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1、高三生物基因工程的基本内容知识精讲一. 本周教学内容：基因工程的基本内容二. 学习内容：本周复习基因工程的操作过程，理解基因工程操作的基本步骤，理解如何提取目的基因，怎样将目的基因导入受体细胞，怎样鉴定试验的成果等等。了解基因工程对现代社会的贡献及基因工程应用的发展。三. 学习重点：1. 运载体的基本条件2. 基因工程的基本操作步骤3. 基因工程的应用和发展四. 学习难点：1. 基因工程的操作步骤2. 基因工程应用的两面性五. 学习过程：（一）概念：基因工程又叫基因拼接技术或DNA重组技术。是指在生物体外，通过对DNA分子进行人工“剪切”和“拼接”，对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体
2、细胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生出人类所需要的基因产物。（二）基因操作的工具1. 抗虫棉的培育：将抗虫的基因从某种生物（如苏云金芽孢杆菌）中提取出来，“插入”到棉花的细胞中，与棉细胞中的DNA结合起来，在棉中发挥作用。2. 技术要点首先：从苏云金芽孢杆菌的一个DNA分子上辨别出所需要的基因，并且把它切割下来其次：将切割下来的抗虫基因与棉的DNA“缝合”起来A. 基因的剪刀限制性内切酶全称： DNA限制性内切酶（以下简称限制酶）。来源：主要来自于微生物中（目前已经发现了200多种限制酶）特点：一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子例如：从大肠杆
3、菌中发现的一种限制酶只能识别GAATTC序列，并在G和A间切开。补充知识：（1）限制性内切酶可以水解侵入细菌的外源性DNA分子，保护细菌自身（2）每种限制性内切酶能识别DNA中46个核苷酸的特殊序列（3）细菌自身相同序列被修饰（甲基化）而不被水解（4）限制酶能产生交错切口，形成黏性末端B. 基因的针线DNA连接酶黏性末端：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，它们之间正好互补配对，这样的切口叫做黏性末端。DNA连接酶：两种来源不同的DNA用同一种限制酶来切割，然后让两者的黏性末端通过互补的碱基黏合起来，DNA连接酶在断口处把两条DNA末端之间的缝隙“缝合”起来形成共价键C.
4、 基因的运输工具运载体作用：要将一个外源基因，送入受体细胞。条件： 能够在宿主细胞中复制并稳定地保存 进行复制、表达 具有多个限制酶切点 以便与外源基因连接 具有某些标记基因 便于进行筛选常用运载体：质粒、噬菌体和动植物病毒等。质粒：是基因工程最常用的运载体，最常用的质粒是大肠杆菌的质粒存在于许多细菌以及酵母菌等生物中，是细胞染色体外能够自主复制的很小的环状DNA分子。特点： 含有抗性基因：大肠杆菌质粒中常含抗药基因如：抗四环素的标记基因 基因组很小：细菌质粒的大小只有普通细菌染色体DNA的百分之一 质粒能够“友好”地“借居”在宿主细胞中。一般来说，质粒的存在与否对宿主细胞生存没有决定性的作用
5、。 质粒的复制则只能在宿主细胞内完成。 来源：大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌等细菌中都有质粒。（土壤农杆菌很容易感染植物细胞，使细胞生有瘤状物。培育转基因植物时，常常用土壤农杆菌中的质粒做运载体。）（三）基因操作的基本步骤A. 提取目的基因目的基因：是人们所需要的特定基因苏云金芽孢杆菌中的抗虫基因植物的抗病（抗病毒、抗细菌）基因种子的贮藏蛋白的基因人的胰岛素基因、干扰素基因等主要途径： 从供体细胞的DNA中直接分离基因 人工合成基因。（1）直接分离基因：最常用的方法是“鸟枪法”，又叫“散弹射击法”。具体操作：供体细胞中的DNA切成许多片段重组DNA受体细胞（大量复制）基因扩增分离含有目的基因的
6、细胞把带有目的基因的DNA片段分离出来优点：操作简便缺点： 工作量大，具有一定的盲目性 真核细胞的基因含有不表达的DNA片段，不能直接用于基因的扩增和表达主要应用：如许多抗虫、抗病毒的基因都可以用上述方法获得。（2）人工合成基因： 逆转录法以目的基因转录成的信使RNA为模板，反转录成互补的单链DNA，然后在酶的作用下合成双链DNA，从而获得所需要的基因。目的基因mRNA单链DNA双链DNA（目的基因序列） 化学合成法根据已知的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氨基酸序列mR
7、NA序列DNA序列目的基因优点：目的性强，比较容易获得真核基因序列缺点：操作技术性强，不容易获取，基因表达不容易控制主要应用：如人的血红蛋白基因、胰岛素基因等就可以通过人工合成基因的方法获得。重要发展：DNA序列自动测序仪对提取出来的基因进行核苷酸序列分析，扩增DNA技术（也叫PCR技术），使目的基因在短时间内成百万倍地扩增。B. 目的基因与运载体结合C. 将目的基因导入受体细胞常用受体细胞：大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母菌和动植物细胞等。主要手段：借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。质粒细菌目的基因扩增 感受态细胞：能够接受外源DNA的细胞将细菌用氯化钙处理，以增大细菌细胞壁的通透性，使含有
8、目的基因的重组质粒易进入受体细胞。D. 目的基因的检测和表达（1）转基因结果： 在全部受体细胞中，真正能够摄入重组DNA分子的受体细胞很少 重组DNA转移成功的受体细胞不一定能够表达 必须通过一定的手段对受体细胞中是否导入了目的基因进行检测。（2）检测的方法 抗性监测： 性状检测：受体细胞是否表现出特定的性状，才能说明目的基因完成了表达过程。基因工程的成果与发展前景（四）基因工程与医药卫生A. 生产基因工程药品传统药品生产：直接从生物体的组织、细胞或血液中提取的原料有限，产品价格昂贵。如：猪胰岛素，紫草素工程菌生产：通过发酵工程生产高效率、高质量、低成本的药品。如胰岛素、干扰素和乙肝疫苗等胰岛
9、素：是治疗糖尿病的特效药。胰岛素生产传统方法基因工程来源猪、牛胰腺提取大肠杆菌工程菌分泌产量45克/100千克100克/1000升培养液比较产量低、价格高、供不应求产量高、工厂化生产、满足患者需要白细胞介素2：是淋巴细胞产生的一种淋巴因子本质：小分子蛋白质（分布于血清中）功能：能促进淋巴细胞活化和增殖应用：主要用于治疗肿瘤和感染性疾病生产：白细胞介素2在大肠杆菌中的高效表达，发酵工程生产干扰素：是病毒侵入细胞后产生的一种糖蛋白本质：可溶性糖蛋白（分布于血清和组织液）来源：被病毒感染的组织细胞产生（非病毒基因表达产物）功能： 它是一种抗病毒的特效药，对细菌和真菌感染作用不大 几乎能抵抗所有病毒引
10、起的感染，如水痘、肝炎、狂犬病等病毒引起的感染， 干扰素对治疗乳腺癌、骨髓癌、淋巴癌等癌症和某些白血病也有一定疗效。干扰素生产传统方法基因工程方法来源从人血液中的白细胞内提取大肠杆菌及酵母菌细胞内获得产量1mg干扰素/300L血液2040mg干扰素/1kg细菌培养物比较基因工程方法生产产量高、效果稳定、成本低，适于工厂化生产基因工程药物：蛋白质产品：胰岛素、干扰素、白细胞介素、溶血栓剂、凝血因子、人造血液代用品等疫苗产品：预防乙肝、狂犬病、百日咳、霍乱、伤寒、疟疾等疾病的各类疫苗。B.基因诊断与基因治疗基因工程技术还可以直接用于基因的诊断和治疗。（1）基因诊断：用放射性同位素（如）、荧光分子等
11、标记的DNA分子做探针，利用DNA分子杂交原理，鉴定被检测标本上的遗传信息，达到检测疾病的目的。基本原理：分子杂交诊断病例： 病毒性疾病：利用DNA探针可以迅速地检出肝炎患者的肝炎病毒、肠道病毒、单纯疱疹病毒等多种病毒。 诊断遗传性疾病：用珠蛋白的DNA探针检测出镰刀状细胞贫血症，苯丙氨酸羟化酶基因探针检测出苯丙酮尿症。 肿瘤诊断中的应用：用白血病患者细胞中分离出的癌基因制备的DNA探针，可以用来检测白血病。 （2）基因治疗：把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的病例试验：半乳糖血症：常染色体单基因隐性遗传病病理：乳糖代谢异常由于细胞内半乳糖苷转移酶基因缺陷而缺少半乳糖苷转
12、移酶，因此当乳糖分解成半乳糖后，不能继续转化为葡萄糖，过多的半乳糖在体内积聚，会引起肝、脑等功能受损治疗：体外试验水平用带有半乳糖苷转移酶基因的噬菌体侵染患者的离体组织细胞，结果发现这些组织细胞能够利用半乳糖了结论：用基因替换的方法治疗这种遗传病是可能的基因治疗并非对致病基因进行修复该种治疗方法并不能稳定遗传（五）基因工程与农牧业、食品工业 1. 主要应用：培育高产、优质或具有特殊用途的动植物新品种。（1）通过基因工程技术获得高产、稳产和具有优良品质的农作物。如：用基因工程的方法可以改善粮食作物的蛋白质含量。实验：将菜豆储存蛋白的基因转移到向日葵中，培育出了“向日葵豆”植株前景：如果以此作为技
13、术基础，把大豆蛋白的基因转移到水稻、小麦等粮食作物中，就可以提高这些作物的蛋白质含量，改善它们的品质。（2）用基因工程的方法培育出具有各种抗逆性的作物新品种。原理：抗性基因转移到作物体内，将从根本上改变作物的特性。如抗虫、抗病毒、抗除草剂、抗盐碱、抗干旱、抗高温等（自然界中细菌身上几乎可以找到植物所需要的各种抗性）例如：抗虫的烟草、番茄、马铃薯、玉米、大豆、油菜、棉等作物，抗黄瓜花叶病毒、苜蓿花叶病毒的作物，以及抗除草剂的植物等（3）基因工程在畜牧养殖业上的应用：实验前景： 特殊动物：将人生长素基因和牛生长素基因分别注射到小白鼠的受精卵，得到体型巨大的“超级小鼠” 乳房反应器利用某些特定的外源
14、基因在哺乳动物体内的表达，从这些动物的乳腺细胞中获得人类所需要的各类物质，如激素、抗体及酶类等。 开辟新的食物来源可以用基因工程的方法从微生物中获得人们所需要的糖类、脂肪和维生素等产品。转基因西红柿：西红柿的成熟需要一种起催化作用的蛋白酶参与反应，他们先将编码这种蛋白酶的基因从西红柿植株中克隆出来，接着又克隆了它的互补基因，将互补基因转入西红柿植株后即转录生成了一种互补的mRNA，它与原来该蛋白酶基因正常转录的mRNA碱基互补配对形成双链片段，使后者不能正常地翻译合成催化西红柿成熟作用需要的蛋白酶，末成熟的西红柿有利于长期保存、保鲜和运输。需要供应市场时，只要用微量的乙烯气体对未成熟的西红柿熏一次，很快就能获得成熟的西红柿（六）基因工程与环境保护 1. 用于环境监测用DNA探针可以检测饮用水中病毒的含量方法：使用一个特定的DNA片段制成探针，与被检测的病毒DNA杂交，从而把病毒检测出来特点：快速、灵敏（用传统方法进行检测，一次需要耗费几天或几个星期的时间，精确度也不高。用DNA探针只需要花费一天的时间，并且能够大幅度地提高检测精度，据报道，1t水中有10个病毒也能检测出来。）2. 用于被污染环境的净化工程菌分解环境污染物“超级细菌”： 把能分解三种烃类的基因都转移到能分解另一种烃类的假单孢杆菌内，创造出了能同时分解四种烃类的“超级细菌”假单胞杆菌：异养需氧型一.
