一轮基因工程说课材料

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1、选修三,现代生物科技专题,2016一轮复习 基因工程,基因工程,又叫DNA拼接技术或DNA重组技术该技术通过对有关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，然后导入受体细胞，使重组基因在受体细胞内表达，从而创造出人类所需要的新的生物类型和基因产物。定向改造生物的遗传性状。,一、基因工程的原理及技术,1、原理：,2、技术：,（1）基本工具,限制性核酸内切酶“分子手术刀”,分布：主要在原核生物中 特点：特异性，即识别特定核苷酸序列，切割特定切点 结果：产生黏性未端或平末端 举例：大肠杆菌的一种限制酶能识别GAATTC序列，并在G和A之间切开,一种限制酶只能识别一种特定的

2、核苷酸序列，并在每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。（断开的不是氢键）,EcoR,黏性末端,黏性末端,Sma,平末端平末端,连接酶的作用是：将互补配对的两个末端连接起来，使之成为一个完整的DNA分子。（恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键）,分子缝合针DNA连接酶,连接酶的分类,根据酶的来源分： .coli DNA连接酶：只能“缝合”片段互补的黏性末端 .4DNA连接酶：能“缝合”片段互补的黏性末端和平末端,DNA聚合酶和DNA连接酶有何相同点和不同点？,DNA连接酶,DNA聚合酶,连接DNA链,连接部位,双链,在两DNA片断之间形成磷酸二酯键,单链,将单个核苷酸加到已

3、存在的核酸片断3末端形成磷酸二酯键,作用：将外源基因送入受体细胞 条件： （1）能在宿主细胞内复制并稳定地保存 （2）具有一个或多个限制酶切点 （3）具有某些标记基因 （4）载体必须安全，不会对受体细胞有害 种类：质粒、噬菌体和动植物病毒,基因的运输工具运载体,1.细胞染色体外能自主复制的小型环状DNA分子 2.质粒是基因工程中最常用的运载体 3.最常用的质粒是大肠杆菌的质粒 4.存在于许多细菌及酵母菌等生物中 5.质粒的存在对宿主细胞无影响,常用载体质粒的特点,知识点一：1.原核细胞的基因结构,非编码区,非编码区,编码区,编码区上游,编码区下游,与RNA聚合酶结合位点,启动子,终止子,启动子

4、：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。 终止子：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。,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.(以模板转录然后脱落),不能转录为信使RNA，不能 编码蛋白质。,：能转录相应的信使RNA，能 编码蛋白质,编码区,非编码区,原核细胞的 基因结构,有调控遗传信息表达的核 苷酸序列，在该序列中， 最重要的是位于编码区上 游的RNA聚合酶结合位点。,非编码区,非编码区,编码区,编码区上游,编码区下游,启动子,终止子,编码区,与RNA聚合酶 结合位点,内含子,外显子,能够编码

5、蛋白质的序列叫做外显子,不能够编码蛋白质的序列叫做内含子,启动子,终止子,编码区上游,编码区下游,内含子：,外显子：,知识点一：2.真核细胞的基因结构,二、基本步骤： 第一步：目的基因的获取 第二步：基因表达载体的构建 第三步：将目的基因导入受体细胞 第四步：目的基因的检测与鉴定,基因工程的基本操作流程图,反转录,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,目的基因主要指编码蛋白质的结构基因,第一步：目的基因的获取,从基因文库获取目的基因 基因组文库（一种生物的所有基因） 部分基因文库：如c

6、DNA文库（部分基因） 利用PCR技术扩增目的基因 原理：DNA双链复制的原理 通过DNA合成仪直接人工合成 根据蛋白质的氨基酸顺序推算出信使RNA核苷酸顺序，然后按照碱激互补配对原则，推算出基因DNA的脱氧核苷酸顺序。用游离脱氧核苷酸直接合成相应的基因。,某生物体内全部DNA,许多DNA片段,受体菌群体,与运载体连接导入,基因组文库,cDNA,受体菌群体,与运载体连接导入,部分基因文库 （cDNA文库）,基因组DNA文库与cDNA文库的比较,某种生物某个时期的mRNA,PCR技术扩增与DNA复制的比较,碱基互补配对,四种脱氧核苷酸,模板、能量、酶,DNA在高温下变性解旋,解旋酶催化,体外复制

7、,细胞核内,热稳定的DNA聚合酶,细胞内的DNA聚合酶,大量的DNA片段,形成整个DNA分子,小结：三种目的基因获取方法的前提条件,1、从基因文库中获取： 2、利用PCR： 3、人工合成：,适用于目的基因的序列为未知的情况,适用于目的基因的核苷酸序列为已知的情况,适用于目的基因不是很大且序列是已知的,第二步：基因表达载体的构建,目的：是使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代,1.用一定的_切割 质粒，使其出现一个切 口，露出_。 2.用_切断目 的基因，使其产生_ _。,3.将切下的目的基因片段插入 质粒的切口处，再加入适量 _，形成了一个重组 DNA分子（重组质粒）,限制酶,黏

8、性末端,同一种限制酶,的黏性末端,DNA连接酶,相同,4.过程:,质粒,DNA分子,DNA连接酶,思考,目的基因与运载体结合的结果可能有几种情况？,1、目的基因与目的基因结合 2、质粒与质粒结合 3、目的基因与质粒结合。,启动子,终止子,目的基因,标记基因,表达载体=目的基因+启动子+终止子+标记基因,第三步：将目的基因导入受体细胞,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的过程（叫转化）。,（唯一没有出现碱基互补配对的过程）,将目的基因导入植物细胞 农杆菌转化法（感染双子叶植物和裸子植物，对大多单子叶植物没有感染力） 基因枪法（常用于单子叶植物） 花粉管通道法（转基因抗虫棉）

9、将目的基因导入动物细胞 显微注射技术（“超级小鼠”） 将目的基因导入微生物细胞 导入大肠杆菌方法：先用Ca2+处理，使其转为感受态细胞。再将重组载体与感受态细胞混合。,抗虫鉴定 抗病鉴定 活性鉴定等,抗原抗体杂交法,DNA-RNA分子杂交法,DNA分子杂交法,第四步：目的基因的检测和鉴定,（一）植物基因工程技术的应用 1、提高农作物的抗逆能力 （1）抗虫转基因植物抗虫基因的种类：4种,三、基因工程的应用,（2）抗病转基因植物 抗病转基因植物所用的基因： 常用：病毒外壳蛋白基因和 病毒的复制酶基因 抗真菌转基因植物中有：几丁质酶基因和抗毒素合成基因 （3）其它抗逆转基因植物 抗盐碱、干旱的基因：

10、调节细胞渗透压的基因 抗冻蛋白基因 抗除草剂基因,2、改良农作物的品质,富含赖氨酸的转基因玉米,导入与植物花青素代谢有关的基因的矮牵牛,3、利用植物生产药物,（二）动物基因工程的应用 1、用于提高动物生长速度 （如：导入外源生长激素基因鲤鱼） 2、用于改善畜产品的品质 （如：将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，使乳糖的含量大大减低） 3、用转基因动物生产药物 （如：转入人的a-抗胰蛋白基因的绵羊） 4、用转基因动物作器官移植的供体 （如：改造猪的器官）,（三）基因工程药物,（四）基因治疗,是指是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。 基因治疗包括： 1、体外基因治疗 2、体内

11、基因治疗,四、蛋白质工程,（一）蛋白质工程崛起的缘由 基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。这些天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一 定完全符合人类生产和生活的需要。 如：胰岛素、干扰素、生长素,例子：,干扰素在体外保存困难 玉米中赖氨酸含量比较低,将分子中的一个半胱氨酸转变成丝氨酸,第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸,第352位的苏氨酸变成异亮氨酸,（二） 蛋白质工程的基本原理 1、概念： 蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质，以满足人类对生产

12、和生活的需求。,2、基本原理 ： （1）确定蛋白质的功能蛋白质应有的高级结构蛋白质应具备的折叠状态应有的氨基酸序列应有的碱基排列， 创造自然界不存在的蛋白质。 （2）其与基因工程的比较： 基因工程是遵循中心法则，从DNAmRNA蛋白质折叠产生功能，生产出自然界已有的蛋白质。,3、蛋白质工程的进展和前景,1、蛋白质工程的诞生是有其理论与技术条件的，它是随着分子生物学、晶体学以及计算机技术的发展而诞生的，与基因组学、蛋白质组学、生物信息学的发展等因素有关 2、现状：成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥其功能需要依赖于正确的空间结构，而科学家目前对大多数蛋白质的空间结构了解很少。,专题二、克隆技术,

13、一、植物的组织培养 1、概念：植物组织培养就是在无菌和人工控制条件下，将离体的植物器官、组织、细胞，培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其产生愈伤组织、丛芽，最终形成完整的植株。 2、原理：具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞，都具有发育成完整生物体的潜能，也就是说，每个生物细胞都具有全能性的特点。,3、过程： 植物的花瓣（高度分化的组织）,脱分化,愈伤组织,再分化,小植株,植物组织培养技术的流程简图：,植物材料消毒,接种到诱导培养基,诱导出愈伤组织,愈伤组织转接到继代培养基上,可以不继代培养直接诱导分化,得到大量的愈伤组织,愈伤组织接种到分化培养基上,分化出幼苗,幼苗接种到生

14、根培养基上,若诱导出幼苗的同时也实现生根，可以省略生根培养基,完整植株,移栽到大田,二、动物的细胞培养与体细胞克隆,1、动物的细胞培养 动物细胞培养概念： 动物细胞培养：就是从动物机体中取出相关的组 织，将它分散成单个细胞，然后，放在适宜的培养 基中，让这些细胞生长和增殖。,动物细胞培养过程,取动物组织块,剪碎组织,用胰蛋白酶处理分散成单个细胞,转入培养液中进行原代培养,贴满瓶壁的细胞用胰蛋白酶处理分散成单个细胞，制成细胞悬液,转入培养液中进行传代培养,放入二氧化碳培养箱中培养,动物细胞培养的条件,1、无菌、无毒的环境 2、营养（糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素、血清等） 3、温度和P

15、H值（温度为3637, PH为7.27.4） 4、气体环境（氧气和二氧化碳，氧气是细胞代谢所必需的，二氧化碳的主要作用是维持培养液的PH）,动物细胞培养技术的应用,大规模的生产有重要价值的生物制品 为基因工程提供受体细胞 检测有毒物质，判断毒性 用于生理、病理、药理等方面的研究,2、体细胞克隆,高度分化的植物组织仍保持着全能性，但动 物细胞与植物细胞不同，动物细胞的全能性 会随着动物细胞分化程序的提高而逐渐受到 限制，分化潜能逐渐变弱。因此，目前还不 能用类似植物组织培养的方法获得完整的动 物个体，用动物体细胞克隆的动物，实际是 通过核移植来实现的。,动物核移植的概念,动物核移植是将动物的一个

16、细胞的细胞核，移入一个已经去掉细胞核的卵母细胞中，使其重组并发育成一个新的胚胎，这个新的胚胎最终发育成一个动物个体。用核移植的方法得到的动物称为克隆动物。,哺乳动物的核移植,胚胎细胞核移植,体细胞核移植,体细胞核移植的过程,体细胞核移植的应用前景,1、畜牧业：利用体细胞克隆技术可以加速家畜遗传改良进程，促进优良畜群繁育 2、保护濒危物种方面：利用体细胞核移植技术增加这些动物的存活数量 3、医药卫生方面：转基因克隆动物可以作为生物反应器，生产许多珍贵的医用蛋白;转基因克隆动物细胞、组织和器官可以作为异种移植的供体;人的核移植胚胎干细胞经过诱导分化，形成相应的组织、器官后，可以用于组织器官的,此外，研究克隆动物和克隆细胞可使人类更深入地了解胚胎发育及衰老过程;用克隆动物做疾病模型，能使人们更好的追踪研究疾病的发展过程和治疗疾病。,三、细胞融合与单克隆抗体,1、细胞融合技术 动物细胞融合也称细胞杂交，