基因工程及其应用课件(上课)ppt课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,.,*,最新款的摩托车,你想过吗?,.,谁能告诉我这是？,.,谁能告诉我这是？,.,香 蕉 鱼,你见过吗?,.,你知道什么是真正的硕果累累吗?,.,给科学插上想象的翅膀，,你会收获更多！,.,一、基因工程与基因,基因决定性状,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,青霉菌能产生对人类有用的抗生素青霉素,.,定向基因改造设想,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。,.,二、基因的认识,.,1866年发表论文，提出分离规律和独立分配规律。1900年Mendel遗传规律被重新发现，遗传学的元年,1866年，孟德尔（Johann Gregor Mendel，18221884）提出了,遗传因子,（hereditary factor）的概念。,他将控制豌豆性状的遗传因素称之为遗传因子形成了基因的雏形。,（1856-1864豌豆杂交实验）,1、基因的发展过程,.,1909年，丹麦的遗传学家Wilhelm Ludwig,Johanssen (1859-1927)。,根据希腊语“给予生命”之义，创造了“,gene,”一词，并用这个术语代替孟德尔的“遗传因子”。不过他所说的基因并不代表物质实体，而是一种与细胞的任何可见形态结构毫无关系的抽象单位。因此，那时所指的基因只是遗传性状的符号，还没有具体涉及基因的物质概念。,.,“,遗传因子/基因,”的设想一经提出，便推动人们去寻找，去探索,基因在哪里？,基因是什么？,.,显微镜技术与染色技术的发展，使人们注意到，细胞分裂时，尤其是减数分裂中，染色体的行为和孟德尔提出的,等位基因,的分离规律相当一致，所以，确定基因在细胞核中，在染色体上。,.,第一次将代表某一特定性状的基因与某一特定的染色体联系起来，创立了遗传的染色体理论。随后遗传学家又应用当时发展的基因作图（gene mapping）技术，构筑了基因的连锁图，进一步揭示了在染色体载体上基因是按线性顺序排列的。,。,1910年，美国遗传学家摩尔根（,T,homas Hunt Morgan,1866-1945,）以果蝇为研究材料，发现了连锁交换定律并提出遗传粒子学说。,1933,.,发现DNA的遗传功能，始于1928年英国科学家格里菲斯（PGriffith）所做的用肺炎双球菌感染小鼠的实验。首次发现了基因是一类特殊生物分子的证据。,Frederic Griffith,18791941,格里菲斯用肺炎球菌做实验时发现了一个令人惊异的现象：,加热杀死的能致病的S型菌不能致病的R型菌混合注射到小鼠体内小鼠病死从死鼠体内分离出大量的S型肺炎球菌,难道S型致病菌复活了吗？,这就是著名的“格里菲斯之谜”。,.,艾弗里等人的实验说明使细菌性状发生转化的因子是DNA（即脱氧核糖核酸），而不是蛋白质或RNA（即核糖核酸）。,不仅揭开了“格里菲斯之谜”，并且在世界上第一次证明基因就在DNA上,。,Oswald Theodore Avery,(18771955),1944年，艾弗里首次证实遗传物质的基础是DNA，基因位于DNA上。实验材料是肺炎链球菌，他们发现死去的S型菌并未复活，而是S型菌的DNA进入了R型菌，使其转化为新的S型致病肺炎双球菌。,.,美国微生物学家阿尔弗雷德戴赫尔希（Alfred Day Hershey，19081997）他们的实验材料是T2噬菌体实验证实，进入细菌细胞的噬菌体是核酸；进而说明，携带遗传信息的是核酸，而不是蛋白质。噬菌体的DNA不但包括噬菌体自我复制的信息，而且包括合成噬菌体蛋白质所需要的全部信息。1952年，赫尔希和他的学生共同发表报告，肯定了艾弗里的结论。此后，再也无人怀疑DNA是遗传物质了。,35,S,32,P,35,S 标记外壳蛋白质,感染后放射标记不进入大肠杆菌细胞,32,P 标记 DNA,感染后放射标记进入大肠杆菌细胞,1969,.,1953年，Francis Crick 和 James Watson,创立DNA双螺旋模型，证实基因是具有一定遗传效应的DNA片段。,用分子结构的特征解释生命现象最基本问题之一基因复制的机理，从而使生物学真正进入分子生物学的新时代,。,1953,James Dewey Watson,，Francis Harry Compton Crick,.,1961年，美国生物学家尼伦伯格（Marshall Warren Nirenberg，1927）等人成功破译了遗传密码，以无可辩驳的科学依据证实了DNA双螺旋结构的正确性。人们对遗传机制有了更深刻的认识。,1967年发表了全套的遗传密码表。,1968,.,理论上的三大发现：,发现了生物的遗传物质是 DNA发现了 DNA 分子的双螺旋结构和半保留复制机理发现了遗传信息的传递方式,基因工程的准备阶段,.,技术上的三大发明：,1967 发现了DNA连接酶；,1970 Khorana实验室发现T4噬菌体DNA连接酶；,1972 建立双链DNA的连接方法。,3.基因工程的载体:,Genetic engineering vector,1972,2.限制性核酸内切酶的发现:,Restriction enzyme,1970,1.DNA连接酶的发现:DNA ligase 1967,独立于染色体外的遗传因子：,细菌的性因子 F 因子;,抗药性因子（R）;,大肠杆菌素因子（COE）,.,基因工程诞生的理论基础:,1.DNA是遗传物质的发现,2.DNA双螺旋结构的确立,3.遗传信息传递方式的认定,1.剪刀:限制性核酸内切酶,2.针线:DNA连接酶,3.运输工具:质粒等,基因工程诞生的技术保障:,.,1973年斯坦福大学的S.Cohen小组将含有,卡那霉素抗性,基因的大肠杆菌R6-5质粒与含有,四环素抗性,基因的另一种大肠杆菌质粒pSC101连接成重组质粒，具有,双重抗药性。,S,r,S,r,Ne,r,Tc,r,Psc101,R6-3,ECORI,ECORI,转化E.coli,连接酶,PSC101 R6-3：质粒,Ner：抗新霉素基因,Sr：抗黄胺基因,Tc,r,：,抗四环素基因,1986 Nobel生理或医学奖,1986,.,Stanley Cohen,Herbert Boyer,非洲爪蟾核糖体基因片断同pSC101质粒重组，转化大肠杆菌，并在菌体内成功转录出相应的mRNA。这是第一次成功的基因克隆实验。,.,基因工程：,即 。通俗的说，就是按照人们的意愿，把一种生物的某种基因提取出来，加以修饰改造，然后放到另一种生物的细胞里，地改造生物的 。,原 理：,操作水平：,结 果：,一、基因工程,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。,基因拼接技术或DNA重组技术,定向,遗传性状,.,二、基因操作的工具,.,1、基因工程的,指,“,限制性核酸内切酶,”,主要存在于微生物（200种）,一种限切酶,只能识别,一种特定的核苷酸序列,并在,特定切点,切割DNA分子,已发现的有4000多种,种类:,来源:,特点:,“”,.,大肠杆菌(E.coli)的一种,限制性核酸内切,酶能识别GAATTC序列，并在G和A之间切开。,限制性核酸内切酶,.,切割结果:,产生黏性末端,被,限制性核酸内切,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。,黏,性末端,黏,性末端,.,限制性内切酶（EcoR）作用过程,点击播放,.,要想获得某个特定性状的基因必须要用,限制性核酸内切,酶切几个切口？可产生几个粘性末端？,要切两个切口，产生四个粘性末端。,如果把两种来源不同的,DNA,用同一种,限制性核酸内切,酶来切割，会怎样呢？,会产生相同的粘性末端，然后让两者的粘性末端粘合起来，就似乎可以合成重组的DNA分子了。,.,Sma,平末端平末端,产生平末端:如Sma,限制性核酸内切,酶,切割的化学键：磷酸二酯键,.,例：限制性核酸内切酶的识别序列和切点是GGATCC，限制性核酸内切酶的识别序列和切点是GATC。在质粒上有酶的一个切点，在目的基因的两侧各有1个酶的切点。,请画出质粒被限制性核酸内切酶切割后所形成的粘性末端。,请画出目的基因两侧被限制性核酸内切酶切割后所形成的粘性末端,.,.,下列关于,限制性核酸内切,酶,的说法正确的是（）,A.,限制性核酸内切,酶,广泛存在于各种生物中，但微生物中少,B.一种,限制性核酸内切,酶,只能识别一种特定的核苷酸序列,C.不同的,限制性核酸内切,酶,切割DNA后都会形成粘性末端,D.,限制性核酸内切,酶,的作用部位是特定核苷酸形成的氢键,B,.,限制酶是一群核酸切割酶，可辨识并切割DNA 分子上特定的核苷酸碱基序列。下图为四种限制酶 BamHI,EcoRI,Hind 以及 BgI的辨识序列：,箭头表示每一种限制酶的特定切割部位，其中哪两种限制酶所切割出来的DNA片段末端，可以互补结合？其正确的末端互补序列为何？（）,A,Bam,HI和,Eco,RI；末端互补序列AATT,B,Bam,HI和,Hin,d；末端互补序列GATC,C,Bam,HI和,BgI,；末端互补序列GATC,D,Eco,RI和,Hin,d；末端互补序列AATT,C,.,2、基因工程的,指,“,DNA,连接酶,”,“”,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,.,DNA连接酶的作用过程,点击播放,.,DNA,连接酶的作用位点,是：相邻的两个脱氧核苷酸的切口。即生成：,磷酸二酯键,。,.,DNA连接酶,DNA聚合酶,连接DNA链,双链,单链,连接部位,在两DNA片段之间形成,磷酸二酯键,将单个核苷酸加到已存在的核酸片段的3末端的羟基上，形成,磷酸二酯键,.,DNA连接酶,常见类型,E.coliDNA连接酶(大肠杆菌连接酶),T4DNA连接酶(T4噬菌体连接酶),来源,大肠杆菌,T4噬菌体,功能,连接黏性末端,连接黏性末端,或平末端,结果,恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的,磷酸二酯键,.,3、基因的运载体,（2）应具备条件：,能够在受体细胞中,自我复制,或,与染色体、DNA整合,后进行同步复制,具有,一个或多个限制酶切点,，供目的基因插入其中,具有某些,标记基因,，供重组DNA的检测和鉴定,（3）常用类型：,（1）功能：将目的基因送入受体细胞,质粒、噬菌体和动、植物病毒等,.,标记基因，便于进行检测。,其中,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.,.,步骤一：获取,目的基因,目的基因是人们所,需要转移,或,改造,的基因,获取目的基因是实施基因工程的第一步。,如苏云金芽孢杆菌的,抗虫基因,，植物的,抗病基因,、种子,贮藏蛋白的基因,，以及人的,胰岛素基因、干扰素基因,等。,.,从基因文库中获取目的基因：,基因文库:,一个,生物体,的,基因组,DNA用,限制性核酸内切酶,部分酶切后，将酶切片段插入到载体,DNA分子,中，所有这些插入了基因组DNA片段的载体分子的集合体，将包含这个生物体的整个基因组，也就是构成了这个生物体的基因文库。,(gene library).,.,获得目的基因的方法,直接分离基因,人工合成基因,反转录法,根据已知的氨基酸序列,合成DNA,：“,鸟枪法”（“散弹射击法”）,.,1.“,鸟枪法”（“散弹射击法”）,用,限制酶,将,供体细胞,中的,DNA切成许多片段,，将这些片段分别,载入运载体,，然后通过运载体分别转入不同的受体细胞，让供体细胞提供的外源DNA的所有片段分别在各个,受体细胞中大量复制（即扩增），,从中,找出含有目的基因的细胞,，再利用一定方法将目的基因的DNA片段,分离,出来。,用限制酶切断成许多片段,.,(1),反转录法：,2.人工合成基因,双链DNA,(即目的基因),合成,单链DNA(cDNA),目的基因的mRNA,反转录,.,(2),根据已知的氨基酸序列合成DNA：,mRNA的核苷酸序列,蛋白质的氨基酸序列,结构基因的核苷酸序列,化学合成,推测,推测,目的基因,.,步骤二：,制备重组DNA分子,（基因表达载体的构建）,（1）用一定的限制酶切割质粒，使质粒出现一个切口，露出黏性末端。,（2）用同一种限制酶切断带有目的基因的外源DNA片段，使其产生相同的黏性末端。,（3）将切下的目的基因片段插入质粒的切口处，再加入适量DNA连接酶，形成了一个重组DNA分子（重组质粒）。,目的基因与载体的结合过程，实际上是不同来源的,基因重新组合的过程。,.,将目的基因导入受体细胞的原理,借鉴,细菌或病毒侵染细胞,的途径，如土壤农杆菌转化法。,步骤三：转化受体细胞（将携带目的基因的载体导入受体细胞）,.,1.将目的基因导入植物细胞（农杆菌介导转化技术）,.,2.将目的基因导入动物细胞（显微注射技术）,.,3.将目的基因导入微生物细胞,大肠杆菌细胞最常用的转化方法是:,（1）用,CaCl,2,处理,细菌，以,增大,细菌,细胞壁的通透性。,（2）使含有目的基因的,重组质粒进入,受体细胞。,（3）目的基因在受体细胞内，随其繁殖而,复制,，由于细菌,繁殖的速度,非常快，在很短的时间内就能获得,大量,的目的基因。,.,步骤四：筛选出获得目的基因的重组细胞,四环素,抗性基因,氨苄青霉,素抗性基因,.,步骤五：培养受体细胞并诱导目的基因的表达,.,重组的DNA分子进入受体细胞后受体细胞必须表现出特定的性状，才能说明目的基因完成了,表达过程,。,受体细胞摄入,DNA,分子后就说明目的基因完成了表达吗？,若不能表达，要对抗虫基因再进行,修饰,。,.,.,思考：依照中心法则分析番茄软化的原因：,多聚半乳糖酸酶基因 mRNA 多聚半乳糖酸酶,细胞壁结构被破坏 番茄软化,转录,翻译,.,.,.,荧光蛋白酶基因转化花卉,.,哪些新技术能大大简化基因工程的操作技术？,1、,DNA测序仪：,2、,PCR技术：,能快速地测定DNA样品的碱基序列。,在体外通过酶促反应有选择的大量扩增目的基因或序列的技术。,.,概念,：,PCR全称为聚合酶链式反应技术，是一项在体外通过酶促反应有选择地大量扩增目的基因或序列的技术。,条件：,目的基因或序列、四种脱氧核苷酸、DNA聚合酶、一对引物(做启动子),原理：,DNA复制,方式：,以,指数,方式扩增。,结果：,使目的基因的片段在短时间内成百万倍地扩增,利用PCR技术扩增目的基因,.,90-95,变性,50-65,退火,70-75,延伸,PCR反应过程：,20-40个PCR循环,1个PCR,循环,.,.,过程,：,a、DNA变性,（90-95）：双链DNA模板,在热作用下，_断裂，形成_,b、退火,（,复性,50-65）：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,5端3端,延伸，合成与模板互补,的_。,氢键,单链DNA,双链,DNA链,.,四、基因工程的应用,1、基因工程与作物育种,.,Golden rice and normal(white),wsjbiotech.html,转2个 水仙花 和1个细菌,V,A,合成酶基因的水稻,“金米”,.,（Antifreeze Proteins AFPs),避免细胞结冰,有助植物抗冻,抗冻糖蛋白,无冰晶细菌帮助草莓抗霜冻,降低原生质冰点,抑制冰晶重结晶,修饰冰晶形态,调节原生质胶体性质,.,抗虫转基因植物,.,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),.,转黄瓜抗青枯病基因的甜椒,转鱼抗寒基因的番茄,.,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%!,.,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。,通常一种假单孢杆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。,科学家还培育出能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质的细菌。,3、环境污染治理,.,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,。,.,转基因食品,安全吗?!,.,.,转基因抗乙肝西红柿(中国)，虽然不能治愈乙肝，但一年只吃几个抗乙肝西红柿，就完全能代替注射乙肝疫苗。抗乙肝西红柿属于转基因食品，就是将乙肝疫苗植入西红柿内，经过多代繁殖，使转入的基因稳定化。,用转基因的植物生产药物,.,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。,.,要使目的基因与对应的载体重组，所需的两种酶是（）,限制酶连接酶解旋酶还原酶,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分子的顺序，切点在和之间，这是利用了酶的（）,高效性专一性,多样性催化活性易受外界影响,随,练习,堂,.,科学家将携带抗虫基因的运载体导入二倍体棉花细胞中,经培养、筛选获得一株有抗虫特性基因的植株。经分析，该植株含有一个携带目的基因的DNA片段，因此可以把它看作杂合子。得到的棉花新品种对棉铃虫毒杀效果高达80-100%。,该资料中，杂合子抗虫棉个体在自交F,1,代中，理论上仍具有抗虫特性的植株占总数的,。原因是,。,该项科技成果在环境保护上重要作用,随,练习,堂,3/4,雌、雄配子各有1/2含抗虫基因,减少农药对环境的污染,.,蓝色妖姬,.,导入人基因具特殊用途的猪和小鼠,.,水母,.,1、通过本节课的学习,你认识什么叫基因工程了吗?,2、基因工程的原理你了解了么?,课堂小结：,基因重组,.,