高中生物 1.1 基因工程课件 新人教版选修3.ppt

基因工程的基本内容 主讲 汤益松 基因拼接技术或dna重组技术 生物体外 基因 dna分子水平 剪切拼接导入表达 人类需要的基因产物 基因操作的工具 苏云金芽孢杆菌 有抗虫特性 抗虫基因 普通棉花 无抗虫特性 棉花细胞 含抗虫基因 导入 与运载体dna拼接 棉花植株 有抗虫特性 关键步骤一 抗虫基因从苏云金芽孢杆菌细胞内提取关键步骤二 抗虫基因与运载体dna连接关键步骤三 抗虫基因进入棉细胞 关键步骤一的工具 基因的剪刀 限制性内切酶关键步骤二的工具 基因的针线 dna连接酶关键步骤三的工具 基因的运输工具 运载体 思考 关键步骤是什么 难题 限制酶切割dna分子示意图 分布 作用特点 结果 举例 主要在微生物中 特异性 即识别特定核苷酸序列 切割特定切点 产生黏性未端 碱基互补配对 大肠杆菌的一种限制酶能识别gaattc序列 并在g和a之间切开 思考题 要想获得某个特定性状的基因必须要用限制酶切几个切口 可产生几个黏性未端 dna连接酶的连接作用示意图 被限制酶切开的dna两条单链的切口 带有几个伸出的核苷酸 它们之间正好互补配对 这样的切口叫做黏性未端 可以设想 如果把两种来源不同的dna用同一种限制酶来切割 然后让两者的黏性未端黏合起来 似乎就可以合成重组的dna分子了 但是 实际上仅仅这样做是不够的 互补的碱基处虽然连接起来 但是这种连接只相当于把断成两截的梯子中间的氢键 踏板 连接起来 两边的扶手的断口处还没有连接起来 要把磷酸二酯键 扶手 的断口处连接起来 也就是把两条dna未端之间的缝隙 缝合 起来 还要靠另一种极其重要的工具 dna连接酶 dna连接酶的连接作用示意图 连接的部位 结果 思考题 磷酸二酯键 梯子的扶手 不是氢键 梯子的踏板 两个相同的黏性未端的连接 用dna连接酶连接两个相同的黏性未端要连接几个磷酸二酯键 用限制酶切一个特定基因要切断几个磷酸二酯键 基因操作的工具 苏云金芽孢杆菌 有抗虫特性 抗虫基因 普通棉花 无抗虫特性 棉花细胞 含抗虫基因 导入 与运载体dna拼接 棉花植株 有抗虫特性 关键步骤一 抗虫基因从苏云金芽孢杆菌细胞内提取关键步骤二 抗虫基因与运载体dna连接关键步骤三 抗虫基因进入棉细胞 关键步骤一的工具 基因的剪刀 限制性内切酶关键步骤二的工具 基因的针线 dna连接酶关键步骤三的工具 基因的运输工具 运载体 思考 关键步骤是什么 难题 大肠杆菌质粒的分子结构示意图 质粒能够 友好 地 借居 在宿主细胞中 一般来说 质粒的存在与否对宿主细胞生存没有决定性的作用 但是 质粒的复制则只能在宿主细胞内完成 质粒是基因工程最常用的运载体 它存在于许多细菌以及酵母菌等生物中 是细胞染色体外能够自主复制的很小的环状dna分子 最常用的质粒是大肠杆菌的质粒 大肠杆菌的质粒中常含有抗药基因 如抗四环素的标记基因 细菌质粒的大小只有普通细菌染色体dna的百分之一左右 二 基因工程的基本程序 质粒 环状dna分子 它的分子量较小 可以自由地进入细菌细胞 还能独立自主地复制 具有一套与细胞核染色体相对独立的遗传信息 基因工程的基本程序是 1 获得目的基因 外源dna片段 2 将目的基因连接到载体上 得杂化载体 3 将杂化载体 环状的dna 引入宿主细胞 受体细胞 使目的基因及载体上其它基因得以转录和翻译 载体质粒 外源dna片段 外源dna插入 剪切 引入宿主细胞 选出含有重组dna的细胞扩增 a b b a a b 从供体细胞的dna中直接分离基因方法 鸟枪法 1 鸟枪法的过程 一 提取目的基因的途径 反转录法 2 反转录法的过程 根据已知氨基酸序列合成dna 人工合成基因 真核细胞 3 根据已知氨基酸序列合成dna的过程 dna合成仪 另一条途径是根据已知的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 如人的血红蛋白基因 胰岛素基因等就可以通过人工合成基因的方法获得 目前人工合成基因的方法主要有两条途径 一条途径是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 从而获得所需要的基因 基因的运输工具 运载体 1 作用 2 具备的条件 3 种类 4 质粒的特点 质粒 噬菌体和动植物病毒 将外源基因送入受体细胞 基因操作的基本步骤示意图 例题解析1 农业上大量使用化肥存在许多负面影响 生物固氮 已成为一项重要研究课题 实验证明 生物固氮是某些微生物 如根瘤菌 蓝藻等 将空气中的n2固定为nh3的过程 1 与人工合成nh3所需的高温 高压条件相比 生物固氮的顺利进行是因为根瘤菌 蓝藻体内含有特定的 这类物质的化学本质是 2 人们正在着力研究转基因固氮植物 如固氮水稻 固氮小麦等 某科学家将根瘤菌 细胞中的固氮基因 通过基因工程方法转移到水稻植株细胞中 经检测 转基因水稻具备了固氮功能 据上述材料分析 固氮基因已经整合到水稻细胞的中 写出水稻细胞中固氮基因得到表达的反应式 酶 蛋白质 dna 转录翻译dna 固氮基因 rna蛋白质 2 干扰素是治疗癌症的重要物质 人血液中每升只能提取0 05 g干扰素 因而其价格昂贵 平民百姓用不起 但美国有一家公司用遗传工程方法合成了价格低廉 药性一样的干扰素 其具体做法是 1 从人的淋巴细胞中提取能指导干扰素合成的 并使之与一种叫做质粒的dna结合 然后移植到酵母菌内 从而用酵母菌来 2 酵母菌能用方式繁殖 速度很快 所以 能在较短的时间内大量生产 利用这种方法不仅产量高 并且成本也较低 基因 产生干扰素 出芽 干扰素 基因工程的成果与发展前景 主要内容 1 基因工程与医药卫生2 基因工程与农牧业 食品工业3 基因工程与环境保护 一 基因工程与医药卫生 1 生产基因药品2 基因诊断与基因治疗 基因工程在医药卫生领域的应用 在传统的药品生产中 某些药品如胰岛素 干扰素直接生物体的哪些结构中提取 药品直接从生物的组织 细胞或血液中提取 一 基因工程与医药卫生 传统生产方法的缺点 由于受原料来源的限制 价格十分昂贵 可利用什么方法来解决上述问题 利用基因工程方法制造 工程菌 可高效率地生产出各种高质量 低成本的药品 一 基因工程与医药卫生 胰岛素是治疗糖尿病的特效药 一般临床上使用的胰岛素主要从猪 牛等家畜的胰腺中提取 每100kg胰腺只能提取4 5g胰岛素 用该方法生产的胰岛素产量低 价格昂贵 远不能满足社会需要 1979年 科学家将动物体内的胰岛素基因与大肠杆菌dna分子重组 并在大肠杆菌内实现了表达 1982年 美国一家基因公司用基因工程方法生产的胰岛素投入市场 售价降低了30 50 基因工程药品 胰岛素 一 基因工程与医药卫生 干扰素是病毒侵入细胞后产生的一种糖蛋白 干扰素几乎能抵抗所有病毒引起的感染 是一种抗病毒的特效药 此外干扰素对治疗某些癌症和白血病也有一定疗效 传统的干扰素生产方法是从人血液中的白细胞内提取 每300l血液只能提取出1mg干扰素 1980 1982年 科学家用基因工程方法在大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素 是传统的生产量的12万倍 1987年上述干扰素大量投放市场 基因工程药品 干扰素 一 基因工程与医药卫生 治疗侏儒症的唯一方法 是向人体注射生长激素 而生长激素的获得很困难 以前 要获得生长激素 需解剖尸体 从大脑的底部摘取垂体 并从中提取生长激素 现可利用基因工程方法 将人的生长激素基因导入大肠杆菌中 使其生产生长激素 人们从450l大肠杆菌培养液中提取的生长激素 相当于6万具尸体的全部产量 基因工程药品 生长激素 一 基因工程与医药卫生 转基因动物的乳腺 就基因药物而言 最理想的表达场所是哪里 是指把人或哺乳动物的某种基因导入到哺乳动物 如鼠 兔 羊和猪 的受精卵里 目的基因若与受精卵染色体dna整合 细胞分裂时 该基因随染色体的倍增而倍增 使每个细胞中都带有目的基因 使性状得以表达 并稳定地遗传给后代 从而获得基因产品 这样一种新的个体 称为转基因动物 什么叫转基因动物 一 基因工程与医药卫生 1 乳腺是一个外分泌器官 乳汁不进入体内循环 不会影响转基因动物本身的生理代谢反应 2 从乳汁中获取目的基因产物 产量高 易提纯 表达的蛋白质已经过充分的修饰加工 具有稳定的生物活性 3 从乳汁中源源不断获得目的基因的产物的同时 转基因动物又可无限繁殖 为什么乳腺能成为基因药物最理想的表达场所呢 一 基因工程与医药卫生 基因诊断 也称为dna诊断或基因探针技术 即在dna水平分析检测某一基因 从而对特定的疾病进行诊断 探针制备 放射性同位素 如32p 荧光分子等标记的dna分子 原理 利用dna分子杂交原理 一 基因工程与医药卫生 基因探针 基因探针就是一段与目的基因或dna互补的特异核苷酸序列 它包括整个基因 或基因的一部分 可以是dna本身 也可以是由之转录而来的rna 一 基因工程与医药卫生 dna分子杂交原理 dna分子杂交是基因诊断最基本的方法之一 其基本原理是 互补的dna单链能够在一定条件下结合成双链 即能够进行杂交 这种结合是特异的 即严格按照碱基互补配对进行 因此 当用一段已知基因的核苷酸序列作为探针 与被测基因进行接触 若两者的碱基完全配对成双链 则表明被测基因中含有已知的基因序列 一 基因工程与医药卫生 基因诊断技术在什么方面发展迅速 在诊断遗传性疾病方面发展迅速 目前已经可以对几十种遗传病进行产前诊断 1 珠蛋白的dna探针 镰刀状细胞贫血症2 苯丙氨酸羧化酶基因探针 苯丙酮尿症3 白血病患者细胞中分离出的癌基因制备的dna探针 白血病 举例 一 基因工程与医药卫生 基因治疗 是指是把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中 达到治疗疾病的目的 患半乳糖血症的患者 由于细胞内半乳糖苷转移酶基因缺陷而缺少半乳糖苷转移酶 使过多的半乳糖在体内积聚 引起肝 脑等功能受损 1971年 美国科学家在体外做了试验 用带有半乳糖苷转移酶基因的噬菌体侵染患者的离体组织细胞 结果发现这些组织细胞能够利用半乳糖了 这表明 用基因替换的方法治疗这种遗传病是可能的 二 基因工程与农牧业 基因工程在农业上的应用 1 高产 稳产和具优良品质的品种用基因工程的方法可以改善粮食作物的蛋白质含量 如 向日葵豆 植株 2 抗逆性品种将细菌的抗虫 抗病毒 抗除草剂 抗盐碱 抗干旱 抗高温等抗性基因转移到作物体内 将从根本上改变作物的特性 如转基因抗虫棉 二 基因工程与农牧业 繁殖具有抗病能力 高产仔率 高产奶率和高质量的皮毛等优良品质的转基因动物 该过程的重要步骤是通过感染或显微注射技术将重组dna转移到动物受精卵中 基因工程在畜牧养殖业上的应用主要是什么 将人的生长激素基因和牛的生长素基因分别注射到小白鼠受精卵中 得到的 超级小鼠 二 基因工程与农牧业 用口径为1 m的dna注射器 将大量的目的基因片段注入到受精卵的核内 然后把经过注射的受精卵移植到另一只雌性动物的子宫内 使受精卵发育为转基因动物 什么叫显微注射技术 二 基因工程与食品业 基因工程为人类开辟新的食物来源 1 鸡蛋白基因在大肠杆菌和酵母菌中表达获得成功 这表明 未来能用发酵罐培养的大肠杆菌或酵母菌来生产人类所需要的卵清蛋白 2 用基因工程的方法从微生物中获得人们所需要的糖类 脂肪和维生素等产品 基因工程为食品工业中提供了什么前景 三 基因工程与环境保护 1 用于环境监测 2 用于被污染环境的净化 基因工程在环保方面有什么应用 例如 用dna探针可以检测饮用水中病毒的含量 此方法的特点是快速 灵敏 1吨水中有10个病毒也能检测出来 通过基因工程方法怎样进行环境监测 1 用基因工程产物 超级细菌 分解石油 可以大大提高细菌分解石油的效率 具体方法 将能分解三种烃类的假单孢杆菌的基因都转移到能分解另一种烃类的假单孢杆菌内 创造出了能同时分解四种烃类的 超级细菌 2 用基因工程培养出 吞噬 汞和降解土壤中ddt的细菌 以及能够净化镉污染的植物 3 通过基因重组构建新的杀虫剂 取代生产过程中耗能多 易造成环境污染的农药 并试图通过基因工程回收和利用工业废物 通过基因工程方法怎样净化被污染的环境 二 基因操作的工具 3 细菌通常是具有双链环状dna的单细胞生物 现有甲 乙两种细菌 基因型分别是abd和abd 通过基因工程使甲细菌后代产生出乙细菌b基因所控制的产物 具体过程如图所示 试据图回答 1 从细胞的结构看 细菌属于生物 2 图中剪切dna的 剪刀 和粘接dna的 胶水 其实是两种不同的酶 它们都只能在dna的一定位置进行剪切和粘接 说明它们具有的特点 3 新细菌与甲 乙细菌的表现都不同 从变异来源看 这是人工条件下的一种 4 假如b基因是来自人体细胞 则甲子代也可产生出相应的人体物质 这说明在翻译过程中 细菌和人类共套 5 在dna分子中 拼接 上某个基因或 切割 掉某个基因 并不影响各基因的功能 这说明基因具有 原核 专一性 基因重组 遗传密码 相对的独立性 4 人类基因组计划 的研究工作已经历时10年 投资近百亿美元 一开始它是一项 国际参与 免费分享 的国际合作研究项目 现在由于其潜在的巨大经济价值 使得它还未完成时 争抢就已经开始 而且愈演愈烈的趋势 起步本已较晚的我国生物科技人员还面临着经费严重不足等巨大困难 但是他们说 我们的民族已经在信息产业的上游 软件和硬件上受制于人 我们再也不能让我们的子孙后代在这个领域付出代价 当该课题组的杨焕明 汪键在没有研究经费的情况下找袁隆平帮忙时 袁隆平爽快地道 拿合同来 1 从细胞学上讲 基因的载体是其排列特点是 2 文中的 基因序列 指 因为它代表控制生命活动的全套 所以基因序列的测定对于探索生命奥秘意义重大 3 编码基因 一词中的 编码 是指为生命活动的体现者编码 4 文中袁隆平是我国的专家 他使用的方法主要是 5 与杂交育种 诱变育种相比 通过基因工程来培育新品种的主要优点是和的障碍 染色体 线性排列 基因脱氧核苷酸的排列顺序 遗传密码 蛋白质 杂交育种 缩短育种时间 克服远缘杂交 13 在药品生产中 有些药品如干扰素 白细胞介素 凝血因子等 以前主要是从生物体的组织 细胞 血液中提取的 由于受原料来源限制 价格十分昂贵 而且产量低 临床供应明显不足 自20世纪70年代遗传工程发展以来 人们逐步地在人体内发现了相应的目的基因 使之与质粒形成重组的dna分子 并以重组dna引入大肠杆菌 最后利用这些工程菌 可以高效地生产出上述各种高质量低成本的药品 请分析回答 在基因工程中质粒是一种最常用的 它广泛地存在于细胞中 是一种很小的分子 在用目的基因与质粒形成重组dna过程中 一般要用到的工具酶是和 将含有 某激素基因 的质粒导入细菌细胞后 能在细菌细胞内直接指导合成 某激素 则该激素在细菌体内的合成包括 和两个阶段 细菌中质粒能由一个变成两个 二个变成四个 质粒的这种合成方式在分子遗传学上称为 在将质粒导入细菌时 一般要用处理细菌 以增 大 基因的运载体 细菌 dna 限制性内切酶 dna连接酶 转录 翻译 半保留复制 氯化钙 细菌细胞壁的通透性 a有人把蚕的dna分离出来 用一种酶 剪切 下制造丝蛋白的基因 再从细菌细胞中提取出一种叫 质粒 的dna分子 把它和丝蛋白基因拼结在一起再送回细菌细胞中 结果此细菌就有产生蚕丝的本领 b法国科学家发现 玉米 烟草等植物含有类似人体血红蛋白的基因 如加入 fe 原子 就可以制造出人的血红蛋白 从而由植物提供医疗中所需要的人体血液 c瑞土科学家找到一个与果蝇眼睛形成有关的基因 将此基因注入果蝇幼虫不同细胞以后 果蝇的翅和其它部位都长出了眼睛 为人造 器官 供移植使用提供了可能 d1991年 我国复旦大学遗传所科学家成功地进行了世界上首例用基因疗法治疗血友病的临床实验 我国科学家还将通过将高等动物生长激素基因称入泥鳅的受精卵 获得比普通泥鳅重三倍的在泥鳅 e江苏农科院开展 转基因抗虫棉 的科技攻关研究 成功地将有关基因导入棉花细胞中 得到棉花新品种 对棉铃虫等害虫毒杀效果高达80 100 所有这些实验统称工程 所有这些实验结果 有没有产生前所末有的新蛋白质 基因 没有 a有人把蚕的dna分离出来 用一种酶 剪切 下制造丝蛋白的基因 再从细菌细胞中提取出一种叫 质粒 的dna分子 把它和丝蛋白基因拼结在一起再送回细菌细胞中 结果此细菌就有产生蚕丝的本领 b法国科学家发现 玉米 烟草等植物含有类似人体血红蛋白的基因 如加入 fe 原子 就可以制造出人的血红蛋白 从而由植物提供医疗中所需要的人体血液 c瑞土科学家找到一个与果蝇眼睛形成有关的基因 将此基因注入果蝇幼虫不同细胞以后 果蝇的翅和其它部位都长出了眼睛 为人造 器官 供移植使用提供了可能 d1991年 我国复旦大学遗传所科学家成功地进行了世界上首例用基因疗法治疗血友病的临床实验 我国科学家还将通过将高等动物生长激素基因称入泥鳅的受精卵 获得比普通泥鳅重三倍的在泥鳅 e江苏农科院开展 转基因抗虫棉 的科技攻关研究 成功地将有关基因导入棉花细胞中 得到棉花新品种 对棉铃虫等害虫毒杀效果高达80 100 a段实验结果的细菌具有产生蚕丝的本领 说明 蚕的丝蛋白基因在细菌体内得以表达 a有人把蚕的dna分离出来 用一种酶 剪切 下制造丝蛋白的基因 再从细菌细胞中提取出一种叫 质粒 的dna分子 把它和丝蛋白基因拼结在一起再送回细菌细胞中 结果此细菌就有产生蚕丝的本领 b法国科学家发现 玉米 烟草等植物含有类似人体血红蛋白的基因 如加入 fe 原子 就可以制造出人的血红蛋白 从而由植物提供医疗中所需要的人体血液 c瑞土科学家找到一个与果蝇眼睛形成有关的基因 将此基因注入果蝇幼虫不同细胞以后 果蝇的翅和其它部位都长出了眼睛 为人造 器官 供移植使用提供了可能 d1991年 我国复旦大学遗传所科学家成功地进行了世界上首例用基因疗法治疗血友病的临床实验 我国科学家还将通过将高等动物生长激素基因称入泥鳅的受精卵 获得比普通泥鳅重三倍的在泥鳅 e江苏农科院开展 转基因抗虫棉 的科技攻关研究 成功地将有关基因导入棉花细胞中 得到棉花新品种 对棉铃虫等害虫毒杀效果高达80 100 b段中玉米 烟草基因生产人类血红蛋白为什么要加入 fe 原子 人的血红蛋白是一种含fe的蛋白质 植物中含有类似人类血红蛋白 基因 从进化上看 说明 植物和动物之间有一定的亲缘关系 是由共同的祖先进化而来的 a有人把蚕的dna分离出来 用一种酶 剪切 下制造丝蛋白的基因 再从细菌细胞中提取出一种叫 质粒 的dna分子 把它和丝蛋白基因拼结在一起再送回细菌细胞中 结果此细菌就有产生蚕丝的本领 b法国科学家发现 玉米 烟草等植物含有类似人体血红蛋白的基因 如加入 fe 原子 就可以制造出人的血红蛋白 从而由植物提供医疗中所需要的人体血液 c瑞土科学家找到一个与果蝇眼睛形成有关的基因 将此基因注入果蝇幼虫不同细胞以后 果蝇的翅和其它部位都长出了眼睛 为人造 器官 供移植使用提供了可能 d1991年 我国复旦大学遗传所科学家成功地进行了世界上首例用基因疗法治疗血友病的临床实验 我国科学家还将通过将高等动物生长激素基因称入泥鳅的受精卵 获得比普通泥鳅重三倍的在泥鳅 e江苏农科院开展 转基因抗虫棉 的科技攻关研究 成功地将有关基因导入棉花细胞中 得到棉花新品种 对棉铃虫等害虫毒杀效果高达80 100 瑞士科学家的实验说明 我国 863 计划15 周年成果展览中类似的实例是 简单的基因可决定复杂的器官形成 背上长人耳的老鼠 a有人把蚕的dna分离出来 用一种酶 剪切 下制造丝蛋白的基因 再从细菌细胞中提取出一种叫 质粒 的dna分子 把它和丝蛋白基因拼结在一起再送回细菌细胞中 结果此细菌就有产生蚕丝的本领 b法国科学家发现 玉米 烟草等植物含有类似人体血红蛋白的基因 如加入 fe 原子 就可以制造出人的血红蛋白 从而由植物提供医疗中所需要的人体血液 c瑞土科学家找到一个与果蝇眼睛形成有关的基因 将此基因注入果蝇幼虫不同细胞以后 果蝇的翅和其它部位都长出了眼睛 为人造 器官 供移植使用提供了可能 d1991年 我国复旦大学遗传所科学家成功地进行了世界上首例用基因疗法治疗血友病的临床实验 我国科学家还将通过将高等动物生长激素基因称入泥鳅的受精卵 获得比普通泥鳅重三倍的在泥鳅 e江苏农科院开展 转基因抗虫棉 的科技攻关研究 成功地将有关基因导入棉花细胞中 得到棉花新品种 对棉铃虫等害虫毒杀效果高达80 100 人类基因组测定了人体中条染色体的基因序列 d段中血友病基因疗法中有关的染色体是染色体 我国科学家培育出