基因工程及其应用(祁铁军)课件

基因工程及其应用西安市五环中学祁铁军转基因西红柿转基因驱蚊草转入荧光素酶蛋白基因的发荧光烟草蓝色妖姬转基因超级小鼠能发荧光的热带斑马鱼普通热带斑马鱼是不发荧光的如何让普通热带斑马鱼也发荧光?(1)为什么能把一种生物的基因“嫁接”到另一种生物上？(2)推测这种“嫁接”怎样才能实现？(3)这种“嫁接”对品种的改良有什么意义？目前，全球的氮肥生产耗费世界总电力的3%—4%，而且农作物只能吸收氮肥的1/10，造成大面积土壤和水质污染。（而固氮菌可以固定空气中的氮。）能否让禾本科的植物也能够固定空气中的氮？设想经过多年的努力，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。一、基因工程的原理从大肠杆菌说起胰岛素每100kg猪或牛的胰腺中提取4~5g胰岛素

1979年，利用大肠杆菌的DNA分子重组，2000L培养液提取100g，相当于2吨猪胰腺中提取的量问题探讨把人的胰岛素基因“嫁接”到大肠杆菌上关键步骤一：胰岛素基因怎样从人的细胞内提取？

关键步骤二：胰岛素基因由谁负责“运输”？关键步骤三：胰岛素基因怎样进入到大肠杆菌细胞内？你认为上述培育转基因大肠杆菌的关键步骤有哪些？培育转基因大肠杆菌的关键步骤1.ONE胰岛素基因从人体细胞内提取出来2.TWO胰岛素基因与运载体DNA连接3.THREE胰岛素基因导入受体(大肠杆菌)细胞基因的“剪刀”基因的“针线”基因的运载体一、基因工程的基本工具（1）基因的“剪刀”：限制性核酸内切酶G

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↓限制酶↓一、基因工程的基本工具（1）基因的“剪刀”：限制性核酸内切酶G

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TTCG基因工程的基本工具（1）基因的“剪刀”：限制性核酸内切酶CTT

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TTCG②作用特点：③结果：④举例：特异性，即识别特定核苷酸序列，切割特定切点。产生黏性未端（碱基互补配对）。大肠杆菌的一种ECORI限制酶识别GAATTC序列，并在G和A之间切开）。黏性末端黏性末端限制性内切酶除了某些病毒以外，限制性内切酶只在原核生物中发现识别序列和切割位点AATTCGGCTTAAGGACCTTCCAGG黏性末端平末端CTTCATGAATTCCCTAA

GAAGTACTTAAGGGATTGGCATCTTAAAATTCCGTAG练习使用EcoRI剪切目的基因CTTCATGAATTCCCTAA

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目的基因黏性末端什么叫黏性末端？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。一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切割点上将DNA分子切断。目前已发现的限制酶有500多种。(2)基因的针线：DNA连接酶CTT

AAG黏性末端黏性末端

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一、基因工程的基本工具(2)基因的针线：DNA连接酶CTT

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TTCGDNA连接酶一、基因工程的基本工具(2)基因的针线：DNA连接酶CTT

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TTCGDNA连接酶一、基因工程的基本工具CTT

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TTCG(2)基因的针线：DNA连接酶重组DNA分子

一、基因工程的基本工具基因的针线——DNA连接酶（二）基因操作的工具

DNA连接酶可把黏性末端之间的缝隙“缝合”起来，即把梯子两边扶手的断口连接起来，这样一个重组的DNA分子就形成了。磷酸二酯键使用DNA连接酶制作重组DNA分子甲片段CTTCATGAATTCCCTAA

GAAGTACTTAAGGGATT乙片段GGCATCTTAAAATTCCGTAG

重组DNA分子GGCATCTTAAAATTCCGTAG常用的运载体主要有两类：

1）细菌细胞质的质粒

2）噬菌体或某些动植物病毒（3）基因的运输工具——运载体一、基因工程的基本工具质粒是存在于细菌(酵母菌中也有)细胞质中独立于拟核DNA而自主复制的环状双链DNA分子。（3）基因的运输工具——运载体一、基因工程的基本工具质粒：质粒是染色体外能够进行自主复制的遗传单位，包括真核生物的细胞器和细菌细胞中核区外的DNA分子。现在习惯上用来专指细菌、酵母菌和放线菌等生物中核以外的DNA分子。

质粒是基因工程最常用的运载体。绝大多数细菌质粒都是闭合环状DNA分子。有的一个细菌中有一个，有的一个细菌中有多个。基因工程的目的基因A、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（每种限制酶切点最好只有一个），以便与外源基因连接3、具有标记基因，便于进行筛选B、常用的运载体：质粒、噬菌体和动、植物病毒等

标记基因，便于进行检测。

其中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.

C、它们的共同特点是：都有侵染或进入宿主细胞的能力基因工程的基本操作步骤：四步曲：1、提取目的基因2、目的基因与运载体结合3、将目的基因导入受体细胞4、目的基因的检测和表达目的基因（三）基因操作的基本步骤目的基因是人们所需要转移或改造的基因。如苏云金芽孢杆菌的抗虫基因，还有植物的抗病（抗病毒、抗细菌）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。直接分离基因人工合成基因目的基因的提取方法（三）基因操作的基本步骤目的基因与运载体重组

1）用一定的限制酶切割质粒，使其出现一个切口，露出黏性末端。

2）用同一种限制酶切断目的基因，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）目的基因与运载体的结合过程，实际上是不同来源的基因重组的过程。（三）基因操作的基本步骤常用的受体细胞：有大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母菌和动植物细胞等。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。目的基因导入受体细胞（三）基因操作的基本步骤目的基因的检测和表达四环素抗性基因氨苄青霉素抗性基因（三）基因操作的基本步骤不能，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。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。第一步：三、基因工程基本步骤：第二步：获取目的基因目的基因与运载体结合方法：1、直接分离：鸟枪法2、人工合成：注意：要保持基因的完整性注意：要用同一种限制酶切取目的基因和运载体，并用DNA连接酶连接。结果：三种情况结果要筛选第三步：第四步:将目的基因导入受体细胞目的基因的检测和表达1、常用的受体细胞：大肠杆菌、枯草杆菌、酵母菌、动植物细胞等2、常用微生物作受体细胞的原因：微生物增殖快、代谢快、目的产物多3、若受体细胞为细菌应作何处理：应用CaCl2处理一般检测：标记基因是否表达目的是：增大细胞壁的通透性小结基因工程基因操作的基本步骤基因操作的工具限制性内切酶DNA连接酶运载体目的基因与运载体结合目的基因的检测和表达将目的基因导入受体细胞提取目的基因第2节基因工程及其应用(第2课时)二、基因工程的应用

运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的农作物及家畜、家禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的动、植物。1、基因工程与作物育种将细菌的抗虫、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。2）抗逆性品种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和具有抗逆性的作物新品种转入向日葵基因的大豆用基因工程的方法可以改善粮食作物的蛋白质含量。如“向日葵豆”植株。转鱼抗寒基因的番茄转黄瓜抗青枯病基因的甜椒

1、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。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激素基因分别注射到小白鼠受精卵中，得到的“超级小鼠”。

生长快、肉质好的转基因鲤鱼(中国)超级羊乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷)导入人基因具特殊用途的猪

2、利用某些特定的外源基因在哺乳动物体内表达，从这些动物的乳腺细胞中获得人类所需要的各种物质，如激素、抗体及酶类等。基因工程在畜牧养殖业上的应用背上长人耳的老鼠转黄瓜抗青枯病基因的甜椒转入抗寒基因的番茄转基因鲑鱼不会引起过敏的转基因大豆抗虫转基因植物抗虫玉米、抗虫水稻等作物的使用，减少了农药的用量，大大降低了生产成本，并且降低了农药对环境的污染。抗虫玉米

基因工程育种的优点：

1、育种周期短；2、目的性强；3、克服远源杂交不亲和的障碍。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晶体，能使棉铃虫等鳞翅口害虫瘫痪致死。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。转基因龙胆花色奇异转基因蓝猪耳改变花色转基因牵牛花改变了花色A：紫外光照射下的转绿色荧光蛋白的Eustoma(Lisianthus)花。B：没有绿色荧光蛋白的空质粒的花，会发光的转基因鱼在猴子的未受精卵中加入附加基因，并利用它成功培育出健康活泼的小猴“安迪”。

通过对“安迪”的研究我们可以简单地引进如老年性痴呆病的基因、帕金森病基因等，加快针对这类疾病疫苗的开发研究。首只转基因猴诞生，人类未来喜忧参半导入贮藏蛋白基因的超级羊和超级小鼠导入人基因具特殊用途的猪和小鼠超级动物特殊动物图为2001年12月底出生的5只可爱的转基因克隆小猪。据培育者英国PPL医疗公司称，这些转基因小猪将为研究和“生产”适用于人体移植手术使用的动物器官提供巨大的帮助。中国首批t-PA转基因羊在山东东营诞生

t-PA是目前治疗急性心肌梗塞最好的溶血栓药物，如果从国外进口，价格非常昂贵，由动物的乳腺生产出含有t-PA的药物蛋白，价格就会大大降低。动物乳腺生物反应器项目取得重大突破

2002年，中国转基因棉花达到150万公顷，已经占到棉花产量的1／3.我国大豆食用油近七成是“转基因”产品与杂交育种、诱变育种相比较，基因工程育种的优点有哪些？目的性强、克服远源杂交不亲和性、育种周期短2、基因工程与药物研制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。生产基因工程药品胰岛素——治疗糖尿病的特效药。干扰素——抗病毒的特效药。方法特点胰岛素干扰素传统方法直接从生物体的组织、细胞或血液中提取产量低价格昂贵4～5g/100kg胰腺1mg/300L血液基因工程“工程菌”发酵工业化生产高质量低成本100g/2000L大肠杆菌培养液20～40mg/1kg细菌培养物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。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%!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。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。人造血液及其生产人造血液及其生产我国生产的部分基因

工程疫苗和药物白细胞介素、溶血栓剂、凝血因子、人造血液代用品疫苗：乙肝、狂犬病、百日咳、霍乱、伤寒、疟疾基因工程药品1、微生物基因工程：即把目的基因导入大肠杆菌等菌中，通过微生物表达目的基因的产物。2、细胞基因工程：即用哺乳动物细胞株表达目的产物3、转基因动物：即将目的基因直接导入鼠、兔、羊和猪体内，使目的基因在哺乳动物体内表达，从儿获得目的产物产品名称菌株或细胞应用人胰岛素大肠杆菌人生长激素大肠杆菌表皮生长因子大肠杆菌白细胞介素-2大肠杆菌a—干扰素酵母菌乙型肝炎疫苗酵母菌溶血栓剂哺乳动物细胞治疗糖尿病治疗生长缺陷症治疗烫伤、胃溃疡治疗某些癌症治疗癌症或病毒感染预防病毒性肝炎治疗心血管病（心脏病）3、基因工程与环境保护⑴环境监测：

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。(2)环境污染治理

1）用基因工程产物——“超级细菌”分解石油，可以大大提高细菌分解石油的效率。3）通过基因重组构建新的杀虫剂，取代生产过程中耗能多、易造成环境污染的农药，并试图通过基因工程回收和利用工业废物。2）用基因工程培养出“吞噬”汞和降解土壤中DDT的细菌，以及能够净化镉污染的植物。

2006年3月14日绿色和平组织发布消息,称亨氏营养米粉含有转Bt基因抗虫水稻成分。

那么转基因食品到底安全吗？什么样的转基因食品才能上市？如何面对市场上的转基因食品呢？

转基因食品

安全吗?!基因一旦被改动，一方面可能引起生物体内一系列未知的结构与功能的变化；另一方面，转基因操作对生物体的影响会通过遗传传递。

转基因技术的安全性问题外源基因引入后，是否会影响其他重要的调节基因，甚至会激活原癌基因？转基因技术广泛应用是否会导致难以消灭的新病原物出现？是否会造成生态学灾难？人类摄食大量转基因食品是否会影响人类及其后代的健康？三、转基因生物和转基因食品的安全性转基因生物和转基因食品的安全性1、转基因生物可能对人体健康产生不利影响，严重的可以致癌和其他疾病。2、转基因生物可能对环境质量、生态系统或生态系统的稳定性产生不利影响。3、基因武器可能给人类带来毁灭性的危险。

转基因植物的安全性问题转基因植物释放到田间，是否会将基因转移到野生植物中，是否会破坏自然生态环境，打破原有生物种群的动态平衡。

转基因食品的安全性问题植物里导入了具有抗除草剂或毒杀虫功能的基因后，它是否也象其他有害物质一样能通过食物链进入人体内；转基因食品经由胃肠道的吸收而将基因转移至胃肠道微生物中，从而对人体健康造成影响转基因生物和转基因食品的安全性你认为应该如何对待转基因生物和转基因食品的安全性问题？目前，大多数专家认为，已经投入商品化生产的转基因番茄、玉米等农产品都是安全的。迄今为止尚无食用转基因生物产品引起任何严重问题的科学报道。转基因抗虫棉、耐贮藏番茄、抗病毒甜椒及基因工程疫苗等已获得生产应用安全证书。

1.基因工程育种的优点：

目的性强，可以按照人们的意愿定向改造生物，能打破物种（生殖隔离）界限，实现远源杂交，而且周期短。

2.基因工程育种的缺点：

可能会引起生态危机，技术难度大。

3.基因工程的应用实例：

“傻瓜水稻”、抗虫棉等。

小结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、基因控制的性状都能在后代表现出来C课堂反馈2.有关基因工程的叙述正确的是（）

A、限制酶只在获得目的基因时才用

B、重组质粒的形成在细胞内完成

C、质粒都可作为运载体

D、蛋白质的结构可为合成目的基因提供资料D

3.1993年我国科学工作者培育成的抗棉铃虫的转基因抗虫棉，其抗虫基因来源于（）A、普通棉花的基因突变B、棉铃虫变异形成的致死基因C、寄生在棉铃虫体内的线虫D、苏云金芽孢杆菌体内的抗虫基因D4.不属于基因工程方法生产的药物是（）A、干扰素B、白细胞介素C、青霉素D、乙肝疫苗 C4.有关基因工程的叙述中，错误的是（）