概述了基因工程

Genetics

Your institution must subscribe to JoVE's Advanced Biology collection to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 1 hour trial to JoVE!





By clicking "Submit", you agree to our policies.

 

Summary

基因工程 — — 有目的地改变一个生物体的 DNA 的过程 — — 已被用来创建强大的研究工具和模式生物,和也有许多农业应用程序。然而,为了工程师性状如对付复杂的农业问题强调容忍,或实现治疗人类疾病的基因治疗的承诺,进一步进展领域仍然需要。重要的考虑因素包括遗传构造成细胞或生物体,安全和高效地提供和建立所需的修改在生物体的基因组与至少"关闭目标"的影响。

朱庇特的基因工程概述将呈现历史领域,突出的发现,证实 DNA 作为遗传物质,导致开发工具来修改 DNA。然后将介绍为改进的基因工程流程必须回答的关键问题,以及由遗传工程师使用的各种工具。最后,我们将调查几个应用程序,今天演示实验问题和战略领域的类型。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 遗传学精要. 概述了基因工程. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

基因工程是有目的改造而成的有机体的 DNA。在这一领域的进展使科学家能够生成基因修饰的细胞和生物体的生物医学研究和农业用途。然而,在人类中,称为基因治疗疗法用作基因技术的应用仍然是进行中的工作。

在这个视频中,我们将讨论一些重要的发现,在历史的基因工程,今天正在研究的重大问题,改变生物的基因组和几个应用这些技术的重要工具。

我们先回顾一下基因工程的历史。

直接操作取决于解决身份的遗传物质的基因科学家的能力。在 1928 年,弗雷德里克 · 格里菲斯指出,注射灭活毒力强的细菌混合和活着,但非剧毒,滤入小鼠导致疾病,导致他推测"转型的原则",从死者活细菌转移。

1944 年,奥斯瓦尔德 · 艾弗里、 科林 · 麦克劳德和麦克林恩 · 麦卡蒂确定细菌的 DNA 作为负责此转换。1952 年,当阿尔弗雷德 • 赫尔希和蔡用于放射性标记的噬菌体显示,正是这种病毒的 DNA 和不是蛋白质,在其感染的细菌细胞转呈进一步验证了结果。

此外在 1952 年,约书亚莱德伯格假设质粒的存在 — — 小的、 圆形件可以传送之间细菌的 DNA。大约在同一时间,他还描述了的转导,哪里病毒作为载体来传输单元格之间的 DNA。

开始大约在 1970 年,研究人员像汉密尔顿 · 史密斯的人开始发现一些实用的"工具"的基因工程,就像限制酶的切割 DNA 特异性序列。使用这些工具,在 1972 年,保罗 · 伯格生成第一个"重组"DNA 分子通过从两个不同的病毒,加入 DNA 和并行,斯坦利 · 科恩和赫伯特 · 博耶第一个重组有机体由放置到一个质粒抗生素耐药基因和生成该构造转化细菌大肠杆菌

1973 年,鲁道夫 · 杰创建第一个转基因多细胞生物,含有 SV40 病毒 DNA,虽然它不是直到 1981 年,当几个其他实验室创建能够将插入的基因传递给后代的第一次转基因小鼠的鼠标。在 1980 年代中期,马里奥 · 卡佩基、 奥利弗 · 史密斯首先建立的同源重组可以用于专门针对基因,和 1989 年用此方法来生成第一次的基因剔除小鼠,呈现非功能性基因的位置。

接下来,让我们来检查一些基因工程中的关键问题。

一个不可或缺的研究领域确定修改生物基因组的最佳方法。很多因素需要考虑,包括改性过程的效率,以及是否需要修改需要有针对性地对特定的基因对细胞 DNA 的意外变化风险最小化。

为了修改宿主细胞基因组,人工组装的 DNA 序列,为进行相应的修改,称为"遗传构造",必须到该单元格成功交付。在这一领域研究的目的是使效率最大化同时限制细胞毒性。在个体水平,研究人员研究如何修改向量等逆转录病毒颗粒或纳米粒子来提高构建传递到目标细胞群体。

最后,有很多的兴趣是否可以成功地应用基因工程农业或治疗使用。这些技术已被用来生成强大的研究工具,如小鼠基因删除或"撞出",或将简单、 单一的特征,如抗除草剂作物插入。然而,复杂的问题,比如在不利条件下,生成茁壮成长的作物可能会需要同时修改多个通路。此外,开发基因疗法来治疗遗传疾病,遗传构造安全、 有效地送达人类的细胞,仍然是一个具有挑战性的任务。

让我们现在看看基因工程工具和技术的研究人员利用。

生成的基因构造的典型方法是基于限制性内切酶的克隆,那里消化,然后重组以特定的顺序使用 DNA 连接酶来创建一个新的质粒 DNA 片段。较新的技术包括重组,使用同源重组隔离和交换无需限制性内切酶消化站点的 DNA 片段。

DNA 可以通过许多方法送进细胞。转型或转染是裸 DNA 进入细菌或真核细胞,分别的过程。二价金属离子,如钙,可以使细胞膜更多孔,会增加对外源性 DNA 分子的吸收。电穿孔法利用电场来完成相同的任务,而环绕 DNA 的脂质纳米粒可以与细胞膜融合,释放其有效载荷。转导是指由病毒的载体,如慢病毒 DNA 的转移。

提供到多细胞生物体的遗传构造需要考虑其他一些因素。当存在多个单元格类型时,如病毒或纳米靶向的载体增加细胞传递的特异性。在植物中,研究人员有增选农杆菌介导法,植物病原体能够传递 DNA 植物细胞,作为基因运载工具。"基因枪法"指的是使用"基因枪",为细胞提供 DNA 镀黄金珠。

最后,交付的 DNA 构造需要永久更改宿主基因组以达到长期的效果。这可通过交付的 DNA 构建随机融入宿主的 DNA,可以通过标记与识别位点的 DNA"剪切和粘贴"酶称为 transposases 构造加强。另一方面,基因打靶通过同源重组技术允许集成进入特定基因组的网站。技术称为基因组编辑,使用自定义设计的核酸酶生成特定基因座的双链断裂,进展极大地提高基因打靶效率。

现在,让我们看看如何今天正在应用基因工程技术。

在真核生物细胞功能的细胞器,分成两部分,并针对个别车厢转基因蛋白表达可能允许更具体的生物效应。在这个实验中,研究人员产生绿色荧光蛋白标记的记者构造使用吉布森装配技术,在那里同源的多重 PCR 产物之间的重叠区域允许无需使用限制性内切酶的完整构造的生成。基因枪法转染用于运送入植物细胞,这些构造和研究者们能够表明 GFP 表达定位于叶绿体。

癌细胞往往过度表达表面的受体,研究人员可以针对使用基因疗法。在这里,科学家建立人膀胱癌模型小鼠。紧接着的是局部给药的腺病毒载体对膀胱肿瘤细胞。在肿瘤细胞中的荧光素酶表达观察表明记者基因成功交付。

最后,在目标生物工程完成生物通路是正在取得进展。在这里,每个基因的生物合成途径为抗生素红霉素是从其宿主菌,糖多孢红霉菌,通过 PCR 分离和合并成操纵子相似的构造,在一系列基因控制下通过放相同的调控元件,以便优化表达。这些构造然后变成了大肠杆菌重组合成途径,和非同源模板生产的产品然后可以纯化和测试功能。

你刚看了基因工程的朱庇特的概述。在这个视频中,我们讨论了基因工程的历史,研究重大问题,在字段中,工具和提出了几个基因工程应用实例。一如既往,感谢您收看 !

A subscription to JoVE is required to view this article.
You will only be able to see the first 20 seconds.

RECOMMEND JoVE

Applications