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选修三现代生物科技专题专题1、基因工程一、基因工程的概念指按照人们的愿望，进行严格的设计，并通过体外DNA重组和转基因等技术，赋予生物以新的遗传特性，从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，因此又叫做DNA重组技术。基因工程基因拼接技术==DNA重组技术1.供体：提供_________。2.操作环境：_____。3.操作水平：_____水平。4.原理：_________。5.受体：表达目的基因。6.本质：性状在_____体内表达。7.优点：克服________________障碍，定向改造生物_____。目的基因体外分子基因重组受体远缘杂交不亲和性状记一记对基因工程的概念的理解1．基因拼接的理论基础（从结构上分析，为什么不同生物的DNA能够重组?）(1)大多数生物的遗传物质是DNA。(2)DNA的基本组成单位都是四种脱氧核苷酸。(3)双链DNA分子的空间结构都是规则的双螺旋结构。一、基因工程诞生的理论基础2．外源基因在受体内表达的理论基础(1)基因是控制生物性状的独立遗传单位。(2)遗传信息的传递都遵循中心法则。(3)生物界共用一套遗传密码。DNA重组技术的基本工具工欲善其事,必先利其器.想一想:获得转基因抗虫棉需要做哪些工作呢?实现这一精确的操作过程的工具是什么呢?限制性核酸内切酶——“分子手术刀”DNA连接酶——“分子缝合针”运载体——“分子运输车”识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。(6个,4、5、8个)主要是从原核生物中分离纯化出来的一种酶。4000种。（1）来源：（2）种类：（3）作用：（4）结果：形成两种末端黏性末端平末端1、限制性核酸内切酶——“分子手术刀”（小结）记一记•要想获得某个目的基因必须要用限制酶切几个切点？可产生几个黏性末端？一个目的基因有几个黏性末端？要切两个切点，产生四个黏性末端，两个。•如果把两种来源不同的DNA用同一种限制酶来切割，会怎样呢？会产生相同的黏性末端。•是不是把两者的黏性末端黏合起来，这样就真的合成重组的DNA分子了?实际还不够,还需要DNA连接酶进行连接。思考题：限制酶存在于原核生物中的作用是什么?思考原核生物容易受到外源DNA的入侵限制酶的作用:切割外源DNA,使之失效保证自身的安全限制酶为什么不会剪切原核生物本身的DNA?思考•防御机制•1.同一原核细胞内有限制酶,但没切割序列•2.有酶且有切割序列,但甲基化酶的作用下把甲基转移到碱基上,让限制酶不能切割2.“分子缝合针”————DNA连接酶(2)、分类E.coliDNA连接酶T4DNA连接酶想一想:DNA连接酶与DNA聚合酶是一回事吗?(1)、来源：(2)、作用：(1)、来源：(2)、作用：(1)、作用：恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。大肠杆菌“缝合”黏性末端T4噬菌体“缝合”黏性末端和平末端DNA聚合酶DNA连接酶区别1区别2相同点•DNA连接酶与DNA聚合酶是一回事吗?为什么?只能将单个核苷酸连接到已有的核酸片段上，形成磷酸二酯键形成磷酸二酯键，都是蛋白质在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键以一条DNA链为模板。将单个核苷酸通过磷酸二酯键连接成一条互补的DNA链不需要模板。将DNA双链上的两个缺口同时连接起来。以下是两种限制酶切割后形成的DNA片段，试分析：①GC…②AATTC…③…GC④…CTTAACG…G……CG…G(1)其中①和是由一种限制酶切割形成的末端，两者要重组成一个DNA分子，所用DNA连接酶通常是。（2）和是由另一种限制酶切割形成的末端，两者要形成重组DNA片段，所用的连接酶通常是。反馈练习：下图表示DNA片段，有关该图的叙述中，不正确的是A．②③④构成了DNA的基本组成单位B．②③④的特定排列顺序所含的遗传信息能指导蛋白质的合成C．解旋酶可使⑤处的化学键断裂D．DNA连接酶可连接①处断裂的化学键B3.基因的运输工具——运载体质粒存在于许多细菌和酵母菌等生物中,是细菌拟核DNA之外能够自主复制的很小的双链环状DNA分子。常用的运载体：质粒、λ噬菌体的衍生物和动植物病毒等。作为载体的必要条件：1、能自我复制或整合到受体染色体DNA上随染色体DNA的复制而同步复制；2、有一或多个限制酶的切割位点；3、必须带有标记基因，供重组DNA的鉴定和选择4、对受体细胞无毒害5、大小应合适，便于提取和体外操作。记一记载体的作用相当于一种运输工具，将外源基因转移到受体细胞中去。四个主要步骤:目的基因的获取基因表达载体的构建将目的基因导入受体细胞目的基因的检测与鉴定1、2基因工程的基本操作程序一：目的基因的获取1、目的基因主要是指____________________也可以是一些具有调控作用的因子。编码蛋白质的结构基因3、常用方法：人工合成法反转录法化学合成法利用PCR技术扩增从基因文库中获取2、获得途径：从自然界已有物种中分离人工方法合成基因文库基因组文库部分基因文库（如:cDNA文库）基因文库？(1)从基因文库中获取目的基因将含有某种生物不同基因的许多DNA片断，导入到受体菌的群体中，各个受体菌分别含有这种生物的不同基因，称为基因文库cDNA文库的构建模式图杂交双链(单链RNA/单链DNA)单链DNA反转录酶双链DNA(cDNA)某种生物的mRNA核酸酶HDNA聚合酶与载体连接后导入受体菌贮存，组成cDNA文库基因组文库与cDNA文库的比较P10表文库类型基因组文库cDNA文库大小基因中是否有启动子基因中是否有内含子基因多少物种间的基因交流小大有无有无某种生物的全部基因某种生物的部分基因部分基因可以可以（2）利用PCR技术扩增目的基因1、定义：PCR——多聚酶链式反应是一项生物体外复制特定DNA片段的核酸合成技术。通过此技术，可获取大量的目的基因。DNA复制2、原理：3、条件：4、过程：5、方式：一段已知目的基因的核苷酸序列模板DNA；DNA引物；四种脱氧核苷酸；热稳定DNA聚合酶（Taq酶）能量以_____方式扩增，即____（n为扩增循环的次数）指数2n6、仪器：PCR扩增仪PCR技术扩增与DNA复制的比较PCR技术DNA复制相同点原理原料条件不同点解旋方式场所酶结果碱基互补配对四种脱氧核苷酸模板、能量、酶高温下变性解旋解旋酶催化体外复制(PCR扩增仪内)主要在细胞核内热稳定的DNA聚合酶（Taq酶）大量的DNA片段形成整个DNA分子解旋酶、普通的DNA聚合酶等（3）人工合成反转录法：目的基因的mRNA杂交双链(单链RNA/单链DNA)单链DNA反转录酶DNA聚合酶双链DNA(目的基因)根据已知的氨基酸序列合成DNA法：蛋白质的氨基酸序列mRNA的核苷酸序列基因的脱氧核苷酸序列推测推测目的基因化学合成二、基因表达载体的构建——核心（1）用一定的_________切割质粒，使其出现一个切口，露出____________。（2）用___________切断目的基因，使其产生_________________。（3）将切下的目的基因片段插入质粒的______处，再加入适量___________，形成了一个重组DNA分子（重组质粒）限制酶黏性末端同一种限制酶相同的黏性末端切口DNA连接酶1.过程:目的基因载体同一种限制酶T4DNA连接酶15ºC重组体载体自连目的基因自连目的基因与运载体结合3.基因表达载体的组成：a、目的基因b、启动子c、终止子d、标记基因位于基因的首端,是mRNA识别并结合位点。位于基因的末端,终止转录。检测受体细胞中是否有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出来。2、基因表达载体的作用a、使目的基因在受体细胞中稳定存在并遗传给子代b、同时使目的基因能表达和发挥作用三、将目的基因导入受体细胞目的基因进入_________内，并且在受体细胞内维持____和_____的过程。转化:受体细胞稳定表达1、导入植物细胞:2、导入动物细胞:3、导入微生物细胞:常用方法：农杆菌转化法、基因枪法、花粉管通道法显微注射法感受态细胞法（或Ca2+转化法）1、将目的基因导入植物细胞（1）农杆菌转化法特点:能感染双子叶植物和祼子植物,对单子叶植物无感染能力Ti质粒的T—DNA可转移至受体细胞并整合到其染色体上转化过程:Ti质粒目的基因构建表达载体导入植物细胞插入植物细胞染色DNA表达新性状转入农杆菌两次拼接？两次导入？（2）基因枪法基因枪法又称微弹轰击法，是利用压缩气体产生的动力，将包裹在金属颗粒表面的表达载体DNA打入受体细胞中，使目的基因与其整合并表达的方法。适用于单子叶植物（3）花粉通道法花粉管通道法就是在植物受粉后，花粉形成的花粉管还未愈合前，剪去柱头，然后，滴加DNA（含目的基因），使目的基因借助花粉管通道进入受体细胞。2、将目的基因导入动物细胞方法:显微注射技术操作程序:提纯含目的基因表达载体取受精卵显微注射移植到子宫受精卵发育新性状动物常用受体细胞：受精卵3、将目的基因导入微生物细胞常用法：Ca2+处理常用受体细胞：大肠杆菌微生物作受体细胞原因：繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对少过程：Ca2+处理大肠杆菌感受态细胞表达载体与感受态细胞混合感受态细胞吸收DNA（用Ca2+处理，增加细菌细胞壁的通透性）处于能吸收周围环境中DNA分子的生理状态的细胞检测转基因生物染色体的DNA上是否插入了目的基因1、导入检测目的：方法：DNA分子杂交技术过程：①.首先取出转基因生物的基因组DNA②.将含目的基因的DNA片段用放射性同位素等作标记,以此做探针。③使探针和转基因生物的基因组杂交,若显示出杂交带,表明目的基因已插入染色体DNA中四、目的基因的检测与鉴定从转基因生物中提取的基因组DNA探针：杂交的对象：用放射性同位素标记的含目的基因的DNA片段15N15N14N探针转基因生物的DNA变性变性14N2、转录检测目的：检测目的基因是否转录出了mRNA方法：分子杂交技术用放射性同位素标记的含目的基因的DNA片段探针：杂交的对象：从转基因生物中提取的mRNA.3、翻译检测目的：检测目的基因是否翻译成蛋白质方法:抗原抗体杂交技术从转基因生物中提取的蛋白质抗原：抗体：将目的基因编码的蛋白质注射进动物体内进行免疫产生的相应抗体4、个体生物学水平的鉴定抗虫鉴定、抗病鉴定、活性鉴定等1.转基因植物类别应用实例抗虫抗病抗逆改良杀虫的基因主要有Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等抗病毒基因:病毒外壳蛋白基因和病毒的复制酶基因;抗真菌基因:几丁质酶基因和抗毒素合成基因抗盐碱和抗干旱的调节细胞渗透压基因、抗冻蛋白基因、抗除草剂基因①转基因玉米中赖氨酸的含量比对照提高30%②转基因延熟番茄储存时间可延长1～2个月③转基因矮牵牛呈现出自然界没有的颜色变异1、3基因工程的应用2.转基因动物类别应用实例提高生长速度改善畜产品品质生产药物作器官移植的供体如转外源生长激素基因绵羊和转外源生长激素基因鲤鱼生长速率快、体型大如将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组,使获得的转基因牛分泌的乳汁中,乳糖的含量大大减低,而其他营养成分不受影响目前,已在牛和山羊等动物乳腺生物反应器中表达出了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α-抗胰蛋白酶等重要药品科学家正试图利用基因工程方法对猪的器官进行改造,抑制抗原决定基因的表达,或设法除去抗原决定基因,再结合克隆技术,培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆猪器官3.基因工程药物(1)来源：转基因的_______。(2)成果：_________、抗体、_____、激素等。(3)作用：预防和治疗_________、心血管疾病、_______、各种传染病、糖尿病、类风湿等疾病。4.基因治疗(1)方法：把_________导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能。(2)效果：治疗_______的最有效的手段。(3)分类：_____基因治疗和_____基因治疗。工程菌细胞因子疫苗人类肿瘤遗传病正常基因遗传病体内体外基因治疗的方法①体外基因治疗：从病人体内获得某种细胞，进行培养，然