【课件】3.1.1重组DNA技术的基本工具课件（人教版2019选择性必修3）

1、第3章基因工程第1节 重组DNA技术的基本工具新课程标准新课程标准核心素养核心素养1.1.简述重组简述重组DNADNA技术所需的三技术所需的三种基本工具及其作用。种基本工具及其作用。2.2.认同基因工程的诞生和发展认同基因工程的诞生和发展离不开理论研究和技术创新。离不开理论研究和技术创新。3.3.进行进行DNADNA的粗提取与鉴定。的粗提取与鉴定。1.1.科学思维科学思维模拟重组模拟重组DNADNA分子分子的操作过程，说出合成新的操作过程，说出合成新DNADNA分分子的基本原理。子的基本原理。2.2.社会责任社会责任关注基因工程的关注基因工程的社会议题，参与讨论基础理论和社会议题，参与讨论基础

2、理论和技术发展如何催生了基因工程。技术发展如何催生了基因工程。1基因工程的诞生和发展(1)(1)基因工程的诞生基因工程的诞生19441944年，艾弗里等人通过肺炎链球菌转化实验证明了遗传物质是年，艾弗里等人通过肺炎链球菌转化实验证明了遗传物质是_，还证明了，还证明了DNADNA可以在同种生物的不同个体之间转移。可以在同种生物的不同个体之间转移。19531953年，沃森和克里克建立了年，沃森和克里克建立了_模型并提出了模型并提出了遗传遗传物质自我复制物质自我复制的假说。的假说。19611961年，尼伦伯格和马太破译了第一个编码氨基酸的年，尼伦伯格和马太破译了第一个编码氨基酸的_。2020世纪世纪

3、7070年代初，多种限制酶、年代初，多种限制酶、_酶和逆转录酶被相继发酶和逆转录酶被相继发现，为现，为DNADNA的切割、连接以及功能基因的获得创造了条件。的切割、连接以及功能基因的获得创造了条件。19731973年，科学家证明年，科学家证明_可以作为基因工程的载体，构建可以作为基因工程的载体，构建_，使外源基因在原核细胞中成功表达，并实现物种间的基因，使外源基因在原核细胞中成功表达，并实现物种间的基因交流。交流。DNADNADNADNA双螺旋结构双螺旋结构密码子密码子DNADNA连接连接质粒质粒重组重组DNADNA一、基因工程的诞生与发展(2)(2)基因工程的发展基因工程的发展1982198

4、2年，第一个基因工程药物年，第一个基因工程药物_被批准上市。被批准上市。19841984年，我国科学家朱作言领导的团队培育出世界上第一条年，我国科学家朱作言领导的团队培育出世界上第一条 _。19851985年，穆里斯等人发明年，穆里斯等人发明_，为获取目的基因提供了有效手段。，为获取目的基因提供了有效手段。19901990年，年，_计划启动。计划启动。20032003年，该计划的测序任务顺利完成。年，该计划的测序任务顺利完成。2121世纪以来，科学家发明了多种世纪以来，科学家发明了多种_，可以实现低成，可以实现低成本测定大量核酸序列，加速了人们对基因序列的了解。本测定大量核酸序列，加速了人们对

5、基因序列的了解。20132013年，华人科学家张锋及其团队首次报道利用最新的年，华人科学家张锋及其团队首次报道利用最新的_技技术编辑了哺乳动物基因组。术编辑了哺乳动物基因组。重组人胰岛素重组人胰岛素转基因鱼转基因鱼PCRPCR人类基因组人类基因组高通量测序技术高通量测序技术基因组编辑基因组编辑项目项目具体内容具体内容操作对象操作对象基因基因原理原理_操作环境操作环境操作水平操作水平_结果结果获得获得_的新的生物类型和生物产品的新的生物类型和生物产品优点优点克服克服_的障碍的障碍;_;_生物性状生物性状基因重组基因重组分子水平分子水平符合人们需要符合人们需要远缘杂交不亲和远缘杂交不亲和定向改造定

6、向改造2.2.基因工程的概念生物体外生物体外思考讨论：苏云金芽孢杆菌含有一种可以合成毒蛋白的基因。让细菌苏云金芽孢杆菌含有一种可以合成毒蛋白的基因。让细菌的毒蛋白基因在棉花细胞中表达，可培育出抵抗棉铃虫害的抗虫棉。的毒蛋白基因在棉花细胞中表达，可培育出抵抗棉铃虫害的抗虫棉。 想一想需要做哪些关键工作？想一想需要做哪些关键工作？一、限制性核酸内切酶一、限制性核酸内切酶 “分子手术刀”1、来源：主要从原核生物中分离纯化出来主要从原核生物中分离纯化出来 2、种类： 现在已经从约现在已经从约300300种微生物种微生物中分离出了约中分离出了约40004000种限制种限制性内切酶性内切酶( (限制酶限制

7、酶) )。4、:5 5 335 5 33磷酸二酯键能够识别双链DNA分子中特定的核苷酸序列。能够切割特定序列中的特定位点。5、两种常用的限制酶： 限制酶的命名是根据细菌种类而定，以限制酶的命名是根据细菌种类而定，以EcoRIEcoRI为例为例: : E E：Escherichia (Escherichia (属属) ) coco：coli (coli (种种) ) R R：RY13 (RY13 (品系品系) ) I I：首先发现：首先发现 在此类细菌中发现的顺序在此类细菌中发现的顺序EcoEcoRR：大肠杆菌（：大肠杆菌（Escherichia coliEscherichia coli）R R

8、型菌株中分离出型菌株中分离出的第一个限制酶；的第一个限制酶；SmaSma：粘质沙雷氏菌：粘质沙雷氏菌（Serratia marcescensSerratia marcescens）中分离出中分离出的第一个限制酶。的第一个限制酶。EcoR和Sma黏性末端黏性末端黏性末端黏性末端（1 1）EcoRIEcoRI限制酶的切割限制酶的切割: :伸出的核苷酸伸出的核苷酸互补配对互补配对黏性末端黏性末端只能识别只能识别GAATTCGAATTC序列，并在序列，并在G G和和A A之间切开。之间切开。中轴线（2 2）SmaISmaI限制酶的作用限制酶的作用只能识别只能识别CCCGGGCCCGGG序列，并在序列，

9、并在C C和和G G之间切开。之间切开。当限制酶从识别序列的中心轴线处切开时，切开的当限制酶从识别序列的中心轴线处切开时，切开的DNADNA两条单链的切口，是平整的，这样的切口叫两条单链的切口，是平整的，这样的切口叫平末端平末端。在在C C和和G G之之间切开间切开产生黏性末端产生黏性末端或或平末端平末端思考讨论1：仔细观察仔细观察以下四种以下四种限制酶识别的特定序列有何特点？限制酶识别的特定序列有何特点？EcoREcoRG-A-A-T-T-CG-A-A-T-T-CC-T-T-A-A-GC-T-T-A-A-GHindHindA-A-G-C-T-TA-A-G-C-T-TT-T-C-G-A-AT-

10、T-C-G-A-ABamHBamHG-G-A-T-C-CG-G-A-T-C-CC-C-T-A-G-GC-C-T-A-G-GTaqTaqT-C-G-AT-C-G-AA-G-C-TA-G-C-T限制酶所识别的序列的特点是：限制酶所识别的序列的特点是：呈现呈现碱基互补对称，无论是碱基互补对称，无论是6 6个碱基还是个碱基还是4 4个碱基，都可以找到一条中心轴线，个碱基，都可以找到一条中心轴线，中轴线两侧的双链中轴线两侧的双链DNADNA上的碱基是上的碱基是反反向对称重复向对称重复排列的排列的 ，称为，称为回文序列回文序列。思考讨论思考讨论2： 原核生物很容易受到自然界中外源原核生物很容易受到自然界中

11、外源DNA的入侵，但是长的入侵，但是长期的进化过程中，这些原核生物却没有因为外源期的进化过程中，这些原核生物却没有因为外源DNA的入侵而灭绝。的入侵而灭绝。你推测这其中的原因是？你推测这其中的原因是？ 原核生物细胞中的限制酶会将外源原核生物细胞中的限制酶会将外源DNA切割掉，使之失效，切割掉，使之失效，以保证自身的安全，但是不会切割自身的以保证自身的安全，但是不会切割自身的DNA，这是原核生物，这是原核生物在长期进化过程中形成的一套防御机制。在长期进化过程中形成的一套防御机制。CTACGATGAATTCCGTAGAATTCCCTAAGATGCTACTTAAGGCATCTTAAGGGATTCTA

12、CGATGGATGCTACTTAAAATTCCCTAAGGGATTAATTCCGTAGGGCATCTTAA黏性黏性末端末端目的基因目的基因练习：使用使用EcoEcoRIRI剪切目的基因剪切目的基因思考讨论3：G A A T T CC T T A A GG A A T T CC T T A A GG C T T A A A A T T C GG C T T A A A A T T C G用同种限制酶切割用同种限制酶切割( ( 缺口怎么办？缺口怎么办？G C T T A A A A T T C GG C T T A A A A T T C G二、DNA连接酶 分子缝合针1. 作用：酸酸磷酸二酯键磷

13、酸二酯键 。可把黏性末端之间的可把黏性末端之间的缝隙缝隙“缝合缝合”起来起来，2. 种类：类型DNA连接酶连接酶DNADNA连接酶连接酶DNADNA连接酶连接酶ATAGTCCGAATT连接两个连接两个DNA片段片段3. 与DNA聚合酶区别：CAATTDNA聚合酶聚合酶GAGTATCDNADNA聚合酶聚合酶连接单个脱氧核苷酸形成单链连接单个脱氧核苷酸形成单链DNADNA连接酶连接酶DNADNA聚合酶聚合酶相相同同作用实质作用实质化学本质化学本质不不同同点点模板模板作用对象作用对象作用结果作用结果用途用途都能催化形成都能催化形成磷酸二酯键磷酸二酯键都是蛋白质都是蛋白质不需要不需要需要需要DNA的一

14、条的一条链作模板链作模板形成完整的重组形成完整的重组DNA分子分子形成形成DNA的一条链的一条链基因工程基因工程DNA复制复制只能将只能将单个核苷酸单个核苷酸连接连接到已有的到已有的DNADNA片段上，片段上，形成磷酸二酯键形成磷酸二酯键在在两个两个DNADNA片段之片段之间间形成磷酸二酯键形成磷酸二酯键3. 与DNA聚合酶区别：根据所学知识，完成以下填空：根据所学知识，完成以下填空：限制酶限制酶 解旋酶解旋酶 DNADNA连接酶连接酶 DNADNA聚合酶聚合酶 RNARNA聚合酶聚合酶baA.切断a处的酶为_B.连接a处的酶为_C.切断b处的酶为_a：磷酸二酯键；：磷酸二酯键；b：氢键：氢键

15、练习：质粒质粒（最常用）（最常用）将外源基因送入受体细胞。将外源基因送入受体细胞。 1.作用：动植物病毒动植物病毒噬菌体的衍生物噬菌体的衍生物2.种类：质粒三、基因进入细胞的载体分子运输车 质粒质粒裸露的、结构简单的、独立于细菌裸露的、结构简单的、独立于细菌拟核拟核DNA之外，并具有自我复制能力的很小之外，并具有自我复制能力的很小的双链环状的双链环状DNA分子。分子。3、运载体需具备的条件（1 1）（2 2）有一个至多个限制酶切点）有一个至多个限制酶切点（3 3）有某些标记基因）有某些标记基因（4 4）对受体细胞无害、易分离）对受体细胞无害、易分离能进入受体细胞并在受体细胞内复制并表达；能进入

16、受体细胞并在受体细胞内复制并表达；便于与不同目的基因结合便于与不同目的基因结合便于鉴定和筛选便于鉴定和筛选有标记基因的存有标记基因的存在，可用含青霉在，可用含青霉素的培养基鉴别。素的培养基鉴别。有切割位点有切割位点能复制并带着插能复制并带着插入的目的基因一入的目的基因一起复制起复制实际上自然存在的质粒DNA分子并不完全具备上述条件，都要进行人工改造后才能用于基因工程操作。补：标记基因对重组补：标记基因对重组DNADNA的鉴定和选择原理的鉴定和选择原理标记基因通常有标记基因通常有: :抗生素的抗性基因抗生素的抗性基因，如，如: : 抗氨苄青霉素基因抗氨苄青霉素基因(amp(ampr r) )、抗

17、四环素基因、抗四环素基因(tet(tetr r) )荧光蛋白基因荧光蛋白基因，如，如: : 绿色荧光蛋白基因绿色荧光蛋白基因(GFP)(GFP)、红色荧光蛋白基因、红色荧光蛋白基因(RFP)(RFP)重组重组DNADNA导入受体细胞不是导入受体细胞不是100%100%，而且导入率较低，而且导入率较低质粒的特点质粒是基因工程中最常用的运载体质粒是基因工程中最常用的运载体最常用的质粒是大肠杆菌的质粒最常用的质粒是大肠杆菌的质粒细胞染色体外能自主复制的小型环状细胞染色体外能自主复制的小型环状DNADNA分子分子存在于许多细菌及酵母菌等生物中存在于许多细菌及酵母菌等生物中质粒的存在对宿主细胞无影响质粒

18、的存在对宿主细胞无影响质粒的复制只能在宿主细胞内完成质粒的复制只能在宿主细胞内完成4、质粒的特点：真正被用作载体的质粒，都是在天然质粒的基础上进行过人工改造的 ATAGCATGCTATCCATG AATTCGGCATAC TATCGTACGATAGGTACTTAAGCCGTATG目的基因目的基因 TCCTAG AGGATCTTAA AATTCCATAC GAGCCATACTTAAAATTCTCGGTATGGGTATG 实例：实例：重组重组DNADNA分子的模拟操作分子的模拟操作 AATTCGGCATAC TATCGTACGATAGGTACTTAA ATAGCATGCTATCCATG目的基因目的

19、基因 TCCTAG AGGATCTTAA AATTCCATAC GAGCCATACTTAAAATTCTCGGTATGGGTATG GCCGTATG【典例】图甲是含有目的基因的外源DNA片段，图乙是用于将目的基因导入受体细胞的质粒（阴影部分表示抗生素抗性基因），相关限制酶的作用部位如图所示，现欲培养转基因抗病植株，回答下列问题。（1）上述操作中不宜选用Sma I，原因是Sma I会破坏_和_。（2）在基因工程的操作中，不宜选用EcoR I，原因是用EcoR I切割外源DNA片段后，_。目的基因抗性基因目的基因只有一侧含有黏性末端，不能插入到质粒中1 1、选目的基因两端和运载体、选目的基因两端和运

20、载体都有都有的酶切位点；的酶切位点；2 2、所选酶切位点、所选酶切位点不能破坏不能破坏目的基因以及标记基因。目的基因以及标记基因。方法总结：-选择酶切位点的原则 (1)限制性内切核酸酶均能特异性地识别6个核苷酸序列( )(2)DNA连接酶能将两碱基间通过氢键连接起来( )(3)E.coliDNA连接酶既可连接平末端，又可连接黏性末端( )(4)限制酶和解旋酶的作用部位相同( )(5)质粒是双链环状DNA分子，是基因工程常用的载体。( )【基础过关基础过关】【典例典例1】如表为常用的限制酶及其识别序列和切割位点，据表分析以下说法正确的是()限制酶BamH EcoR Hind 识别序列和切割位点G

21、GATCCGAATTCGTYRAC限制酶Kpn Sau3A Sma 识别序列和切割位点GGTACCGATCCCCGGG(注：Y表示C或T，R表示A或G)DA.一种限制酶只能识别一种脱氧核苷酸序列B.限制酶的切割位点一定位于识别序列的内部C.不同限制酶切割后一定形成不同的黏性末端D.限制酶切割后形成的不一定都是黏性末端【典例2】下列关于质粒的叙述，正确的是（ ）A.质粒是广泛存在于细菌细胞中的一种颗粒状细胞器质粒是广泛存在于细菌细胞中的一种颗粒状细胞器B.质粒是细菌细胞质中能自主复制的小型环状质粒是细菌细胞质中能自主复制的小型环状DNA分子分子C.质粒只有在侵入宿主细胞后在宿主细胞内复制质粒只有

22、在侵入宿主细胞后在宿主细胞内复制D.细菌质粒的复制过程一定是在宿主细胞外独立进行细菌质粒的复制过程一定是在宿主细胞外独立进行B【典例典例3】用限制酶EcoR单独切割某质粒，可产生1个14 kb(1 kb即1 000个碱基对)的长链，而同时用限制酶EcoR、Mbo联合切割该质粒，可得到三种长度的DNA片段，见下图(其中*表示EcoR 切割后的一个黏性末端)。若用Mbo单独切割该质粒，则产生的DNA片段的长度为()A.2.5 kb和5.5 kb B.2.5 kb和6 kbC.5.5 kb和8 kb D.6 kb和8 kbD限制酶限制酶DNA连接酶连接酶载体载体对受体细胞无害；对受体细胞无害；有一个至多个限制酶切割位点；有一个至多