高考生物专题复习 第39讲 基因工程课件 大纲人教版.ppt

第39讲基因工程 考点一基因工程概念及操作工具 1 基因工程的概念 1 概念的理解 第39讲 考点整合 dna重组 外 基因 分子 定向 2 原理 3 优点 克服 第39讲 考点整合 基因重组 远缘杂交不亲和障碍 目的性强 2 操作工具 1 基因的 剪刀 主要存在于中 种类多达200种 一种只能识别种特定的核苷酸序列 并且能在特定切点上 dna分子 2 基因的 针线 把具有末端的两个dna 缝合 起来形成 第39讲 考点整合 限制性内切酶 限制酶 微生物 限制性内切酶 一 切割 dna连接酶 黏性 重组dna 3 基因的运输工具 必须具备的条件 能够在宿主细胞中并稳定保存 具有多个的切点 以便与连接 具有某些标记基因 便于进行 常用运载体 质粒 噬菌体 动植物病毒 其中最常用的是 第39讲 考点整合 运载体 复制 限制酶 外源基因 筛选 大肠杆菌的质粒 易错易混点 不同限制酶的识别对象虽不同 但作用部位都是磷酸二酯键 即dna主链上磷酸与脱氧核糖交替连接的化学键并使之断裂 而dna连接酶则是通过催化磷酸二酯键的形成将两个dna片段连接起来 即催化主链的连接 第39讲 考点整合 考点二基因操作的基本步骤 1 提取目的基因目的基因指人们所需要的特定基因 方法一 或叫散弹射击法 优点是 缺点是 具有一定的盲目性 不适合获得中的目的基因 方法二 人工合成法 获取真核细胞的目的基因时 一般采用该方法 途径 1 单链dna 双链dna 目的基因 途径 2 根据已知的 序列 推测出核苷酸序列 通过化学方法合成目的基因 第39讲 考点整合 鸟枪法 操作简便 工作量大 真核细胞 mrna 氨基酸 mrna 2 目的基因与运载体结合用同一种分别切割和 形成相同的黏性末端 二者的黏性末端因 而黏合 再加入酶进行连接形成重组dna分子 3 将目的基因导入借鉴侵染细胞途径或将目的基因导入内 4 目的基因的检测与表达 第39讲 考点整合 限制性内切酶 目的基因 运载体 碱基互补配对 dna连接 受体细胞 细菌或病毒 显微注射 受体细胞 标记 目的 考点三基因工程的成果和发展前景 1 基因工程与医药卫生 1 生产基因工程药品 用基因工程制造的 可高效率地生产出高质量 低成本的药品 如胰岛素 干扰素 乙肝疫苗等 2 基因诊断 用 等标记的做探针 利用原理 鉴定被检测标本上的遗传信息 达到检测疾病的目的 3 基因治疗 把导入有基因缺陷的细胞中 达到治疗疾病的目的 第39讲 考点整合 工程菌 放射性同位素 荧光分子 dna dna分子杂交 健康的外源基因 2 基因工程与农牧业及食品工业 1 农业 通过技术获得高产 稳产和具有优良品质及各种抗逆性的作物新品种 2 畜牧养殖业 通过法将重组dna转移到动物的中 培育出人们所需要的各种优良品质的转基因动物 3 食品工业 通过基因工程制造的生产各种人类所需要的蛋白质 糖类 脂肪 维生素等产品 为人类开辟新的食物来源 第39讲 考点整合 转基因 显微注射 受精卵 工程菌 3 基因工程与环境保护 1 环境监测 用可以快速 灵敏地检测饮用水中病毒的含量 2 环境净化 利用假单孢杆菌通过基因工程手段培育出能同时分解四种烃类的 等来治理环境污染 达到净化环境的目的 第39讲 考点整合 dna探针 超级细菌 探究点一基因操作工具的简述 1 限制性内切酶 分子手术刀 1 来源 主要是从原核生物中分离纯化来的 2 种类 近4000种 3 功能 能够识别双链dna分子的某种特定的核苷酸序列 并能将每一条链上特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键切开 2 dna连接酶 分子缝合针 1 是通过磷酸二酯键连接双链dna的缺口 2 注意比较dna聚合酶和dna连接酶的异同点 第39讲 要点探究 3 基因进入受体细胞的载体 分子运输车 1 种类 质粒 常存在于原核细胞和酵母菌中 是一种分子量较小的环状的裸露的dna分子 独立于拟核之外 病毒 常用 噬菌体的衍生物 动植物病毒等 2 使用运载体的目的 是用它做运载工具 将目的基因转运到宿主细胞中去 是利用它在受体细胞内对目的基因进行大量复制 3 作为运载体必须具备的条件 在宿主细胞中保存下来并大量复制 使目的基因进行扩增 有多个限制性内切酶切点 供外源基因插入其中 具有标记基因 标记基因是指具有某些抗性基因或产物具有颜色反应的基因等 供重组dna鉴定和选择 第39讲 要点探究 易错易混点 1 真正被用作运载体的质粒 都是在天然质粒的基础上进行过人工改造的 2 限制酶不是在dna的任何部位都能将dna切开 任何一种限制酶都只识别和切断特定的核苷酸序列 这是由限制酶的性质所决定的 不同限制酶的识别对象虽不同 但作用部位都是磷酸二酯键 即dna主链上磷酸与脱氧核糖交替连接的化学键并使之断裂 第39讲 要点探究 3 dna连接酶是将一段dna片段3 端的羟基与另一dna片段5 端磷酸基团上的羟基连接起来形成酯键 是通过催化磷酸二酯键的形成将两个dna片段连接起来 即催化主链的连接 而不是连接互补碱基之间的氢键 4 有关的dna酶 dna水解酶 能够将dna水解成四种脱氧核苷酸 彻底水解成磷酸 脱氧核糖和含氮碱基 dna解旋酶 能够将dna或dna的某一段解成两条脱氧苷酸长链 作用的部位是碱基和碱基之间的氢键 注意 使dna解成两条长链的方法除用解旋酶以外 在适当的高温 如94 或重金属盐的作用下 也可使dna解旋 第39讲 要点探究 dna聚合酶 能将单个的核苷酸通过磷酸二酯键连接成dna长链 5 1 限制酶和dna连接酶统称为工具酶 运载体的化学本质是dna或rna 不能称为工具酶 2 工具酶可采用发酵工程或酶工程从微生物中获得 第39讲 要点探究 例1 2010 江苏卷 下表中列出了几种限制酶识别序列及其切割位点 图39 1图1 图2中箭头表示相关限制酶的酶切位点 请回答下列问题 第39讲 要点探究 1 一个图39 1所示的质粒分子经sma 切割前后 分别含有 个游离的磷酸基团 2 若对图中质粒进行改造 插入的sma 酶切位点越多 质粒的热稳定性越 3 用图中的质粒和外源dna构建重组质粒 不能使用sma 切割 原因是 4 与只使用ecori相比较 使用bamh 和hind 两种限制酶同时处理质粒 外源dna的优点在于可以防止 第39讲 要点探究 0 2 高 sma 会破坏质粒的抗性基因 外源dna中的目的基因 质粒和含目的基因的外源dna片段自身环化 5 为了获取重组质粒 将切割后的质粒与目的基因片段混合 并加入酶 6 重组质粒中抗生素抗性基因的作用是为了 7 为了从cdna文库中分离获取蔗糖转运蛋白基因 将重组质粒导入丧失吸收蔗糖能力的大肠杆菌突变体 然后在 的培养基中培养 以完成目的基因表达的初步检测 第39讲 要点探究 dna连接 鉴别和筛选含有目的基因的细胞 蔗糖为唯一含碳营养物质 解析 本题考查基因工程的限制性内切酶的作用和特点 1 质粒切割前是双链环状dna分子 所有磷酸基团参与形成磷酸二酯键 故不含游离的磷酸基团 从图39 1可以看出 质粒上只含有一个sma 的切点 因此被该酶切割后 质粒变为线性双链dna分子 因每条链上含有一个游离的磷酸基团 因此切割后含有两个游离的磷酸基团 2 由题目可知 sma 识别的dna序列只有g和c 而g和c之间可以形成三个氢键 a和t之间可以形成两个氢键 所以sma 酶切位点越多 热稳定性就越高 第39讲 要点探究 3 质粒抗生素抗性基因为标记基因 由图2可知 标记基因和外源dna目的基因中均含有sma 酶切位点 都可以被sma 破坏 故不能使用该酶剪切含有目的基因的dna 4 只使用ecori 则质粒和目的基因两端的黏性末端相同 用dna连接酶连接时 会产生质粒和目的基因自身连接物 而利用bamh 和hind 剪切时 质粒和目的基因两端的黏性末端不同 用dna连接酶连接时 不会产生自身连接产物 5 质粒和目的基因连接后获得重组质粒 该过程需要dna连接酶作用 故混合后加入dna连接酶 第39讲 要点探究 6 质粒上的抗性基因为标记基因 用于鉴别和筛选含有重组质粒的受体细胞 7 将重组质粒导入丧失吸收蔗糖能力的大肠杆菌突变体后 含有重组质粒的个体才能吸收蔗糖 因此可利用蔗糖作为唯一碳源的培养基进行培养受体细胞 含有重组质粒的细胞才能存活 不含有重组质粒的细胞因不能获得碳源而死亡 从而达到筛选目的 点评 本题考查基因工程和dna分子结构的相关知识 解题的关键是理解限制酶的相关知识 第39讲 要点探究 mstii是一种限制性内切酶 它总是在cctgagg的碱基序列中切断dna 图39 2显示了用mstii处理后的正常 血红蛋白基因片断 镰刀型细胞贫血症的根本原因是 血红蛋白基因突变 下列有关叙述中 错误的是 变式题 a 在起初的正常 血红蛋白基因中有3个cctgagg序列b 若 血红蛋白基因某处cctgagg突变为cctcctg 则mstii处理该基因后可产生3个dna片段c 将mstii酶用于基因诊断 若产生四个dna片段 则 血红蛋白基因正常d 将mstii酶用于镰刀型细胞贫血症的基因诊断 若产生三个dna片段 则 血红蛋白基因正常 第39讲 要点探究 d 解析 正常血红蛋白基因上有3个mstii酶切位点 能将正常的 血红蛋白基因切成4段 故d错 第39讲 要点探究 探究点二基因工程操作的步骤 1 注意掌握基因操作 四步曲 即 提取目的基因 目的基因与运载体结合 将目的基因导入受体细胞 目的基因的检测与表达 的名称 方法 原理和结果 2 人工合成目的基因与采用 鸟枪法 直接分离目的基因的区别 人工合成的目的基因具有以下特点 无内含子 根据已知氨基酸序列推测mrna的核苷酸序列再合成目的基因时 所合成的目的基因无非编码区 且外显子的核苷酸序列也会因同一氨基酸具有多个密码子而与原基因有差异 第39讲 要点探究 3 将目的基因导入受体细胞 1 目的基因不能单独进入受体细胞 必须以表达载体的形式携带进去 2 基因工程中常用的受体细胞有 大肠杆菌 枯草杆菌 土壤农杆菌 酵母菌和动植物细胞等 3 将目的基因导入植物细胞 第39讲 要点探究 常用方法 农杆菌转化法 主要适用于双子叶植物 主要过程 利用农杆菌的ti质粒构建基因表达载体 将目的基因插入到ti质粒 将重组ti质粒转入农杆菌 再让含重组ti质粒的农杆菌导入到植物细胞 利用其感染双子叶植物的能力 并将目的基因插入到植物细胞的染色体dna上 利用t dna能够整合到受体细胞染色体dna上的特点 使目的基因进入植物细胞并稳定维持和表达 第39讲 要点探究 基因枪法 是单子叶植物常用的一种基因转化方法 花粉管通道法 4 将目的基因导入动物细胞最常用方法 显微注射法 常用受体细胞 受精卵 操作程序 含目的基因的表达载体提纯 显微注射仪进行显微注射 移植到雌性动物的输卵管或子宫内 发育成转基因动物 第39讲 要点探究 5 将目的基因导入微生物细胞原核生物作为受体细胞的优点 繁殖快 多为单细胞 遗传物质相对较少 大肠杆菌转化方法 第一步 钙离子处理细胞 使其处于一种能吸收周围环境中dna分子的生理状态 这种细胞称为感受态细胞 第二步 将重组表达载体dna分子溶于缓冲液中与感受态细胞混合 在一定的温度下促进感受态细胞吸收dna分子 完成转化过程 第39讲 要点探究 4 目的基因的检测与鉴定检测目标 1 检测转基因生物染色体的dna上是否插入目的基因 是目的基因能否稳定遗传的关键 检测方法 利用dna分子杂交技术 目的基因dna一条链 作探针 与受体细胞中提取的dna杂交 看是否有杂交带 dna分子杂交技术首先提取受体细胞中的dna 然后高温解成单链 再与同位素标记的dna探针杂交 2 检测是否转录出了mrna检测方法 利用dna分子杂交技术 目的基因dna一条链 作探针 与受体细胞中提取的mrna杂交 看是否有杂交带 第39讲 要点探究 3 检测目的基因是否翻译成蛋白质 抗体与蛋白质进行抗原 抗体杂交 看是否有杂交带 利用了抗体的特异性 抗原 抗体杂交所用到的抗体是用表达出的蛋白质注射动物进行免疫 产生相应的抗体 并提取而来的 4 个体水平的鉴定 根据其性状判断 第39讲 要点探究 易错易混点 1 真核细胞基因的编码区存在不能编码蛋白质的序列 受体细胞不易识别 因此 获取真核细胞的目的基因一般采用人工合成法 2 加入dna连接酶后 可形成三种环状dna 目的基因自连 运载体自连和目的基因与运载体相连 故需检测与筛选 3 目的基因导入成功并不一定能表达 常需经一定的修饰改造才能实现 不能表达时的修饰部位一般为基因的非编码区 如果修饰改造编码区则可能导致目的基因的产物不能形成或变异 4 人工合成的基因与生物原来的基因一般不同 因为一种氨基酸可能有多种密码子 典型的真核生物的基因编码区有内含子 第39讲 要点探究 例2在培育转基因植物的研究中 卡那霉素抗性基因 kanr 常作为标记基因 只有含卡那霉素抗性基因的细胞才能在卡那霉素培养基上生长 图39 4为获得抗虫棉的技术流程 第39讲 要点探究 请据图回答 1 a过程需要的酶有 2 b过程及其结果体现了质粒作为运载体必须具备的两个条件是 3 c过程的培养基除含有必要营养物质 琼脂和激素外 还必须加入 4 如果利用dna分子杂交原理对再生植株进行检测 d过程应该用 作为探针 第39讲 要点探究 限制性内切酶和dna连接酶 具有标记基因 能在宿主细胞中复制并稳定保存 卡那霉素 放射性同位素 或荧光分子 标记的抗虫基因 5 科学家发现转基因植株的卡那霉素抗性基因的传递符合孟德尔遗传规律 将转基因植株与杂交 其后代中抗卡那霉素型与卡那霉素敏感型的数量比为1 1 若该转基因植株自交 则其后代中抗卡那霉素型与卡那霉素敏感型的数量比为 若将该转基因植株的花药在卡那霉素培养基上作离体培养 则获得的再生植株群体中抗卡那霉素型植株占 第39讲 要点探究 非转基因植株 3 1 100 解析 图中a过程为目的基因与运载体相结合的过程 故需要同一种限制性内切酶和dna连接酶 b过程为目的基因导入受体细胞的过程 目的基因是否导入受体细胞需检测标记基因的存在 在培养过程中 质粒能进行复制并能稳定地保存 c过程中加入卡那霉素对含卡那霉素抗性基因的细胞进行选择 d过程用含放射性同位素标记的抗虫基因做探针检验植株中是否含有抗虫基因 转基因植株相当于杂合子 与非转基因植株杂交 后代两种性状比例为1 1 转基因植株自交 后代比例为3 1 花药中含抗卡那霉素基因和不含抗卡那霉素基因的比例虽然为1 1 但在卡那霉素的选择下 不含抗卡那霉素的花粉不能生长 因此 后代均为抗卡那霉素的植株 第39讲 要点探究 点评 选修教材在 基因工程简介 一节中详细介绍了基因操作的基本步骤和基因操作的工具及特点 必修教材 遗传的基本规律 一节讲述了等位基因的遗传规律 该题通过转基因植物的培育过程综合考查了考生的理解能力和获取信息的能力 第39讲 要点探究 苏云金杆菌合成的伴孢晶体蛋白经昆虫肠液消化后成毒性肽 可导致昆虫死亡 农科院成功地将苏云金杆菌伴孢晶体蛋白基因转移到了棉花细胞内 培育出了抗虫棉 1 若图39 5表示苏云金杆菌伴孢晶体蛋白的基因 图中已标明了编码区 请你将其他部分的名称填写在图中相应的位置上 并标出与rna聚合酶结合的位点 变式题 第39讲 要点探究 2 培育抗虫棉的基因操作一般要经历以下四个步骤 提取目的基因 若获得了伴孢晶体蛋白基因的信使rna 并以此为模板合成相应基因 除了要加入四种 为原料外 还需加入特殊的 酶 目的基因与运载体结合 质粒是常用的运载体 它存在于 等生物中 进行上述操作时 要用同一种 分别切割质粒和目的基因 用 进行 缝合 若目的基因的黏性末端如图39 6所示 则运载体上能与之接合的黏性末端是 在框内绘图作答 第39讲 要点探究 脱氧核苷酸 逆转录 许多细菌及酵母菌 限制性内切酶 dna连接酶 将目的基因导入棉花受体细胞 目的基因的检测和表达 表达的产物是 第39讲 要点探究 伴孢晶体蛋白 3 如果将抗虫基因导入二倍体植物 并筛选到一株有抗虫特性的转基因植物 经分析 该植物的某一条染色体携带有目的基因 理论上 该植物自交f1中出现不具有抗虫特性的植物的概率是 4 种植上述转基因植物 它所携带的目的基因有可能通过花粉传递给近缘物种 造成 基因污染 如果把目的基因导入叶绿体dna中 就可以避免上述 基因污染 因为叶绿体的遗传特点是 目的基因不会通过花粉传递给下一代 第39讲 要点探究 1 4 母系遗传 解析 基因包括编码区和非编码区 位于编码区的上游和下游的调控序列 与rna聚合酶结合位点位于编码区的上游 提取目的基因的方法可以采用逆转录法进行人工合成 在合成时 以伴孢晶体蛋白基因的mrna为模板 以4种脱氧核苷酸为原料 再加入逆转录酶来合成相应的基因 在许多细菌和酵母菌中存在质粒 其可以作为基因工程的运载体 当目的基因与运载体结合时 要先用同一种限制性内切酶分别切割质粒 若以质粒作为运载体 和目的基因 形成相同的黏性末端 然后用dna连接酶进行 缝合 表达的产物是伴孢晶体蛋白 第39讲 要点探究 题中所述的含有抗虫特性的转基因植物为杂合子 且表现出抗虫性状 可以判定抗虫性状为显性性状 因此当其自交 f1中出现不具有抗虫性状的植物的概率为1 4 为了避免目的基因通过花粉传递给近缘物种 可以将目的基因导入叶绿体dna中 由于叶绿体遗传具有母系遗传的特征 因此目的基因不会通过花粉传递给下一代 点评 要求标明编码区上游和下游的非编码区 缺一不可 在编码区上游标出与rna聚合酶结合位点 第39讲 要点探究 探究点三基因工程的应用 1 基因工程应用的理论基础 密码子的通用性 即所有生物共用一套密码子 2 重点识记基因工程在药物生产 转基因生物的培育 基因诊断 基因治疗及在环境保护方面应用的方法 3 工程菌 用基因工程的方法 使外源基因得到高效率表达的菌类细胞株系称为工程菌 4 基因治疗是把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中 使该基因的表达产物发挥功效 从而达到治疗疾病的目的 此方法是治疗遗传病的最有效手段 第39讲 要点探究 基因治疗的方法 1 体外基因治疗 从病人体内获得某种细胞进行培养 然后在体外完成基因转移 再筛选成功转移的细胞扩增培养 最后重新输入患者体内 2 体内基因治疗 利用经过修饰的腺病毒作载体 成功地将正常基因转入患者组织细胞内 第39讲 要点探究 基因诊断 基因芯片与基因治疗 通过基因诊断可以对肿瘤 遗传病等进行早期诊断 基因芯片能够通过尽可能少的样品和尽可能少的检测次数 检测出尽可能多的基因差别 其应用有发现病症的相关基因 用于传染病的检测等 基因治疗是把特定的外源基因导入有基因缺陷的细胞中 从而达到治疗疾病的目的 这是治疗遗传病的最有效的手段 第39讲 要点探究 易错易混点 1 dna探针技术又称分子杂交技术 是利用dna分子的变性 复性以及碱基互补配对的高度精确性 对某一特异性dna序列进行探查的新技术 dna探针是利用同位素 荧光分子等标记的特定单链dna片断 当dna探针与待测的非标记单链dna 或rna 按碱基顺序互补结合时 以氢键将两条单链连接而形成标记dna dna 或标记dna rna 的双链杂交分子 将未配对结合的洗去并用检测系统 放射自显影检测等 检测杂交反应结果 第39讲 要点探究 由于dna分子碱基互补的精确性 单链dna探针仅与样品中变性处理的dna单链出现配对杂交 由此决定了探针的特异性 用放射性同位素 如32p 或荧光分子标记探针 使杂交试验同时具有高度的敏感性 dna探针用于鉴定尸体身份 诊断遗传疾病 检测病毒 亲子鉴定 判断亲缘关系远近 检测目的基因是否进入受体细胞等 第39讲 要点探究 2 基因工程应用的目的不同 选用的受体细胞也不同 转基因