2016上课基因工程一轮复习

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,*,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?,1.1 DNA重组技术的基本工具,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,T,4,DNA,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：,GC AATTC GC CTTAA,CG G CG G,(1),其中和,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,构成了,DNA,的基本组成单位,B,的特定排列顺序所含的遗传信息能指导蛋白质的合成,C,解旋酶可使处的化学键断裂,D,DNA,连接酶可连接处断裂的化学键,B,3.,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,、,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,H,DNA,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,P,10,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,2,n,6,、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,T4 DNA,连接酶,15,C,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,TDNA,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,：,Ca,2+,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：,Ca,2+,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,Ca,2+,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,(1)_,目的基因的有无,(2),分子杂交技术,_,(3)_,目的基因是否翻译,(4),生物性状的表达与否目的基因是否表达,(,个体水平,),DNA,分子杂交技术,目的基因是否转录,抗原,抗体杂交,分子水平,四、目的基因的检测与鉴定,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：,.,首先取出,转基因生物的基因组,DNA,.,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,。,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,15,N,15,N,1,4,N,探针,转基因生,物的DNA,变性,变性,1,4,N,2,、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,转基因玉米中赖氨酸的含量比对照提高,30%,转基因延熟番茄储存时间可延长,1,2,个月,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,-,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,体外基因治疗：,从病人体内获得某种细胞，进行培养，然后，在体外完成基因转移，再筛选成功转移的细胞扩增培养，最后重新输入患者体内。,直接向人体组织细胞中转移基因的治病方法。,体内基因治疗：,用于基因治疗的基因种类,正常基因,：从健康人体上分离得到的功能正常的基因，用以取代病变基因，或依靠其表达产物。,反义基因,。即通过产生的,mRNA,分子，与病变基因产生的,mRNA,进行,互补,，来,阻断,非正常蛋白质的合成。,自杀基因,：即编码可以,杀死癌变细胞,的蛋白酶基因。,干扰素是动物体内合成的一种蛋白质，可以用于治疗病毒感染和癌症，但体外保存相当困难，如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，就可在,-70 ,条件下保存半年，给广大患者带来福音。,(1),蛋白质的合成是受基因控制的，因此获得能够控制合成,“,可以保存的干扰素,”,的基因是生产的关键，依据蛋白质工程原理，设计实验流程，让动物生产,“,可以保存的干扰素,”,：,设计,设计,推测,合成,预期的蛋白质功能,预期的蛋白质结构,应有的氨基酸序列,相对应的脱氧核苷酸序列,(,基因,),1,、,4,蛋白质工程,(2),基因工程和蛋白质工程相比较，基因工程在原则上只能生产,_ _ _,的蛋白质，不一定符合,_ _,需要。而蛋白质工程是以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过,_ _,或,_,，对现有蛋白质进行,_,或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活需要。,(3),蛋白质工程实施的难度很大，原因是蛋白质具有十分复杂的,_,结构。,自然界已存在,人类生产和生活,基因修饰,基因合成,改造,空间,(,或高级,),(4),对天然蛋白质进行改造，应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？,_,。,原因是：,_,。,应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造,首先，任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因也就是对蛋白质进行了改造，而且改造过的蛋白质可以通过改造过的基因遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子也无法遗传；其次，对基因进行改造比对蛋白质直接进行改造要容易操作，难度要小得多。,蛋白质工程与基因工程,比较,蛋白质工程,基因工程,区,别,过,程,目,的,结,果,从预期的蛋白质功能出发设计预期的蛋白质结构推测应有的氨基酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列,(,基因,),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,定向改造或生产人类所需的蛋白质,定向改造生物的遗传特性,获得人类所需的生物类型或生物产品,可生产自然界没有的蛋白质,原则上只能生产自然界已存在的蛋白质,高温变,性,低温复,性,中温延,伸,加热,到,90-95,，,DNA,双,链的氢键,断裂解,旋为单链,降,到,55-60,，引物通过碱基,互补配对与单链,DNA,结合,升温,到,70-75,，在,DNA,聚合酶,的作,用下，以四种脱氧核苷酸为原料，,根据碱基互补,配对原则合成新的,DNA,链。,PCR,反应过程,循环,PCR,反应具体过程,原核细胞的基因结构,(,补充内容）,非,编码区,非,编码区,编码区,编码区上游,编码区下游,与,RNA,聚合酶结合位点,启动子,终止子,不编码蛋白质。,：编码蛋白质,连续不间断,编码区,非编码区,原核细胞的 基因结构,调控遗传信息表达,上,游有启动子，下游有终止子,真核细胞的基因结构（补充内容）,编码区,非编码区,非编码区,与,RNA,聚合酶,结合位点,内含子,外显子,启动子,终止子,编码区上游,编码区下游,真核细胞的 基因结构,编码区,非编码区,外显,子：能编码蛋白质的序列,内含子：不能编码蛋白质的序列,：,有调控作用,上游有启动子，下游有终止子,非,编码序列：,包括非编码区和内含子,获取目的基因（例如血清白蛋白基因）,构建基因表达载体（在血清白蛋白基因前加特异表达的启动子）,显微注射导入哺乳动物受精卵中,形成胚胎,将胚胎送入母体动物,发育成转基因动物（只有在产下的雌性个体中，转入的基因才能表达）。,思考,:,用基因工程技术实现动物,乳腺生物反应器,来生产人类血清白蛋白的操作过程是怎样的？,乳腺生物反应器的优点：产量高；质量好；,成本低；易提取。,如图是某种动物蛋白质工程的示意图，请分析回答：,(1),目前蛋白质工程中难度最大的是图中编号,_,所示的过程，实现过程的依据有,_,。,(2),若相关蛋白质的核酸片段是从细胞质获取的，则,过程包括,_,、,_,。,(3),过程中对核苷酸序列有严格要求的工具酶是,_,，进行过程的目的是,_,。,(4),为获得较多的受精卵用于研究，过程的处理方案是,_,。若过程所得的卵母细胞是从卵巢中获得的，则体外受精前的过程表示,_,。,A A T T C,G,下列黏性末端属于同种内切酶切割而成的是,A,、,B,、,C,、,D,、,T C G,A G C T T A A,A G,G T T C C A,A G C T T C,A G,A A T T C,G,A,T C G,A G C T T A A,一、基因工程的概念,基因工程的别名,操作环境,操作对象,操作水平,基本过程,实质,结果,基因拼接技术或,DNA,重组技术,生物体外,基因,DNA,分子水平,人类需要的生物类型和生物产品,剪切,拼接,导入,表达,基因重组,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,。,记一记,一、基因工程的概念,2.,分子手术刀,限制性核酸内切酶,(,限制酶,),1.,来源,:,原核生物,2.,作用,:,3.,特点,:,特异性,（,1,）、识别特定核苷酸序列；,（,2,）、切开特定部位的两个核苷酸之间的,磷酸二酯键,。,4.,结果：,产生,黏性末端,或,平末端,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。,