高三生物 基因工程 ppt.ppt

专题一基因工程 考纲要求 1 基因工程的诞生 2 基因工程的原理及技术 3 基因工程的应用 4 蛋白质工程 基因的结构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 rna聚合酶能够识别调控序列中的结合位点 并与其结合 转录开始后 rna聚合酶沿dna分子移动 并以dna分子的一条链为模板合成rna 转录完毕后 rna链释放出来 紧接着rna聚合酶也从dna模板链上脱落下来 不能转录为信使rna 不能编码蛋白质 能转录相应的信使rna 能编码蛋白质 编码区 非编码区 原核细胞的基因结构 有调控遗传信息表达的核苷酸序列 在该序列中 最重要的是位于编码区上游的rna聚合酶结合位点 启动子 二 真核细胞的基因结构 编码区 与rna聚合酶结合位点 内含子 外显子 能够编码蛋白质的序列叫做外显子 不能够编码蛋白质的序列叫做内含子 启动子 终止子 编码区上游 编码区下游 内含子 外显子 真核细胞的基因结构 编码区 非编码区 外显子 能编码蛋白质的序列内含子 不能编码蛋白质的序列 有调控作用的核苷酸序列 包括位于编码区上游的rna聚合酶结合位点 非编码序列 包括非编码区和内含子 原核细胞与真核细胞的基因结构比较 连续 不连续 编码区 非编码 启动子与起始密码 终止子与终止密码 二 基因工程的概念 定义 又称为重组dna技术 指按照人们的愿望 进行严格的设计 并通过体外dna重组和转基因等技术 赋予生物新的遗传特性 从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品 目的 是生产出符合人类需要的产品或创造出生物的新性状 并能稳定遗传 基因工程基本操作的四个步骤 1 目的基因的获取 2 基因表达载体的构建 3 将目的基因导入受体细胞 4 目的基因的检测与鉴定 一 目的基因的获取 1 目的基因主要是指 编码蛋白质的结构基因 2 获取目的基因的常用方法有哪些 1 从基因文库中获取 2 利用pcr技术扩增 3 人工合成 请阅读p9第一和二两段 一 从基因文库中获取目的基因 将含有某种生物不同基因的许多dna片断 导入到受体菌的群体中 各个受体菌分别含有这种生物的不同基因 称为基因文库 1 基因文库 2 基因文库的构建方法 鸟枪法 供体细胞中的dna 许多dna片段 运载体 限制酶 与载体连接载入 受体细胞 产生特定性状 导入 外源dna扩增 目的基因 分离 直接分离法 一 从基因文库中获取目的基因 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 目的基因的mrna 杂交双链 单链rna 单链dna 单链dna 反转录酶 核酸酶h 2 基因文库的构建方法 dna聚合酶 双链dna 目的基因 根据已知的氨基酸序列合成dna法 根据已知蛋白质的氨基酸序列 推测出相应的信使rna序列 然后按照碱基互补配对原则 推测出它的结构基因的核苷酸序列 再通过化学方法 以单核苷酸为原料合成目的基因 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 推测 推测 目的基因 化学合成 2 基因文库的构建方法 上述三种目的基因提取的方法有何优缺点 操作简便广泛使用 工作量大 盲目 分离出来的有时并非一个基因 专一性强 操作过程麻烦 mrna很不稳定 要求的技术条件较高 专一性最强 仅限于合成核苷酸对较少的简单基因 思考 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 概念 pcr全称为 是一项在生物 复制 的核酸合成技术 条件 做启动子 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 选修1p60 多聚酶链式反应 体外 特定dna片段 dna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 二 利用pcr技术扩增目的基因 过程 a dna变性 90 96 双链dna模板在热作用下 断裂 形成 b 退火 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 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 二 基因表达载体的构建 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 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 5 基因表达载体的组成 复制原点 目的基因 启动子 终止子 标记基因 它们有什么作用 思考 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 启动子 位于基因的首端的一段特殊的dna片断 它是rna聚合酶识别和结合的部位 有了它才能驱动基因转录出mrna 最终获得蛋白质 调节基因 操纵基因 结构基因 rna聚合酶 半乳糖苷酶 酶 酶 启动子 结构蛋白基因 rna聚合酶 终止子 位于基因的尾端的一段特殊的dna片断 能终止mrna的转录 标记基因的作用是为了鉴别受体细胞中是否含有目的基因 从而将有目的基因的细胞筛选出来 三 将目的基因导入受体细胞 转化 方法 将目的基因导入植物细胞 将目的基因导入动物细胞 将目的基因导入微生物细胞 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 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 1 将目的基因导入植物细胞的方法 农杆菌转化法 1 农杆菌介绍 2 原理及适用范围 三 将目的基因导入受体细胞 2 将目的基因导入动物细胞 1 方法 显微注射法 2 程序 三 将目的基因导入受体细胞 3 将目的基因导入微生物细胞 1 思考 为什么选用微生物作为受体细胞 2 方法 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 注意与上不同之处 抗原抗体杂交 dna分子杂交示意图 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 1 以下说法正确的是 a 所有的限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列b 质粒是基因工程中唯一的运载体c 运载体必须具备的条件之一是 具有多个限制酶切点 以便与外源基因连接d 基因控制的性状都能在后代表现出来 c 练习 2 不属于质粒被选为基因运载体的理由是a 能复制 b 有多个限制酶切点c 具有标记基因d 它是环状dna d 练习 3 有关基因工程的叙述中 错误的是 a dna连接酶将黏性末端的碱基对连接起来b 限制性内切酶用于目的基因的获得c 目的基因须由运载体导入受体细胞d 人工合成目的基因不用限制性内切酶 a 练习 4 有关基因工程的叙述正确的是 a 限制酶只在获得目的基因时才用b 重组质粒的形成在细胞内完成c 质粒都可作为运载体d 蛋白质的结构可为合成目的基因提供资料 d 练习 5 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步骤是 a 人工合成目的基因b 目的基因与运载体结合c 将目的基因导入受体细胞d 目的基因的检测和表达 c 练习 2006年广东卷23题 下列关于基因工程应用的叙述 正确的是a 基因治疗就是把缺陷基因诱变成正常基因b 基因诊断的基本原理是dna分子杂交c 一种基因探针能检测水体中的各种病毒d 原核基因不能用来进行真核生物的遗传改良 b 2006年江苏卷15题 我国科学家运用基因工程技术 将苏云金芽孢杆菌的抗虫基因导入棉花细胞并成功表达 培育出了抗虫棉 下列叙述不正确的是a 基因非编码区对于抗虫基因在棉花细胞中的表达不可缺少b 重组dna分子中增加一个碱基对 不一定导致毒蛋白的毒性丧失c 抗虫棉的抗虫基因可通过花粉传递到近缘作物 从而造成基因污染d 转基因棉花是否具有抗虫特性是通过检测棉花对抗生素抗性来确定的 d 2006年全国卷 5题 采用基因工程技术将人凝血因子基因导入山羊受精卵 培育出了转基因羊 但是 人凝血因子只存在于该转基因羊的乳汁中 以下有关叙述 正确的是a 人体细胞中凝血因子基因编码区的碱基对数目 等于凝血因子氨基酸数目的3倍b 可用显微注射技术将含有人凝血因子基因的重组dna分子导入羊的受精卵c 在该转基因样中 人凝血因子基因存在于乳腺细胞 而不存在于其他体细胞中d 人凝血因子基因开始转录后 dna连接酶以dna分子的一条链为模板合成mrna b 2006年四川卷4题 基因工程技术可使大肠杆菌合成人的蛋白质 下列叙述不正确的是a 常用相同的限制性内切酶处理目的基因和质粒b dna连接酶和rna聚合酶是构建重组质粒必需的工具酶c 可用含抗生素的培养基检测大肠杆菌中是否导入了重组质粒d 导入大肠杆菌的目的基因不一定能成功表达 b 2006年江苏卷41题 基因工程又叫基因拼接技术 1 在该技术中 用人工合成方法获得目的基因的途径之一是 以目的基因转录的为模板 成互补的单链dna 然后在酶的作用下合成 2 基因工程中常用的受体细胞有细菌 真菌 若将真核基因在原核细胞中表达 对该目的基因的基本要求是 3 假设以大肠杆菌质粒作为运载体 并以同一种限制性内切酶切割运载体与目的基因 将切割后的运载体与目的基因片段混合 并加入dna连接酶 连接产物至少有种环状dna分子 它们分别是 1 信使rna mrna 逆转录 反转录 双链dna 目的基因 2 动植物细胞除去内含子 3 3运载体自连的 目的基因片段自连的 运载体与目的基因片段相连的环状dna分子 基因工程的应用 基因工程的应用是基因工程基本操作程序的一个必然结果 一 植物基因工程硕果累累 植物基因工程技术主要用于提高农作物的抗逆能力 以及改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面 1 抗虫转基因植物方法 目的基因包括 从某些生物中分离出具有杀虫活性的基因 将其导入作物中 使其具有抗虫性 bt毒蛋白基因 蛋白酶抑制剂基因 淀粉酶抑制剂基因 植物凝集素基因等 2 抗病转基因植物 寻根问底 在抗病转基因植物中 为什么使用病毒外壳蛋白基因可以抗病毒侵染 是否存在局限性 一种假说认为 cp基因在植物细胞内表达积累后 当入侵的病毒裸露核酸进入植物细胞后 会立即被这些外壳蛋白重新包裹 从而阻止病毒核酸分子的复制和翻译 另一种假说认为 植物细胞内积累的病毒外壳蛋白会抑制病毒脱除外壳 使病毒核酸分子不能释放出来 然而最近的研究表明 如果将病毒的外壳蛋白的aug起始密码缺失 使之不能被翻译 或者将外壳蛋白基因变成反义rna基因 整合到植物细胞染色体上 转基因植物则有很好的抗性 因此 有人认为抗性机理不是外壳蛋白在起作用 而是cp基因转录出rna后 与入侵病毒rna之间的相互作用起到了抗性作用 存在一些问题 转基因植物对病毒的抗性有局限性 仅限于特定的病毒 被使用cp基因的病毒 或密切相关的病毒 转基因植物大多数只是发病延缓 一般为两周 并非根治 潜在着植物表达的外壳蛋白包被与另一种病毒形成新的杂合病毒的危险 3 抗逆转基因作物4 利用转基因改良植物的品质方法 将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因 导入植物中 或者改变这些氨基酸合成途径中某种酶的活性 三 动物基因工程前景广阔 1 用于提高动物生长速度目的基因 2 用于改善畜产品的品质 生长素基因 5 用转基因动物生产药物用基因工程技术实现动物乳腺生物反应器的操作过程是怎样的 获取目的基因 例如血清蛋白基因 构建基因表达载体 在血清白蛋白基因前加特异表达的启动子 显微注射导入哺乳动物受精卵中 形成胚胎 将胚胎送入母体动物 发育成转基因动物 只有在产下的雌性动物个体中 转入的基因才能表达 6 用转基因动物作器官移植的供体供体动物 存在的难题 解决方法 猪 免疫排斥 将供体基因组导入某种基因调节因子 以抑制抗原决定基因的表达 或设法除去抗原决定基因 再结合克隆技术 培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆猪器官 7 基因工程药品异军突起工程菌 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 我国已生产的产品 白细胞介素 2 干扰素 乙肝疫苗等 四 基因治疗曙光初照 1 体外基因治疗 2 体内基因治疗 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 直接向人体组织细胞中转移基因的治病方法 用于基因治疗的基因种类a 从健康人体上分离得到的功能正常的基因 用以取代病变基因 或依靠其表达产物 b 反义基因 即通过产生的mrna分子 与病变基因产生的mrna进行互补 来阻断蛋白质合成 c 编码可以杀死癌变细胞的蛋白酶基因 又叫做自杀基因 蛋白质工程 一 蛋白质工程崛起的缘由 通过基因工程能够大规模生产生物体内微量存在的活性物质 并借助转基因而改变动植物性状 得以在人类医疗保健中进行基因诊断和基因治疗 然而在广泛利用自然界各种蛋白质的过程中就发现 这些蛋白质只是适应生物自身的需要 而对它们进行产业化开发往往不合意 需要加以改造 1983年ulmer首先提出蛋白质工程 它是指按照特定的需要 对蛋白质进行分子设计和改造的工程 自此以后 蛋白质工程迅速发展 已成为生物工程的重要组成部分 在已研究过的几千种酶中 只有极少数可以应用于工业生产 绝大多数酶都不能应用于工业生产 这些酶虽然在自然状态下有活性 但在工业生产中没有活性或活性很低 这是因为工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸 碱或有机溶剂存在 反应温度较高 在这种条件下 大多数酶会很快变性失活 提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要的课题 一般来说 提高蛋白质的稳定性包括 延长酶的半衰期 提高酶的热稳定性 延长药用蛋白的保存期 抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等 例如 干扰素是一种抗病毒 抗肿瘤的药物 将人的干扰素的cdna在大肠杆菌中进行表达 产生的干扰素的抗病毒活性为106u mg 只相当于天然产品的十分之一 虽然在大肠杆菌中合成的 干扰素量很多 但多数是以无活性的二聚体形式存在 为什么会这样 如何改变这种状况 研究发现 干扰素蛋白质中有3个半胱氨酸 第17位 31位和141位 推测可能是有一个或几个半胱氨酸形成了不正确的二硫键 研究人员将第17位的半胱氨酸 通过基因定点突变改变成丝氨酸 结果使大肠杆菌中生产的 干扰素的抗病性活性提高到108u mg 并且比天然 干扰素的贮存稳定性高很多 后基因组时代 将是 蛋白质组学时代 即从对基因信息的研究转向对蛋白质信息的研究 包括研究蛋白质结构 功能与应用及蛋白质相互关系和作用 蛋白质工程就是在对蛋白质的化学 晶体学 动力学等结构与功能认识的基础上 对蛋白质人工改造与合成 最终获得商业化的产品 二 蛋白质工程的基本原理 蛋白质工程的主要步骤通常包括 1 从生物体中分离纯化目的蛋白 2 测定其氨基酸序列 3 借助核磁共振和x射线晶体衍射等手段 尽可能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构 4 设计各种处理条件 了解蛋白质的结构变化 包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响 5 设计编码该蛋白的基因改造方案 如点突变 6 分离 纯化新蛋白 功能检测后投入实际使用 一 蛋白质的分子设计与改造蛋白质工程首先是以蛋白质的结构为基础 通过蛋白质的一级结构 晶体结构和溶液构象的研究 积累了成千上万蛋白质一级结构和高级结构的数据资料 并编制成系统的数据库 得以从中找出蛋白质分子间的进化关系 一级结构和高级结构的关系 结构与功能的关系方面的规律 蛋白质作为生物大分子是生物化学和分子生物学的研究重点 大量蛋白质被分离纯化 测定了它们的结构 性质和生物学作用 分子生物学有关基因组的研究 也可以用以推测出一些未知蛋白质的结构与功能 采用定位诱变的方法 可以对编码蛋白质的基因进行核苷酸密码子的插入 删除 置换和改组 其结果为分子改造提供新的设计方案 现有的蛋白质是生物长期进化的结果 蛋白质工程则是对生物进化的模拟 按照蛋白质形成的规律 改造蛋白质或构建新的蛋白质 蛋白质的改造通常需要先经周密的分子设计 然后依赖基因工程获得突变型蛋白质 以检验其是否达到了预期的效果 如果改造的结果不理想 还需要从新设计再进行改造 往往经历多次实践摸索才能达到改进蛋白质性能的预定目标 二 蛋白质改造工程举例1 水蛭素改造水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂 它有多种变异体 由65或66个氨基酸残基组成 水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病 为提高水蛭素活性 在综合各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体hv2的设计方案 将47位的asn 天冬酰胺 变成lys 赖氨酸 使其与分子内第4或第5位thr 苏氨酸 间形成氢键来帮助水蛭素n端肽段的正确取向 从而提高凝血效率 试管试验活性提高4倍 在动物模型上检验抗血栓形成的效果 提高20倍 2 生长激素改造生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生长发育 然而它不仅可以结合生长激素受体 还可以结合许多种不同类型细胞的催乳激素受体 引发其他生理过程 在治疗过程中为减少副作用 需使人的重组生长激素只与生长激素受体结合 尽可能减少与其他激素受体的结合 经研究发现 二者受体结合区有一部分重叠 但并不完全相同 有可能通过改造加以区别 由于人的生长激素和催乳激素受体结合需要锌离子参与作用 而它与生长激素受体结合则无需锌离子参与 于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链 如第18和第21位his