基因工程的基本操作程序（新课标选修3优质课件）.ppt

1.2基因工程的基本操作程序,2019/12/8,1,原核细胞的基因结构,非编码区,非编码区,编码区,编码区上游,编码区下游,与RNA聚合酶结合位点,启动子,终止子,编码区：,能转录，编码蛋白质,非编码区：,不编码蛋白质,能调控遗传信息表达,2,真核细胞的基因结构,编码区,非编码区,非编码区,启动子,终止子,编码区上游,编码区下游,内含子,外显子,与RNA聚合酶结合位点,编码区：,非编码区：,外显子：,内含子：,能编码蛋白质的序列,不能编码蛋白质的序列,3,非编码区,非编码区,编码区,RNA聚合酶结合位点,外显子,内含子,终止子,启动子,原核,真核,基因的结构,2019/12/8,4,原核细胞与真核细胞的基因结构比较,思考,编码相同数目氨基酸的蛋白质，原核细胞与真核细胞基因结构一样长吗？,连续,不连续,编码区,非编码,2019/12/8,5,下列真核生物细胞基因结构示意图中，属于编码序列的部分和变异后会导致该基因关闭的部分分别是（）AdfcBcegaCcegbDabdfha,下图为果蝇某一条染色体上的几个基因分布示意图，与此图有关的叙述正确的是AR基因中的编码区是连续的，没有外显子和内含子之分BR、S、N、O中只有部分脱氧核苷酸序列被转录成mRNAC每个基因都是由成百上千个核糖核苷酸组成的D每个基因中有一个碱基对的替换，都会引起密码子的改变,B,外显子的碱基对在整个基因碱基对中所占的比例,如：人的血红蛋白中，有一种蛋白质叫做珠蛋白，它的基因有1700个碱基对，其中有3个外显子和2个内含子，能够编码146个氨基酸，其外显子的碱基对在整个基因碱基对中所占的比例是多少？=26%,基因工程的基本操作程序,目的基因的获取,基因表达载体的构建,将目的基因导入受体细胞,操作过程,目的基因的检测与鉴定,9,2019/12/8,10,目的基因主要是指_,编码蛋白质的基因,目的基因的获取,即：将需要的基因从供体生物细胞内提取出来,目前被广泛提取使用的目的基因有：苏云金杆菌抗虫基因、植物抗病基因（抗病毒、抗细菌)、人胰岛素基因等。也可以是一些就有调控作用的因子,11,获得目的基因的方法,1、从基因文库中获取目的基因,(1).什么是基因文库？(2).怎样从基因文库中得到我们所需的目的基因？,基因的核苷酸序列等,利用PCR技术扩增目的基因人工合成,含有一种生物的全部基因,含有一种生物的部分基因,根据基因的有关信息：如基因的转录产物mRNA,未知序列,基因较小已知序列,已知序列,12,依据：目的基因的有关信息。,如：根据,基因的核苷酸序列基因的功能、基因在染色体上的位置基因的转录产物mRNA基因的表达产物蛋白质等特性。,如何从基因文库中得到所需要的基因？,13,目的基因的mRNA,单链DNA(cDNA）,双链DNA(即目的基因),反转录,合成,(1)、反转录法：以目的基因转录成的信使RNA为模板，反转录成互补的单链DNA，然后在酶的作用下合成双链DNA，从而获得所需的基因。,蛋白质的氨基酸序列,mRNA的核苷酸序列,结构基因的核苷酸序列,目的基因,推测,推测,化学合成,(2)、根据已知的氨基酸序列合成DNA法：,14,2、人工合成,直接分离法：,供体细胞中的DNA,许多DNA片段,运载体,限制酶,分别与载体连接,受体细胞,分别导入,构建基因文库,15,mRNA反转录cDNA(互补DNA）DNA聚合酶双链DNA,反转录法：,构建cDNA文库,16,cDNA合成过程,第一步，反转录酶以RNA为模板合成一条与RNA互补的DNA单链，形成RNA-DNA杂交分子。第二步，核酸酶H使RNA-DNA杂交分子中的RNA链降解，使之变成单链的DNA。第三步，以单链DNA为模板，在DNA聚合酶的作用下合成另一条互补的DNA链，形成双链DNA分子。,17,基因文库的构建方法,18,利用PCR技术扩增目的基因,原理:DNA双链复制前提:要有一段已知目的基因的脱氧核苷酸序列，以便合成引物。,19,概念：PCR全称为_，是一项在生物_复制_的核酸合成技术,条件：_、_、_、_.前提条件：,原理：_,方式：以_方式扩增，即_（n为扩增循环的次数）,结果：,聚合酶链式反应,体外,特定DNA片段,DNA双链复制,已知基因的核苷酸序列,四种脱氧核苷酸,一对引物,DNA聚合酶,指数,2n,使目的基因的片段在短时间内成百万倍地扩增,利用PCR技术扩增目的基因,20,过程：,a、DNA变性（90-95）：双链DNA模板在热作用下，_断裂，形成_,b、退火（复性55-65）：系统温度降低，引物与DNA模板结合，形成局部_。,c、延伸（70-75）：在Taq酶的作用下，从引物的5端3端延伸，合成与模板互补的_。,氢键,单链DNA,双链,DNA链,21,PCR技术扩增过程,a、DNA变性（90-95）：双链DNA模板在热作用下，断裂，形成_,b、复性（55-60）：系统温度降低，引物与DNA模板结合，形成局部_。,c、延伸（70-75）：在Taq酶的作用下，从引物的5端3端延伸，合成与模板互补的_。,氢键,单链DNA,双链,DNA链,22,利用PCR技术扩增目的基因,23,碱基互补配对,模板、原料、能量、酶、引物等,氢键在高温下断裂，双链全部解开,解旋酶催化氢键逐步断裂,体外,主要在细胞核中,DNA,RNA,热稳定DNA聚合酶（Taq酶）,解旋酶、DNA聚合酶、DNA连接酶等,在短时间内形成大量的DNA片段,形成完整的DNA分子,据图回答：图中基因组文库_（小于/等于/大于）cDNA文库。B过程需要的酶是_；A、C过程中_（可以/不可以）使用同一种探针筛选含目的基因的菌株。目的基因和除从构建的文库中分离外，还可以分别利用图中和_为模板直接进行PCR扩增，该过程中所用酶的显著特点是：。,大于逆转录酶可以DNAcDNA耐高温,25,利用PCR技术扩增目的基因,2019/12/8,26,山西省孝义市第二中学,1.用一定的_切割质粒，使其出现一个切口，露出_。2.用_切断目的基因，使其产生_。,核心,3.将切下的目的基因片段插入质粒的_处，再加入适量_，形成了一个重组DNA分子（重组质粒）,限制酶,黏性末端,同一种限制酶,的黏性末端,切口,DNA连接酶,相同,(二)基因表达载体的构建,27,质粒,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）,核心,同一种,(二)基因表达载体的构建,4.过程:,28,科学家在培育抗虫棉时，经过了许多复杂的过程和不懈的努力，才获得成功。起初把苏云金芽孢杆菌的抗虫基因插入载体质粒中，然后导入棉花的受精卵中，结果抗虫基因在棉花体内没有表达。然后在插入抗虫基因的质粒中插入启动子(抗虫基因首端)，导入棉花受精卵，长成的棉花植株还是没有抗虫能力。科学家又在有启动子、抗虫基因的质粒中插入终止子(抗虫基因末端)，导入棉花受精卵，结果成长的植株，有了抗虫能力。,资料:,29,基因表达载体的组成：,目的：使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代，同时使目的基因能够表达和发挥作用。,30,(09福建理综)转基因抗病香蕉的培育过程如图所示。质粒上有Pst、Sma、EcoR、Apa等四种限制酶切割位点。请回答：（1）构建含抗病基因的表达载体A时，应选用限制酶，对进行切割。（2）培养基中的卡那霉素会抑制香蕉愈伤组织细胞的生长，欲利用该培养基筛选已导入抗病基因的香蕉细胞，应使基因表达载体A中含有，作为标记基因。（3）香蕉组织细胞具有，因此，可以利用组织培养技术将导入抗病基因的香蕉组织细胞培育成植株。图中、依次表示组织培养过程中香蕉组织细胞的。,（1）Pst、EcoR含抗病基因的DNA、质粒（2）抗卡那霉素基因（3）全能性脱分化、再分化,(三)将目的基因导入受体细胞,常用的受体细胞：,动植物细胞、大肠杆菌、土壤农杆菌、枯草杆菌等。,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。,转化,目的基因进入_内，并且在受体细胞内维持_和_的过程,受体细胞,稳定,表达,32,方法,导入植物细胞,导入动物细胞,导入微生物细胞,农杆菌转化法,基因枪法,花粉管通道法,显微注射法,感受态细胞吸收DNA分子,(三)将目的基因导入受体细胞,33,将目的基因导入受体的方法,34,目的基因插入Ti质粒的T-DNA上农杆菌导入植物细胞整合到受体细胞的染色体上目的基因的遗传特性得以维持稳定和表达,1.农杆菌特点：易感染双子叶植物和裸子植物。Ti质粒的T-DNA可转移至受体细胞的染色体上,2.转化,35,2.微生物作受体细胞原因：,将目的基因导入微生物细胞,3.转化方法：,大肠杆菌,繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对少,处理细胞细胞表达载体与感受态细胞混合_细胞吸收DNA分子。,Ca2+,感受态,感受态,1.常用菌：,36,(四)目的基因的检测与鉴定,检查是否成功,检测,鉴定,检测转基因生物染色体的DNA上是否插入了目的基因,检测目的基因是否转录出了mRNA,检测目的基因是否翻译成蛋白质,抗虫鉴定、抗病鉴定、活性鉴定等,方法,方法,方法,DNA分子杂交,分子杂交,抗原-抗体杂交,37,目的基因的检测与鉴定,检测转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因,38,如果显示出杂交带，就表明待测样品含有目的基因或目的基因已经转录。,39,寻根问底为什么要构建基因文库？直接从含有目的基因的生物体内提取不行吗？,提示：构建基因文库是获取目的基因的方法之一，并不是惟一的方式。如果所需要的目的基因序列已知，就可以通过PCR方式从含有该基因的生物的DNA中，直接获得，也可以通过反转录，用PCR方式从mRNA中获得，不一定要构建基因文库。但如果所需要的目的基因的序列完全不知，或只知道目的基因序列的一段，或想从一种生物体内获得许多基因，或者想知道这种生物与另一种生物之间有多少基因不同，或者想知道一种生物在个体发育的不同阶段表达的基因有什么不同，或者想得到一种生物的全基因组序列，往往就需要构建基因文库。,40,寻根问底：将目的基因直接导入受体细胞不是更简便吗？如果这么做，结果会怎样？,提示：有人采用总DNA注射法进行遗传转化，即将一个生物中的总DNA提取出来，通过注射或花粉管通道法导入受体植物，没有进行表达载体的构建，这种方法针对性差，完全靠运气，也无法确定什么基因导入了受体植物。此法目前争议颇多，严格来讲不算基因工程。,41,思考与探究：1.作为基因工程表达载体，只需含有目的基因就可以完成任务吗？为什么？,不可以。因为目的基因在表达载体中得到表达并发挥作用，还需要有其他控制元件，如启动子、终止子和标记基因等。必须构建上述元件的主要理由是：（1）生物之间进行基因交流，只有使用受体生物自身基因的启动子才能比较有利于基因的表达；（2）通过cDNA文库获得的目的基因没有启动子，只将编码序列导入受体生物中无法转录；,42,（3）目的基因是否导入受体生物中需要有筛选标记；（4）为了增强目的基因的表达水平，往往还要增加一些其他调控元件，如增强子等；（5）有时需要确定目的基因表达的产物存在于细胞的什么部位，往往要加上可以标识存在部位的基因（或做成目的基因与标识基因的融合基因），如绿色荧光蛋白基因等。,43,思考与探究2.根据农杆菌可将目的基因导入双子叶植物的机理,你能分析出不能导入单子叶植物的原因吗?若将一个抗病基因导入小麦中,理论上讲你应该怎样做?,要选择合适的农杆菌菌株，因为不是所有的农杆菌菌株都可以侵染单子叶植物；要加趋化和诱导的物质，一般为乙酰丁香酮等，目的是使农杆菌向植物组织的受伤部位靠拢（趋化性）和激活农杆菌的Vir区（诱导）的基因，使T-DNA转移并插入到染色体DNA上。,44,3.利用大肠杆菌可以生产出人的胰岛素，联系前面有关细胞器功能的知识，结合基因工程操作程序的基本思路，思考一下，若要生产人的糖蛋白，可以用大肠杆菌吗？,有些蛋白质肽链上有共价结合的糖链，这些糖链是在内质网和高尔基复合体上加工完成的，内质网和高尔基复合体存在于真核细胞中，大肠杆菌不存在这两种细胞器，因此，在大肠杆菌中生产这种糖蛋白是不可能的。,思考与探究：,45,（1）从小鼠中克隆出-珠蛋白基因的编码序列（cDNA）。（2）将cDNA前接上在大肠杆菌中可以适用的启动子，另外加上抗四环素的基因，构建成一个表达载体。（3）将表达载体导入无四环素抗性的大肠杆菌中，然后在含有四环素的培养基上培养大肠杆菌。如果表达载体未进入大肠杆菌中，大肠杆菌会因不含有抗四环素基因而死掉；如果培养基上长出大肠杆菌菌落，则表明-珠蛋白基因已进入其中。（4）培养进入了-珠蛋白基因的大肠杆菌，收集菌体，破碎后从中提取-珠蛋白。,4.-珠蛋白是动物血红蛋白的重要组成成分。当它的成分异常时，动物有可能患某种疾病，如镰刀形细胞贫血症。假如让你用基因工程的方法，使大肠杆菌生产出鼠的-珠蛋白，想一想，应如何进行设计？,46,2、下列属于获取目的基因的方法的是()利用mRNA反转录形成从基因组文库中提取从受体细胞中提取利用PCR技术利用DNA转录人工合成A.B.C.D.,1、在基因工程中，把选出的目的基因（共1000个脱氧核苷酸对，其中腺嘌岭脱氧核苷酸是460个）放入DNA扩增仪中扩增4代，那么，在扩增仪中应放入胞嘧啶脱氧核苷酸的个数是（）个,A.540B.8100C.17280D.7560,47,3.细菌的质粒分子带有一个抗菌素抗性基因，该抗性基因在基因工程中的主要作用是A提高受体细胞在自然环境中的耐