高中生物第1章基本工程第1節(jié)基因工程概述第1課時基因工程的發(fā)展歷程和工具學案蘇教版選修

第1課時基因工程的發(fā)展歷程和工具1．簡述基因工程的發(fā)展歷程。2．掌握限制性核酸內切酶和DNA連接酶的作用、特點。(重、難點)3．掌握質粒的含義、特性及其在基因工程中的作用。(重、難點)知識點一|基因工程的發(fā)展歷程和概念1．理論與技術基礎的發(fā)展1953年：沃森和克里克建立了DNA分子雙螺旋結構模型?！?957年：科恩伯格等首次發(fā)現(xiàn)DNA聚合酶?！?958年：梅塞爾森和斯塔爾發(fā)現(xiàn)DNA半保留復制的機理?？死锟颂岢鲋行姆▌t?！?961～1966年：尼倫伯格等破譯遺傳密碼?！?967年：羅思和赫林斯基發(fā)現(xiàn)運轉工具質粒。同年，科學家在大腸桿菌細胞中發(fā)現(xiàn)DNA連接酶?！?970年：特明和巴爾的摩各自在RNA病毒中發(fā)現(xiàn)逆轉錄酶。史密斯等人分離到限制性核酸內切酶?！?977年：桑格首次完整基因組的測序工作。2．重組DNA技術的發(fā)展(1)1972年科學家伯格等實驗。①過程：eq\b\lc\\rc\](\a\vs4\al\co1(猿猴病毒SV40的DNA,↑,同一種限制性核酸內切酶,↓,λ噬菌體的DNA))eq\o(→,\s\up10(DNA連接酶))eq\a\vs4\al(重組的雜種,DNA分子)②成就：世界上首次DNA分子體外重組。(2)1973年科學家科恩等實驗。eq\b\lc\\rc\](\a\vs4\al\co1(大腸桿菌質粒DNA（含卡那霉素抗性基因）,↑,同一種限制性核酸內切酶,↓,大腸桿菌質粒DNA（含四環(huán)素抗性基因）))eq\o(→,\s\up10(DNA連接酶))重組DNA分子eq\o(→,\s\up10(轉化))大腸桿菌→子代大腸桿菌(雙重抗性)(3)不同物種間DNA重組實驗。①過程：非洲爪蟾核糖體蛋白基因的DNA片段＋大腸桿菌質粒→重組DNA→轉入大腸桿菌→轉錄出相應mRNA。②成就：打破了傳統(tǒng)的種間遺傳物質不能交換的重重壁壘，開創(chuàng)了基因工程。3．基因工程的概念方法在體外通過人工“剪切”和“拼接”等方法原理對生物的基因進行改造和重新組合操作水平基因水平目的產生人類需要的基因產物eq\a\vs4\al([合作探討])使大米擁有某些細菌才具有的抗蟲基因能夠減少化學殺蟲劑的使用量，既高產又環(huán)保。請你結合以上內容探究下列問題。探討eq\a\vs4\al(1)：你知道擁有某些細菌抗蟲基因的大米是通過何種技術培育出來的嗎？提示：基因工程。探討eq\a\vs4\al(2)：通過分析基因工程的概念，討論基因工程的原理是什么？與有性雜交育種有何區(qū)別？提示：原理：基因重組。區(qū)別：打破物種限制，實現(xiàn)不同物種間的基因交流。探討eq\a\vs4\al(3)：將人的胰島素基因導入大腸桿菌體內，通過大腸桿菌能大量生產人胰島素。請分析人胰島素基因能在大腸桿菌體內表達的理論基礎是什么？提示：生物共用一套遺傳密碼。eq\a\vs4\al([思維升華])1．基因重組的三種主要類型(1)交叉互換：減數(shù)第一次分裂四分體時期，同源染色體上的非姐妹染色單體間的交叉互換。(2)自由組合：減數(shù)第一次分裂后期，非同源染色體上的非等位基因隨著非同源染色體的自由組合而組合。(3)基因工程：轉基因生物因外源基因導入而獲得的新性狀是可以遺傳的。2．基因工程的理論基礎(1)拼接的基礎：①基本組成單位相同：不同生物的DNA分子都是由脫氧核苷酸構成的。②空間結構相同：不同生物的DNA分子一般都是由兩條反向平行的脫氧核苷酸長鏈形成的規(guī)則的雙螺旋結構。③堿基配對方式相同：不同生物的DNA分子中兩條鏈之間的堿基配對方式均是A與T配對，G與C配對。(2)表達的基礎：生物界共用一套遺傳密碼，相同的遺傳信息在不同生物體內可表達出相同的蛋白質。1．干擾素是治療癌癥的重要藥物，它必須從血液中提取，每升人血中只能提取0.5μg，所以價格昂貴。美國加利福尼亞的某生物制品公司用如下方法生產干擾素。如圖所示，可以看出該公司生產干擾素運用的方法是()A．個體間的雜交 B．基因工程C．細胞融合 D．器官移植【解析】從圖中可以看出整個過程為將人的淋巴細胞中控制干擾素合成的基因與質粒結合后導入酵母菌，并從酵母菌產物中提取干擾素，這項技術為基因工程?！敬鸢浮緽2．下列對基因工程的理解，正確的是()①它是一種按照人們的意愿，定向改造生物遺傳特性的工程②可對基因隨意進行人為改造③是體外進行的人為的基因重組④在實驗室內，利用相關的酶和原料合成DNA⑤主要技術為體外DNA重組技術和轉基因技術⑥在DNA分子水平上進行操作⑦一旦成功，便可遺傳A．①②③④⑤⑥ B．①③④⑤⑥⑦C．①③⑤⑥⑦ D．①②③⑤⑥⑦【解析】基因工程可以對生物的基因進行改造和重新組合，然后導入受體細胞內進行無性繁殖，使重組基因在受體細胞內表達，產生出人類所需要的基因產物，而不是對基因進行人為改造?！敬鸢浮緾知識點二|基因工程的工具——酶與載體1．限制性核酸內切酶(也稱“限制酶”)(1)來源：主要來自于原核生物。(2)特點：具有專一性。①識別雙鏈DNA分子的某種特定的脫氧核苷酸序列。②切割特定脫氧核苷酸序列中的特定位點。(3)作用：斷開每一條鏈中特定部位的兩個脫氧核苷酸之間的磷酸二酯鍵。(4)結果：產生黏性末端或平口末端。2．DNA連接酶——“分子針線”(1)作用：將雙鏈DNA片段“縫合”，恢復被限制性核酸內切酶切開的兩個脫氧核苷酸之間的磷酸二酯鍵。(2)結果：形成重組DNA分子。3．載體——運載工具(1)功能：將外源基因導入受體細胞。(2)種類：質粒、λ噬菌體的衍生物以及一些動、植物病毒。(3)質粒①本質：來自細菌細胞中的一種很小的環(huán)狀DNA分子，是最早應用的載體。②組成：最簡單的質粒載體必須包括復制區(qū)、標記基因、目的基因插入位點。eq\a\vs4\al([合作探討])我國科學家已成功將與植物花青素代謝有關的基因導入花卉植物矮牽牛中，轉基因矮牽牛呈現(xiàn)出自然界沒有的顏色變異，大大提高了花卉的觀賞價值。請你依據(jù)以上材料探究下列問題：探討eq\a\vs4\al(1)：科學家進行轉基因技術操作時，需要用到哪些基本的工具？提示：限制性核酸內切酶、DNA連接酶和載體。探討eq\a\vs4\al(2)：結合DNA復制的過程分析，限制性核酸內切酶和DNA解旋酶的作用部位有何不同？提示：限制性核酸內切酶作用于磷酸和脫氧核糖之間的磷酸二酯鍵，DNA解旋酶作用于堿基對之間的氫鍵。探討eq\a\vs4\al(3)：下圖所示過程是哪類酶作用的結果？該酶識別的堿基序列及切點是什么？這體現(xiàn)了該類酶具有什么特性？提示：限制性核酸內切酶。識別的堿基序列為GAATTC，切點在G和A之間。特異性。探討eq\a\vs4\al(4)：質粒的化學本質是什么？來源于何類生物？提示：化學本質：環(huán)狀DNA分子。來源：細菌、酵母菌。eq\a\vs4\al([思維升華])1．限制性核酸內切酶與DNA連接酶的比較(1)區(qū)別：作用應用限制性核酸內切酶使特定部位的磷酸二酯鍵斷開用于提取目的基因和切割載體DNA連接酶在DNA片段之間重新形成磷酸二酯鍵用于基因表達載體的構建(2)兩者的關系可表示為：2．DNA連接酶與DNA聚合酶的比較項目DNA連接酶DNA聚合酶相同點催化兩個脫氧核苷酸之間形成磷酸二酯鍵不同點模板不需要模板需要DNA的一條鏈為模板作用對象游離的DNA片段單個的脫氧核苷酸作用結果形成完整的DNA分子形成DNA的一條鏈用途基因工程DNA復制[特別提醒](1)不同DNA分子用同一種限制性核酸內切酶切割形成的黏性末端都相同；同一個DNA分子用不同的限制性核酸內切酶切割，產生的黏性末端一般不相同。(2)DNA連接酶無識別的特異性，DNA連接酶對于黏性末端或平口末端都能催化其“縫合”，重新形成DNA分子。3．載體的作用、條件、種類及質粒的相關知識作用將外源基因送入受體細胞條件①能在宿主細胞內復制并穩(wěn)定地保存②具有多個限制性核酸內切酶切點③具有某些標記基因種類常用的載體有質粒、λ噬菌體、動植物病毒質粒①質粒是最早應用的載體②結構：細菌細胞中的很小的環(huán)狀DNA分子③特性：質粒的存在對宿主細胞無影響④重組質粒的形成：用同一種限制性核酸內切酶切割質粒和外源DNA分子，并通過DNA連接酶的連接，就能將質粒和外源DNA分子組成一個重組質粒(重組DNA分子)[特別提醒](1)一般來說，天然載體往往不能滿足人類的所有要求，因此人們常根據(jù)不同的目的和需要，對某些天然的載體進行人工改造。(2)常見的標記基因有抗生素抗性基因、產生特定顏色的表達產物基因、發(fā)光基因等。(3)注意與細胞膜上載體的區(qū)別，兩者的化學本質和作用都不相同。(4)質粒能自我復制，其復制場所既可是自身細胞、受體細胞內，也可以是體外。1．基因的運輸工具——載體，必須具備的條件之一及理由是()A．能夠在宿主細胞中穩(wěn)定地保存下來并大量復制，以便提供大量的目的基因B．具有多個限制酶切點，以便于目的基因的表達C．具有某些標記基因，以便為目的基因的表達提供條件D．能夠在宿主細胞中復制并穩(wěn)定保存，以便于進行篩選【解析】載體作為目的基因的運輸工具，能將目的基因導入受體細胞。作為載體必須具備三個條件：①能夠在宿主細胞中穩(wěn)定地保存，并能夠復制，以便提供大量的目的基因；②有一個至多個限制酶切割位點，便于與外源基因結合；③具有標記基因，便于進行檢測和篩選?！敬鸢浮緼2．目前基因工程所用的質粒載體主要是以天然細菌質粒的各種元件為基礎重新組建的人工質粒，pBR322質粒是較早構建的質粒載體，其主要結構如下圖所示。(1)構建人工質粒時要有抗性基因，以便于_________________。(2)pBR322質粒中有單個EcoRⅠ限制酶作用位點，EcoRⅠ只能識別序列—GAATTC—，并只能在G和A之間切割。若在某目的基因的兩側各有1個EcoRⅠ的切點，請畫出目的基因兩側被限制酶EcoRⅠ切割后所形成的黏性末端：__________________________。(3)pBR322質粒中另有單個的BamHⅠ限制酶作用位點，現(xiàn)將經BamHⅠ處理后的質粒與用另一種限制酶BglⅡ處理得到的目的基因，通過DNA連接酶作用恢復________鍵，成功獲得了重組質粒，說明__________________________。(4)為了檢測上述重組質粒是否導入原本無ampR和tetR的大腸桿菌，將大腸桿菌在含氨芐青霉素的培養(yǎng)基上培養(yǎng)，得到如圖二的菌落。再將滅菌絨布按到培養(yǎng)基上，使絨布面沾上菌落，然后將絨布按到含四環(huán)素的培養(yǎng)基上培養(yǎng)，得到如圖三的結果(空圈表示與圖二對照無菌落的位置)，與圖三空圈相對應的圖二中的菌落表現(xiàn)型是___________________________________，圖三結果顯示，多數(shù)大腸桿菌導入的是______________________________________?！窘馕觥?1)質粒作為基因表達載體的條件之一是要有抗性基因，以便于鑒別目的基因是否導入受體細胞或篩選導入目的基因的受體細胞。(2)同一限制酶切割DNA分子產生的黏性末端相同，根據(jù)題意可知：該目的基因兩側被限制酶EcoRⅠ切割后所形成的黏性末端為：目的基因—GAATTC—……—GAATTC——CTTAAG—……—CTTAAG—(3)DNA連接酶催化兩個DNA片段形成磷酸二酯鍵；而通過DNA連接酶作用能將兩個DNA分子片段連接，表明經兩種限制酶(BamHⅠ和BglⅡ)切割得到的DNA片段，其黏性末端相同。(4)由題意知：由于與圖三空圈相對應的大腸桿菌能在含氨芐青霉素的培養(yǎng)基上生長，而不能在含四環(huán)素的培養(yǎng)基上生長，故可推知與圖三空圈相對應的圖二中的菌落能抗氨芐青霉素，但不能抗四環(huán)素。由圖二、圖三結果顯示，多數(shù)大腸桿菌都能抗氨芐青霉素，而經限制酶BamHⅠ作用后，標記基因tetR被破壞，故導入目的基因的大腸桿菌不能抗四環(huán)素，即多數(shù)大腸桿菌導入的是pBR322質粒?！敬鸢浮?1)鑒別目的基因是否導入受體細胞或篩選導入目的基因的受體細胞(2)如下所示：目的基因—GAATTC—……—GAATTC——CTTAAG—……—CTTAAG—(3)磷酸二酯兩種限制酶(BamHⅠ和BglⅡ)切割得到的黏性末端相同(4)能抗氨芐青霉素，但不能抗四環(huán)素pBR322質粒[課堂小結]知識網(wǎng)絡構建核心語句歸納1.基因工程是在DNA分子水平上進行設計和施工的，又叫做DNA重組技術。2.基因工程的原理是基因重組，處理對象是DNA或基因。3.限制性核酸內切酶是能夠識別和切割DNA分子的酶，又叫限制酶。DNA連接酶能將被限制性核酸內切酶切開的磷酸二酯鍵重新形成。4.載體的作用是與含有外源基因(目的基因)的DNA片段結合，將外源基因送入受體細胞中。1．基因工程是一種新興生物技術，實施該工程的最終目的是()A．定向提取生物體DNA分子B．定向對DNA分子進行人工“剪切”C．在生物體外對DNA分子進行改造D．定向改造生物的遺傳性狀【解析】基因工程也稱DNA重組技術，它是按照人類的意愿，將某種基因有計劃地轉移到另一種生物中的新技術，故實施該工程的最終目的是定向改造生物的遺傳性狀?！敬鸢浮緿2．限制性內切酶的作用實際上就是把DNA上某些化學鍵打斷，一種能對GAATTC專一識別的限制酶，打斷的化學鍵是()A．G與A之間的鍵B．G與C之間的鍵C．A與T之間的鍵D．磷酸與脫氧核糖之間的鍵【解析】限制酶主要從原核生物中分離、純化出來，它能夠識別