专题1基因工程(定稿)

基因工程概念

基因工程，又叫DNA重组技术。是指按照人们的愿望，进行严格的设计，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。原理操作环境操作对象操作水平基本过程结果第一页，共58页。原理基因重组操作环境生物体外操作对象基因操作水平DNA分子水平基本过程剪切拼接导入表达结果人类需要的基因产物对DNA分子的精确操作，至少需要三种工具第二页，共58页。1）限制性核酸内切酶——“分子手术刀”2）DNA连接酶——“分子缝合针”3）基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”DNA重组技术的基本工具2第三页，共58页。1）限制性核酸内切酶——“分子手术刀”已发现4000多种限制酶（主要从原核生物中分离）1、限制酶（切割DNA）的特性：限制性核酸内切酶，能特异性识别某种序列并在特定部位切割。2、限制酶切割的是磷酸二酯键3、限制酶切割产生的DNA片段末端有两种形式限制酶是一类酶，而不是一种酶。每种限制酶，只能特异性识别一种序列

第四页，共58页。黏性未端与平未端在识别序列的中心轴线两侧切开---黏性未端在识别序列的中心轴线处切开------平未端第五页，共58页。2）DNA连接酶——“分子缝合针”连接酶的作用：将被切开的DNA的两个末端连接起来，

使之成为一个完整的DNA分子。连接的部位：磷酸二酯键，不是氢键。DNA连接酶分为两类：T4DNA连接酶--------可以缝合DNA片段的黏性未端与平未端E·coliDNA连接酶------只能将互补的黏性未端之间连接起来第六页，共58页。DNA连接酶DNA聚合酶连接DNA链连接部位相同点双链单链在两DNA片段之间形成磷酸二酯键将单个脱氧核苷酸加到已存在的核酸片段上，形成磷酸二酯键都能形成磷酸二酯键DNA连接酶和DNA聚合酶是一回事吗？第七页，共58页。3）基因进入受体细胞的载体-----运载体载体的作用：载体的必要条件：载体的种类：

将外源基因送入受体细胞。3）具有特殊的遗传标记基因（供重组DNA的鉴定和选择）质粒、噬菌体和动植物病毒。1）具有自我复制能力（能在宿主细胞内稳定地保存）2）具有一个或多个限制酶切割位点（供外源DNA插入）第八页，共58页。质粒·质粒是基因工程中最常用的运载体；·质粒是独立于拟核DNA外、能自主复制的小型环状DNA分子；·质粒DNA分子上具有一个至多个限制酶切点；·重组质粒进入受体细胞后，在细胞中自我复制，或整合到染色体DNA上；·质粒上有特殊的标记基因第九页，共58页。（2017高考Ⅰ）38、真核生物基因中通常有内含子，而原核生物基因中没有，原核生物没有真核生物所具有的切除内含子对应的RNA序列的机制。已知在人体中基因A（有内含子）可以表达出某种特定蛋白（简称蛋白A）。回答下列问题：（2）若用家蚕作为表达基因A的受体，在噬菌体和昆虫病毒两种载体中，不选用____________作为载体，其原因是_____________________。

噬菌体的宿主是细菌，而不是家蚕

噬菌体第十页，共58页。(1)目的基因的获取------切(2)基因表达载体的构建------接(3)将目的基因导入受体细胞-----导(4)目的基因的检测与鉴定-----检基因工程的基本操作程序3第十一页，共58页。（一）目的基因的获取将需要的基因从供体生物的细胞内提取出来。取出DNA用限制酶切断DNA

目前被较广泛提取使用的目的基因有：苏云金杆菌抗虫基因、人胰岛素基因、人干扰素基因、种子贮藏蛋白基因、植物抗病基因等。第十二页，共58页。目的基因的概念主要是指编码蛋白质基因，也可以是一些具有调控作用的因子。例如：与生物抗逆性相关的基因，与生物优良品质相关的基因，药物和保健品相关的基因，与毒物降解相关的基因，以及与工业所需要酶相关的基因。第十三页，共58页。基因的结构（1）原核生物基因结构编码区非编码区非编码区编码蛋白质编码区上游编码区下游调控遗传信息的表达（调控程序）…A‥………ATGTGCACGTAGTTA………‥G……T‥………TACACGTGCATCAAT………‥C…启动子终止子基因的结构第十四页，共58页。编码区非编码区非编码区启动子终止子ATGTGCACGTAGTTATACACGTGCATCAATRNA聚合酶AUGUGCACGUAGUUA

启动子：位于基因首端一段能与RNA聚合酶结合并能起始mRNA合成的序列。没有启动子，基因就不能转录。RNA聚合酶:能够识别启动子上的结合位点并与其结合的一种蛋白质.

终止子：位于基因的尾端的一段特殊的DNA片断，它能阻碍RNA聚合酶的移动，并使其从DNA模板链上脱离下来，使转录终止。第十五页，共58页。编码区非编码区非编码区（能编码蛋白质）启动子终止子外显子内含子（不能编码蛋白质）（2）真核生物基因结构外显子：真核细胞基因DNA中的编码序列，这些序列被转录成RNA并进而翻译为蛋白质。内含子：真核细胞基因DNA中的间插序列，这些序列被转录成RNA，但随即被剪除而不翻译。基因的结构第十六页，共58页。（3）真核与原核生物基因结构的比较①相同点：都是由能够编码蛋白质的编码区和具有调控作用的非编码区。②不同点：原核细胞基因的编码区是连续的；真核细胞的编码区是间隔的，不连续的。第十七页，共58页。①从基因文库中获取②利用PCR技术扩增获取③人工合成法获取目的基因的方法第十八页，共58页。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。基因文库

基因组文库部分基因文库（1）基因文库（如:cDNA文库）包含了这种生物的所有基因包含了这种生物的部分基因第十九页，共58页。⑵基因文库的构建方法①直接分离法：基因组DNA文库的构建cDNA文库的构建②反转录法：第二十页，共58页。

将某种生物体内的DNA全部提取出来，选用适当的限制酶，将DNA切割为许多片段，再用运载体将这些片段导入受体菌的群体中储存，每个受体菌都含有了一段不同的DNA片段。即这个群体包含了这种生物的所有基因，叫做这种生物的基因组文库。用限制酶切成许多片断第二十一页，共58页。②反转录法构建cDNA文库用某种生物发育的某个时期的mRNA互补合成逆转录

双链DNA（也叫cDNA）单链DNA

再用运载体将这些DNA片段导入受体菌的群体中储存，即这个群体包含了这种生物的部分基因，叫做这种生物的cDNA文库。基因中无启动子，也无内含子此mRNA对应DNA编码蛋白质的片段第二十二页，共58页。文库类型cDNA文库基因组文库文库大小基因中启动子基因中内含子基因多少物种间的基因交流有大无小无有某种生物的部分基因某种生物的全部基因可以部分基因可以第二十三页，共58页。（2017高考Ⅰ）38、真核生物基因中通常有内含子，而原核生物基因中没有，原核生物没有真核生物所具有的切除内含子对应的RNA序列的机制。已知在人体中基因A（有内含子）可以表达出某种特定蛋白（简称蛋白A）。回答下列问题：（1）某同学从人的基因组文库中获得了基因A，以大肠杆菌作为受体细胞却未得到蛋白A，其原因是_________________。

基因A有内含子，在大肠杆菌中，其初始转录产物中与内含子对应的RNA序列不能被切除，无法表达出蛋白A

第二十四页，共58页。如何从基因文库中得到所需要的基因？如：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mRNA

基因翻译产物蛋白质等特性。是否一定要构建基因文库？未知目的基因序列时第二十五页，共58页。①概念：PCR全称为_______________，是一项在生物____复制___________的核酸合成技术。④条件：_________、_______________、________、___________

.

③原理：__________聚合酶链式反应体外特定DNA片段DNA双链复制模板DNA四种脱氧核苷酸DNA引物热稳定DNA聚合酶2.利用PCR扩增目的基因已知目的基因序列时⑤方式：以_____方式扩增，即____（n为扩增循环的次数）⑥结果：使目的基因的片段在短时间内成百万倍地扩增指数2n②前提：__________已知一段目的基因的核苷酸序列PCR扩增仪第二十六页，共58页。⑦过程a、变性（90℃-95℃）：双链DNA模板在热作用下，_____断裂，形成___________b、复性（复性55℃-60℃）：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，合成与模板互补的________。氢键单链DNA双链DNA链第二十七页，共58页。3.人工合成——根据已知的氨基酸序列合成DNA蛋白质的氨基酸序列mRNA的核苷酸序列结构基因的核苷酸序列推测推测目的基因化学合成已知核苷酸序列的较小基因可以化学合成，不需要模板。DNA合成仪第二十八页，共58页。（二）基因表达载体的构建---核心第二十九页，共58页。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1、基因表达载体的作用质粒含目的基因的DNA限制酶处理一个切口两个黏性末端两个切口获得目的基因DNA连接酶表达载体同一种2.过程思考：作为基因工程表达载体，只需含有目的基因就可以完成任务吗？第三十页，共58页。3.基因表达载体的组成：它们有什么作用？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RNA聚合酶结合位点位于基因的末端,终止转录检测目的基因是否导入受体细胞e、复制原点目的基因、启动子、终止子不是质粒上固有的，标记基因、复制原点是质粒上固有的。表达载体在宿主细胞中复制的起点外源编码蛋白质的基因第三十一页，共58页。＊如果目的基因是从基因组文库中获取的，因为目的基因本身已含有启动子、终止子，在构建表达载体时，就不需要再加启动子、终止子。＊如果目的基因是从部分基因文库中获取的，因为目的基因本身不含有启动子、终止子，在构建表达载体时，就需要再加启动子、终止子。第三十二页，共58页。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。（三）将目的基因导入受体细胞—转化目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达，称为转化第三十三页，共58页。1、将目的基因导入植物细胞①农杆菌转化法A、能在自然条件下感染双子叶植物和裸子植物，而对大多数单子叶植物无感染能力。当植物体受到损伤时，伤口处的细胞会分泌大量的酚类物质，吸引农杆菌移向这些细胞，这时农杆菌的特点：B、农杆菌中的Ti质粒上的T-DNA可转移至受体细胞，并且整合到受体细胞染色体DNA上。第三十四页，共58页。将包裹在金属颗粒表面的表达载体DNA打入受体细胞。单子叶植物常用，成本较高③花粉管通道法②基因枪法使目的基因借助花粉通道进入受体细胞，简便经济第三十五页，共58页。2、将目的基因导入动物细胞

显微注射技术：将基因表达载体提纯，用显微注射仪注射到受精卵中目前采用最多，最有效的方法第三十六页，共58页。3、导入微生物细胞①原核生物特点：繁殖快、单细胞、遗传物质少②方法：用Ca2+处理细胞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分子氯化钙处理，细胞处于最适摄取和容忍外来DNA的生理状态第三十七页，共58页。（2017高考Ⅰ）38、真核生物基因中通常有内含子，而原核生物基因中没有，原核生物没有真核生物所具有的切除内含子对应的RNA序列的机制。已知在人体中基因A（有内含子）可以表达出某种特定蛋白（简称蛋白A）。回答下列问题：（3）若要高效地获得蛋白A，可选用大肠杆菌作为受体，因为与家蚕相比，大肠杆菌具有________________________（答出两点即可）等优点。繁殖快、容易培养第三十八页，共58页。生物种类植物细胞动物细胞微生物细胞常用方法受体细胞农杆菌转化法体细胞显微注射法受精卵微生物细胞Ca2+处理法小结：目的基因导入受体细胞的方法将目的基因导入植物细胞时，受体细胞可以是体细胞，但是将目的基因导入动物细胞时，受体细胞一定要是受精卵，为什么？思考第三十九页，共58页。

＊目的基因进入植物细胞后，可以插入到植物细胞中染色体的DNA上，形成转基因细胞，就可以使目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达。再用这些转基因细胞进行植物组织培养，就可以得到转基因植物了。

＊目的基因导入动物细胞时，必须导入到受精卵里，使目的基因与受精卵染色体DNA整合，这样细胞分裂时，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，这样才能得到转基因动物。第四十页，共58页。(四)目的基因的检测与鉴定类型检测内容方法结果显示分子检测目的基因是否插入染色体DNA（真核生物

）是否转录出mRNA是否翻译出蛋白质提取转基因生物的DNA，用标记的含目的基因的DNA片段作为探针，使探针与基因组DNA分子杂交杂交带提取mRNA，用探针DNA与mRNA分子杂交提取蛋白质，用相应的抗体进行抗原-抗体杂交杂交带杂交带目的基因是否表达个体水平鉴定抗病抗虫的接种实验；基因工程产品与天然产品的功能进行活性比较有无抗性及抗性的程度；活性是否相同第四十一页，共58页。（2017高考课标Ⅰ）38、真核生物基因中通常有内含子，而原核生物基因中没有，原核生物没有真核生物所具有的切除内含子对应的RNA序列的机制。已知在人体中基因A（有内含子）可以表达出某种特定蛋白（简称蛋白A）。回答下列问题：（4）若要检测基因A是否翻译出蛋白A，可用的检测物质是___________________（填“蛋白A的基因”或“蛋白A的抗体”）。（5）艾弗里等人的肺炎双球菌转化实验为证明DNA是遗传物质做出了重要贡献，也可以说是基因工程的先导，如果说他们的工作为基因工程理论的建立提供了启示，那么，这一启示是_______________。DNA可以从一种生物个体转移到另一种生物个体第四十二页，共58页。运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的农作物及畜、禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的动、植物。基因工程的应用4第四十三页，共58页。植物基因工程硕果累累抗虫转基因植物抗虫基因种类：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。抗病转基因植物抗逆转基因植物技术原理：从某些生物中分离出具有抗虫、抗病、抗逆的基因，将其导入作物中，使其具有抗虫、抗病、抗逆的特性。抗病基因种类:A抗病毒基因:病毒外壳蛋白基因、病毒的复制酶基因B抗真菌基因:几丁质酶基因和抗毒素合成基因抗逆基因种类:调节细胞渗透压基因使作物抗碱、抗旱；鱼的抗冻蛋白基因使作物耐寒；抗除草剂基因使作物抗除草剂.改良品质的转基因植物技术原理：从某些生物中分离出具有优良品质的基因，将其导入作物中，改良植物第四十四页，共58页。抗虫害的玉米第四十五页，共58页。转黄瓜抗青枯病基因的甜椒转鱼抗寒基因的番茄获得高产、稳产和具有优良品质的农作物和具有抗逆性的作物新品种。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。

第四十六页，共58页。动物基因工程

①提高动物生长速度②改善畜产品品质③用转基因动物生产药物④用转基因动物作器官移植的供体①生长速度加快的转生长激素基因动物②乳汁中含乳糖较少的转肠乳糖酶基因动物③药用蛋白基因+乳腺蛋白基因的启动子④将器官供体基因组导入某种调节因子，抑制抗原决定簇的表达，或除去抗原决定基因

第四十七页，共58页。生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼(中国)乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷)第四十八页，共58页。在传统的药品生产中，某些药品如胰岛素、干扰素直接从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。基因工程与医药卫生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。第四十九页，共58页。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？将

基因与

等调控组件重组在一起，通过

等方法，导入哺乳动物的

中，将其送入母体，使其发育成转基因动物。转基因动物进入泌乳期后，可以通过分泌乳汁生产所需要的药品，称为乳腺生物反应器或乳房生物反应器。乳腺生物反应器乳腺生物反应器的优点：①产量高；②质量好；③成本低；④易提取。

药物蛋白乳腺蛋白基因的启动子显微注射受精卵第五十页，共58页。基因治疗概念基因治疗不同途径的比较类型过程体外基因治疗体内基因治疗1.从病人体内获取某种细胞2.在体外完成基因转移3.筛选成功转基因、恢复健康的细胞扩增培养4.将健康细胞输入患者体内直接向人体内的组织细胞中转移基因的治疗方法优缺点操作复杂，效果可靠操作简单，成功率较低现状基因治疗目前处于初期的临床试验阶段基因治疗是把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的，这是治疗遗传病最有效的手段。第五十一页，共58页。蛋白质工程的崛起

5蛋白质工程的概念

蛋白质工程指以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础