高中生物 1.2《基因工程的原理和技术》教案 浙科版选修3

用心 爱心 专心 第二节第二节 基因工程的原理和技术基因工程的原理和技术 教学目标教学目标 知识与能力方面 知识与能力方面 1 简述基因工程的原理 2 描述基因工程基本步骤的几个步骤 3 举例说出筛选含有目的基因的受体细胞的原理 过程与方法方面 过程与方法方面 运用基因工程的技术 提出解决某一实际问题的方案 情感态度 价值观方面 情感态度 价值观方面 关注基因工程的发展 体会 S T S 三者之间的关系 教学重点教学重点 基因工程的基本操作步骤 教学难点教学难点 从基因文库中获取目的基因 筛选含有目的基因的受体细胞 教学方法教学方法 讲授法 教学课时教学课时 1 课时 教学过程教学过程 导入新课 复习 基因工程的操作工具 限制性核酸内切酶 DNA 连接酶 运载体或载体 提出问题 先解决为什么要分五个步骤的问题 然后解决每一步骤的技术方法问题 1 为什么要有 目的基因的获取 这一步 学生活动 引导学生看本专题题图中基因工程的概念 基因工程是指按照人们的愿望 进 行严格的设计 通过体外 DNA 重组和转基因等技术 赋予生物以新的遗传特性 创造出更符 合人们需要的新的生物类型和生物产品 可以说这既是概念 也是原理 这里所说的 更 符合人们需要 就是目的 那么更符合人们需要的那个基因就是目的基因了 有了目的基 因 我们才能赋予一种生物以另一种生物的遗传特性 2 为什么要有 表达载体的构建 这一步 学生活动 思考 单独的 DNA 片段 目的基因是不能稳定遗传的 课文中谈到构建表达载 体的目的是为了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 因能表达和发挥作用 3 为什么要有 目的基因导入受体细胞 这一步 学生活动 思考讨论 教材指出含有目的基因的表达载体只有进入受体细胞 并且维持稳定 和表达 才能实现一种生物的基因在另一种生物中的转化 4 为什么要有 筛选含有目的基因的受体细胞 学生活动 思考讨论 这是因为目的基因是否真正插入受体细胞的 DNA 中 是否能够在受体 细胞中稳定遗传只有通过检测 鉴定才能得知 5 为什么要有 目的基因的表达 这一步 用心 爱心 专心 学生活动 思考讨论 目的基因在受体细胞中的表达与否 决定了基因工程是否最终成功 必须进行鉴定 确定其是否表达 学习过程 学习过程 一 目的基因的获取一 目的基因的获取 问题引入 目的基因的获取 有什么方法呢 你能推测出由 mRNA 反转录形成 cDNA 的过 程大致分为哪些步骤吗 学生活动 学生思考讨论 总结归纳 1970 年 特明 H M Temin 和巴尔的摩 D Baltimore 证实了 RNA 病毒中含有一种能将 RNA 转录成 DNA 的酶 这种酶被称为依赖 RNA 的 DNA 聚合酶 由于与中心法则中的从 DNA 到 RNA 的转录是反向的 所以称为反转录酶 reverse transcriptase 反转录酶既可以利用 DNA 又可以利用 RNA 作为模板合成与之互补的 DNA 链 像其他 DNA 聚合 酶一样 反转录酶也以 5 3 方向合成 DNA 的过程图 1 3 图 1 3 由 mRNA 反转录形成 cDNA cDNA 合成过程是 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 1 PCR 的扩增过程是怎样的 PCR 扩增是获取目的基因的一种非常有用的方法 也是进行分子鉴定和检测的一种很灵敏的 方法 PCR 的扩增反应过程包括以下几个主要过程 第一步 将反应体系包括双链模板 引物 耐高温的 DNA 聚合酶 四种脱氧核糖核苷酸 以及酶促反应所需的离子等 加热至 90 95 使双链 DNA 模板两条链之间的氢键打开 变成单链 DNA 作为互补链聚合反应的模板 第二步 将反应体系降温至 55 60 使两种引物分别与模板 DNA 链 3 端的互补序 列互补配对 这个过程称为复性 第三步 将反应体系升温至 70 75 在耐高温的 DNA 聚合酶催化作用下 将与模板 互补的单个核苷酸加到引物所提供的 3 OH 上 使 DNA 链延伸 产生一条与模板链互补的 DNA 链 上述三步反应完成后 一个 DNA 分子就变成了两个 DNA 分子 随着重复次数的增多 DNA 分子就以 2n 的形式增加 PCR 的反应过程都是在 PCR 扩增仪中完成的 2 如何从基因文库中找到所需要的基因 从基因文库中找到目的基因是一件比较复杂的事情 要根据目的基因已有的某些信息来 进行 下面介绍一种根据基因的部分核苷酸序列找到目的基因的方法 第一步 通过 PCR 方法将目的基因已知的部分核苷酸序列扩增出来 进行放射性同位素 标记也可以用别的标记方法进行 如生物素 荧光素等 即用标记了放射性同位素的目的 DNA 片段作为探针 与扩增出来的 DNA 杂交 第二步 将基因文库中的所有菌落转移至硝酸纤维膜上也可以用其他类型的膜 然后 通过处理溶解消化掉细菌中的蛋白质 并使 DNA 固定在膜上 用心 爱心 专心 第三步 按 Southern 杂交的方法进行杂交 第四步 在 X 光底片上出现黑斑的菌落 这表明这个菌落中含有所需要的目的基因若选 用别的标记方法 有阳性信号的菌落则含有所需要的目的基因 第五步 从该菌落中再提取目的基因 二 形成重组二 形成重组 DNADNA 分子分子 提出问题 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 学生活动 学生思考讨论 总结归纳 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 需使用启动子和终止子才能比较有利于基因的表达 如通 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 2 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 3 目的基因是否导入受体生物中需要有筛选标记 4 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 1 基因工程载体的构建需要考虑哪些方面的因素 道理何在 主要考虑以下几方面的因素 1 基因的特点 如果一个来自动物的目的基因含有内含子 就不能用于转基因植物 因为动物中内含子的剪接系统与植物的不同 植物不能将动物基因的内含子剪切掉 只能用 该基因的 cDNA 基因的产物如果是一个糖蛋白 那么该基因在原核生物细菌中表达出来的蛋 白就可能不具备天然状态下的活性 因为糖蛋白上的糖链是在内质网和高尔基体上加上的 而细菌无这些细胞器 2 要选择强启动子或组织特异性启动子 启动子有强有弱 选择强启动子可以增加转 录活性 使基因产物量增多 如果希望基因在生物的某个组织表达 如只在植物种子中表达 就要选择种子中特异表达的启动子 三 将目的基因导入受体细胞三 将目的基因导入受体细胞 提出问题 1 不同的受体细胞导入方法相同吗 2 导入是否意味着转化 学生活动 学生思考讨论 总结归纳 转化 目的基因进入受体细胞内 并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程 导入植物细胞 农杆菌转化法 表达载体导入农杆菌 再让农杆菌感染植物细胞 将目的基因导入受体细胞 细菌 氯化钙 细胞壁的通透性增大 重组质粒进入受体细胞 目的基因随受体细胞的繁殖而复制 导入动物细胞 显微注射法 将基因表达载体提纯 用显微仪注射到受精卵中 导入微生物细胞 Ca2 处理受体细胞成为感受态细胞 再进行混合 提示 提示 农杆菌转化法的原理是利用农杆菌 胞内寄生菌 对植物的感染而把目的基因导 入受体细胞 用心 爱心 专心 四 筛选含有目的基因的受体细胞四 筛选含有目的基因的受体细胞 提出问题 1 筛选的目的是什么 2 筛选方法有哪些 学生活动 学生思考讨论 总结归纳 筛选是为了确定重组 DNA 是否导入受体细胞 筛选的方法有两种 检测是否插入目的基因 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 检测是否转录出了 mRNA 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 五 目的基因的表达五 目的基因的表达 通过鉴定表达的蛋白产物或性状来确定目的基因是否表达 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 还可以进行个体水平的鉴定 根据其性状 提示 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 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 并提取出而来的 3 要有选择标记基因 如抗生素基因 以便选择出真正的转基因生物 板书设计 1 21 2 基因工程的基本操作程序基因工程的基本操作程序 一 目的基因的获取 二 形成重组 DNA 分子 基因工程的核心 三 将目的基因导入受体细胞 四 筛选含有目的基因的受体细胞 五 目的基因的表达 随堂练习 1 基因工程常用的受体细胞有 大肠杆菌 枯草杆菌 支原体 动植物细胞 A B C D 2 基因工程的操作步骤 使目的基因与运载