基因工程及其应用

育种技术的不断完善与发展的动力和原因是超越已有技术的局限性。育种学家将如何突破“不能实行种间（不同物种）的基因交流”这一育种技术的局限呢？选择育种杂交育种诱变育种优点：在自然产生的变异中选择局限：时间长，选择范围有限主要优点：集优局限：不产生新基因；性状分离主要优点：提高突变率，新基因局限：盲目性；有利变异少同一物种之间适用能发光的水母能否让热带鱼也能发光?设想不能发光的热带斑马鱼能产生人胰岛素的大肠杆菌基因“嫁接”学习目标基因工程的概念、原理基因工程的操作步骤基因工程的应用转基因生物和转基因食品的安全性1.概念：2.原理：3.操作水平：4.结果：基因拼接技术或DNA重组技术。按照人们的意愿，把一种生物的某种基因提取出来，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。基因重组DNA分子水平定向地改造生物的遗传性状，获得人类所需要的品种。实现基因在不同物种之间的转移，打破了远缘杂交不亲和的生殖障碍1.基因的“剪刀”2.基因的“针线”3.基因的运载体（运输工具）1.基因的“剪刀”来源:特点:“”限制性核酸内切酶（限制酶）主要分布在微生物体内一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子例如：大肠杆菌的一种EcoRⅠ限制酶能识别GAATTC序列，并在G和A之间切开限制酶（EcoRⅠ）作用过程限制酶作用于何处：磷酸二酯键结果：两个带有黏性末端的DNA片段限制酶切开的DNA两条单链的切口，带有几个伸出的核苷酸，正好互补配对，此切口叫黏性末端。被同一种限制酶切断的几个DNA是否具有相同的黏性末端？形成的黏性末端不同思考：若用不同的限制酶切割呢？GAATTCCTTAAGGAATTCCTTAAGGCTTAAAATTCGGCTTAAAATTCG相同黏性末端同种限制酶切割形成相同黏性末端GAATTCCTTAAGGAATTCCTTAAGGCTTAAAATTCGGCTTAAAATTCGGCTTAAAATTCG如何连接起来？2.基因的“针线”DNA连接酶DNA连接酶的对象是：DNA连接酶连接：脱氧核糖和磷酸间的缺口（形成磷酸二酯键）同种限制酶切割（相同黏性末端）的DNA片段。①模板②原料③能量④酶：DNA复制的条件DNA解旋酶，DNA聚合酶等DNA聚合酶：催化单个的脱氧核苷酸相互连接形成磷酸二酯键DNA连接酶：脱氧核糖和磷酸之间的缺口（形成磷酸二酯键）基因的针线：DNA连接酶GAATTCCTTAAGGAATTCCTTAAGGCTTAAAATTCGGCTTAAAATTCGGCTTAAAATTCG用同种限制酶切割3.基因的运载体（2）运载体种类：质粒、噬菌体和动植物病毒等将外源目的基因送入受体细胞，并在受体细胞内使目的基因进行大量复制。（1）运载体的作用（1）本质：DNA质粒存在于许多细菌和酵母菌等生物中，是拟核或细胞核外能够自主复制的很小的环状DNA分子（2）质粒的存在对宿主细胞无影响（3）运载体必须具备哪些条件？①能够在宿主细胞中大量复制并稳定保存②具有多个限制酶切割位点，以便与外源基因连接③具有标记基因，便于进行筛选提取目的基因1目的基因与运载体结合2将目的基因导入受体细胞目的基因的检测与鉴定43（一）提取目的基因供体细胞取出DNA用限制酶剪去多余部分目的基因限制酶⑴直接分离基因——鸟枪法⑵人工合成基因（反转录法和化学合成法）用限制酶将需要的基因从供体细胞内切割下来。如抗虫基因，抗病基因、人胰岛素基因等用限制酶切断成许多片段简介：直接分离基因——鸟枪法将供体细胞的DNA用限制酶切割成许多片段，再用运载体将这些片段送到受体细胞中去。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：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（内含子和外显子）转移到原核生物中去。简介：人工合成基因DNA合成仪①反转录法：以mRNA为模板，在酶的作用下合成DNA(基因)②化学合成法：根据蛋白质的氨基酸顺序推算出mRNA核糖核苷酸顺序，再据此推算出基因的脱氧核苷酸顺序。用游离脱氧核苷酸直接合成相应的DNA。人工合成目的基因遵循碱基互补配对原则（二）目的基因与运载体结合（1）使用和提取目的基因相同的限制酶切割质粒，形成相同的黏性末端细菌供体细胞取出质粒取出DNA用同种限制酶DNA连接酶（2）目的基因与质粒的黏性末端进行碱基互补配对，在DNA连接酶作用下形成重组DNA分子目的基因与运载体结合发生在细胞外，并且遵循碱基互补配对原则（3）将目的基因导入受体细胞导入扩增常用的受体细胞：大肠杆菌、枯草杆菌、酵母菌等常用微生物作受体细胞的原因：微生物繁殖快、代谢快、目的产物多将重组DNA分子导入受体细胞主要借助细菌或病毒侵染细胞的方法目的基因导入受体细胞不遵循碱基互补配对原则检测：根据受体细胞中是否含有标记基因，判断目的基因导入与否鉴定（表达）：受体细胞表现目的基因控制的性状或获得目的基因的产物无表达产物无表达产物有表达产物无表达产物（四）目的基因的检测和鉴定目的基因的检测和鉴定遵循碱基互补配对原则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。将受体细胞单独培养成菌落，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单细胞生物的检测和鉴定多细胞生物的检测，将每个受体细胞单独培养并诱导发育成完整个体，检测这些个体是否导入目的基因，导入的基因是否表达（是否表现出相应的性状），淘汰无变化的个体，保留有相应变化的个体进一步培养、研究。例：用棉铃饲喂棉铃虫，如虫吃后不出现中毒症状，说明未导入目的基因或导入目的基因未表达。如虫吃后中毒死亡，则说明导入了抗虫基因并得到表达。提取目的基因1目的基因与运载体结合2将目的基因导入受体细胞目的基因的检测与鉴定43能产生人胰岛素的大肠杆菌基因“嫁接”拓展题：细菌和人是差异非常大的两种生物，为什么通过（基因工程）基因重组后，细菌能够合成人体的某些蛋白质呢？基因的“剪刀”——限制性核酸内切酶基因的“针线”——DNA连接酶基因的运输工具——运载体（质粒）1.基因工程的概念2.基因工程操作的基本工具3.基因操作的基本步骤目的基因提取目的基因与运载体结合目的基因导入受体细胞目的基因的检测与鉴定例：下表关于基因工程中有关基因操作的名词及对应的内容，正确的组合是（）C例:要使目的基因与对应的载体重组，所需的两种酶是（）①限制酶②DNA连接酶③解旋酶④还原酶Ａ．①②Ｂ．③④Ｃ．①④Ｄ．②③Ａ基因工程是在DNA分子水平上进行设计施工的。在基因操作的基本步骤中，不进行碱基互补配对的步骤是（）A、人工合成目的基因B、目的基因与载体结合C、将目的基因导入受体细胞D、目的基因的检测和表达C能产生人胰岛素的大肠杆菌基因“嫁接”拓展题：细菌和人是差异非常大的两种生物，为什么通过（基因工程）基因重组后，细菌能够合成人体的某些蛋白质呢？第一：遗传物质都为DNA，结构相同第二：共用一套遗传密码第三：遵循中心法则（遵循碱基互补配对原则）（一）基因工程与作物育种1.在农作物生产方面目的：培育出高产、稳产、抗逆性的优良作物及新品种。优点：降低生产成本，减少农药的使用对环境的危害，提高农作物对不良环境的适应能力。转鱼抗寒基因的番茄不会引起过敏的转基因大豆（一）基因工程与作物育种2.在畜牧养殖方面科学家利用基因工程的方法培育出了转基因奶牛、超级绵羊等多种转基因动物。生长快、肉质好的转基因鱼(中国)乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷)(二）基因工程与药物研制我国生产的部分基因工程疫苗和药物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。若将生物合成相应药物成分的基因导入微生物细胞内，让它们产生相应的药物，不但能解决产量问题，还能大大降低生产成本。胰岛素从猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素！使其价格降低了30%-50%!优点：能够高效率地生产出各种高质量，低成本的药品产品名称菌株或细胞应用人胰岛素大肠杆菌人生长激素大肠杆菌表皮生长因子大肠杆菌白细胞介素-2大肠杆菌a—干扰素酵母菌乙型肝炎疫苗酵母菌溶血栓剂哺乳动物细胞治疗糖尿病治疗生长缺陷症治疗烫伤、胃溃疡治疗某些癌症治疗癌症或病毒感染预防病毒性肝炎治疗心血管病（心脏病）基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。用基因工程培育成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物；处理工业废水等。科学家还培育出能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质的细菌。（三）基因工程用于环境保护利用基因工程培育的“指示生物”能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。导入贮藏蛋白基因的超级羊和超级小鼠导入人基因具特殊用途的猪和小鼠超级动物特殊动物水母转基因食品安全吗?!阅读课本Ｐ１０５讨论：转基因食品安全吗？转基因抗乙肝西红柿(中国)，虽然不能治愈乙肝，但一年只吃几个抗乙肝西红柿，就完全能代替注射乙肝疫苗。抗乙肝西红柿属于转基因食品，就是将乙肝疫苗植入西红柿内，经过多代繁殖，使转入的基因稳定化。用转基因的植物生产药物类型杂交育种人工诱变育种单倍体育种多倍体育种基因工程原理常用方法优点缺点类型杂交育种人工诱变育种单倍体育种多倍体育种基因工程原理常用方法优点缺点基因重组基因突变染色体变异基因重组将具有不同优良性状的两亲本杂交用物理或化学方法处理生物花药离体培养；人工诱导染色体加倍用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗基因转移集优提高变异频率，新基因明显缩短育种年限器官大，营养物质含量高定向改变生物性状育种时间长有利变异少不定向性技术复杂发育延迟，结实率低操作复杂与杂交育种、诱变育种相比较，基因工程育种的优点有哪些？目的性强（定向地改造生物遗传性状）、克服远缘杂交不亲和的障碍、育种周期短基因的“剪刀”——限制性核酸内切酶基因的“针线”——DNA连接酶基因的运输工具——运载体（质粒）1.基因工程的概念2.基因工程操作的基本工具3.基因操作的基本步骤目的基因提取目的基因与运载体结合目的基因导入受体细胞目的基因的检测与鉴定例：基因工程的正确操作步骤是（）①使目的基因与运载体结合②将目的基因导入受体细胞③检测目的基因的表达是否符合特定性状要求④提取目的基因Ａ．③②④①Ｂ．②④①③Ｃ．④①②③Ｄ．③④①②Ｃ3.有关基因工程的叙述中，错误的是（）A、基因工程技术能定向地改造生物的遗传性状，培育生物新品种B、重组DNA的形成在细胞内完成C、目的基因须由运载体导入受体细胞D、质粒都可作为运载体BD练习质粒要经过修饰才可以作为运载体1.以下说法正确的是（）A、所有的限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列B、质粒是基因工程中唯一的运载体C、运载体必须具备的条件之一是：具有多个限制酶切点，以便与外源基因连接D、DNA连接酶使黏性末段的碱基之间形成氢键C练习2.不属于质粒被选为基因运载体的理由是（）A、能复制B、有多个限制酶切点C、具有标记基因D、它是环状DNAD练习细菌通常是具有双链环状DNA的单细胞生物。现有甲、乙两种细菌，基因型分别是abd和ABD，通过基因工程使甲细菌后代产生出乙细菌B基因所控制的产物，具体过程如图所示，试据图回答。（1）从细胞的结构看，细菌属于生物。原核（2）图中剪切DNA的“剪刀”和粘接DNA的“胶水”，其实是两种不同的酶，它们都只能在DNA的一定位置进行剪切和粘接，说明它们具有的特点。专一性（3）新细菌与甲、乙细菌的表现都不同，从变异来源看，这是人工条件下的一种。基因重组（4）假如B基因是来自人体细胞，则甲子代也可产生出相应的人体物质，这说明在翻译过程中，细菌和人类共套。遗传密码（5）在DNA分子中“拼接”上某个基因或“切割”掉