人教版高中生物選擇性必修三第3章基因工程

第1節(jié)重組DNA技術(shù)的基本工具第3章基因工程番木瓜容易受番木瓜環(huán)斑病毒的侵襲。當番木瓜被這種病毒感染后，產(chǎn)量會大大下降?？茖W家通過精心設(shè)計，用“分子工具”培育出了轉(zhuǎn)基因番木瓜，它可以抵御番木瓜環(huán)斑病毒。

在培育轉(zhuǎn)基因番木瓜時，首先要在體外對含有所需要基因的DNA分子進行“切割”、改造和“拼接”；然后將重組DNA分子導入番木瓜體細胞內(nèi)，并使其在細胞中表達。非轉(zhuǎn)基因番木瓜轉(zhuǎn)基因番木瓜

實現(xiàn)這一精確的操作過程至少需要三種“分子工具”?！胺肿舆\輸車”“分子手術(shù)刀”“分子縫合針”

一、限制性內(nèi)切核酸酶——“分子手術(shù)刀”1．作用切割DNA分子。

2．來源主要從原核生物中分離純化。

/////////你能根據(jù)所掌握的知識，推測限制酶存在于原核生物中的主要作用是什么嗎？/////////

原核生物中的限制酶可以切割外源DNA，但對自身的DNA不起作用，起到保護自身的作用。？

3．作用特點能夠識別雙鏈DNA分子的特定核苷酸序列，并且使每一條鏈中特定部位的磷酸二酯鍵（如右圖）斷開。

大多數(shù)限制酶的識別序列由6個核苷酸組成，也有少數(shù)限制酶的識別序列由4個、8個或其他數(shù)量的核苷酸組成。TGAGTCATCA3'5'3'5'磷酸二酯鍵CGCCGGGCGGCCGCCG3'5'3'5'CCGGCGCGGTCATAAATTCG

一、限制性內(nèi)切核酸酶——“分子手術(shù)刀”4．作用結(jié)果DNA分子經(jīng)限制酶切割產(chǎn)生的DNA片段末端通常有兩種形式——黏性末端和平末端。EcoRⅠ：識別GAATTC序列，在G與A之間切割。SmaⅠ：識別CCCGGG序列，在G與C之間切割。AGATTCTCAGTA3'5'3'5'黏性末端黏性末端平末端平末端中軸線中軸線科學思維訓練1．想一想，為什么限制酶不切割細菌本身的DNA分子？

細菌中限制酶之所以不切割自身的DNA，是因為含有某種限制酶的細胞的DNA分子或者不具備這種限制酶的識別序列，或者通過甲基化酶將甲基轉(zhuǎn)移到了限制酶所識別序列的堿基上，使限制酶不能將其切開。2．有2個不同來源的DNA片段A和B，A片段用限制酶SpeⅠ進行切割，B片段分別用限制酶HindⅢ、XbaⅠ、EcoRⅤ和XhoⅠ進行切割。各限制酶的識別序列和切割位點如下。5′-ACTAGT-3′3′-TGATCA-5′SpeⅠ5′-AAGCTT-3′3′-TTCGAA-5′HindⅢ5′-TCTAGA-3′3′-AGATCT-5′XbaⅠ5′-GATATC-3′3′-CTATAG-5′EcoRⅤ5′-CTCGAG-3′3′-GAGCTC-5′XhoⅠ⑴哪種限制酶切割B片段產(chǎn)生的DNA片段能與限制酶SpeⅠ切割A(yù)片段產(chǎn)生的DNA片段相連接？為什么？

XbaⅠ。因為XbaⅠ與SpeⅠ切割產(chǎn)生了相同的黏性末端。⑵不同的限制酶切割可能產(chǎn)生相同的黏性末端，這在基因工程操作中有什么意義？

識別DNA分子中不同核苷酸序列，但能切割產(chǎn)生相同黏性末端的限制酶被稱為同尾酶。同尾酶使構(gòu)建載體時，切割位點的選擇范圍擴大。⑶將限制酶SpeⅠ和限制酶XbaⅠ切割產(chǎn)生相同的黏性末端，可以用DNA連接酶“縫合”嗎？若可以則重組DNA還可以用這兩種限制酶再切割嗎？

可以，只要兩個黏性末端互補配對DNA連接酶即可對其“縫合”；不能，不存在原來的識別序列了。

二、DNA連接酶——“分子縫合針”1．作用將DNA片段拼接成新的DNA分子。

2．種類

①E·coliDNA連接酶從大腸桿菌中分離得到，只能將具有互補黏性末端的DNA片段連接起來。

②T4DNA連接酶從T4噬菌體中分離出來，既可以“縫合”雙鏈DNA片段互補的黏性末端，又可以“縫合”雙鏈DNA片段的平末端，但連接平末端的效率相對較低。

注意：DNA連接酶連接的是2個DNA片段之間的磷酸二酯鍵。

/////////DNA連接酶與DNA聚合酶是一回事嗎？為什么？/////////

不是一回事。⑴DNA聚合酶只能催化單個核苷酸加到已有的核酸片段3'末端的羥基上，形成磷酸二酯鍵；而DNA連接酶是催化兩個DNA片段之間形成磷酸二酯鍵。⑵DNA聚合酶以一條DNA鏈為模板，催化形成與模板鏈互補的DNA鏈；而DNA連接酶催化具有互補黏性末端或平末端的DNA片段連接起來，它不需要模板。？

三、基因進入受體細胞的載體——“分子運輸車”

外源基因不能進入受體細胞并復(fù)制自己，需要外力的幫助。

1．載體的作用

⑴作為運載工具，將目的基因?qū)胧荏w細胞中。

⑵在受體細胞內(nèi)對目的基因進行大量復(fù)制。2．質(zhì)?！蚬こ讨凶畛Ｓ玫妮d體

是一種裸露的、結(jié)構(gòu)簡單、獨立于真核細胞細胞核或原核細胞擬核DNA之外，并具有自我復(fù)制能力的環(huán)狀雙鏈DNA分子。擬核DNA質(zhì)粒大腸桿菌質(zhì)粒

三、基因進入受體細胞的載體——“分子運輸車”

閱讀教材第72頁相關(guān)內(nèi)容，分析作為載體必須具備的條件。3．載體的要求

⑴能在受體細胞中穩(wěn)定保存并復(fù)制。即攜帶外源DNA片段進入受體細胞后，能在細胞中進行自我復(fù)制，或整合到受體DNA上，隨受體DNA同步復(fù)制。質(zhì)粒標記基因啟動子限制酶切割位點終止子復(fù)制原點

⑵具有一個至多個限制酶切割位點，供外源DNA（基因）插入。⑶具有標記基因。通常是一些抗生素的抗性基因，便于重組DNA分子的篩選。⑷對受體細胞無害，不影響受體細胞正常的生命活動。

三、基因進入受體細胞的載體——“分子運輸車”4．載體的種類

在基因工程中使用的載體除質(zhì)粒外，還有噬菌體、動植物病毒等。它們的來源不同，在大小、結(jié)構(gòu)、復(fù)制方式以及可以插入外源DNA片段的大小上也有很大差別。重組DNA分子

請在兩張紙上分別寫上下列兩段DNA序列：5′-ATAGCATGCTATCCATGAATTCGGCATAC-3′5′-TCCTAGAATTCTCGGTATGAATTCCATAC-3′3′-TATCGTACGATAGGTACTTAAGCCGTATG-5′3′-AGGATCTTAAGAGCCATACTTAAGGTATG-5′

請你用EcoRⅠ限制酶對上述兩DNA進行“切割”后。將右邊DNA鏈上切下的片段重組到左邊那條DNA鏈的切口處。思考·討論？5′-ATAGCATGCTATCCATG

AATTCGGCATAC-3′3′-TATCGTACGATAGGTACTTAA

GCCGTATG-5′AATTCATACCGAG

GTATGGCTCTTAA練一練1．利用某目的基因（圖甲）和P1噬菌體載體（圖乙）構(gòu)建重組DNA。限制性內(nèi)切核酸酶BglⅡ、EcoRⅠ和HindⅢ的切割位點分別如下圖所示（已知這三種限制酶切割產(chǎn)生的黏性末端不同）。下列分析錯誤的是（）A．構(gòu)建重組DNA時，可用BglⅡ和HindⅢ切割目的基因所在片段和P1噬菌體載體B．構(gòu)建重組DNA時，可用EcoRⅠ和HindⅢ切割目的基因所在片段和P1噬菌體載體C．圖乙中P1噬菌體載體只用EcoRⅠ切割后，含有兩個游離的磷酸基團D．用EcoRⅠ切割目的基因所在片段和P1噬菌體載體，兩用DNA連接酶連接，只能產(chǎn)生一種重組DNA目的基因BglⅡHindⅢEcoRⅠEcoRⅠ甲乙BglⅡHindⅢEcoRⅠD選擇限制酶的方法根據(jù)目的基因兩端的限制酶切割位點、質(zhì)粒上的限制酶切割位點以及是否破壞目的基因和標記基因來確定限制酶的種類。

⑴應(yīng)選擇切割位點位于目的基因兩端的限制酶，如圖甲可選擇PstⅠ；不能選擇切割位點位于目的基因內(nèi)部的限制酶，如圖甲不能選擇SmaⅠ。

⑵為避免目的基因及質(zhì)粒的自身環(huán)化、正向連接、反向連接，也可以使用不同的限制酶（非同尾酶）切割目的基因所在片段和質(zhì)粒（雙酶切），如圖甲可選擇用PstⅠ和EcoRⅠ兩種限制酶（但確保質(zhì)粒上也有這兩種酶的切割位點）?？共』颉黃maⅠ↑EcoRⅠPstⅠ↓PstⅠ↓SmaⅠ↓甲SmaⅠPstⅠEcoRⅠ標記基因乙學習方法總結(jié)選擇限制酶的方法根據(jù)目的基因兩端的限制酶切割位點、質(zhì)粒上的限制酶切割位點以及是否破壞目的基因和標記基因來確定限制酶的種類。

⑶切割質(zhì)粒時通常選擇與切割含目的基因的DNA片段相同的限制酶，以確保二者具有相同的末端。

⑷切割質(zhì)粒的限制酶不能同時切開質(zhì)粒上的所有標記基因，即至少要保留一個標記基因，以便用于重組DNA的鑒定和選擇，如圖乙中的質(zhì)粒不能使用SmaⅠ切割?？共』颉黃maⅠ↑EcoRⅠPstⅠ↓PstⅠ↓SmaⅠ↓甲SmaⅠPstⅠEcoRⅠ標記基因乙學習方法總結(jié)探究·實踐DNA的粗提取與鑒定一、實驗思路

DNA、RNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等在物理和化學性質(zhì)方面存在差異，可以利用這些差異，選用適當?shù)奈锢砘蚧瘜W方法對它們進行提取。二、實驗原理

⑴初步分離DNA和蛋白質(zhì)：DNA不溶于酒精，但某些蛋白質(zhì)溶于酒精。

⑵溶解DNA：DNA能溶于2mol/L的NaCl溶液。

⑶鑒定DNA：在一定溫度下，DNA遇二苯胺試劑會呈現(xiàn)藍色。三、目的要求

⑴了解DNA的物理和化學性質(zhì)，理解DNA粗提取和鑒定的原理。

⑵學會DNA粗提取的方法以及用二苯胺試劑對DNA進行鑒定。探究·實踐DNA的粗提取與鑒定四、方法步驟

⑴DNA粗提取研磨稱取約5g菜花切碎，放入研缽中，倒入10mL研磨液，充分研磨。分離將研磨液過濾后在4℃冰箱中放置幾分鐘或1500r/min離心5min后取上清液。提純在上清液中加入體積相等的、預(yù)冷的95%酒精溶液，靜置2~3min，溶液中出現(xiàn)的白色絲狀物就是粗提取的DNA。析出DNA時為什么必須用預(yù)冷的酒精？

預(yù)冷的酒精具有以下優(yōu)點：

⑴可抑制核酸水解酶的活性，進而抑制DNA降解。

⑵抑制分子運動，使DNA易形成沉淀析出。

⑶低溫有利于增加DNA分子的柔韌性，減少其斷裂。探究·實踐DNA的粗提取與鑒定四、方法步驟

⑵DNA鑒定

取兩支20mL試管，各加入2mol/L的NaCl溶液5mL。將絲狀物或沉淀物溶于其中一支試管的NaCl溶液中。然后，向兩支試管中各加入4mL的二苯胺試劑。混合均勻后，將試管置于沸水中加熱5min。待試管冷卻后，比較兩支試管中溶液顏色的變化。鑒定DNA鑒定結(jié)果第2節(jié)基因工程的基本操作程序第3章基因工程抗蟲棉

1997年，我國政府首次批準商業(yè)化種植轉(zhuǎn)基因抗蟲棉。到2015年，我國已育成轉(zhuǎn)基因抗蟲棉新品種有100多個，減少農(nóng)藥用量40萬噸，增收節(jié)支社會經(jīng)濟效益450億元。從社會中來轉(zhuǎn)基因抗蟲棉（使棉鈴蟲死亡，左）與非轉(zhuǎn)基因抗蟲棉（右）

培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉主要需要四個步驟：目的基因的篩選與獲取、基因表達載體的構(gòu)建、將目的基因?qū)胧荏w細胞、目的基因的檢測與鑒定。

第一步：目的基因的篩選與獲取1．目的基因概念在基因工程的設(shè)計和操作中，用于改變受體細胞性狀或獲得預(yù)期表達產(chǎn)物等的基因。根據(jù)不同的需要，目的基因是不同的，它主要是指編碼蛋白質(zhì)的基因，如與生物抗逆性、生產(chǎn)藥物、毒物降解、工業(yè)用酶等相關(guān)的基因。Bt抗蟲蛋白毒性機理Bt基因是培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉較為合適的目的基因掌握了Bt基因的序列信息對Bt基因的表達產(chǎn)物——Bt抗蟲蛋白有了較為深入的了解蘇云金桿菌的殺蟲作用與Bt基因有關(guān)用蘇云金桿菌制成的生物殺蟲劑廣泛用于防治棉花害蟲已有多年歷史

第一步：目的基因的篩選與獲取2．篩選合適的目的基因

從相關(guān)的已知結(jié)構(gòu)和功能清晰的基因中進行篩選是較為有效的方法之一。隨著測序技術(shù)的發(fā)展，以及序列數(shù)據(jù)庫（如GenBank）、序列比對工具（如BLAST）等的應(yīng)用，越來越多的基因的結(jié)構(gòu)和功能為人們所知，這也為科學家找到合適的目的基因提供了更多的機會和可能。

思考：科學家為什么篩選Bt基因作為轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的目的基因？

第一步：目的基因的篩選與獲取3．利用PCR獲取和擴增目的基因

⑴PCR概念即聚合酶鏈式反應(yīng)，它是一項根據(jù)DNA半保留復(fù)制的原理，在體外提供參與DNA復(fù)制的各種組分與反應(yīng)條件，對目的基因的核苷酸序列進行大量復(fù)制的技術(shù)。

⑵

PCR反應(yīng)條件

①反應(yīng)環(huán)境：緩沖溶液，提供合適的酸堿度和某些離子（如Mg2+）。

②DNA母鏈：含目的基因，提供DNA復(fù)制的模板。

③引物：2種，使DNA聚合酶能夠從引物的3′端開始連接脫氧核苷酸，是一小段能與DNA母鏈的一段堿基序列互補配對的短單鏈核酸。

④原料：四種脫氧核苷酸。⑤酶：耐高溫的DNA聚合酶，如Taq酶。注：PCR中解旋用高溫代替。激活真核細胞和細菌的DNA聚合酶單鏈DNA或單鏈RNA

第一步：目的基因的篩選與獲取3．利用PCR獲取和擴增目的基因

⑶PCR獲取和擴增目的基因的過程

PCR每次循環(huán)一般可以分為變性、復(fù)性和延伸三步：變性（90℃以上）使DNA雙鏈解旋

↓冷卻復(fù)性（50℃左右）引物與模板鏈結(jié)合

↓加熱延伸（72℃左右）DNA新鏈由5′端向3′端延伸

上述過程可以在PCR擴增儀（PCR儀）中自動完成。

⑷目的基因的鑒定

常采用瓊脂糖凝膠電泳來鑒定PCR的產(chǎn)物。

第一步：目的基因的篩選與獲取

/////////用PCR可以擴增mRNA嗎？/////////

mRNA不可以直接擴增，需要將它逆轉(zhuǎn)錄成cDNA再進行擴增。由mRNA逆轉(zhuǎn)錄形成cDNA的過程是：第一步，逆轉(zhuǎn)錄酶以RNA為模板合成一條與RNA互補的DNA鏈，形成RNA-DNA雜交分子；第二步，核酸酶H降解RNA-DNA雜交分子中的RNA鏈，使之變成單鏈DNA；第三步，以單鏈DNA為模板，在DNA聚合酶的作用下合成另一條互補的DNA鏈，形成雙鏈DNA分子，如下圖所示。單鏈RNA雜交雙鏈單鏈DNA雙鏈DNA逆轉(zhuǎn)錄酶核酸酶H(RNaseH)DNA聚合酶RNA鏈DNA鏈？

第二步：基因表達載體的構(gòu)建1．構(gòu)建基因表達載體的目的

讓基因在受體細胞中穩(wěn)定存在，并且遺傳給下一代；同時使目的基因能夠表達和發(fā)揮作用。

2．基因表達載體的組成重組DNA分子目的基因標記基因終止子復(fù)制原點是一段有特殊序列結(jié)構(gòu)的DNA片段，位于基因上游，緊挨轉(zhuǎn)錄的起始位點，是RNA聚合酶識別和結(jié)合的部位。啟動子也是一段有特殊序列結(jié)構(gòu)的DNA片段，位于基因下游，使轉(zhuǎn)錄在所需要的地方停下來。

第二步：基因表達載體的構(gòu)建3．基因表達載體的構(gòu)建首先用一定的限制酶切割載體，使它出現(xiàn)一個切口；然后用同種限制酶或能產(chǎn)生相同末端的限制酶切割含有目的基因的DNA片段；再利用DNA連接酶將目的基因片段拼接到載體的切口處，這樣就形成了一個重組DNA分子。

第三步：將目的基因?qū)胧荏w細胞

構(gòu)建好的基因表達載體需要通過一定的方式才能進入受體細胞。

1．花粉管通道法——我國科學家獨創(chuàng)

方法一：用微量注射器將含目的基因的DNA溶液直接注入子房中。

方法二：也可以在植物受粉后的一定時間內(nèi)，剪去柱頭，將DNA溶液滴加在花柱切面上，使目的基因借助花粉管通道進入胚囊。

第三步：將目的基因?qū)胧荏w細胞2．農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法

⑴轉(zhuǎn)化的概念指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)定和表達的過程。

⑵適用的生物主要是雙子葉植物和裸子植物。

⑶原理農(nóng)桿菌細胞內(nèi)含有Ti質(zhì)粒，當它侵染植物細胞后，能將Ti質(zhì)粒上的T-DNA轉(zhuǎn)移到被侵染的細胞，并且將其整合到該細胞的染色體DNA上。根據(jù)農(nóng)桿菌的這種特點，如果將目的基因插入Ti質(zhì)粒的T-DNA中，通過農(nóng)桿菌的轉(zhuǎn)化作用，就可以使目的基因進入植物細胞。

第四步：目的基因的檢測與鑒定

目的基因進入受體細胞，是否穩(wěn)定維持和表達其遺傳特性，只有通過檢測與鑒定才能知道。

1．分子水平的檢測

⑴利用PCR等技術(shù)檢測轉(zhuǎn)基因生物的DNA中是否插入了目的基因。

⑵利用PCR等技術(shù)檢測轉(zhuǎn)基因生物的DNA中的目的基因是否轉(zhuǎn)錄出了mRNA。

⑶利用抗原－抗體雜交技術(shù)檢測目的基因是否翻譯出了蛋白質(zhì)。

2．個體生物學水平的鑒定

對轉(zhuǎn)基因生物進行抗性接種實驗，檢測其是否具有抗性及抗性程度；或比較基因工程產(chǎn)品與天然產(chǎn)品的功能活性是否相同。小結(jié)：基因工程的基本操作流程圖獲取質(zhì)粒、噬菌體等載體篩選和獲取目的基因用限制酶切割載體和含有目的基因的DNA片段，然后用DNA連接酶連接，構(gòu)建基因表達載體將含有目的基因的表達載體導入受體細胞檢測和鑒定目的基因是否穩(wěn)定維持和表達其遺傳特性核心閱讀教材P77、P82頁相關(guān)內(nèi)容，分析基因工程基本操作中獲取目的基因的方法、將目的基因?qū)胧荏w細胞的方法。

1．獲取目的基因的方法

⑴利用DNA合成儀人工合成目的基因的方法適合長度較小的基因。

⑵利用PCR獲取和擴增目的基因的方法，既可以擴增已得到的基因或DNA片段，也可以用來擴增很長的DNA分子中的目的基因。用該方法的前提是“要有一段已知目的基因的核苷酸序列”，即要知道目的基因邊界的堿基序列作為引物。

⑶通過構(gòu)建基因文庫來獲取目的基因，基因文庫包括基因組文庫（包含了一種生物的所有基因）和cDNA文庫（包含了一種生物的部分基因，其基因是通過“反轉(zhuǎn)錄法”獲得的）?？茖W思維訓練科學思維訓練閱讀教材P77、P82頁相關(guān)內(nèi)容，分析基因工程基本操作中獲取目的基因的方法、將目的基因?qū)胧荏w細胞的方法。

2．將目的基因?qū)胧荏w細胞的方法

⑴受體細胞為植物細胞

花粉管通道法；農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法。

⑵受體細胞為動物細胞

將目的基因?qū)雱游锸芫炎畛Ｓ玫囊环N方法是利用顯微注射將目的基因注入動物的受精卵中。

⑶受體細胞為原核生物

如以大腸桿菌為受體細胞，先用Ca2+處理，使其處于一種能吸收周圍環(huán)境中DNA分子的生理狀態(tài)，然后再將重組的基因表達載體導入其中。拓展應(yīng)用

八氫番茄紅素合酶（其基因用psy表示）和胡蘿卜脫飽和酶（其基因用crtⅠ表示）參與β-胡蘿卜素的合成。pmi為磷酸甘露醇異構(gòu)酶基因，它編碼的蛋白質(zhì)可使細胞在特殊培養(yǎng)基上生長。科學家將psy和crtⅠ基因轉(zhuǎn)入水稻，使水稻胚乳中富含β-胡蘿卜素，由此生產(chǎn)出的大米稱為“黃金大米”。請根據(jù)以上信息回答下列問題。

⑴科學家在培育“黃金大米”時，將crtⅠ和psy基因?qū)牒琾mi基因的質(zhì)粒中，構(gòu)建了質(zhì)粒pSYN12424。該項研究的目的基因是______________，標記基因是_________,質(zhì)粒pSYN12424的作用crtⅠ和psy基因pmi基因是_______________________。將目的基因?qū)胧荏w細胞拓展應(yīng)用

八氫番茄紅素合酶（其基因用psy表示）和胡蘿卜脫飽和酶（其基因用crtⅠ表示）參與β-胡蘿卜素的合成。pmi為磷酸甘露醇異構(gòu)酶基因，它編碼的蛋白質(zhì)可使細胞在特殊培養(yǎng)基上生長?？茖W家將psy和crtⅠ基因轉(zhuǎn)入水稻，使水稻胚乳中富含β-胡蘿卜素，由此生產(chǎn)出的大米稱為“黃金大米”。請根據(jù)以上信息回答下列問題。⑵在構(gòu)建質(zhì)粒載體時，目的基因序列中能否含有用到的限制酶的識別序列？為什么？不能。如果目的基因序列中含有限制酶的識別序列，則限制酶可能會將目的基因破壞。第3節(jié)基因工程的應(yīng)用第3章基因工程胰島素的生產(chǎn)

胰島素是治療糖尿病的特效藥物。傳統(tǒng)生產(chǎn)胰島素的方法是從豬、牛等動物的胰腺中提取，生產(chǎn)的成本非常高。1978年，科學家將編碼人胰島素的基因?qū)氪竽c桿菌細胞中，使大腸桿菌表達重組人胰島素。我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的基因工程藥物——重組人胰島素已經(jīng)研制成功并得到廣泛應(yīng)用。從社會中來思考1大腸桿菌作為基因工程中的受體細胞有什么優(yōu)點？

提示：繁殖快；為單細胞生物；遺傳物質(zhì)相對較少。重組人胰島素注射液基因工程自20世紀70年代興起后，得到了飛速的發(fā)展，在農(nóng)牧業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生和食品工業(yè)等方面，展示出廣闊的前景。思考2大腸桿菌生產(chǎn)的人胰島素與人體細胞產(chǎn)生的胰島素結(jié)構(gòu)相同嗎？

提示：不相同，胰島素是分泌蛋白，人體細胞產(chǎn)生的胰島素會經(jīng)過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體的加工，大腸桿菌是原核生物，無內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體，故無法對胰島素進行進一步加工。

一、基因工程在農(nóng)牧業(yè)方面的應(yīng)用

1．轉(zhuǎn)基因抗蟲植物從某些生物中分離出具有抗蟲功能的基因，將它導入作物中培育出具有抗蟲性的作物，是目前防治作物蟲害的一種發(fā)展趨勢。轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻（綠色植物）與對照（被害蟲侵害的黃色植株轉(zhuǎn)基因抗病毒甜椒

2．轉(zhuǎn)基因抗病植物將來源于某些病毒、真菌等的抗病基因?qū)胫参镏?，培育出用常?guī)育種方法很難培育出抗病的新品種。

一、基因工程在農(nóng)牧業(yè)方面的應(yīng)用

3．轉(zhuǎn)基因抗除草劑植物將降解或抵抗某種除草劑的基因?qū)胫参镏校趪姙⒊輨r，田間雜草會被殺死而作物不會受到損傷。施用除草劑后的轉(zhuǎn)基因抗除草劑玉米田

4．改良植物的品質(zhì)將某種必需氨基酸含量多的蛋白質(zhì)編碼基因或與植物花青素代謝相關(guān)的基因?qū)胫参镏?。轉(zhuǎn)基因矮牽牛思考3利用基因工程培育植物新品種有何優(yōu)越性？

（1）化學殺蟲劑施用量減少，降低了生產(chǎn)成本，減少了環(huán)境污染，降低了對人體健康的危害。（2）作物產(chǎn)量增加，提高植物的營養(yǎng)價值。（3）打破了常規(guī)育種中難以突破的種間界限，實現(xiàn)了原核生物與植物、不同植物之間、動物與植物之間的基因交流，從而大幅度地改良植物的遺傳特性。

一、基因工程在農(nóng)牧業(yè)方面的應(yīng)用

5．提高動物的生長速率由于外源生長激素基因的表達可以使轉(zhuǎn)基因動物生長得更快，將這類基因?qū)雱游矬w內(nèi)，以提高動物的生長速率。

6．改良畜產(chǎn)品的品質(zhì)將腸乳糖酶基因?qū)肽膛；蚪M，使獲得的轉(zhuǎn)基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大降低，而其他營養(yǎng)成分不受影響。轉(zhuǎn)基因矮牽牛轉(zhuǎn)生長激素基因的鯉魚（下）與非轉(zhuǎn)基因鯉魚（上）轉(zhuǎn)腸乳糖酶基因的奶牛

二、基因工程在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用

對微生物或動植物的細胞進行基因改造，使它們能夠生產(chǎn)藥物，這些藥物包括細胞因子、抗體、疫苗和激素等。

1．利用基因工程技術(shù)讓微生物批量生產(chǎn)藥物

干擾素是一種具有干擾病毒復(fù)制作用的糖蛋白，在臨床上被廣泛用于治療病毒感染性疾病。此外，干擾素對治療乳腺癌、淋巴癌、多發(fā)骨髓瘤和某些白血病等也有一定的療效。

我國科學家對大腸桿菌或酵母菌進行基因改造，生產(chǎn)重組人干擾素α-1b，它是我國批準生產(chǎn)的第一個基因工程藥物，目前主要用于治療慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎等。中國干擾素之父——侯云德院士

二、基因工程在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用2．利用基因工程技術(shù)讓哺乳動物批量生產(chǎn)藥物

將藥用蛋白基因與乳腺中特異表達的基因的啟動子等調(diào)控元件重組在一起，通過顯微注射的方法導入哺乳動物的受精卵中，由這個受精卵發(fā)育成的轉(zhuǎn)基因動物在進入泌乳期后，可以通過分泌乳汁來生產(chǎn)所需要的藥物，這稱為乳腺生物反應(yīng)器或乳房生物反應(yīng)器。注意：（1）并非所有個體都可以作為乳腺生物反應(yīng)器，應(yīng)選擇雌性個體，個體本身的繁殖速率、泌乳量、蛋白含量等都是應(yīng)該考慮的因素。（2）基因表達載體導入的是受精卵，而不是乳腺上皮細胞，這樣由受精卵發(fā)育成的個體的體細胞中均含有目的基因，但因為目的基因與乳腺中特異表達的基因的啟動子等調(diào)控元件重組在一起，所以目的基因只在乳腺細胞中表達。質(zhì)疑：目的基因與膀胱中特異表達的基因的啟動子等調(diào)控元件重組在一起又會如何？膀胱生物反應(yīng)器，目的基因更容易表達，且不受性別影響。練一練1．繼哺乳動物乳腺生物反應(yīng)器研究成功后，膀胱生物反應(yīng)器研究也取得了一定進展。最近，科學家培育出一種轉(zhuǎn)基因小鼠，其膀胱上皮細胞可以合成人的生長激素并分泌到尿液中。請回答下列問題。（1）將人的生長激素基因?qū)胄∈笫荏w細胞，常用方法是___________。（2）進行基因轉(zhuǎn)移時，通常要將外源基因轉(zhuǎn)入___________中，原因是___________________。（3）通常采用______等技術(shù)檢測外源基因是否插入了小鼠的染色體DNA上。（4）在研制膀胱生物反應(yīng)器時，應(yīng)使外源基因在小鼠的_________細胞中特異表達。（5）若使外源基因在乳腺細胞中表達，在構(gòu)建基因表達載體時，還需加入______________等調(diào)控元件。啟動子的作用是_____________________。顯微注射法受精卵受精卵全能性高PCR膀胱上皮乳腺中特異表達的基因的啟動子作為RNA聚合酶識別和結(jié)合的部位，驅(qū)動基因轉(zhuǎn)錄

前景：還可能利用基因工程培育無免疫排斥反應(yīng)的動物器官，用于人類器官移植。

三、基因工程在食品工業(yè)方面的應(yīng)用

利用基因工程菌生產(chǎn)食品工業(yè)用酶、氨基酸和維生素等。

科學家將編碼牛凝乳酶的基因?qū)氪竽c桿菌、黑曲霉或酵母菌的基因組中，再通過工業(yè)發(fā)酵批量生產(chǎn)凝乳酶。

相比從天然產(chǎn)物中提取的酶，用基因工程技術(shù)獲得的工業(yè)用酶的純度更高，而且它的生產(chǎn)成本顯著降低，生產(chǎn)效率較高。

小結(jié)：基因工程使人們更容易培育出具有優(yōu)良性狀的動植物品種，獲得很多過去難以得到的生物制品，甚至還能培育出可以降解多種污染物的“超級細菌”來處理環(huán)境污染，利用經(jīng)過基因改造的微生物來生產(chǎn)能源等。練一練2．下列有關(guān)轉(zhuǎn)基因植物的說法，不正確的是（）A．科學家可以利用一些調(diào)節(jié)細胞滲透壓的基因，來提高農(nóng)作物的抗鹽堿和抗旱的能力B．因為轉(zhuǎn)基因抗蟲棉可以抵抗一切危害棉花植株的害蟲，所以轉(zhuǎn)基因抗蟲棉已經(jīng)推廣應(yīng)用C．科學家往往將必需氨基酸含量多的蛋白質(zhì)編碼基因?qū)胫参镏校蕴岣咿r(nóng)作物的營養(yǎng)價值D．利用基因工程技術(shù)可以改良農(nóng)作物的品質(zhì)B練一練3．蜘蛛絲（絲蛋白）被稱為“生物鋼”，有著超強的抗張強度，可以制成防彈背心、降落傘繩等。蜘蛛絲還可被制成人造韌帶等。科學家研究出集中生產(chǎn)蜘蛛絲的方法——培育轉(zhuǎn)基因蜘蛛羊作為乳腺生物反應(yīng)器。下列有關(guān)乳腺生物反應(yīng)器的說法，錯誤是的（）A．將蜘蛛絲蛋白基因與乳腺中特異表達的基因啟動子等結(jié)合在一起構(gòu)建表達載體B．將含有蜘蛛絲蛋白基因的表達載體導入動物乳腺細胞中即可獲得乳腺生物反應(yīng)器C．與乳腺生物反應(yīng)器相比，膀胱生物反應(yīng)器不受性別等條件的限制，受體來源更廣泛D．轉(zhuǎn)基因動物產(chǎn)生的生殖細胞中可能含有藥用蛋白基因B練一練4．下列有關(guān)動物基因工程的說法，錯誤的是（）A．將外源生長激素基因?qū)雱游矬w內(nèi)并使其表達，可提高動物生長速度B．將腸乳糖酶基因?qū)肽膛；蚪M中，其表達產(chǎn)物能使獲得的轉(zhuǎn)基因牛分泌的乳汁中乳糖含量大大降低C．利用基因工程技術(shù)，得到的乳腺生物反應(yīng)器可以解決很多重要的藥品的生產(chǎn)的問題D．用轉(zhuǎn)基因動物作為器官移植的供體時，因為導入的是調(diào)節(jié)因子，而不是目的基因，所以無法抑制抗原的合成D第4節(jié)蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用第3章基因工程從社會中來發(fā)熒光的細菌

右圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細菌“畫”的美妙圖案。這些細菌能夠發(fā)出熒光，是因為它們的體內(nèi)導入了熒光蛋白的基因。

最早被發(fā)現(xiàn)的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學家通過改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細胞內(nèi)生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。對蛋白質(zhì)分子的設(shè)計和改造是通過蛋白質(zhì)工程來實現(xiàn)的。

蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過改造或合成基因，來改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求。屬第二代基因工程，已成為研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的重要手段，并將廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)和其他工業(yè)生產(chǎn)中。

一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1．基因工程的實質(zhì)將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進而表現(xiàn)出新的性狀。

2．基因工程的不足原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)。

3．蛋白質(zhì)工程崛起的緣由

天然蛋白質(zhì)是生物在長期進化過程中形成的，它們的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。

////////////你知道人類蛋白質(zhì)組計劃嗎？它與蛋白質(zhì)工程有什么關(guān)系？我國科學家承擔了什么任務(wù)？////////////？

二、蛋白質(zhì)工程基本原理1．蛋白質(zhì)工程的目標

根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計改造。

2．蛋白質(zhì)工程的實質(zhì)

通過改造或合成基因，定向改造或生產(chǎn)人類所需蛋白質(zhì)。

3．蛋白質(zhì)工程的常用技術(shù)

計算機技術(shù)、晶體學技術(shù)、基因的定點突變技術(shù)等。

4．蛋白質(zhì)工程的基本思路

從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到并改變相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)。

二、蛋白質(zhì)工程基本原理蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用

某多肽鏈的一段氨基酸序列是：……－丙氨酸－色氨酸－賴氨酸－谷氨酸－苯丙氨酸－……討論1：怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請把相應(yīng)的堿基序列寫出來。思考·討論？首先根據(jù)密碼子推出mRNA序列：…GCU(C/A/G)-UGG-AAA(G)-GAA(G)-UUU(C)…可以排列出32種。再根據(jù)堿基互補配對原則推出脫氧核苷酸序列：…CGA(G/T/C)-ACC-TTT(C)-CTT(C)-AAA(G)…討論2：確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因？

確定目的基因的序列后，可以人工合成目的基因或從基因文庫中獲取目的基因。對基因的改造經(jīng)常會用到基因定點突變技術(shù)來進行堿基的替換、增添等。

三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用

1．在醫(yī)藥工業(yè)方面

⑴研發(fā)速效胰島素類似物⑵干