基因工程及其应用培训课件.ppt

发光的水母,美国研制出能发荧光转基因热带斑马鱼,能发荧光的热带斑马鱼,不发荧光的普通热带斑马鱼是,超级鱼,超级小鼠,基因工程及其应用,第2节,资料一：目前，全球的氮肥生产耗费全世界总电力3%4%，且农作物只能吸收氮肥的1/10,造成的大面积土壤和水质的严重污染。,资料分析,豆科植物的根瘤能够固定空气中的氮,资料分析,资料二：蛛丝是自然界中最奇特的物质之一，它具有极强的韧度，其韧度是同样直径钢材的好几倍。但与家蚕不同，蜘蛛不能家养，因为它们会互相吞食，所以不能建造人工饲养蜘蛛的农场。30多年来，科学家们一直试图找到利用其他生物来制造蛛丝的办法。,蜘蛛能够吐出蛛丝,资料分析,大肠杆菌:繁殖快，代谢异常旺盛，短时间内可产生大量的代谢产物,设想,是否能让禾本科的植物也能够固定空气中的氮?,设想,是否能让细菌“吐出”蛛丝?,设想,是否能让大肠杆菌生产出人胰岛素、干扰素等珍贵药物?,一.基因工程概念（ P102）,基因工程：即_ 。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，然后放到另一种生物的细胞里，_地改造生物的_。,基因拼接技术或DNA重组技术,定向,遗传性状,一.基因工程概念,基因拼接技术或DNA重组技术,生物体外,基因,DNA分子水平,定向改造生物遗传性状，获得人类需要的基因产物,基因重组,又称基因拼接技术,或重组DNA 技术。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，然后放到另一种生物的细胞里，定向的改造生物的遗传性状。,对概念的理解：,图中可不是普通的大肠杆菌，它是“嫁接”了人胰岛素基因的工程菌。虽然看起来与普通细菌没有什么不同，但它能大量合成人胰岛素，用来治疗糖尿病等疾病，使胰岛素的生产成本大大降低。,思考1：这种“嫁接”怎样能实现？,实例分析,普通大肠杆菌 (不能分泌胰岛素),你认为上述培育转基因大肠杆菌的关键步骤有哪些？,培育转基因大肠杆菌的关键步骤,二.基因工程操作的基本工具,将目的基因片断从人体细胞内提取， 需要基因的“剪刀” 将目的基因与运载体DNA连接， 需要基因的“针线” 将目的基因运入大肠杆菌， 需要基因的运输工具,限制性核酸内切酶 （限制酶）,DNA连接酶,运载体,思考2：限制酶来源于哪里？,限制酶是生物体内（主要是原核生物）的一种酶，能将外来DNA切断，由于这种切割作用是在DNA分子内部进行的，故名限制性核酸内切酶。,细菌等在长期进化过程中所形成的一种防御工具。,1、基因的“剪刀”,限制性核酸内切酶（限制酶）,如:EcoRI,思考3：限制酶的作用特点是？,作用特点： 特异性识别特定的核苷酸序列， 切割特定的切点。,如：大肠杆菌的一种限制酶(EcoRI)只能识别GAATTC的序列，并在G和A之间切开。说明了限制酶具有的特性是 。,特异性,积极思考,注意观察限制酶切割的部位,思考4、 EcoRI限制酶识别了GAATTC的序列后，将会发生什么样的变化？归纳其作用部位和作用结果。,积极思考,限制性内切酶（EcoR）作用过程,重播,限制性核酸内切酶,限制酶作用过程,注意观察限制酶切割的部位,黏性末端：具有相同碱基序列且碱基互补配对的单链延伸末端结构，它们能够通过互补碱基间的配对重新结合。,限制酶作用结果：,限制酶作用部位：,切开某两个核苷酸之间的_,磷酸二酯键,例如：使用EcoRI 剪切目的基因,黏性末端,思考5：要想从一个DNA上获得某个特定性状的基因必须要用限制酶切断 _个磷酸二酯键，一共产生 个黏性末端？,4,4,思考6：如果把两种不同DNA用同一种限制酶来切割，结果会怎样？ 不同的限制酶呢？,具有相同的黏性末端,黏性末端不同,思考7：如果想要让目的基因和其他DNA分子（运载体）连接，往往需要将运载体进行酶切，应该用什么酶进行切割？为什么？,用切割目的基因的同种限制酶对运载体进行切割，让他们产生相同的黏性末端，便于黏合。,练习使用EcoRI 剪切目的基因,黏性末端,练习使用EcoRI 剪切目的基因,思考6：一个DNA分子中切下一个基因产生几个切口，几个黏性末端，切断几个磷酸二酯键？,思考7：为了让目的基因和运载体拼接成新的DNA分子，往往需要将运载体进行酶切，这是为什么呢？用什么酶进行切割？,用切割目的基因的同种限制酶对运载体进行切割，让他们产生相同的黏性末端。,思考8：相邻两个脱氧核苷酸之间的缺口并未缝合，怎么办？,2个，4个,4个,、基因的“针线”DNA连接酶,作用是：,连接的部位是_.,磷酸二酯键,积极思考,DNA连接酶连接的是两个脱氧核苷酸分子的什么部位？,将互补配对的两个黏性末端黏合起来，使之成为一个完整的DNA分子。,、基因的“针线”DNA连接酶,DNA连接酶的作用是：将互补配对的两个黏性末端连接起来，使之成为一个完整的DNA分子。,连接的部位是_.,磷酸二酯,积极思考,DNA连接酶连接的是两个脱氧核苷酸分子的什么部位？,基因的针线：DNA连接酶,重组DNA分子,练习使用DNA连接酶拼接目的基因和运载体,甲片段,结果：重组DNA分子,DNA聚合酶和DNA连接酶有区别吗？,DNA连接酶的作用示意图,DNA聚合酶的作用示意图,连接 DNA片段,连接单个 脱氧核苷酸,相同：都催化形成磷酸二酯键,将外源基因（目的基因）送入受体细胞；,运载体的作用：,3、基因的运输工具,运载体,常见的运载体：,（1）质粒 （2）噬菌体和动植物病毒,大肠杆菌的质粒 (plasmid)：,运载体(carrying)应该具有什么特点呢?,？,质粒是存在于细菌以及酵母菌等生物的细胞中，是拟核或细胞核以外能够自主复制的环状DNA分子。,思考9：运载体必须具备什么条件才能满足它的作用呢？,（1）能够在宿主细胞内复制并稳定保存；,（3）具有标记基因，便于进行筛选含目的基因的受体细胞（便于检测目的基因是否导入受体细胞中）。,（2）具有多种限制酶切点以便与目的基因相连；,基因工程的关键步骤,思考8：请你以 “转基因胰岛素的生产”为例，简述出基因工程的基本操作步骤？,三、基因工程的步骤(4步曲),1 获得人的胰岛素基因 提取目的基因,将胰岛素基因导入大肠杆菌 （1）能否将人的胰岛素基因直接注入到大肠杆菌中？ 目的基因与运载体结合 （2）怎样才能让大肠杆菌含有重组DNA分子？ 将目的基因导入受体细胞,3 如何确定人的胰岛素基因成功导入大肠杆菌并且成功表达了？,目的基因的检测与鉴定,目的基因主要是指基因工程操作中需要的外源基因， 是_。,如：苏云金芽孢杆菌的抗虫基因，还有植物的抗病（抗病毒、抗细菌）基因、种子贮藏蛋白的基因，以及人的胰岛素基因、干扰素基因等。,直接分离 人工合成,目的基因的提取方法,1、提取目的基因,编码特定蛋白质的结构基因,质粒,含有目的基因的DNA分子,_ 限制酶处理,一个切口 两个黏性末端,两个切口 获得目的基因,DNA连 接酶,重组DNA分子（重组质粒）,同一种,2、目的基因与运载体结合,目的基因与运载体的结合过程，实际上是不同来源（物种）的基因重组的过程。,（1）常用的受体细胞：,大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母菌和动植物细胞等。,（2）将目的基因导入受体细胞的原理：,借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。,3、目的基因导入受体细胞,4、目的基因的检测和鉴定,（1）检测目的基因是否导入受体细胞,思考10：受体细胞导入重组DNA分子后就说明基因工程成功了吗？,如利用质粒的标记基因（抗生素抗性基因），将受体细胞放入含有该相应抗生素的培养基里面培养，若能生长，则重组DNA分子已进入受体细胞。,（2）鉴定受体细胞中目的基因是否表达出蛋白质或具有相应的性状。,？,思维拓展:,细菌和人是差异非常大的两种生物, 通过基因工程后，细菌能够合成人体的胰岛素，这说明了什么？,这可不是普通的细菌，它是嫁接了人胰岛素基因的工程菌，能大量合成人胰岛素。,人和细菌共用一套遗传密码子。,所有生物共用一套遗传密码子。,1、基因工程与作物育种,四、基因工程的应用,转基因鲤鱼（上）和普通鲤鱼（下）,改善畜产品的品质,例如将 导入奶牛基因组，使转基因牛分泌的乳汁中乳糖的含量大大 。,乳糖酶基因,减低,1、基因工程与作物育种,四、基因工程的应用,（1）培育高产、稳产和具有优良品质的动植物新品种； （2）培育具有各种抗逆性的动植物新品种 （3）为人类开辟新的食物来源,基因工程育种,1、原理：,基因重组,2、优点：,（1）定向改造生物性状,（2）克服远源杂交不亲和障碍,2、基因工程与药物研制,我国生产的部分基因 工程疫苗和药物,用基因工程的方法生产胰岛素、干扰素、白细胞介素、凝血因子、以及预防乙肝、霍乱、伤寒、疟疾等的疫苗。 微生物生长迅速，容易培养，适于大规模工业化生产；用于基因工程生产珍贵药品能够提高生产产量、降低生产成本。,生产基因工程药品,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！大规模工业化生产不但解决了这种比黄金还贵的药品产量问题，还使其价格降低了30%-50%!,干扰素是病毒侵入细胞后产生的 一种糖蛋白。干扰素治疗病毒感染 简直是“万能灵药”！此外干扰素对于抑制肿瘤细胞增生，治疗某些癌症和白血病也有很好疗效。 过去从人血中提取，300L血才提取1mg！其“珍贵”程度自不用多说。19801982年，科学家用基因工程方法在大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，是传统的生产量的12万倍。1987年上述干扰素大量投放市场。,基因工程药品干扰素,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，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。 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。人们从450 L大肠杆菌培养液中提取的生长激素，相当于6万具尸体的全部产量。,基因工程药品生长激素,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。,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。,3、基因工程与环境保护,（1）用于被污染环境的净化,利用基因工程培育的“指示生物”能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。,（2）用于环境检测,DNA分子杂交技术（DNA探针技术或基因探针技术）,采用一定的技术手段，将两种生物的DNA分子的单链放在一起，如果这两个单链具有互补的碱基序列，那么，互补的碱基序列就会结合在一起，形成杂合双链区；在没有互补碱基序列的部位，仍然是两条游离的单链。,因此，当用一段已知基因的核苷酸序列作为探针，与被测基因进行接触，若两者碱基完全配对成双链，则表明被测基因中含有已知基因序列。,探针制备：放射性同位素、荧光分子等标记的单链DNA分子；,补充：基因治疗,主要指把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的。,这是治疗遗传病的最有效的方法。,基因诊断？,2006年3月14日绿色和平组织发布消息,称亨氏营养米粉含有转Bt基因抗虫水稻成分。,那么转基因食品到底安全吗？什么样的转基因食品才能上市？如何面对市场上的转基因食品呢？,转基因食品安全吗? (P105),课,究,探,后,我国观点,2001年6月6日，国务院公布的农业转基因生物安全管理条例规定，不得销售未标识的农业转基因生物，其标识应注明产品中含有转基因成分的主要原料名称；有特殊销售范围的还应注明并在指定范围内销售。,课,究,探,后,安全观点： 如果转基因农业生物技术得不到社会支持，这一研究将被扼杀，并且强调，迄今为止并没有发现转基因食品危害人体健康和环境的确切证据。 美国人食用转基因食品已多年，超级市场上有4000多种商品是含有转基因植物成分的，还没有事例证明人吃了以后会得病，甚至会引起死亡。 加拿大、澳大利亚也是转基因食品的生产大国，均有几千万人在吃，到现在为止也没有个案例说明它有问题 。,不安全观点： 一英国科学家声称，转基因马铃薯会减弱老鼠免疫系统功能； 美国康乃尔大学也发现，转基因玉米会危害蝴蝶幼虫及其相关生态环境。 环保团体认为这种违反自然的转基因作物及产品，未经长期安全测试，长期食用可能对人类及生态环境造成负面影响。 尤其是注重环境和生态保护的欧盟国家，对转基因作物更加排斥，因而抵制美国GMO产品的进口。,几种常见育种方法的比较,作业：,杂交自交选优,基因重组,不同个体的优良性状可集中到同一个个体上,育种时间长，需及时发现优良性状,杂交水稻 中国荷斯坦牛,花药离体培养、秋水仙素诱导加倍,染色体数目变异,明显缩短育种年限，后代一般都为纯种,技术复杂，成本高,普通小麦花药离体培养,秋水仙素处理萌发的种子、幼苗,染色体数目变异,植物茎杆粗壮，果实、种子大，营养高,发育延迟，结实率低,无籽西瓜,物理或化学方法处理生物,基因突变,提高变异频率，大幅度改良某些性状,有利变异少，需要处理大量实验材料，具有不确定性,青霉菌高产菌株的培育 黑农五号大豆,基因重组,将一种生物特定基因转移到另一种生物体内,定向地改造生物的遗传性状，克服远缘杂交不亲和性,可能引起生态危机，技术难度大,转基因抗虫棉,要使目的基因与对应的载体重组，所需的工具酶是： 限制酶 连接酶 解旋酶 还原酶 2.下列关于基因工程的叙述中,正确的是: A.限制酶只用于提取目的基因 B.细菌体内的环状DNA均可作运载体 C.DNA连接酶可用于目的基因和运载体的连接 D.重组DNA分子一旦进入受体细胞,基因工程则完成. 3.以下说法正确的是: A. 重组DNA技术所用的工具酶是限制酶、DNA连接酶和运载体 B.所以限制酶都只能识别同一种特定的核苷酸序列 C.选用细菌作为重组DNA分子的受体细胞是因为细菌繁殖快 D.只要目的基因进入了受体细胞，就一定能够成功表达,A,C,C,小试身手,4、人们将苏云金杆菌中的抗虫基因导入棉花细胞中，成功培育出抗虫棉，这个过程利用的主要原理是（ ） A. 基因突变，DNARNA蛋白质 B. 基因重组，DNARNA蛋白质 C. 基因工程，DNARNA蛋白质 D. 染色体变异，DNARNA蛋白质,B,4.基因工程技术在培育抗旱植物用于发展沙漠农业和改造沙漠方面显示了良好的前景,荷兰一家公司将大肠杆菌中的海藻糖合成酶基因导入植物(如甜菜、马铃薯等)中并获得有效表达，使“工程植物”增强了耐旱性、耐寒性的基本操作步骤是：, ,（2）基因表达的含义是：,（3）写出大肠杆菌海藻糖合成酶基因在植物体内的表达过程：,（4）基因工程操作中的工具是：,海藻糖合成酶基因的获取,目的基因与运载体结合,将目的基因导入受体细胞,目的基因的检测与鉴定,基因通过转录、翻译合成蛋白质，体