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1、专题1 基因工程题图：题图：科技探索之路：科技探索之路：1.1 DNA重组技术的基本工具重组技术的基本工具1.2 基因工程的基本操作程序基因工程的基本操作程序1.3 基因工程的应用基因工程的应用1.4 蛋白质工程的崛起蛋白质工程的崛起选修选修3 3：现代生物科技专题现代生物科技专题专题专题1专题1 基因工程DNADNA重组技术的基本工具重组技术的基本工具基因工程的基本操作程序基因工程的基本操作程序基因工程应用基因工程应用蛋白质工程的崛起蛋白质工程的崛起烟草烟草据据据据WTOWTOWTOWTO调查：调查：调查：调查：20042004年全世年全世年全世年全世界因狂犬病致死人数约界因狂犬病致死人数约
2、界因狂犬病致死人数约界因狂犬病致死人数约5.55.5万万万万人人人人中国卫生部通报：中国卫生部通报：中国卫生部通报：中国卫生部通报：20042004年年年年月，狂犬病列法定报告传染月，狂犬病列法定报告传染月，狂犬病列法定报告传染月，狂犬病列法定报告传染病死亡数之首。病死亡数之首。病死亡数之首。病死亡数之首。发病死亡率近发病死亡率近发病死亡率近发病死亡率近100%100% 能产生狂犬病抗体能产生狂犬病抗体蛋白的转基因蛋白的转基因每每100kg 猪或牛的胰腺中仅可提取猪或牛的胰腺中仅可提取45g。1979年，美国将年，美国将人的胰岛素基因人的胰岛素基因重组到重组到大肠杆菌大肠杆菌内，实现了细菌生产
3、胰岛素，大大降低了生产成本。内，实现了细菌生产胰岛素，大大降低了生产成本。治疗糖尿病特效药治疗糖尿病特效药 据据WTOWTO调查：调查： 2005年全世界约有糖尿病患者年全世界约有糖尿病患者1.8亿人，亿人，我国约我国约6000万。万。胰岛素胰岛素胰岛素胰岛素思考思考QQ：转基因技术转基因技术转基因技术转基因技术实现了实现了实现了实现了一种生物一种生物一种生物一种生物的某些的某些的某些的某些性状性状性状性状 在在在在另一种生物另一种生物另一种生物另一种生物中中中中表达表达表达表达。这些性状的表达与我这些性状的表达与我这些性状的表达与我这些性状的表达与我 们学过的基因的什么过程有关？们学过的基因
4、的什么过程有关？们学过的基因的什么过程有关？们学过的基因的什么过程有关？密码子在生物界是的！密码子在生物界是的！密码子在生物界是的！密码子在生物界是的！DNA(DNA(基因基因基因基因) )mRNA mRNA 蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质( (性状性状性状性状) )转录转录转录转录翻译翻译翻译翻译通用通用 基因工程：又叫基因工程：又叫DNA重组技术重组技术。通俗。通俗的说，就是的说，就是按照人们的意愿按照人们的意愿，把，把一种生物一种生物的的某种基因某种基因提取出来，加以修饰改造，然提取出来，加以修饰改造，然后放到后放到另一种生物的细胞里另一种生物的细胞里，定向地改造，定向地改造生物的遗传特性。生
5、物的遗传特性。基因工程的概念基因工程的概念基础理论和技术的发展催生了基因工程20世纪中叶世纪中叶,基础理论取得了重大突破基础理论取得了重大突破 DNA是遗传物质的证明是遗传物质的证明 DNA双螺旋结构和中心法则的确立双螺旋结构和中心法则的确立 遗传密码的破译遗传密码的破译技术发明使基因工程的实施成为可能技术发明使基因工程的实施成为可能 基因转移载体的发现基因转移载体的发现 工具酶的发现工具酶的发现 DNA合成和测序技术的发明合成和测序技术的发明 DNA体外重组的实现体外重组的实现 重组重组DNA表达实验的成功表达实验的成功 第一例转基因动物问世第一例转基因动物问世 PCR技术的发明技术的发明科
6、技探索之路科技探索之路 艾弗里艾弗里艾弗里艾弗里证明证明证明证明DNADNA是遗传物质是遗传物质是遗传物质是遗传物质，DNADNA可从可从可从可从一种生物个体一种生物个体一种生物个体一种生物个体转移转移转移转移到另一种生物个体。到另一种生物个体。到另一种生物个体。到另一种生物个体。2020世纪中叶世纪中叶, ,基础理论基础理论取得了重大突破取得了重大突破沃森沃森沃森沃森、克里克克里克克里克克里克提出提出提出提出DNADNA的的的的双螺旋结构双螺旋结构双螺旋结构双螺旋结构模型。模型。模型。模型。科技探索之路科技探索之路2020世纪中叶世纪中叶, ,基础理论基础理论取得了重大突破取得了重大突破梅塞
7、尔松梅塞尔松梅塞尔松梅塞尔松、斯塔尔斯塔尔斯塔尔斯塔尔证明证明证明证明DNADNADNADNA的的的的半保留复制半保留复制半保留复制半保留复制科技探索之路科技探索之路2020世纪中叶世纪中叶, ,基础理论基础理论取得了重大突破取得了重大突破克里克克里克克里克克里克等提出等提出等提出等提出中心法则中心法则中心法则中心法则DNADNARNARNA蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质转录转录转录转录翻译翻译翻译翻译逆转录逆转录逆转录逆转录复制复制复制复制科技探索之路科技探索之路2020世纪中叶世纪中叶, ,基础理论基础理论取得了重大突破取得了重大突破科技探索之路科技探索之路 1963196319631963年年
8、年年尼伦伯格尼伦伯格尼伦伯格尼伦伯格和和和和马太马太马太马太破译破译破译破译编码氨基酸编码氨基酸编码氨基酸编码氨基酸的的的的遗传密码遗传密码遗传密码遗传密码，19661966年年年年霍拉纳霍拉纳霍拉纳霍拉纳用实验加以证明。用实验加以证明。用实验加以证明。用实验加以证明。2020世纪中叶世纪中叶, ,基础理论基础理论取得了重大突破取得了重大突破技术发明使基因工程的实施成为可能技术发明使基因工程的实施成为可能1)基因转移载体的发现基因转移载体的发现2)工具酶的发现工具酶的发现3)DNA合成和测序技术的发明合成和测序技术的发明4) DNA体外重组的实现体外重组的实现5)重组重组DNA表达实验的成功表
9、达实验的成功6)第一例转基因动物问世第一例转基因动物问世7)PCR技术的发明技术的发明科技探索之路科技探索之路基因拼接技术或基因拼接技术或DNA重组技术重组技术生物体外生物体外基因基因DNA分子水平分子水平人类需要的新生物类型和产品人类需要的新生物类型和产品剪切剪切 拼接拼接 导入导入 表达表达一、基因工程的原理一、基因工程的原理DNA重组技术或转基因技术重组技术或转基因技术问题探讨：苏云金芽孢杆菌含有一种可以苏云金芽孢杆菌含有一种可以合成毒蛋白的基因。合成毒蛋白的基因。让细菌的毒蛋白基因在棉花细让细菌的毒蛋白基因在棉花细胞中表达，可培育出抵抗棉铃胞中表达，可培育出抵抗棉铃虫害的抗虫棉。虫害的
10、抗虫棉。想一想： 需要做哪些关键工作？需要做哪些关键工作？苏云金芽孢杆菌苏云金芽孢杆菌毒蛋白毒蛋白毒蛋白毒蛋白普通棉花抗虫棉普通棉花抗虫棉普通棉花抗虫棉普通棉花抗虫棉基因工程培育抗虫棉的简要过程：基因工程培育抗虫棉的简要过程：在以上过程中在以上过程中关键步骤或难点关键步骤或难点是什么？是什么？普通棉花普通棉花( (无无抗虫特性抗虫特性) )苏云金芽孢杆菌苏云金芽孢杆菌提取提取提取提取抗虫基因抗虫基因通过运载体导入通过运载体导入通过运载体导入通过运载体导入转基因棉花转基因棉花含含抗虫基因抗虫基因转基因棉花产生转基因棉花产生伴胞晶体伴胞晶体转基因棉花转基因棉花有有抗虫特性抗虫特性二、二、DNADN
11、A重组技术的基本工具重组技术的基本工具基因工程培育抗虫棉的关键步骤：基因工程培育抗虫棉的关键步骤：关键步骤一：关键步骤一：抗虫基因从苏云金芽孢杆菌抗虫基因从苏云金芽孢杆菌细胞内细胞内提取出来提取出来关键步骤二：关键步骤二：抗虫基因抗虫基因与棉花与棉花DNA“缝合缝合”关键步骤三：关键步骤三：抗虫基因抗虫基因进入棉花细胞进入棉花细胞二、二、DNADNA重组技术的基本工具重组技术的基本工具解决培育抗虫棉的关键步骤需要哪些工具？解决培育抗虫棉的关键步骤需要哪些工具？“分子手术刀分子手术刀” 限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶关键步骤一：关键步骤一：抗虫基因从苏云金芽孢杆菌抗虫基因从苏云金芽孢杆菌细胞内
12、提取出来细胞内提取出来关键步骤二：关键步骤二：抗虫基因与棉花抗虫基因与棉花DNA“缝合缝合”关键步骤三：关键步骤三：抗虫基因进入棉花细胞抗虫基因进入棉花细胞“分子缝合针分子缝合针” DNADNA连接酶连接酶“分子运输车分子运输车” 基因进入受体细胞的基因进入受体细胞的载体载体二、二、DNADNA重组技术的基本工具重组技术的基本工具思考思考Q: 1. 1.在自然界中有一些生物的在自然界中有一些生物的DNADNA可能可能进入另一种生物的细胞中。我们有没有学过相进入另一种生物的细胞中。我们有没有学过相关的实例？关的实例？2.2.单细胞生物并没有在进化中，为什么不会因外单细胞生物并没有在进化中，为什么
13、不会因外源源DNADNA的入侵而灭绝？有何保护机制？的入侵而灭绝？有何保护机制？可能产生了一些特殊的酶来防范。可能这种可能产生了一些特殊的酶来防范。可能这种酶能识别外来侵入的酶能识别外来侵入的DNA并将其分解，而对并将其分解，而对自身的自身的DNA不能起作用。不能起作用。“分子手术刀分子手术刀”限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶主要来源：种类与命名：作用特点（特异性） 4.限制酶识别序列 5.作用结果：1.1.识别双链识别双链识别双链识别双链DNADNA分子中分子中分子中分子中特定的核苷酸序列特定的核苷酸序列特定的核苷酸序列特定的核苷酸序列2.2.切割特定核苷酸序列中的切割特定核苷酸序列中的切割
14、特定核苷酸序列中的切割特定核苷酸序列中的特定位点特定位点特定位点特定位点主要从原核生物中分离纯化主要从原核生物中分离纯化主要从原核生物中分离纯化主要从原核生物中分离纯化产生黏性末端或平末端产生黏性末端或平末端产生黏性末端或平末端产生黏性末端或平末端Go onGo on大多数限制酶的识别序列由大多数限制酶的识别序列由大多数限制酶的识别序列由大多数限制酶的识别序列由6 6 6 6个核苷酸组成个核苷酸组成个核苷酸组成个核苷酸组成少数的识别序列由少数的识别序列由少数的识别序列由少数的识别序列由4 4 4 4、5 5 5 5或或或或8 8 8 8个核苷酸组成个核苷酸组成个核苷酸组成个核苷酸组成一、限制性
15、核酸内切酶一、限制性核酸内切酶-分子手术刀分子手术刀种类与命名：现在已经从约300种微生物中分离出了约4000种限制性内切酶(限制酶)。E EcocoR RS Smama粘质沙雷氏杆菌粘质沙雷氏杆菌（Serratia marcesens）大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌（EscherichiaEscherichia coli coli R R）Go backGo back练习：流感嗜血杆菌的练习：流感嗜血杆菌的d d菌株菌株( ( Haemophilus influenzae d )Haemophilus influenzae d )中先后分离到中先后分离到3 3种限制酶，则分种限制酶，则分别
16、命名为别命名为: :Hind、Hind和和Hind T磷磷酸酸二二酯酯键键1234512345 AG A A T T CC T T A A G C C C G G GG G G C C CEcoR（4）作用结果：作用结果： 黏性末端和平末端黏性末端和平末端SmaEcoR 黏性末端黏性末端黏性末端黏性末端EcoR 黏性末端黏性末端黏性末端黏性末端 Sma 平末端平末端平末端平末端平末端平末端平末端平末端 限制酶所识别的序列，无论是限制酶所识别的序列，无论是6个碱基个碱基还是还是4个碱基，都可以找到一条个碱基，都可以找到一条中心轴线中心轴线（如图），中轴线两侧的双链（如图），中轴线两侧的双链DNA
17、上的碱基上的碱基是是反向、对称、重复反向、对称、重复排列的。排列的。想一想限制酶所识别的序列有什么特点？想一想限制酶所识别的序列有什么特点？ 限制酶存在于原核细胞中的作用是限制酶存在于原核细胞中的作用是什么？为什么限制酶不剪切细菌本身的什么？为什么限制酶不剪切细菌本身的DNA？实例：实例：1、下列关于限制酶的说法正确的是（、下列关于限制酶的说法正确的是（ ）A.限制酶广泛存在于各种生物中，但微生物中少限制酶广泛存在于各种生物中，但微生物中少B.一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列C.不同的限制酶切割不同的限制酶切割DNA后都会形成黏性末端后都会形成黏性末
18、端D.限制酶的作用部位是特定核苷酸形成的氢键限制酶的作用部位是特定核苷酸形成的氢键Q:要想获得某个特定性状的基因必须要用限制要想获得某个特定性状的基因必须要用限制酶切几个切口？可产生几个黏性酶切几个切口？可产生几个黏性(平平)末端？末端？要切两个切口，产生四个黏性要切两个切口，产生四个黏性(平平)末端。末端。Q:如果把两种来源不同的如果把两种来源不同的DNA用同一种限制用同一种限制酶来切割，会怎样呢？酶来切割，会怎样呢？ 会产生会产生相同的黏性相同的黏性(平平)末端末端，然后让两者，然后让两者的黏性的黏性(平平)末端末端黏合黏合起来，就似乎可以合成起来，就似乎可以合成重组的重组的DNA分子了。
19、分子了。思考思考? ?1、种类：、种类：2、作用部位：、作用部位：两类两类Ecoli DNA连接酶连接酶T4 DNA连接酶连接酶 磷酸二酯键磷酸二酯键 DNA连接酶连接酶可把切下来的可把切下来的DNA片段拼接成新片段拼接成新的的DNA。即。即:把黏性末端把黏性末端之间的缝隙之间的缝隙“缝合缝合”起来起来实质是实质是实质是实质是把把脱氧核糖和磷酸脱氧核糖和磷酸连接起来连接起来.二二、 DNA DNA连接酶连接酶- -分子缝合针分子缝合针类型：类型：EcoliEcoliDNADNA连接酶连接酶连接酶连接酶T T4 4DNADNA连接酶连接酶连接酶连接酶来源来源来源来源功能功能功能功能大肠杆菌大肠杆
20、菌大肠杆菌大肠杆菌T T4 4噬菌体噬菌体噬菌体噬菌体恢复恢复恢复恢复磷酸磷酸磷酸磷酸二酯键二酯键二酯键二酯键只能连接只能连接只能连接只能连接黏性末端黏性末端黏性末端黏性末端能连接能连接能连接能连接黏性末端黏性末端黏性末端黏性末端和和和和平末端平末端平末端平末端( (效率较低效率较低效率较低效率较低) )相同点相同点相同点相同点差别差别差别差别二二、 DNA DNA连接酶连接酶- -分子缝合针分子缝合针 可把黏性末端之间的可把黏性末端之间的缝隙缝隙“缝合缝合”起来，起来，Ecoli DNAEcoli DNA连接酶或连接酶或连接酶或连接酶或T T4 4DNADNA连接酶连接酶连接酶连接酶即即即即
21、恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键 T T4 4 DNA DNA连接酶连接酶还可把还可把平末端平末端之间的之间的缝隙缝隙“缝缝合合”起来，但起来，但效率较低效率较低T T4 4DNADNA连接酶连接酶寻根问底寻根问底DNA连接酶与连接酶与DNA聚合酶是一回事吗聚合酶是一回事吗?为什么为什么?1)1)只能将只能将单个核苷酸单个核苷酸连连接到已有的接到已有的DNADNA片段上，片段上，形成磷酸二酯键形成磷酸二酯键形成形成磷酸二酯键磷酸二酯键1)1)在在两个两
22、个DNADNA片段之片段之间间形成磷酸二酯键形成磷酸二酯键Q:外源基因外源基因(如抗虫基因如抗虫基因)怎样才能导入受体细怎样才能导入受体细胞胞(如棉花细胞如棉花细胞)？1.作用：2.种类： 质粒、质粒、噬菌体的衍生物噬菌体的衍生物和动植物病毒等。和动植物病毒等。 将将外源基因外源基因送入受体细胞。送入受体细胞。 三三、基因进入受体细胞的载体基因进入受体细胞的载体- - -分子运输车分子运输车” ” 最常用的质粒是大肠最常用的质粒是大肠杆菌的质粒杆菌的质粒:常含有常含有抗药基抗药基因因如如:四环素的标记基因。四环素的标记基因。(质质粒的存在与否对受体细胞生存粒的存在与否对受体细胞生存没有决定性作
23、用，但复制没有决定性作用，但复制只能只能在在受体细胞受体细胞内内完成完成) 质粒是质粒是一种裸露的、结构简一种裸露的、结构简单、独立于细菌染色体（即拟单、独立于细菌染色体（即拟核核DNADNA）之外，并且具有）之外，并且具有自我复自我复制制能力的能力的双双链链环环状状DNADNA分子分子质粒是基因工程最常用的载体质粒是基因工程最常用的载体1.假如目的基因导入受体细胞后不能复制将怎样？假如目的基因导入受体细胞后不能复制将怎样？2.作为载体没有作为载体没有切割位点切割位点将怎样？将怎样？3.目的基因目的基因是否是否进入受体细胞，你如何去察觉？进入受体细胞，你如何去察觉？4.如果载体对受体细胞有害将
24、怎样？如果载体对受体细胞有害将怎样？ 作为运载体必须具备的条件作为运载体必须具备的条件作为运载体必须具备的条件作为运载体必须具备的条件1.能够在受体细胞中能够在受体细胞中自我复制自我复制并并稳定稳定地保存。地保存。2.具有具有一个或多个限制酶切点一个或多个限制酶切点，以便与外源基因，以便与外源基因连接。连接。3.具有某些具有某些标记基因标记基因，便于进行筛选。，便于进行筛选。4.必需是安全的，不会对受体细胞有害。必需是安全的，不会对受体细胞有害。注意：注意：真正用作运载体的质粒都是人工改造过的真正用作运载体的质粒都是人工改造过的质粒的特点：质粒的特点：1、细菌染色体外双链环状、细菌染色体外双链
25、环状DNA分子分子2、能自我复制并在受体细胞中、能自我复制并在受体细胞中稳定存在稳定存在3、有一个或多个限制酶切点、有一个或多个限制酶切点4、有特殊的遗传标记基因、有特殊的遗传标记基因注意：注意：真正用作运载体的质粒真正用作运载体的质粒都是都是人工改造过的。人工改造过的。注意：注意：这两条这两条DNA分子的碱基对不是随意乱分子的碱基对不是随意乱写的。写的。一、每个一、每个DNA分子上的两条链上的碱基要互分子上的两条链上的碱基要互补配对；补配对；二、每个二、每个DNA分子中每条链都存在一个分子中每条链都存在一个G-A-A-T-T-C的碱基序列，也就是说是的碱基序列，也就是说是EcoRI限限制酶的
26、识别序列，并存在制酶的识别序列，并存在G-A的切割位点。的切割位点。四、四、模拟操作：重组模拟操作：重组DNADNA分子的模拟操作分子的模拟操作 小结：基因工程基因工程的工具的工具限制酶限制酶主要存在于原核生物中主要存在于原核生物中具有专一性具有专一性(识别序列识别序列)切开切开DNA分子的磷酸二酯键分子的磷酸二酯键DNADNA连连接酶接酶连接磷酸二酯键连接磷酸二酯键 种类种类E.coliDNA连接酶连接酶T4 DNADNA连接酶连接酶运载运载工具工具具备的具备的条件条件结构简单结构简单,大小适中大小适中能在宿主细胞中自能在宿主细胞中自我复制并稳定存在我复制并稳定存在具一个多个限制酶切位点具一
27、个多个限制酶切位点具标记基因具标记基因质粒、质粒、噬菌体衍生物、动植物病毒噬菌体衍生物、动植物病毒1、关于限制酶的说法中，正确的是（ ）A、限制酶是一种酶，只识别GAATTC碱基序 列B、EcoRI切割的是GA之间的氢键C限制酶一般不切割自身的DNA分子，只 切割外源DNAD限制酶只存在于原核生物中课堂练习2、DNA连接酶催化的反应是( )ADNA复制时母链与子链之间形成氢键 B黏性末端碱基之间形成氢键C两个DNA片段黏性末端之间的缝隙的连接 DA、B、C都不正确3、作为基因的运输工具载体，必须具备的条件及理由是( )A、能够在宿主细胞中稳定地保存下来并大量复制，以便提供大量的目的基因B、具有
28、多个限制酶切点，以便于目的基因的表达C具有某些标记基因，以便为目的基因的表达提供条件D、能够在宿主细胞中复制并稳定保存，以便于进行筛选4、质粒是基因工程最常见的载体，它的 主要特点是( )能自主复制不能自主复制结构很小 是蛋白质是环状RNA是环状DNA能“友好”地“借居”A、 B、 C D5、在受体细胞中能检测出目的基因是因为( )A、目的基因上有标记 B、质粒具有某些标记基因C、重组质粒能够复制 D以上都不正确6、关于质粒的叙述正确的是( )A、质粒是能够自我复制的环状DNA分子 B、质粒是唯一的载体C、重组质粒是目的基因 D、质粒可在宿主外单独复制7、基因工程中可用作载体的是( )质粒 噬菌体病毒 动物细胞核A、 B、 C D、8、下列关于基因工程中所选用的质粒的说法，错误的是( )A、不能没有标记基因 B、是小型链状的DNA分子C、能够自我复制 D可与目的基因重组9、下列黏性末端属于同一限制酶切割而成的是( )A、 B、 C、 D、 10、要使目的基因与对应的载体重组，所需的两种酶是( )(1)限制酶 (2)连接酶(3)解旋酶 (4)还原酶A、(1)(2)(3) B、(1)(2)(4) C、(1)(2) D、(1)(3)
