人教高三复习-基因工程

人教高三复习——基因工程第1页/共72页第2页/共72页考纲解读1.DNA重组技术的基本工具2.基因工程的基本操作程序3.基因工程的应用4.基因工程的成果与发展前景5.蛋白质工程的崛起考向指南基因工程是生物工程的主要领域，常与其他技术组合运用而达到定向改造生物的目的。试题中一般以具体实例对基因工程的操作过程、基因工程的应用、当今基因工程的新进展等进行考查，如2008年高考就侧重于基因工程有关知识的考查。上海卷、江苏卷、全国I卷、广东卷等都有考题出现。第3页/共72页第4页/共72页一、基因工程的基本内容基因工程，确切地讲就是重组DNA技术，指在体外将不同来源的DNA进行剪切和重组，形成杂合DNA或称嵌合DNA分子，然后将其导入特定的宿主细胞，得到大量扩增和表达，使宿主细胞获得新的遗传特性，产生新的基因产物。基因工程，或称遗传工程，兴起于20世纪70年代。人类实现对基因进行自如地操作、转移和改造的理想，是在核酸限制性内切酶、载体质粒、连接酶和其它修饰酶被陆续发现以后。在此基础上，核酸和蛋白质序列测定、基因体外快速突变、DNA的人工合成等，则使得基因工程逐渐成熟和发展。第5页/共72页基因决定性状青霉菌能产生对人类有用的抗生素——青霉素第6页/共72页家蚕能够吐出蚕丝为人类利用豆科植物的根瘤能够固定空气中的氮高考总复习·生物第7页/共72页定向基因改造设想

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设想一能否让禾本科的植物也能够固定空气中的氮？能否让细菌“吐出”蚕丝？设想二能否让微生物产生出人的胰岛素、干扰素等珍贵的药物？设想三经过多年的努力，科学家于20世纪70年代创立了可以定向改造生物的新技术——基因工程。第8页/共72页操作环境操作对象操作水平基本过程结果生物体外基因ＤＮＡ分子水平剪切拼接导入表达人类需要的基因产物基因拼接技术或DNA重组技术实质：基因重组第9页/共72页

将抗虫基因移植到棉花的细胞中，使棉花具有抗虫害的作用。假如你作为一名研究者来完成这一项工作，那么你会遇到哪些困难或需要解决哪些问题呢？1、如何将抗虫基因（目的基因）从某种生物的DNA上切割下来？2、如何使抗虫基因（目的基因）与棉花的DNA连接起来？想一想第10页/共72页基因工程培育抗虫棉的简要过程：苏云金芽孢杆菌(有抗虫特性)普通棉花(无抗虫特性)抗虫基因与运载体DNA拼接导入棉花细胞(含抗虫基因)棉花植株(有抗虫特性)提取

通过观察抗虫棉的培育过程，你认为关键的步骤是什么？第11页/共72页关键步骤一：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。

通过观察抗虫棉的培育过程，你认为关键的步骤是什么？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。第12页/共72页二、基因操作的工具1、基因的剪刀——限制性内切酶2、基因的针线——DNA连接酶3、基因的运输工具——运载体第13页/共72页分布作用特点结果种类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。1、基因的剪刀——限制性内切酶200多种第14页/共72页GAATTCGCTTAAAATTCG限制酶切割ＤＮＡ分子示意图CTTAAG思考

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？可产生几个黏性末端？两个切口，四个黏性末端。第15页/共72页2、基因的的针线——DNA连接酶连接的部位：磷酸二酯键（在“梯子”的扶手处），不是氢键（在“梯子”的踏板处）。结果：两个相同的黏性末端的连接。

思考（１）用DNA连接酶连接两个相同的黏性末端要连接几个磷酸二酯键？（２）用限制酶切一个特定基因要切断几个磷酸二酯键？２个４个第16页/共72页３、基因的运输工具——运载体作用：具备的条件种类：将外源基因送入受体细胞。能在宿主细胞内复制并稳定地保存具有多个限制酶切点具有某些标记基因质粒、噬菌体和动植物病毒。使用运载体的目的：用它作为运载工具，将目的基因送到宿主细胞中去。第17页/共72页质粒第18页/共72页质粒的特点1、质粒是基因工程中最常用的运载体；2、存在于许多细菌及酵母菌等生物中；3、细胞染色体外能自主复制的小型环状DNA分子；4、最常用的质粒是大肠杆菌的质粒；5、质粒的存在对宿主细胞无影响；6、质粒的复制只能在宿主细胞内完成。

（１）质粒上会存在某些标记基因，标记基因有什么用途？（２）要想将某个特定基因与质粒相连，需要用几种限制性内切酶和几种DNA连接酶处理？思考第19页/共72页三、基因操作的基本步骤1、提取目的基因2、目的基因与运载体结合3、将目的基因导入受体细胞4、目的基因的检测和表达第20页/共72页1、提取目的基因取出DNA用限制酶切断DNA目前被较广泛提取使用的目的基因有：苏云金杆菌抗虫基因、人胰岛素基因、人干扰素基因、种子贮藏蛋白基因、植物抗病基因等。(1)目的基因的概念：人们需要的特定基因。第21页/共72页（2）提取目的基因的途径提取目的基因的途径人工合成基因（真核细胞）反转录法根据已知氨基酸序列合成DNA从供体细胞的DNA中直接分离基因

方法：鸟枪法

第22页/共72页途径供体细胞中的DNA中直接分离基因人工合成基因（真核细胞）方法根据已知氨基酸序列合成DNA过程供体细胞中的DNA

↓限制酶许多DNA片段↓载入运载体↓导入受体细胞

↓外源DNA扩增,产生特定性状

↓分离

目的基因目的基因mRNA

↓反转录单链DNA↓合成双链DNA(即目的基因)

蛋白质的氨基酸序列

↓推测mRNA的核苷酸序列↓推测结构基因的核苷酸序列↓化学合成目的基因鸟枪法反转录法第23页/共72页途径供体细胞中的DNA中直接分离基因人工合成基因（真核细胞）方法鸟枪法反转录法根据已知氨基酸序列合成DNA优点 操作简单专一性强专一性强，可产生自然界不存在的新基因。缺点工作量大，盲目性大，专一性差操作过程较麻烦，技术要求过高。适用范围狭小第24页/共72页

目的基因与运载体结合的结果可能有几种情况？1、目的基因与目的基因结合；2、质粒与质粒结合；3、目的基因与质粒结合。思考2、目的基因与运载体结合第25页/共72页3、将目的基因导入受体细胞导入方法：借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径导入过程：受体细胞：细菌CaCL2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将目的基因导入受体细胞将受体细胞进行扩增第26页/共72页4、目的基因的检测与表达检测：通过检测标记基因的有无来判断目的基因是否导入。通过特定性状的产生与否来确定目的基因是否表达。表达：

细菌的检测，将每个受体细胞单独培养形成菌落，检测菌落中是否有目的基因的表达产物。淘汰无表达产物的菌落，保留有表达产物的进一步培养、研究。

多细胞生物的检测，将每个受体细胞单独培养并诱导发育成完整个体，检测这些个体是否摄入目的基因，摄入的基因是否表达（是否表现出相应的性状）。淘汰无变化的个体，保留有相应变化的个体进一步培养、研究。第27页/共72页小结基因工程的基本内容

基因操作的基本步骤

基因操作的工具限制性内切酶DNA连接酶运载体目的基因与运载体结合目的基因的检测和表达将目的基因导入受体细胞目的基因的提取第28页/共72页基因工程药品的生产基因诊断返回基因治疗（一）基因工程与医药卫生基因工程的应用第29页/共72页我国生产的部分基因

工程疫苗和药物1、基因工程药品的生产

许多药品的生产是从生物组织中提取的。受材料来源限制产量有限，其价格往往十分昂贵。

微生物生长迅速，容易控制，适于大规模工业化生产。若将生物合成相应药物成分的基因导入微生物细胞内，让它们产生相应的药物，不但能解决产量问题，还能大大降低生产成本。下页第30页/共72页

胰岛素从猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。

将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素！使其价格降低了30%-50%!下页第31页/共72页2DNA质粒细菌细胞DNA人体细胞胰岛素基因限制酶限制酶胰岛素利用生物工程获得胰岛素1下页第32页/共72页

从人血中提取干扰素，300L血才提取1mg！

通过基因工程的方式创造了能合成人干扰素的大肠杆菌，每1Kg的培养液可提取20—4mg干扰素人造血液及其生产返回第33页/共72页2、基因诊断

运用基因工程设计制造的“DNA探针”检测肝炎病毒等病毒感染及遗传缺陷，不但准确而且迅速。下页第34页/共72页基因诊断的技术和方法1.核酸分子杂交实质上是用已知序列的DNA或RNA片段作为探针与待测样品的DNA或RNA序列进行核酸分子杂交。是基因诊断最基本的技术之一。2.PCR法3.分子探针：核酸分子探针是指特定的已知核酸片段，能与互补核酸序列退火杂交，用于对待测核酸样品中特定基因顺序的探测。满足：（1）必须是单链；（2）带有容易被检测出来的标记物。下页第35页/共72页生物芯片

从正常人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出标准图谱。从病人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出病变图谱。通过比较、分析这两种图谱，就可以得出病变的DNA信息。基因芯片诊断技术以其快速、高效、敏感、经济、平行化、自动化等特点，将成为一项现代化诊断新技术。返回第36页/共72页3基因治疗下页第37页/共72页1990年9月14日，安德森对一例患ADA缺乏症的4岁女孩进行基因治疗。这个4岁女孩由于遗传基因有缺陷，自身不能生产ADA，先天性免疫功能不全，只能生活在无菌的隔离帐里。他们将含有这个女孩自己的白血球的溶液输入她左臂的一条静脉血管中，这种白血球都已经过改造，有缺陷的基因已经被健康的基因所替代。在以后的10个月内她又接受了7次这样的治疗，同时也接受酶治疗。1991年1月，另一名患同样病的女孩也接受了同样的治疗。两患儿经治疗后，免疫功能日趋健全，能够走出隔离帐，过上了正常人的生活，并进入普通小学上学。下页第38页/共72页取患者骨髓分离干细胞病毒正常基因并入正常基因的干细胞注入患者体内下页第39页/共72页P53基因病毒P53蛋白膜瘤细胞变小返回第40页/共72页（二）基因工程与农牧业、食品工业生长快、肉质好的转基因鱼(中国)乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷)下页第41页/共72页转黄瓜抗青枯病基因的甜椒转鱼抗寒基因的番茄返回第42页/共72页（三）基因工程与环境保护⑴环境监测：

基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。1t水中只有10个病毒也能被DNA探针检测出来下页第43页/共72页⑵环境污染治理：

基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程培育成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。第44页/共72页转基因生物有利的方面转基因生物不利的方面基因工程的利弊第45页/共72页转基因生物有利的一面⑴改变传统的育种方式缩短育种时间。培育出高产优质、抗病虫害、抗旱、抗盐碱，抗除草剂等特性的作物新品种。⑵克服异源、远源杂交障碍。如可以把动物的基因，甚至人的基因组合到植物里去。⑶生产有利于健康和抗病的食品。⑷培育出符合人们意愿的动物新品种。下页第46页/共72页

这种西红柿不易腐烂，不仅便于运输、贮藏，还可使其留在植株成长更长时间，充分吸收阳光，完全成熟后再运到市场销售，能保存良久并仍然具有“夏日成熟的滋味”。返回第47页/共72页⑴有些转基因食物含的一些物质，可能会影响人体健康。⑵大量的转基因生物进入自然界后很可能会与野生物种进行杂交，产生一些超级生物，从而造成基因污染。⑶如有些作物插入抗虫基因，杀死环境中有益的生物。基因工程的弊端返回第48页/共72页3、内容：基因工程细胞工程发酵工程酶工程生物工程1、概念：也叫生物技术，是生物科学与工程技术有机结合而兴起的一门综合性科学技术。2、特点：以生物科学为基础，运用先进的科学原理和工程技术手段来加工或改造生物材料，如DNA、蛋白质、染色体、细胞等，从而生产工具出人类所需要的生物或生物制品。第49页/共72页⒈概念：一般指利用分子生物学的手段，在体外操纵、改造、重建细胞的基因组，从而使生物体的遗传性状发生定向变异，获得人们所需的性状。⒉特点：基因工程能够打破种属的界限，在基因水平上改变生物遗传性，并通过工程化手段为人类提供有用的产品及服务。基因工程第50页/共72页一、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。

蛋白质工程的崛起第51页/共72页

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。第52页/共72页

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β-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，β-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β-干扰素的抗病性活性提高到108U/mg，并且比天然β-干扰素的贮存稳定性高很多。第53页/共72页“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。第54页/共72页二、蛋白质工程的基本原理第55页/共72页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。第56页/共72页（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。第57页/共72页

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。第58页/共72页（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。第59页/共72页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（组氨酸）和第17位Glu（谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发作为临床用药还有大量的工作要做。第60页/共72页3.胰岛素改造

天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体，延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基，则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素已通过临床实验。

第61页/共72页4.治癌酶的改造癌症的基因治疗分二个方面：药物作用于癌细胞，特异性地抑制或杀死癌细胞；药物保护正常细胞免受化学药物的侵害，可以提高化学治疗的剂量。疱疹病毒（HSV）胸腺嘧啶激酶（TK）可以催化胸腺嘧啶和其它结构类似物磷酸化而使这些碱基3’-OH缺乏,从而阻断DNA的合成，杀死癌细胞。HSV—TK催化能力可以通过基因突变来提高。从大量的随机突变中进行筛选出一种酶,在酶活性部位附近有6个氨基酸被替换，催化能力20倍以上。蛋白质工程的发展很快，研究工作很多，以上仅介绍了几个例子。蛋白质工程除了用于改造天然蛋白质或设计制造新的蛋白质外，其本身还是研究蛋白质结构功能的一种强有力的工具，它在解决生物理论方面所起的作用，可以和任何重大的生物研究方法相提并论。第62页/共72页何谓蛋白质工程？

在现代生物技术中，蛋白质工程出现得最晚，是在20世纪80年代初期出现的。1983年“蛋白质工程”这个名词出现后，随即被广泛接受和采用。

蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础,通过基因修饰或基因合成,对现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质,以满足人类的生产和生活的需求。

第63页/共72页三、蛋白质工程的进展和前景

蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科的一些前沿领域的最新成就，它把核酸与蛋白质结合、蛋白质空间结构与生物功能结合起来研究。蛋白质工程将蛋白质与酶的研究推进到崭新的时代，为蛋白质和酶在工业、农业和医药方面的应用开拓了诱人的前景。蛋白质工程开创了按照人类意愿改造、创造符合人类需要的蛋白质的新时期。第64页/共72页第65页/共72页1、基因工程2、外显子和内含子3、原核细胞的基因结构与真核细胞的基因结构的异同点4、获取目的基因的方法5、目的基因与载运体结合（以质粒为运载体）6、将目的基因导入受体细胞7、基因工程的应用成果8、转基因食品9、蛋白质工程与基因工程的区别第66页/共7