[添添课件库] 高三生物复习 基因工程的基本内容

基因工程简介基因工程简介第三章第三章 第四节第四节一一 基因工程的基本内容基因工程的基本内容 主要内容主要内容1）基因工程的概念）基因工程的概念2）基因操作的工具）基因操作的工具3）基因操作的基本步骤）基因操作的基本步骤 什么叫基因工程？什么叫基因工程？基因工程又叫基因工程又叫 基因拼接技术基因拼接技术 或或 DNA重重组技术组技术 。该技术是在。该技术是在 生物体外生物体外 ，通过对，通过对DNA分子进行人工分子进行人工 “剪切剪切 ”和和 “拼接拼接 ”，对生，对生物的基因进行物的基因进行 改造改造 和和 重新组合重新组合 ，然后，然后 导入导入受体细胞受体细胞 内进行无性繁殖，使重组基因在内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内受体细胞内 表达表达 ，产生出人类所需要的，产生出人类所需要的 基基因产物因产物 。（一）基因工程的概念（一）基因工程的概念（一）基因工程的概念（一）基因工程的概念基因工程的别名基因工程的别名操作环境操作环境操作对象操作对象操作水平操作水平基本过程基本过程结果结果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基因产物人类需要的基因产物剪切剪切 拼接拼接 导入导入 表达表达实质实质 基因重组基因重组 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：（一）基因工程的概念（一）基因工程的概念普通棉花普通棉花 (无抗虫特性无抗虫特性 )苏云金芽孢杆菌苏云金芽孢杆菌提取提取抗虫基因抗虫基因与与 运载体运载体 DNA拼接拼接导入导入 棉花细胞棉花细胞 (含含 抗虫基因抗虫基因 )棉花植株棉花植株 (有有 抗虫特性抗虫特性 ) 上述培育抗虫棉的关键步骤是什么？上述培育抗虫棉的关键步骤是什么？（一）基因工程的概念（一）基因工程的概念 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 与运载体与运载体 DNA连接连接关键步骤三关键步骤三：抗虫基因抗虫基因 导入受体导入受体 (棉花棉花 )细胞细胞 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？（二）基因操作的工具（二）基因操作的工具关键步骤一的工具关键步骤一的工具：关键步骤二的工具关键步骤二的工具：关键步骤三的工具关键步骤三的工具：基因的基因的 剪刀剪刀 限制性内切酶限制性内切酶基因的基因的 针线针线 DNA连接酶连接酶基因的基因的 运载工具运载工具 运载体运载体 基因的剪刀基因的剪刀 限制性内切酶（简称限制酶限制性内切酶（简称限制酶）（二）基因操作的工具（二）基因操作的工具限制酶是在生物体限制酶是在生物体 (主要是主要是 微生物微生物 )内的内的一种酶，能将外来的一种酶，能将外来的 DNA切断切断 ，由于这种切，由于这种切割作用是在割作用是在 DNA分子内部进行的，故名限制分子内部进行的，故名限制性内切酶。性内切酶。特点：特异性。特点：特异性。即即 一种一种 限制酶限制酶 只能识别一种只能识别一种 特定的特定的 核苷核苷酸序列酸序列 ，并且能在，并且能在 特定的切点特定的切点 上切割上切割 DNA分分子。子。 基因的剪刀基因的剪刀 限制性内切酶（简称限制酶限制性内切酶（简称限制酶）（二）基因操作的工具（二）基因操作的工具大肠杆菌大肠杆菌 (E.coli)的一种限制酶的一种限制酶 能识别能识别GAATTC序列序列 ，并在，并在 G和和 A之间切开。之间切开。限制酶限制酶 基因的剪刀基因的剪刀 限制性内切酶（简称限制酶限制性内切酶（简称限制酶）（二）基因操作的工具（二）基因操作的工具限制限制酶酶 什么叫黏性末端？什么叫黏性末端？（二）基因操作的工具（二）基因操作的工具被限制酶切开的被限制酶切开的 DNA两条单链的切口两条单链的切口，带有几个，带有几个 伸出的核苷酸伸出的核苷酸 ，他们之间正好，他们之间正好互补配对互补配对 ，这样的切口叫，这样的切口叫 黏性末端黏性末端 。 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？可产生几个黏性末端？酶切几个切口？可产生几个黏性末端？（二）基因操作的工具（二）基因操作的工具要切两个切口，产生四个黏性末端。要切两个切口，产生四个黏性末端。 如果把两种来源不同的如果把两种来源不同的 DNA用同一种限制酶用同一种限制酶来切割，会怎样呢？来切割，会怎样呢？会产生会产生 相同的黏性末端相同的黏性末端 ，然后让两者的，然后让两者的黏性末端黏性末端 黏合黏合 起来，就似乎可以合成重组的起来，就似乎可以合成重组的DNA分子了。分子了。 基因的针线基因的针线 DNA连接酶连接酶（二）基因操作的工具（二）基因操作的工具DNA连接酶连接酶 可把黏性末端可把黏性末端 之间的缝之间的缝隙隙 “缝合缝合 ”起来，即把梯子两边扶手的断起来，即把梯子两边扶手的断口连接起来，这样一个重组的口连接起来，这样一个重组的 DNA分子分子就形成了。就形成了。 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 )？（二）基因操作的工具（二）基因操作的工具导入过程需要运输工具导入过程需要运输工具 运载体运载体。 运载体的作用有哪些？运载体的作用有哪些？作用一作用一 ：作为运载工具，将外源基因：作为运载工具，将外源基因 (抗虫抗虫基因基因 )转移转移 到受体细胞到受体细胞 (棉花细胞棉花细胞 )中去。中去。作用二作用二 ：利用运载体在受体细胞：利用运载体在受体细胞 (棉花细胞棉花细胞)内，内， 对外源基因对外源基因 (抗虫基因抗虫基因 )进行进行 大量复制大量复制。 作为运载体必须具备哪些条件？作为运载体必须具备哪些条件？（二）基因操作的工具（二）基因操作的工具1）能够在宿主细胞中）能够在宿主细胞中 复制复制 并稳定地并稳定地 保存保存 。2）具多个）具多个 限制酶切点限制酶切点 ，以，以 便与外源基因连接便与外源基因连接。3）具有某些）具有某些 标记基因标记基因 ，便于进行，便于进行 筛选筛选 。如抗菌素的抗性基因、产物具有颜色反应如抗菌素的抗性基因、产物具有颜色反应的基因等。的基因等。 基因的运载工具基因的运载工具 运载体：运载体：（二）基因操作的工具（二）基因操作的工具常用的运载体主要有两类：常用的运载体主要有两类：1）细菌细胞质的）细菌细胞质的 质粒质粒2） 噬菌体噬菌体 或某些或某些 动植物病毒动植物病毒 质粒：质粒：（二）基因操作的工具（二）基因操作的工具质粒是染色体外能够进行质粒是染色体外能够进行 自主复制自主复制 的的遗传单位，包括真核生物的细胞器和细菌遗传单位，包括真核生物的细胞器和细菌细胞中核区外的细胞中核区外的 DNA分子。现在习惯上用分子。现在习惯上用来专指细菌、酵母菌和放线菌等生物中来专指细菌、酵母菌和放线菌等生物中 核核以外的以外的 DNA分子分子 。质粒质粒 是基因工程是基因工程 最常用最常用 的的 运载体运载体 。绝大多数细菌质粒都是绝大多数细菌质粒都是 闭合环状闭合环状 DNA分子分子 。有的一个细菌中有一个，有的一个。有的一个细菌中有一个，有的一个细菌中有多个。细菌中有多个。 大肠杆菌的质粒大肠杆菌的质粒：（二）基因操作的工具（二）基因操作的工具最常用的质粒最常用的质粒 是是大肠杆菌的质粒大肠杆菌的质粒 ，其，其中常含有中常含有 抗药基因抗药基因 ，如四环素的标记基因如四环素的标记基因。质粒的。质粒的 存在与否对存在与否对宿主细胞生存没有决宿主细胞生存没有决定性作用定性作用 ，但，但 复制只复制只能在宿主细胞内成能在宿主细胞内成 。 四个基本步骤：四个基本步骤：（三）基因操作的基本步骤（三）基因操作的基本步骤1） 提取提取 目的基因目的基因2）目的基因）目的基因 与运载体结合与运载体结合3）将目的基因）将目的基因 导入导入 受体细胞受体细胞4）目的基因的）目的基因的 检测检测 和和 表达表达 目的基因目的基因（三）基因操作的基本步骤（三）基因操作的基本步骤目的基因是人们所目的基因是人们所 需要转移需要转移 或或 改造改造 的的基因。基因。如苏云金芽孢杆菌的如苏云金芽孢杆菌的 抗虫基因抗虫基因 ，还有，还有植物的植物的 抗病抗病 （ 抗病毒抗病毒 、 抗细菌抗细菌 ） 基因基因 、种、种子子 贮藏蛋白的基因贮藏蛋白的基因 ，以及人的，以及人的 胰岛素基因胰岛素基因、 干扰素基因干扰素基因 等。等。 目的基因的提取方法目的基因的提取方法（三）基因操作的基本步骤（三）基因操作的基本步骤直接分离基因直接分离基因人工合成基因人工合成基因 反转录法反转录法根据已知的氨基酸序列根据已知的氨基酸序列合成合成 DNA： 鸟枪法鸟枪法（三）基因操作的基本步骤（三）基因操作的基本步骤 步骤一：目的基因的提取步骤一：目的基因的提取1） 鸟枪法（散弹射击法）鸟枪法（散弹射击法） ：用用 限制酶限制酶 将将 供体细胞供体细胞 中的中的 DNA切成许多切成许多片段片段 ，将这些片段分别，将这些片段分别 载入运载体载入运载体 ，然后通，然后通过运载体分别转入不同的受体细胞，让供体过运载体分别转入不同的受体细胞，让供体细胞提供的外源细胞提供的外源 DNA的所有片段分别在各个的所有片段分别在各个受体细胞受体细胞 中中 大量复制大量复制 （即（即 扩增扩增 ），从中），从中 找出找出含有目的基因含有目的基因 的细胞，再利用一定发方法将的细胞，再利用一定发方法将目的基因的目的基因的 DNA片段片段 分离分离 出来。出来。（三）基因操作的基本步骤（三）基因操作的基本步骤 步骤一：目的基因的提取步骤一：目的基因的提取2） 反转录法反转录法 ：以以 目的基因目的基因 转录成转录成的的 信使信使 RNA为模板，为模板， 反反转录转录 成互补的成互补的 单链单链 DNA， 然后在酶的作用下然后在酶的作用下 合合成双链成双链 DNA， 从而获得从而获得所需的基因。所需的基因。目的基因的目的基因的 mRNA单链单链 DNA(cDNA)双链双链 DNA(即目的基因即目的基因 )反转录反转录合成合成（三）基因操作的基本步骤（三）基因操作的基本步骤 步骤一：目的基因的提取步骤一：目的基因的提取3） 根据已知的氨基酸序列合成根据已知的氨基酸序列合成 DNA法法 ：根据根据 已知已知 蛋白质的蛋白质的氨基酸序列氨基酸序列 ， 推测推测 出相出相应的应的 信使信使 RNA序列，然序列，然后按照后按照 碱基互补配对碱基互补配对 原原则，则， 推测推测 出它的出它的 结构基结构基因的核苷酸序列因的核苷酸序列 ，再通，再通过化学方法，以过化学方法，以 单核苷单核苷酸为原料合成目的基因酸为原料合成目的基因。蛋白质的氨基酸序列蛋白质的氨基酸序列mRNA的核苷酸序列的核苷酸序列结构基因的核苷酸序列结构基因的核苷酸序列推测推测推测推测目的基因目的基因化学合成化学合成（三）基因操作的基本步骤（三）基因操作的基本步骤 上述三种目的基因提取的方法有何优缺点上述三种目的基因提取的方法有何优缺点？ 优点 缺点鸟枪法反转录法根据已知氨基酸合成 DNA法操作简便操作简便广泛使用广泛使用工作量大，盲目，分工作量大，盲目，分离出来的有时并非一离出来的有时并非一个基因个基因专一性强专一性强操作过程麻烦，操作过程麻烦， mRNA很不稳定，要求的技很不稳定，要求的技术条件较高术条件较高专一性最强专一性最强 仅限于合成核苷酸对仅限于合成核苷酸对较少的简单基因较少的简单基因（三）基因操作的基本步骤（三）基因操作的基本步骤 哪些新技术能大大简化基因工程的操作技术哪些新技术能大大简化基因工程的操作技术？ 1） DNA序列自动测序仪：序列自动测序仪：2） PCR技术技术 ：对提取出来的对提取出来的基因进行核苷酸基因进行核苷酸序列分析。序列分析。使目的基因的使目的基因的片段在短时间内片段在短时间内成百万倍地扩增成百万倍地扩增。（三）基因操作的基本步骤（三）基因操作的基本步骤 步骤二步骤二 ： 目的基因与运载体重组目的基因与运载体重组1）用一定的）用一定的 限制酶切割质粒限制酶切割质粒 ，使其出现，使其出现一个切口一个切口 ，露出，露出 黏性末端黏性末端 。2）用）用 同一种同一种 限制酶限制酶 切断目的基因切断目的基因 ，使其，使其产生产生 相同相同 的的 黏性末端黏性末端 。3）将切下的目的基因片段）将切下的目的基因片段 插入质粒插入质粒 的切的切口处，再加入适量口处，再加入适量 DNA连接酶连接酶 ，形成了一，形成了一个个 重组重组 DNA分子分子 （重组质粒）（重组质粒）目的基因与运载体的结合过程，实际目的基因与运载体的结合过程，实际上是不同来源的上是不同来源的 基因重组的过程基因重组的过程 。（三）基因操作的基本步骤（三）基因操作的基本步骤 步骤二步骤二 ： 目的基因与运载体结合目的基因与运载体结合（三）基因操作的基本步骤（三）基因操作的基本步骤 常用的受体细胞：常用的受体细胞：有大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌有大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母菌和动植物细胞等。、酵母菌和动植物细胞等。 将目的基因导入受体细胞的原理将目的基因导入受体细胞的原理借鉴借鉴 细菌或病毒侵染细胞细菌或病毒侵染细胞 的途径