人教版教学课件基因工程课件(人教版高中生物选修3)

1、基 因 工 程,设想一,能否让水稻植株也能够固定空气中的氮？,能否让细菌“吐出”蚕丝？,设想二,能否让微生物产生出人的胰岛素、干扰素等珍贵的药物？,设想三,“基因工程”技术,即根据人类的意愿定向改变生物 -令人神往!,基因工程培育抗虫棉的简要过程：,普通棉花(无抗虫特性),苏云金芽孢杆菌,获取,抗虫基因（目的基因）,与运载体DNA拼接 导入,棉花细胞(含抗虫基因),棉花植株(有抗虫特性),基因工程实例:,什么叫基因工程？,基因工程是指按照人们的愿望,进行严格的设计,并通过在生物体外进行DNA 重组等技术，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。由于基因工程是在

2、DNA分子水平上进行设计和施工的,因此又叫做DNA重组技术或基因拼接技术.,（一）基因工程的概念,基因拼接技术或DNA重组技术,生物体外,基因,DNA分子水平,人们需要的新的生物类型和生物产品,切割, 拼接, 导入, 表达,基因重组,基因工程的若干问题:,DNA重组技术(基因工程)的 基本工具,做工程是需要工具的.,前面介绍的利用基因工程培育抗虫棉的主要步骤有哪几个?,步骤一：,从苏云金芽孢杆菌细胞内提取出来抗虫基因(目的基因).,步骤二：,抗虫基因与运载体DNA连接,步骤三：,抗虫基因导入受体(普通棉花)细胞,思考:,提示:共四步;步骤四是“检测和鉴定”.,上述的三个步骤中各需要什么工具？,

3、步骤一的工具： 步骤二的工具： 步骤三的工具：,“分子手术刀”限制性内切酶 “分子缝合针”DNA连接酶 “分子运载车”载体,这里的“分子”是指_分子.,DNA(目的基因、载体),这三种工具的作用各是什么?,1. 限制性核酸内切酶“分子手术刀”,限制酶主要是从原核微生物中分离纯化出来的。能识别双链DNA的某种特定核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间(此处叫“切点”)的磷酸二酯键断开(注意:不是氢键).,（二）DNA重组技术的基本工具及其作用,注意: 一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列,并且能在一个特定的切点上切割DNA分子。,即：特异性. (注意:特异性表现在两个方面.),A

4、,A,T,T,G,C,C,T,T,A,A,G,DNA双链及“磷酸二酯键”,磷酸二酯键,1.大肠杆菌(EcoR)的一种限制酶能识别的脱氧核苷酸序列是(用碱基表示)_ ;切点在_之间。,限制酶,看图回答:,GAATTC,G和A,2.若从切点处切开,形成的两个DNA片断是怎样的?,限制性内切酶的特异性表现在: 特定的核苷酸序列-是“回文序列”(?). 特定的切点.,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.,注意: 切口处的两条单链一长一短.伸出来的那一条长链叫黏性末端,限制酶,在G和A之间被限制酶切断的是化学键是_.,“黏性末端”和“平末

5、端”,当限制酶在它识别序列的中心轴线的两侧将DNA的两条链分别切开时，产生的是黏性末端. 而当限制酶在它识别序列的中心轴线处切开时，产生的则是平末端。,1. 要想获得某一个特定性状的基因(即”目的基因”)必须要用限制酶切几个切口？可产生几个黏性末端？,要切两个切口，产生四个黏性末端.,2.如果把两种来源不同的DNA用同一种限制酶来切割，产生黏性末端相同吗？,会产生相同的黏性末端.,思考:,你是否想过? 限制酶是否会切割自己细胞里的DNA呢?为什么?这对于其自身有意义吗?,DNA连接酶的种类(根据来源分)及其在功能上的异同. -见课文P5.,来源,功能,同,异,名称,E.Coli DNA连接酶,

6、T4DNA连接酶,大肠杆菌,T4噬菌体,形成磷酸二酯键,只能:互补的黏性末端,黏性末端和平末端均可,显然,若将上述两者的黏性末端黏合(连接)起来，就似乎可以合成新的DNA分子(重组DNA分子)了,用什么工具连接呢?这个工具是怎样将两者连接起来的?,2.DNA连接酶“分子缝合针”,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(注意位置)连接起来，这样一个重组的DNA分子就形成了.,思考: DNA连接酶的作用是使断口处的相邻的两个脱氧核苷酸之间形成_键.,异: DNA连接酶:是将几个DNA片段连接起来;不需DNA模板. DNA聚合酶:则是将脱氧核苷酸连接(聚合)成DNA;

7、需以DNA的一条链为模板.,提示: 注意比较基因工程中的DNA连接酶和DNA复制中的DNA聚合酶的作用有何异同?,同:两种酶都是形成磷酸二酯键.,-导入过程需要运输“目的基因”的工具载体。,如何将目的基因(如上例中的“抗虫基因”)导入受体细胞(即接受目的基因的生物的细胞,如上例中的棉花细胞)？,注意: 一般地,不能将目的基因直接导入受体细胞.,载体是什么(生物化学成分)?它从哪里获得?它是如何承载目的基因的?,3.基因进入受体细胞的载体-“分子运输车”.,常用的运载体主要有两类： 1）质粒:一些细菌细胞质里的质粒. 2）病毒:噬菌体(即细菌病毒)或某些动、植物病毒.,什么是质粒?,是一种裸露的

8、、结构简单、独立于细菌染色体(即原核的DNA)之外，并具有自我复制能力的双链环状DNA分子. 质粒是基因工程最常用的载体. 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.,小结: 质粒是小型、环状的DNA分子.,最常用的质粒是大肠杆菌的质粒，其中常含有抗药基因，如四环素的标记基因。质粒的存在与否对宿主细胞生存没有决定性作用，但复制只能在宿主细胞内完成。,质粒的一种:大肠杆菌的质粒,注意:能充当载体的是大肠杆菌的质粒,而不是大肠杆菌.,载体的作用有哪些？,1.作为运输工具，将目的基因(如抗虫基因)转移到受体细胞(如棉花细胞)中去。 2.利用载体在受体细胞(如

9、棉花细胞)内，对目的基因(如抗虫基因)进行大量复制。,作为载体必须具备哪些条件？,1）能够在宿主细胞中复制并稳定地保存。 2）载体DNA必须有一个或多个限制酶切点，以便目的基因插入到载体上去。 3）具有某些标记基因，便于进行筛选。如抗菌素的抗性基因、产物具有颜色反应的基因等。 载体DNA必须是安全的,不会对受体细胞有害,或不能进入到除受体细胞外的其他生物细胞中去; 5) 载体DNA分子大小应适合,以便提取和在体外进行操作,太大就不便操作.,双基练习：,一、基因工程的概念 基因工程是指按照人们的愿望,进行严格的设计,通过体外_和_等技术,赋予生物以心得遗传特性,创造出符合人们的需要的新的_和_.

10、又叫做DNA的重组技术 . 二、DNA重组技术的基本工具 1.限制性核酸内切酶-“分子手术刀” (1)主要来源:从_生物中分离出来的. (2)特点:能够识别DNA特定的核苷酸序列,切开,两个_之间的_ . (3) DNA末端:限制酶切割DNA产生的DNA末端有两种形式:_和_. 2. DNA连接酶-“分子缝合针” (1)作用:恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的_. (2)种类: E.coli DNA连接酶:只能缝合DNA的_ T4 DNA连接酶:既可缝合DNA的_,又可缝合双链DNA的_.,3.基因进入受体细胞的载体-”分子运输车” (1)载体的种类 质粒:是一种裸露的,结构简单,独立于细菌染

11、色体之外,并能够自我_能力的双链_ DNA 分子;_._. (2)载体的特点 能够在细胞内_;有一个或多个_切割位点,便于供源DNA的插入. 具有_基因,供重组DNA的鉴定和选择.,基因工程的基本操作程序,基因工程的基本操作流程,基因工程的基本操作程序主要包括 四个基本步骤：,1）目的基因的获取 2）“基因表达载体”的构建 3）将目的基因导入受体细胞(即“转化”) 4）目的基因的检测与鉴定,步骤一：目的基因的获取,什么叫目的基因? 主要是指编码蛋白质的结构基因.,获取目的基因的途径有哪些?,1.从“基因文库”中获取. 2.利用“PCR技术”扩增. 3.直接人工合成(适合于基因较小且已知其核苷酸

12、顺序),-见课文.,共三条.,从基因文库中获取“目的基因”：,什么叫“基因文库”?,分为: 1.基因组文库: 基因文库中包含了一种生物所有的基因,这种基因文库叫做基因组文库. 2.部分基因文库: 基因文库中包含了一种生物的一部分基因,这种基因文库叫做部分基因文库.如cDNA文库.,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(gene library),类似从图书馆里取书.,利用PCR技术扩增“目的基因”.,1.概念:PCR即“聚合酶链式反应”,是一种在生物体外复制特定DNA片断的技术. 2.原理:DNA的半保留复制. 3

13、.过程:(见图). 4.优点:大量获取目的基因.(指数式扩增, 近2n),提示与思考: 1.图中的“模板DNA”就是已知核苷酸序列的目的基因. 2.引物是人工合成的,与模板DNA(即目的基因)互补,作用是使_. 3.加热的作用是使_. 4.聚合酶(Tap酶)是指_(选:DNA聚合酶;RNA聚合酶),其特点是_. 5.原料是_. 6.每扩增一次,目的基因的数目增加_. 7.“退火”,DNA解链,提示:PCR的基本操作(过程): PCR是一种反复循环的DNA合成反应过程,其基本反应有三个步骤： 1. 变性:通过加热(高温)使模板DNA完全变性成为单链,同时引物自身和引物之间存在的局部双链也得以消除

14、. 2. 退火:将温度下降至适宜温度，使引物与模板DNA退火结合； 3. 延伸:将温度升高,热稳定DNA聚合酶(即耐高温)以dNTP(即脱氧核苷酸)为底物(即原料)催化合成DNA链延伸. 以上三步为一个循环，新合成的DNA分子又可以作为下一轮合成的模板，经多次循环后即可达到扩增DNA片段的目的.,显然,每循环(扩增)一次,就需要添加一次(共两个)引物.,提示:两个引物、一个模板.,人工合成目的基因,如果基因比较小，核苷酸序列又已知，也可以通过DNA合成仪用化学方法直接合成。,1.通过反转录法合成:,又分为:,目的基因的mRNA(已知),单链DNA,双链DNA (即目的基因),反转录,合成,2.

15、直接合成.,根据已知蛋白质的氨基酸序列，推测出相应的信使RNA序列，然后按照碱基互补配对原则，推测出它的结构基因的核苷酸序列，再通过化学方法，以单核苷酸为原料合成目的基因。,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,在获取目的基因后,如何将目的基因导入受体细胞呢? 能直接导入吗?,必须借助载体!,怎样借助载体将目的基因导入受体细胞呢?,必须把目的基因“装到”载体上!,如何装?,步骤二：基因表达载体的构建.,什么是“基因表达载体”?,就是已经装上了(含有)目的基因的载体.,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

16、一种限制酶切取目的基因，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）,目的基因与载体的结合过程，实际上是不同来源的基因重组的过程,基因表达载体的构建步骤. -见课文.,提示与思考: 1.“基因表达载体”就是已插入目的基因的载体.,2.看左图回答: 基因表达载体由哪些部分组成?_.,3.启动子:是有特殊结构的DNA片断,位于目的基因的首端,是RNA聚合酶的识别和结合的部位.有它才能驱动目的基因转录出MRNA.最终获得蛋白质. (不是复制!) 4.终止子:位于目的基因的端尾端.作用是终止转录. 5.标记基因:是为了

17、鉴别受体细胞里是否已经含有目的基因,从而将含目的基因的细胞筛选出来.如“抗生素基因”、“荧光标记基因”等. (醒目的,特别的标记) 6.复制原点是载体复制(不是转录)时的起点.,什么叫转化? 将目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定(如复制)和表达(即转录、翻译为特定蛋白质及表现特定性状等)的过程.,受体细胞是指什么?它包括哪些细胞?,提示: 注意,目的基因是随着基因表达载体被导入受体细胞的,而不是被单独导入的.,步骤三： 转化-将目的基因导入受体细胞,1.将目的基因导入植物细胞-农杆菌转化法.,提示: (1)农杆菌及农杆菌转化法:农杆菌是土壤中的一种细菌.能感染双子叶植物和裸子植物

18、.其细胞里含Ti质粒,该质粒上含有一段DNA叫“T-DNA”(叫“可转移的DNA”).将目的基因插入到该“T-DNA”中,通过使农杆菌感染植物,而将目的基因转化入植物细胞并将其插入到植物细胞中的染色体的DNA上.,(2)将目的基因导入植物细胞的方法还有: 基因枪法和花粉通道法.,将目的基因导入植物细胞的其他方法: 花粉管通道法 基因枪法.,2.将目的基因导入动物细胞-显微注射法.,用口径为1m的DNA注射器，将大量目的基因片段(注意:是含目的基因的“基因表达载体”,而不是裸的目的基因)注入到受精卵的核内，然后把经过注射的受精卵移植到另一只雌性动物的子宫内，使受精卵发育为转基因动物。,什么叫显微

19、注射技术？,3.将目的基因导入微生物细胞感受态细胞法.,大肠杆菌细胞是最常用的微生物受体细胞. 转化方法是: 首先用Ca2+ (如CaCL溶液)处理细胞,以增大细菌细胞壁的通透性,使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态,这种细胞称为感受态细胞. 第二步是将重组表达载体DNA分子溶于缓冲液中与感受态细胞混合,在一定的温度下促进感受态细胞吸收DNA分子,完成转化过程.,1）将细菌用CaCl2处理，以增大细菌细胞壁的通透性。 2）使含有目的基因的重组质粒进入受体细胞。 3）目的基因在受体细胞内，随其繁殖而复制，由于细菌繁殖的速度非常快，在很短的时间内就能获得大量的目的基因。,导入过程：运载体为质粒，受体细胞为细菌,受体细胞：细菌,细胞壁的通透性增大,重组质粒进入受体细胞,目的基因随受体细胞的繁殖而复制,氯化钙,大量的目的基因,通过转化以后,目的基因是否真正插入到了受体细胞的DNA中，是否能够在受体细胞中稳定遗传和正确表达呢?,这只有通过检测、鉴定才能得知 .,步骤四：目的基因的检测与鉴定,怎样检测和鉴定?,-见课文.,思考: 有哪几种检测方法?每一种方法的原理是什么?步骤如何?,提示:目的基因的检测与鉴定,检测,鉴定,检测转基因生物染色体的DNA 上是否插入了目