高中生物 第二册 第6章 遗传住处的传递和表达 6.3 基因工程与转基因生物素材（2）沪科版.doc

第3节 基因工程与转基因生物知识拓展：质粒(plasmid) 质粒是真核细胞细胞核外或原核生物拟核区外能够进行自主复制的遗传单位，包括真核生物的细胞器（主要指线粒体和叶绿体）中和细菌细胞拟核区以外的环状脱氧核糖核酸(dna)分子。现在习惯上用来专指细菌(大肠杆菌）、酵母菌和放线菌等生物中细胞核或拟核中的dna以外的dna分子。在基因工程中质粒常被用做基因的载体。许多细菌除了拟核中的dna外，还有大量很小的环状dna分子，这就是质粒(plasmid)（补充：部分质粒为rna）。质粒上常有抗生素的抗性基因，例如，四环素抗性基因或卡那霉素抗性基因等。有些质粒称为附加体(episome)，这类质粒能够整合进细菌的染色体，也能从整合位置上切离下来成为游离于染色体外的dna分子。目前，已发现有质粒的细菌有几百种，已知的绝大多数的细菌质粒都是闭合环状dna分子(简称cccdna)。细菌质粒的相对分子质量一般较小，约为细菌染色体的0.5%3%。根据相对分子质量的大小，大致上可以把质粒分成大小两类：较大一类的相对分子质量是40106以上，较小一类的相对分子质量是10106以下(少数质粒的相对分子质量介于两者之间)。每个细胞中的质粒数主要决定于质粒本身的复制特性。按照复制性质，可以把质粒分为两类：一类是严紧型质粒，当细胞染色体复制一次时，质粒也复制一次，每个细胞内只有12个质粒；另一类是松弛型质粒，当染色体复制停止后仍然能继续复制，每一个细胞内一般有20个左右质粒。这些质粒的复制是在寄主细胞的松弛控制之下的，每个细胞中含有10-200份拷贝，如果用一定的药物处理抑制寄主蛋白质的合成还会使质粒拷贝数增至几千份。如较早的质粒pbr322即属于松弛型质粒，要经过氯霉素处理才能达到更高拷贝数。一般分子量较大的质粒属严紧型。分子量较小的质粒属松弛型。质粒的复制有时和它们的宿主细胞有关，某些质粒在大肠杆菌内的复制属严紧型，而在变形杆菌内则属松弛型。在基因工程中，常用人工构建的质粒作为载体。人工构建的质粒可以集多种有用的特征于一体，如含多种单一酶切位点、抗生素耐药性等。常用的人工质粒运载体有pbr322、psc101。pbr322含有抗四环素基因(tcr)和抗氨苄青霉素基因(apr)，并含有5种内切酶的单一切点。如果将dna片段插入ecori切点，不会影响两个抗生素基因的表达。但是如果将dna片段插入到hind iii、bam h i 或 sal i切点，就会使抗四环素基因失活。这时，含有dna插入片段的pbr322将使宿主细菌抗氨苄青霉素，但对四环素敏感。没有dna插入片段的pbr322会使宿主细菌既抗氨苄青霉素又抗四环素，而没有pbr322质粒的细菌将对氨苄青霉素和四环素都敏感。psc101与pbr322相似，只是没有抗氨苄青霉素基因和psti切点。质粒运载体的最大插入片段约为10 kb(kb表示为千碱基对)。植物转基因技术1. 介导转化法 农杆菌是普遍存在于土壤中的一种革兰氏阴性细菌，它能在自然条件下趋化性地感染大多数双子叶植物的受伤部位，并诱导产生冠瘿瘤或发状根。根癌农杆菌和发根农杆菌中细胞中分别含有ti质粒和ri质粒，其上有一段t-dna，农杆菌通过侵染植物伤口进入细胞后，可将t-dna插入到植物基因组中。因此，农杆菌是一种天然的植物遗传转化体系。人们将目的基因插入到经过改造的t-dna区，借助农杆菌的感染实现外源基因向植物细胞的转移与整合，然后通过细胞和组织培养技术，再生出转基因植株。 农杆菌介导法起初只被用于双子叶植物中，近年来，农杆菌介导转化在一些单子叶植物（尤其是水稻）中也得到了广泛应用。 2基因枪介导转化法 利用火药*或高压气体加速（这一加速设备被称为基因枪），将包裹了带目的基因的dna溶液的高速微弹直接送入完整的植物组织和细胞中，然后通过细胞和组织培养技术，再生出植株，选出其中转基因阳性植株即为转基因植株。与农杆菌转化相比，基因枪法转化的一个主要优点是不受受体植物范围的限制。而且其载体质粒的构建也相对简单，因此也是目前转基因研究中应用较为广泛的一种方法。 3花粉管通道法 在授粉后向子房注射合目的基因的dna溶液，利用植物在开花、受精过程中形成的花粉管通道，将外源dna导入受精卵细胞，并进一步地被整合到受体细胞的基因组中，随着受精卵的发育而成为带转基因的新个体。该方法于80年代初期由我国学者周光宇提出，我国目前推广面积最大的转基因抗虫棉就是用花粉管通道法培育出来的。该法的最大优点是不依赖组织培养人工再生植株，技术简单，不需要装备精良的实验室。动物转基因技术从20世纪70年代中期开始，就有人尝试用各种办法向动物体内转移外源基因。如将牛奶成分中特有的基因转移到白鼠体内，这些外来基因在白鼠体内重组后，白鼠分泌的乳汁便含有牛奶成分。这种通过人工方法获得外来基因的白鼠，称为转基因鼠。 转基因动物技术的核心，是把遗传的功能单位基因转移到动物体内，使它成为动物体内的一部分。被转移的基因可以来自同种或异种动物，也可以来自植物或微生物。这样一来，就打破了物种之间的界线，也可以说动物能与植物、微生物杂交了。不过目前的杂交是低水平的，只限于主管一两个性状的一两个基因。随着科学技术的发展，一次可以转移的遗传信息将越来越多，那时就可以实现真正意义上的动植物之间的杂交。从科学上讲，这将是一个大突破。 目前，世界上已报道了多种生产转基因动物的方法，但真正成熟并可以稳定生产转基因动物的方法只有两种，即显微注射dna的方法和精子介导的基因转移法。 显微注射dna的方法是对单细胞的胚胎进行基因操作，涉及复杂的操作步骤。首先是要准确掌握母畜的性周期，在此基础上加以人工调节，使母畜在预先确定的时间排卵，保证获得大量的刚刚受精的单细胞胚胎。第二步是用手术或非手术的方法收集单细胞胚胎，经短暂的离心处理后，放在显微镜下用口径1 m玻璃微管向细胞核注射500600拷贝基因。然后把经过dna注射的胚胎移植到另外一头处于相同性周期的母畜的体内。经过这样处理后，在后代中就会出现1%3%的转基因动物。效率虽然不高，但结果相当稳定。全世界已在各种动物身上进行了上万次的试验，都能生产出转基因动物。 精子介导的基因转移是把精子作适当处理后，使其具有携带外源基因的能力。然后，用携带有外源基因的精子给发情母畜授精。在母畜所生的后代中，就有一定比例的动物是整合了外源基因的转基因动物。同显微注射方法相比，精子介导的基因转移有两个优点：首先是它的成本很低，只有显微注射法成本的110。其次，由于它不涉及对动物进行手术处理，因此，可以用生产牛群或羊群进行试验，以保证每次试验都能够获得成功。 生产转基因动物的研究自20世纪90年代以来日趋活跃，转基因动物技术的实用意义是：生产出性状优良的家畜家禽，如长得快的，繁殖力高的，能抗病的等；利用动物体作为反应器，生产珍贵的蛋白质，如一些只能从人体内提取的蛋白质；利