2019_2020学年高中生物第1章基本工程第1节基因工程概述第2课时基因工程的实施过程学案苏教版.docx

第2课时基因工程的实施过程1简述基因工程的一般过程。2理解获取目的基因的方法。(重、难点)3掌握将目的基因导入受体细胞的方法。(重点)4掌握目的基因的检测和鉴定方法。(重点)知识点一| 获取目的基因和构建基因表达载体1获取目的基因(1)通过基因文库获取目的基因：基因文库的含义：将某种生物细胞的整个基因组DNA切割成大小合适的片段，分别与载体连接起来，导入受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因。这个受体菌群体就被称为基因文库。种类：a基因组文库：含有一种生物所有的基因。b部分基因文库：含有一种生物的一部分基因。(2)利用PCR技术扩增目的基因：原理：DNA分子半保留复制。场所：生物体外(PCR仪)。优点：操作简单、容易掌握、结果可靠、能在较短时间内大量扩增。发明家：美国科学家穆里斯。(3)通过化学方法直接人工合成目的基因：仪器：DNA合成仪。基因特点：比较小、脱氧核苷酸序列已知。2构建基因表达载体(1)目的：使目的基因进入受体细胞并有效表达，能稳定存在且遗传给后代。(2)组成：一个基因表达载体除了目的基因外，还应包括启动子、终止子和标记基因等。基因表达载体的构建是基因工程的核心，下面图1为基因表达载体的构建过程图，图2为基因表达载体模式图。请据图分析：图2探讨：图1中的是什么物质？切割目的基因和载体要选用同一种吗？为什么？提示：图1中是限制性核酸内切酶。要，因为：选用同一种限制性核酸内切酶切割会产生相同的黏性末端，可以在DNA连接酶的作用下将切割的目的基因和载体连接起来。探讨：图1中是什么物质？试探讨用连接目的基因和载体DNA时产生几种可能的连接方式？哪一种是符合要求的连接方式。提示：图1中是DNA连接酶。可能有3种连接方式，即目的基因和目的基因相连、载体DNA和载体DNA相连、目的基因和载体DNA相连。其中符合要求的是目的基因和载体DNA相连形成的重组DNA分子。探讨：图2中的抗生素抗性基因属于什么基因？能否将目的基因插入该基因中？为什么？提示：标记基因。不能。标记基因用于鉴定受体细胞是否成功导入目的基因，以便将含目的基因的细胞筛选出来，若有目的基因插入，则标记基因被破坏，无法进一步筛选。1获取目的基因(1)来源。目的基因可以从自然界中已有的物种中分离出来，也可以用人工方法合成。(2)具体方法。从已有的物种中分离：从基因文库中提取目的基因。化学合成法：对于比较小，核苷酸序列已知的目的基因一般用人工合成的方法。如已知氨基酸序列，合成DNA。反转录法：它是以目的基因的mRNA为模板，合成碱基互补的单链DNA，然后在DNA聚合酶的作用下合成双链DNA。利用PCR技术扩增目的基因。aPCR的含义：一项在生物体外通过酶促反应有选择地大量扩增目的基因或DNA序列的技术。b目的：短时间内大量扩增目的基因或DNA序列。c原理：DNA分子半保留复制。d特点：操作简单、易掌握、结果可靠，能在短时间内大量复制目的基因或DNA序列。e步骤：第一步，向离心管加入模板、原料、引物及Taq DNA聚合酶。第二步，加热至94 ，双链DNA解旋为单链DNA。第三步，冷却至55 ，引物与两条单链DNA上的特定部位相互配对。第四步，加热至72 ，热稳定DNA聚合酶(TaqDNA聚合酶)从引物起始进行互补链的合成。如此重复循环多次。f特点：指数形式扩增。2PCR技术扩增目的基因与DNA复制的比较PCR技术DNA复制相同点原则碱基互补配对原料四种脱氧核苷酸条件模板、ATP、酶不同点解旋方式DNA在高温下变性解旋解旋酶催化场所体外复制细胞核内酶热稳定的DNA聚合酶(TaqDNA聚合酶)细胞内含有的DNA聚合酶结果在短时间内形成大量的DNA片段形成整个DNA分子特别提醒提取目的基因的三种方法的应用情况(1)如果不知道目的基因的核苷酸序列，可以通过构建基因文库的方法，即通过用受体菌储存并扩增目的基因后，从基因文库中获取目的基因。(2)如果知道目的基因的核苷酸序列，而且基因比较小，可以通过DNA合成仪利用化学方法人工合成。(3)如果知道扩增目的基因及两端的核苷酸序列，而且基因又比较大，则可以通过PCR技术扩增目的基因。3构建基因表达载体(1)基因表达载体结构(2)分析启动子：一段有特殊结构的DNA片段，位于目的基因上游的一段核苷酸序列，是RNA聚合酶识别和结合的部位。目的基因：编码相关蛋白质，并形成基因工程产品或产生新的生物性状。终止子：一段有特殊结构的DNA片段，位于目的基因的尾端，作用是使转录在所需要的地方停止。标记基因：一般为抗生素抗性基因或荧光蛋白基因等，其作用是鉴别受体细胞中是否含有目的基因(或目的基因是否导入成功)。(3)基因表达载体的功能将目的基因导入受体细胞并使之有效表达。(4)基因表达载体的构建步骤用同一种限制酶切割目的基因和质粒，使其产生相同末端。将切下的目的基因片段与切开的质粒混合，再加入适量DNA连接酶，使目的基因插入质粒的切口处，形成一个重组DNA分子(重组质粒)。特别提醒启动子和终止子、起始密码子与终止密码子的区别(1)启动子和终止子都在DNA上，在遗传信息转录时起作用。启动子是启动转录的开始，终止子是DNA分子上决定转录停止的一段DNA序列，其组成单位都是脱氧核苷酸。(2)起始密码子和终止密码子都是mRNA上的三个相邻碱基。起始密码子决定翻译的开始，终止密码子决定翻译的停止。1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ABCD【解析】获取目的基因的方法包括从基因文库中获取目的基因、利用PCR技术扩增目的基因和利用DNA合成仪用化学方法直接人工合成。目的基因属于外源基因，不能从受体细胞中提取，利用DNA转录合成的是RNA，不是目的基因。【答案】D2下图为某种质粒表达载体简图，小箭头所指分别为限制性核酸内切酶EcoR 、BamH 的酶切位点， ampr为青霉素抗性基因，tetr为四环素抗性基因，P为启动子，T为终止子，ori为复制原点。已知目的基因的两端分别有包括EcoR ，BamH 在内的多种酶的酶切位点。据图回答：(1)将含有目的基因的DNA与质粒分别用EcoR 酶切，酶切产物用DNA连接酶进行连接后，其中由两个DNA片段之间连接形成的产物有_、_、_三种。(2)用上述三种连接产物与无任何抗药性的原核宿主细胞进行转化实验。之后将这些宿主细胞接种到含四环素的培养基中，能生长的原核宿主细胞所含有的连接产物有_；若接种到含青霉素的培养基中，能生长的原核宿主细胞所含有的连接产物有_。(3)目的基因表达时，RNA聚合酶识别和结合的位点是_，其合成的产物是_。(4)在上述实验中，为了防止目的基因和质粒在酶切后产生的末端发生任意连接，酶切时应选用的酶是_。【解析】(1)将含有目的基因的DNA与质粒分别用EcoR 酶切，所产生的黏性末端相同，用DNA连接酶处理后，不同的片段随机结合，可形成3种不同的连接物：目的基因目的基因、目的基因载体、载体载体。(2)在上述三种产物中，插入目的基因的都不能在四环素培养基上生长，只有载体载体连接产物才能在含四环素的培养基上生长。(3)启动子是RNA聚合酶识别和结合的位点，可启动转录过程，合成mRNA。(4)由图示和题目中提供的信息可知，同时运用EcoR 和BamH 进行酶切可有效防止酶切后产生的末端发生任意连接。【答案】(1)目的基因载体连接物载体载体连接物目的基因目的基因连接物(2)载体载体连接物目的基因载体连接物、载体载体连接物(3)启动子mRNA(4)EcoR 和BamH知识点二| 目的基因的导入、检测和鉴定1导入目的基因(1)将目的基因导入植物细胞最常用的是农杆菌转化法。(2)将目的基因导入动物细胞常用的是显微注射法。(3)将目的基因导入微生物细胞常用的方法是Ca2处理法。2检测和鉴定目的基因(1)从DNA水平检测：DNA分子杂交法。(2)从RNA水平检测重组体：分子杂交技术。(3)从蛋白质水平检测：抗原抗体杂交。(4)从个体水平对其生物学特定性状进行检测。将苏云金芽孢杆菌(图一)的毒蛋白基因提取出来导入普通棉花(图二)细胞可培育成转基因抗虫棉(图三)。请依据以上内容探究下列问题。探讨：为什么植物的体细胞可以作为受体细胞，而动物的体细胞不能作为受体细胞？提示：植物细胞的全能性较高，可经植物组织培养过程成为完整植物体，因此受体细胞可以是受精卵也可以是体细胞；动物体细胞全能性受到限制，不能发育为一个新个体，因此动物基因工程中的受体细胞一般是受精卵。探讨：从细胞器的功能上分析，若通过基因工程生产人的糖蛋白，可以用大肠杆菌作受体细胞吗？提示：不可以。糖蛋白上的糖链是在内质网和高尔基体上加工完成的，而内质网和高尔基体存在于真核细胞中，大肠杆菌是原核生物，细胞中不含有这两种细胞器。探讨：检测棉花中导入的抗虫基因是否表达的最简便的方法是什么？提示：用叶片饲养棉铃虫，观察棉铃虫是否死亡。探讨：DNA分子杂交的原理是什么？有哪些应用？提示：碱基互补配对原则。可用于亲子鉴定、刑事侦查、生物亲缘关系鉴定等。1导入目的基因目的基因导入受体细胞的方法。细胞类型方法转化过程特点植物细胞农杆菌转化法目的基因插入Ti质粒的TDNA上转入农杆菌导入植物细胞插入植物细胞中的染色体DNA上目的基因表达经济、有效，适用于双子叶植物和裸子植物动物细胞显微注射法目的基因表达载体提纯取卵(受精卵)显微注射受精卵发育获得具有新性状的动物最为有效的将目的基因导入动物细胞的方法微生物细胞Ca2处理法Ca2处理微生物细胞感受态细胞将基因表达载体与感受态细胞混合在缓冲液中一定温度下促使感受态细胞吸收DNA分子简便、经济、有效特别提醒(1)将目的基因导入植物细胞培育转基因植物时，受体细胞可以是体细胞和受精卵，因为植物体细胞具有全能性。(2)将目的基因导入动物细胞培育转基因动物时，受体细胞是受精卵，不能用体细胞，因为高度分化的动物体细胞的全能性受到限制。(3)微生物细胞作为受体细胞具有繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少等优点。(4)将基因表达载体(重组质粒)导入农杆菌的常用方法是Ca2处理法。Ca2(CaCl2溶液)对微生物细胞的作用是增加细胞壁的通透性。2检测和鉴定目的基因检测水平检测内容方法结果显示分子水平的检测检测转基因生物的染色体上是否插入了目的基因DNA分子杂交技术(基因探针转基因生物的DNA)是否显示出杂交带检测目的基因是否转录分子杂交技术(基因探针转基因生物的mRNA)是否显示出杂交带检测目的基因是否翻译成蛋白质抗原抗体杂交是否显示出杂交带个体水平的检测包括抗虫、抗病的接种实验，以确定是否有抗性及抗性程度；基因工程产品需要与天然产品进行活性比较等特别提醒不同分子检测的原理、场所、探针的异同(1)进行转录水平的检测原理与复制水平的检测原理是相似的，只是被检测的物质不再是转基因生物的基因组DNA，而是转基因生物的细胞内的mRNA；进行翻译水平的检测，则是利用抗原与抗体特异性结合的原理。(2)不论是复制水平、转录水平还是翻译水平的检测，都是在体外进行的。 (3)在DNA分子，mRNA分子上检测目的基因是否插入、目的基因是否转录时，用的探针都是放射性同位素等标记的含有目的基因的DNA片段。1基因工程中科学家常采用细菌、酵母菌等微生物作为受体细胞，主要原因是()A结构简单，操作方便B繁殖速度快C遗传物质含量少D性状稳定，变异少【解析】目的基因导入受体细胞后，随着受体细胞的繁殖而复制，由于细菌等微生物繁殖速度非常快，在很短的时间内就能获得大量的目的基因。因此，基因工程常用的受体细胞有细菌、真菌等。【答案】B2科学家通过基因工程方法，将苏云金芽孢杆菌的Bt毒蛋白基因转入普通棉株细胞内，并成功实现了表达，从而培育出了能抗棉铃虫的棉花植株抗虫棉。其过程大致如图所示。根据题意，回答下列问题。(1)基因工程操作程序的一般步骤是_、_、_、_。(2)Ti质粒是农杆菌中的一种质粒，其上有TDNA，把目的基因插入Ti质粒的TDNA中是利用TDNA的_的特点。(3)将目的基因导入受体细胞的方法有很多种，该题中涉及的是_。(4)若目的基因能在棉株体内稳定维持和表达，主要是因为_，分子水平检测目的基因是否表达的方法是_。【解析】本题以抗虫棉的培育为背景，考查了运用基因工程技术培育转基因作物的步骤、方法。农杆菌转化法是将目的基因导入植物细胞的常用方法，利用它能在自然条件下感染双子叶植物和裸子植物，以及其Ti质粒上的TDNA能转移至受体细胞，并且整合到受体细胞染色体DNA上的特点，可以把目的基因插入其Ti质粒的TDNA中，借助其作用使目的的基因成功导入受体细胞。【答案】(1)获取目的基因构建基因表达载体导入目的基因检测和鉴定目的基因(2)可转移至受体细胞并且整合到受体细胞染色体DNA上(3)农杆菌转化法(4)目的基因插入了受体细胞的染色体DNA中抗原抗体杂交课堂小结知识网络构建核心语句归纳1.基因工程的操作步骤：获取目的基因构建基因表达载体目的基因的导入目的基因的检测与鉴定2.获取目的基因的三种方法：基因文库直接获得、PCR扩增、人工合成。3.基因表达载体的构成：目的基因、启动子、终止子、标记基因等。4.导入目的基因的方法有：农杆菌转化法、显微注射法、Ca2处理法。5.检测目的基因的方法：DNA分子杂交法、DNARNA分子杂交、抗原抗体杂交、个体水平检测。1下列不属于获取目的基因的方法的是()A利用DNA连接酶复制目的基因B化学方法直接合成C从基因文库中获取目的基因D利用PCR技术扩增目的基因【解析】本题考查目的基因的获取方法及DNA聚合酶和DNA连接酶的区别。对目的基因(DNA片段)进行复制需利用DNA聚合酶而不是DNA连接酶。【答案】A2基因工程是在DNA分子水平上进行设计施工的。在基因操作的基本步骤中，不进行碱基互补配对的是()A目的基因与载体的结合B将目的基因导入受体细胞C目的基因的表达D目的基因的人工合成【解析】合成目的基因及其与载体的结合都有碱基互补配对过程，而将目的基因导入受体细胞是通过载体的运输作用进入的，不存在碱基互补配对过程。【答案】B3要检测目的基因是否成功地插入受体DNA中，需要用核酸探针，核酸探针是指()A用于检测疾病的医疗器械B用放射性同位素或荧光分子等标记的DN