重组DNA技术的基本工具【高效课堂+备课精研】高二生物课件（人教版2019选择性必修3）

我国是棉花的生产和消费大国。棉花在种植我国是棉花的生产和消费大国。棉花在种植过程中过程中,常常会受到一些害虫的侵袭常常会受到一些害虫的侵袭,其中以棉铃其中以棉铃虫最为常见。棉铃虫可以使棉花产量减少三分之虫最为常见。棉铃虫可以使棉花产量减少三分之一一,严重时严重时,甚至能使一片棉田绝收。大量施用农甚至能使一片棉田绝收。大量施用农药杀虫不仅会提高生产成本药杀虫不仅会提高生产成本,还可能造成农产品还可能造成农产品和环境的污染。要是能培育出自身就能抵抗虫害和环境的污染。要是能培育出自身就能抵抗虫害的棉花新品种的棉花新品种,这一问题就会迎刀而解这一问题就会迎刀而解,我国拥有我国拥有自主知识产权的转基因抗虫棉就是在这样的背景自主知识产权的转基因抗虫棉就是在这样的背景下产生的。为什么传统的杂交育种方法培育不出下产生的。为什么传统的杂交育种方法培育不出抗虫棉抗虫棉,基因工程却可以呢基因工程却可以呢?基因工程是如何进行基因工程是如何进行操作的操作的?它给我们的生产和生活带来了怎样的影它给我们的生产和生活带来了怎样的影响响?普通棉花和转基因抗虫棉普通棉花和转基因抗虫棉为了棉花姓为了棉花姓“中国中国”19921992年年，一一场场史史无无前前例例的的棉棉铃铃虫虫灾灾害害吞吞噬噬着着中中国国的的棉棉田田，我我国国棉棉花花产产业遭遇灭顶之灾；业遭遇灭顶之灾；国国外外公公司司拒拒绝绝出出售售抗抗虫虫棉棉核核心心技技术术，到到19991999年年外外国国抗抗虫虫棉棉已已占占领领我我国国95%95%的棉花市场份额，国内棉花品种市场迅速流失的棉花市场份额，国内棉花品种市场迅速流失。19981998年年中中棉棉所所成成功功培培育育出出我我国国第第一一个个国国审审抗抗虫虫杂杂交交棉棉新新品品种种中中棉棉所所2929，使低龄棉铃虫的死亡率超过，使低龄棉铃虫的死亡率超过90%90%；20022002年年成成功功培培育育出出我我国国第第一一个个双双价价转转基基因因抗抗虫虫棉棉新新品品种种中中棉棉所所4141，该品种能够缓解棉铃虫抗药性，该品种能够缓解棉铃虫抗药性，我国成为世界第二个拥有抗虫基因自主知识产权的国家！第3章 基因工程 基因工程是指按照人们的愿望，通过转基因等技术，赋予生物新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物制品。从技术操作层面看，由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，因此又叫作重组DNA技术。（1 1）原理：（2 2）操作水平：（3 3）操作环境：（4 4）操作对象：（5 5）结果：基因重组。分子水平。生物体外。基因。赋予生物新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物制品。科技探索之路基因工程的诞生和发展基因工程的诞生和发展1944年，艾弗里等人通过肺炎链球菌的转化实验，不仅艾弗里等人通过肺炎链球菌的转化实验，不仅证明了遗传物质是证明了遗传物质是DNADNA，还证明了，还证明了DNADNA可以在同种生物的不同个体之间转移可以在同种生物的不同个体之间转移。1950年，埃特曼发明了一种测定氨基酸序列的方法。埃特曼发明了一种测定氨基酸序列的方法。2 2年后，桑格年后，桑格首次完成了首次完成了对胰岛素氨基酸序列的测定对胰岛素氨基酸序列的测定。1958年，梅塞尔森和斯塔尔用实验证明了梅塞尔森和斯塔尔用实验证明了DNADNA的半保留复制的半保留复制。随后不久，克。随后不久，克里克里克提出中心法则提出中心法则。1953年，沃森和克里克沃森和克里克建立了建立了DNADNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型并提出了并提出了遗传物质自我复遗传物质自我复制制的假说。的假说。1961年，尼伦伯格和马太尼伦伯格和马太破译了第一个编码氨基酸的密码子。破译了第一个编码氨基酸的密码子。截至截至19661966年年，6464个密码子均被个密码子均被成功成功破译破译。1967年，科学家发现，科学家发现，在细菌拟核在细菌拟核DNADNA之外的质粒有自我复制能力，并可之外的质粒有自我复制能力，并可以在细菌细胞间转移以在细菌细胞间转移。1970年，科学家在细菌中发现了科学家在细菌中发现了第一个限制性第一个限制性内切内切核酸酶（简称限制酶）核酸酶（简称限制酶）。20世纪70年代初，多种限制酶、多种限制酶、DNADNA连接酶和逆转录酶连接酶和逆转录酶被相继发现。这被相继发现。这些发现为些发现为DNADNA的切割、连接以及功能基因的获得创造了条件。的切割、连接以及功能基因的获得创造了条件。1972年，伯格首先在体外进行了伯格首先在体外进行了DNADNA改造改造的研究的研究，成功，成功构建了第一个体外重构建了第一个体外重组组DNADNA分子分子。1973年，科学家证明质粒可以作为基因工程的载体，构建重组DNA，导入受体细胞，使外源基因在原核细胞中成功表达，并实现使外源基因在原核细胞中成功表达，并实现物种间的基因交流。物种间的基因交流。至此，基因工程正式问世。至此，基因工程正式问世。1977年，桑格等科学家发明了桑格等科学家发明了DNADNA序列分析的方法，为基因序列图的绘制提序列分析的方法，为基因序列图的绘制提供了可能供了可能。此后，。此后，DNADNA合成仪的问世为合成仪的问世为体外合成体外合成DNADNA提供了方便提供了方便。1982年，第一个基因工程药物第一个基因工程药物-重组人胰岛素重组人胰岛素被批准上市。基因工程药物成被批准上市。基因工程药物成为世界各国研究和投资开发的热点。为世界各国研究和投资开发的热点。1983年，科学家采用科学家采用农杆菌转化法农杆菌转化法培育出世界上培育出世界上第一例转基因烟草第一例转基因烟草。此后，。此后，基因工程进入了迅速发展的阶段基因工程进入了迅速发展的阶段。科技探索之路基因工程的诞生和发展基因工程的诞生和发展1985年，穆里斯等人发明了穆里斯等人发明了PCRPCR，为，为获取目的基因获取目的基因提供了有效手段提供了有效手段。1990年，人类基因组计划人类基因组计划启动。启动。20032003年，该计划年，该计划的的测序任务顺利完成测序任务顺利完成。21世纪以来，科学家发明了多种高通量测序技术，可以实现低成本测定大科学家发明了多种高通量测序技术，可以实现低成本测定大量核酸序列，加速了人们对基因组序列的了解量核酸序列，加速了人们对基因组序列的了解。2013年，华人科学家张锋及其团队首次报道利用最新的华人科学家张锋及其团队首次报道利用最新的基因组编辑技术基因组编辑技术CRISPRCRISPR（成簇规律间隔短回文重复）技术编辑了哺乳动物基因组（成簇规律间隔短回文重复）技术编辑了哺乳动物基因组。该技。该技术术可以实现对特定基因的定点插入、敲除或替换可以实现对特定基因的定点插入、敲除或替换。1984年，我国科学家朱作言领导的团队培育出世我国科学家朱作言领导的团队培育出世界上界上第一条转基因鱼第一条转基因鱼。科技探索之路基因工程的诞生和发展基因工程的诞生和发展第第1节节 重组重组DNA技术的基本工具技术的基本工具从社会中来 番木瓜容易受番木瓜环斑病毒的侵袭。当番木番木瓜容易受番木瓜环斑病毒的侵袭。当番木瓜被这种病毒感染后，产量会大大下降。科学家瓜被这种病毒感染后，产量会大大下降。科学家通过精心设计，用通过精心设计，用“分子工具分子工具”培育出了转基因培育出了转基因番木瓜，它可以抵御番木瓜环斑病毒。番木瓜，它可以抵御番木瓜环斑病毒。DNADNA双螺旋的直径只有双螺旋的直径只有2nm,2nm,对如此微小的分子对如此微小的分子进行操作，是一项非常精细的工作，更需要专门进行操作，是一项非常精细的工作，更需要专门的的“分子工具分子工具”。那么，科学家究竟用到了哪些。那么，科学家究竟用到了哪些“分子工具分子工具”？这些？这些“分子工具分子工具”各具有什么特各具有什么特征呢？征呢？非转基因番木瓜非转基因番木瓜(左）与左）与转基因番木瓜转基因番木瓜(右）右）工具工具分子手术刀分子手术刀分子缝合针分子缝合针分子运输车分子运输车限制性内切核酸酶：限制性内切核酸酶：DNADNA连接酶：连接酶：载体：载体：准确切割准确切割DNA分子分子将将DNADNA片段连接起来片段连接起来将体外重组好的将体外重组好的DNADNA分子导入受体细胞分子导入受体细胞重组DNADNA技术所需的三种基本工具“分子手术刀分子手术刀”准确切割准确切割DNA分子分子“分子缝合针分子缝合针”“分子运输车分子运输车”将将DNA片片段连接起段连接起来来将体外重组好的将体外重组好的DNA分子导入受体分子导入受体细胞细胞1.1.为什么为什么不同生物的不同生物的DNADNA分子能拼接起来？分子能拼接起来？2.2.为什么为什么一种生物的基因可以在另一种生一种生物的基因可以在另一种生物细胞内表达？物细胞内表达？DNA DNA是生物的主要遗传物质是生物的主要遗传物质 DNA DNA的基本组成单位都是四种脱氧核苷酸的基本组成单位都是四种脱氧核苷酸双链双链DNADNA分子的空间结构都是规则的双螺旋结构分子的空间结构都是规则的双螺旋结构 基因是控制生物性状的独立遗传单位基因是控制生物性状的独立遗传单位 遗传信息的传递都遵循中心法则遗传信息的传递都遵循中心法则 生物界共同一套遗传密码生物界共同一套遗传密码思考讨论一、限制性内切核酸酶一、限制性内切核酸酶“分子手术刀分子手术刀”1.1.简称：简称：限制酶限制酶2.2.来源：来源：主要是从主要是从原核生物原核生物中分离中分离纯化出来的。化出来的。你你能能根根据据所所掌掌握握的的知知识，推推测限限制制酶存存在在于于原原核核生生物物中中的的主主要要作用是什么作用是什么吗？原核生物容易受到自然界原核生物容易受到自然界外源外源DNADNA的入侵的入侵，所以它在，所以它在长期的进化长期的进化过过程中形成了一套完善的程中形成了一套完善的防御机制防御机制。限制酶就是它的一种防御性工具。限制酶就是它的一种防御性工具。当外源当外源DNADNA入侵时，它会利用限制酶来入侵时，它会利用限制酶来切割外源切割外源DNADNA，使之失效使之失效，以，以保保证自身安全证自身安全。所以，简单来说：限制酶在原核生物中起到的作用为：所以，简单来说：限制酶在原核生物中起到的作用为：切割外源切割外源DNADNA、使之失效，以保证自身安全、使之失效，以保证自身安全试推测限制酶为什么不会切割自身的试推测限制酶为什么不会切割自身的DNADNA？原核生物中不存在该酶的识别序列或识别序列已被修饰原核生物中不存在该酶的识别序列或识别序列已被修饰一、限制性内切核酸酶一、限制性内切核酸酶“分子手术刀分子手术刀”3.3.作用：作用：识别双双链DNADNA分子的特定核苷酸序列分子的特定核苷酸序列，并且，并且使每一条使每一条链中中特定部位的磷酸二特定部位的磷酸二酯键断开断开。ATCGTAGC5353磷磷酸酸二二酯酯键键4.4.作用部位作用部位：磷酸二酯键，限制酶只切割两个核苷酸之间的磷酸二酯键。G1234512345 A磷酸二酯键磷酸二酯键（特异性）一、限制性内切核酸酶一、限制性内切核酸酶“分子手术刀分子手术刀”5.5.限制限制酶的命名：的命名：用生物属名的用生物属名的头一个字母与种加一个字母与种加词的的头两个字母两个字母，组成了成了3 3个字母的略个字母的略语，以此来表示以此来表示这个个酶是从哪种生物中分离出来的是从哪种生物中分离出来的。例如，一种限制。例如，一种限制酶是从是从大大肠杆菌杆菌(Escherichia coli)(Escherichia coli)的的R R型菌株型菌株分离来的，就用字母分离来的，就用字母EcoREcoR表示；如表示；如果它是从大果它是从大肠杆菌杆菌R R型菌株中分离出来的第一种限制型菌株中分离出来的第一种限制酶，则进一步表示成一步表示成EcoRIEcoRI。两种常用的限制酶：EcoR：大肠杆菌（Escherichia coli）R型菌株中分离出的第一个限制酶；Sma：粘质沙雷氏菌（Serratia marcescens）中分离出的第一个限制酶。EcoR和Sma粘质沙雷氏杆菌（粘质沙雷氏