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1、选修三,现代生物科技专题,一、基因工程的原理及技术,1、原理：,专题一 基因工程,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）,双链DNA结构和磷酸二酯键位置,切割DNA分子时产生的两种不同末端,连接酶的作用是：将互补配对的两个黏性末端连接起来，使之成为一个完整的DNA分子。 （恢复被限制酶切开的
2、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,分子的切割和连接,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
3、.质粒的存在对宿主细胞无影响 6.质粒的复制只能在宿主细胞内完成,常用载体质粒的特点,大肠杆菌及质粒载体结构示意图,复制原点,目的基因插入位点,氨苄青霉素抗性基因,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
4、因文库：如cDNA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。,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,启动子,终止子,目的基因,标记基因,表达载体模式图,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）。,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
5、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） 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。,第四步：目的基因的检测和鉴定 分子水平的检测 检测是否插入了目的基因 检测是否转录出了mRNA 检测是否翻译成蛋白质 个体生物学水平的检测 （做抗虫或抗病的接种实验）,1.运用现代生物技术，将苏云金芽孢杆菌的抗虫基因整合到棉花细胞中，为检测实验是否成功，最方便的方法是检测棉花植株是否有（） A.抗虫基因B.抗虫基因产物 C.新的细胞核D.相应性状 2.转基因
6、动物转基因时的受体细胞是（） A.受精卵B.精细胞 C.卵细胞D.体细胞,D,A,随堂练习,3.人的糖蛋白必须经内质网和高尔基体进一步加工合成，通过转基因技术，可以使人 的糖蛋白基因得以表达的受体细胞是（） A.大肠杆菌 B.酵母菌 C.噬菌体D.质粒DNA 4.人们利用基因工程方法，用大肠杆菌生产人类胰岛素，与此过程无关的是（） A.用限制酶对胰岛素基因与载体分别切到并催化两者连接 B .把重组后的DNA分子导入受体细菌内进行扩增 C.检测重组载体是否导入受体细菌内并表达出性状 D.筛选出能产生胰岛素的“工程菌”,B,A,（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
7、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：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 （
8、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、体内基因治疗,随堂练习,1.运用现代生物技术的育种方法，将抗菜青虫的Bt基因转移到优质油菜中，培育出 转基因抗虫的油菜品种，这一品种在生长过程中能产生特异的杀虫蛋白，对菜青虫 有显著抗性，能大大减轻菜青虫对油菜的危害，提高油菜产量，减小农药使用。根据以上信息，下列叙述正确的是（） A.Bt基因的化学成分是蛋白质 B. Bt基因中有菜青虫的遗传物质 C.转基因抗
9、虫油菜能产生杀虫蛋白是由于具有Bt基因 D.转基因抗虫油菜产生的杀虫蛋白是无机物,C,2.水母发光蛋白由236个氨基酸构成，其中Asp、Gly和Ser构成发光环，现已将这种蛋白质的基因作为生物转基因的标记，在转基因技术中，这种蛋白质的作用是（） A.促使目的基因到导入宿主细胞中 B.促使目的基因在宿主细胞中复制 C.使目的基因容易被检测出来 D.使目的基因容易成功表达,C,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
10、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
11、白质折叠产生功能， 生产出自然界已有的蛋白质。,1. 利用蛋白质工程改造天然蛋白质，进而改变其功能，获得毒副作用很小、专一性增强、药效加强、稳定性增强的理想的药物如胰岛素是治疗依赖型糖尿病的特效药物，但是天然胰岛素在人体内寿命只有几小时，重症病人每天得注射好几次药物，给病人带来不便和痛苦。通过蛋白质工程改变胰岛素的空间结构，以延长半衰期，得到长效胰岛素。还可以在不改变胰岛素活性部位结构的前提下，增强其他部位结合强度，使之难以被酶所破坏，从而增强其稳定性。 (1)蛋白质工程的基本途径是 ： (2)与基因工程相比，合成的蛋白质有何特点？ (3)用蛋白质工程生产的胰岛素，与天然胰岛素比较，显著的优点
12、是？,随堂练习,答案,（1）从预期的蛋白质功能出发设计预期的胰岛素分子结构推测应有的氨基酸序列找到相应的核苷酸序列（基因）,（2）合成的是自然界原本不存在的蛋白质,（3）稳定性强,专题二、克隆技术,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
13、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
14、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PH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
15、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
16、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，是指两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程。融合后形成的具有两个或多个细胞遗传信息的单核细胞，称为杂交细胞。 动物细胞融合与植物原生质体融合的基本原理相同，诱导动物细胞融合的方法与植物原生质体融合的方法也类似，常用的诱导因素有聚乙二醇（PEG）、灭活的病毒、电激等。 动物细胞融合技术突破了有性杂交方法的局限，使远缘杂交成为可能。,2、单克隆抗体,原始获得抗体的方法：向动物体内反复注射 某种抗原，使动物产生抗体，然后，从动物 血清中
