人教版教学2010高三复习基因工程ppt课件

基因工程 考纲解读 l1.DNA重组技术的基本工具 l2.基因工程的基本操作程序 l3.基因工程的应用 l4.基因工程的成果与发展前景 l5.蛋白质工程的崛起 考向指南 基因工程是生物工程的主要领域，常与其他技术组合运用而达到 定向改造生物的目的。试题中一般以具体实例对基因工程的操作 过程、基因工程的应用、当今基因工程的新进展等进行考查，如 2008年高考就侧重于基因工程有关知识的考查。上海卷、江苏卷 、全国I卷、广东卷等都有考题出现。 一、基因工程的基本内容 基因工程，确切地讲就是重组DNA技术，指在体外将不同 来源的DNA进行剪切和重组，形成杂合DNA或称嵌合DNA分子， 然后将其导入特定的宿主细胞，得到大量扩增和表达，使宿主 细胞获得新的遗传特性，产生新的基因产物。基因工程，或称 遗传工程，兴起于20世纪70年代。人类实现对基因进行自如地 操作、转移和改造的理想，是在核酸限制性内切酶、载体质粒 、连接酶和其它修饰酶被陆续发现以后。在此基础上，核酸和 蛋白质序列测定、基因体外快速突变、DNA的人工合成等，则 使得基因工程逐渐成熟和发展。 基因决定性状 青霉菌能产生对人类有用的抗生素青霉素 l家蚕能够吐出蚕 丝为人类利用 l豆科植物的根瘤 能够固定空气中的氮 高考总复习生物 定向基因改造设想 : 设想一设想一 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 的氮？的氮？ 能否让细菌能否让细菌“ “吐出吐出” ”蚕丝？蚕丝？设想二 设想二 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？ 设想三设想三 经过多年的努力，科学家于经过多年的努力，科学家于2020世纪世纪7070年代创立了可年代创立了可 以定向改造生物的新技术以定向改造生物的新技术基因工程基因工程。 操作环境 操作对象 操作水平 基本过程 结 果 生物体外 基因 分子水平 剪切拼接导入表达 人类需要的基因产物 基因拼接技术或DNA重组技术 实质：基因重组 将抗虫基因移植到棉花的细胞中，使棉花 具有抗虫害的作用。假如你作为一名研究者来 完成这一项工作，那么你会遇到哪些困难或需 要解决哪些问题呢？ 1、如何将抗虫基因（目的基因）从某种生 物的DNA上切割下来？ 2、如何使抗虫基因（目的基因）与棉花的 DNA连接起来？ 基因工程培育抗虫棉的简要过程： 苏云金芽孢杆菌 (有抗虫特性) 普通棉花(无抗虫特性) 抗虫基因 与运载体DNA拼接 导入 棉花细胞(含抗虫基因) 棉花植株(有抗虫特性) 提取 通过观察抗虫棉的培育过程，你认为关 键的步骤是什么？ 关键步骤一：抗虫基因从苏云金芽孢杆菌细胞内提取。 关键步骤二：抗虫基因与运载体DNA连接。 关键步骤三：抗虫基因进入棉细胞。 通过观察抗虫棉的培育过程，你认为关键的 步骤是什么？ 关键步骤一的工具：基因的剪刀限制性内切酶。 关键步骤二的工具：基因的针线DNA连接酶。 关键步骤三的工具：基因的运输工具运载体。 二、基因操作的工具 vv 1 1、基因的剪刀、基因的剪刀限制性内切酶限制性内切酶 vv 2 2、基因的针线、基因的针线DNADNA连接酶连接酶 vv 3 3、基因的运输工具、基因的运输工具运载体运载体 分布 作用特点 结果 种类 举例 主要在微生物中。 特异性，即识别特定核苷酸序 列，切割特定切点。 产生黏性未端（碱基互补配对）。 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。 1、基因的剪刀限制性内切酶 200多种 G A A T T C G C T T A A A A T T C G 限制酶切割分子示意图 C T T A A G 思考 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？ 两个切口，四 个黏性末端。 2、基因的的针线DNA连接酶 连接的部位： 磷酸二酯键（在“梯子”的扶手处）， 不 是氢键（在“梯子”的踏板处）。 结果：两个相同的黏性末端的连接。 思考 （）用DNA连接酶连接两个相同的黏性末端要连接 几个磷酸二酯键？ （）用限制酶切一个特定基因要切断几个磷酸二酯 键？ 个 个 、基因的运输工具运载体 作用： 具备的条件 种类： 将外源基因送入受体细胞。 能在宿主细胞内复制并稳定地保存 具有多个限制酶切点 具有某些标记基因 质粒、噬菌体和动植物病毒。 使用运载体的目的：用它作为运载工具，将目的基因 送到宿主细胞中去。 质 粒 质粒的特点 1.1、质粒是基因工程中最常用的运载体；2、存在于许多 细菌及酵母菌等生物中；3、细胞染色体外能自主复制的小 型环状DNA分子；4、最常用的质粒是大肠杆菌的质粒；5、 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。 （）质粒上会存在某些标记基因，标记基因有什么 用途？ （）要想将某个特定基因与质粒相连，需要用几种 限制性内切酶和几种DNA连接酶处理？ 思考 三、基因操作的基本步骤 vv1 1、提取目的基因、提取目的基因 vv2 2、目的基因与运载体结合、目的基因与运载体结合 vv3 3、将目的基因导入受体细胞、将目的基因导入受体细胞 vv4 4、目的基因的检测和表达、目的基因的检测和表达 1、提取目的基因 取出取出DNADNA 用限制酶用限制酶 切断切断DNADNA 目前被较广泛提取使用的目前被较广泛提取使用的 目的基因有：目的基因有： 苏云金杆菌抗虫基因、苏云金杆菌抗虫基因、 人胰岛素基因、人胰岛素基因、 人干扰素基因、人干扰素基因、 种子贮藏蛋白基因、种子贮藏蛋白基因、 植物抗病基因等。植物抗病基因等。 (1)目的基因的概念：人们需要的特定基因。 （2）提取目的基因的途径 提取目的基因的途径 人工合成基因（真核细胞） 反转录法 根据已知氨基酸 序列合成DNA 从供体细胞的DNA 中直接分离基因 方法：鸟枪法 途径供体细胞中的DNA中 直接分离基因 人工合成基因（真核细胞） 方法根据已知氨基酸 序列合成DNA 过程 供体细胞中的DNA 限制酶 许多DNA片段 载入 运载体 导入 受体细胞 外源DNA扩增, 产生特定性状 分离 目的基因 目的基因mRNA 反转录 单链DNA 合成 双链DNA(即目的基因) 蛋白质的氨基酸序 列 推测 mRNA的核苷酸序列 推测 结构基因的核苷酸 序列 化学合成 目的基因 鸟枪法反转录法 途径 供体细胞中的 DNA中直接分离 基因 人工合成基因（真核细胞 ） 方法鸟枪法反转录法 根据已知 氨基酸序 列合成DNA 优点操作简单专一性强专一性强 ，可产生 自然界不 存在的新 基因。 缺点工作量大，盲 目性大，专一 性差 操作过程较麻 烦，技术要求 过高。 适用范围 狭小 目的基因与运载体结合的结果可能有 几种情况？ 1、目的基因与目的基因结合； 2、质粒与质粒结合； 3、目的基因与质粒结合。 思考 2、目的基因与运载体结合 3、将目的基因导入受体细胞 导入方法： 借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径 导入过程： 受体细胞：细菌 CaCL2 细胞壁的通透性增大 重组质粒进入受体细胞 目的基因随受体细胞的繁殖而复制 将目的基因导将目的基因导 入受体细胞入受体细胞 将受体细胞将受体细胞 进行扩增进行扩增 4、目的基因的检测与表达 检测：通过检测标记基因的有无来判断目的基因是 否导入。 通过特定性状的产生与否来确定目的基因是 否表达。 表达： 细菌的检测，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，保 留有表达产物的进一步培养、研究。 l 多细胞生物的检测，将每个受体细胞单独培养并诱导发育成完整 个体，检测这些个体是否摄入目的基因，摄入的基因是否表达（是否表现 出相应的性状）。淘汰无变化的个体，保留有相应变化的个体进一步培养 、研究。 小 结 基因工程的基本内容基因工程的基本内容 基因操作基因操作 的基本步骤的基本步骤 基因操作基因操作 的工具的工具 限制性内切酶限制性内切酶 DNADNA连接酶连接酶 运载体运载体 目的基因与运载体结合目的基因与运载体结合 目的基因的检测和表达目的基因的检测和表达 将目的基因导入受体细胞将目的基因导入受体细胞 目的基因的提取目的基因的提取 vv基因工程药品的生产基因工程药品的生产 vv基因诊断基因诊断 返返 回回 vv基因治疗基因治疗 （一）基因工程与医药卫生（一）基因工程与医药卫生 我国生产的部分基因 工程疫苗和药物 1、基因工程药品 的生产 许多药品的生产 是从生物组织中提取 的。受材料来源限制 产量有限，其价格往 往十分昂贵。 微生物生长迅速，容易控制，适于大规模 工业化生产。若将生物合成相应药物成分的基 因导入微生物细胞内，让它们产生相应的药物 ，不但能解决产量问题，还能大大降低生产成 本。 下下 页页 胰岛素从猪、牛等动物的胰 腺中提取，100Kg胰腺只能提取4 -5g的胰岛素，其产量之低和价 格之高可想而知。 将合成的胰岛素 基因导入大肠杆菌， 每2000L培养液就能 产生100g胰岛素！使 其价格降低了30%- 50%! 下下 页页 2 DNA 质粒 细菌细胞 DNA 人体细胞 胰岛素基因 限制酶 限制酶 胰岛素 利用生物工程获得胰岛素 1 下下 页页 从人血中提取干扰素 ，300L血才提取1mg！ 通过基因工程的 方式创造了能合成人 干扰素的大肠杆菌， 每1Kg的培养液可提取 204mg干扰素 人造血液及其生产 返返 回回 2、基因诊断 运用基因工程设计制造的“DNA探针”检测 肝炎病毒等病毒感染及遗传缺陷，不但准确而 且迅速。 下下 页页 基因诊断的技术和方法 1.核酸分子杂交 实质上是用已知序列的DNA或RNA片段作为探针与待 测样品的DNA或RNA序列进行核酸分子杂交。是基因诊断 最基本的技术之一。 2.PCR法 3.分子探针：核酸分子探针是指特定的已知核酸片段， 能与互补核酸序列退火杂交，用于对待测核酸样品中特 定基因顺序的探测。 满足：（1）必须是单链；（2）带有容易被检测出 来的标记物。 下下 页页 生物芯片 从正常人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以 得出标准图谱。从病人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂 交就可以得出病变图谱。 通过比较、分析这两种图谱，就可以得出病变的DNA信息 。 基因芯片诊断技术以其快速、高效、敏感、经济、平行化 、自动化等特点，将成为一项现代化诊断新技术。 返返 回回 3 基 因 治 疗 下下 页页 1990年9月14日，安德森对一例患ADA缺乏症的4岁女 孩进行基因治疗。这个4岁女孩由于遗传基因有缺陷，自 身不能生产ADA，先天性免疫功能不全，只能生活在无菌 的隔离帐里。他们将含有这个女孩自己的白血球的溶液 输入她左臂的一条静脉血管中，这种白血球都已经过改 造，有缺陷的基因已经被健康的基因所替代。在以后的 10个月内她又接受了7次这样的治疗，同时也接受酶治疗 。1991年1月，另一名患同样病的女孩也接受了同样的治 疗。两患儿经治疗后，免疫功能日趋健全，能够走出隔 离帐，过上了正常人的生活，并进入普通小学上学。 下下 页页 取患者 骨髓 分离干 细胞 病毒 正常基因 并入正常基 因的干细胞 注入患 者体内 下下 页页 P53基因 病 毒 P53蛋白 膜 瘤细胞变 小 返返 回回 （二）基因工程与农牧业、食品工业（二）基因工程与农牧业、食品工业 生长快、肉质好的转基 因鱼(中国) 乳汁中含有人生长激素 的转基因牛(阿根廷) 下下 页页 转黄瓜抗青枯病基因的甜椒 转鱼抗寒基 因的番茄 返返 回回 （三）基因工程与环境保护（三）基因工程与环境保护 环境监测： 基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地 检测环境中的病毒、细菌等污染。 1t水中只有10个病毒也能被DNA探针检测出来 下下 页页 环境污染治理： 基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分 解多种污染环境的物质。 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“超级细菌”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 DDT等毒害物质。 vv转基因生物有利的方面转基因生物有利的方面 vv转基因生物不利的方面转基因生物不利的方面 转基因生物有利的一面 改变传统的育种方式缩短育种时间。培育出高 产优质、抗病虫害、抗旱、抗盐碱，抗除草剂等特 性的作物新品种。 克服异源、远源杂交障碍。如可以把动物的基 因，甚至人的基因组合到植物里去。 生产有利于健康和抗病的食品。 培育出符合人们意愿的动物新品种。 下下 页页 这种西红柿不易腐烂，不仅便于运输、贮藏，还 可使其留在植株成长更长时间，充分吸收阳光，完 全成熟后再运到市场销售，能保存良久并仍然具有 “夏日成熟的滋味” 。 返返 回回 有些转基因食物含的一些物质，可能会影响人 体健康。 大量的转基因生物进入自然界后很可能会与野生 物种进行杂交，产生一些超级生物，从而造成基因污 染。 如有些作物插入抗虫基因，杀死环境中有益的生 物。 基因工程的弊端 返返 回回 3、内容：基因工程 细胞工程 发酵工程 酶工程 生物工程 1、概念：也叫生物技术，是生物科学与工程技术 有机结合而兴起的一门综合性科学技术。 2、特点：以生物科学为基础，运用先进的科学原 理和工程技术手段来加工或改造生物材料，如DNA 、蛋白质、染色体、细胞等，从而生产工具出人 类所需要的生物或生物制品。 概念：一般指利用分子生物学的手段 ，在 体外操纵、改造、重建细胞的基因组，从而使生物 体的遗传性状发生定向变异，获得人们所需的性状 。 特点：基因工程能够打破种属的界限，在基 因水平上改变生物遗传性，并通过工程化手段为人 类提供有用的产品及服务。 基因工程 一、蛋白质工程崛起的缘由 通过基因工程能够大规模生产生物体内微量存 在的活性物质，并借助转基因而改变动植物性状，得 以在人类医疗保健中进行基因诊断和基因治疗。然而 在广泛利用自然界各种蛋白质的过程中就发现，这些 蛋白质只是适应生物自身的需要，而对它们进行产业 化开发往往不合意，需要加以改造。1983年Ulmer首 先提出蛋白质工程，它是指按照特定的需要，对蛋白 质进行分子设计和改造的工程。自此以后，蛋白质工 程迅速发展，已成为生物工程的重要组成部分。 在已研究过的几千种酶中，只有极少数可以应用于 工业生产，绝大多数酶都不能应用于工业生产，这些酶 虽然在自然状态下有活性，但在工业生产中没有活性或 活性很低。这是因为工业生产中每一步的反应体系中常 常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种 条件下，大多数酶会很快变性失活。提高蛋白质的稳定 性是工业生产中一个非常重要的课题。一般来说，提高 蛋白质的稳定性包括：延长酶的半衰期，提高酶的热稳 定性，延长药用蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧 化引起的活性丧失等。 例如:干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将人的 干扰素的cDNA在大肠杆菌中进行表达，产生的干扰素的抗 病毒活性为106 U/mg，只相当于天然产品的十分之一，虽 然在大肠杆菌中合成的-干扰素量很多，但多数是以无 活性的二聚体形式存在。为什么会这样？如何改变这种状 况？研究发现，-干扰素蛋白质中有3个半胱氨酸（第17 位、31位和141位），推测可能是有一个或几个半胱氨酸 形成了不正确的二硫键。研究人员将第17位的半胱氨酸， 通过基因定点突变改变成丝氨酸，结果使大肠杆菌中生产 的-干扰素的抗病性活性提高到108 U/mg，并且比天然 -干扰素的贮存稳定性高很多。 “后基因组时代”将是“蛋白质组学时代”， 即从对基因信息的研究转向对蛋白质信 息的研究，包括研究蛋白质结构、功能 与应用及蛋白质相互关系和作用。 蛋白质工程就是在对蛋白质的化学、晶 体学、动力学等结构与功能认识的基础 上，对蛋白质人工改造与合成，最终获 得商业化的产品。 二、蛋白质工程的基本原理 蛋白质工程的主要步骤通常包括： （1）从生物体中分离纯化目的蛋白； （2）测定其氨基酸序列； （3）借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能地了解蛋 白质的二维重组和三维晶体结构; （4）设计各种处理条件，了解蛋白 质的结构变化，包括折叠与去折叠 等对其活性与功能的影响； （5）设计编码该蛋白的基因改造方 案，如点突变； （6）分离、纯化新蛋白，功能检测 后投入实际使用。 （一）蛋白质的分子设计与改造 蛋白质工程首先是以蛋白质的结构为基础，通过 蛋白质的一级结构、晶体结构和溶液构象的研究，积 累了成千上万蛋白质一级结构和高级结构的数据资料 ，并编制成系统的数据库，得以从中找出蛋白质分子 间的进化关系、一级结构和高级结构的关系、结构与 功能的关系方面的规律。 蛋白质作为生物大分子是生物化学和分子生物学的研究重 点，大量蛋白质被分离纯化，测定了它们的结构、性质和生物 学作用。分子生物学有关基因组的研究，也可以用以推测出一 些未知蛋白质的结构与功能。采用定位诱变的方法，可以对编 码蛋白质的基因进行核苷酸密码子的插入、删除、置换和改组 ，其结果为分子改造提供新的设计方案。现有的蛋白质是生物 长期进化的结果，蛋白质工程则是对生物进化的模拟，按照蛋 白质形成的规律，改造蛋白质或构建新的蛋白质。 蛋白质的改造通常需要先经周密的分子设计，然后依赖基 因工程获得突变型蛋白质，以检验其是否达到了预期的效果。 如果改造的结果不理想，还需要从新设计再进行改造，往往经 历多次实践摸索才能达到改进蛋白质性能的预定目标。 （二）蛋白质改造工程举例 1.水蛭素改造 水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，它 有多种变异体，由65或66个氨基酸残基组成。水蛭素 在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。为提高 水蛭素活性，在综合各变异体结构特点的基础上提出 改造水蛭素主要变异体HV2的设计方案，将47位的Asn （天冬酰胺）变成Lys（赖氨酸），使其与分子内第4 或第5位Thr（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素N端肽 段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性提 高4倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高20 倍。 2.生长激素改造 生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生长 发育，然而它不仅可以结合生长激素受体，还可以结合许多 种不同类型细胞的催乳激素受体，引发其他生理过程。在治 疗过程中为减少副作用，需使人的重组生长激素只与生长激 素受体结合，尽可能减少与其他激素受体的结合。经研究发 现，二者受体结合区有一部分重叠，但并不完全相同，有可 能通过改造加以区别。由于人的生长激素和催乳激素受体结 合需要锌离子参与作用，而它与生长激素受体结合则无需锌 离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链，如 第18和第21位His（组氨酸）和第17位Glu（谷氨酸）。实验 结果与预先设想一致，但要开发作为临床用药还有大量的工 作要做。 3.胰岛素改造 天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体 ，延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降 血糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基 酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基 ，则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速 效胰岛素已通过临床实验。 4.治癌酶的改造 癌症的基因治疗分二个方面：药物作用于癌细胞，特异性 地抑制或杀死癌细胞；药物保护正常细胞免受化学药物的侵害， 可以提高化学治疗的剂量。疱疹病毒（HSV）胸腺嘧啶激酶（ TK）可以催化胸腺嘧啶和其它结构类似物磷酸化而使这些碱基 3-OH缺乏,从而阻断DNA的合成，杀死癌细胞。HSVTK催化 能力可以通过基因突变来提高。从大量的随机突变中进行筛选出 一种酶,在酶活性部位附近有6个氨基酸被替换，催化能力20倍以 上。 蛋白质工程的发展很快，研究工作很多，以上仅介绍了几个例 子。蛋白质工程除了用于改造天然蛋白质或设计制造新的蛋白质 外，其本身还是研究蛋白质结构功能的一种强有力的工具，它在 解决生物理论方面所起的作用，可以和任何重大的生物研究方法 相提并论。 何谓蛋白质工程？ 在现代生物技术中，蛋白质工程出现得最 晚，是在20世纪80年代初期出现的。1983年 “蛋白 质工程”这个名词出现后，随即被广泛接受和采用。 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,以满足人类的生产和生活的需求。 三、蛋白质工程的进展和前景 蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科的一些 前沿领域的最新成就，它把核酸与蛋白质结合、蛋白质 空间结构与生物功能结合起来研究。蛋白质工程将蛋白 质与酶的研究推进到崭新的时代，为蛋白质和酶在工业 、农业和医药方面的应用开拓了诱人的前景。蛋白质工 程开创了按照人类意愿改造、创造符合人类需要的蛋白 质的新时期。 l1、基因工程 l2、外显子和内含子 l3、原