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1、专题1 基因工程,题图：科技探索之路：1.1 DNA重组技术的基本工具1.2 基因工程的基本操作程序1.3 基因工程的应用1.4 蛋白质工程的崛起,选修3：现代生物科技专题,专题1,基因工程,专题1 基因工程,DNA重组技术的基本工具基因工程的基本操作程序基因工程应用蛋白质工程的崛起,烟草,据WTO调查：2004年全世界因狂犬病致死人数约5.5万人中国卫生部通报：2004年月，狂犬病列法定报告传染病死亡数之首。发病死亡率近100%,能产生狂犬病抗体蛋白的转基因,每100kg 猪或牛的胰腺中仅可提取45g。,1979年，美国将人的胰岛素基因重组到大肠杆菌内，实现了细菌生产胰岛素，大大降低了生产成
2、本。,治疗糖尿病特效药,据WTO调查：2005年全世界约有糖尿病患者1.8亿人，我国约6000万。,胰岛素,思考Q：转基因技术实现了一种生物的某些性状 在另一种生物中表达。这些性状的表达与我 们学过的基因的什么过程有关？,密码子在生物界是的！,通用,基因工程：又叫DNA重组技术。通俗的说，就是按照人们的意愿，把一种生物的某种基因提取出来，加以修饰改造，然后放到另一种生物的细胞里，定向地改造生物的遗传特性。,基因工程的概念,基础理论和技术的发展催生了基因工程,20世纪中叶,基础理论取得了重大突破 DNA是遗传物质的证明 DNA双螺旋结构和中心法则的确立 遗传密码的破译技术发明使基因工程的实施成为
3、可能 基因转移载体的发现 工具酶的发现 DNA合成和测序技术的发明 DNA体外重组的实现 重组DNA表达实验的成功 第一例转基因动物问世 PCR技术的发明,科技探索之路,艾弗里证明DNA是遗传物质，DNA可从一种生物个体转移到另一种生物个体。,20世纪中叶,基础理论取得了重大突破,沃森、克里克提出DNA的双螺旋结构模型。,科技探索之路,20世纪中叶,基础理论取得了重大突破,梅塞尔松、斯塔尔证明DNA的半保留复制,科技探索之路,20世纪中叶,基础理论取得了重大突破,克里克等提出中心法则,科技探索之路,20世纪中叶,基础理论取得了重大突破,科技探索之路,1963年尼伦伯格和马太破译编码氨基酸的遗传
4、密码，1966年霍拉纳用实验加以证明。,20世纪中叶,基础理论取得了重大突破,技术发明使基因工程的实施成为可能,1)基因转移载体的发现2)工具酶的发现3)DNA合成和测序技术的发明4)DNA体外重组的实现5)重组DNA表达实验的成功6)第一例转基因动物问世7)PCR技术的发明,科技探索之路,基因拼接技术或DNA重组技术,生物体外,基因,DNA分子水平,人类需要的新生物类型和产品,剪切,拼接,导入,表达,一、基因工程的原理,DNA重组技术或转基因技术,问题探讨：,苏云金芽孢杆菌含有一种可以合成毒蛋白的基因。让细菌的毒蛋白基因在棉花细胞中表达，可培育出抵抗棉铃虫害的抗虫棉。想一想：需要做哪些关键工
5、作？,普通棉花抗虫棉,基因工程培育抗虫棉的简要过程：,在以上过程中关键步骤或难点是什么？,普通棉花(无抗虫特性),苏云金芽孢杆菌,提取,抗虫基因,通过运载体导入,转基因棉花含抗虫基因,转基因棉花产生伴胞晶体,转基因棉花有抗虫特性,二、DNA重组技术的基本工具,基因工程培育抗虫棉的关键步骤：,关键步骤一：,抗虫基因从苏云金芽孢杆菌细胞内提取出来,关键步骤二：,抗虫基因与棉花DNA“缝合”,关键步骤三：,抗虫基因进入棉花细胞,二、DNA重组技术的基本工具,解决培育抗虫棉的关键步骤需要哪些工具？,“分子手术刀”限制性核酸内切酶,“分子缝合针”DNA连接酶,“分子运输车”基因进入受体细胞的载体,二、D
6、NA重组技术的基本工具,思考Q:,1.在自然界中有一些生物的DNA可能进入另一种生物的细胞中。我们有没有学过相关的实例？2.单细胞生物并没有在进化中，为什么不会因外源DNA的入侵而灭绝？有何保护机制？,可能产生了一些特殊的酶来防范。可能这种酶能识别外来侵入的DNA并将其分解，而对自身的DNA不能起作用。,“分子手术刀”限制性核酸内切酶,寻根问底,你能推测限制酶存在于原核生物中的作用是是什么吗？,原核生物易受自然界外源DNA的入侵，但生物在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制，以防止外来病原物的侵害。限制酶就是细菌的一种防御性工具，当外源DNA侵入时，会利用限制酶将外源DNA切割掉，以保证自
7、身的安全。所以，限制酶在原核生物中主要起到切割外源DNA、使之失效，从而达到保护自身的目的。,思考与探究 P7（2）,为什么限制酶不剪切细菌本身的DNA？,通过长期的进化，细菌中含有某种限制酶的细胞，其DNA分子中或者不具备这种限制酶的识别切割序列，或者通过甲基化酶将甲基转移到所识别序列的碱基上，使限制酶不能将其切开。这样，尽管细菌中含有某种限制酶也不会使自身的DNA被切断，并且可以防止外源DNA的入侵。,主要来源：种类与命名：作用特点（特异性）4.限制酶识别序列 5.作用结果：,1.识别双链DNA分子中特定的核苷酸序列2.切割特定核苷酸序列中的特定位点,主要从原核生物中分离纯化,产生黏性末端
8、或平末端,Go on,大多数限制酶的识别序列由6个核苷酸组成少数的识别序列由4、5或8个核苷酸组成,一、限制性核酸内切酶-分子手术刀,种类与命名：,现在已经从约300种微生物中分离出了约4000种限制性内切酶(限制酶)。,EcoR,Sma,粘质沙雷氏杆菌（Serratia marcesens）,大肠杆菌（Escherichia coli R）,Go back,练习：流感嗜血杆菌的d菌株(Haemophilus influenzae d)中先后分离到3种限制酶，则分别命名为:,Hind、Hind和Hind,T,磷酸二酯键,A,EcoR,（4）作用结果：,黏性末端和平末端,Sma,EcoR,黏性末
9、端,黏性末端,EcoR,黏性末端,黏性末端,Sma,平末端平末端,限制酶所识别的序列，无论是6个碱基还是4个碱基，都可以找到一条中心轴线（如图），中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向、对称、重复排列的。,想一想限制酶所识别的序列有什么特点？,限制酶存在于原核细胞中的作用是什么？为什么限制酶不剪切细菌本身的DNA？,实例：,1、下列关于限制酶的说法正确的是（）A.限制酶广泛存在于各种生物中，但微生物中少B.一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列C.不同的限制酶切割DNA后都会形成黏性末端D.限制酶的作用部位是特定核苷酸形成的氢键,Q:要想获得某个特定性状的基因必须要用限制酶切几个切口？可产生几个
10、黏性(平)末端？,要切两个切口，产生四个黏性(平)末端。,Q:如果把两种来源不同的DNA用同一种限制酶来切割，会怎样呢？,会产生相同的黏性(平)末端，然后让两者的黏性(平)末端黏合起来，就似乎可以合成重组的DNA分子了。,思考?,1、种类：2、作用部位：,两类,磷酸二酯键,DNA连接酶可把切下来的DNA片段拼接成新的DNA。即:把黏性末端之间的缝隙“缝合”起来实质是把脱氧核糖和磷酸连接起来.,二、DNA连接酶-分子缝合针,类型：,EcoliDNA连接酶,T4DNA连接酶,来源,功能,大肠杆菌,T4噬菌体,恢复磷酸二酯键,只能连接黏性末端,能连接黏性末端和平末端(效率较低),相同点,差别,二、D
11、NA连接酶-分子缝合针,可把黏性末端之间的缝隙“缝合”起来，,Ecoli DNA连接酶或T4DNA连接酶,即恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键,T4 DNA连接酶还可把平末端之间的缝隙“缝合”起来，但效率较低,T4DNA连接酶,寻根问底,DNA连接酶与DNA聚合酶是一回事吗?为什么?,1)只能将单个核苷酸连接到已有的DNA片段上，形成磷酸二酯键,形成磷酸二酯键,1)在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键,Q:外源基因(如抗虫基因)怎样才能导入受体细胞(如棉花细胞)？,1.作用：2.种类：质粒、噬菌体的衍生物和动植物病毒等。,将外源基因送入受体细胞。,三、基因进入受体细胞的载体-分子运输车
12、”,最常用的质粒是大肠杆菌的质粒:常含有抗药基因如:四环素的标记基因。(质粒的存在与否对受体细胞生存没有决定性作用，但复制只能在受体细胞内完成),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，并且具有自我复制能力的双链环状DNA分子,质粒是基因工程最常用的载体,1.假如目的基因导入受体细胞后不能复制将怎样？2.作为载体没有切割位点将怎样？3.目的基因是否进入受体细胞，你如何去察觉？4.如果载体对受体细胞有害将怎样？,作为运载体必须具备的条件,作为运载体必须具备的条件,1.能够在受体细胞中自我复制并稳定地保存。2.具有一个或多个限制酶切点，以便与外源基因连接。3.具有某些标记
13、基因，便于进行筛选。4.必需是安全的，不会对受体细胞有害。,注意：真正用作运载体的质粒都是人工改造过的,质粒的特点：,1、细菌染色体外双链环状DNA分子2、能自我复制并在受体细胞中稳定存在3、有一个或多个限制酶切点4、有特殊的遗传标记基因,注意：真正用作运载体的质粒都是人工改造过的。,注意：这两条DNA分子的碱基对不是随意乱写的。一、每个DNA分子上的两条链上的碱基要互补配对；二、每个DNA分子中每条链都存在一个G-A-A-T-T-C的碱基序列，也就是说是EcoRI限制酶的识别序列，并存在G-A的切割位点。,四、模拟操作：重组DNA分子的模拟操作,小结：,1、关于限制酶的说法中，正确的是（）A
14、、限制酶是一种酶，只识别GAATTC碱基序 列B、EcoRI切割的是GA之间的氢键C限制酶一般不切割自身的DNA分子，只 切割外源DNAD限制酶只存在于原核生物中,课堂练习,2、DNA连接酶催化的反应是()ADNA复制时母链与子链之间形成氢键 B黏性末端碱基之间形成氢键C两个DNA片段黏性末端之间的缝隙的连接 DA、B、C都不正确,3、作为基因的运输工具载体，必须具备的条件及理由是()A、能够在宿主细胞中稳定地保存下来并大量复制，以便提供大量的目的基因B、具有多个限制酶切点，以便于目的基因的表达C具有某些标记基因，以便为目的基因的表达提供条件D、能够在宿主细胞中复制并稳定保存，以便于进行筛选,
15、4、质粒是基因工程最常见的载体，它的 主要特点是()能自主复制不能自主复制结构很小是蛋白质是环状RNA是环状DNA能“友好”地“借居”A、B、C D,5、在受体细胞中能检测出目的基因是因为()A、目的基因上有标记 B、质粒具有某些标记基因C、重组质粒能够复制 D以上都不正确,6、关于质粒的叙述正确的是()A、质粒是能够自我复制的环状DNA分子 B、质粒是唯一的载体C、重组质粒是目的基因 D、质粒可在宿主外单独复制,7、基因工程中可用作载体的是()质粒 噬菌体病毒 动物细胞核A、B、C D、,8、下列关于基因工程中所选用的质粒的说法，错误的是()A、不能没有标记基因 B、是小型链状的DNA分子C、能够自我复制 D可与目的基因重组,9、下列黏性末端属于同一限制酶切割而成的是(),A、B、C、D、,10、要使目的基因与对应的载体重组，所需的两种酶是()(1)限制酶(2)连接酶(3)解旋酶(4)还原酶A、(1)(2)(3)B、(1)(2)(4)C、(1)(2)D、(1)(3),
