高三生物 基因工程 ppt.ppt

專題一基因工程 考綱要求 1 基因工程的誕生 2 基因工程的原理及技術 3 基因工程的應用 4 蛋白質工程 基因的結構1 原核細胞的基因結構 非編碼區(qū) 非編碼區(qū) 編碼區(qū) 編碼區(qū)上游 編碼區(qū)下游 與rna聚合酶結合位點 啟動子 終止子 rna聚合酶能夠識別調控序列中的結合位點 并與其結合 轉錄開始后 rna聚合酶沿dna分子移動 并以dna分子的一條鏈為模板合成rna 轉錄完畢后 rna鏈釋放出來 緊接著rna聚合酶也從dna模板鏈上脫落下來 不能轉錄為信使rna 不能編碼蛋白質 能轉錄相應的信使rna 能編碼蛋白質 編碼區(qū) 非編碼區(qū) 原核細胞的基因結構 有調控遺傳信息表達的核苷酸序列 在該序列中 最重要的是位于編碼區(qū)上游的rna聚合酶結合位點 啟動子 二 真核細胞的基因結構 編碼區(qū) 與rna聚合酶結合位點 內含子 外顯子 能夠編碼蛋白質的序列叫做外顯子 不能夠編碼蛋白質的序列叫做內含子 啟動子 終止子 編碼區(qū)上游 編碼區(qū)下游 內含子 外顯子 真核細胞的基因結構 編碼區(qū) 非編碼區(qū) 外顯子 能編碼蛋白質的序列內含子 不能編碼蛋白質的序列 有調控作用的核苷酸序列 包括位于編碼區(qū)上游的rna聚合酶結合位點 非編碼序列 包括非編碼區(qū)和內含子 原核細胞與真核細胞的基因結構比較 連續(xù) 不連續(xù) 編碼區(qū) 非編碼 啟動子與起始密碼 終止子與終止密碼 二 基因工程的概念 定義 又稱為重組dna技術 指按照人們的愿望 進行嚴格的設計 并通過體外dna重組和轉基因等技術 賦予生物新的遺傳特性 從而創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產品 目的 是生產出符合人類需要的產品或創(chuàng)造出生物的新性狀 并能穩(wěn)定遺傳 基因工程基本操作的四個步驟 1 目的基因的獲取 2 基因表達載體的構建 3 將目的基因導入受體細胞 4 目的基因的檢測與鑒定 一 目的基因的獲取 1 目的基因主要是指 編碼蛋白質的結構基因 2 獲取目的基因的常用方法有哪些 1 從基因文庫中獲取 2 利用pcr技術擴增 3 人工合成 請閱讀p9第一和二兩段 一 從基因文庫中獲取目的基因 將含有某種生物不同基因的許多dna片斷 導入到受體菌的群體中 各個受體菌分別含有這種生物的不同基因 稱為基因文庫 1 基因文庫 2 基因文庫的構建方法 鳥槍法 供體細胞中的dna 許多dna片段 運載體 限制酶 與載體連接載入 受體細胞 產生特定性狀 導入 外源dna擴增 目的基因 分離 直接分離法 一 從基因文庫中獲取目的基因 反轉錄法 以目的基因轉錄成的信使rna為模板 反轉錄成互補的單鏈dna 然后在酶的作用下合成雙鏈dna 從而獲得所需的基因 目的基因的mrna 雜交雙鏈 單鏈rna 單鏈dna 單鏈dna 反轉錄酶 核酸酶h 2 基因文庫的構建方法 dna聚合酶 雙鏈dna 目的基因 根據(jù)已知的氨基酸序列合成dna法 根據(jù)已知蛋白質的氨基酸序列 推測出相應的信使rna序列 然后按照堿基互補配對原則 推測出它的結構基因的核苷酸序列 再通過化學方法 以單核苷酸為原料合成目的基因 蛋白質的氨基酸序列 mrna的核苷酸序列 結構基因的核苷酸序列 推測 推測 目的基因 化學合成 2 基因文庫的構建方法 上述三種目的基因提取的方法有何優(yōu)缺點 操作簡便廣泛使用 工作量大 盲目 分離出來的有時并非一個基因 專一性強 操作過程麻煩 mrna很不穩(wěn)定 要求的技術條件較高 專一性最強 僅限于合成核苷酸對較少的簡單基因 思考 為什么要構建基因文庫 直接從含有目的基因的生物體內提取不行嗎 概念 pcr全稱為 是一項在生物 復制 的核酸合成技術 條件 做啟動子 前提條件 原理 方式 以 方式擴增 即 n為擴增循環(huán)的次數(shù) 結果 選修1p60 多聚酶鏈式反應 體外 特定dna片段 dna復制 已知基因的核苷酸序列 四種脫氧核苷酸 一對引物 dna聚合酶 指數(shù) 2n 使目的基因的片段在短時間內成百萬倍地擴增 二 利用pcr技術擴增目的基因 過程 a dna變性 90 96 雙鏈dna模板在熱作用下 斷裂 形成 b 退火 復性55 60 系統(tǒng)溫度降低 引物與dna模板結合 形成局部 c 延伸 70 75 在taq酶的作用下 從引物的5 端 3 端延伸 合成與模板互補的 氫鍵 單鏈dna 雙鏈 dna鏈 1 用一定的 切割質粒 使其出現(xiàn)一個切口 露出 2 用 切斷目的基因 使其產生 二 基因表達載體的構建 核心 3 將切下的目的基因片段插入質粒的 處 再加入適量 形成了一個重組dna分子 重組質粒 限制酶 黏性末端 同一種限制酶 的黏性末端 切口 dna連接酶 相同 質粒 dna分子 限制酶處理 一個切口兩個黏性末端 兩個切口獲得目的基因 dna連接酶 重組dna分子 重組質粒 核心 同一種 二 基因表達載體的構建 4 過程 5 基因表達載體的組成 復制原點 目的基因 啟動子 終止子 標記基因 它們有什么作用 思考 作為基因工程表達載體 只需含有目的基因就可以完成任務嗎 為什么 啟動子 位于基因的首端的一段特殊的dna片斷 它是rna聚合酶識別和結合的部位 有了它才能驅動基因轉錄出mrna 最終獲得蛋白質 調節(jié)基因 操縱基因 結構基因 rna聚合酶 半乳糖苷酶 酶 酶 啟動子 結構蛋白基因 rna聚合酶 終止子 位于基因的尾端的一段特殊的dna片斷 能終止mrna的轉錄 標記基因的作用是為了鑒別受體細胞中是否含有目的基因 從而將有目的基因的細胞篩選出來 三 將目的基因導入受體細胞 轉化 方法 將目的基因導入植物細胞 將目的基因導入動物細胞 將目的基因導入微生物細胞 農桿菌轉化法 基因槍法 花粉管通道法 顯微注射法 感受態(tài)細胞 目的基因進入 內 并且在受體細胞內維持 和 的過程 受體細胞 穩(wěn)定 表達 1 將目的基因導入植物細胞的方法 農桿菌轉化法 1 農桿菌介紹 2 原理及適用范圍 三 將目的基因導入受體細胞 2 將目的基因導入動物細胞 1 方法 顯微注射法 2 程序 三 將目的基因導入受體細胞 3 將目的基因導入微生物細胞 1 思考 為什么選用微生物作為受體細胞 2 方法 四 目的基因的檢測與鑒定 檢查是否成功 檢測 鑒定 檢測轉基因生物染色體的dna上是否插入了目的基因 檢測目的基因是否轉錄出了mrna 檢測目的基因是否翻譯成蛋白質 抗蟲鑒定 抗病鑒定 活性鑒定等 方法 方法 方法 dna分子雜交 分子雜交 注意與上不同之處 抗原抗體雜交 dna分子雜交示意圖 采用一定的技術手段 將兩種生物的dna分子的單鏈放在一起 如果這兩個單鏈具有互補的堿基序列 那么 互補的堿基序列就會結合在一起 形成雜合雙鏈區(qū) 在沒有互補堿基序列的部位 仍然是兩條游離的單鏈 1 以下說法正確的是 a 所有的限制酶只能識別一種特定的核苷酸序列b 質粒是基因工程中唯一的運載體c 運載體必須具備的條件之一是 具有多個限制酶切點 以便與外源基因連接d 基因控制的性狀都能在后代表現(xiàn)出來 c 練習 2 不屬于質粒被選為基因運載體的理由是a 能復制 b 有多個限制酶切點c 具有標記基因d 它是環(huán)狀dna d 練習 3 有關基因工程的敘述中 錯誤的是 a dna連接酶將黏性末端的堿基對連接起來b 限制性內切酶用于目的基因的獲得c 目的基因須由運載體導入受體細胞d 人工合成目的基因不用限制性內切酶 a 練習 4 有關基因工程的敘述正確的是 a 限制酶只在獲得目的基因時才用b 重組質粒的形成在細胞內完成c 質粒都可作為運載體d 蛋白質的結構可為合成目的基因提供資料 d 練習 5 基因工程是在dna分子水平上進行設計施工的 在基因操作的基本步驟中 不進行堿基互補配對的步驟是 a 人工合成目的基因b 目的基因與運載體結合c 將目的基因導入受體細胞d 目的基因的檢測和表達 c 練習 2006年廣東卷23題 下列關于基因工程應用的敘述 正確的是a 基因治療就是把缺陷基因誘變成正常基因b 基因診斷的基本原理是dna分子雜交c 一種基因探針能檢測水體中的各種病毒d 原核基因不能用來進行真核生物的遺傳改良 b 2006年江蘇卷15題 我國科學家運用基因工程技術 將蘇云金芽孢桿菌的抗蟲基因導入棉花細胞并成功表達 培育出了抗蟲棉 下列敘述不正確的是a 基因非編碼區(qū)對于抗蟲基因在棉花細胞中的表達不可缺少b 重組dna分子中增加一個堿基對 不一定導致毒蛋白的毒性喪失c 抗蟲棉的抗蟲基因可通過花粉傳遞到近緣作物 從而造成基因污染d 轉基因棉花是否具有抗蟲特性是通過檢測棉花對抗生素抗性來確定的 d 2006年全國卷 5題 采用基因工程技術將人凝血因子基因導入山羊受精卵 培育出了轉基因羊 但是 人凝血因子只存在于該轉基因羊的乳汁中 以下有關敘述 正確的是a 人體細胞中凝血因子基因編碼區(qū)的堿基對數(shù)目 等于凝血因子氨基酸數(shù)目的3倍b 可用顯微注射技術將含有人凝血因子基因的重組dna分子導入羊的受精卵c 在該轉基因樣中 人凝血因子基因存在于乳腺細胞 而不存在于其他體細胞中d 人凝血因子基因開始轉錄后 dna連接酶以dna分子的一條鏈為模板合成mrna b 2006年四川卷4題 基因工程技術可使大腸桿菌合成人的蛋白質 下列敘述不正確的是a 常用相同的限制性內切酶處理目的基因和質粒b dna連接酶和rna聚合酶是構建重組質粒必需的工具酶c 可用含抗生素的培養(yǎng)基檢測大腸桿菌中是否導入了重組質粒d 導入大腸桿菌的目的基因不一定能成功表達 b 2006年江蘇卷41題 基因工程又叫基因拼接技術 1 在該技術中 用人工合成方法獲得目的基因的途徑之一是 以目的基因轉錄的為模板 成互補的單鏈dna 然后在酶的作用下合成 2 基因工程中常用的受體細胞有細菌 真菌 若將真核基因在原核細胞中表達 對該目的基因的基本要求是 3 假設以大腸桿菌質粒作為運載體 并以同一種限制性內切酶切割運載體與目的基因 將切割后的運載體與目的基因片段混合 并加入dna連接酶 連接產物至少有種環(huán)狀dna分子 它們分別是 1 信使rna mrna 逆轉錄 反轉錄 雙鏈dna 目的基因 2 動植物細胞除去內含子 3 3運載體自連的 目的基因片段自連的 運載體與目的基因片段相連的環(huán)狀dna分子 基因工程的應用 基因工程的應用是基因工程基本操作程序的一個必然結果 一 植物基因工程碩果累累 植物基因工程技術主要用于提高農作物的抗逆能力 以及改良農作物的品質和利用植物生產藥物等方面 1 抗蟲轉基因植物方法 目的基因包括 從某些生物中分離出具有殺蟲活性的基因 將其導入作物中 使其具有抗蟲性 bt毒蛋白基因 蛋白酶抑制劑基因 淀粉酶抑制劑基因 植物凝集素基因等 2 抗病轉基因植物 尋根問底 在抗病轉基因植物中 為什么使用病毒外殼蛋白基因可以抗病毒侵染 是否存在局限性 一種假說認為 cp基因在植物細胞內表達積累后 當入侵的病毒裸露核酸進入植物細胞后 會立即被這些外殼蛋白重新包裹 從而阻止病毒核酸分子的復制和翻譯 另一種假說認為 植物細胞內積累的病毒外殼蛋白會抑制病毒脫除外殼 使病毒核酸分子不能釋放出來 然而最近的研究表明 如果將病毒的外殼蛋白的aug起始密碼缺失 使之不能被翻譯 或者將外殼蛋白基因變成反義rna基因 整合到植物細胞染色體上 轉基因植物則有很好的抗性 因此 有人認為抗性機理不是外殼蛋白在起作用 而是cp基因轉錄出rna后 與入侵病毒rna之間的相互作用起到了抗性作用 存在一些問題 轉基因植物對病毒的抗性有局限性 僅限于特定的病毒 被使用cp基因的病毒 或密切相關的病毒 轉基因植物大多數(shù)只是發(fā)病延緩 一般為兩周 并非根治 潛在著植物表達的外殼蛋白包被與另一種病毒形成新的雜合病毒的危險 3 抗逆轉基因作物4 利用轉基因改良植物的品質方法 將必需氨基酸含量多的蛋白質編碼基因 導入植物中 或者改變這些氨基酸合成途徑中某種酶的活性 三 動物基因工程前景廣闊 1 用于提高動物生長速度目的基因 2 用于改善畜產品的品質 生長素基因 5 用轉基因動物生產藥物用基因工程技術實現(xiàn)動物乳腺生物反應器的操作過程是怎樣的 獲取目的基因 例如血清蛋白基因 構建基因表達載體 在血清白蛋白基因前加特異表達的啟動子 顯微注射導入哺乳動物受精卵中 形成胚胎 將胚胎送入母體動物 發(fā)育成轉基因動物 只有在產下的雌性動物個體中 轉入的基因才能表達 6 用轉基因動物作器官移植的供體供體動物 存在的難題 解決方法 豬 免疫排斥 將供體基因組導入某種基因調節(jié)因子 以抑制抗原決定基因的表達 或設法除去抗原決定基因 再結合克隆技術 培育出沒有免疫排斥反應的轉基因克隆豬器官 7 基因工程藥品異軍突起工程菌 用基因工程的方法 使外源基因得到高效率表達的菌類細胞株系 我國已生產的產品 白細胞介素 2 干擾素 乙肝疫苗等 四 基因治療曙光初照 1 體外基因治療 2 體內基因治療 從病人體內獲得某種細胞 進行培養(yǎng) 然后 在體外完成基因轉移 再篩選成功轉移的細胞擴增培養(yǎng) 最后重新輸入患者體內 直接向人體組織細胞中轉移基因的治病方法 用于基因治療的基因種類a 從健康人體上分離得到的功能正常的基因 用以取代病變基因 或依靠其表達產物 b 反義基因 即通過產生的mrna分子 與病變基因產生的mrna進行互補 來阻斷蛋白質合成 c 編碼可以殺死癌變細胞的蛋白酶基因 又叫做自殺基因 蛋白質工程 一 蛋白質工程崛起的緣由 通過基因工程能夠大規(guī)模生產生物體內微量存在的活性物質 并借助轉基因而改變動植物性狀 得以在人類醫(yī)療保健中進行基因診斷和基因治療 然而在廣泛利用自然界各種蛋白質的過程中就發(fā)現(xiàn) 這些蛋白質只是適應生物自身的需要 而對它們進行產業(yè)化開發(fā)往往不合意 需要加以改造 1983年ulmer首先提出蛋白質工程 它是指按照特定的需要 對蛋白質進行分子設計和改造的工程 自此以后 蛋白質工程迅速發(fā)展 已成為生物工程的重要組成部分 在已研究過的幾千種酶中 只有極少數(shù)可以應用于工業(yè)生產 絕大多數(shù)酶都不能應用于工業(yè)生產 這些酶雖然在自然狀態(tài)下有活性 但在工業(yè)生產中沒有活性或活性很低 這是因為工業(yè)生產中每一步的反應體系中常常會有酸 堿或有機溶劑存在 反應溫度較高 在這種條件下 大多數(shù)酶會很快變性失活 提高蛋白質的穩(wěn)定性是工業(yè)生產中一個非常重要的課題 一般來說 提高蛋白質的穩(wěn)定性包括 延長酶的半衰期 提高酶的熱穩(wěn)定性 延長藥用蛋白的保存期 抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性喪失等 例如 干擾素是一種抗病毒 抗腫瘤的藥物 將人的干擾素的cdna在大腸桿菌中進行表達 產生的干擾素的抗病毒活性為106u mg 只相當于天然產品的十分之一 雖然在大腸桿菌中合成的 干擾素量很多 但多數(shù)是以無活性的二聚體形式存在 為什么會這樣 如何改變這種狀況 研究發(fā)現(xiàn) 干擾素蛋白質中有3個半胱氨酸 第17位 31位和141位 推測可能是有一個或幾個半胱氨酸形成了不正確的二硫鍵 研究人員將第17位的半胱氨酸 通過基因定點突變改變成絲氨酸 結果使大腸桿菌中生產的 干擾素的抗病性活性提高到108u mg 并且比天然 干擾素的貯存穩(wěn)定性高很多 后基因組時代 將是 蛋白質組學時代 即從對基因信息的研究轉向對蛋白質信息的研究 包括研究蛋白質結構 功能與應用及蛋白質相互關系和作用 蛋白質工程就是在對蛋白質的化學 晶體學 動力學等結構與功能認識的基礎上 對蛋白質人工改造與合成 最終獲得商業(yè)化的產品 二 蛋白質工程的基本原理 蛋白質工程的主要步驟通常包括 1 從生物體中分離純化目的蛋白 2 測定其氨基酸序列 3 借助核磁共振和x射線晶體衍射等手段 盡可能地了解蛋白質的二維重組和三維晶體結構 4 設計各種處理條件 了解蛋白質的結構變化 包括折疊與去折疊等對其活性與功能的影響 5 設計編碼該蛋白的基因改造方案 如點突變 6 分離 純化新蛋白 功能檢測后投入實際使用 一 蛋白質的分子設計與改造蛋白質工程首先是以蛋白質的結構為基礎 通過蛋白質的一級結構 晶體結構和溶液構象的研究 積累了成千上萬蛋白質一級結構和高級結構的數(shù)據(jù)資料 并編制成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫 得以從中找出蛋白質分子間的進化關系 一級結構和高級結構的關系 結構與功能的關系方面的規(guī)律 蛋白質作為生物大分子是生物化學和分子生物學的研究重點 大量蛋白質被分離純化 測定了它們的結構 性質和生物學作用 分子生物學有關基因組的研究 也可以用以推測出一些未知蛋白質的結構與功能 采用定位誘變的方法 可以對編碼蛋白質的基因進行核苷酸密碼子的插入 刪除 置換和改組 其結果為分子改造提供新的設計方案 現(xiàn)有的蛋白質是生物長期進化的結果 蛋白質工程則是對生物進化的模擬 按照蛋白質形成的規(guī)律 改造蛋白質或構建新的蛋白質 蛋白質的改造通常需要先經周密的分子設計 然后依賴基因工程獲得突變型蛋白質 以檢驗其是否達到了預期的效果 如果改造的結果不理想 還需要從新設計再進行改造 往往經歷多次實踐摸索才能達到改進蛋白質性能的預定目標 二 蛋白質改造工程舉例1 水蛭素改造水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特異抑制劑 它有多種變異體 由65或66個氨基酸殘基組成 水蛭素在臨床上可作為抗栓藥物用于治療血栓疾病 為提高水蛭素活性 在綜合各變異體結構特點的基礎上提出改造水蛭素主要變異體hv2的設計方案 將47位的asn 天冬酰胺 變成lys 賴氨酸 使其與分子內第4或第5位thr 蘇氨酸 間形成氫鍵來幫助水蛭素n端肽段的正確取向 從而提高凝血效率 試管試驗活性提高4倍 在動物模型上檢驗抗血栓形成的效果 提高20倍 2 生長激素改造生長激素通過對它特異受體的作用促進細胞和機體的生長發(fā)育 然而它不僅可以結合生長激素受體 還可以結合許多種不同類型細胞的催乳激素受體 引發(fā)其他生理過程 在治療過程中為減少副作用 需使人的重組生長激素只與生長激素受體結合 盡可能減少與其他激素受體的結合 經研究發(fā)現(xiàn) 二者受體結合區(qū)有一部分重疊 但并不完全相同 有可能通過改造加以區(qū)別 由于人的生長激素和催乳激素受體結合需要鋅離子參與作用 而它與生長激素受體結合則無需鋅離子參與 于是考慮取代充當鋅離子配基的氨基酸側鏈 如第18和第21位his