生物专题1《基因工程》新人教版选修3.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,*,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,能合成水母荧光蛋白的荧光兔,这是一种科研人员从特殊水母中提取的绿色荧光蛋白基因，将该基因转染到培养的兔子成纤维细胞中，再挑选出发绿色荧光的转基因体细胞，将其细胞核移植到成熟的去核兔子卵母细胞中，最终构成了转基因胚胎。胚胎经过手术，移植入“代孕兔”体内。经过,30,天的发育，就通过剖腹产获得了这只转基因克隆兔。由于兔子与人的生理比较接近。克隆兔可作为帮助人类筛选药物、研究遗传学疾病的“动物模型”，有助于研究一些人类遗传疾病。,能合成人胰岛素的大肠杆菌,每,100kg,猪或牛的胰腺中仅可提取,45g,。,1979,年，美国将,人的胰岛素基因,重组到,大肠杆菌,内，实现了细菌生产胰岛素，大大降低了生产成本。,治疗糖尿病特效药,据,WTO,调查：,2005,年全世界约有糖尿病患者,1.8,亿人，我国约,6000,万。,胰岛素,思考,：,转基因技术,实现了,一种生物,的某些,性状,在,另一种生物,中,表达,。,这些性状的表达与我们学过的基因的什么过程有关？,密码子在生物界是的！,DNA(,基因,),mRNA,蛋白质,(,性状,),转录,翻译,通用,专题,1,基因工程,题图：,科技探索之路：,1.1 DNA,重组技术的基本工具,1.2,基因工程的基本操作程序,1.3,基因工程的应用,1.4,蛋白质工程的崛起,什么叫基因工程？,基因工程，又叫,DNA,重组技术,。是指,按照人们的愿望,，在,DNA,分子水平,上进行严格的,设计,，并通过,体外,DNA,重组和转基因技术,，赋予生物以,新的遗传特性,，从而创造出更符合人们需要的新的,生物类型,和,生物产品,。,基因工程的概念,基础理论和技术发展催生了基因工程,科技探索之路,早期基础理论,孟德尔,提出基因的,分离定律,和,自由组合定律,基础理论和技术发展催生了基因工程,科技探索之路,早期基础理论,摩尔根,证明,基因在染色体上,，并提出基因的,连锁互换定律,。,基础理论和技术发展催生了基因工程,科技探索之路,后期基础理论,艾弗里,证明,DNA,是遗传物质,，,DNA,可从一种生物个体,转移,到另一种生物个体。,基础理论和技术发展催生了基因工程,科技探索之路,后期基础理论,沃森,、,克里克,提出,DNA,的,双螺旋结构,模型。,基础理论和技术发展催生了基因工程,科技探索之路,后期基础理论,梅塞尔松,、,斯塔尔,证明,DNA,的,半保留复制,基础理论和技术发展催生了基因工程,科技探索之路,后期基础理论,克里克,等提出,中心法则,DNA,RNA,蛋白质,转录,翻译,逆转录,复制,基础理论和技术发展催生了基因工程,科技探索之路,后期基础理论,1963,年,尼伦伯格,和,马太,破译编码氨基酸的,遗传密码,，,1966,年,霍拉纳,用实验加以证明。,基础理论和技术发展催生了基因工程,科技探索之路,1),基因转移载体的发现,2),工具酶的发现,3)DNA,合成和测序技术的发明,4)DNA,体外重组的实现,5),重组,DNA,表达实验的成功,6),第一例转基因动物问世,7)PCR,技术的发明,问题探讨：,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。,想一想,需要做哪些关键工作？,苏云金芽孢杆菌,毒蛋白,普通棉花抗虫棉,基因工程培育抗虫棉的简要过程：,在以上过程中关键步骤或难点是什么？,普通棉花,(,无抗虫特性,),苏云金芽孢杆菌,提取,抗虫基因,通过运载体导入,转基因棉花含,抗虫基因,转基因棉花产生,伴胞晶体,转基因棉花有,抗虫特性,一、,DNA,重组技术的基本工具,基因工程培育抗虫棉的关键步骤：,关键步骤一：,抗虫基因从苏云金芽孢杆菌细胞内,提取出来,关键步骤二：,抗虫基因,与棉花,DNA“,缝合”,关键步骤三：,抗虫基因,进入棉花细胞,一、,DNA,重组技术的基本工具,解决培育抗虫棉的关键步骤需要哪些工具？,“,分子手术刀”,限制性核酸内切酶,关键步骤一：,抗虫基因从苏云金芽孢杆菌细胞内提取出来,关键步骤二：,抗虫基因与棉花,DNA“,缝合”,关键步骤三：,抗虫基因进入棉花细胞,“,分子缝合针”,DNA,连接酶,“,分子运输车”,基因进入受体细胞的,载体,一、,DNA,重组技术的基本工具,一、限制性核酸内切酶,“,分子手术刀,”,主要来源：,种类与命名：,作用特点：,4.,限制酶识别序列,5.,作用结果：,识别,特定核苷酸序列,原核生物,产生黏性末端或平末端,Go on,切断,磷酸二酯键,具有,特异性,。,一种,限制酶,只能识别一种,特定的,核苷酸序列,，并且能在,特定的切点,上切割,DNA,分子,大多数,限制酶的识别序列由,6,个,核苷酸组成,少数的,识别序列由,4,、,5,或,8,个,核苷酸组成,种类与命名：,现在已经从约,300,种微生物中分离出了约,4000,种限制性内切酶,(,限制酶,),。,E,co,R,S,ma,粘质沙雷氏杆菌,（,Serratia,marcesens,）,大肠杆菌,（,Escherichia,coli,R,）,Go back,练习：流感嗜血杆菌的,d,菌株,(Haemophilus influenzae d),中先后分离到,3,种限制酶，则分别命名为,:,Hind,、,Hind,和,Hind,T,磷酸二酯键,1,2,3,4,5,1,2,3,4,5,A,Go back,限制酶的识别序列：,Go back,Sma,平末端平末端,EcoR,黏性末端,黏性末端,Go back,EcoR,黏性末端,黏性末端,Go back,重复演示,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,（如图），中轴线两侧的双链,DNA,上的碱基是,反向、对称、重复,排列的。,想一想限制酶所识别的序列有什么特点？,寻根问底,你能推测限制酶存在于原核生物中的作用是是什么吗？,原核生物易受自然界外源,DNA,的入侵,，但生物在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制，以防止外来病原物的侵害。,限制酶,就是细菌的一种,防御性工具,，当外源,DNA,侵入时，会利用限制酶,将外源,DNA,切割,掉，以保证自身的安全。所以，限制酶在原核生物中主要起到切割外源,DNA,、,使之失效,，从而达到,保护自身,的目的。,思考与探究,P7,1,、为什么限制酶不剪切细菌本身的,DNA,？,通过长期的进化，细菌中含有某种限制酶的细胞，其,DNA,分子中或者,不具备,这种限制酶的,识别切割序列,，或者通过甲基化酶,将甲基转移,到所,识别序列,的碱基上，使,限制酶不能将其切开,。这样，尽管细菌中含有某种限制酶也不会使自身的,DNA,被切断，并且可以防止外源,DNA,的入侵。,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,(,平,),末端？,要切两个切口，产生四个黏性,(,平,),末端。,如果把两种来源不同的,DNA,用同一种限制酶来切割，会怎样呢？,会产生,相同的黏性,(,平,),末端,，然后让两者的黏性,(,平,),末端,黏合,起来，就似乎可以合成重组的,DNA,分子了。,思考,?,GAATTC,CTTAAG,GAATTC,CTTAAG,EcoR,G,AATTC,CTTAA,G,G,AATTC,CTTAA,G,不同来源的,DNA,片段混合,将不同种来源的,DNA,片段连接起来,生物,A,基因片段,生物,B,基因片段,G,AATTC,CTTAA,G,G,AATTC,CTTAA,G,酶切,二、,“,分子缝合针,”,DNA,连接酶,作用,:,把切下来的,DNA,片段拼接成新的,DNA,，即将,脱氧核糖和磷酸,连接起来,.,作用原理：,催化磷酸二酯键形成,可把黏性末端之间的,缝隙“缝合”,起来，,Ecoli DNA,连接酶或,T,4,DNA,连接酶,即,恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键,T,4,DNA,连接酶,还可把,平末端之间的缝隙“缝合”,起来，但效率较低,T,4,DNA,连接酶,类型,Ecoli,DNA,连接酶,T,4,DNA,连接酶,来源,功能,大肠杆菌,T,4,噬菌体,恢复,磷酸,二酯键,只能连接,黏性末端,能连接,黏性末端,和,平末端,(,效率较低,),相同点,差别,（二）,“,分子缝合针,”,DNA,连接酶,DNA,聚合酶,DNA,连接酶,区别,1,区别,2,相同点,寻根问底,DNA,连接酶与,DNA,聚合酶是一回事吗,?,为什么,?,1),只能将,单个核苷酸,连接到已有的核酸片段上，形成磷酸二酯键,形成,磷酸二酯键,1),在,两个,DNA,片段之间,形成磷酸二酯键,2),以,一条,DNA,链为模板,，,将,单个核苷酸,通过磷酸二酯键,连接成一条互补的,DNA,链,2),将,DNA,双链上的,两个缺口同时连接,起来，,不需要模板,Go on,模拟制作：,用剪刀在特定部位对棉花,DNA,进行模拟切割，并将模拟毒蛋白基因取出，再用胶纸模拟基因种间连接。,棉花的一段,DNA,含毒蛋白基因的细菌,DNA,片段,Go back,三、,“,分子运输车,”,基因进入受体细胞的载体,载体需要的条件：,常用运载体：,细菌的,质粒,噬菌体的衍生物或某些动植物病毒,作为基因工程使用的载体必需满足以下条件：,1,）载体,DNA,必需有一个或多个限制酶的切割位点，以便目的基因可以插入到载体上。这些供目的基因插入的限制酶的切点所处的位置，还必须是在质粒本身需要的基因片段之外，才不至于因目的基因的插入而失活。,2,）载体,DNA,必须具备自我复制能力，或整合到受体染色体,DNA,上，随染色体,DNA,的复制而同步复制。,3,）载体,DNA,必须有标记基因，以便重组后进行筛选。,4,）载体,DNA,必须是安全的，不会对受体细胞有害，或不能进入到除受体细胞外的其他生物细胞中去。,5,）载体,DNA,分子大小应适合，以便提取和体外操作。,常用的载体：,质粒,能复制并带着插入的目的基因一起复制,有切割位点,有标记基因的存在，可用含氨苄青霉素的培养基鉴别,质粒,本质：独立于拟核或细胞核之外的,DNA,分布：许多细菌、酵母菌等生物,特点：自主复制、环状、裸露、双链、小型,最常用：大肠杆菌质粒,2,7,4,8,3,6,1,5,2,、天然的,DNA,分子可以直接用做基因工程载体吗？为什么？,提示：,基因工程中作为载体使用的,DNA,分子很多都是质粒（,plasmid,），即独立于细菌拟核染色体,DNA,之外的一种可以自我复制、双链闭环的裸露的,DNA,分子。,是否任何质粒都可以作为基因工程载体使用呢？,不是，作为基因工程使用的载体必需满足以下条件：,思考与探究,P7,1,）载体,DNA,必需有,一个或多个限制酶,的切割位点，以便目的基因可以插入到载体上去。这些供目的基因插入的限制酶的切点所处的位置，还必须是,在质粒本身需要的基因片段之外,，这样才不至于因目的基因的插入而失活。,2,）载体,DNA,必需具备,自我复制的能力,，或整合到受体染色体,DNA,上随染色体,DNA,的,复制而同步复制,。,3,）载体,DNA,必需,带有标记基因,，以便重组后进行重组子的筛选。,4,）载体,DNA,必需,是安全的,，不会对受体细胞有害，或不能进入到除受体细胞外的其他生物细胞中去。,5,）载体,DNA,分子,大小应适合,，以便提取和在体外进行操作，太大就不便操作。,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。,3,、,DNA,连接酶有连接单链,DNA,的本领吗？,迄今为止，所发现的,DNA,连接酶都,不具有,连接单链,DNA,的能力，至于原因，现在还不清楚，也许将来会发现可以连接单链,DNA,的酶。,思考与探究,P7,已知标记基因有抗四环素基因和抗氨苄青霉素的基因，,现探讨某细菌的质粒中有无标记基因或标记基因是什么,？请设计实验、预期实验结果，并得出相应的实验结论。,对照组：,不添加,抗生素,实验组,1,：添加一定浓度的,四环素,实验组,2,：添加一定浓度的,氨苄青霉素,实验组,3,：添加一定浓度的,四环素,和,氨苄青霉素,练习,对照组,实验组,1,实验组,2,实验组,3,结 论,预期一,预期二,预期三,预期四,对照组：,不添加,抗生素,实验组,1,：添加一定浓度的,四环素,实验组,2,：添加一定浓度的,氨苄青霉素,实验组,3,：添加一定浓度的,四环素,和,氨苄青霉素,既,含有抗四环素基因,也,含有抗氨苄青霉素基因,只含有抗四环素基因,只含有抗氨苄青霉素基因,既,不含有,抗四环素基因也,不含有,抗氨苄青霉素基因,1,下列关于限制性核酸内切酶的叙述中，错误的是（）,A,它能在特殊位点切割,DNA,分子,B,同一种酶切割不同的,DNA,产生的黏性末端能够很好,地进行碱基配对,C,它能任意切割,DNA,，从而产生大量,DNA,片段,D,每一种限制性核酸内切酶只能识别特定的核苷酸序列,练 一练,2,在基因工程中，切割质粒和含有目的基因的,DNA,片段，需要使用 （）,A,同种限制性核酸内切酶,B,两种限制性核酸内切酶,C,同种,DNA,连接酶,D,两种,DNA,连接酶,练 一练,3,DNA,连接酶的作用是（）,A,使,DNA,子链和母链之间形成氢键,B,使黏性末端之间形成氢键而相连,C,连接,DNA,分子中脱氧核苷酸和磷酸之间的化学键,D,以上都不对,练 一练,5.,不属于质粒被选为基因运载体的理由是,（）,A.,能复制,B.,有多个限制酶切点,C.,具有标记基因,D.,它是环状,DNA,练 一练,本节内容小结：,1.,知识梳理：,DNA,重组技术的基本工具：,限制酶（分子手术刀）：识别特定的核苷酸序列并切割两核苷酸之间的磷酸二酯键；,DNA,连接酶（分子缝合针）：连接两核苷酸之间的磷酸二酯键；,基因进入受体细胞的载体（分子运输车）：最常用的是细菌质粒，还有,噬菌体的衍生物、动植物病毒等。,2.,方法、技巧、规律总结：,限制酶切割的是磷酸二酯键，而,DNA,连接酶连接的正是两个断开此键的,DNA,片段。“分子运输车”是目的基因进入受体细胞的载体，它具有的若干特点是基因工程鉴定、选择、表达的关键，可以说，没有它，目的基因即使进入受体细胞，也难以稳定保存，更谈不上复制和表达。,3.,思维误区提示：,DNA,连接酶与,DNA,聚合酶根本不是同类酶，其功能特点大不相同，注意其区别。,DNA,连接酶和,DNA,聚合酶的异同：,基因工程中所用的连接酶有两种：从大肠杆菌中分离得到的,E,coli,连接酶、从,T,4,噬菌体中分离得到的,T,4,连接酶。这两种酶的催化反应基本相同，都是连接双链,DNA,的缺口，而不能连接单链,DNA,。连接酶和聚合酶的作用都是形成磷酸二酯键。,DNA,聚合酶只能将单个核苷酸加到已有的核苷酸片段的,3,末端的羟基上，形成磷酸二酯键；而连接酶是在两个,DNA,片段之间形成磷酸二酯键。,DNA,聚合酶是以一条,DNA,链为模板，将单个核苷酸通过磷酸二酯键形成子链；而连接酶是将,DNA,双链上的两个缺口同时连接起来，因此连接酶不需要模板。,两者都是由蛋白质构成的酶，但组成和性质各不相同。,动动手,:,目的要求：模拟重组,DNA,分子的操作过程,说出其基本原理,材料用具：两种有不同碱基序列颜色的硬纸板,剪刀,(,代表,EcoliI),透明胶带,方法步骤：,重组,DNA,分子的模拟操作,思考与讨论：,该过程中,如果碱基不能配对,你认为是什么原因造成的,?,1,、分别从两纸板上找出,EcoliI,的切割位点进行切割,.,2,、将白色纸板的,DNA,片段重组到彩色纸板切口处,.,3,、用透明胶带将切口黏结起来,.,注意：这两条,DNA,分子的碱基对不是随意乱写的。,首先，每个,DNA,分子上的两条链上的碱基要互补配对；,第二，每个,DNA,分子中每条链都存在一个,G-A-A-T-T-C,的碱基序列，也就是说是,EcoRI,限制酶的识别位点，并存在,G-A,的切割位点。,CTTCATGAATTCCCTAA,GAAGTACTTAAGGGATT,GAATTCCGTAGAATTCGGATT,CTTAAGGCATCTTAAGCCTAA,模拟体验,甲,DNA,（环形）,乙,DNA,片段,乙,1,乙,2,乙,3,Eco,RI,剪切甲、乙这两个,DNA,分子,