10.8 教學(xué)設(shè)計(jì).doc

一塊田棉花抗蟲，一塊田棉花不抗蟲，抗蟲基因最早是從蘇云金芽胞桿菌中分離出來的抗蟲基因，而抗蟲棉花的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了一種生物的性狀在另一種生物中的表達(dá)。性狀的表達(dá)與我們學(xué)過的什么過程有關(guān)呢？學(xué)生：與基因控制蛋白質(zhì)的合成有關(guān)；教師：PPT展示：這是一個(gè)DNA上的能控制抗蟲蛋白合成的基因，這一條是棉花的DNA，請(qǐng)大家分析，要實(shí)現(xiàn)抗蟲蛋白基因在棉花細(xì)胞中表達(dá)，提前要做哪些關(guān)鍵工作？學(xué)生：要將抗蟲蛋白基因切割下來；將抗蟲基因整合到棉花細(xì)胞DNA上；教師：這些操作需要使用哪些工具呢？科學(xué)家們?cè)趯?shí)施基因工程之前，苦苦探索，終于找到了實(shí)施基因工程的三種金剛鉆兒，一是準(zhǔn)確切割DNA的工具分子手術(shù)刀：限制酶；二是DNA片段的連接工具分子縫合針：DNA連接酶；三是基因轉(zhuǎn)移工具分子運(yùn)輸車：基因進(jìn)入受體細(xì)胞的載體，下面我們就以抗蟲棉的培育為例學(xué)習(xí)這方面的內(nèi)容。我們先來看準(zhǔn)確切割DNA的工具限制酶；請(qǐng)大家以小組為單位分析、討論學(xué)案上提供的資料，學(xué)生：不會(huì)破壞細(xì)菌本身的DNA，細(xì)菌本身的DNA不具有它含有的限制酶的識(shí)別切割序列，（或者將甲基轉(zhuǎn)移到所識(shí)別序列的堿基上，使限制酶不能將其切開）學(xué)生：限制酶必須具有特異性才能保證準(zhǔn)確地將抗蟲基因從它所在的DNA分子中切割出來。教師：非常好！那限制酶的特異性體現(xiàn)在哪些方面才能準(zhǔn)確切割呢？學(xué)生：識(shí)別特定的雙鏈DNA的核苷酸序列；教師：非常準(zhǔn)確，我們可以看到，限制酶Sma，EcoR識(shí)別序列就有所區(qū)別，而且限制酶的識(shí)別序列一般是由48個(gè)核苷酸組成，EcoR識(shí)別序列從5GAATTC3結(jié)束，Sma的識(shí)別序列從5CCCGGG3,在他們的識(shí)別序列處還有一個(gè)中心軸線，識(shí)別序列沿中心軸線反向重復(fù)對(duì)稱；除了識(shí)別序列的特異性以外，還有切割位點(diǎn)的特異性，Sma在中心軸線處切割，EcoR在GA兩個(gè)核苷酸處切割，我們可以看到切割后得到的末端也有所區(qū)別，Sma切割后得到的是平末端，EcoR切割后得到的末端會(huì)伸出一條DNA單鏈，這樣的末端被稱為黏性末端。教師：我們已經(jīng)利用限制酶切割獲得抗蟲基因，單純的DNA片段是很難導(dǎo)入受體細(xì)胞的，需要分子運(yùn)輸車即載體協(xié)助，那具備什么特點(diǎn)才能作為目的基因的運(yùn)輸車呢？如何將抗蟲基因?qū)朊藁?xì)胞呢？科學(xué)家利用病毒或是細(xì)菌中質(zhì)?？梢赞D(zhuǎn)移到其他生物體內(nèi)的特性，若將抗蟲基因和質(zhì)粒重組，就可以將抗蟲基因?qū)朊藁?xì)胞，這就是我們要提到分子運(yùn)輸車載體；但真正被用作載體的質(zhì)粒，都是在天然質(zhì)粒的基礎(chǔ)上進(jìn)行人工改造的，那作為載體必須具備什么特點(diǎn)才能作為目的基因的運(yùn)輸車呢？請(qǐng)大家根據(jù)我們學(xué)案上的提示，以小組為單位討論這個(gè)問題：學(xué)生可能的回答：將載體和抗蟲基因混合加入DNA連接酶；教師：常用的載體質(zhì)粒是環(huán)狀DNA分子，既然是環(huán)，如何能將抗蟲基因片段插入呢？學(xué)生：需要用限制酶將質(zhì)粒剪一個(gè)缺口，然后插入抗蟲基因；教師：既然需要限制酶剪切，那根據(jù)限制酶的特點(diǎn)，需要載體的核苷酸序列具備什么特點(diǎn)呢？這是我們學(xué)案上的第二個(gè)問題。學(xué)生：需要有限制酶的識(shí)別序列教師：才能用特定的限制酶將質(zhì)粒切開，插入抗蟲基因，也就是說質(zhì)粒上要有限制酶的酶切位點(diǎn)，能夠共抗蟲基因插入；教師：將抗蟲基因和載體連接導(dǎo)入棉花細(xì)胞，導(dǎo)入率并不是百分之百，可以利用載體的什么特點(diǎn)篩選導(dǎo)入了抗蟲基因的棉花細(xì)胞呢？學(xué)生：載體上抗藥基因；教師：質(zhì)粒上有一些特殊基因，如抗藥基因，可以讓導(dǎo)入了重組質(zhì)粒的棉花細(xì)胞也具有了抗藥特性，除此之外我們還能對(duì)天然質(zhì)粒進(jìn)行人工改造，可以給它加上一些熒光蛋白基因，該基因表達(dá)后，在激發(fā)光下，利用熒光顯微鏡就能將導(dǎo)入了抗蟲基因的棉花細(xì)胞篩選出來。這些抗藥基因，熒光蛋白基因都是可以標(biāo)記導(dǎo)入了抗蟲基因的棉花細(xì)胞，故將這些基因稱為標(biāo)記基因。教師：我們將抗蟲基因和載體形成重組DNA導(dǎo)入棉花細(xì)胞，細(xì)胞通過增殖，分化才能形成棉花植株，那么載體如何保證目的基因在細(xì)胞增殖時(shí)不會(huì)丟失？學(xué)生：載體必須能復(fù)制；教師：載體復(fù)制，就會(huì)使抗蟲基因形成很多拷貝，但在細(xì)胞分裂時(shí)，細(xì)胞質(zhì)中的物質(zhì)是隨機(jī)分配的，抗蟲基因還有可能在細(xì)胞中丟失，如何才能準(zhǔn)確保證不丟失呢？學(xué)生：可以整合到棉花細(xì)胞的染色體DNA上，隨棉花細(xì)胞增殖，抗蟲基因也會(huì)增殖教師：所以載體能將一部分DNA整合到受體細(xì)胞的染色體DNA上，抗蟲基因就不會(huì)因?yàn)榧?xì)胞增殖而丟失。教師：我們請(qǐng)一個(gè)小組給大家總結(jié)載體具備什么特點(diǎn)才能充當(dāng)分子運(yùn)輸車;學(xué)生：具有限制酶的酶切位點(diǎn)（一個(gè)或兩個(gè)）；能夠自我復(fù)制或整合到染色體DNA上；含有標(biāo)記基因；我們可以看到作為分子運(yùn)輸車，載體必須具備多種特點(diǎn)，而在基因工程中使用的載體有質(zhì)粒、噬菌體的衍生物、動(dòng)植物病毒等，目前常利用的載體是質(zhì)粒，下面我們通過插圖一起來認(rèn)識(shí)質(zhì)粒，質(zhì)粒存在于許多細(xì)菌及酵母菌等生物的細(xì)胞中，是擬核或細(xì)胞核外能自主復(fù)制的很小的環(huán)狀DNA分子，這個(gè)模式圖表示的就是大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)的質(zhì)粒，請(qǐng)一位同學(xué)在圖上找出能體現(xiàn)載體特點(diǎn)的部分，并指明體現(xiàn)了載體的什么特點(diǎn)？學(xué)生：目的基因的插入位點(diǎn)質(zhì)粒有限制酶的酶切位點(diǎn)；復(fù)制原點(diǎn)質(zhì)粒能復(fù)制（而且?guī)е迦氲哪康幕蛞黄饛?fù)制）氨芐青霉素抗性基因有標(biāo)記基因（可用含青霉素培養(yǎng)基篩選細(xì)胞）從前面的分析中，我們得知，抗蟲基因需插入到載體中，才能由載體運(yùn)入受體細(xì)胞，利用限制酶處理載體，只是在載體上制造了一個(gè)缺口，還需要利用分子縫合針DNA連接酶連接載體和抗蟲基因，那DNA連接酶是如何催化抗蟲基因和載體相連的呢？ 請(qǐng)大家看PPT上的展示：猜想：DNA連接酶催化連接的是什么化學(xué)鍵呢？學(xué)生：催化連接的是核苷酸之間的磷酸二酯鍵教師：那如果是連接平末端，可以直接將雙鏈DNA片段的缺口即核苷酸之間的磷酸二酯鍵催化連接，那黏性末端之間的連接是否也是DNA連接酶催化的呢？學(xué)生：氫鍵是自動(dòng)形成；教師：非常好！氫鍵是分子間作用力，它在黏性末端靠近時(shí)可自動(dòng)形成；根據(jù)來源可將DNA連接酶分為兩類：一類是從大腸桿菌中分離得到的稱為EcoliDNA連接酶，另一類從T4噬菌體中分離出來，稱為T4DNA連接酶，但這兩種酶的作用有所差別：EcoliDNA連接酶只能將雙鏈DNA片段互補(bǔ)的黏性末端連接，而T4DNA連接酶既能連接互補(bǔ)的黏性末端，又可以縫合平末端，但縫合平末端，但連接平末端的效率低。這就是DNA重組技術(shù)的三大工具，限制酶、載體、DNA連接酶，現(xiàn)在大家看，這有兩把剪刀，一把代表Ecor，一把代表Sma,有一個(gè)環(huán)狀DNA分子代表載體質(zhì)粒，一個(gè)含抗蟲基因的DNA片段，粘膠模擬DNA連接酶，該如何選擇限制酶？如何切割，如何利用DNA連接酶連接呢？請(qǐng)大家先討論選擇哪種限制酶，并說出你的理由；我們請(qǐng)一個(gè)小組和我們分享他們選擇哪種限制酶切割，為什么？學(xué)生：選擇Ecor來切割，因?yàn)榭瓜x基因所在的DNA片段兩端有它的識(shí)別序列；教師：那為什么不選擇Sma呢？學(xué)生：抗蟲基因內(nèi)部有Sma的序列，選擇它切割會(huì)破壞抗蟲基因；教師：除此之外還有沒有其他小組可以補(bǔ)充不選Sma的原因？（仔細(xì)觀察質(zhì)粒的序列）學(xué)生：在質(zhì)粒上也沒有Sma的識(shí)別序列；教師：因此我們?cè)谶x擇限制酶切割時(shí)要注意什么問題呢？學(xué)生：要選擇目的基因，載體上都存在識(shí)別序列的限制酶，要不能破壞目的基因；教師：非常好！也就是選擇同種限制酶切割載體和目的基因所在的DNA，不能破壞目的基因；教師：請(qǐng)大家實(shí)際進(jìn)行操作；可能出現(xiàn)的問題：1、利用限制酶時(shí)，可能會(huì)把整個(gè)抗蟲基因破壞掉；請(qǐng)學(xué)生上前展示切割結(jié)果，并請(qǐng)其他組分析為什么會(huì)出現(xiàn)這種結(jié)果；（如果沒有錯(cuò)的，就在PPT上展示錯(cuò)誤的和沒剪的，讓學(xué)生自己分析）教師：再請(qǐng)大家利用粘膠模擬DNA連接酶連接利用限制酶處理過的抗蟲基因和質(zhì)粒；可能出現(xiàn)的問題：2、DNA連接酶連接的氫鍵；請(qǐng)學(xué)生上前展示連接結(jié)果，并請(qǐng)其他組分析是否出現(xiàn)錯(cuò)誤；教師：我們?cè)趯?shí)際利用DNA連接酶催化連接時(shí)，是將很多質(zhì)粒片段和抗蟲基因片段混合在一塊，以提高連接效率，請(qǐng)大家想象除了有我們想要的抗蟲基因和質(zhì)粒相連的重組