基因工程以及应用

第二节基因工程及其应用能发光的水母不能发光的热带斑马鱼请您欣赏

能否能否让热带鱼也能发光?设想能发荧光的热带斑马鱼普通热带斑马鱼是不发荧光的请您欣赏超级小鼠与超级鱼转基因超级小鼠请您欣赏抗虫害的玉米抗虫棉能产生人胰岛素的大肠杆菌转基因西红柿转基因驱蚊草转入荧光素酶蛋白基因的发荧光烟草蓝色妖姬导入人基因具特殊用途的猪和小鼠家蚕能够吐出蚕丝为人类利用能否让细菌“吐出”蚕丝？设想原理：操作水平：结果：目的基因供体细胞受体细胞基因重组DNA分子水平定向地改造生物的遗传性状，获得人类所需要的品种。获得新性状一、基因工程的原理甲生物乙生物取出优秀基因“剪切”

“拼接”

新类型表达新的生物产品基因敲除技术转基因技术生物新类型敲除不利基因新的生物产品蜘蛛能够吐出蛛丝资料：蛛丝是自然界最奇特的物质之一，它具有极强的韧度，其韧度是同样直径钢材的好几倍。但与家蚕不同，蜘蛛不能家养，因为它们会互相吞食，所以不可能建立人工饲养蜘蛛的农场。30多年来，科学家们一直试图找到利用其他生物体来制造蛛丝的办法。提取培育转基因大肠杆菌的简要过程你认为上述培育转基因大肠杆菌的关键步骤有哪些？普通大肠杆菌(不能分泌胰岛素)人体组织细胞胰岛素基因与运载体DNA拼接导入大肠杆菌(含胰岛素基因)转基因大肠杆菌(能分泌胰岛素)实例展示：让大肠杆菌生产人胰岛素①从细胞中分离出DNA①②③④⑤⑥②限制酶截取DNA片断③分离大肠杆菌中的质粒④DNA重组⑤用重组质粒转化大肠杆菌⑥培养大肠杆菌克隆大量基因思考：在以上把人的胰岛素基因“嫁接”到大肠杆菌上的过程中，关键步骤或难点是什么？

关键步骤一：胰岛素基因怎样从人的细胞内提取？关键步骤二：胰岛素基因由谁负责“运输”？关键步骤三：胰岛素基因怎样进入到大肠杆菌细胞内？思考：在关键步骤的完成过程中都要用哪些基因操作工具？二、基因工程操作的工具1、将目的基因片断从人体细胞内提取，需要基因的剪刀——限制性内切酶。2、将目的基因与运载体DNA连接，需要基因的针线——DNA连接酶。3、将目的基因运入大肠杆菌，需要基因的运输工具——运载体。限制性内切酶分布：主要在微生物中。特点：专一性和特异性，即识别特定核苷酸序列，切割特定切点。结果：产生黏性未端（碱基互补配对）。举例：大肠杆菌的一种限制酶（EcoRⅠ）能识别GAATTC序列，并在G和A之间切开。限制性内切酶一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切割点上将DNA分子切断。目前已发现的限制酶有200多种。基因的“剪刀”——限制性核酸内切酶

专一性：识别特定核苷酸序列，在特定的切点切DNA，并裂解磷酸二酯键，产生两个黏性末端。磷酸二酯键限制性内切酶（EcoRⅠ）

作用过程点击播放黏性末端例：大肠杆菌的一种限制酶(EcoRⅠ)能识别

GAATTC序列，并在G和A之间切开。EcoRⅠ什么叫黏性末端？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，他们之间正好互补配对，这样的切口叫黏性末端。

被同一种限制酶切断的几个DNA是否具有相同的黏性末端？思考:是的。CTTCATGAATTCCCTAA

GAAGTACTTAAGGGATTGGCATCTTAAAATTCCGTAG使用EcoRI剪切目的基因CTTCATGAATTCCCTAA

GAAGTACTTAAGGGATTGGCATCTTAAAATTCCGTAG

目的基因黏性末端DNA连接酶连接酶的作用：将互补配对的两个黏性末端连接起来，使之成为一个完整的DNA分子。？基因进行了切割以后就有了切口，怎样才能将有切口的基因与其他基因缝合在一起呢？DNA连接酶的作用过程点击播放2、基因的“针线”——DNA连接酶连接酶的作用：将互补配对的两个黏性末端连接起来，使之成为一个完整的DNA分子。连接的部位：

生成磷酸二酯键DNA连接酶的作用过程：连接酶的作用是：将互补配对的两个黏性末端连接起来，使之成为一个完整的DNA分子。基因的针线——DNA连接酶

DNA连接酶可把黏性末端之间的缝隙“缝合”起来，即把梯子两边扶手的断口连接起来，这样一个重组的DNA分子就形成了。磷酸二酯键使用DNA连接酶制作重组DNA分子甲片段CTTCATGAATTCCCTAA

GAAGTACTTAAGGGATT乙片段GGCATCTTAAAATTCCGTAG

重组DNA分子GGCATCTTAAAATTCCGTAG基因的针线：DNA连接酶

G

AA

TT

CC

TT

AA

GG

AA

TT

CC

TT

AA

GGC

TT

AA

AA

TT

C

GG

C

TT

AA

AA

TT

C

GGC

TT

AA

AA

TT

C

G用同种限制酶切割CTT

AAG

AA

TTCG重组DNA分子（外源基因）注：限制酶与连接酶作用的位点都是

磷酸二酯键DNA的一段序列EcoRI识别序列ECORI切割位点目的基因用相同的限制性内切酶切割如何将外源基因送入受体细胞呢？运载体作用：将外源基因送入受体细胞。种类：质粒、噬菌体和动植物病毒。能将外源基因送入细胞的工具就是运载体。3、基因的运输工具——运载体

常用的运载体：质粒、噬菌体和动植物病毒等标记基因，便于进行检测。

质粒存在于许多细菌和酵母菌等生物中,是细胞染色体外能够自主复制的很小的环状DNA分子.

大肠杆菌DNA

质粒（环状DNA分子）控制质粒DNA转移的基因抗生素抗性基因利用质粒将外源基因运载入受体细胞中质粒：质粒是染色体外能够进行自主复制的遗传单位，包括真核生物的细胞器和细菌细胞中核区外的DNA分子。现在习惯上用来专指细菌、酵母菌和放线菌等生物中核以外的DNA分子。

质粒是基因工程最常用的运载体。绝大多数细菌质粒都是闭合环状DNA分子。有的一个细菌中有一个，有的一个细菌中有多个。大肠杆菌的质粒

最常用的质粒是大肠杆菌的质粒，其中常含有抗药基因，如四环素的标记基因。质粒的存在与否对宿主细胞生存没有决定性作用，但复制只能在宿主细胞内成。运载体应该具有什么特点呢?？作为运载体必须具备哪些条件？1）能够在宿主细胞中复制并稳定地保存。2）具多个限制酶切点，以便与外源基因连接。3）具有某些标记基因，便于进行筛选。如抗菌素的抗性基因、产物具有颜色反应的基因等。基因操作的基本步骤提取目的基因目的基因与运载体结合将目的基因导入受体细胞目的基因的检测和表达归纳：原理操作环境操作对象操作水平基本过程结果基因重组生物体外基因/DNA分子水平剪切→拼接→导入→表达人类需要的基因产物小结：植物基因工程硕果累累转基因工程技术主要用于提高农作物的抗逆能力,以及改良生物的品质和生产药物等方面.基因工程的应用1、基因工程与作物育种：转基因抗虫棉、耐贮存番茄、耐盐碱棉花、抗除草作物、转基因奶牛、超级绵羊等等2、基因工程与药物研制：干扰素、白细胞介素、溶血栓剂、凝血因子、疫苗3、基因工程与环境保护：超级细菌1、微生物基因工程：2、细胞基因工程：3、转基因动物：即把目的基因导入大肠杆菌等菌中，通过微生物表达目的基因的产物。即用哺乳动物细胞株表达目的产物即将目的基因直接导入鼠、兔、羊和猪体内，使目的基因在哺乳动物体内表达，从儿获得目的产物二、基因工程的应用运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的农作物及畜、禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的动、植物。生长快、耐不良环境、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)1、基因工程与作物育种抗虫转基因植物抗虫害的玉米（右）对照组转黄瓜抗青枯病基因的甜椒转鱼抗寒基因的番茄获得高产、稳产和具有优良品质的农作物和具有抗逆性的作物新品种。基因工程在农业上的应用培育抗逆性品种

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。

抗虫基因作物的意义：减少农药的用量，降低了生产的成本，减少了农药对环境的污染。抗虫的基因来自苏云金杆菌。苏云金杆菌形成的伴胞晶体是一种毒性很强的蛋白晶体，能使棉铃虫等鳞翅口害虫瘫痪致死。科学家将编码这个蛋白质的基因导入作物，使作物自身具有抵御虫害的能力。转黄瓜抗青枯病基因的甜椒转鱼抗寒基因的番茄转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯不会引起过敏的转基因大豆转基因龙胆花色奇异转基因蓝猪耳改变花色转基因牵牛花改变了花色A：紫外光照射下的转绿色荧光蛋白的Eustoma(Lisianthus)花。B：转没有绿色荧光蛋白的空质粒的花，

2002年，中国转基因棉花达到150万公顷，已经占到棉花产量的1／3.

我国大豆食用油近七成是“转基因”产品与杂交育种、诱变育种相比较，基因工程育种的优点有哪些？目的性强、克服远源杂交不亲和性、育种周期短基因工程在畜牧业的应用繁殖具有抗病能力、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（如奶牛）。该过程的重要步骤是重组DNA转移到动物受精卵中。

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”。导入人基因具特殊用途的猪和小鼠特殊动物图为2001年12月底出生的5只可爱的转基因克隆小猪。据培育者英国PPL医疗公司称，这些转基因小猪将为研究和“生产”适用于人体移植手术使用的动物器官提供巨大的帮助。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)2、基因工程与药物研制我国生产的部分基因

工程疫苗和药物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。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%!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——生长激素在猴子的未受精卵中加入附加基因，并利用它成功培育出健康活泼的小猴“安迪”。

通过对“安迪”的研究我们可以简单地引进如老年性痴呆病的基因、帕金森病基因等，加快针对这类疾病疫苗的开发研究。产品名称菌株或细胞应用人胰岛素大肠杆菌人生长激素大肠杆菌表皮生长因子大肠杆菌白细胞介素-2大肠杆菌a—干扰素酵母菌乙型肝炎疫苗酵母菌溶血栓剂哺乳动物细胞治疗糖尿病治疗生长缺陷症治疗烫伤、胃溃疡治疗某些癌症治疗癌症或病毒感染预防病毒性肝炎治疗心血管病（心脏病）胰岛素是治疗糖尿病的特效药，长期以来只能依靠从猪、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！大规模工业化生产不但解决了这种比黄金还贵的药品产量问题，还使其价格降低了30%-50%!干扰素治疗病毒感染简直是“万能灵药”！过去从人血中提取，300L血才提取1mg！其“珍贵”程度自不用多说。人造血液、白细胞介素、乙肝疫苗等通过基因工程实现工业化生产，均为解除人类的病苦，提高人类的健康水平发挥了重大的作用。人造血液及其生产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。利用基因工程培育的“指示生物”能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。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

阅读课本Ｐ１０５讨论：转基因食品安全吗？转基因生物和转基因食品的安全性

2006年3月14日绿色和平组织发布消息,称亨氏营养米粉含有转Bt基因抗虫水稻成分。那么转基因食品到底安全吗？什么样的转基因食品才能上市？如何面对市场上的转基因食品呢？

转基因食品

安全吗?!两种观点不安全：证据安全：证据你们的观点？转基因植物的安全性争论支持派认为：如果转基因农业生物技术得不到社会支持，这一研究将被扼杀，并且强调，迄今为止并没有发现转基因食品危害人体健康和环境的确切证据。美国人食用转基因食品已多年，超级市场上有4000多种商品是含有转基因植物成分的，还没有事例证明人吃了以后会得病，甚至会引起死亡。

加拿大、澳大利亚也是转基因食品的生产大国，均有几千万人在吃，到现在为止也没有—个案例说明它有问题。反对派的观点一英国科学家声称，转基因马铃薯会减弱老鼠免疫系统功能；美国康乃尔大学也发现，转基因玉米会危害蝴蝶幼虫及其相关生态环境。环保团体认为这种违反自然的转基因作物及产品，未经长期安全测试，长期食用可能对人类及生态环境造成负面影响。尤其是注重环境和生态保护的欧盟国家，对转基因作物更加排斥，因而抵制美国GMO产品的进口。“转基因食品，要不要贴标签?”若转基因产品与目前市售的产品具有实质等同性，则不需再加特殊的标签；若转基因产品中含有对一部分人群有过敏性反应的蛋白，则需加标签，以使购买者作出选择。我国2001年6月6日，国务院公布的《农业转基因生物安全管理条例》规定，不得销售未标识的农业转基因生物，其标识应注明产品中含有转基因成分的主要原料名称；有特殊销售范围的还应注明并在指定范围内销售。转基因生物和转基因食品的安全性你认为应该如何对待转基因生物和转基因食品的安全性问题？目前，大多数专家认为，已经投入商品化生产的转基因番茄、玉米等农产品都是安全的。迄今为止尚无食用转基因生物产品引起任何严重问题的科学报道。转基因抗虫棉、耐贮藏番茄、抗病毒甜椒及基因工程疫苗等已获得生产应用安全证书。

安全观点：

1、转基因食品与非转基因食品的构成是一样的；

2、减少农药使用、减少环境污染；

3、节省生产成本，降低粮食售价；

4、增加食品营养、提高食品产量等。不安全观点：

1、可能产生抗除草剂的超级杂草；

2、可能使疾病的散播跨越物种障碍；

3、可能损害农作物的生物多样性；

4、认为创造新物种，可能干扰生态系统的稳定性；

5、可能产生新毒素和新过敏源。用口径为1μm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？显微注射法（1）要将目的基因与运载体连接起来，在基因操作中应选用A、只需DNA连接酶B、同一种限制酶和DNA连接酶C、只需限制酶D、不同的限制酶和DNA连接酶练习（2）下列各项中，说明目的基因完成了表达的是A、棉珠中含有杀虫蛋白基因B、大肠杆菌中具有胰岛素基因C、酵母菌中产生了干扰素D、抗病毒基因导入土豆细胞中（3）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（4）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（5）要使目的基因与对应的载体重组，所需的两种酶是①限制酶②连接酶③解旋酶④还原酶Ａ、①②Ｂ、③④Ｃ、①④Ｄ、②③（6）实施基因工程的第一步的一种方法是把所需的基因从供体细胞内分离出来，这要利用限制性内切酶。一种限制性内切酶能识别ＤＮＡ分子的ＧＡＡＴＴＣ顺序，切点在Ｇ和Ａ之间，这是利用了酶的Ａ、高效性Ｂ、专一性Ｃ、多样性Ｄ、催化活性易受外界影响（8）不属于基因工程