專題1基因工程(定稿)

基因工程概念

基因工程，又叫DNA重組技術(shù)。是指按照人們的愿望，進行嚴格的設(shè)計，通過體外DNA重組和轉(zhuǎn)基因等技術(shù)，賦予生物以新的遺傳特性，從而創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產(chǎn)品。原理操作環(huán)境操作對象操作水平基本過程結(jié)果第一頁，共58頁。原理基因重組操作環(huán)境生物體外操作對象基因操作水平DNA分子水平基本過程剪切拼接導(dǎo)入表達結(jié)果人類需要的基因產(chǎn)物對DNA分子的精確操作，至少需要三種工具第二頁，共58頁。1）限制性核酸內(nèi)切酶——“分子手術(shù)刀”2）DNA連接酶——“分子縫合針”3）基因進入受體細胞的載體——“分子運輸車”DNA重組技術(shù)的基本工具2第三頁，共58頁。1）限制性核酸內(nèi)切酶——“分子手術(shù)刀”已發(fā)現(xiàn)4000多種限制酶（主要從原核生物中分離）1、限制酶（切割DNA）的特性：限制性核酸內(nèi)切酶，能特異性識別某種序列并在特定部位切割。2、限制酶切割的是磷酸二酯鍵3、限制酶切割產(chǎn)生的DNA片段末端有兩種形式限制酶是一類酶，而不是一種酶。每種限制酶，只能特異性識別一種序列

第四頁，共58頁。黏性未端與平未端在識別序列的中心軸線兩側(cè)切開---黏性未端在識別序列的中心軸線處切開------平未端第五頁，共58頁。2）DNA連接酶——“分子縫合針”連接酶的作用：將被切開的DNA的兩個末端連接起來，

使之成為一個完整的DNA分子。連接的部位：磷酸二酯鍵，不是氫鍵。DNA連接酶分為兩類：T4DNA連接酶--------可以縫合DNA片段的黏性未端與平未端E·coliDNA連接酶------只能將互補的黏性未端之間連接起來第六頁，共58頁。DNA連接酶DNA聚合酶連接DNA鏈連接部位相同點雙鏈單鏈在兩DNA片段之間形成磷酸二酯鍵將單個脫氧核苷酸加到已存在的核酸片段上，形成磷酸二酯鍵都能形成磷酸二酯鍵DNA連接酶和DNA聚合酶是一回事嗎？第七頁，共58頁。3）基因進入受體細胞的載體-----運載體載體的作用：載體的必要條件：載體的種類：

將外源基因送入受體細胞。3）具有特殊的遺傳標記基因（供重組DNA的鑒定和選擇）質(zhì)粒、噬菌體和動植物病毒。1）具有自我復(fù)制能力（能在宿主細胞內(nèi)穩(wěn)定地保存）2）具有一個或多個限制酶切割位點（供外源DNA插入）第八頁，共58頁。質(zhì)?！べ|(zhì)粒是基因工程中最常用的運載體；·質(zhì)粒是獨立于擬核DNA外、能自主復(fù)制的小型環(huán)狀DNA分子；·質(zhì)粒DNA分子上具有一個至多個限制酶切點；·重組質(zhì)粒進入受體細胞后，在細胞中自我復(fù)制，或整合到染色體DNA上；·質(zhì)粒上有特殊的標記基因第九頁，共58頁。（2017高考Ⅰ）38、真核生物基因中通常有內(nèi)含子，而原核生物基因中沒有，原核生物沒有真核生物所具有的切除內(nèi)含子對應(yīng)的RNA序列的機制。已知在人體中基因A（有內(nèi)含子）可以表達出某種特定蛋白（簡稱蛋白A）?；卮鹣铝袉栴}：（2）若用家蠶作為表達基因A的受體，在噬菌體和昆蟲病毒兩種載體中，不選用____________作為載體，其原因是_____________________。

噬菌體的宿主是細菌，而不是家蠶

噬菌體第十頁，共58頁。(1)目的基因的獲取------切(2)基因表達載體的構(gòu)建------接(3)將目的基因?qū)胧荏w細胞-----導(dǎo)(4)目的基因的檢測與鑒定-----檢基因工程的基本操作程序3第十一頁，共58頁。（一）目的基因的獲取將需要的基因從供體生物的細胞內(nèi)提取出來。取出DNA用限制酶切斷DNA

目前被較廣泛提取使用的目的基因有：蘇云金桿菌抗蟲基因、人胰島素基因、人干擾素基因、種子貯藏蛋白基因、植物抗病基因等。第十二頁，共58頁。目的基因的概念主要是指編碼蛋白質(zhì)基因，也可以是一些具有調(diào)控作用的因子。例如：與生物抗逆性相關(guān)的基因，與生物優(yōu)良品質(zhì)相關(guān)的基因，藥物和保健品相關(guān)的基因，與毒物降解相關(guān)的基因，以及與工業(yè)所需要酶相關(guān)的基因。第十三頁，共58頁。基因的結(jié)構(gòu)（1）原核生物基因結(jié)構(gòu)編碼區(qū)非編碼區(qū)非編碼區(qū)編碼蛋白質(zhì)編碼區(qū)上游編碼區(qū)下游調(diào)控遺傳信息的表達（調(diào)控程序）…A‥………ATGTGCACGTAGTTA………‥G……T‥………TACACGTGCATCAAT………‥C…啟動子終止子基因的結(jié)構(gòu)第十四頁，共58頁。編碼區(qū)非編碼區(qū)非編碼區(qū)啟動子終止子ATGTGCACGTAGTTATACACGTGCATCAATRNA聚合酶AUGUGCACGUAGUUA

啟動子：位于基因首端一段能與RNA聚合酶結(jié)合并能起始mRNA合成的序列。沒有啟動子，基因就不能轉(zhuǎn)錄。RNA聚合酶:能夠識別啟動子上的結(jié)合位點并與其結(jié)合的一種蛋白質(zhì).

終止子：位于基因的尾端的一段特殊的DNA片斷，它能阻礙RNA聚合酶的移動，并使其從DNA模板鏈上脫離下來，使轉(zhuǎn)錄終止。第十五頁，共58頁。編碼區(qū)非編碼區(qū)非編碼區(qū)（能編碼蛋白質(zhì)）啟動子終止子外顯子內(nèi)含子（不能編碼蛋白質(zhì)）（2）真核生物基因結(jié)構(gòu)外顯子：真核細胞基因DNA中的編碼序列，這些序列被轉(zhuǎn)錄成RNA并進而翻譯為蛋白質(zhì)。內(nèi)含子：真核細胞基因DNA中的間插序列，這些序列被轉(zhuǎn)錄成RNA，但隨即被剪除而不翻譯?；虻慕Y(jié)構(gòu)第十六頁，共58頁。（3）真核與原核生物基因結(jié)構(gòu)的比較①相同點：都是由能夠編碼蛋白質(zhì)的編碼區(qū)和具有調(diào)控作用的非編碼區(qū)。②不同點：原核細胞基因的編碼區(qū)是連續(xù)的；真核細胞的編碼區(qū)是間隔的，不連續(xù)的。第十七頁，共58頁。①從基因文庫中獲?、诶肞CR技術(shù)擴增獲取③人工合成法獲取目的基因的方法第十八頁，共58頁。1、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(dǎo)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?；蛭膸?/p>

基因組文庫部分基因文庫（1）基因文庫（如:cDNA文庫）包含了這種生物的所有基因包含了這種生物的部分基因第十九頁，共58頁。⑵基因文庫的構(gòu)建方法①直接分離法：基因組DNA文庫的構(gòu)建cDNA文庫的構(gòu)建②反轉(zhuǎn)錄法：第二十頁，共58頁。

將某種生物體內(nèi)的DNA全部提取出來，選用適當?shù)南拗泼?，將DNA切割為許多片段，再用運載體將這些片段導(dǎo)入受體菌的群體中儲存，每個受體菌都含有了一段不同的DNA片段。即這個群體包含了這種生物的所有基因，叫做這種生物的基因組文庫。用限制酶切成許多片斷第二十一頁，共58頁。②反轉(zhuǎn)錄法構(gòu)建cDNA文庫用某種生物發(fā)育的某個時期的mRNA互補合成逆轉(zhuǎn)錄

雙鏈DNA（也叫cDNA）單鏈DNA

再用運載體將這些DNA片段導(dǎo)入受體菌的群體中儲存，即這個群體包含了這種生物的部分基因，叫做這種生物的cDNA文庫?；蛑袩o啟動子，也無內(nèi)含子此mRNA對應(yīng)DNA編碼蛋白質(zhì)的片段第二十二頁，共58頁。文庫類型cDNA文庫基因組文庫文庫大小基因中啟動子基因中內(nèi)含子基因多少物種間的基因交流有大無小無有某種生物的部分基因某種生物的全部基因可以部分基因可以第二十三頁，共58頁。（2017高考Ⅰ）38、真核生物基因中通常有內(nèi)含子，而原核生物基因中沒有，原核生物沒有真核生物所具有的切除內(nèi)含子對應(yīng)的RNA序列的機制。已知在人體中基因A（有內(nèi)含子）可以表達出某種特定蛋白（簡稱蛋白A）?；卮鹣铝袉栴}：（1）某同學(xué)從人的基因組文庫中獲得了基因A，以大腸桿菌作為受體細胞卻未得到蛋白A，其原因是_________________。

基因A有內(nèi)含子，在大腸桿菌中，其初始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中與內(nèi)含子對應(yīng)的RNA序列不能被切除，無法表達出蛋白A

第二十四頁，共58頁。如何從基因文庫中得到所需要的基因？如：根據(jù)基因的核苷酸序列基因的功能基因在染色體上的位置基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物mRNA

基因翻譯產(chǎn)物蛋白質(zhì)等特性。是否一定要構(gòu)建基因文庫？未知目的基因序列時第二十五頁，共58頁。①概念：PCR全稱為_______________，是一項在生物____復(fù)制___________的核酸合成技術(shù)。④條件：_________、_______________、________、___________

.

③原理：__________聚合酶鏈式反應(yīng)體外特定DNA片段DNA雙鏈復(fù)制模板DNA四種脫氧核苷酸DNA引物熱穩(wěn)定DNA聚合酶2.利用PCR擴增目的基因已知目的基因序列時⑤方式：以_____方式擴增，即____（n為擴增循環(huán)的次數(shù)）⑥結(jié)果：使目的基因的片段在短時間內(nèi)成百萬倍地擴增指數(shù)2n②前提：__________已知一段目的基因的核苷酸序列PCR擴增儀第二十六頁，共58頁。⑦過程a、變性（90℃-95℃）：雙鏈DNA模板在熱作用下，_____斷裂，形成___________b、復(fù)性（復(fù)性55℃-60℃）：系統(tǒng)溫度降低，引物與DNA模板結(jié)合，形成局部________。c、延伸（70℃-75℃）：在Taq酶的作用下，合成與模板互補的________。氫鍵單鏈DNA雙鏈DNA鏈第二十七頁，共58頁。3.人工合成——根據(jù)已知的氨基酸序列合成DNA蛋白質(zhì)的氨基酸序列mRNA的核苷酸序列結(jié)構(gòu)基因的核苷酸序列推測推測目的基因化學(xué)合成已知核苷酸序列的較小基因可以化學(xué)合成，不需要模板。DNA合成儀第二十八頁，共58頁。（二）基因表達載體的構(gòu)建---核心第二十九頁，共58頁。a、使目的基因在受體細胞中穩(wěn)定存在并遺傳給子代b、同時使目的基因能表達和發(fā)揮作用1、基因表達載體的作用質(zhì)粒含目的基因的DNA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連接酶表達載體同一種2.過程思考：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(wù)嗎？第三十頁，共58頁。3.基因表達載體的組成：它們有什么作用？a、目的基因b、啟動子c、終止子d、標記基因位于基因的首端,是RNA聚合酶結(jié)合位點位于基因的末端,終止轉(zhuǎn)錄檢測目的基因是否導(dǎo)入受體細胞e、復(fù)制原點目的基因、啟動子、終止子不是質(zhì)粒上固有的，標記基因、復(fù)制原點是質(zhì)粒上固有的。表達載體在宿主細胞中復(fù)制的起點外源編碼蛋白質(zhì)的基因第三十一頁，共58頁。＊如果目的基因是從基因組文庫中獲取的，因為目的基因本身已含有啟動子、終止子，在構(gòu)建表達載體時，就不需要再加啟動子、終止子。＊如果目的基因是從部分基因文庫中獲取的，因為目的基因本身不含有啟動子、終止子，在構(gòu)建表達載體時，就需要再加啟動子、終止子。第三十二頁，共58頁。常用的受體細胞：

有大腸桿菌、枯草桿菌、土壤農(nóng)桿菌、酵母菌和動植物細胞等。將目的基因?qū)胧荏w細胞的原理借鑒細菌或病毒侵染細胞的途徑。（三）將目的基因?qū)胧荏w細胞—轉(zhuǎn)化目的基因進入受體細胞內(nèi)，并且在受體細胞內(nèi)維持穩(wěn)定和表達，稱為轉(zhuǎn)化第三十三頁，共58頁。1、將目的基因?qū)胫参锛毎俎r(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法A、能在自然條件下感染雙子葉植物和裸子植物，而對大多數(shù)單子葉植物無感染能力。當植物體受到損傷時，傷口處的細胞會分泌大量的酚類物質(zhì)，吸引農(nóng)桿菌移向這些細胞，這時農(nóng)桿菌的特點：B、農(nóng)桿菌中的Ti質(zhì)粒上的T-DNA可轉(zhuǎn)移至受體細胞，并且整合到受體細胞染色體DNA上。第三十四頁，共58頁。將包裹在金屬顆粒表面的表達載體DNA打入受體細胞。單子葉植物常用，成本較高③花粉管通道法②基因槍法使目的基因借助花粉通道進入受體細胞，簡便經(jīng)濟第三十五頁，共58頁。2、將目的基因?qū)雱游锛毎?/p>

顯微注射技術(shù)：將基因表達載體提純，用顯微注射儀注射到受精卵中目前采用最多，最有效的方法第三十六頁，共58頁。3、導(dǎo)入微生物細胞①原核生物特點：繁殖快、單細胞、遺傳物質(zhì)少②方法：用Ca2+處理細胞感受態(tài)細胞表達載體與感受態(tài)細胞混合感受態(tài)細胞吸收DNA分子氯化鈣處理，細胞處于最適攝取和容忍外來DNA的生理狀態(tài)第三十七頁，共58頁。（2017高考Ⅰ）38、真核生物基因中通常有內(nèi)含子，而原核生物基因中沒有，原核生物沒有真核生物所具有的切除內(nèi)含子對應(yīng)的RNA序列的機制。已知在人體中基因A（有內(nèi)含子）可以表達出某種特定蛋白（簡稱蛋白A）?；卮鹣铝袉栴}：（3）若要高效地獲得蛋白A，可選用大腸桿菌作為受體，因為與家蠶相比，大腸桿菌具有________________________（答出兩點即可）等優(yōu)點。繁殖快、容易培養(yǎng)第三十八頁，共58頁。生物種類植物細胞動物細胞微生物細胞常用方法受體細胞農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法體細胞顯微注射法受精卵微生物細胞Ca2+處理法小結(jié)：目的基因?qū)胧荏w細胞的方法將目的基因?qū)胫参锛毎麜r，受體細胞可以是體細胞，但是將目的基因?qū)雱游锛毎麜r，受體細胞一定要是受精卵，為什么？思考第三十九頁，共58頁。

＊目的基因進入植物細胞后，可以插入到植物細胞中染色體的DNA上，形成轉(zhuǎn)基因細胞，就可以使目的基因的遺傳特性得以穩(wěn)定維持和表達。再用這些轉(zhuǎn)基因細胞進行植物組織培養(yǎng)，就可以得到轉(zhuǎn)基因植物了。

＊目的基因?qū)雱游锛毎麜r，必須導(dǎo)入到受精卵里，使目的基因與受精卵染色體DNA整合，這樣細胞分裂時，該基因隨染色體的倍增而倍增，使每個細胞中都帶有目的基因，使性狀得以表達，并穩(wěn)定地遺傳給后代，這樣才能得到轉(zhuǎn)基因動物。第四十頁，共58頁。(四)目的基因的檢測與鑒定類型檢測內(nèi)容方法結(jié)果顯示分子檢測目的基因是否插入染色體DNA（真核生物

）是否轉(zhuǎn)錄出mRNA是否翻譯出蛋白質(zhì)提取轉(zhuǎn)基因生物的DNA，用標記的含目的基因的DNA片段作為探針，使探針與基因組DNA分子雜交雜交帶提取mRNA，用探針DNA與mRNA分子雜交提取蛋白質(zhì)，用相應(yīng)的抗體進行抗原-抗體雜交雜交帶雜交帶目的基因是否表達個體水平鑒定抗病抗蟲的接種實驗；基因工程產(chǎn)品與天然產(chǎn)品的功能進行活性比較有無抗性及抗性的程度；活性是否相同第四十一頁，共58頁。（2017高考課標Ⅰ）38、真核生物基因中通常有內(nèi)含子，而原核生物基因中沒有，原核生物沒有真核生物所具有的切除內(nèi)含子對應(yīng)的RNA序列的機制。已知在人體中基因A（有內(nèi)含子）可以表達出某種特定蛋白（簡稱蛋白A）?；卮鹣铝袉栴}：（4）若要檢測基因A是否翻譯出蛋白A，可用的檢測物質(zhì)是___________________（填“蛋白A的基因”或“蛋白A的抗體”）。（5）艾弗里等人的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗為證明DNA是遺傳物質(zhì)做出了重要貢獻，也可以說是基因工程的先導(dǎo)，如果說他們的工作為基因工程理論的建立提供了啟示，那么，這一啟示是_______________。DNA可以從一種生物個體轉(zhuǎn)移到另一種生物個體第四十二頁，共58頁。運用基因工程技術(shù)，不但可以培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗性好的農(nóng)作物及畜、禽新品種，還可以培養(yǎng)出具有特殊用途的動、植物?；蚬こ痰膽?yīng)用4第四十三頁，共58頁。植物基因工程碩果累累抗蟲轉(zhuǎn)基因植物抗蟲基因種類：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?？共∞D(zhuǎn)基因植物抗逆轉(zhuǎn)基因植物技術(shù)原理：從某些生物中分離出具有抗蟲、抗病、抗逆的基因，將其導(dǎo)入作物中，使其具有抗蟲、抗病、抗逆的特性。抗病基因種類:A抗病毒基因:病毒外殼蛋白基因、病毒的復(fù)制酶基因B抗真菌基因:幾丁質(zhì)酶基因和抗毒素合成基因抗逆基因種類:調(diào)節(jié)細胞滲透壓基因使作物抗堿、抗旱；魚的抗凍蛋白基因使作物耐寒；抗除草劑基因使作物抗除草劑.改良品質(zhì)的轉(zhuǎn)基因植物技術(shù)原理：從某些生物中分離出具有優(yōu)良品質(zhì)的基因，將其導(dǎo)入作物中，改良植物第四十四頁，共58頁?？瓜x害的玉米第四十五頁，共58頁。轉(zhuǎn)黃瓜抗青枯病基因的甜椒轉(zhuǎn)魚抗寒基因的番茄獲得高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和具有優(yōu)良品質(zhì)的農(nóng)作物和具有抗逆性的作物新品種。轉(zhuǎn)基因抗蟲棉、耐貯藏番茄、抗病毒甜椒及基因工程疫苗等已獲得生產(chǎn)應(yīng)用安全證書。

第四十六頁，共58頁。動物基因工程

①提高動物生長速度②改善畜產(chǎn)品品質(zhì)③用轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)藥物④用轉(zhuǎn)基因動物作器官移植的供體①生長速度加快的轉(zhuǎn)生長激素基因動物②乳汁中含乳糖較少的轉(zhuǎn)腸乳糖酶基因動物③藥用蛋白基因+乳腺蛋白基因的啟動子④將器官供體基因組導(dǎo)入某種調(diào)節(jié)因子，抑制抗原決定簇的表達，或除去抗原決定基因

第四十七頁，共58頁。生長快、耐不良環(huán)境、肉質(zhì)好的轉(zhuǎn)基因魚(中國)乳汁中含有人生長激素的轉(zhuǎn)基因牛(阿根廷)第四十八頁，共58頁。在傳統(tǒng)的藥品生產(chǎn)中，某些藥品如胰島素、干擾素直接從生物體的哪些結(jié)構(gòu)中提?。克幤分苯訌纳锏慕M織、細胞或血液中提取?；蚬こ膛c醫(yī)藥衛(wèi)生傳統(tǒng)生產(chǎn)方法的缺點由于受原料來源的限制，價格十分昂貴?？衫檬裁捶椒▉斫鉀Q上述問題？

利用基因工程方法制造“工程菌”，可高效率地生產(chǎn)出各種高質(zhì)量、低成本的藥品。第四十九頁，共58頁。轉(zhuǎn)基因動物的乳腺。就基因藥物而言，最理想的表達場所是哪里？將

基因與

等調(diào)控組件重組在一起，通過

等方法，導(dǎo)入哺乳動物的

中，將其送入母體，使其發(fā)育成轉(zhuǎn)基因動物。轉(zhuǎn)基因動物進入泌乳期后，可以通過分泌乳汁生產(chǎn)所需要的藥品，稱為乳腺生物反應(yīng)器或乳房生物反應(yīng)器。乳腺生物反應(yīng)器乳腺生物反應(yīng)器的優(yōu)點：①產(chǎn)量高；②質(zhì)量好；③成本低；④易提取。

藥物蛋白乳腺蛋白基因的啟動子顯微注射受精卵第五十頁，共58頁?；蛑委煾拍罨蛑委煵煌緩降谋容^類型過程體外基因治療體內(nèi)基因治療1.從病人體內(nèi)獲取某種細胞2.在體外完成基因轉(zhuǎn)移3.篩選成功轉(zhuǎn)基因、恢復(fù)健康的細胞擴增培養(yǎng)4.將健康細胞輸入患者體內(nèi)直接向人體內(nèi)的組織細胞中轉(zhuǎn)移基因的治療方法優(yōu)缺點操作復(fù)雜，效果可靠操作簡單，成功率較低現(xiàn)狀基因治療目前處于初期的臨床試驗階段基因治療是把正?；?qū)氩∪梭w內(nèi)，使該基因的表達產(chǎn)物發(fā)揮功能，從而達到治療疾病的目的，這是治療遺傳病最有效的手段。第五十一頁，共58頁。蛋白質(zhì)工程的崛起

5蛋白質(zhì)工程的概念

蛋白質(zhì)工程指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)