基因工程简介

基因工程简介生物之所以体现出各种形态是基因表达的结果，各种生物间的性状千差万别这是为什么呢？问题：例：1．青霉菌能产生对人类有用的抗生素——青霉素。2．豆科植物的根瘤菌能够固定空气中的氮气。3．人的胰岛B细胞能分泌胰岛素调节血糖的浓度。小结：这些性状都是基因特异性表达的结果人类能不能改造基因呢？能不能使本身没有某个性状的生物具有某个特定性状呢？问题：标准概念：在生物体外，通过对DNA分子进行人工“切割”和“拼接”，对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生出人类所需要的基因产物。一、基因工程的概念通俗概念：按照人们的意愿，把一种生物的个别基因复制出来加以修饰改造，然后放到另一种生物的细胞里，定向地改造生物的遗传性状。基因工程的别名操作环境操作对象操作水平基本过程结果剪切→拼接→导入→表达人类需要的基因产物DNA分子水平基因生物体外基因拼接技术或DNA重组技术通过对基因工程概念的理解，我们知道其操作水平是在DNA分子水平，用普通的操作工具能够在如此微观的条件下操作吗？问题：二、基因操作的工具例：抗虫棉的培育是从苏云金芽孢杆菌中提取抗虫基因，并使其与运载体结合，放入棉细胞中的DNA结合起来，在棉细胞中发挥作用。问：在以上的基因工程中培育抗虫棉的过程中，关键步骤和难点是什么？关键步骤一：抗虫基因从苏云金芽孢杆菌细胞内提取关键步骤二：抗虫基因与运载体DNA连接关键步骤三：抗虫基因进入棉细胞。关键步骤一的工具：基因的剪刀——限制性内切酶关键步骤二的工具：基因的针线——DNA连接酶。关键步骤三的工具：基因的运输工具——运载体。㈠基因操作的工具1.限制性内切酶（限制酶）一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切割点上将DNA分子切断。２、基因的针线──DNA连接酶连接酶的作用是：将互补配对的两个黏性末端连接起来，使之成为一个完整的DNA分子。3、基因的运输工具——运载体①能与目的基因结合；②能进入受体生物细胞并在受体生物细胞内复制并表达；③比较容易得到；④具有多个限制酶切点；⑤具有某些标记基因①鸟枪法②分子杂交法③逆转录法④人工合成法基因工程基本步骤1.获取目的基因2.目的基因与运载体结合3.目的基因的导入4.目的基因的检测和表达㈠基因操作的工具1.基因的剪刀──限制性内切酶（限制酶）一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切割点上将DNA分子切断。目前已发现的限制酶有200多种。重播DNA被限制酶切断后有两个反向互补的“黏性末端”。被同一种限制切断的几个DNA具有相同的黏性末端，能够通过互补进行配对。（1）基因的剪刀——限制性内切酶（简称限制酶）①分布：②作用特点：③结果：主要在微生物中。特异性，即识别特定核苷酸序列，切割特定切点。产生黏性未端（碱基互补配对）。④举例：大肠杆菌的一种限制酶能识别GAATTC序列，并在G和A之间切开。思考题：要想获得某个特定性状的基因必须要用限制酶切几个切口？可产生几个黏性未端？２、基因的针线──DNA连接酶连接酶的作用是：将互补配对的两个黏性末端连接起来，使之成为一个完整的DNA分子。重播（2）基因的针线——DNA连接酶（图示）①连接的部位：②结果：磷酸二酯键（梯子的扶手），不是氢键（梯子的踏板）。两个相同的黏性未端的连接。思考题：用DNA连接酶连接两个相同的黏性未端要连接几个磷酸二酯键？（3）基因的运输工具——运载体（图示）①作用：②具备的条件：③种类：④质粒的特点：将外源基因送入受体细胞。能在宿主细胞内复制并稳定地保存。具有多个限制酶切点。具有某些标记基因。质粒、噬菌体和动植物病毒。存在于许多细菌及酵母菌等生物中。质粒的存在对宿主细胞无影响。质粒的复制只能在宿主细胞内完成。细胞染色体外能自主主复制的小型环状DNA分子。思考题：1、质粒上会存在某些标记基因，这些标记基因有什么用途？3、基因的运输工具——运载体巩固练习：1、作为基因的运输工具——运载体，必须具备的条件之一及理由是（）A、具有多个限制酶切点，以便于目的基因的表达B、能够在宿主细胞中稳定地保存下来并大量复制，以便提供大量的目的基因C、具有某些标记基因，以便为目的基因的表达提供条件D、能够在宿主细胞中复制并稳定保存，以便于进行筛选2、DNA连接酶的功能是（）A、子链与母链间形成氢键B、粘性末端之间形成氢键C、两DNA末端间的缝隙连接D、A、B、C都对3、在基因工程中所先用的质粒，错误的是（）A、不能没有标记基因B、是小型链状DNA分子C、能够自我复制D、可与目的基因重组BCB•第一步：获取目的基因：•基因的直接分离或人工合成。即获取含有所需要的完整的遗传信息的DNA片段。•①鸟枪法•②分子杂交法•③逆转录法•④人工合成法目的基因获取方法基因工程基本步骤用限制酶切断成许多片段⑴直接分离基因——鸟枪法将供体生物的DNA用限制酶切割为许多片段，再用运载体将这些片段都运载到受体生物的不同细胞中去。只要有一个细胞获得了需要的目的基因并得以表达，基因工程就算成功了。该法最大的缺点是带有很大的盲目性，工作量大，成功率低。且不能将真核生物的基因转移到原核生物中去。⑵人工合成基因法DNA合成仪②直接合成法：根据蛋白质的氨基酸顺序推算出信使RNA核苷酸顺序，再据此推算出基因DNA的脱氧核苷酸顺序。用游离脱氧核苷酸直接合成相应的基因。①逆转录法：以信使RNA为模板，在逆转录酶的作用下将脱氧核苷酸合成合成DNA(基因)。①目的基因是指人们所需要的特定基因，有两条途径。②鸟枪法，其过程是：此法的优点：操作简便缺点：工作量大，专一性较差，分离出来的有时并非一个基因，具有一定的盲目性。③人工合成基因法1反转录法：目的基因mRNA单链DNA双链DNA转录逆转录互补合成供体细胞中的DNADNA片段重组DNA不同受体细胞DNA扩增目的基因的细胞分离目的基因限制酶运载体找出2根据已知的氨基酸序列合成DNA：由蛋白质中的氨基酸序列mRNA中碱基序列DNA碱基序列目的基因推出推测出化学合成小结：1能在宿主细胞内复制并稳定的保存2具有多个限制酶切点，3具有某些标记基因运载体的选择第二步：目的基因与运载体结合2、目的基因与运载体结合用与提取目的基因相同的限制酶切割质粒使之出现一个切口，将目的基因插入切口处，让目的基因的黏性末端与切口上的黏性末端互补配对后，在连拉酶的作用下连接形成重组DNA分子。2、目的基因与运载体结合步骤：（1）用一定的限制酶切割质粒，使其出现一个有粘性末端的切口。（2）用同种限制酶切断目的基因，产生相同的粘性末端。（3）将切下的目的基因片段，插入到质粒的切口处，再加入适量的DNA连接酶，使质粒与目的基因结合成重组质粒思考题：目的基因与运载体结合的结果可能有几种情况？（有三种情况：目的基因与目的基因结合，质粒与质粒结合，目的基因与质粒结合。）3、将目的基因导入受体细胞导入方法：借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。导入过程：（运载体为质粒，受体细胞为细菌，一般是将细菌用CaCl2处理，以增大细菌细胞壁的通透性，使含有目的基因的重组质粒进入受体细胞）第三步：目的基因的导入和表达通过运载体把目的基因带入某生物体内，并使目的基因在受体细胞内能准确地转录和翻译。导入扩增为使重组的DNA分子更容易进入受体细胞，通常要用CaCl2对受体细菌进行处理，使受体细菌具有更大的通透性。4、目的基因的检测和表达检测：方法很多，通过检测运载体的标记基因的有无，来判断目的基因是否导入表达：通过特定性状的产生与否来确定目的基因是否表达。问题：1、如何检测受体细胞是否真正导入了重组DNA分子？2、如何来确定目的基因是否得以表达？例如：大肠杆菌的某种质粒具有青霉素抗性基因，当这种质粒与外源DNA组合在一起形成重组质粒，并被转入受体细胞以后，就可以根据受体细胞是否具有青霉素抗性来判断受体细胞是否获得了目的基因。例如：科学家最初做抗虫棉实验时，已经检测出棉的植株中含有抗虫基因，但却无抗虫效果，这说明了什么？科学家在研究的基础上对棉植株中的抗虫基因进行了修饰，结果很快出现了抗虫性状，这说明了什么？4、目的基因的检测和表达大量的受体细胞接受不多的目的基因。处理的受体细胞中真正摄入了目的基因的很少，必须将它从中检测出来。将每个受体细胞单独培养形成菌落，检测菌落中是否有目的基因的表达产物。淘汰无表达产物的菌落，保留有表达产物的进一步培养、研究。无表达产物无表达产物有表达产物无表达产物总结：基因操作的基本步骤：细菌取出质粒用相同的限制酶切出粘性末端供体细胞取出DNA分子用限制酶切取目的基因将目的基因插入质粒切口用连接酶将目的基因与质粒相连将重组DNA分子导入受体细胞重组DNA分子增殖、表达目的基因产物巩固练习：1、番茄在运输和储藏过程中，由于过早成熟而易腐烂，应用基因工程技术，通过抑制某种促进果实成熟激素的合成能力，可使番茄储藏时间延长，培育成耐储藏的番茄新品种，这种转基因番茄已于1993年在美国上市，请回答：（1）促进果实成熟的重要激素是。（2）在培育转基因番茄的基因操作，所用的基因的“剪刀”是，基因的“针线”是，基因的运输工具是。（3）与杂交育种、诱变育种相比，通过基因工程来培育新品种的主要优点是、、。乙烯限制性内切酶连接酶运载体目的性强育种周期短克服远缘杂交障碍2、采用基因工程的方法培育抗虫棉，下列导入目的基因的作法正确的是（）a将毒素蛋白注射到棉受精卵中b将编码毒素蛋白的DNA序列，注射到棉受精卵中c将编码毒素蛋白的DNA序列，与质粒重组，导入细菌，用该细菌感染棉的体细胞，再进行组织培养d将编码毒素蛋白的DNA序列，与细菌质粒重组注射到棉的子房并进入受精卵A.abB.bcC.cdD.da3、下列高科技成果中，根据基因重组原理进行的是（）a我国科学家袁隆平利用杂交技术培育出超级水稻b我国科学家将苏云金杆菌的某些基因移植到棉花体内，培育出抗虫棉c我国科学家通过返回式卫星搭载种子培育出太空椒d我国科学家通过体细胞克隆技术培养出太空牛A.aB.abC.abcD.bcd4、我国科学家成功地将人的抗病毒干扰素基因“嫁接”到烟草的DNA分子上，使烟草获得了抗病能力。试问：（1）此“嫁接”实验的物质基础是的结构组成相同（2）烟草具有了抗病毒能力，表明烟草体内产生了。（3）以上事实告诉我们，人与植物合成蛋白质的方式。CB人与植物DNA抗病毒干扰素相同课后复习题（简答题）1、提取目的基因：从小鼠的细胞内提取DNA同时选择标记的大肠杆菌质粒，如选择能抗四环素的质粒，并将其提取出来；2、目的基因与运载体结合：用同一种限制酶分别切割小鼠细胞核中的DNA和质粒DNA，使其产生相同的粘性末端。将切下的目的基因与切割后的质粒混合，并加入适量的连接酶，获得含有小鼠ß-珠蛋白基因的重组质粒。3、将目的基因导入受体细胞：将含有小鼠ß-珠蛋白基因的重组质粒导入到对四环素敏感的大肠杆菌中。4、对目的基因进行检测：将上述大肠杆菌放到加有四环素的培养基上培养，能够正常生长的大肠杆菌就含有重组质粒，即含有目的基因，反之则没有。基因工程与农牧业、食品工业运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的农作物及畜、禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的动、植物。转基因鱼•生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼(中国)转基因牛•乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷)转黄瓜抗青枯病基因的甜椒转鱼抗寒基因的番茄转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯不会引起过敏的转基因大豆超级动物•导入贮藏蛋白基因的超级羊和超级小鼠特殊动物•导入人基因具特殊用途的猪和小鼠乳汁中分泌人凝血因子IX的转基因山羊美国转基因猪，其体内含有人类的基因，乳汁含有人体蛋白fatorⅧ。只需300～600只这样的母猪就能满足全世界对这种蛋白的需求。不易腐烂的番茄抗虫植物化学农药兔毛棉花在我国培育成功：用兔的一种角蛋白转化棉花，棉花纤维质量好，具有兔毛般的光泽。基因工程与医药卫生基因工程药品的生产许多药品的生产是从生物组织中提取的。受材料来源限制产量有限，其价格往往十分昂贵。微生物生长迅速，容易控制，适于大规模工业化生产。若将生