体细胞壁的主要化学成分肽聚糖中的β-1,4糖苷键，因而具有溶菌的作用。当溶液中pH小于8时，溶菌酶作用受到抑制。

葡萄糖：增加溶液的粘度，维持渗透压，防止DNA受机械剪切力作用而降解。

EDTA：1. 螯合Mg2＋、Ca2＋等金属离子，抑制脱氧核糖核酸酶对DNA的降解作用（DNase作用时需要一定的金属离子作辅基）2. EDTA的存在，有利于溶菌酶的作用，因为溶菌酶的反应要求有较低的离子强度的环境。

(二) 溶液II－NaOH－SDS液：

NaOH：核酸在pH大于5，小于9的溶液中，是稳定的。但当pH＞12或pH＜3时，就会引起双链之间氢键的解离而变性。在溶液II中的NaOH浓度为0.2mo1／L，加抽提液时，该系统的pH就高达12.6，因而促使染色体DNA与质粒DNA的变性。

SDS：SDS是离子型表面活性剂。它主要功能有：1. 溶解细胞膜上的脂质与蛋白，因而溶解膜蛋白而破坏细胞膜。2. 解聚细胞中的核蛋白。3. SDS能与蛋白质结合成为R-O-SO3-…R＋-蛋白质的复合物，使蛋白质变性而沉淀下来。但是SDS能抑制核糖核酸酶的作用，所以在以后的提取过程中，必须把它去除干净，防止在下一步操作中（用RNase去除RNA时）受到干扰。

(三) 溶液III--3mol／L NaAc（pH4.8）溶液：

NaAc的水溶液呈碱性，为了调节pH至4.8，必须加入大量的冰醋酸。所以该溶液实际上是NaAc-HAc的缓冲液。用pH4.8的NaAc溶液是为了把pH12.6的抽提液，调回pH至中性，使变性的质粒DNA能够复性，并能稳定存在。而高盐的3mol／L NaAc有利于变性的大分子染色体DNA、RNA以及SDS-蛋白复合物凝聚而沉淀之。前者是因为中和核酸上的电荷，减少相斥力而互相聚合，后者是因为钠盐与SDS－蛋白复合物作用后，能形成较小的钠盐形式复合物，使沉淀更完全。

(四) 为什么用无水乙醇沉淀DNA？

用无水乙醇沉淀DNA，这是实验中最常用的沉淀DNA的方法。乙醇的优点是可以任意比和水相混溶，乙醇与核酸不会起任何化学反应，对DNA很安全，因此是理想的沉淀剂。

DNA溶液是DNA以水合状态稳定存在，当加入乙醇时，乙醇会夺去DNA周围的水分子，使DNA失水而易于聚合。一般实验中，是加2倍体积的无水乙醇与DNA相混合，其乙醇的最终含量占67％左右。因而也可改用95％乙醇来替代无水乙醇（因为无水乙醇的价格远远比95％乙醇昂贵）。但是加95％的乙醇使总体积增大，而DNA在溶液中有一定程度的溶解，因而DNA损失也增大，尤其用多次乙醇沉淀时，就会影响收得率。折中的做法是初次沉淀DNA时可用95％乙醇代替无水乙酵，最后的沉淀步骤要使用无水乙醇。也可以用0.6倍体积的异丙醇选择性沉淀DNA。一般在室温下放置15－30分钟即可。

(五) 在用乙醇沉淀DNA时，为什么一定要加NaAc或NaCl至最终浓度达0.1～0.25mol/L？

在pH为8左右的溶液中，DNA分子是带负电荷的，加一定浓度的NaAc或NaCl，使Na+中和DNA分子上的负电荷，减少DNA分子之间的同性电荷相斥力，易于互相聚合而形成DNA钠盐沉淀，当加入的盐溶液浓度太低时，只有部分DNA形成DNA钠盐而聚合，这样就造成DNA沉淀不完全，当加入的盐溶液浓度太高时，其效果也不好。在沉淀的DNA中，由于过多的盐杂质存在，影响DNA的酶切等反应，必须要进行洗涤或重沉淀。

(六) 加核糖核酸酶降解核糖核酸后，为什么再要用SDS与KAc来处理？

加进去的RNase本身是一种蛋白质，为了纯化DNA，又必须去除之，加SDS可使它们成为SDS-蛋白复合物沉淀，再加KAc使这些复合物转变为溶解度更小的钾盐形式的SDS-蛋白质复合物，使沉淀更加完全。也可用饱和酚、氯仿抽提再沉淀，去除RNase。在溶液中，有人以KAc代替NaAc，也可以收到较好效果。

(七) 为什么在保存或抽提DNA过程中，一般采用TE缓冲液？

在基因操作实验中，选择缓冲液的主要原则是考虑DNA的稳定性及缓冲液成分不产生干扰作用。磷酸盐缓冲系统（pKa＝7.2）和硼酸系统（pKa=9.24）等虽然也都符合细胞内环境的生理范围(pH)，可作DNA的保存液，但在转化实验时，磷酸根离子的种类及数量将与Ca2＋产生Ca3(PO4)2沉淀；在DNA反应时，不同的酶对辅助因子的种类及数量要求不同，有的要求高离子浓度，有的则要求低盐浓度，采用Tris-HCl（pKa=8.0）的缓冲系统，由于缓冲液是TrisH+/Tris，不存在金属离子的干扰作用，故在提取或保存DNA时，大都采用Tris-HCl系统，而TE缓冲液中的EDTA更能稳定DNA的活性。

(八) 如何选择聚乙二醇（6000）的浓度来沉淀DNA？

采用PEG（6000）沉淀DNA，大小不同的DNA分子所用的PEG的浓度也不同，PEG的浓度低，选择性沉淀DNA分子量大，大分子所需PEG的浓度只需1％左右，小分子所需PEG浓度高达20％。本实验选择性沉淀4.3kb的pBR322质粒DNA，每毫升加入0.4毫升的30％ PEG，其最终PEG浓度为12％。PEG选择性沉淀DNA的分辨率大约100bp。

(九) 抽提DNA去除蛋白质时，怎样使用酚与氯仿较好？

酞与氯仿是非极性分子，水是极性分子，当蛋白水溶液与酚或氯仿混合时，蛋白质分子之间的水分子就被酚或氯仿挤去，使蛋白失去水合状态而变性。经过离心，变性蛋白质的密度比水的密度为大，因而与水相分离，沉淀在水相下面，从而与溶解在水相中的DNA分开。而酚与氯仿有机溶剂比重更大，保留在最下层。

作为表面变性的酚与氯仿，在去除蛋白质的作用中，各有利弊，酚的变性作用大，但酚与水相有一定程度的互溶，大约10％～15％的水溶解在酚相中，因而损失了这部分水相中的DNA，而氯仿的变性作用不如酚效果好，但氯仿与水不相混溶，不会带走DNA。所以在抽提过程中，混合使用酚与氯仿效果最好。经酚第一次抽提后的水相中有残留的酚，由于酚与氯仿是互溶的，可用氯仿第二次变性蛋白质，此时一起将酚带走。也可以在第二次抽提时，将酚与氯仿混合（1:1）使用。

(十) 为什么用酚与氯仿抽提DNA时，还要加少量的异戊酵？

在抽提DNA时，为了混合均匀，必须剧烈振荡容器数次，这时在混合液内易产生气泡，气泡会阻止相互间的充分作用。加入异戊醇能降低分子表面张力，所以能减少抽提过程中的泡沫产生。一般采用氯仿与异戊酵为24：1之比。也可采用酚、氯仿与异戊醇之比为25：24:1（不必先配制，可在临用前把一份酚加一份24：1的氯仿与异戊醇即成），同时异戊醇有助于分相，使离心后的上层水相，中层变性蛋白相以及下层有机溶剂相维持稳定。

(十一) 为什么要用pH8的Tris水溶液饱和酚？呈粉红色的酚可否使用？如何保存酚不被空气氧化？

因为酚与水有一定的互溶，苯酚用水饱和的目的是使其抽提DNA过程中，不致吸收样品中含有DNA的水分，减少DNA的损失。用Tris调节至pH为8是因为DNA在此条件下比较稳定。在中性或碱性条件下（pH5～7），RNA比DNA更容易游离到水相，所以可获得RNA含量较少的DNA样品。

保存在冰箱中的酚，容易被空气氧化而变成粉红色的，这样的酚容易降解DNA，一般不可以便用。为了防止酚的氧化，可加入疏基乙醇和8-羟基喹琳至终浓度为0.1％。8-羟基喹琳是带有淡黄色的固体粉末，不仅能抗氧化，并在一定程度上能抑制DNase的活性，它是金属离子的弱螯合剂。用Tris pH8.0水溶液饱和后的酚，最好分装在棕色小试剂瓶里，上面盖一层Tris水溶液或TE缓冲液，隔绝空气，以装满盖紧盖子为宜，如有可能，可充氮气，防止与空气接触而被氧化。平时保存在4℃或－20℃冰箱中，使用时，打开盖子吸取后迅速加盖，这样可使酚不变质，可用数月。

(十二) 未提出质粒或质粒得率较低？

1. 大肠杆菌老化

请涂布平板培养后，重新挑选新菌落进行液体培养。

2. 质粒拷贝数低

由于低使用低拷贝数载体引起的质粒DNA提取量低，可更换具有相同功能的高拷

贝数载体。

3. 菌体中无质粒

有些质粒本身不能在某些菌种中稳定存在，经多次转接后有可能造成质粒丢失。

例如，柯斯质粒在大肠杆菌中长期保存不稳定，因此不要频繁转接，每次接种时

应接种单菌落。另外，检查筛选用抗生素使用浓度是否正确。

4. 碱裂解不充分

使用过多菌体培养液，会导致菌体裂解不充分，可减少菌体用量或增加溶液P1、

P2和P3的用量。对低拷贝数质粒，提取时，可加倍使用溶液P1、P2和P3，可能

有助于增加质粒提取量和质粒质量。

5. 溶液使用不当

溶液P2、P3在温度较低时可能出现浑浊，应置于37℃保温片刻直至溶解为清亮的

溶液，才能使用。

6. 吸附柱过载

不同产品中吸附柱吸附能力不同，如果需要提取的质粒量很大，请分多次提取。若

用富集培养基，例如TB 或2×YT，菌液体积必须减少；若质粒或宿主菌是非常高

的拷贝数或生长率，则需调整LB培养液体积。

7. 质粒未全部溶解（尤其质粒较大时）

洗脱溶解质粒时，可适当加温或延长溶解时间。

8. 乙醇残留

漂洗液洗涤后应离心尽量去除残留液体，树脂型试剂盒漂洗后应晾干树脂，再加

入洗脱缓冲液。

9. 洗脱液加入位置不正确

洗脱液应加在硅胶膜中心部位以确保洗脱液会完全覆盖硅胶膜的表面达到最大洗脱

效率。

10. 洗脱液不合适

DNA只在低盐溶液中才能被洗脱，如洗脱缓冲液EB (10 mM Tris?Cl, pH 8.5)

或水。洗脱效率取决于pH值。最大洗脱效率在pH7.0-8.5间。当用水洗脱时确保

其pH值在此范围内，如果pH过低可能导致洗脱量低。洗脱时将灭菌蒸馏水或洗脱

缓冲液加热至60℃后使用有利于提高洗脱效率。

11. 洗脱体积太小

洗脱体积对回收率有一定影响。随着洗脱体积的增大回收率增高，但产品浓度降

低。为了得到较高的回收率可以增大洗脱体积。

12. 洗脱时间过短

洗脱时间对回收率也会有一定影响。洗脱时放置一分钟可达到较好的效果。

(十三) 质粒纯度不高？

1. 混有蛋白

不要使用过多菌体。溶液P1、P2、P3处理并离心后溶液应为澄清的，如果还混有

微小蛋白悬浮物，可再次离心去除后再进行下一步骤。

2. 混有RNA

RNase A处理不彻底，请减少菌体用量或加入溶液P3之后室温放置一段时间。如

果溶液P1已保存6个月以上，请在溶液P1中添加RNase A。

3. 混有基因组DNA

加入溶液P2和P3后应温和混匀，如果剧烈振荡，可能把基因组DNA剪切成碎片从

而混杂在质粒中。如果加入溶液P2后过于粘稠，无法温和混匀，请减少菌体用

量。细菌培养时间过长会导致细胞和DNA的降解，不要超过16 小时。

4. P3溶液加入时间过长

P3溶液加入后，放置时间不要太长，否则有可能会产生小片段DNA污染。

5. 含大量核酸酶的宿主菌

宿主菌含大量核酸酶，在质粒提取过程中降解质粒DNA，影响提取质粒DNA的完

整性，最好选用不含核酸酶的大肠杆菌宿主菌，如DH5α和Top10。

6. 裂解时间过长

加入溶液P2后裂解时间不应超过5分钟。

7. 质粒的二聚体和多聚体形式

质粒复制过程中形成的，与宿主菌相关，电泳可检测出。