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1、基因工程基因工程及其应用及其应用第第2节节转鱼抗寒基转鱼抗寒基因的番茄因的番茄转基因鲑转基因鲑鱼鱼高产、稳产和高产、稳产和具有优良品质具有优良品质的农作物和具的农作物和具有抗逆性的作有抗逆性的作物新品种物新品种.抗虫害的玉米抗虫害的玉米什么是基因工程什么是基因工程? ? 基因工程的原理是什么基因工程的原理是什么? ?豆科植物的根瘤能够固定空气中的氮豆科植物的根瘤能够固定空气中的氮资料一：目前，资料一：目前，全球的氮肥生全球的氮肥生产耗费世界总产耗费世界总电力的电力的3%-4%，且农作物只，且农作物只能吸收氮肥的能吸收氮肥的1/10,造成了大造成了大面积土壤和水面积土壤和水质的污染。质的污染。资
2、料分析引入资料分析引入蜘蛛能够吐出蛛丝蜘蛛能够吐出蛛丝资料二：蛛丝是自资料二：蛛丝是自然界最奇特的物质然界最奇特的物质之一，它具有极强之一，它具有极强的韧度，其韧度是的韧度，其韧度是同样直径钢材的好同样直径钢材的好几倍。但与家蚕不几倍。但与家蚕不同，蜘蛛不能家养，同，蜘蛛不能家养，因为它们会互相吞因为它们会互相吞食，所以不可能建食，所以不可能建立人工饲养蜘蛛的立人工饲养蜘蛛的农场。农场。30多年来，多年来，科学家们一直试图科学家们一直试图找到利用其他生物找到利用其他生物体来制造蛛丝的办体来制造蛛丝的办法。法。 资料三资料三 以往，治疗糖尿以往，治疗糖尿病的胰岛素是从动病的胰岛素是从动物胰腺中提
3、取的，物胰腺中提取的，从从100千克猪、牛千克猪、牛等动物的胰腺只能等动物的胰腺只能提取提取34克胰岛素，克胰岛素，治疗一个患者需宰治疗一个患者需宰杀杀4050头牛，这头牛，这种药物的造价就可种药物的造价就可想而知了。想而知了。 微生物可以有分泌产物，微生物可以有分泌产物，且微生物繁殖速率快且微生物繁殖速率快设想设想一一能否让禾本科的植物也能够固定空气中能否让禾本科的植物也能够固定空气中能否让禾本科的植物也能够固定空气中能否让禾本科的植物也能够固定空气中的氮？的氮？的氮？的氮？能否让细菌能否让细菌能否让细菌能否让细菌“ “吐出吐出吐出吐出” ”蛛丝？蛛丝？蛛丝？蛛丝？设想设想二二能否让微生物产
4、生出人的胰岛素、干扰能否让微生物产生出人的胰岛素、干扰能否让微生物产生出人的胰岛素、干扰能否让微生物产生出人的胰岛素、干扰素等珍贵的药物？素等珍贵的药物？素等珍贵的药物？素等珍贵的药物？设想设想三三经过多年的努力，科学家于20世纪70年代创立了可以定向改造生物的新技术基因工程。基因工程基因工程：又叫做又叫做基因拼接技术基因拼接技术或或DNA重组技术重组技术。通俗的说，就是按照人们的意愿，把一种生物的某通俗的说，就是按照人们的意愿，把一种生物的某种基因提取出来，加以修饰改造，然后放到另一种种基因提取出来，加以修饰改造，然后放到另一种生物的细胞里，生物的细胞里，定向定向地改造生物的地改造生物的遗传
5、性状遗传性状。原原 理理：操作水平操作水平：结结 果果：目的基因目的基因供体细胞供体细胞受体细胞受体细胞基因重组基因重组DNA分子水平分子水平定向地改造生物的遗传性状，定向地改造生物的遗传性状，获得人类所需要的品种。获得人类所需要的品种。获得新性状获得新性状二、基因操作的工具二、基因操作的工具1.1.基因的基因的“剪刀剪刀”限制性内切酶（限制酶）限制性内切酶（限制酶）一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序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列，并在特定的切点上切割DNADNA分子。分子。专一性专一性如如:EcoRI限制酶限制酶什么叫黏性末端？什么叫黏性末端？ 被限制酶切开
6、的被限制酶切开的DNA两条单链的切口，两条单链的切口，带有几个伸出的核苷酸，他们之间正好互带有几个伸出的核苷酸，他们之间正好互补配对，这样的切口叫黏性末端。补配对，这样的切口叫黏性末端。注：限制性内切酶切割目的基因不一定都产注：限制性内切酶切割目的基因不一定都产生粘性末端，也可能产生整齐的末端。生粘性末端，也可能产生整齐的末端。被同一种限制酶切断的几个被同一种限制酶切断的几个DNADNA是否具是否具有相同的黏性末端？有相同的黏性末端？思考思考:限制限制限制限制酶酶酶酶作用：切割磷酸二酯键（磷酸与与脱氧核糖之作用：切割磷酸二酯键（磷酸与与脱氧核糖之间的化学键）间的化学键）脱氧核苷酸之间的化学键，
7、脱氧核苷酸之间的化学键，不是切割碱基对之间的氢键。不是切割碱基对之间的氢键。GAATTCCGTAGAATTCGGATT 尝试写出下列序列受尝试写出下列序列受EcoliI内切酶作用后的黏性末端内切酶作用后的黏性末端CTTCATGAATTCCCTAA GAAGTACTTAAGGGATT CTTAAGGCATCTTAAGCCTAA CTTCATG AATTCCCTAA GAAGTACTTAA GGGATT GGCATCTTAAAATTCCGTAG 2. 基因的针线基因的针线DNA连接酶连接酶 DNA连接酶可把黏性末端之间的连接酶可把黏性末端之间的缝缝隙隙“缝合缝合”起来，形成一个重组的起来，形成一个
8、重组的DNA分子。（位点：磷酸二酯键）分子。（位点：磷酸二酯键）作用与作用与DNA限制酶作用相反，作用位点相同限制酶作用相反，作用位点相同基因的针线：基因的针线：DNA连接酶连接酶G A A T T CC T T A A GG A A T T CC T T A A GG C T T A A A A T T C GG C T T A A A A T T C GG C T T A A A A T T C G用同种限制酶切割用同种限制酶切割DNA连接酶连接连接酶连接的是的是DNA骨架上骨架上的缺口，的缺口，不是不是碱碱基间的氢键基间的氢键3 3、基因的运输工具、基因的运输工具运载体运载体 常常用用的
9、的运运载载体体： 质质粒粒、噬噬菌菌体体和和动植物病毒等动植物病毒等标记基标记基因，便因，便于进行于进行检测。检测。 质粒存在于质粒存在于许多细菌和酵母许多细菌和酵母菌等生物中菌等生物中, ,是细是细胞染色体外能够胞染色体外能够自主复制的很小自主复制的很小的环状的环状DNADNA分子分子. .3 3、基因的运输工具、基因的运输工具运载体运载体运载体必须同时满足三运载体必须同时满足三个要求：个要求：具有一到多个限制酶的酶具有一到多个限制酶的酶切位点切位点, ,以便与外源基因连以便与外源基因连接接; ;能进入受体细胞并在受体能进入受体细胞并在受体细胞内稳定存在并能复制、细胞内稳定存在并能复制、表达
10、；表达；具有标记基因具有标记基因, ,便于目的便于目的基因的筛选基因的筛选. .三、基因工程基本步骤三、基因工程基本步骤1 1、获取目的基因、获取目的基因提取目的基因的方法提取目的基因的方法用限制酶切用限制酶切断成许多片段断成许多片段直接分离基因直接分离基因鸟枪法鸟枪法将供体生物的将供体生物的DNADNA用限制酶用限制酶切割为许多片段，再用运载体将切割为许多片段，再用运载体将这些片段都运载到受体生物的不这些片段都运载到受体生物的不同细胞中去。只要有一个细胞获同细胞中去。只要有一个细胞获得了需要的目的基因并得以表达，得了需要的目的基因并得以表达，基因工程就算成功了。基因工程就算成功了。该法最大的
11、缺点是该法最大的缺点是带有很大带有很大的盲目性，工作量大，成功率低。的盲目性，工作量大，成功率低。且不能将真核生物的基因转移到且不能将真核生物的基因转移到原核生物中去。原核生物中去。人工合成基因法人工合成基因法DNADNA合成仪合成仪有两种方法：有两种方法：逆转录法逆转录法：以信使：以信使RNARNA为模板，在逆转录酶为模板，在逆转录酶的作用下利用脱氧核苷酸的作用下利用脱氧核苷酸合成合成DNA(DNA(基因基因) )。化学合成法化学合成法：根据：根据蛋白质的氨基酸顺序推算蛋白质的氨基酸顺序推算出信使出信使RNARNA核糖核苷酸顺核糖核苷酸顺序，再据此推算出基因序，再据此推算出基因DNADNA的
12、脱氧核苷酸顺序。的脱氧核苷酸顺序。用游离脱氧核苷酸直接合用游离脱氧核苷酸直接合成相应的基因。成相应的基因。用与提取目的基因用与提取目的基因相同的限制酶切割质粒相同的限制酶切割质粒使之出现一个切口，将使之出现一个切口，将目的基因插入切口处，目的基因插入切口处，让目的基因的黏性末端让目的基因的黏性末端与切口上的黏性末端互与切口上的黏性末端互补配对后，在补配对后，在DNADNA连接酶连接酶的作用下连接形成重组的作用下连接形成重组DNADNA分子。分子。2 2、目的基因与运载体结合、目的基因与运载体结合3、将目的基因导入受体细胞、将目的基因导入受体细胞导入导入扩增扩增常用的受体细常用的受体细胞：胞：菌
13、类菌类和和动动植物细胞植物细胞4、目的基因的表达和检测、目的基因的表达和检测大量的受体细胞接受不多的目的基因。处理的受大量的受体细胞接受不多的目的基因。处理的受体细胞中真正摄入了目的基因的很少，必须将它从中体细胞中真正摄入了目的基因的很少，必须将它从中检测出来。检测出来。 将每个受体细胞单独培养形成菌落，检测菌落中将每个受体细胞单独培养形成菌落，检测菌落中是否有目的基因的表达产物。淘汰无表达产物的菌落，是否有目的基因的表达产物。淘汰无表达产物的菌落，保留有表达产物的进一步培养、研究。保留有表达产物的进一步培养、研究。无表达产物无表达产物无表达产物无表达产物有表达产物有表达产物无表达产物无表达产
14、物第一步：获取目的基因第一步：获取目的基因基因工程基本步骤：基因工程基本步骤：第二步：目的基因与运载体结合第二步：目的基因与运载体结合第三步：将目的基因导入受体细胞第三步：将目的基因导入受体细胞第四步第四步: 目的基因的表达和检测目的基因的表达和检测？如何让大肠杆菌生产人胰岛素如何让大肠杆菌生产人胰岛素？从细胞中分从细胞中分从细胞中分从细胞中分离出离出离出离出DNADNADNADNA限制酶截取限制酶截取限制酶截取限制酶截取DNADNADNADNA片断片断片断片断分离大肠杆分离大肠杆分离大肠杆分离大肠杆菌中的质粒菌中的质粒菌中的质粒菌中的质粒 DNADNADNADNA重组重组重组重组用重组质粒用
15、重组质粒用重组质粒用重组质粒转化大肠杆菌转化大肠杆菌转化大肠杆菌转化大肠杆菌培养大肠杆菌培养大肠杆菌培养大肠杆菌培养大肠杆菌克隆大量基因克隆大量基因克隆大量基因克隆大量基因转化的实质：转化的实质：基因重组基因重组1 1、什么是基因工程、什么是基因工程? ? 2 2、基因工程的原理是什么、基因工程的原理是什么? ?要使目的基因与对应的载体重组，所需的两种酶是要使目的基因与对应的载体重组，所需的两种酶是( ( ) ) 限制酶限制酶DNADNA连接酶连接酶解旋酶解旋酶还原酶还原酶 2.2.基因工程的正确操作步骤是（）基因工程的正确操作步骤是（）使目的基因与运载体结合使目的基因与运载体结合将目的基因导
16、入受体细胞将目的基因导入受体细胞检测目的基因的表达是否符合特定性状要求检测目的基因的表达是否符合特定性状要求提取目的基因提取目的基因 3.3.实施基因工程的第一步的一种方法是把所需实施基因工程的第一步的一种方法是把所需的基因从供体细胞内分离出来，这要利用限制的基因从供体细胞内分离出来，这要利用限制性内切酶。一种限制性内切酶能识别分性内切酶。一种限制性内切酶能识别分子的顺序，切点在和之间，子的顺序，切点在和之间，这是利用了酶的（）这是利用了酶的（） 高效性专一性高效性专一性 多样性催化活性易受外多样性催化活性易受外界影响界影响（一）、基因工程与作物育种（一）、基因工程与作物育种 1、在农作物生产
17、方面、在农作物生产方面目的：培育出高产、稳产、抗逆性的优目的：培育出高产、稳产、抗逆性的优良作物及新品种。良作物及新品种。优点：降低生产成本，减少农药的使用优点：降低生产成本，减少农药的使用对环境的危害，提高农作物对不良环境对环境的危害，提高农作物对不良环境的适应能力。的适应能力。四、基因工程的应用四、基因工程的应用转抗寒基因的转抗寒基因的番茄番茄 2、在畜牧养殖方面、在畜牧养殖方面 科学家利用基因工程的方法培育出了转基科学家利用基因工程的方法培育出了转基因奶牛、超级绵羊等多种转基因动物。因奶牛、超级绵羊等多种转基因动物。生长快、肉质好的转基生长快、肉质好的转基因鱼因鱼( (中国中国) )乳汁
18、中含有人生长激素乳汁中含有人生长激素的转基因牛的转基因牛( (阿根廷阿根廷) )( (二）、基因工程与药物研制二）、基因工程与药物研制我国生产的部分基因我国生产的部分基因工程疫苗和药物工程疫苗和药物许多药品的生产许多药品的生产是从是从生物组织中生物组织中提取提取的。受材料来源限制的。受材料来源限制产量有限，其价格往产量有限，其价格往往十分昂贵。往十分昂贵。微生物微生物生长迅速生长迅速，容易控制容易控制，适于大规模工，适于大规模工业化生产。若将业化生产。若将生物合成相应药物成分的基因生物合成相应药物成分的基因导导入微生物细胞内，让它们产生相应的药物，不但入微生物细胞内，让它们产生相应的药物，不但
19、能解决产量问题，还能大大降低生产成本。能解决产量问题，还能大大降低生产成本。胰岛素从猪、牛等动物的胰胰岛素从猪、牛等动物的胰腺中提取，腺中提取，100Kg100Kg胰腺只能提取胰腺只能提取4-5g4-5g的胰岛素，其产量之低和价的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。格之高可想而知。将合成的胰岛素将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，基因导入大肠杆菌，每每2000L2000L培养液就能培养液就能产生产生100g100g胰岛素！使胰岛素！使其价格降低了其价格降低了30%-30%-50%!50%!优点：能够高效率地生产出各种高质量，低成本优点：能够高效率地生产出各种高质量，低成本的药品。的药品。 治疗侏
20、儒症的唯一方法，是向人体注射治疗侏儒症的唯一方法，是向人体注射生长激素。而生长激素的获得很困难。以前，生长激素。而生长激素的获得很困难。以前，要获得生长激素，需解剖尸体，从大脑的底要获得生长激素，需解剖尸体，从大脑的底部摘取垂体，并从中提取生长激素。部摘取垂体，并从中提取生长激素。 现可利用基因工程方法，将人的生长激现可利用基因工程方法，将人的生长激素基因导入大肠杆菌中，使其生产生长激素。素基因导入大肠杆菌中，使其生产生长激素。人们从人们从 450 L大肠杆菌培养液中提取的生长大肠杆菌培养液中提取的生长激素，相当于激素，相当于6万具尸体的全部产量。万具尸体的全部产量。 基因工程药品基因工程药品
21、 生长激素生长激素 转基因抗乙肝西红柿转基因抗乙肝西红柿(中国中国)，虽然不能治，虽然不能治愈乙肝，但一年只吃几个抗乙肝西红柿，就完全愈乙肝，但一年只吃几个抗乙肝西红柿，就完全能代替注射乙肝疫苗。抗乙肝西红柿属于转基因能代替注射乙肝疫苗。抗乙肝西红柿属于转基因食品，就是将乙肝疫苗植入西红柿内，经过多代食品，就是将乙肝疫苗植入西红柿内，经过多代繁殖，使转入的基因稳定化。繁殖，使转入的基因稳定化。用转基因的植物生产药物用转基因的植物生产药物（三）、环境保护（三）、环境保护基因工程做成的基因工程做成的“超超级细菌级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。能吞食和分解多种污染环境的物质。通常一种细菌只能
22、分解石油中的一种通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程培育成功的烃类，用基因工程培育成功的“超级细菌超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。有却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDTDDT等毒害物质。等毒害物质。五、转基因生物和转基因食品的安全性五、转基因生物和转基因食品的安全性当人类拥有了只有大自然才拥有当人类拥有了只有大自然才拥有的改造生物、创造生物的能力时，的改造生物、创造生物的能力时，也感到了不安与困惑。人类是否也感到了不安与困惑。人类是否有权按照自已的意愿操纵地球上有权按照自已的意愿操纵地球上的生命？人类
23、创造的转基因生物、的生命？人类创造的转基因生物、转基因食品是否会危害整个生物转基因食品是否会危害整个生物圈，包括人类自身？圈，包括人类自身？19981998年，英国一位生物学家在电视节目中宣年，英国一位生物学家在电视节目中宣布：老鼠食用了转基因马铃薯后，肾、脾和消布：老鼠食用了转基因马铃薯后，肾、脾和消化道都出现了损伤，体重和器官重量减轻，免化道都出现了损伤，体重和器官重量减轻，免疫系统遭到破坏。疫系统遭到破坏。 目前，大多数专家认为，已经投入目前，大多数专家认为，已经投入商品化生产的转基因番茄、玉米等农产商品化生产的转基因番茄、玉米等农产品都是安全的。迄今为止尚无食用转基品都是安全的。迄今为
24、止尚无食用转基因生物产品引起任何严重问题的科学报因生物产品引起任何严重问题的科学报道。道。 转基因抗虫棉、耐贮藏番茄、抗病毒甜椒及基因工程疫苗等已获得生产应用安全证书。我国的行动2001年年5月，国务院公布月，国务院公布农业转基因生物农业转基因生物安全管理条例安全管理条例，对农业转基因生物的研，对农业转基因生物的研究和试验、生产和加工、经营和进出口等究和试验、生产和加工、经营和进出口等作了具体规定。作了具体规定。趋利避害，不能因噎废食。趋利避害，不能因噎废食。转基因生物与食物安全转基因生物与食物安全优点：优点：1、解决粮食短缺问题，、解决粮食短缺问题，降低生产成本，降低降低生产成本，降低粮食售
25、价。粮食售价。2、减少农药使用量，从、减少农药使用量，从而减轻环境污染。而减轻环境污染。3、增加食物营养，提高、增加食物营养，提高附加值，增加食物种附加值，增加食物种类，提升食物品质。类，提升食物品质。缺点：缺点：1、可能产生新毒素与新、可能产生新毒素与新过敏原。过敏原。2、可能产生抗除除草剂、可能产生抗除除草剂的杂草。的杂草。3、可能是疾病的散播跨、可能是疾病的散播跨越物种界限。越物种界限。4、可能会损害农作物的、可能会损害农作物的多样性，可能干扰生多样性，可能干扰生态系统的稳定性。态系统的稳定性。转基因生物与环境安全转基因生物与环境安全会破坏生态系统的稳定性。会破坏生态系统的稳定性。重组的
26、微生物在降解某些重组的微生物在降解某些化合物时所产生的中间产化合物时所产生的中间产物，可能造成二次污染。物，可能造成二次污染。重组重组DNA与微生物杂交可与微生物杂交可能产生对人类有害的病原能产生对人类有害的病原微生物。微生物。转基因植物的花粉中含有转基因植物的花粉中含有的毒蛋白通过食物链有可的毒蛋白通过食物链有可能进入动物或人体。能进入动物或人体。转入的是自然界已有的基转入的是自然界已有的基因，不会破坏生态系统因，不会破坏生态系统的稳定性。的稳定性。可以减少农药用量。可以减少农药用量。抗除草剂农作物使农田管抗除草剂农作物使农田管理更容易。理更容易。新闻报道不实，公众的过新闻报道不实，公众的过分担忧。分担忧。
