基因工程的应用和蛋白质工程的崛起.ppt

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1、基因工程的应用和蛋白质工程的崛起,一、基因工程的应用1植物基因工程的成果提高农作物的 能力、改良农作物的品质、利用植物生产 等。(1)抗虫转基因植物方法：将 导入植物体，使其具有 抗虫性。,抗逆,药物,杀虫基因,成果：各种抗虫作物，如抗虫水稻、抗虫棉、抗虫玉米等。意义：减少，降低生产成 本，减少环境污染。主要杀虫基因：、蛋白 酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等。,农药用量,Bt毒蛋白基因,(2)抗病转基因植物方法：将 导入植物体中，使其具有抗 病特性。成果：多种抗病作物，如抗病的烟草、小麦、甜椒、番茄等。意义：提高作物抗病力，增产。主要抗病基因：抗病毒的 和 病毒的复制酶基因；抗

2、真菌的 基因和 抗毒素合成基因。,抗病基因,病毒外壳蛋白基因,几丁质酶,(3)抗逆转基因植物方法：将 基因导入植物体，获得抗逆作物。成果：多种抗逆植物，如抗盐碱和干旱的烟草、抗寒番茄、抗除草剂大豆和玉米等。意义：提高作物抗逆能力，稳定高产。主要抗逆基因：抗盐碱、抗干旱的 基 因、耐寒的 基因、抗除草剂基因。,抗逆,渗透压调节,抗冻蛋白,(4)利用转基因改良植物的品质 方法：将优良性状基因导入植物体，获得。成果：含量较高的玉米、耐储存番 茄、新花色的矮牵牛。意义：改良植物的某些品种。主要优良性状基因：的 蛋白质编码基因、控制番茄果实成熟的基 因、与植物花青素代谢有关的基因。,优,良品质植物,赖氨

3、酸,提高必需氨基酸含量,2动物基因工程的成果(1)提高动物的生长速度生长基因：外源 基因。成果：转基因绵羊、转基因鲤鱼。(2)改善畜产品的品质优良基因：肠 基因。成果：转基因牛乳汁中 含量少。,生长激素,乳糖酶,乳糖,(3)转基因动物生产药物基因来源：药用蛋白基因乳腺蛋白基 因的。成果：乳腺生物反应器。(4)转基因动物作器官移植的供体器官供体：抑制或除去。成果：利用 培育没有免疫排斥 反应的猪器官。,启动子,抗原决定基因,克隆技术,3基因工程药物(1)来源：转基因。(2)成果：、抗体、疫苗、激素等。(3)作用：预防和治疗人类肿瘤、心血管疾 病、遗传病、各种传染病、类风 湿等疾病。,工程菌,淋巴

4、因子,糖尿病,4基因治疗(1)特点：把 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。(2)成果：将腺苷酸脱氨酶基因导入患者 的，治疗复合型免疫缺陷症。(3)方法：分为体外基因治疗法和 基因 治疗法。,正常基因,体内,淋巴细胞,二、蛋白质工程1蛋白质工程的崛起(1)实质：将一种生物的 转移到另 一种生物体内，后者产生它本不能产 生的蛋白质，从而产生新性状。(2)目的：生产符合人们生活需要的、并非自然界已存在的。,基因,蛋白质,(3)实例：天冬氨酸激酶和 的 活性受细胞内 的影响，当赖氨酸浓度 达到一定量时会抑制这两种酶的活性，改变两种 酶的特性后，玉米游离赖氨酸含量提高

5、。,二氢吡啶二羧酸合成酶,赖氨酸浓度,2蛋白质工程原理(1)目的：根据人们对蛋白质功能的特定 需求，对蛋白质结构进行分子设计。(2)原理：。(3)过程：预期蛋白质功能设计 结构推测应有的氨基酸序列找到 对应的 序列(基因)。3蛋白质工程进展 前景广阔，但目前成功的例子不多。,基因改造,预期的蛋白质,脱氧核苷酸,考点一 基因工程应用,提醒：动物基因工程主要为了改善畜产品的品 质,而不是为了产生体型巨大的个体。基因治疗目前只是处于初期的临床试验阶段,在 临床上未开展、未实现这方面的治疗。DNA分子制作探针进行检测时应检测单链,即将 双链DNA分子打开。Bt毒蛋白基因产生Bt毒蛋白并无毒性,进入昆虫

6、 消化道被分解成多肽后产生毒性。青霉素是青霉菌产生的,不是通过基因工程生 产的。原核生物基因(如抗虫基因)可做为真核生物(棉 花)的目的基因。,考点二 蛋白质工程,蛋白质工程与基因工程的比较,【易误警示】(1)二者都属于分子水平上的操作。(2)蛋白质工程的本质是通过改造基因进而形 成自然界不存在的蛋白质，所以被形象地 称为第二代基因工程。(3)对基因进行改造后，编码的蛋白质可以遗 传下去，而直接改造蛋白质却不能遗传。,拓展延伸 蛋白质组计划和人类基因组计划的比较,解题思路探究思维误区警示1.对乳腺(膀胱)反应器与微生物生产基因产品混肴不清 乳腺生物反应器与微生物生产的比较,类型,项目,提醒：乳

7、腺生物反应器受生物性别和年龄的限 制,若从动物尿液中提取目的基因产物则不受性别和 年龄限制。,2.对“基因诊断”和“基因治疗”概念及应用辩析不清(1)基因诊断 基因诊断是用放射性同位素(如32P)、荧光分子等标记的DNA分子做探针,利用DNA分子杂交原理,鉴定被检测标本上的遗传信息,达到检测疾病的目的。(2)基因治疗的原理及实例 原理：把健康动物的正常基因导入含有缺陷基因的受体细胞中,存在基因缺陷的病人细胞中既含有缺陷基因,又含有通过基因工程导入的正常基因,在病人体内两种基因都能表达,正常基因的表达产物掩盖了缺陷基因的表达产物,从而治愈了有基因缺陷的疾病。,镰刀型细胞贫血症基因治疗过程,【易误

8、警示】基因治疗是治疗人类遗传病的根本方法，但由于尚未全面了解基因调控机制和疾病的分子机理，基因治疗只处于初期的临床试验阶段。,纠正训练1.继哺乳动物乳腺生物反应器研发成功后,膀胱生物 反应器的研究也取得了一定进展。最近,科学家培 育出一种转基因小鼠,其膀胱上皮细胞可以合成人 的生长激素并分泌到尿液中。请回答：(1)将人的生长激素基因导入小鼠受体细胞中,常 用方法是。(2)进行基因转移时,通常要将外源基因转入 中,原因是。(3)通常采用 技术检测外源基 因是否插入了小鼠的基因组。(4)在研制膀胱生物反应器时,应使外源基因在小 鼠的 细胞中特异表达。,解析 转基因生物反应器是指利用转基因活体动 物

9、的某种能够高效表达外源基因的器官或组织来 进行工业化生产活性功能蛋白的技术,该技术的第 一步就是导入外源基因,对于动物细胞来说,常采 用的方法是显微注射法。显微注射法的优点是导 入的外源基因片段可长达50kb,且无需载体,外源 基因在宿主染色体上的整合率相对较高。答案(1)显微注射(2)受精卵(或早期胚胎细胞)受精卵(或早期胚胎细胞)具有全能性,可使外源基 因在相应组织细胞中表达(3)DNA分子杂交(核 酸探针)(4)膀胱上皮,2.下列关于基因工程应用的叙述,错误的是()A.基因治疗需要将正常基因导入有基因缺陷的细胞 B.基因诊断的基本原理是DNA分子杂交 C.一种基因探针只能检测水体中的一种

10、病毒 D.原核基因不能用来进行真核生物的遗传改良 解析 基因治疗是把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。基因诊断是用放射性同位素、荧光分子等标 记的DNA分子作探针,利用DNA分子杂交原理,鉴定,被检测标本上的遗传信息,达到检测疾病或水体中 病毒的目的,因此一种基因探针只能检测相应的遗 传信息。在基因工程中,由于DNA分子规则的双螺 旋结构在所有DNA分子中相同,因此,可以在任何不 同DNA分子之间进行操作。答案 D,知识综合应用重点提示 通过“基因工程和蛋白质工程综合”的考查,提升“把握所学知识的要点和知识之间内在的联系”的能力。典例分析(2009广

11、东卷,39)(1)饲料加工过程温度较高,要 求植酸酶具有较好的高温稳定性。利用蛋白质工 程技术对其进行改造时,首先必须了解植酸酶的,然后改变植酸酶的,从而得到新的植酸酶。,(2)培育转植酸酶基因的大豆,可提高其作为饲料 原料时磷的利用率。将植酸酶基因导入大豆细胞 常用的方法是。请简述获得 转基因植株的完整过程：。(3)为了提高猪对饲料中磷的利用率,科学家将带 有植酸酶基因的重组质粒通过 转 入猪的受精卵中。该受精卵培养至一定时期可通 过 方法,从而一次得到多个转 基因猪个体。(4)若这些转基因动、植物进入生态环境中,对生 态环境有何影响？,解析(1)蛋白质工程首先要根据已有蛋白质,从 预期的蛋

12、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,找到相应的脱氧核苷酸序 列,合成目的基因,再通过基因工程产生转基因生物。(2)将目的基因导入植物细胞的方法有：农杆菌转 化法、基因枪法和花粉管通道法,其中有80%的转 基因植物都是通过农杆菌转化法产生的。(3)动物细胞核的全能性受细胞质的抑制,故目的 基因需注入到受精卵中,再将注射了目的基因的受 精卵移植到雌性动物的输卵管或子宫内,使其发育 成具有新性状的动物。(4)转基因生物可造成基因污染等不良影响。,答案(1)分子结构及预期功能 基因(2)农杆菌浸染法 首先将目的基因与质粒组合,构建基因表达载体,将含目的基因的表达载体导入 植物细胞

13、,通过植物组织培养获得表现新性状的植物(3)显微注射法 胚胎分割(4)转基因生物及其产品对生物多样性、生态环境 可能产生的影响主要表现在以下几个方面：转 基因生物打破了物种的原有界限,改变了物质循环 和能量流动,对生态系统的稳定性造成破坏;重 组DNA与微生物杂交,可能出现对动、植物和人类,有害的病原微生物;增加目标害虫的抗性和进化 速度;转基因植物通过传粉进行基因转移,导致 超级杂草出现;转基因植物的花粉如含有有毒蛋 白或过敏蛋白,通过蜜蜂的采集,很可能进入蜜蜂 中,再经过食物链的传递,最后有可能进入其他动 物和人体内。,1.在植物基因工程中,获取目的基因后,用农杆菌中 的Ti质粒作为载体,

14、把目的基因重组入Ti质粒上的 T-DNA片段中,再将重组的T-DNA导入植物细胞中,经植物组织培养得到转基因植物。(1)科学家在进行上述实验操作时,要用同一种 分别切割质粒和目的基因,质粒的 黏性末端与目的基因DNA片段的黏性末端的“缝 合”需要 的帮助。(2)将携带抗除草剂基因的重组Ti质粒导入二倍体 油菜细胞,经培养、筛选获得一株有抗除草剂特性,的转基因植株。经分析,该植株含有一个携带目的 基因的T-DNA片段,因此可以把它看作是杂合子。理论上,在该转基因植株自交后的F1代中,仍具有抗 除草剂特性的植株占总数的,原因是。(3)种植上述转基因油菜,它所携带的目的基因可 以通过花粉传递给近缘物

15、种,造成“基因污染”。如果把目的基因导入叶绿体DNA中,就可以避免“基因污染”,原因是。,解析(1)基因工程操作时,要用同一种限制性核 酸内切酶切割质粒和目的基因,质粒的黏性末端与 目的基因DNA片段的黏性末端的“缝合”需要DNA 连接酶的帮助。(2)由“把它看作是杂合子”,可 以判断抗除草剂基因为显性,杂合子自交后代显性 性状占3/4。(3)因为花粉中几乎没有细胞质,所以 叶绿体DNA不会通过花粉传递。答案(1)限制性核酸内切酶 DNA连接酶(2)3/4 雌、雄配子各有1/2含抗除草剂基因的可 能,受精时,雌、雄配子随机结合(3)花粉中几 乎没有细胞质,叶绿体DNA不会通过花粉传递,2.科学

16、家通过基因工程,成功培育出能抗棉铃虫的棉 花植株抗虫棉,其过程大致如下图所示：(1)细菌的基因之所以能在棉花细胞内表达,产生 抗性,其原因是。,(2)上述过程中,将目的基因导入棉花细胞内使用 的方法是,这种导入方法较经济、有效。目的基因能否在棉株体内稳定维持和表达 其遗传特性的关键是目的基因是否插入到受体细 胞染色体DNA上,这需要通过检测才能知道,检测采 用的最好方法是。(3)上述基因工程中的核心步骤是,其目的是使目的基因在受体细胞中稳定存在,并且 可以 给下一代,同时,使目的基因 能够表达和发挥作用。,(4)利用基因工程技术培育抗虫棉,与诱变育种和 杂交育种方法相比,具有 和 等 突出的优

17、点,但是目前基因工程仍不能取代杂交育 种和诱变育种。与基因工程技术相比,杂交育种和 诱变育种方法主要具有 的优点。答案(1)它们共用一套遗传密码(2)农杆菌转 化法 DNA分子杂交技术(3)基因表达载体的构 建 遗传(4)目的性强 克服远缘杂交不亲和 性(或能有效地打破物种的生殖隔离界限)操作 简便易行,3.应用生物工程技术能获得人们需要的生物新品种 或新产品。请据图回答下列问题：,(1)在培育转人生长激素基因牛的过程中,过程 需要的工具酶是,过程常用的 方法是。(2)转基因牛可通过分泌的乳汁来生产人生长激素,则说明基因工程能够突破自然界的。在基因表达载体中,人生长激素基因的前端必须有。过程培

18、养到一定阶段,可以采用 技术,培育出多头完全相同 的转基因牛犊。(3)prG能激发细胞不断分裂,通过基因工程导入该,调控基因来制备单克隆抗体,最可能是 细 胞,代表的细胞具有 的特点。(4)在抗虫棉培育过程中,进行过程最常用的方 法是。解析 基因工程中用到的工具有限制酶、DNA连接 酶和载体。基因工程的步骤为第一步为提取目的 基因;第二步为目的基因的整合,形成重组质粒或 重组DNA;第三步导入宿主细胞;第四步检测与表 达。在将目的基因导入受体细胞时,在细胞工程中 常用显微注射技术来实现。受体细胞是植物细胞 时,常用农杆菌转化法。而在得到目的细胞之后可,进一步培育成个体或者进行胚胎分割移植得到多

19、 个个体。在动物细胞工程中,细胞融合是获得单克 隆抗体的前提,得到的细胞既能无限增殖又能产生 特异性抗体。基因工程能否成功的标志是基因能 否成功表达,即能否进行转录和翻译。所以基因要 表达必须要有启动子的启动。答案(1)限制酶、DNA连接酶 显微注射法(2)生殖隔离 启动子 胚胎分割移植(胚胎分割 和胚胎移植)(3)浆 既能无限增殖又能产生特异性抗体(4)农杆菌转化法,4.2007年11月20日,日本学者Shinya Yamanaka和美 国学者James Thomson分别在细胞和科学 杂志上发表重量级论文,他们用逆转录病毒为“分 子运输车”,用“化学剪刀”和“化学浆糊”将四 个不同作用的关

20、键基因转入体细胞内,令其与原有 基因发生重组,然后让体细胞重新返回到“生命原 点”,变成一个多功能的干细胞,具有胚胎干细胞 的特性。得知此消息后,“多利羊之父”Ian Wilmut随即宣布放弃用体细胞核移植技术研究胚 胎干细胞,他认为此种新方法才是今后治疗疑难病 症的关键。,(1)传统的细胞核移植技术,如多利羊的培育过程 中,用到的受体细胞是。(2)让体细胞回到“生命原点”,帮助其恢复,类似于植物组织培养中的 过程。(3)在基因工程中,被用作“分子运输车”的除了 病毒外,还有,后者的形状呈,化 学本质是。文中提到的“化学剪刀”和“化学浆糊”分别是指。,(4)下列四条DNA分子,彼此间能够粘连起

21、来拼接成 新的DNA分子的一组是()A.B.C.D.(5)异种生物的基因能拼接在一起,是因为它们的 分子都具有 结构。在细菌细胞内能够表达 出人的蛋白,一方面是因为基因能控制,另一方面是因为所有的生物。,解析 体细胞核移植技术是把体细胞细胞核移入 去核卵细胞(减数第二次分裂中期的次级卵母细 胞)。“生命原点”是指个体发育的起点,正常情 况下,个体发育的起点是受精卵,其全能性最高,体 细胞返回到“生命原点”是恢复其全能性,类似于 脱分化过程。基因工程常用的载体有质粒、动植 物病毒、噬菌体的衍生物等。质粒是环状的DNA 分子。基因工程中的“剪刀”是限制性核酸内切 酶,“浆糊”是DNA连接酶。由于D

22、NA分子规则的双 螺旋结构,所以异种生物的基因能拼接起来;基因 在不同的受体细胞内能表达是因为基因能控制蛋,白质合成,在蛋白质合成过程中,所有生物共用一 套密码子。图示的4个DNA片段中,只有和的碱 基之间能通过碱基互补配对粘连起来。答案(1)去核卵细胞(2)全能性 脱分化(3)质粒 环状 DNA 限制性核酸内切酶(限制酶)和DNA连接酶(4)D(5)双螺旋 蛋白质的合成 共用一套密码子,5.2008年诺贝尔化学奖授予了三位在研究绿色荧光 蛋白(GFP)方面做出突出贡献的科学家。绿色荧光 蛋白能在蓝光或紫外光的激发下发出荧光,这样借 助GFP发出的荧光就可以跟踪蛋白质在细胞内部的 移动情况,帮

23、助推断蛋白质的功能。下图为我国首 例绿色荧光蛋白(GFP)转基因克隆猪的培育过程示 意图,据图回答：,(1)图中通过过程、形成重组质粒,需要限制 酶切取目的基因、切割质粒。限制酶的识别序 列和切点是GGATCC,限制酶的识别序列和 切点是GATC。在质粒上有酶的一个切点,在目的基因的两侧各有1个酶的切点。请画出质粒被限制酶切割后所形成的黏性末端。在DNA连接酶的作用下,上述两种不同限制酶切 割后形成的黏性末端能否连接起来?。理由是。(2)过程将重组质粒导入猪胎儿成纤维细胞时,采用最多也最有效的方法是。,(3)如果将切取的GFP基因与抑制小猪抗原表达的 基因一起构建到载体上,GFP基因可以作为基

24、因表 达载体上的标记基因,其作用是。获得的转基因克隆猪,可以解决的医学难题是可以 避免。(4)目前科学家们通过蛋白质工程制造出了蓝色荧 光蛋白、黄色荧光蛋白等,采用蛋白质工程技术制 造出蓝色荧光蛋白过程的正确顺序是(用 数字表示)。推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和基因的核苷,酸序列 蓝色荧光蛋白的功能分析和结构设计 蓝色荧光蛋白基因的修饰(合成)表达出蓝 色荧光蛋白 解析 限制性核酸内切酶识别特定的核苷酸序列,并在特定的切割位点切割,产生黏性末端。限制酶 和切割后产生的黏性末端相同,即均产生GATC 序列,因此可以用DNA连接酶连接起来。目的基因 导入动物细胞最常用、最有效的方法是显微注射 法。

25、标记基因可以检测目的基因是否导入受体细 胞。用转基因克隆猪进行器官移植等医学难题,可 以避免发生免疫排斥反应。,答案(1)(只写出切割后形成的的部分即可)GGATC C G GATCC C CTAGG CCTAG G 可以连接 因为由两种不同限制酶切割后形成 的黏性末端是相同的(或是可以互补的)(2)显微注射技术(3)鉴定受体细胞中是否含有目的基因 发生免疫 排斥反应(4),6.下图是利用基因工程技术生产人胰岛素的操作过 程示意图,请据图作答。(1)判断某人患糖尿病的主要方法有。(2)能否利用人的皮肤细胞来完成过程？,为什么？。,(3)为使过程更易进行,可用 处理D 的细胞。D细胞一般选用大肠

26、杆菌或枯草杆菌的原 因是。(4)下图AD段表示质粒的某片段,若B表示启动子,为使目的基因直接表达,目的基因C插入的最佳位 点是图中的 处(填数字序号)。,(5)根治糖尿病的最佳方法是。(6)基因工程其他方面的应用,如被用于培育转胰 蛋白酶抑制剂基因的蔬菜,但若对该蔬菜处理不当,可能给人体带来的负面影响是。解析(1)糖尿病患者空腹时的血糖浓度持续高于 1.61.8 g/L,且尿液中含有糖。(2)胰岛素基因 的表达只在胰岛B细胞内,人皮肤细胞内虽有胰岛 素基因,但不表达。(3)过程是将目的基因导入 大肠杆菌中,可用Ca2+处理受体细胞,使之处于感受 态。大肠杆菌、枯草杆菌繁殖速度快,目的基因表 达

27、迅速,故作受体细胞。(4)启动子位于基因的首,端,以驱动基因转录出mRNA。(5)通过基因治疗可 根治糖尿病。(6)转胰蛋白酶抑制剂基因的表达产 物胰蛋白酶抑制剂可能会抑制人胰蛋白酶活性,从 而影响食物的消化。答案(1)空腹时的血糖浓度持续高于1.61.8 g/L,且尿液中有糖(2)不能 皮肤细胞中的胰岛素基因不表达,不能 形成胰岛素mRNA(3)CaCl2(或Ca2+)繁殖速度快,目的基因表达迅速(4)(5)基因治疗(6)胰蛋白酶抑制剂会抑制人的胰蛋白酶的活性,影响食物蛋白的消化,7.胰岛素可以用于治疗糖尿病,但是胰岛素被注射到 人体后,会堆积在皮下,要经过较长的时间才能进 入血液,而进入血

28、液的胰岛素又容易分解,因此,治 疗效果受到影响。如图是用蛋白质工程设计速效 胰岛素的生产过程,请据图回答有关问题：,(1)构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键,图 中构建新的胰岛素模型的主要依据是。(2)通过DNA合成形成的新基因应与 结 合后转移到 中才能得到准确表达。(3)若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素,需用到的 生物工程有、和发酵工程。(4)图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的 基本思路是什么？。,(5)下列关于蛋白质工程的说法,错误的是()A.蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构,使之 更加符合人类需要 B.蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接 进行操作,定向改变分子的结构 C

29、.蛋白质工程能产生自然界中不曾存在的新型蛋 白质分子 D.蛋白质工程与基因工程密不可分,又称为第二代 基因工程,解析(1)蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质 功能的特定需求,对蛋白质结构进行分子设计,因 此,图中构建新的胰岛素模型的依据是胰岛素的预 期功能。(2)合成的目的基因应与载体构建基因表 达载体后导入受体细胞中才能得以表达。(3)利用 蛋白质工程生产自然界原本不存在的蛋白质,需对 原有的胰岛素进行改造,根据新的胰岛素中氨基酸 的序列推测出其基因中的脱氧核苷酸序列,人工合 成新的胰岛素基因,形成目的基因,改造好的目的,答案(1)蛋白质的预期功能(2)载体 大肠杆菌等受体细胞(3)蛋白质工程 基因工程(4)根据新的胰岛素中氨基酸的序列,推测出其基 因中的脱氧核苷酸序列,然后利用DNA合成仪来合 成出新的胰岛素基因(5)B,返回,