高中生物同步备课系列【备教案】3.2.1 基因工程的基本操作程序 -人教2019版选择性必修3

第3章基因工程第2节基因工程的基本操作程序（第1课时）教案一、教学目标1.阐明基因工程的原理和基本操作程序。（生命观念）2.掌握目的基因的筛选与获取方法，简述PCR的原理、条件及过程。（生命观念、科学思维）3.学会基因表达载体构建的方法和要求，简述基因表达载体的组成及构建过程。（科学探究）4.理解目的基因导入受体细胞的具体过程，阐明将目的基因导入受体细胞的方法。（科学探究）5.掌握并阐明目的基因检测与鉴定的方法。（科学探究、社会责任）6.掌握DNA片段的扩增及电泳鉴定的方法。（科学探究）二、教学重难点【教学重点】1.简述PCR的原理、条件及过程。2.简述基因表达载体的组成及构建过程。3.阐明将目的基因导入受体细胞的方法。4.阐明目的基因的检测与鉴定的方法。5.阐明基因工程的原理和基本操作程序。【教学难点】1.简述基因表达载体的组成及构建过程。2.阐明基因工程的原理和基本操作程序。三、教学过程【导入新课】展示：从社会中来。1997年，我国政府首次批准商业化种植转基因抗虫棉。到2015年，我国已育成转基因抗虫棉新品种100多个，减少农药用量40万吨，增收节支社会经济效益450亿元。你知道转基因抗虫棉抗虫的机制是什么吗？培育转基因抗虫棉一般需要哪些步骤？学生：课前查阅资料，展示欣赏棉铃虫图片，了解转基因棉花研究历史和经济价值。1.转基因抗虫棉抗虫的机制：提示：转基因抗虫棉的机制是抗虫基因（Bt基因）来源于苏云金杆菌，Bt基因表达的蛋白质具有杀虫活性。当害虫食用转基因抗虫棉花的时候，同时摄入Bt基因表达产生的蛋白质，这种蛋白质在害虫肠道内被激活，造成肠道穿孔，导致害虫死亡。2.培育转基因抗虫棉一般需要哪些步骤?教师：科学家将苏云金杆菌的“杀虫基因”——Bt抗虫蛋白基因转到棉花里，让棉花也能产生产生苏云金杆菌伴胞晶体蛋白（Bt抗虫蛋白），破坏鳞翅目昆虫的消化系统来杀死棉铃虫。培育转基因抗虫棉主要需要四个步骤：目的基因的筛选与获取、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。进而引出本节课题——基因工程的基本操作程序【新课讲授】（一）目的基因的筛选和获取教师：组织学生阅读课本P76-77，带着问题，阅读课文，回答问题，引导学生归纳总结目的基因的概念，筛选合适的目的基因，获取目的基因的方法，利用PCR获取和扩增目的基因等相关知识。1.什么是目的基因？举例说明目的基因有哪些？2.筛选目的基因的方法是什么？请举出实例。3.目的基因获取的技术和方法有哪些？学生：阅读教材，先自主学习，思考问题，小组讨论，回答问题；最后进行归纳总结。1.筛选合适的目的基因（1）目的基因：在基因工程的设计和操作中，用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因就是目的基因，根据不同的需要，目的基因是不同的，主要是指编码蛋白质的基因。如：与生物抗逆性、优良品质、生产药物、毒物降解和工业用酶等相关基因。目前被广泛提取使用的目的基因有：苏云金杆菌抗虫基因、植物抗病基因（抗病毒、抗细菌）、人胰岛素基因、人干扰素基因等。苏云金杆菌通过产生苏云金杆菌伴胞晶体蛋白（Bt抗虫蛋白），破坏鳞翅目昆虫的消化系统来杀死棉铃虫。科学家将“杀虫基因”转入棉花中，棉花产生Bt抗虫蛋白抵抗虫害。这个“杀虫基因”就是培育转基因抗虫棉用到的目的基因——Bt抗虫蛋白基因，简称Bt基因。那么，如何筛选目的基因呢？知识拓展（1）原核生物基因非编码区组成：编码区上游与编码区下游功能：不能编码蛋白质，调控遗传信息的表达启动子：RNA聚合酶结合位点转录起始的信号终止子：终止RNA的合成编码区：编码蛋白质的合成（2）真核生物基因编码区内含子：编码区上游与编码区下游外显子：能编码蛋白质的序列非编码区：不编码蛋白质，能调控遗传信息表达原核细胞与真核细胞的基因结构比较【注意】（1）非编码序列：包括非编码区和内含子【思考】（2）编码相同数目氨基酸的蛋白质，原核细胞与真核细胞基因结构一样长吗？（2）筛选合适的目的基因①方法：从相关的已知结构和功能清晰的基因中筛选。在浩瀚的“基因海洋”中找到所需要的目的基因往往不容易，从相关的已知结构和功能清晰的基因中进行筛选是较为有效的方法之一。科学家已经明确Bt基因的序列信息，也对Bt抗虫蛋白有深入了解。利用序列数据库（如GenBank）、序列对比工具（如BLAST）等，找到合适的目的基因。因此，Bt基因是培育转基因抗虫棉较为合适的目的基因。随着测序技术的发展，以及序列数据库（如GenBank）、序列比对工具（如BLAST）等的应用，越来越多的基因的结构和功能为人们所知，为科学家找到合适的目的基因提供更多机会和可能。明确了目的基因后，该怎么获得它呢？2.获取目的基因的方法获取目的基因的方法有多种。例如从生物组织中直接获取，构建基因文库获取目的基因，人工合成目的基因，利用PCR特异性地快速扩增目的基因等。在我国首批具有较高抗虫活性的转基因抗虫棉的培育过程中，科学家人工合成了目的基因。现在，常用PCR特异性地快速扩增目的基因。教师：通过课前查阅相关资料，结合课本内容，组织学生自主学习、合作探究，引导学生说出获取目的基因的方法，并进行归纳总结。学生：课前查阅资料，预习课本，自主学习，合作探究，进而归纳总结获取目的基因的方法，并学会理解与运用。（1）从生物组织中直接获取①从供体细胞直接获取目的基因最常用的方法是“鸟枪法”，又叫“散弹射击法”。这种方法犹如用猎枪发射的散弹打鸟，无论哪一颗弹粒击中目标，都能把鸟打下来。②鸟枪法的具体做法：用限制酶将供体细胞中的DNA切成许多片段，将这些片段分别构建表达载体，然后通过载体分别转入不同的受体细胞，让供体细胞所提供的DNA（外源DNA）的所有片段分别在各个受体细胞中大量复制（在遗传学中叫作扩增），从中找出含有目的基因的细胞，再用一定的方法把带有目的基因的细胞分离出来，如许多抗虫、抗病毒的基因都可以用该方法获得。③用“鸟枪法”获取目的基因的缺点是工作量大，具有一定的盲目性。（2）通过构建基因文库来获取目的基因①基因文库的概念：将含有某种生物不同基因的许多DNA片段，导入受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因，称为基因文库。②基因文库的类型基因组文库：包含一种生物的全部基因。部分基因文库：包含一种生物的一部分基因（如cDNA文库）。③基因组文库的构建④cDNA基因文库的构建cDNA文库：某种生物基因组转录的全部mRNA经反转录产生的cDNA片段与适当的载体连接后导入受体菌，这样包含着全部mRNA信息的cDNA克隆集合称为cDNA文库。用DNA探针从基因文库中准确提取目的基因根据目的基因的核苷酸序列制成一段与之互补的核苷酸短链，并用同位素标记，即成为探针。用这一探针探查基因文库中已经变性的DNA片段，如果有一个DNA片段能和探针片段互补而结合成双链（分子杂交），这一片段即含有所需要的基因。拓展延伸：基因组文库与cDNA文库的比较3.人工合成目的基因（1）反转录法：主要用于相对分子质量较大而又不知其核苷酸序列的基因。它以目的基因的mRNA为模板，借助逆转录酶合成双链DNA，其过程如下：（2）化学合成法：依据某一蛋白质的氨基酸序列，推测出其基因序列，然后直接合成目的基因，其过程如下：4.利用PCR特异性地快速扩增目的基因教师：组织学生阅读教材P77-79页，通过分析图表示意图，结合教材文字，引导学生简述PCR的原理、条件及过程，进而进行归纳总结。学生：阅读教材，自主学习，合作探究，讨论交流，归纳总结。（1）PCR的概念：聚合酶链式反应的缩写。它是一项根据DNA半保留复制的原理，在体外提供参与DNA复制的各种组分与反应条件，对目的基因的核苷酸序列进行大量复制的技术。PCR由穆里斯等人于1985年发明，为此，穆里斯于1993年获得诺贝尔化学奖。播放《PCR之歌》，通过观看视频，更直观地理解PCR技术的过程。（2）PCR的反应条件及其作用展示PCR反应的基本条件：总结PCR的反应条件及其作用追问：dATP与ATP在结构上有什么区别？dATP为什么能用作DNA复制的底物？如图所示，ATP结构中的五碳糖为核糖，而dATP结构中的五碳糖为脱氧核糖。ATP转移掉两个磷酸基团后剩下的结构就是腺嘌呤核糖核苷酸，所以ATP是转录的底物；同理，dATP转移掉两个磷酸基团后剩下的结构就是腺嘌呤脱氧核糖核苷酸，所以dATP可以用作DNA复制的底物。（3）PCR扩增的过程展示PCR反应过程示意图：（注：示意图中的引物长度和带扩增的DNA片段的长度均短于实际长度）以上过程可以在PCR扩增仪（PCR仪）中自动完成，完成以后，常采用琼脂糖凝胶电泳来鉴定PCR产物。播放《PCR——聚合酶链式反应》视频，引导学生简述PCR扩增的过程。过程归纳：第一步：将反应体系（包括双链模板、引物、DNA聚合酶、4种脱氧核苷酸以及酶促反应所需的离子等）加热至90℃以上，使双链DNA两条链之间的氢键打开，变成单链，分别作为聚合反应的模板。这个过程称为变性。第二步：将反应体系降温至50℃左右，使引物分别与模板DNA链3’端的相应序列互补配对，这个过程称为复性。第三步：将反应体系升温至72℃左右，在DNA聚合酶的催化作用下，将与模板DNA互补的单个核苷酸加到引物所提供的3’-OH上，使DNA链延伸，产生一条与模板链互补的单链DNA，这个过程称为延伸。上述三步反应完成后，由于一个循环得到的产物又可以作为下一个循环的模板，因而每一次循环后目的基因的量可以增加一倍。一个DNA片段就变成了两个DNA片段，随着重复次数的增多，DNA的数量就以约2n的倍数增加，其中n为扩增循环的次数。PCR的反应过程都是在PCR扩增仪（PCR仪）中完成的。完成后，常采用琼脂糖凝胶电泳来鉴定PCR的产物。思考：1.利用PCR技术扩增目的基因，在第几轮循环产物中开始出现两条脱氧核苷酸链等长的DNA片段？比例是多少？提示：第3轮；1/4。思考：2.用PCR可以扩增mRNA吗？mRNA不可以直接扩增，需要将它逆转录成cDNA再进行扩增。由mRNA逆转录形成cDNA的过程是：第一步，逆转录酶以RNA为模板合成一条与RNA互补的DNA链，形成RNA-DNA杂交分子；第二步，核酸酶H降解RNA-DNA杂交分子中的RNA链，使之变成单链DNA；第三步，单链DNA为模板，在DNA聚合酶的作用下合成另一条互补的DNA链，形成双链DNA分子，即cDNA。拓展延伸：1.比较PCR扩增技术和体内DNA复制的异同2.PCR中的数量关系（二）基因表达载体的构建（核心）问题：获得了足量的目的基因（Bt基因）后，是否能直接将将Bt基因导入棉花细胞呢？提示：不能。游离的DNA进入受体细胞，一般会直接被分解，即使可以转录翻译成蛋白质，游离的DNA片段也无法随着细胞分裂而进行复制，导致子代细胞中不再含有目的基因。因此，获取Bt基因后，还需要借助载体将其导入棉花细胞，才能使棉花植株获得抗虫特性。这就需要构建基因表达载体，只一步是培育转基因抗虫棉的核心工作。教师：组织学生阅读P80页，结合基因表达载体构建模式图和教材文字，通过合作探究学会基因表达载体构建的方法和要求，简述基因表达载体的组成及构建过程。学生：自主学习，合作探究，说出载体构建的方法和要求，简述基因表达载体的组成及构建过程，并进行归纳、总结。1.目的：基因工程的核心是基因表达载体的构建，其目的是让目的基因在受体细胞中稳定存在，并且遗传给下一代，同时，使目的基因能够表达和发挥作用。2.基因表达载体的组成提问：作为基因表达载体，除了目的基因外，还需要哪些元件呢？展示基因表达载体结构图：一个基因表达载体的组成，除了有目的基因外，还必须有启动子、终止子、标记基因等。（1）目的基因：指外源DNA分子的有效片段。（2）启动子：一段有特殊序列结构的DNA片段，位于基因的上游（首端），紧挨转录的起始位点，是RNA聚合酶识别和结合的部位，驱动基因转录出mRNA，最终表达出人类需要的蛋白质。有时为满足应用需要，会在载体中人工构建诱导型启动子。诱导物存在时，可激活或抑制目的基因的表达。（3）终止子：一段有特殊序列结构的DNA片段，位于基因的下游（尾端），标志着转录过程的终止。（4）标记基因的作用：用于鉴别受体细胞中是否含有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出来，如抗生素抗性基因就可以作为标记基因。①作用：便于重组DNA分子的筛选。②常见类型：抗生素抗性基因、荧光蛋白基因等。归纳总结：辨析：“启动子与终止子”和“起始密码子与终止密码子”启动子与终止子位于DNA分子中，作用：起始和终止转录过程。启动密码子与终止密码子位于mRNA分子中，作用：起始和终止翻译过程。3.基因表达载体的构建过程在构建抗虫棉的基因表达载体时，首先会用一定的限制酶切割载体，使它出现一个切口；然后用同种限制酶或能产生相同末端的限制酶切割含有目的基因的DNA片段；再利用DNA连接酶将目的基因片段拼接到载体的切口处，这样就形成了一个重组DNA分子。展示基因表达载体构建模式图：【思考】将生物的所有DNA直接导入受体细胞不是更简便吗？如果这么做，效果会怎样？有人采用总