基因工程及其应用课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三节 基因工程概述,第三节 基因工程概述,1,定向改造基因设想,设想一,能否让禾本科的植物也能够固定空气中的氮？,能否让细菌“吐出”蚕丝？,设想二,能否让微生物产生出人的胰岛素、干扰素等珍贵的药物？,设想三,经过多年的努力，科学家于20世纪70年代创立了可以定向改造生物的新技术,基因工程。,定向改造基因设想 设想一能否让禾本科的植物也能够固定空气中的,2,什么是基因工程？,基因工程（gene engineering）是指在体外通过人工,“剪切”,和,“拼接”,等方法，对生物的基因进行改造和重新组合，然后,导入,受体细胞内并使重组基因在受体细胞中,表达, 产生人类需要的基因产物的技术。又叫DNA重组技术。,（一）基因工程的概念,什么是基因工程？ 基因工程（gene engi,3,概念的把握,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,优点,本质,DNA重组技术,体外,基因,分子水平,人类需要的基因产物,剪切,拼接,导入,表达,定向改造生物,基因重组,概念的把握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,4,基因工程培育抗虫棉的简要过程：,上述培育抗虫棉的关键步骤是什么？,导入,普通棉花,(,无抗虫基因,),苏云金芽孢杆菌,提取,抗虫基因,棉花细胞,(,含抗虫基因,),棉花植株,(,有抗虫特性,),重组DNA,形成,关键步骤一：,关键步骤二：,关键步骤三：,抗虫基因从苏云金芽孢杆菌细胞内提取出来,形成重组DNA分子,重组DNA导入受体(棉花)细胞,基因工程培育抗虫棉的简要过程：上述培育抗虫棉的关键步骤是什么,5,解决培育抗虫棉的关键步骤需要哪些工具？,（二）基因工程的工具酶和载体,关键步骤一的工具：,关键步骤二的工具：,关键步骤三的工具：,“分子手术刀”限制性内切酶,“,分子针线”,DNA连接酶,“,分子运输车”载体,解决培育抗虫棉的关键步骤需要哪些工具？（二）基因工程的工具,6,、“分子手术刀”限制性核酸内切酶,限制酶,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DNA。,、“分子手术刀”限制性核酸内切酶限制酶 大肠杆菌的一种,7,思考：,限制酶所识别的序列有什么特点？,限制酶在DNA的任何部位都能将DNA切开吗？,什么叫黏性末端？,思考：,8,思考：限制酶所识别的序列有什么特点？,限制酶所识别的序列，都具有回文序列。,限制酶在DNA的任何部位都能将DNA切开吗？,任何一种限制酶都只识别和切断特定的核苷酸序列，这是由限制酶的性质所决定的。,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。,思考：限制酶所识别的序列有什么特点？限制酶在DNA的任何,9,（1）特点：特异性，即识别特定核苷酸序列，在特定的切点切割DNA分子。,（2）分布：主要在微生物中。,（3）结果：产生黏性末端,、限制性核酸内切酶（简称限制酶）,（1）特点：特异性，即识别特定核苷酸序列，在特定的切点切割D,10,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,，然后让两者的黏性末端黏合起来，就似乎可以合成重组的DNA分子了。,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？,11,、“分子针线”DNA连接酶,DNA连接酶可把黏性末端之间的,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。,思考：DNA连接酶连接的是什么部位？,、“分子针线”DNA连接酶 DNA连接酶,12,基因工程及其应用课件,13,基因工程及其应用课件,14,A,A,T,T,G,C,C,T,T,A,A,G,AATTGCCTTAAG,15,、运载工具载体,要让一个从甲生物细胞内取出来的目的基因在乙生物体内进行表达，首先得将这个基因送到乙生物的细胞内去。能将外源基因送入细胞的工具就是,载体,。,将外源基因送入受体细胞。,作用：,条件：,（1）能够在宿主细胞中,复制,并稳定地,保存,。,（2）具有多个,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,。如对抗生素 的抗性基因、产生具有颜色反应的基因等。,常用种类：,质粒、噬菌体和一些动植物病毒。,、运载工具载体要让一个从甲生物细胞内取出来的目的基因,16,大肠杆菌的质粒：,拟核DNA分子外能自主复制的小型环状DNA分子；,质粒的存在与否对宿主细胞无影响；,3. 质粒的复制只能在宿主细胞内完成。,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。,质粒的特点:,大肠杆菌的质粒：拟核DNA分子外能自主复制的小型环状DNA分,17,1.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,1.以下说法正确的是,18,2.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DNA,D,2.不属于质粒被选为基因运载体的理由是D,19,3.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、目的基因须由载体导入受体细胞,D、质粒都可作为载体,B D,3.有关基因工程的叙述中，错误的是（ ）B D,20,基因工程的一般过程：,获取,目的基因,制备,重组DNA分子,转化,受体细胞,筛选,出获得目的基因的重组细胞,实现,功能表达（,培养受体细胞并诱导目的基因的表达,）,基因工程的一般过程：,21,步骤一：获取,目的基因,目的基因是人们所,需要转移,或,改造,的基因,获取目的基因是实施基因工程的第一步 。,如苏云金芽孢杆菌的,抗虫基因,，植物的,抗病基因,、种子,贮藏蛋白的基因,，以及人的,胰岛素基因,、,干扰素基因,等。,步骤一：获取目的基因 目的基因是人们所需要转移或,22,从基因文库中获取目的基因：,基因文库:,一个,生物体,的,基因组,DNA用,限制性核酸内切酶,部分酶切后，将酶切片段插入到载体,DNA分子,中，所有这些插入了基因组DNA片段的载体分子的集合体，将包含这个生物体的整个基因组，也就是构成了这个生物体的基因文库。,(gene library).,从基因文库中获取目的基因：基因文库:,23,获得目的基因的方法,直接分离基因,人工合成基因,反转录法,根据已知的氨基酸序列,合成DNA,：“,鸟枪法”（“散弹射击法”）,获得目的基因的方法直接分离基因反转录法：“鸟枪法”（“散弹射,24,1 . “,鸟枪法,”,（“散弹射击法”）,用,限制酶,将,供体细胞,中的,DNA切成许多片段,，将这些片段分别,载入运载体,，然后通过运载体分别转入不同的受体细胞，让供体细胞提供的外源DNA的所有片段分别在各个,受体细胞中大量复制（即扩增），,从中,找出,含有目的基因的细胞,，再利用一定方法将目的基因的DNA片段,分离,出来。,用限制酶切断成许多片段,1 . “鸟枪法”（“散弹射击法”）用限制酶切断成许多片段,25,(1),反转录法：,2.人工合成基因,双链DNA,(即目的基因),合成,单链DNA(cDNA),目的基因的mRNA,反转录,(1)反转录法：2.人工合成基因双链DNA合成单链DNA(c,26,(2),根据已知的氨基酸序列合成DNA,：,mRNA的核苷酸序列,蛋白质的氨基酸序列,结构基因的核苷酸序列,化学合成,推测,推测,目的基因,(2)根据已知的氨基酸序列合成DNA ：mRNA的核苷酸序列,27,步骤二：,制备重组DNA分子,（1）用一定的限制酶切割质粒，使质粒出现一个切口，露出黏性末端。,（2）用同一种限制酶切断带有目的基因的外源DNA片段，使其产生相同的黏性末端。,（3）将切下的目的基因片段插入质粒的切口处，再加入适量DNA连接酶，形成了一个重组DNA分子（重组质粒）。,目的基因与载体的结合过程，实际上是不同来源的,基因重新重组的过程,。,步骤二：制备重组DNA分子 （1）用一定的限制酶切割质,28,将目的基因导入受体细胞的原理,借鉴,细菌或病毒侵染细胞,的途径。,步骤三：转化受体细胞（将携带目的基因的载体导入受体细胞）,将目的基因导入受体细胞的原理借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。步,29,1.将目的基因导入植物细胞（农杆菌介导转化技术）,1.将目的基因导入植物细胞（农杆菌介导转化技术）,30,2.将目的基因导入动物细胞（显微注射技术）,2.将目的基因导入动物细胞（显微注射技术）,31,3.将目的基因导入微生物细胞,大肠杆菌细胞最常用的转化方法是:,（1）将细菌用,CaCl,2,处理,，以,增大,细菌,细胞壁的通透性,。,（2）使含有目的基因的,重组质粒进入,受体细胞。,（3）目的基因在受体细胞内，随其繁殖而,复制,，由于细菌,繁殖的速度,非常快，在很短的时间内就能获得,大量,的目的基因。,3.将目的基因导入微生物细胞 大肠杆菌细胞最常用的,32,步骤四：筛选出获得目的基因的重组细胞,四环素,抗性基因,氨苄青霉,素抗性基因,步骤四：筛选出获得目的基因的重组细胞四环素氨苄青霉,33,步骤五：培养受体细胞并诱导目的基因的表达,步骤五：培养受体细胞并诱导目的基因的表达,34,重组的DNA分子进入受体细胞后受体细胞必须表现出特定的性状，才能说明目的基因完成了,表达过程,。,受体细胞摄入DNA分子后就说明目的基因完成了表达吗？,若不能表达，要对抗虫基因再进行,修饰,。,重组的DNA分子进入受体细胞后受体细胞必须表,35,思考：依照中心法则分析番茄软化的原因：,多聚半乳糖酸酶基因 mRNA 多聚半乳糖酸酶,细胞壁结构被破坏 番茄软化,转录,翻译,思考：依照中心法则分析番茄软化的原因：多聚半乳糖酸酶基因,36,基因工程及其应用课件,37,哪些新技术能大大简化基因工程的操作技术？,1、DNA测序仪：,2、PCR技术：,能快速地测定DNA样品的碱基序列。,在体外通过酶促反应有选择的大量扩增目的基因或序列的技术。,哪些新技术能大大简化基因工程的操作技术？1、DNA测序仪：,38,基因工程及其应用课件,39, 概念：,PCR全称为聚合酶链式反应技术，是一项在体外通过酶促反应有选择地大量扩增目的基因或序列的技术 。,条件：,目的基因或序列、四种脱氧核苷酸、DNA聚合酶、一对引物,(做启动子),原理：,DNA复制,方式：,以,指数,方式扩增。,结果：,选修3 P,14,使目的基因的片段在短时间内成百万倍地扩增,利用PCR技术扩增目的基因, 概念：PCR全称为聚合酶链式反应技术，是一项在体外通过酶,40,90-95,变性,50-65,退火,70-75,延伸,PCR反应过程：,20-40个PCR循环,1个PCR,循环,90-95变性 50-65退火70-75延伸PC,41,PCR扩增原理,引物,延伸,延伸,5,5,3,3,变性、退火,变性、退火,PCR扩增原理引物延伸延伸5533变性、退火变性、退,42,过程：,a、DNA变性,（90-95）：双链DNA模板,在热作用下，_断裂，形成_,b、退火,（,复性,50-65）：系统温度降低，引 物与DNA模板结合，形成局部_。,c、延伸,（70-75）：在Taq酶的作用下，从,引物的,5端3端,延伸，合成与模板互补,的_。,氢键,单链DNA,双链,DNA链,过程：a、DNA变性（90-95）：双链DNA模板b、退,43,1.抗虫转基因植物,1.抗虫转基因植物,44,2.抗病转基因植物,2.抗病转基因植物,45,3.其他抗逆转基因植物,3.其他抗逆转基因植物,46,转鱼抗寒蛋白基因的番茄,转鱼抗寒蛋白基因的番茄,47,4.利用转基因改良植物的品质,4.利用转基因改良植物的品质,48,基因工程在农业上的应用：,1）,高产,、,稳产,和具,优良品质,的品种,用基因工程的方法可以改善粮食作物的蛋白质含量。如“转基因高赖氨酸玉米”植株。,2）,抗逆性,品种,将细菌的抗虫、抗病毒、抗除草剂、抗盐碱、抗干旱、抗高温等抗性基因转移到作物体内，将从根本上改变作物的特性。如转基因抗虫棉。,基因工程在农业上的应用：1）高产、稳产和具优良品质的品种,49,繁殖具有,抗病能力,、,高产仔率,、,高产奶率,和,高质量的皮毛,等优良品质的,转基因动物,。,该过程的重要步骤是通过,感染,或,显微注射技术,将重组DNA转移到动物受精卵中。,基因工程在畜牧养殖业上的应用,将人的,生长激素基因,和牛的生长素基因分别注射到小白鼠受精卵中，得到的“,超级小鼠,”。,繁殖具有抗病能力、高产仔率、高产奶率和高质量,50,二,、动物基因工程前景广阔,1.用于提高动物生长速度,二、动物基因工程前景广阔1.用于提高动物生长速度,51,2.用于改善畜产品的品质,3.用转基因的动物生产药物,如转基因牛分泌的乳汁，乳糖含量降低，营养成分不变,2.用于改善畜产品的品质3.用转基因的动物生产药物如转基因牛,52,转基因牛,乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷),转基因牛乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷),53,转基因动物的,乳腺,。,就基因药物而言，最理想的表达场所是哪里？,是指把人或哺乳动物的某种,基因导入,到,哺乳动物,(,如鼠、兔、羊和猪,),的,受精卵,里，,目的基因若与受精卵染色体DNA整合,，细胞分裂时，该基因随染色体的,倍增,而倍增，使每个细胞中都带有目的基因，使,性状得以表达,，并,稳定地遗传,给后代，从而,获得基因产品,。这样一种新的个体，称为,转基因动物,。,什么叫转基因动物？,转基因动物的乳腺。就基因药物而言，最理想的表达场所是哪里？,54,1）乳腺是一个外分泌器官，,乳汁不进入体内循环,，,不会影响,转基因动物本身的,生理代谢反应,。,2）从乳汁中获取目的基因产物，,产量高,，,易提纯,，表达的,蛋白质已经过充分的修饰加工,，具有,稳定的生物活性,。,3）从乳汁中,源源不断,获得目的基因的产物的同时，,转基因动物,又可,无限繁殖,。,为什么乳腺能成为基因药物最理想的表达场所呢？,1）乳腺是一个外分泌器官，乳汁不进入体内循环，不会影,55,4.用转基因的动物作器官移植的供体,5.基因工程药品异军突起,4.用转基因的动物作器官移植的供体5.基因工程药品异军突起,56,在传统的药品生产中，某些药品如胰岛素、干扰素直接生物体的哪些结构中提取？,药品直接从生物的,组织,、,细胞,或,血液,中提取。,传统生产方法的缺点,由于受原料来源的限制，,价格,十分,昂贵,。,可利用什么方法来解决上述问题？,利用,基因工程,方法制造“,工程菌,”，可,高效率,地生产出各种,高质量,、,低成本,的药品。,在传统的药品生产中，某些药品如胰岛素、干扰素直接生物体的哪些,57,基因工程胰岛素（一）,胰岛素是治疗糖尿病的特效药，长期以来只能依靠从猪、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。,胰岛素分子结构,基因工程胰岛素（一）胰岛素是治疗糖尿病的特效药，长期以来只能,58,基因工程胰岛素（二）,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！大规模工业化生产不但解决了这种比黄金还贵的药品产量问题，还使其价格降低了30%-50%!,胰岛素生产车间,基因工程胰岛素（二）将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每200,59,基因工程干扰素（一）,干扰素治疗病毒感染简直是“万能灵药”！过去从人血中提取，300L血才提取1mg！其“珍贵”程度自不用多说。,干扰素生产车间,干扰素分子结构,基因工程干扰素（一）干扰素治疗病毒感染简直是“万能灵药”！过,60,基因工程干扰素( 二）,基因工程人干扰素-2b（安达芬） 是我国第一个全国产化基因工程人干扰素-2b，具有抗病毒，抑制肿瘤细胞增生，调节人体免疫功能的作用，广泛用于病毒性疾病治疗和多种肿瘤的治疗，是当前国际公认的病毒性疾病治疗的首选药物和肿瘤生物治疗的主要药物。,基因工程干扰素( 二）基因工程人干扰素-2b（安达芬） 是,61,其它基因工程药物,人造血液、白细胞介素、乙肝疫苗等通过基因工程实现工业化生产，均为解除人类的病苦，提高人类的健康水平发挥了重大的作用,。,人造血液及其生产,其它基因工程药物人造血液、白细胞介素、乙肝疫苗等通过基因工程,62,治疗侏儒症,的,唯一方法,，是向人体注射生长激素。而生长激素的获得很困难。以前，要获得生长激素，需解剖尸体，从大脑的底部,摘取垂体,，并从中提取生长激素。,现可利用基因工程方法，将人的,生长激素基因导入大肠杆菌,中，使其生产生长激素。人们从 450 L大肠杆菌培养液中提取的生长激素，相当于6万具尸体的全部产量。,基因工程药品 生长激素,治疗侏儒症的唯一方法，是向人体注射生长激素。,63,基因诊断：,也称为,DNA诊断,或,基因探针技术,，即在DNA水平分析检测某一基因，从而对特定的疾病进行诊断。,探针制备：,放射性同位素(如,32,P)、荧光分子,等标记的DNA分子；,原理：利用,DNA分子杂交原理,；,三,、基因治疗曙光初照,基因诊断： 也称为DNA诊断或基因探针技术，即在D,64,基因探针：,基因探针就是一段与目的基因或DNA互补的,特异核苷酸序列,。它包括整个基因，或基因的一部分；可以是DNA本身，也可以是由之转录而来的RNA。,基因探针： 基因探针就是一段与目的基因或DNA互补,65,DNA分子杂交原理：,DNA分子杂交是基因诊断最基本的方法之一。其基本原理是：,互补的DNA单链,能够在一定条件下,结合成双链,，即能够进行杂交。这种结合是,特异,的，即严格按照碱基互补配对进行。,因此,，当用一段,已知基因的核苷酸序列作为探针,，与被测基因进行接触，若两者的碱基完全配对成双链，则表明被测基因中含有已知的基因序列。,DNA分子杂交原理： DNA分子杂交是基因诊断最基,66,基因诊断技术在什么方面发展迅速？,在,诊断遗传性疾病,方面发展迅速。目前已经可以对几十种遗传病进行,产前诊断,。,1）珠蛋白的DNA探针 镰刀状细胞贫血症,2）苯丙氨酸羧化酶基因探针 苯丙酮尿症,3）白血病患者细胞中分离出的癌基因制备的DNA探针 白血病,举例,基因诊断技术在什么方面发展迅速？ 在诊断遗传性疾病,67,SCID的基因工程治疗,重症联合免疫缺陷（SCID）患者缺乏正常的人体免疫功能，只要稍被细菌或者病毒感染，就会发病死亡。这个病的机理是细胞的一个常染色体上编码腺苷酸脱氨酶（简称ADA）的基因（ada）发生了突变。可以通过基因工程的方法治疗。,SCID患者生存在无菌环境中,SCID的基因工程治疗重症联合免疫缺陷（SCID）患者缺乏正,68,基因治疗SCID的过程,体外基因治疗,体内基因治疗,基因治疗SCID的过程体外基因治疗体内基因治疗,69,用于基因治疗的基因种类,1。用正常基因代替缺陷基因，或依靠其表达产物来弥补病变基因带来的缺陷。如血友病、地中海贫血病的治疗。,2。反义基因。用mRNA分子与病变的mRNA分子进行互补，阻断蛋白质的合成。,3。自杀基因。编码可杀死癌变细胞的蛋白酶基因。,用于基因治疗的基因种类1。用正常基因代替缺陷基因，或依靠其表,70,基因工程与食品业,基因工程为人类开辟,新的食物来源,。,1）,鸡蛋白基因,在大肠杆菌和酵母菌中表达获得成功。这表明，未来能用发酵罐培养的大肠杆菌或酵母菌来生产人类所需要的,卵清蛋白,。,2）用基因工程的方法,从微生物中获得,人们所需要的,糖类,、,脂肪,和,维生素,等产品。,基因工程为食品工业中提供了什么前景？,基因工程与食品业基因工程为人类开辟新的食物来源。基因工程为食,71,基因工程与,环境监测（一）,基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。,1t水中只有10个病毒也能被DNA探针检测出来,基因工程与环境监测（一）基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏,72,基因工程与,环境监测（二）,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。,基因工程与环境监测（二）利用基因工程培育的指示生物能十分灵敏,73,基因工程与环境污染治理,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。,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。,基因工程与环境污染治理基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解,74,1、基因治疗是把健康的 外源基因导入,A、有基因缺陷的细胞中,B、,有基因缺陷的染色体中,C、有基因缺陷的细胞器中,D、有基因缺陷的DNA分子中,2、下列各项中不属于基因工程在实际中应用的是,A、转基因抗虫棉的培育成功,B、利用DNA探针检测饮用水中有无病毒,C、培育工程菌使之能产生胰岛素,D、植物的杂交育种,1、基因治疗是把健康的 外源基因导入,75,基因工程及其应用课件,76,