基因工程及其延伸技术应用广泛高二下学期生物浙科版（2019）选择性必修3

选择性必修三第四章第二节基因工程及其延伸技术应用广泛任务一：疾病诊断——镰刀型细胞贫血症1.蛋白质层面电泳：带电粒子在电场作用下，向与其携带电荷相反的电极迁移的过程。不同带电粒子因分子大小、形状、所带电荷等因素不同，迁移速率也会有所差异。史料1：1948年，鲍林（LinusC.Pauling）等使用当时研究蛋白质的新方法电泳法，探究正常红细胞内血红蛋白（normalhemoglobinA，HbA）与镰刀型红细胞内血红蛋白（sicklehemoglobin，HbS）的差异问题1：请结合电泳原理分析电泳结果说明镰刀型细胞贫血症与正常人在蛋白质水平上产生差异的原因血红蛋白分子大小、形状（氨基酸数目、种类、排序）任务一：疾病诊断——镰刀型细胞贫血症问题2：你觉得英格拉姆的实验策略是什么？讨论后尝试以流程图的形式将大概步骤呈现出来。1.蛋白质层面史料2：通过蛋白质测序技术可获得组成蛋白质的氨基酸种类、数目及排列顺序等信息。首次完成蛋白质测序工作的是科学家桑格，他利用10年完成了胰岛素的测序。血红蛋白的分子量是胰岛素的6倍，完成其全测序工作难度大且耗时长，科学家英格拉姆决定在桑格测序基础上转变实验策略。水解血红蛋白电泳水解产物测序差异片段找出差异氨基酸任务一：疾病诊断——镰刀型细胞贫血症2.基因层面HbA

GTA-CAT-CTG-ACT-CCT-GAG-GAG-AAACAT-GTA-GAC-TGA-GGA-CTC-CTC-TTTHbSGTA-CAT-CTG-ACT-CCT-GTG-GAG-AAACAT-GTA-GAC-TGA-GGA-CAC-CTC–TTT问题4：如何从基因层面对镰刀型细胞贫血症患者进行检测？小组讨论并派代表说出你的方法问题3：在书写基因序列的过程中遇到了哪些问题？对照密码子表，写出多肽链对应的基因序列任务一：疾病诊断——镰刀型细胞贫血症2.基因层面HbA

GTA-CAT-CTG-ACT-CCT-GAG-GAG-AAACAT-GTA-GAC-TGA-GGA-CTC-CTC-TTTHbSGTA-CAT-CTG-ACT-CCT-GTG-GAG-AAACAT-GTA-GAC-TGA-GGA-CAC-CTC–TTT问题4：如何从基因层面对镰刀型细胞贫血症患者进行检测？小组讨论并派代表说出你的方法方法一：荧光探针法实验思路：根据碱基排序制作带荧光标记的探针，利用核酸分子杂交原理进行检测方法二：PCR，电泳法实验思路：将长链DNA切成不同长度的片段，让患者与正常人的DNA片段长度出现差异，利用凝胶电泳进行检测任务一：疾病诊断——镰刀型细胞贫血症2.基因层面HbA

GTA-CAT-CTG-ACT-CCT-GAG-GAG-AAACAT-GTA-GAC-TGA-GGA-CTC-CTC-TTTHbSGTA-CAT-CTG-ACT-CCT-GTG-GAG-AAACAT-GTA-GAC-TGA-GGA-CAC-CTC–TTT实验思路：将长链DNA切成不同长度的片段，让患者与正常人的DNA片段长度出现差异，利用电泳结果不同进行检测资料：MstⅡ是一种限制性核酸内切酶，识别序列是CCTGAGG，识别位点是A—G之间方法二：PCR，电泳法电泳结果：大片段一、基因诊断的应用——产前诊断例1.单基因遗传病可以在胚胎早期通过DNA分子杂交技术进行诊断。镰刀型细胞贫血症是一种发病率较高的单基因遗传病。已知正常个体的基因型为BB或Bb，镰刀型细胞贫血症患者的基因型为bb。某夫妇为该致病基因的携带者，为了生下健康的孩子，在妊娠早期进行了产前诊断。图1为DNA分子杂交诊断结果示意图。（1）正常的血红蛋白基因和突变的血红蛋白基因经过酶切（图1甲）后，以凝胶电泳分离酶切片段并与探针杂交，正常基因会显示出

条带谱，突变基因会显示出

条带谱。（2）由凝胶电泳带谱（图1乙）分析，这对夫妇4次妊娠中，Ⅱ-1～Ⅱ-4中需要停止妊娠的是

，Ⅱ-4的基因型为

。21Ⅱ-2BB一、基因诊断的应用——基因芯片如何利用核酸分子杂交方法进行快速大量检测？利用基因芯片诊断肿瘤基因：美国Affymetrix公司将p53基因全长序列和已知突变的序列制成探针集在芯片上，Lehman等用此芯片分析了有乳腺癌家族史的42例乳腺癌病人的p53基因第2～11外显子和内含子的突变情况。基因芯片可用于肿瘤的早期诊断，可以在易感人群、高危人群中早期发现肿瘤。目前，人们运用基因工程相关技术不仅可以在患者未发病，甚至出生前确诊其是否患有某些疾病，还可以根据某些核苷酸序列的特异性差异来推测患病风险。随着基因测序技术进一步发展，有望研制出专门针对个人基因特点的药物。利用基因芯片比较不同组织来源细胞中基因表达差异：提取不同组织来源细胞中的mRNA，逆转录时标记上不同颜色荧光，等量混合后，与包含上千个基因的DNA微阵列（基因芯片）进行杂交反应，比较两种荧光在各点阵上的强度，推算出各基因在不同组织细胞中的相对表达水平。任务二：疾病治疗——镰刀型细胞贫血症的治疗方案小组展示课前资料搜集：镰刀型细胞贫血症的治疗方案比较各种治疗方案的优缺点，选择最佳治疗方案方案一：药物治疗方案二：骨髓移植方案三：基因治疗素材来源“/video/BV13Q4y117GD/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=1ccfb2fe7da584e4f52582c03438118c”二、基因治疗的应用——基因敲除例2.“基因剪刀手”杨璐菡扫除了猪器官用于人体移植的最大障碍,其研究成果使得美国《科学》杂志打破惯例提前发表科研成果,该技术将为全球上百万病人带来希望。从2014年起,杨璐菡作为异种器官移植课题的带头人,带领10个人的科研团队利用新发明的“基因剪刀”技术,敲除猪基因组中可能的致病基因。“基因敲除”技术的主要过程示意图如下:请根据题述内容回答下列问题。(1)“基因敲除”技术的原理是

,将neor基因插入到靶基因过程中使用的工具酶是

和

。(2)要获得一只含失活靶基因的小鼠,则选择的受体细胞应是

,图中的neor基因的作用是

。

限制酶基因重组DNA连接酶受精卵获得失活的靶基因基因治疗：向有基因缺陷的细胞中引入正常功能的基因，以纠正或补偿基因的缺陷，从而达到治疗的目的。通过在基因中插入DNA片段使该基因永久失活，再通过观察转基因生物性状变化，可以推测该基因的功能结论：肠碱性磷酸酶基因有“保持身材”的作用结合减肥，谈谈该实例对你的启发三、转基因动物为研究疾病机理提供模型小结：基因工程在医疗方面的应用1.利用PCR、电泳、核酸分子杂交等技术进行基因诊断2.导入正常基因进行基因治疗3.利用转基因技术生产药物4.研究疾病机理提供模型收集“转基因技术在生产药物方面的应用及局限性”相关资料一、基因工程在医疗制药方面的应用情境一：糖尿病是近年来高发的“富贵病”，常见类型有Ⅰ型糖尿病即遗传性糖尿病和Ⅱ型糖尿病,Ⅱ型糖尿病需要注射胰岛素治疗。传统生产胰岛素的方法是从猪、牛等动物的胰腺中提取。曾经生产供一位糖尿病病人使用一年的胰岛素需要上千头牛，生产的成本非常高。问题1：如何利用基因工程获取更多的胰岛素，从而降低医疗成本？1982年，利用转基因大肠杆菌生产的人胰岛素是第一个被批准用于人体疾病的基因工程药物任务一：选择适合的受体细胞一、基因工程在医疗制药方面的应用资料1：利用大肠杆菌生产药用蛋白技术简单，前期研发成本低。随着生物工程的研究和发展，发现用大肠杆菌生产的很多药物由于缺乏转译后修饰，失去了天然产物所固有的生物活性。问题2：为什么会出现“缺乏转译后修饰”？任务一：选择适合的受体细胞受体细胞的选择作何调整？请说明理由原真核生物细胞中细胞器的区别一、基因工程在医疗制药方面的应用问题3：如何解决以上问题？资料2：利用动物细胞发酵生产生物药品产量极低，且培养过程需动物血清维持细胞活性，不仅提高了成本，而且给下游产物的纯化带来极大的困难。任务一：选择适合的受体细胞想要目标蛋白在转基因动物的乳腺细胞中特异性表达，目的基因插入的位点有何要求？请以获取“血清白蛋白”为例简要说明该基因工程思路。乳腺生物反应器获取血清白蛋白基因构建重组DNA（将目的基因与乳腺蛋白基因启动子等调控组件重组）胚胎体外培养导入受精卵胚胎移植一、基因工程在医疗制药方面的应用资料3：有人提议将乳腺蛋白基因的启动子换成UroplakinⅡ基因启动子(促进目的基因在膀胱特异性表达。）问题4：比较乳腺生物反应器和膀胱生物反应器任务一：选择适合的受体细胞综上，请小结不同受体细胞的利与弊，分析适用条件。微生物细胞：易培养易繁殖，成本低，产物多，但产物不一定有生物活性植物细胞：易培养，但产物提取成本较高动物细胞：培养成本高，产物产量低，难纯化，常利用生物反应器膀胱生物反应器不受性别限制，不受泌乳期限制，更具优势情境二：目前临床使用胰岛素制剂注射后120min才出现高峰，与人体生理状态不符。将胰岛素B链的28号和29号氨基酸互换，可以加快胰岛素的起效时间。科研人员通过一定的工程技术手段，将胰岛素B链的28号和29号氨基酸互换，获得了速效胰岛素，已在临床上广泛应用。问题1：该工程技术是在什么层面进行操作？问题2：你能推测该工程技术的操作思路吗？问题3：该工程技术与基因工程有何区别与联系？一、基因工程在医疗制药方面的应用任务二：产物优化根据胰岛素

，

设计改造胰岛素

。

推测

序列逆推出基因的

序列利用基因工程改变DNA特定位点

序列改造后的基因导入

并表达问题1：该工程技术是在什么层面进行操作？问题2：你能推测该工程技术的操作思路吗？操作层面：DNA分子（核苷酸序列）改造目的：蛋白质的功能根据胰岛素

，

设计改造胰岛素

。

推测

序列逆推出基因的

序列利用基因工程改变DNA特定位点

序列改造后的基因导入

并表达功能结构

核苷酸

氨基酸

核苷酸受体细胞情境二：目前临床使用胰岛素制剂注射后120min才出现高峰，与人体生理状态不符。将胰岛素B链的28号和29号氨基酸互换，可以加快胰岛素的起效时间。科研人员通过一定的工程技术手段，将胰岛素B链的28号和29号氨基酸互换，获得了速效胰岛素，已在临床上广泛应用。一、基因工程在医疗制药方面的应用任务二：产物优化以“蛋白质、氨基酸、mRNA、DNA”为骨架，利用合适的箭头和文字说明建蛋白质工程的基本过程一、基因工程在医疗制药方面的应用任务二：产物优化蛋白质工程：通过设计和改造编码蛋白质的基因，从而改变氨基酸序列，最终获得特定功能的蛋白质。转录翻译折叠行使生物功能预期功能蛋白质（结构）氨基酸（序列）mRNADNA推测逆推改造或合成设计问题3：该工程技术与基因工程有何区别与联系？联系：目的基因的表达结果常常并不理想，合成的蛋白质不能很好地行使功能，无法满足人们的需求。蛋白质工程可以弥补基因工程这个缺憾，但离不开基因工程技术。一、基因工程在医疗制药方面的应用区别：基因工程得到的是天然存在的蛋白质，蛋白质工程得到的不是；基因工程是对基因进行剪切和连接，蛋白质工程是对基因进行合成和改造。任务二：产物优化为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大。②基因可以遗传，蛋白质无法遗传。二、基因工程在其他方面的应用1.基因工程在法医鉴定方面的应用——亲子鉴定以前的亲子鉴定现在的亲子鉴定通过血型或抗原—抗体杂交技术鉴定，需要大量新鲜样品，且结果特异性不强。几滴血或一根头发上的毛囊细胞就足够用于鉴定二、基因工程在其他方面的应用1.基因工程在法医鉴定方面的应用——个体识别谁是双胞