高中生物 1.1 基因工程概述同步课件 苏教版选修3.ppt

第一章基因工程 第一章基因工程 第一节基因工程概述 第一章基因工程 学习导航1 简述基因工程的概念 重点 2 举例说出基因工程的工具 重难点 3 简述基因工程的一般过程与技术 重难点 一 理论与技术1 理论基础 艾弗里证明了 是遗传物质 沃森和克里克阐明了dna分子的 结构 尼伦贝格等破译了 dna 双螺旋 遗传密码 2 技术 1 工具酶 和 2 载体 等 二 基因工程1 概念 在 通过人工 剪切 和 拼接 等方法 对生物的基因进行 然后导入 并使 在受体细胞中表达 产生人类需要的 的技术 dna连接酶 质粒 体外 改造和 重新组合 受体细胞 重组基因 基因产物 2 操作水平 水平 3 过程 基因 体外 转移以及在受体细胞内的 等 基因 分离 重组 复制和表达 想一想人工 剪切 和 拼接 的结构基础是什么 提示 dna的双螺旋结构 三 酶与载体1 限制性核酸内切酶 1 只能识别 序列 2 在合适的反应条件下使 条链 的2个核苷酸之间的 键断裂 3 切割出 末端 特定的核苷酸 每 特定 部位 磷酸二酯 黏性或平口 2 dna连接酶连接 个dna片段形成两个 键成为一个重组dna 3 载体 1 常见的载体有 以及一些动 植物 2 最简单的质粒载体必须包含三个部分 和 两 磷酸二酯 质粒 噬菌体 病毒 复制区 遗传标记基因 目的基因插入位点 判一判 1 限制性核酸内切酶能够破坏所有磷酸二酯键 2 dna连接酶通过形成磷酸二酯键连接黏性末端或平口末端 3 质粒的目的基因插入位点含有dna连接酶识别的序列 基因文库 pcr 同一种 重组 目的基因 受体 标记基因 克隆 目的基因 1 限制性核酸内切酶的识别与切割 1 限制性核酸内切酶能够识别特定的核苷酸序列 并有特定的切割位点 2 限制性核酸内切酶切开的末端是黏性末端或平口末端 限制性核酸内切酶所识别的dna序列 无论是6个碱基还是4 5 8个碱基 都可以找到一条中心轴线 中心轴线两侧的双链dna上的碱基是反向对称重复排列的 若限制性核酸内切酶在识别序列的中心轴线的两侧分别切割 则得到黏性末端 若限制性核酸内切酶在识别序列的中心轴线处进行切割 则得到平口末端 3 在切割位点处破坏了磷酸二酯键 4 不同的限制性核酸内切酶可以切割相同的黏性末端 5 限制性核酸内切酶一般存在于原核生物的细胞内 能够切断外源dna 2 dna连接酶 1 连接两个dna片段 2 形成磷酸二酯键 3 黏性末端能够形成碱基互补配对 4 dna连接酶和dna聚合酶的比较 特别提醒 1 不同的限制性核酸内切酶识别的核苷酸序列不同 切割位点不同 体现了酶的特异性 2 线性dna没有切割前有两个游离的磷酸基团 切割后有四个游离的磷酸基团 2012 扬州中学高二调考 下表为几种限制性核酸内切酶识别的序列和切割的位点 如图 已知某dna在目的基因的两端1 2 3 4四处有bamh 或ecor 或pst 的酶切位点 现用bamh 和ecor 两种酶同时切割该dna片段 假设所用的酶均可将识别位点完全切开 下列各种酶切位点情况中 可以防止酶切后单个含目的基因的dna片段自身连接成环状的是 a 1为ecor 2为bamh 3为bamh 4为pst b 1为bamh 2为ecor 3为bamh 4为pst c 1为pst 2为ecor 3为ecor 4为bamh d 1为bamh 2为ecor 3为pst 4为ecor 思路点拨 切割目的基因的两种限制性核酸内切酶切出的黏性末端不相同就不会发生自身环化 解析 现用bamh 和ecor 两种酶同时切割该dna片段获得目的基因 则2或3一定一个是bamh 切割 另一个是ecor 切割 两种限制性核酸内切酶切割出的黏性末端不相同 目的基因不会发生自身环化 变式训练1 限制性核酸内切酶a和b的识别序列和切割位点如图所示 下列有关说法错误的是 a 在相同的dna分子中a酶的识别位点一般明显要比b酶多b 能被a酶识别并切割的序列也能被b切割 c a酶与b酶切断的化学键相同d 将大量a酶和b酶切割后的片段混合 重新连接后的dna片段不一定全都能被b切割 解析 选b 比较a酶和b酶的识别序列发现 b酶识别和切割的序列 a酶一定能够识别和切割 但是a酶识别和切割的序列 b酶不一定能够识别和切割 1 质粒 1 结构 环状dna 2 分布 原核细胞的细胞质 3 能够作为载体的质粒组成 复制区 含有复制原点 是dna复制特定的起始位点 含有a t碱基对较多 遗传标记基因 主要是抗性基因 最常见的是抗生素抗性基因 如氨苄青霉素抗性基因 四环素抗性基因 氯霉素抗性基因和新霉素抗性基因等 用于鉴定和筛选重组dna分子 目的基因插入位点 是某种限制性核酸内切酶的切割位点 便于目的基因的插入 通常一个质粒上会含有多种限制性核酸内切酶的切割位点 2 重组质粒 1 由质粒和目的基因组成 又叫重组dna分子 2 在体外操作 3 需要利用限制性核酸内切酶和dna连接酶 4 结构分析 和质粒相比较多出一个目的基因结构 启动子和终止子控制目的基因的转录 a 启动子上有rna聚合酶识别和结合的位点 启动目的基因的转录 b 终止子 rna聚合酶不能与之结合 终止转录 特别提醒 1 质粒能够在宿主细胞内稳定存在 2 小分子质粒易于操作和分离纯化 2012 江都高二期末 科学家将人的生长激素基因与大肠杆菌的dna分子进行重组 并成功地在大肠杆菌中得以表达 但在进行基因工程的操作过程中 需使用特定的限制性核酸内切酶切割目的基因和质粒 便于重组和筛选 已知限制性核酸内切酶 的识别序列和切点是 g gatcc 限制性核酸内切酶 的识别序列和切点是 gatc 据图回答 1 由上述质粒结构图可知基因工程中的载体至少应具备的条件是 2 根据图示分析 在构建基因表达载体过程中 应选用限制性核酸内切酶 填 或 切割质粒 再用 缝合目的基因和质粒之间的缺口 可获得 种重组质粒 3 将得到的大肠杆菌b涂布在一个含有 的培养基上 待平板冷凝后为避免污染 需将培养皿呈 状态放置 经过一定时间培养后 能够在培养基上生长的 说明已导入了 反之则没有导入 解析 1 从图中可以看出质粒的结构特点是有两个标记基因分别是氨苄青霉素抗性基因和四环素抗性基因 并且有两种限制性核酸内切酶的切割位点 其中酶 切割位点有一个 酶 的切割位点有两个 2 如果使用酶 切割质粒 在两个抗性基因上都有切割位点 质粒的抗性基因被破坏 所以不能用酶 切割质粒 只能用酶 切割 保留一个氨苄青霉素抗性基因 对于目的基因的获取则不能使用酶 切割 只有使用酶 切割含有目的基因的dna 由于两种酶的黏性末端相同 所以在dna连接酶的作用下目的基因和切割的质粒的黏性末端能够形成碱基互补配对 由于质粒只有一个切口 所以目的基因和质粒只能形成一种重组质粒 3 将目的基因导入大肠杆菌的结果有三种 没有导入任何结构的大肠杆菌 导入插入目的基因的质粒的大肠杆菌和导入没有插入目标基因的质粒的大肠杆菌 由于都含有氨苄青霉素抗性基因 所以能够在含有氨苄青霉素的培养基上生长 接种微生物后的培养采用倒置培养皿的方式能够防止凝结在皿盖上的水蒸气流到培养基表面污染菌种 有利于菌种利用培养基营养 加快生长速度 答案 1 含标记基因 有一个或多个限制性核酸内切酶切割位点 2 dna连接酶1 3 氨苄青霉素倒置普通质粒或重组质粒 写一个不给分 探规寻律 1 当质粒有多个限制性核酸内切酶切割位点时 要分清切割后是否还存在抗性基因等标记基因 2 限制性核酸内切酶要切割完整的目的基因 不能破坏目的基因的结构 3 不同的限制性核酸内切酶切割要注意黏性末端能否碱基互补配对 变式训练2 2012 南京师大附中高二月考 下图为重组质粒形成示意图 将此重组质粒导入大肠杆菌 然后将大肠杆菌放在四种培养基中培养 a 无抗生素的培养基 b 含四环素的培养基 c 含氨苄青霉素的培养基 d 含四环素和氨苄青霉素的培养基 含重组质粒的大肠杆菌能生长的是 a ab a和cc a和bd b和c 解析 选b 从图中可以看出人的生长激素基因插入到抗四环素基因中 导致抗四环素基因结构被破坏 无法表达 重组质粒只有抗氨苄青霉素基因能够表达 导入此重组质粒的大肠杆菌只能够在无抗生素或含有氨苄青霉素的培养基上生长 不能在含有四环素的培养基上生长 1 目的基因获取 1 从基因文库中获取 基因文库的构建 切割某一种生物细胞的整个基因组dna成为大小合适的片段 构建重组质粒 分别导入宿主细胞 宿主细胞繁殖成群成为基因文库 扩增dna片段 特点 包含了某种生物细胞的全部基因 获取目的基因的方法 根据基因的核苷酸序列 基因的功能 基因在染色体上的位置 基因的转录产物和翻译产物等信息 可直接从基因文库中获得目的基因 2 pcr技术扩增目的基因 原理 dna复制 过程 变性 退火 延伸 与细胞内dna复制不同点 解旋不需要解旋酶 需要引物 热稳定dna聚合酶 taq酶 快速大量复制 目的基因循环扩增的结果 后代分为三种情况 一个只含有引物a的目的片段 一个只含有引物b的目的片段 2n 2个同时含有引物a和b的目的片段 特别提醒pcr技术过程所需能量来自热能 细胞内dna复制所需能量来atp水解 2 制备重组dna分子 基因工程的核心 1 目的 使目的基因在受体细胞中稳定存在 能够遗传给下一代 使目的基因能够表达和发挥作用 2 基因表达载体的结构 由启动子 目的基因 终止子 标记基因和复制原点组成 启动子 在目的基因的上游 是rna聚合酶识别和结合的部位 启动目的基因的转录 终止子 在目的基因的下游 终止目的基因的转录 3 转化受体细胞 将携带目的基因的载体导入受体细胞 当受体细胞为微生物细胞时 常用cacl2处理微生物细胞 以增大细胞壁的通透性 有利于载体的导入 4 筛选重组细胞 1 筛选 根据标记基因进行筛选 插入灭活法 将目的基因插入特定的某种抗生素抗性基因中 该抗性基因结构被破坏 该种抗生素抗性消失 含有重组质粒的细菌不能在含有该抗生素的培养基上生长繁殖 根据目的基因及其产物进行筛选 2 克隆5 实现功能表达 2011 高考海南卷 回答有关基因工程的问题 1 构建基因工程表达载体时 用不同类型的限制性核酸内切酶切割dna后 可能产生黏性末端 也可能产生 末端 若要在限制性核酸内切酶切割目的基因和质粒后使其直接进行连接 则应选择能使二者产生 相同 不同 黏性末端的限制性核酸内切酶 2 利用大肠杆菌生产人胰岛素时 构建的表达载体含有人胰岛素基因及其启动子等 其中启动子的作用是 在用表达载体转化大肠杆菌时 常用 处理大肠杆菌 以利于表达载体进入 为了检测胰岛素基因是否转录出了mrna 可用标记的胰岛素基因片段作探针与mrna杂交 该杂交技术称为 为了检测胰岛素基因转录的mrna是否翻译成 常用抗原 抗体杂交技术 3 如果要将某目的基因通过农杆菌转化法导入植物细胞 先要将目的基因插入农杆菌ti质粒的 中 然后用该农杆菌感染植物细胞 通过dna重组将目的基因插入植物细胞的 上 解析 1 限制性核酸内切酶能识别特定的dna序列 并在特定位点上切割dna 形成黏性末端或平口末端 要使目的基因和质粒直接进行连接 应使用同一种限制性核酸内切酶进行切割 使二者产生相同的黏性末端 2 启动子为dna序列 其具有rna聚合酶结合位点 能启动转录 合成rna 将基因表达载体导入大肠杆菌时 常用ca2 处理大肠杆菌 检测目的基因时 常用分子杂交技术检测目的基因或相应的mrna 或采用抗原 抗体杂交技术鉴定相应的蛋白质 3 用农杆菌转化法将目的基因导入植物细胞时 首先将目的基因导入农杆菌ti质粒的dna中 再利用农杆菌侵染植物细胞 通过dna重组将目的基因插入植物细胞的染色体的dna上 答案 1 平口相同 2 rna聚合酶识别和结合的位点 有了它才能驱动基因转录出mrna 最终获得所需要的蛋白质ca2 dna分子杂交技术人胰岛素 3 dna染色体的dna 探规寻律 1 选择限制性核酸内切酶的标准首先保证目的基因结构的完整性 其次相同的限制性核酸内切酶切割质粒时 质粒至少有一个完整的标记基因 2 重组质粒就是基因表达载体 目的基因的上游就是启动子 是一段含有rna聚合酶识别并结合的位点的脱氧核苷酸序列 负责启动目的基因的转录 下游是终止子 终止目的基因的转录 3 标记基因是筛选转化细胞的依据 变式训练3 采用基因工程技术将人凝血因子基因导入山羊受精卵 培育出了转基因羊 但是 人凝血因子只存在于该转基因羊的乳汁中 以下有关叙述正确的是 a 人体细胞中凝血因子基因编码区的碱基对数目等于凝血因子氨基酸数目的3倍b 可用显微注射技术将含有人凝血因子的重组dna分子导入羊的受精卵 c 在该转基因羊体内 人凝血因子基因存在于乳腺细胞中 不存在于其他体细胞中d 人凝血因子基因开始转录后 dna连接酶以dna分子的一条链为模板合成mrna解析 选b 在人体细胞中 凝血因子基因编码区既有内含子 也有外显子 内含子不能编码氨基酸 所以凝血因子基因编码区的碱基对数目要大于凝血因子氨基酸数目的3 倍 多细胞生物体的个体发育起点为受精卵 受精卵经有丝分裂形成一个完整的个体 所以转基因羊中人凝血因子基因不仅存在于乳腺细胞中 其他体细胞中也有 只是没有表达 人凝血因子基因开始转录后 以dna分子的一条链为模板合成mrna 在这一过程中用的是rna聚合酶而不是dna连接酶 制备重组dna分子 例题 苏云金杆菌 bt 能产生具有杀虫能力的毒素蛋白 如图是转bt毒素蛋白基因植物的培育过程示意图 ampr为抗氨苄青霉素基因 据图回答下列问题 1 将图中 的dna用hind bamh 完全酶切后 反应管中有 种dna片段 2 图中 表示hind 与bamh 酶切 dna连接酶连接的过程 此过程可获得 种重组质粒 如果换用bst 与bamh 酶切 目的基因与质粒连接后可获得 种重组质粒 3 目的基因插入质粒后 不能影响质粒的 4 图中 的ti质粒调控合成的vir蛋白 可以协助带有目的基因的t dna导入植物细胞 并防止植物细胞中 对t dna的降解 5 已知转基因植物中毒素蛋白只结合某些昆虫肠上皮细胞表面的特异受体 使细胞膜穿孔 肠细胞裂解 昆虫死亡 而该毒素蛋白对人类的风险相对较小 原因是人类肠上皮细胞 6 生产上常将上述转基因作物与非转基因作物混合播种 其目的是降低害虫种群中的 基因频率的增长速率 解析 1 图中 的dna是链状dna 有hind 的切割位点1个 bamh 的切割位点有2个 且切割位点不重复 两种限制性核酸内切酶有三个切割位点 则完全酶切后形成4个dna片段 图中可以看出4个片段长短不同 2 hind 与bamh 酶切质粒 有两个dna片段且两端的黏性末端能够和目的基因的黏性末端形成碱基互补配对