本书共 19章，从原理、技术和应用三个方面对基因工程进行了较为系统的阐述。首先，简要介绍了基因和基因表达调控原理，展示了基因组、转录组、蛋白质组等组学的最新进展。随后，系统阐述了基因工程操作中基因工具酶的使用、目的基因分离、载体构建、外源基因导入、阳性转化子筛选等技术方法，并概述了核酸杂交、基因芯片、基因编辑、基因沉默、转座子突变和干细胞转化等基因工程新技术。在此基础上，本书重点介绍了基因工程技术在原核细胞、酵母、植物、动物以及人类基因治疗工程中的应用进展，详细论述了分子抗体工程、基因编辑、合成生物学等基因工程新技术和新产业。最后，讨论了基因工程中可能存在的生物安全问题，并提出了相应的监管措施，展望了应用前景。
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目录
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第1章基因工程概论1
1.1基因工程概述1
1.1.1基因和基因组1
1.1.2基因工程简介2
1.2基因工程基本技术体系3
1.2.1基因工程技术体系构成3
1.2.2基因工程基本操作流程5
1.3基因工程发展简史7
1.3.1基因工程诞生背景7
1.3.2基因工程诞生标志10
1.3.3基因工程发展过程11
1.3.4基因工程最新进展14
1.4基因工程主要研究内容15
1.4.1基因克隆15
1.4.2基因工程工具酶15
1.4.3基因工程载体16
1.4.4外源基因导入宿主细胞16
1.4.5转化子的鉴定筛选17
1.4.6基因工程产品的分离纯化及产业化应用17
1.5基因工程的应用18
1.5.1基因工程在后基因组时代的作用18
1.5.2基因工程在工业中的应用20
1.5.3基因工程在农业生产中的应用21
1.5.4基因工程在医药健康产业中的应用22
1.5.5基因工程应用前景展望23
本章小结24
第2章基因表达调控25
2.1基因调控基本特征25
2.1.1基因表达25
2.1.2基因表达的时空特性25
2.1.3基因表达的方式26
2.1.4基因表达调控的基本原理27
2.1.5基因表达调控的生物学意义29
2.2原核基因表达调控30
2.2.1原核生物基因的转录机制30
2.2.2原核基因转录调节特点30
2.2.3乳糖操纵子调节机制31
2.2.4色氨酸操纵子调节机制31
2.2.5半乳糖操纵子调节机制35
2.2.6阿拉伯糖操纵子调节机制36
2.2.7原核生物的翻译水平调控37
2.3真核基因表达调控38
2.3.1真核生物的基因结构与转录前调控38
2.3.2真核基因的转录调控43
2.3.3真核基因的转录后调控52
2.4调控真核基因表达的主要研究技术55
2.4.1凝胶迁移实验56
2.4.2染色质免疫共沉淀技术57
2.4.3DNaseⅠ足迹实验58
2.4.4酵母单杂交系统59
2.4.5双萤光素酶报告系统60
2.5转基因植物中外源基因的表达调控61
2.5.1转化外源基因的瞬时表达和稳定表达61
2.5.2转录调控序列对外源基因表达的影响62
2.5.3外源基因在翻译水平上的调控63
2.5.4外源DNA整合的遗传效应对基因表达的影响64
本章小结66
第3章基因组研究67
3.1基因组及其类型和大小67
3.1.1原核生物基因组68
3.1.2真核生物细胞核基因组69
3.1.3真核生物细胞器基因组70
3.2遗传图谱72
3.3物理图谱73
3.3.1作图文库74
3.3.2物理图谱的构建81
3.3.3物理图谱和遗传图谱比较83
3.4基因组测序83
3.4.1DNA测序的方法84
3.4.2基因组测序91
3.4.3序列组装95
3.5基因组序列分析97
3.5.1搜寻基因97
3.5.2基因功能预测99
3.6基因组序列特征100
3.6.1基因组序列复杂性100
3.6.2原核生物基因组序列102
3.6.3真核生物基因组序列103
3.6.4重复DNA104
本章小结106
第4章多组学与生物信息学108
4.1转录组学108
4.1.1转录组学概述108
4.1.2转录组研究方法108
4.1.3非编码RNA110
4.1.4RNA测序技术的应用110
4.2蛋白质组学111
4.2.1蛋白质组学概述111
4.2.2基于凝胶的差异蛋白分离技术112
4.2.3质谱鉴定蛋白质技术113
4.2.4基于质谱的定量蛋白质组学研究115
4.2.5蛋白质翻译后修饰118
4.2.6功能蛋白质组学研究118
4.2.7蛋白质组研究应用120
4.3代谢组学122
4.3.1代谢组学概述122
4.3.2代谢组学研究技术123
4.3.3代谢组学的应用127
4.4表型组学129
4.4.1表型组学概述129
4.4.2表型组学研究技术130
4.4.3表型组学的应用132
4.5生物信息学134
4.5.1生物信息学概述134
4.5.2生物信息学研究内容135
4.5.3生物信息数据库136
4.5.4分子进化分析138
4.6多组学整合研究139
4.6.1多组学整合概述139
4.6.2多组学整合研究思路139
4.6.3多组学数据整合分析的应用及展望140
本章小结141
第5章基因工程工具酶143
5.1限制性内切核酸酶143
5.1.1限制性内切核酸酶的发现和分类143
5.1.2Ⅱ类限制性内切核酸酶的特点144
5.1.3限制性内切核酸酶的命名法146
5.1.4限制性内切核酸酶的反应条件146
5.1.5影响限制性内切核酸酶酶切的反应条件147
5.2连接酶148
5.2.1连接酶的发现148
5.2.2连接酶的种类148
5.2.3不同末端的连接策略149
5.2.4DNA连接酶的影响因素149
5.3DNA聚合酶150
5.3.1DNA聚合酶的发现150
5.3.2DNA聚合酶的功能150
5.4核酸修饰酶151
5.4.1末端脱氧核苷酸转移酶151
5.4.2碱性磷酸酶152
5.4.3T4噬菌体多核苷酸激酶153
5.5核酸酶和外切核酸酶154
5.5.1核糖核酸酶154
5.5.2脱氧核糖核酸酶Ⅰ154
5.5.3S1核酸酶155
5.5.4外切核酸酶155
本章小结155
第6章目的基因分离156
6.1化学合成DNA分离目的基因156
6.2基因的电子克隆156
6.3基因文库获取目的基因158
6.3.1构建基因文库法分离目的基因158
6.3.2cDNA基因文库的构建和筛选160
6.3.3PCR技术的基本原理165
6.3.4影响PCR反应的因素167
6.3.5反向PCR169
6.3.6反转录PCR170
6.3.7荧光定量PCR170
RACE-PCR171
6.3.8
6.3.9多重PCR172
6.3.10原位PCR173
6.3.11重组PCR173
6.3.12不对称PCR173
6.4目的基因分离技术174
6.4.1利用DNA芯片分析目的基因174
6.4.2利用cDNA微阵列分离目的基因175
6.4.3转座子诱变分离克隆目的基因175
6.4.4T-DNA标签法分离目的基因175
6.4.5图位克隆法分离目的基因176
本章小结177
第7章基因工程载体178
7.1基因克隆载体178
7.1.1质粒载体178
7.1.2噬菌体载体185
7.1.3黏粒载体190
7.1.4人工染色体载体192
7.2基因表达载体194
7.2.1大肠杆菌原核表达载体194
7.2.2酵母与动物细胞真核表达载体196
7.2.3植物细胞真核表达载体198
本章小结200
第8章重组DNA分子导入受体细胞201
8.1重组DNA分子导入原核受体细胞201
8.1.1自然条件下细菌受体细胞的转化过程202
8.1.2感受态细胞的选择202
8.1.3重组DNA分子导入大肠杆菌细胞的方法203
8.1.4聚乙二醇介导的细菌原生质体转化207
8.2重组DNA分子导入酵母细胞208
8.2.1聚乙二醇介导的酵母细胞转化209
8.2.2电转化法介导的酵母细胞转化210
8.2.3碱性阳离子Li+介导的酵母细胞转化210
8.3外源重组基因导入植物细胞211
8.3.1DNA直接转化法211
8.3.2农杆菌Ti质粒转化法214
8.4动物细胞遗传转化的方法217
8.4.1动物细胞的物理转染法218
8.4.2动物细胞的化学转染法220
8.4.3动物细胞的生物转染法222
本章小结226
第9章转化子筛选与鉴定228
9.1遗传学检测方法228
9.1.1基于载体基因的筛选与鉴定228
9.1.2互补选择法232
9.1.3基于目的基因的筛选与鉴定234
9.2电泳检测法238
9.2.1直接电泳检测法238
9.2.2酶切电泳检测法239
9.2.3PCR扩增检测法242
9.3核酸分子杂交检测法243
9.3.1探针的制备243
9.3.2Southern印迹杂交243
9.3.3Northern印迹杂交246
9.3.4菌落印迹原位杂交247
9.3.5斑点印迹杂交249
9.4免疫化学检测法250
9.4.1放射性抗体检测法250
9.4.2免疫沉淀测定法252
9.4.3酶联免疫吸附测定法252
9.5转译筛选法253
9.5.1杂交抑制转译检测法253
9.5.2杂交选择转译检测法254
本章小结254
第10章基因工程新技术256
10.1核酸分子杂交技术256
10.1.1核酸杂交的基本原理256
10.1.2核酸探针的制备256
10.1.3核酸杂交种类与方法259
10.1.4核酸杂交技术的应用260
10.2芯片技术261
10.2.1基因芯片的基本原理261
10.2.2基因芯片的种类261
10.2.3基因芯片制作技术的基本步骤262
10.2.4基因芯片技术的应用263
10.3基因敲除技术264
10.3.1Cre-loxP基因敲除系统265
10.3.2FLP/FRT系统266
10.3.3噬菌体phiC31位点重组酶系统266
10.3.4ZFN技术267
10.3.5TALEN技术268
10.3.6CRISPR/Cas9技术268
10.3.7基因敲除技术的应用269
10.4基因沉默技术270
10.4.1RNA干扰技术270
10.4.2表观遗传基因组编辑技术271
10.4.3基因沉默技术的应用271
10.5转座子突变技术272
10.5.1转座子基因突变系统272
10.5.2转座子突变技术的应用273
10.6植物遗传转化新方法274
10.6.1碳纳米管技术274
10.6.2DNA纳米结构转化技术275
10.6.3干细胞转化技术276
10.6.4质体转化277
10.6.5磁性纳米颗粒279
本章小结279
第11章原核细胞基因工程281
11.1原核细胞基因表达特征281
11.2原核细胞基因工程概述282
11.2.1原核细胞基因工程简介282
11.2.2原核细胞基因调控规律283
11.2.3原核细胞基因表达主要调控元件284
11.3原核细胞基因表达系统的种类及特点285
11.3.1原核细胞基因工程表达系统的主要种类285
11.3.2大肠杆菌表达系统的特点及应用286
11.3.3芽孢杆菌表达系统的特点及应用286
11.3.4棒状杆菌表达系统的特点及应用288
11.3.5链霉菌表达系统的特点及应用288
11.3.6蓝藻表达系统及应用289
11.3.7乳酸菌表达系统及应用290
11.4原核细胞基因表达步骤和主要策略290
11.4.1原核细胞基因工程表达主要步骤290
11.4.2原核细胞基因工程中外源蛋白表达主要特点291
11.4.3提高外源基因在原核细胞中表达效率的主要方法296
11.4.4优化原核表达载体质粒的主要方法298
11.4.5选择不同偏好密码子提高原核表达效率299
11.5原核细胞基因工程表达产物分离纯化300
11.5.1原核细胞基因工程表达产物分离纯化特点300
11.5.2原核细胞基因工程表达产物分离纯化策略301
11.5.3原核细胞基因工程表达产物纯化流程303
11.5.4包涵体蛋白分离和重组蛋白复性303
11.5.5分泌型表达蛋白的纯化和浓缩304
11.6原核细胞基因工程菌大规模培养及发酵305
11.6.1原核细胞基因工程菌发酵特点305
11.6.2原核细胞基因工程菌的深层培养306
11.6.3原核细胞基因工程菌的大规模发酵306
11.7原核细胞基因工程菌遗传不稳定性及相应对策307
11.7.1基因工程菌遗传不稳定性原因307
11.7.2改善基因工程菌不稳定性的方法308
11.7.3优化培养条件提高基因工程菌产量和稳定性309
11.7.4固定化培养可明显提高基因工程菌产量和质粒稳定性310
11.8原核细胞基因工程应用实例312
11.8.1利用大肠杆菌生产人胰岛素312
11.8.2利用大肠杆菌生产重组人生长激素315
11.8.3利用大肠杆菌生产重组人抗体及其片段316
本章小结317
第12章酵母基因工程318
12.1酵母基因工程表达体系318
12.1.1酵母基因表达宿主系统318
12.1.2酵母表达载体320
12.1.3转化方法324
12.2常见酵母表达系统325
12.2.1酿酒酵母表达系统325
12.2.2毕赤酵母表达系统327
12.2.3解脂耶氏酵母表达系统330
12.2.4圆红冬孢酵母表达系统333
12.2.5乳酸克鲁维酵母表达系统335
12.3影响外源基因在酵母中表达的主要因素337
12.3.1转录水平控制337
12.3.2翻译水平控制338
12.3.3表达载体的拷贝数与稳定性340
12.3.4其他因素341
12.4酵母基因工程应用举例342
12.4.1利用工程酵母菌生产功能性脂质342
12.4.2利用工程酵母菌生产疫苗342
12.4.3利用工程酵母菌生产萜类化合物343
本章小结343
第13章植物基因工程345
13.1植物基因工程载体分类及构建345
13.1.1植物基因工程载体分类345
13.1.2Ti质粒载体及其构建346
13.1.3Ri质粒载体及其构建352
13.1.4植物表达载体的基因表达盒354
13.2植物基因工程受体系统356
13.2.1植物原生质体受体系统356
13.2.2植物愈伤组织受体系统357
13.2.3生殖细胞受体系统358
13.2.4叶绿体转化系统358
13.3植物遗传转化方法358
13.3.1农杆菌介导的植物基因遗传转化359
13.3.2植物细胞的物理直接导入法361
13.3.3植物细胞的化学直接导入法361
13.3.4花粉管通道法362
13.4转基因植物筛选与靶标基因检测362
13.4.1生物学特性鉴定362
13.4.2标记基因的表达检测363
13.4.3外源基因及其表达产物的分子鉴定365
13.5高等植物基因表达系统368
13.5.1外源基因的四环素诱导系统368
13.5.2外源基因的乙醇诱导系统370
13.5.3外源基因的类固醇诱导系统370
13.5.4外源基因的地塞米松诱导系统和四环素抑制系统372
13.6利用转基因技术研究植物基因表达调控373
13.6.1利用报告基因研究启动子和终止子功能373
13.6.2利用T-DNA或转座子元件克隆植物基因373
13.6.3利用病毒诱导型基因沉默机制鉴定植物功能基因375
13.6.4利用增强子或启动子元件原位激活鉴定植物功能基因375
13.7利用转基因技术在植物中生产重组外源蛋白376
13.7.1利用植物生物反应器生产医用蛋白376
13.7.2利用植物生物反应器生产食品或饲料添加剂378
13.7.3利用植物生物反应器生产工业原料378
13.7.4利用植物生物反应器生产药用次生代谢物379
13.8利用转基因技术改良植物品质380
13.8.1抗病虫害植物基因工程380
13.8.2抗除草剂植物基因工程383
13.8.3抗逆境植物基因工程384
13.8.4改变花型花色的植物基因工程384
13.8.5控制果实成熟的植物基因工程385
13.8.6提高农作物产量和品质的植物基因工程386
本章小结388
第14章动物基因工程389
14.1动物体细胞核移植技术389
14.1.1动物克隆研究发展史389
14.1.2体细胞核移植技术的原理393
14.1.3体细胞核移植技术的应用396
14.2动物基因打靶技术397
14.2.1动物基因打靶技术简介397
14.2.2动物基因打靶技术原理398
14.2.3基因打靶载体设计401
14.2.4动物基因打靶技术的应用405
14.3转基因动物406
14.3.1转基因动物研究概述406
14.3.2转基因动物制备技术407
14.3.3转基因动物的应用417
14.4基因工程疫苗421
14.4.1基因工程疫苗的分类422
14.4.2家畜家禽基因工程疫苗425
本章小结426
第15章基因治疗工程428
15.1基因治疗概论428
15.1.1基因治疗的产生及发展428
15.1.2基因治疗的策略429
15.1.3基因治疗一般原则431
15.2基因治疗的载体432
15.2.1病毒载体432
15.2.2非病毒载体435
15.3基因编辑技术436
15.3.1归巢内切酶技术437
15.3.2锌指核酸酶技术438
15.3.3转录激活因子样效应物核酸酶技术439
15.3.4规律成簇的短回文重复序列技术439
15.4重要疾病的基因治疗441
15.4.1肿瘤的基因治疗441
15.4.2病毒病的基因治疗443
15.4.3罕见病的基因治疗445
本章小结447
第16章分子抗体工程448
16.1纳米抗体448
16.1.1驼源纳米抗体449
16.1.2鲨鱼纳米抗体450
16.2分子抗体工程452
16.2.1单克隆抗体ScFv片段基因克隆与表达452
16.2.2驼源纳米抗体制备与应用454
16.2.3鲨鱼纳米抗体制备456
16.3抗体人源化基因工程457
16.3.1小鼠单克隆抗体人源化457
16.3.2驼源纳米抗体人源化459
16.3.3全人源单克隆抗体459
本章小结461
第17章基因编辑462
17.1基因编辑技术诞生过程462
17.2基因编辑的概念和原理464
17.2.1基因编辑的概念464
17.2.2基因编辑基本原理464
17.3基因编辑发展史466
17.3.1第一代基因编辑系统锌指核酸酶的发现与应用466
17.3.2第二代基因编辑系统的发现与应用467
17.3.3第三代基因编辑系统的发现与发展468
17.4基因编辑的现实意义和应用潜力471
17.4.1基因编辑的现实意义与发展潜力471
17.4.2基因编辑在植物品种遗传改良上的应用471
17.4.3基因编辑在动物育种上的应用473
17.4.4基因编辑在临床治疗上的应用473
17.4.5基因编辑在微生物改造上的应用475
17.5基因编辑技术存在的问题及发展前景展望475
17.5.1基因编辑技术的局限与潜在风险475
17.5.2道德伦理与生物安全问题477
17.5.3基因编辑技术的改良与发展方向477
本章小结478
第18章合成生物学479
18.1合成生物学概述479
18.1.1合成生物学诞生过程479
18.1.2合成生物学研究内容480
18.1.3合成生物学发展趋势486
18.2合成生物系统的基因线路486
18.2.1基因线路概述486
18.2.2调控元件487
18.2.3开关基因线路487
18.2.4逻辑门基因线路489
18.2.5基因线路实例491
18.3合成生物系统的设计、组装与优化492
18.3.1合成生物系统的设计492
18.3.2合成生物系统组装与构建493
18.3.3合成生物系统的优化与筛选498
18.3.4“设计—构建—检验—重设计”循环500
18.3.5合成生物系统的设计、组装与优化实例502
18.4无细胞蛋白质合成体系504
18.4.1无细胞蛋白质合成体系的类型505
18.4.2无细胞蛋白质合成体系的优化改造507
18.4.3无细胞蛋白质合成体系的应用508
18.5合成生物学的具体应用510
18.5.1合成生物学的“建物致知”510
18.5.2合成生物学的“建物致用”512
本章小结516
第19章基因工程生物安全与监管518
19.1实验室安全管理的概念518
19.2基因工程产品的安全管理519
19.2.1基因工程植物安全管理519
19.2.2基因工程动物生物安全管理520
19.2.3基因工程微生物安全管理520
19.3基因工程产品的伦理问题521
19.3.1动物试验伦理521
19.3.2人体试验伦理521
19.3.3生命伦理的基本原则522
19.4基因工程生物安全性评价及控制措施522
19.4.1基因工程生物安全性评价目的522
19.4.2基因工程生物安全性评价的主要内容523
19.4.3我国基因工程生物安全性评价审批流程525
19.4.4基因工程生物安全控制措施526
19.5基因工程生物安全监管体系528
19.5.1我国基因工程安全监管体系528
19.5.2国外基因工程安全监管体系529
19.5.3我国生物安全管理原则530
19.5.4我国基因工程安全监管法律法规531
19.5.5国外基因工程安全监管法律法规534
19.5.6我国基因工程监管现状536
本章小结539
参考文献540
京公网安备 11010102004214号