基因工程专题1-4课时复习课用共2课时上完

1、基因工程是指按照人们的愿望，进行严格的设计，通过体外 和 等技术，赋予生物以新的 ，创造出更符合人们需要的新的生物 和生物 。,基因,DNA分子水平,基因表达载体的构建,目的基因的获取,目的基因的检测与鉴定,导入受体细胞,DNA重组,转基因,遗传特性,类型,产品,基因工程的概念,基础理论和技术的发展催生了基因工程,DNA是遗传物质的证明 DNA双螺旋结构和中心法则的确立 遗传密码的破译,基础理论,技术发明,基因转移载体的发现 工具酶的发明 DNA合成和测序技术的发明 DNA体外重组的实现 重组DNA表达实验的成功 第一例转基因动物问世 PCR技术的发明,DNA重组技术的基本工具,限制性核酸内切

2、酶“分子手术刀” DNA连接酶“分子缝合针” 基因进入受体细胞的载体“分子运输车”,限制性核酸内切酶“分子手术刀”,主要在原核生物中 特异性，即识别特定核苷酸序列，切割特定切点 磷酸二酯键 EcoRI限制酶能识别GAATTC序列，并在G和A之间切开,分布：,作用特点：,切点：,举例：,限制性内切酶,限制酶,限制酶所识别的序列有什么特点,限制酶所识别的序列，无论是6个碱基还是4个碱基，都可以找到一条中心轴线，中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的。,DNA连接酶“分子缝合针”,连接酶有两种：一种是从大肠杆菌中分离得到的，称之为Ecoli连接酶。另一种是从T4噬菌体中分离得到，称为T4

3、连接酶。 这两种连接酶催化反应基本相同，都是连接双链DNA的缺口，而不能连接单链DNA。 Ecoli连接酶只能连接黏性末端； T4连接酶既可“缝合”黏性末端，又可“缝合”平末端。,基因的载体“分子运输车”,载体必须具备的条件： 1、能够在宿主细胞中复制并稳定地保存； 2、具有多个限制酶切点，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 ） 4、对受体细胞无害,载体的作用： 1、将外源基因转移到受体细胞中去。 2、利用运载体在受体细胞内，对外源基因进行大量复制。,常用的载体有： 质粒，噬菌体的衍生物，动植物病毒等,（一）目的基因的获取,

4、1、目的基因：编码蛋白质的基因,（1）从基因文库获取：用限制酶切割DNA,形成许多DNA片段（基因组文库) （2）人工合成法： 反转录法：用mRNA反转录出DNA片段（cDNA） 化学合成法：根据蛋白质的氨基酸序列，推测mRNA 序列，再推测DNA序列，然后人工合成DNA（cDNA）,2、基因文库:,（1）基因组文库:一种生物所有的基因 （2）部分基因文库:一种生物的部分基因（cDNA）,3、获取方法：, 概念：PCR全称为_，是一项 在生物_复制_ _的核酸合成技术,条件：_ 、 _、 _ 、 _. 前提条件：,原理：_,方式：以_方式扩增，即_（n为扩增循 环的次数）,结果：,选修1 P6

5、0,聚合酶链式反应,体外,特定DNA片段,DNA复制,已知基因的核苷酸序列,四种脱氧核苷酸,一对引物,DNA聚合酶,指数,2n,使目的基因的片段在短时间内成百万倍地扩增,（3）利用PCR技术扩增目的基因,模板,过程：,a、变性（90-95）：双链DNA模板 在热作用下，_断裂，形成_,b、复性（复性55-65）：系统温度降低，引 物与DNA模板结合，形成局部_。,c、延伸（70-75）：在Taq酶的作用下，从 引物的 延伸，合成与模板互补 的_。,氢键,单链DNA,双链,DNA链,3端,1.用一定的_切割 质粒，使其出现一个切 口，露出_。 2.用_切断目 的基因，使其产生_ _。, 核心,3

6、.将切下的目的基因片段插入质粒的_处， 再加入适量_，形成了一个重组 DNA分子（重组质粒）,限制酶,黏性末端,同一种限制酶,的黏性末端,切口,DNA连接酶,相同,(二)基因表达载体的构建,基因表达载体的组成：,复制原点+启动子+目的基因+终止子+标记基因,启动子：结合RNA聚合酶 开始转录mRNA,终止子：位于基因尾端 终止转录mRNA,标记基因：鉴别目的基因 是否导入(筛选),目的：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，同时使目的基因能够表达和发挥作用。,(三)将目的基因导入受体细胞,转化,导入方法,动物细胞显微注射法(受精卵),微生物细胞感受态细胞（Ca2+）,植物细-,

7、目的基因进入_内，并且在 受体细胞内维持_和_的过程,受体细胞,表达,稳定,农杆菌转化法,花粉管通道法,基因枪法,1、将目的基因导入植物细胞,（1）农杆菌转化法,特点:,能感染双子叶植物和祼子植物,对单子叶植物无感染能力,Ti质粒的TDNA可转移至受体细胞并整合到其染色体上,转化过程:,Ti质粒 目的基因,构建,表达载体,植物细胞,植物细胞染色DNA,新性状,农杆菌,2、将目的基因导入动物细胞 （1）方法：显微注射法 （2）程序：,3、将目的基因导入微生物细胞 （1）原核生物特点：繁殖快、单细胞、遗传物质少 （2）方法：,目的基因表达载体提纯 取卵（受精卵） 显微注射 受精卵 新性状动物,用C

8、a2+处理细胞 感受态细胞 表达载体与感受态细胞混合 感受态细胞吸收DNA分子,(四)目的基因的检测与鉴定,检测,鉴定,检测染色体的DNA上是否插入目的基因,检测目的基因是否转录出了mRNA,检测目的基因是否翻译成蛋白质,抗虫鉴定、抗病鉴定、活性鉴定等,DNA探针和目的基因单链杂交,方法：DNA分子杂交,方法:分子杂交,方法：抗原抗体杂交,DNA探针和目的基因的mRNA杂交,检查是否成功,DNA分子杂交示意图,采用一定的技术手段，将两种生物的DNA分子的单链放在一起，如果这两个单链具有互补的碱基序列，那么，互补的碱基序列就会结合在一起，形成杂合双链区；在没有互补碱基序列的部位，仍然是两条游离的

9、单链。,三、基因工程的应用,抗虫、抗病、抗逆、改变品质,（一）植物基因工程,1、加快生长、改善品质,（二）动物基因工程,2、生产药物（乳腺反应器）,3、器官移植（供体）,（三）基因工程药品（工程菌：外源基因高效表达的菌系）,（四）基因诊断和基因治疗,基因诊断：用标记探针通过DNA分子杂交，鉴定遗传信息,基因治疗：把正常基因导入病人体内表达，发挥正常功能,体外基因治疗、体内基因治疗,（五）基因工程与环境保护,环境监测（DNA探针检测微生物）,污染治理（超级细菌）,抗虫基因,Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等,抗病毒基因,病毒外壳蛋白（coat protein，C

10、P）基因；病毒的复制酶基因,抗真菌基因,几丁质酶基因和抗毒素合成基因,抗逆基因,调节细胞渗透压的基因、抗冻蛋白基因 、抗除草剂基因,优良性状基因,提高必需氨基酸含量的蛋白质编码基因、控制番茄果实成熟的基因、 与植物花青素代谢有关的基因,转基因植物,肠乳糖酶基因,外源生长激素基因,提高动物生长速度,改善畜产品的品质,生产药物,药用蛋白质基因+乳腺蛋白基因的启动因子,作器官移植的供体,导入外源的抗原决定基因表达的调节因子，抑制或除去供体的抗原决定基因,转基因动物,用基因工程方法，使外源基因得到高效率表达的菌类细胞株系。,基因工程药品包括：细胞因子（即淋巴因子如白细胞介素2、干扰素）、抗体、疫苗、激

11、素等,工程菌:,获取目的基因（例如血清白蛋白基因） 构建基因表达载体（在血清白蛋白基因前加特异表达的启动子） 显微注射导入哺乳动物受精卵中 形成胚胎 将胚胎送入母体动物 发育成转基因动物（只有在产下的雌性个体中，转入的基因才能表达）。,实例:基因工程实现动物乳腺生物反应器的操作步骤,将目的基因导入到动物的受精卵里，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。,总结：转基因动物,基因工程在畜牧养殖业上的应用主要是什么？,繁殖具有抗病能力、高产仔率、高

12、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。,1.基因治疗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。,基因治疗曙光初照,2.实例：,将腺苷酸脱氨酶基因转入取自患者的淋巴细胞中，再将这种淋巴细胞转入患者体内。,(1)治疗严重复合型免疫缺陷症,利用修饰的腺病毒作载体，将治疗遗传性囊性纤维化病的正常基因转入患者组织中,(2) 治疗遗传性囊性纤维化病,3、基因治疗的类型,4、基因治疗的发展现状：处于初期的临床试验阶段,五、基因芯片,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

13、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。,一、蛋白质工程崛起的缘由,满足人类生产和生活的需要,例如：,玉米中赖氨酸含量比较低,天冬氨酸激酶 （352位的苏氨酸）,二氢吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）,天冬氨酸激酶（异亮氨酸）,二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸）,玉米中赖氨酸含量可提高数倍,四、蛋白质工程,1、基因工程的不足：只能生产天然蛋白质,2、天然蛋白质不足：不完全符合人类需要,提高酶的热稳定性、延长药用蛋白的保存期,基因

14、表达（转录和翻译） 多肽（氨基酸序列） 蛋白质（空间结构） 行使功能,天然蛋白质的合成,预期蛋白质功能 设计蛋白质结构 推测氨基酸序列 找到核苷酸序列,蛋白质工程途径,3、原理：预期蛋白质功能、找到相应DNA序列,（第二代基因工程）,2.对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？,答：毫无疑问应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质改造，主要原因如下： （1）任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。 （2）对基因进行改造比对

15、蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得多。,旁栏思考题,蛋白质工程流程图,找到相应的核苷酸序列,推测氨基酸序列,设计预期蛋白质三维结构,预期蛋白 质功能,蛋白质工程的概念：,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一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。（第二代基因工程）,蛋白质工程的基本原理,蛋白质工程的内容主要有两方面：,一是根据需要设计具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质,二是确定蛋白质的化学组及空间结构与生物功能之间的关系， 在此基础上，实现从氨基酸序列预测蛋白质的空间结构和生 理功能，设计合成具有特定生物功能的全新蛋白质

16、，而氨基 酸排序由基因决定，所以还需要改造控制蛋白质合成的相应 基因中脱氧核苷酸序列或人工合成所需要的自然界原本不存 在的基因片段，用与蛋白质工程。,蛋白质工程的进展与前景,蛋白质工程目前的现状：成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥其功能需要依赖于正确的空间结构，而科学家目前对大多数蛋白质的空间结构了解很少。,作业: 蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同? 蛋白质工程与基因工程相比,合成的蛋白质有何特点?,实例：利用基因工程技术生产人胰岛素,2.过程必需的酶是 酶，过程一般用 方法是氢键断裂，也可以用 酶处理。,4.为使过程更易进行，可用 （药剂）处理D。,3.在利用A、B获得C的过程中，必须用