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1、基因工程是指按照人们的意愿，进行严格的设计，并通过体外DNA重组和转基因等技术，赋予生物以新的遗传特性，从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，因此又叫做DNA重组技术。,专题一 基因工程,一、DNA重组技术的基本工具,（一）限制性核酸内切酶“分子手术刀”,1.分布：,2.特点：,特异性，即能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，并且切割每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键，使之断开。,主要从原核生物中分离纯化出来,G A A T T C,C T T A A G,G,C T T A A,G,A A T T C,C C C
2、 G G G,G G G C C C,C C C,G G G,G G G,C C C,中轴线,EcoR（在G与A之间切割）,Sma（在G与C之间切割）,粘性末端,平末端,切割DNA分子产生的两种不同的末端（箭头表示酶的切割位点）,3.结果：,在识别序列中轴线两侧切割，产生粘性末端；在识别序列中轴线处切割，产生平末端。,（二）DNA连接酶“分子缝合针”,（二）DNA连接酶“分子缝合针”,（二）DNA连接酶“分子缝合针”,2.连接酶的部位：,磷酸二酯键，不是氢键,1.连接酶的作用：,将互补配对的两个黏性末端连接起来，使之成为一个完整的DNA分子,3.连接酶的类型（按来源分类）,(1)E.coli
3、DNA连接酶：(来源于大肠杆菌),只能连接双链DNA片段互补的粘性末端,(2)T4 DNA连接酶：（来源于T4噬菌体）,既可以连接双链DNA片段 互补的粘性末端，又可以“缝合”双链DNA片段的平末端,（三）基因进入受体细胞的载体“分子运输车”,1.作用：,2.条件：能在宿主细胞内复制并稳定地保存；具有多个限制酶切位点,便于目的基因插入；具有标记基因，便于筛选；必需是安全的，对宿主细胞无害。,将外源基因送入受体细胞,3.种类：,质粒、噬菌体的衍生物、动植物病毒,质粒细菌拟核DNA之外能自主复制的小型双链环状DNA分子；DNA分子上具有多个限制酶切割位点；只能在宿主细胞中进行自我复制；DNA分子上
4、具有特殊的标记基因；对宿主细胞无影响。,二、基因工程的基本操作程序,获取目的基因,构建表达载体,导入受体细胞,目的基因检测与鉴定,第一步,第二步,第三步,第四步,（一）目的基因的获取,1.从基因文库中获取目的基因,（1）基因组文库,将含有某种生物不同基因的许多片段，导入受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因，称为基因文库。,受体菌包含了某种生物所有的基因，该受体菌群体称为这种生物的基因组文库。,（2）部分基因文库,受体菌包含了一种生物部分基因，该受体菌群体称为这种生物的部分基因文库，如cDNA文库。,（3）基因文库的构建,基因组文库的构建,提取某生物全部DNA,用适当限制酶
5、切割,许 多DNA片段,与载体连接导入受体菌群,该生物基因组文库,（每个受体菌含有一段不同的DNA片段）,cDNA文库的构建mRNA反转录形成,mRNA,逆转录酶,杂交双链,核酸酶H,单链DNA,DNA聚合酶,双链DNA,与载体连接导入受体菌群,该生物cDNA文库,2.利用PCR技术扩增目的基因,(1)原理,PCR是多聚酶链式反应（polymerase chain reaction）,它是利用DNA 双链复制的原理，将基因的核苷酸序列不断的加以复制，使其数量呈指数方式增加。因为整个过程是在体外进行，所以又叫做体外DNA扩增技术。,(2)过程,高温变性（9095）,低温退火（5560）,中温延伸
6、（7075）,双链DNA是在高温条件下解链为单链DNA的，因此整个 过程不需要解旋酶。,多次重复,(3)特点：指数形式扩增,推测,推测,合成,3.通过DNA合成仪直接合成目的基因,DNA合成仪,蛋白质的氨基酸顺序,mRNA核苷酸序列,基因DNA的核苷酸序列,目的基因,当基因比较小、蛋白质的氨基酸序列可以测得或核苷酸序列已知时，可采用此种方法。,（二）基因表达载体的构建,用限制酶切割质粒使之出现一个切口，将目的基因插入切口处，让目的基因的黏性末端与切口上的黏性末端互补配对后，在连接酶的作用下连接形成重组DNA分子，即基因表达载体。,质粒,目的基因,限制酶,（二）基因表达载体的构建,1.构建目的,
7、使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可遗传给下一代，同时，使目的基因能够表达和发挥作用。,2.构建零件及其作用,（1）目的基因,（2）启动子 RNA聚合酶识别和结合的一段特殊结构的DNA片段，位于基因的首端，RNA聚合酶与之结合才能驱动基因转录出mRNA，进而获得需要的蛋白质。,（二）基因表达载体的构建,（3）终止子 一段特殊结构的DNA片段，位于基因的尾端，作用是使转录在所需要的地方停止。,（4）标记基因 鉴别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。,（二）基因表达载体的构建,2.构建零件及其作用,（三）将目的基因导入受体细胞,将目的基因导入受体细胞并且在受体细胞内维持
8、稳定和表达的过程称为转化。,基因工程中常用的受体细胞有大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌和动植物细胞等。,导入受体细胞的方法主要是借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径，且因受体细胞的不同而不同。,（1）农杆菌转化法,1.导入植物细胞,（2）其他方法,基因枪法 花粉管通道法,移 植,显微注射,发育,2.导入动物细胞,(显微注射技术),含目的基因的表达载体,动 物 的受 精 卵,含目的基因的受精卵,早 期胚 胎,雌性动物输卵管或子宫,转基因动 物,分裂,分化,3.导入微生物细胞,(2)优点 繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少、操作简单、价格低廉。,(3)常用受体细胞 大肠杆菌（E.coli）,(1)过程,制
9、备感受态细胞：用Ca2+（CaCl2）处理细菌，使细菌易于接 受外源DNA分子。,重组DNA分子与感受态细胞混合孵育，完成转化。,(Ca2+处理法),（四）目的基因的检测与鉴定,目的基因是否真正插入受体细胞的DNA中，是否能够在受体细胞中稳定遗传和正确表达，只有通过检测、鉴定才能得知。,常用的检测手段主要从分子水平和个体水平进行。,适当限制酶切割,用同位素标记的目的基因片段杂交,1.分子水平,（1）检测转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因,提取受体生物全部DNA,许多DNA片段,显 出杂交带,（表明目的基因已插入）,（分子杂交技术）,(2)检测目的基因是否转录出了mRNA,提取受体生物
10、的mRNA,用同位素标记的目的基因片段杂交,显 出杂交带,（表明目的基因已转录出了mRNA）,检测DNA利用的是DNA与DNA杂交，检测mRNA利用的是DNA与mRNA杂交。,1.分子水平,（分子杂交技术）,（3）检测目的基因是否翻译出蛋白质,（抗原抗体杂交技术）,提取受体生物的蛋白质,与相应抗体杂交,显 出杂交带,（表明目的基因已形成蛋白质产品）,1.分子水平,（分子杂交技术）,2.个体水平,例：用棉铃饲喂棉铃虫，如虫吃后不出现中毒症状，说明未摄入目的基因或摄入目的基因未表达。如虫吃后中毒死亡，则说明摄入了抗虫基因并得到表达。,三、基因工程的应用,（一）植物基因工程,抗虫转基因植物抗病转基因
11、植物抗逆转基因植物改良植物品质,如转基因抗虫棉（水稻）减轻农药对环境的污染,抗病毒（细菌、真菌）转基因植物，如抗病毒转基因小麦、抗病毒转基因烟草等,如转鱼抗冻蛋白基因番茄、转基因抗除草剂玉米,如富含赖氨酸的转基因玉米、转番茄基因的延熟番茄,（二）动物基因工程,三、基因工程的应用,提高动物生长速度改善畜产品的品质生产药物做器官移植供体,如转生长激素基因鲤鱼,如低乳糖转基因牛（转肠乳糖酶基因）,如乳腺生物反应器,利用基因工程改造供体器官，抑制或去除供体器官抗原决定基因的表达，获得没有免疫排斥反应的转基因克隆猪器官,（三）基因工程药物,三、基因工程的应用,利用基因工程技术，通过微生物生产蛋白质类药品
12、。,生长激素干扰素胰岛素,（四）基因治疗,三、基因工程的应用,基因治疗就是将正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的。基因治疗是治疗遗传病最有效的手段。,体外基因治疗,从病人体内获得某种细胞，进行培养，在体外完成基因转移，筛选成功转移的细胞扩增培养，再重新输入患者体内的治疗方法。,（四）基因治疗,体内基因治疗,直接向人体组织细胞中转移基因的治病方法。,四、蛋白质工程,以蛋白质分子的结构规律及其与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，以满足人类对生产和生活的需求。,四、蛋白质工程,（一）原理,（二）过程,基因D
13、NA,预期功能,中心法则的逆推,专题二 细胞工程,细胞工程是指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，通过细胞整体水平或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得细胞产品的一门综合科学技术。按照操作对象不同，可分为植物细胞工程和动物细胞工程两大领域。,一、理论基础细胞的全能性,1.概念：细胞全能性是指细胞具有形成机体所有细胞类型 的能力，是细胞的一种特征。2.基础：生物体的每一个细胞都含有该物种所特有的全套 遗传物质，都有发育成为完整个体所必需的全部 基因。3.全能性大小受精卵 生殖细胞 体细胞 体细胞（分化程度低的细胞 分化程度高的细胞）植物细胞 动物细胞,植 物 细 胞
14、 工 程,植物组织培养是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。,二、植物细胞工程的基本技术,（一）植物组织培养技术,离体器官组织细胞,脱分化：已经高度分化的植物细胞经诱导后，失去特有的结构和功能而转变成未分化细胞的过程，即形成愈伤组织。再分化：脱分化产生的愈伤组织继续进行培养，又重新分化成根或芽等器官。,1、过程,2、条件,离体、提供营养的培养基、激素及其他适宜条件（温度、O2、pH、无菌、光照）。,二、植物细胞工程的基本技术,（一）植物组织培养技术,（二）植物体细胞杂交技术,杂种细胞,
15、1、过程,杂种植株,植物细胞A,植物细胞B,2、意义,与有性杂交（种内）相比，植物体细胞杂交克服了远缘杂交不亲合的障碍，大大扩展了可用于杂交的亲本组合范围（种间、属间），并且培育出了许多在生产上有较高应用价值的杂种植株品种。,三、植物细胞工程的实际应用,1、微型繁殖,概念：快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，也叫快速繁殖技术。特点：繁殖速度快，即具有高效性 保持优良品种的遗传特性，即具有高保真性,2、培育脱毒作物,原因：无性繁殖的作物，感染的病毒易传播给后代，病毒在作物体内逐年积累，会导致作物产量降低，品质变差。材料：植物分生区（如茎尖）。方法：切取茎尖进行组织培养，获得脱毒苗。,三、植物细胞
16、工程的实际应用,技术：组织培养特性：在适宜条件下可以萌发长成幼苗优点后代无性状分离，保持优良特性不受季节、气候和地域的限制,3、人工种子,植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽、腋芽等包裹在人工薄膜（人工种皮）内形成的结构。,三、植物细胞工程的实际应用,一、动物细胞培养,（一）概念,从动物机体中取出相关组织，将它分散成单个细胞，放在适当的培养基中，使之生长和增殖的技术。,动物组织块,单个细胞,细胞悬浮液,1050代细胞,（二）过程,传代培养,（三）动物细胞培养的条件,1.无菌、无毒的环境,添加一定量的抗生素，定期更换培养液。,2.营养物质,糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素以及动物或人血
17、清等。,3.温度和pH,温度pH,4.气体环境,与体内相近 36.50.5,7.27.4,O2CO2,细胞代谢所必需,维持pH,大规模培养生产蛋白质生物制品（病毒疫苗、干扰素、单克隆抗体）获得大量自体的皮肤细胞，解决烧伤病人的植皮问题检测有毒物质，判断某种物质的细胞毒性筛选抗癌药物，为治疗和预防癌症及其他疾病提供理论依据,（四）动物细胞培养技术的应用,二、动物细胞核移植技术和克隆动物,（一）概念,动物细胞核移植技术是将动物的一个细胞的细胞核，移入到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，该胚胎最终发育成完整的动物个体。,（二）类型,胚胎细胞核移植 体细胞核移植,容易,困难
18、,利用核移植技术得到的动物称为克隆动物。,（三）体细胞核移植的过程（以高产奶牛为例）,培养,取出核,甲牛,乙牛,去除核,核植入,卵裂,早期胚胎,代孕母牛丙,移植,克隆牛,细胞核移植,胚胎移植,物理或化学方法激活,三、动物细胞融合和单克隆抗体,（一）动物细胞融合技术,动物细胞融合也称细胞杂交，指两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程。,融合后形成的具有两个或多个细胞遗传信息的单核细胞，称为杂交细胞。,1、概念,2、过程,不同DNA的两个细胞,灭活病毒诱导细胞融合（先质后核）,融合后的杂交细胞进行有丝分裂,（二）单克隆抗体技术,每一个B淋巴细胞只合成和分泌一种特异性抗体。,由单个B淋巴细胞克隆形
19、成的细胞群产生的化学性质单一、特异性强的抗体就是单克隆抗体。,B淋巴细胞：能产生抗体，体外培养不能无限增殖。骨髓瘤细胞：体外培养可无限传代，不能产生抗体。,（二）单克隆抗体技术,骨髓瘤细胞,抗原,杂交瘤细胞,产生特定抗体的杂交瘤细胞,专题三 胚胎工程,胚胎工程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，如体外受精、胚胎移植、胚胎分割、胚胎干细胞培养等技术。经过处理后获得的胚胎，还需要移植到雌性动物体内生产后代，以满足人类的各种需求。,一、精子和卵子的发生,（一）精子的发生,1.场所,睾丸,2.时间,初情期生殖机能衰退,3.过程,精细胞变形为精子,细胞核高尔基体中心体线粒体细胞内其他物
20、质,精子头的主要部分,头部的顶体,精子的尾,线粒体鞘(尾的基部),原生质滴(球状,最后脱落),精细胞变形为精子,1.场所：,卵巢,2.时间：,性别分化以后,（二）卵子的发生,3.过程,卵原细胞,初级卵母细胞,胎儿期,初级卵母细胞生长，透明带形成,M分裂,初级卵母细胞,次级卵母细胞第一极体,M分裂,二、受精,1.概念,精子与卵子结合形成合子（即受精卵）的过程。,2.场所,输卵管,3.过程,准备阶段受精阶段,准备阶段,（1）精子获能:精子在雌性动物的生殖道发生相应的生理变化，获得受精能力的生理过程。,（2）卵子的准备:在输卵管中发育到减数第二次分裂的中期。此期的卵子才具有与精子受精的能力。,受精阶
21、段,（1）精子穿越放射冠和透明带,顶体反应：顶体内的酶释放出来，并溶解放射冠的卵丘细胞之间以及透明带的组成物质，形成精子穿越放射冠和透明带的通道。透明带反应：精子接触卵细胞膜的瞬间，产生阻止其他精子进入透明带的反应。这是防止多精入卵受精的第一道屏障。,（2）精子进入卵细胞膜,卵细胞膜封闭作用：精子入卵后，卵细胞膜会立即发生一种生理反应，阻止其他精子再进入卵内。这是防止多精入卵受精的第二道屏障。,当精子与卵细胞膜接触时，立即被卵细胞膜的微绒毛抱合，随后，精子外膜与卵细胞膜融合，精子头部进入卵细胞质。,（3）原核形成 雄原核形成和雌原核形成,精子入卵后，核膜破裂，接着形成新的核膜，最后形成一个比原
22、来精子核还大的核，即雄原核，也称精原核。,精子入卵后，激活了静息在减数第二次分裂中期的次级卵母细胞，使其很快完成第二次分裂，排出第二极体后，形成一个成熟的卵子，即雌原核，也称卵原核。,（4）配子结合 雌雄原核融合形成合子(受精卵),雌雄原核充分发育后，相互靠近，彼此接触，二者体积缩小、合并，核膜解体，两组核染色体合为一组，形成一个含二倍染色体的合子，即受精卵。,卵子受精的标志,卵细胞膜和透明带的间隙可以观察到两个极体时，说明卵子已经完成了受精。,三、胚胎发育,受精卵,桑椹胚,囊胚（内含囊胚腔）,原肠胚（内含原肠腔）,胎儿,卵裂,试管动物技术,通过人工操作使卵子和精子在体外条件下成熟和受精，并通
23、过培养发育成早期胚胎后，再经移植产生后代的技术。,一、体外受精,1.卵母细胞的收集和培养,超数排卵技术：,利用促性腺激素处理，使得卵巢中有更多的卵泡发育，更多的卵被排出，这个过程就称为超数排卵。,分别采集雌性动物的卵细胞和雄性动物的精子，使其在体外完成受精的过程。,精子的获能,2.精子的收集和获能,一、体外受精,培养法 化学诱导法,人工配制的获能液处理（啮齿类动物、家兔、猪等动物精子）,一定浓度的肝素溶液或钙离子载体A23187溶液处理（牛、羊等动物精子）。,3.受精,在获能溶液或专用的受精溶液中完成受精过程。,二、胚胎的早期培养,将受精卵在人工环境下培养成早期胚胎的过程。,培养液：水、无机盐
24、、有机盐、维生素、激素、氨基酸、核苷酸以及动物血清等。,三、胚胎移植,将雌性动物体内的早期胚胎,或者通过其他方式得到的胚胎，移植到同种的、生理状态相同的其他雌性动物的体内，使之发育为新个体的技术。供体：提供胚胎的个体 受体：接受胚胎的个体,胚胎移植的基本程序,胚胎移植一般应在同种的雌性供体和受体之间进行。（不发生免疫排斥）进行胚胎移植的供体和受体的生理状态要相同。（同期发情处理）,胚胎移植成功与否的两个条件,四、胚胎分割,采用机械方法将早期胚胎切割成2等份、4等份或8等份等，经移植获得同卵双胎或多胎的技术。,来自同一胚胎的后代具有相同的遗传物质 胚胎分割是动物无性繁殖或克隆的方法之一 选择发育
25、良好、形态正常的桑椹胚或囊胚进行分割,五、胚胎干细胞,哺乳动物的胚胎干细胞（embryonic stem cell）简称ES或EK细胞，是由早期胚胎或原始性腺中分离出来的一类细胞。,1.特点,形态 体积小、核大、核仁明显 功能 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 在体外培养的条件下，ES细胞可以增殖而不发生分化。对它可以进行冷冻保存，也可以进行遗传改造。,2.主要用途,治疗人类的某些顽症 培育出人造组织器官，用于器官移植 是研究体外细胞分化的理想材料（需加入诱导分化因子，如牛磺酸、丁酰环腺甘酸）,专题四 生态工程,人类应用生态学和系统学等学科的基本原理和方法，通过系统设计
26、、调控和技术组装，对已破坏的生态环境进行修复、重建，对造成环境污染和破坏的传统生产方式进行改善，并提高生态系统的生产力，从而促进人类社会和自然环境和谐发展。,（一）生态工程建设目的,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。,(少消耗、多效益、可持续),一、生态工程的基本原理,（二）传统农业生产模式石油农业,(2）弊端：不注重生态环境的保护，没有考虑成本，经济的发展以巨大的生态环境破坏为代价。,(1）模式内容：大量使用化肥、农药、机械的农业生 产方式。,石油农业：是指大量使用化肥、农药、机械的农业生产方式。由于需要大量的石油、煤、天然气等
27、作为原料或动力而得名。,主要是通过实行“循环经济”原则，使一个系统产生出的污染物，能够成为本系统或者另一个系统的生产原料，从而实现废弃物的资源化，而实现循环经济最重要的手段之一是生态工程。,（三）生态经济,模式：实现原料产品原料产品的生产体系，实现废弃物的资源化。,1、物质循环再生原理,(1）内容：物质能够在各类生态系统中，进行区域小循环和全球地质大循环，循环往复，分层分级利用，从而达到取之不尽、用之不竭的效果。,（四）生态工程所遵循的基本原理,（3）意义：可避免环境污染及其对系统稳定和发展的影响。,（2）理论基础:物质循环,无废弃物农业,(4）实例,2、物种多样性原理,（1）内容：物种繁多而
28、复杂的生态系统具有较高的抵抗力稳定性，可以在有限的资源条件下，产生或容纳更多的生物量，提高系统生产力。,（3）意义：避免系统结构或功能失衡。,（2）理论基础:生态系统的稳定性,（4）实例,正面：由珊瑚虫和某些 藻类共生组成的珊瑚礁 区，物种繁多，系统稳 定。,反面：辽宁西部地区樟子松林的松毛虫肆虐；宁夏、内蒙古地区杨树天牛造成几十亿株杨树损毁。,纯樟子松林、杨树林的生物多样性低，食物链短而单调，缺少松毛虫、天牛的天敌，而成片单一的林木又为其提供了丰富的食物来源，因而会导致了树林的毁坏。,3、协调与平衡原理,（1）内容：处理好生物与环境的协调与平衡，需要考虑环境承载力即某种环境所能养活的生物种群
29、的数量。如果生物的数量超过了环境承载力的限度，就会引起系统的失衡和破坏。,（2）理论基础:生物与环境的协调与平衡,（3）意义：避免系统的失衡和破坏。,（4）实例：太湖水葫芦泛滥,4、整体性原理,整体指社会-经济-自然复合而成的巨大系统,(1）内容：进行生态工程建设时，不但要考虑到自然生态系统的规律，还要考虑到经济和社会等系统的影响力。,(4）实例：在进行林业工程建设时，一方面要号召农民种树，另一方面要考虑贫困地区农民的生活问题，如粮食、烧柴及收入等。,（3）意义：统一协调各种关系，保障系统的平衡与稳定。,（2）理论基础：社会、经济、自然复合系统,（1）内容：生态工程需要考虑系统内部不同组分之间
30、的结构，通过改变和优化结构，达到改善系统功能的目的。,5、系统学和工程学原理,（2）理论基础：分布式优于集中式和环式,系统的结构决定功能原理,（3）意义：改善和优化系统的结构以改善功能。,桑基鱼塘分布在我国长江三角洲、珠江三角洲一带的水乡，是一种典型的水陆物质和能量交换型生态工程。,（4）实例：桑基鱼塘,系统整体性原理,（1）内容：系统各组分之间要有适当的比例关系，只有这样才能顺利完成能量、物质、信息等的转换和流通，并且实现总体功能大于各部分之和的效果。,（2）理论基础:整体大于部分之和,（4）实例：豆科作物和固氮菌的共生。,（3）意义：保持系统很高的生产力。,二、生态工程的实例,案例1：窦店农村综合发展型生态工程,物质循环再生原理整体性原理物种多样性原理,案例3：退耕还林还草生态工程 防沙治沙生态工程“三北”防护林生态工程（“三北”指华北北部、东北大部和西北大部）,物种多样性原理协调与平衡原理整体性原理,
