基因工程及其应用.ppt

基因工程及其应用第2节你知道为什么能把人的基因“嫁接”到细菌上吗？你能推测出，这种基因的“嫁接”是怎么实现的吗？你能举出一些类似的、与你的生活关系很密切的例子吗？“嫁接”了人胰岛素基因的工程菌一、基因工程的概念：又叫做基因拼接技术或DNA重组技术。通俗的说，就是按照人们的意愿，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。原理操作环境操作对象操作水平基本过程结果基因重组生物体外基因/DNA分子水平剪切→拼接→导入→表达人类需要的基因产物二、基因操作的工具１、基因的“剪刀”——限制性内切酶（限制酶）例如：大肠杆菌(E.coli)的一种叫EcoRⅠ的限制酶能识别GAATTC序列，并在G和A之间将这段序列切开。①分布：主要在微生物中。目前已发现的限制酶有200多种。②特点：专一性。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。限制酶能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，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。大多数限制酶的识别序列由6个核苷酸组成，如EcoRⅠ、SmaⅠ，也有少数限制酶的识别序列由4、5或8个核苷酸组成。磷酸二酯键•什么叫黏性末端？被限制酶切开的DNA两条单链的切口，带有几个伸出的核苷酸，他们之间正好互补配对，这样的切口叫黏性末端。当限制酶从识别序列的中心轴线两侧切开时，产生的是黏性末端。从中心轴线切开时，产生的是平末端。GCTTAAGAATTC被同一种限制酶切断的几个DNA是否具有相同的黏性末端？思考:黏性末端黏性末端GAATTCCTTAAGGAATTCCTTAAGGCTTAAAATTCGGCTTAAAATTCGGCTTAAAATTCG用同种限制酶切割下列是由限制酶切割形成的DNA片段，能用相应DNA连接酶将它们恢复连接的组合是①…CTGCA…G②…G…CTTAA③G…ACGTC…④AATTC…G…A.①③；②④B.①②；③④C.①④；②③D.以上都不对A试一试2、基因的针线——DNA连接酶DNA连接酶可把互补配对黏性末端之间的缝隙“缝合”起来，是把梯子两边扶手的断口连接起来，这样一个重组的DNA分子才能形成。黏合只能使互补的碱基连接起来问:黏性末端黏合的是什么部位？问：DNA连接酶连接的是什么部位?脱氧核糖与磷酸之间（3,5－磷酸二酯键）黏合只能使互补的碱基连接起来要让一个从甲生物细胞内取出来的基因(如抗虫基因),送入受体细胞(如棉细胞),还需要有运输工具,这就是运载体。3、基因的运输工具——运载体•作为运载体必须具备哪些条件？1.能够在宿主细胞中复制并稳定地保存。2.具多个限制酶切点，以便与外源基因连接。3.具有某些标记基因，便于进行筛选。如抗菌素的抗性基因、产物具有颜色反应的基因等。•大肠杆菌的质粒：最常用的质粒是大肠杆菌的质粒，其中常含有抗药基因，如四环素的标记基因。质粒的存在与否对宿主细胞生存没有决定性作用，但复制只能在宿主细胞内进行。标记基因，便于进行检测。常用的运载体：质粒、噬菌体和动植物病毒质粒存在于许多细菌和酵母菌等生物中,是细胞染色体外能够自主复制的很小的环状DNA分子.质粒的特点1、细胞染色体（或拟核DNA分子）外能自主复制的小型环状DNA分子；2、质粒的存在对宿主细胞无影响；3、质粒的复制只能在宿主细胞内完成。大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌等细菌中都有质粒。因为土壤农杆菌很容易感染植物细胞，使细胞生有瘤状物。所以科学家培育转基因植物时，常用土壤农杆菌中的质粒做运载体。从细胞中分离出DNA从大肠杆菌中提取质粒限制酶提取目的基因限制酶目的基因与运载体结合DNA连接酶目的基因导入受体细胞目的基因的检测与表达三、基因工程的操作步骤1、提取目的基因基因工程的第一步，是取得人们所需要的特定基因，也就是目的基因如抗虫基因，抗病基因、种子的贮存蛋白基因，以及人的胰岛素基因、干扰素基因等都是目的基因。要获得目的基因，主要有两条途径：一条是从供体细胞的DNA中直接分离基因，另一条是人工合成基因。三、基因工程的操作步骤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，在连接酶的作用下连接形成重组DNA分子。细菌供体细胞取出质粒取出DNA用限制酶切断DNA用连接酶连接目的基因作用：将外源基因送入受体细胞•要想获得某个目的基因必须要用限制酶切几个切口？可产生几个黏性末端？一个目的基因有几个黏性末端？要切两个切口;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：目的基因与运载体结合的结果可能有三种情况：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将重组DNA导入受体细胞•常用的受体细胞：有大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母菌和动植物细胞等。思考：为什么常用细菌等微生物作为受体细胞？细菌等微生物的繁殖速度非常快，在短时间内就能获得大量目的基因和基因产物。Q2:怎样对目的基因进行检测呢？根据运载体的标记基因所控制的特殊性状是否出现判断。如：对抗菌素的抗性、特殊的颜色等。Q3:当目的基因导入受体细胞后，怎样才能说明目的基因已完成了表达？只有目的基因控制的特定性状在受体细胞中表现出来，才能说明完成了表达。4、目的基因的检测和表达Q1:为什么要对导入受体细胞的目的基因进行检测？因为将目的基因导入受体细胞中，真正能够摄入重组DNA分子的受体细胞是很少的通过检测标记基因的有无，来判断目的基因是否导入。通过特定性状的产生与否来确定目的基因是否表达。4、目的基因的检测与鉴定检测：鉴定：小结基因工程的基本内容基因操作基本步骤基因操作的工具限制酶DNA连接酶运载体2.目的基因与运载体结合4.目的基因的检测与鉴定3.将目的基因导入受体细胞1.提取目的基因１、基因工程与作物育种1993年，中国农业科学院的科学家成功地培育出了抗棉铃虫的转基因抗虫棉，抗虫的基因来自苏云金杆菌。苏云金杆菌形成的伴胞晶体是一种毒性很强的蛋白质晶体，能使棉铃虫等鳞翅目害虫瘫痪致死。科学家将编码这个蛋白质的基因导入作物，使作物自身具有抵御虫害的能力。转基因植物：1）高产、优质的农作物；2）抗逆性品种抗盐碱、抗寒、抗干旱3）提高农作物的营养价值。2、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%!通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，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。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。⑵环境污染治理：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。4、转基因生物和转基因食品的安全性当人类拥有了只有大自然才拥有的改造生物、创造生物的能力时，也感到了不安与困惑。人类是否有权按照自已的意愿操纵地球上的生命？人类创造的转基因生物、转基因食品是否会危害整个生物圈，包括人类自身？转基因生物有利的方面转基因生物不利的方面转基因生物有利的一面⑴改变传统的育种方式缩短育种时间。培育出高产优质、抗病虫害、抗旱、抗盐碱，抗除草剂等特性的作物新品种。⑵克服异源、远源杂交障碍。如可以把动物的基因，甚至人的基因组合到植物里去。⑶生产有利于健康和抗病的食品。⑷培育出符合人们意愿的动物新品种。这种西红柿不易腐烂，不仅便于运输、贮藏，还可使其留在植株成长更长时间，充分吸收阳光，完全成熟后再运到市场销售，能保存良久并仍然具有“夏日成熟的滋味”。⑴有些转基因食物含有的一些物质，可能会影响人体健康。⑵大量的转基因生物进入自然界后很可能会与野生物种进行杂交，产生一些超级生物，从而造成基因污染。⑶如有些作物插入抗虫基因，杀死环境中有益的生物。基因工程的弊端•转基因食品已经走进我国百姓的生活。•国内尚没有转基因作物的大规模生产•近几年我国大量从美国、阿根廷等国进口大豆，其中大部分是转基因大豆。•我国有一半以上的大豆色拉油含有转基因成分。DNA聚合酶和DNA连接酶的比较不同点相同点DNA聚合酶DNA连接酶连接DNA片段不需要模板连接的是游离的脱氧核苷酸需要模板连接不同脱氧核苷酸之间的磷酸和脱氧核糖，形成磷酸二酯键1.基因工程的操作通常包括以下4步：（1）获得目的基因（外源基因）；（2）目的基因与运载体结合，形成重组DNA分子；（3）将重组DNA分子导入受体细胞；（4）目的基因的检测与表达。2.3.常用的运载体有质粒、噬菌体、农杆菌、动植物病毒等。基础题1.提示：这是因为在基因水平上，人和细菌的遗传机制是一致的。细菌和人的遗传物质都是DNA，都使用同一套遗传密码子，都遵循中心法则。因此，通过基因重组，细菌能够合成人体的某些蛋白质。拓展题2.提示：例如，可以向客户说明农场具备相应的安全检测设施和措施，已经领取了农业转基因生物安全证书，产品中所含有的成分都是自然界天然存在的物质，产品经过试用表明对人体无害等。3.提示：例如，“转基因土豆──肝炎患者的希望！！”等。自我检测的答案和提示一、概念检测连线题1─B，2─C，3─E，4─D，5─F，6─A。判断题1.×。2.√。3.√。4.√。三、技能应用提示：这是一幅具有讽刺意味的卡通图。画面中两位研究人员在培养室中面对人工栽培的人形大头菜，说道：“看来我们把太多的人基因转移到大头菜里了。”暗示他们已能够运用基因工程技术随心所欲地把人的基因转入蔬菜中生产出“人形”大头菜。本题属于开放型题目，手法夸张，教师应启发学生充分发挥想像力，运用本章所学知识对此作出评价，并且认识到理智地运用科学技术成果的必要性。四、思维拓展提示：很多生物的基因组目前并不清楚，因此，寻找目的基因仍是十分艰巨的工作。此外，基因的提取、分离和转移需要昂贵的仪器设备。而杂交育种和诱变育种作为常规育种方法，操作简便易行，是基因工程技术所不能取代的。