第10单元 第37课时 基因工程与转基因的安全性和生物武器.ppt

第,37,课,时,基因工程与转基因的安全性和生物武器,第十单元现代生物科技专题,步步高,*,/53,第十单元,现代生物科技专题,1,涵盖范围,本单元包括选修,3,全部内容,基因工程、细胞工程、胚胎工程、生物技术的安全性和伦理问题以及生态工程。,单元教学分析,2,考情分析,(1),考查力度：,占,分比重相对稳定，如山东理综只出一个,8,分的简答题。,(2),考查内容,基因工程中三种工具。,基因工程操作四步曲。,基因工程成果,转基因生物实例及安全性讨论。,细胞工程中植物组织培养、植物体细胞杂交。,动物细胞培养和单克隆抗体的制备及应用。,核移植技术。,胚胎工程中胚胎移植和胚胎分割。,干细胞的研究。,(3),考查形式,有的省将选修与必修有机结合，既可出简答题也可出选择题。,有的省如山东省全部以简答题形式呈现，且不与必修联系。,3复习指导,(1),复习线索,以基因工程的具体成果,(,如抗虫棉,),为主线，系统复习基因工程的操作工具和操作步骤等知识点。,以植物的组织培养和动物细胞培养为基础，系统复习其他细胞工程技术手段。,以体内受精作用和个体发育过程为基础，系统复习胚胎工程的流程。,(2),复习方法,图解法复习基因工程和胚胎工程。,比较法复习植物组织培养和动物细胞培养；植物体细胞杂交和动物细胞融合及单克隆抗体制备。,关注热点科研成果，注意知识的实践应用。,第,37,课时,基因工程与转基因的,安全性和生物武器,突破考点,提炼方法,1,基因工程的概念理解 操作环境：体外,关键步骤,“,基因表达载体的构建,”,的环境。优点 与杂交育种相比：克服了远缘杂交不亲和的障碍。与诱变育种相比：定向改造生物遗传性状。操作水平：分子水平。原理：基因重组。本质：甲,(,供体：提供目的基因,),乙,(,受体：表达目的基因,),，即基因未变，合成蛋白质未变，只是合成场所的转移。,考点,112,核心概念,基因工程的概念及工具,2,基因工程的基本原理和理论基础概括如下图,提醒,若题目强调,“,目的基因,”,的表达过程，则只包括,“,转录和翻译,”,两个过程，不包括目的基因的复制。,3,操作工具 限制性核酸内切酶,“,分子手术刀,”,来源：主要是从原核生物中分离纯化出来的。化学本质：蛋白质。催化作用：所以可重复利用 可用于目的基因的切割和在台的切割 作用特点：特异性，即限制酶可识别特定的脱氧核苷酸序列，切割特定位点。错位切：产生两个相同的粘性末端 平切：形成平末端,切割方式,作用,提醒,切割的化学键为磷酸二酯键。在切割目的基因和载体时要求用同一种限制酶，目的是产生相同的黏性末端。将一个基因从,DNA,分子上切割下来，需要切两处，同时产生,4,个黏性末端。不同,DNA,分子用同一种限制酶切割产生的黏性末端都相同，同一个,DNA,分子用不同的限制酶切割，产生的黏性末端一般不相同。,(2)DNA,连接酶,“,分子缝合针,”,常用类型,E,coli,DNA,连接酶,T,4,DNA,连接酶,来源,大肠杆菌,T,4,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,拓展提升,DNA,连接酶与,DNA,聚合酶的比较,DNA,连接酶,DNA,聚合酶,作用实质,都是催化两个脱氧核苷酸之间形成磷酸二酯键,是否需要模板,不需要,需要,连接,DNA,链,双链,单链,作用过程,在两个,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,端的羟基上，形成磷酸二酯键,作用结果,将两个,DNA,片段连接成重组,DNA,分子,合成新的,DNA,分子,(3),基因进入受体细胞的载体,“,分子运输车,”,功能：将目的基因导入受体细胞。应具备条件,a,能在宿主细胞内稳定保存并大量复制；,b.,有一个至多个限制酶的切割位点，以便于与外源基因连接；,c.,有特殊的遗传标记基因，供重组,DNA,的检测和鉴定。,最常用载体：质粒（其本质是小型,DNA,分子，不是细胞器）其他载体：,噬菌体的衍生物、动植物病毒等,类型,提醒,一般来说，天然载体往往不能满足人类的所有要求，因此人们根据不同的目的和需要，对某些天然的载体进行人工改造。常见的标记基因有抗生素抗性基因、产生特定颜色的表达产物基因、发光基因等。作为载体必须具有一个至多个限制酶切点，而且每种酶的切点最好只有一个。因为某种限制酶只能识别单一切点，若载体上有一个以上的酶切点，则切割重组后可能丢失某些片段，若丢失的片段含复制起点区，则进入受体细胞后便不能自主复制。一个载体若只有某种限制酶的一个切点，则酶切后既能把环打开接纳外源,DNA,片段，又不会丢失自己的片段。注意与细胞膜上载体的区别，两者的化学本质和作用都不相同。质粒能自我复制，既可在自身细胞、受体细胞内，也可在体外。,1,(2010,浙江卷，,2),在用基因工程技术构建抗除草剂的转基因烟草过程中，如下操作错误的是,(,)A,用限制性核酸内切酶切割烟草花叶病毒的核酸,B,用,DNA,连接酶连接经切割的抗除草剂基因和载体,C,将重组,DNA,分子导入烟草原生质体,D,用含除草剂的培养基筛选转基因烟草细胞,对位训练,解析,限制性核酸内切酶用于提取目的基因和切割载体，烟草花叶病毒的遗传物质是,RNA,，不能用限制性核酸内切酶切割，,A,项错误；,DNA,连接酶可以连接具有相同黏性末端的目的基因和载体，,B,项正确；受体细胞可以是受精卵或体细胞，也可以是去除细胞壁的原生质体，,C,项正确；目的基因为抗除草剂基因，所以未成功导入目的基因的细胞不具有抗除草剂的能力，筛选时应该用含除草剂的培养基筛选转基因细胞，,D,项正确。,答案,A,排雷,质粒是基因工程中最常用的载体。大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌等细菌中都有质粒，质粒上面一般含几个到几百个基因，控制着细菌的抗药性、固氮、抗生素合成等性状。由于土壤农杆菌很容易感染植物细胞，使细胞生有瘤状物，所以科学家培育转基因植物时，常常用土壤农杆菌中的质粒作载体。,考点,113,以流程图解决知识内在联系,基因工程的操作步骤,1,基因工程的图解 抗虫棉的培育过程,基因工程技术生产凝乳酶的过程,2,基因工程的操作程序分析 目的基因的获取途径 从自然界已有的物种中分离出来，如从基因组文库或,cDNA,文库中获取。,提醒,cDNA,文库只含某种生物的部分基因，相当于地方图书馆；基因组文库含该种生物的全部基因，相当于国家图书馆。,人工合成目的基因：常用的方法有化学合成法和反转录法。,化学合成法：,蛋白质,氨基酸序列,RNA,碱基序列,DNA,碱基序列,用,4,种脱氧核苷酸人工合成目的基因,分析,推测,推测,PCR,扩增技术与,DNA,复制的比较,反转录法：,分离出供体细胞,mRNA,单链,DNA,合成目的基因,逆转录酶,DNA,合成酶,PCR,技术,DNA,复制,相同点,原理,DNA,复制,(,碱基互补配对,),原料,四种游离的脱氧核苷酸,条件,模板、,ATP,、酶、原料、引物,不同点,解旋方式,DNA,在高温下变性解旋,解旋酶催化,场所,体外复制,(PCR,扩增仪,),主要在细胞核内,酶,热稳定的,DNA,聚合酶,(,Taq,酶,),细胞内含有的,DNA,聚合酶,结果,在短时间内形成大量的,DNA,片段,形成整个,DNA,分子,基因表达载体的构建,最核心步骤 基因表达载体的组成：启动子、目的基因、终止子以及标记基因等。,提醒,a,与载体相比较，增加启动子、目的基因和终止子三个基因片段，其功能各不相同。,b,启动子,(DNA,片段,),起始密码子,(RNA),；终止子,(DNA,片段,),终止密码子,(RNA),。,基因表达载体的构建方法,提醒,该过程把三种工具,(,两种工具酶、一种载体,),全用上了，是最核心、最关键的一步，在体外进行。,将目的基因导入受体细胞,细胞,类型,常用,方法,受体,细胞,转化过程,植物,细胞,农杆菌,转化法,体细胞,将目的基因插入,Ti,质粒的,T,DNA,上转入农杆菌导入植物细胞整合到受体细胞的,DNA,上,动物,细胞,显微注,射技术,受精卵,将含有目的基因的表达载体提纯取卵获得受精卵显微注射早期胚胎培养胚胎移植发育成为具有新性状的动物,微生物细胞,Ca,2+,处理增,大细胞壁,通透性,原核细,胞或酵,母菌,用,Ca,2+,处理细胞感受态细胞重组表达载体,DNA,分子与感受态细胞混合感受态细胞吸收,提醒,唯一不涉及到碱基互补配对的操作步骤。将微生物作为受体细胞主要原因是个体微小，代谢旺盛，繁殖速度快，获得目的基因产物多。植物细胞还可用基因枪法和花粉管通道法。,目的基因的检测和鉴定,2,如图为获得抗虫棉的技术流程。在培育转基因植物的研究中，卡那霉素抗性基因,(,kan,r,),常作为标记基因，只有含卡那霉素抗性基因的细胞才能在卡那霉素培养基上生长。,对位训练,请据图回答：,A,过程所用的载体是，需要的工具酶有和。,C,过程的培养基除含有必需的营养物质、琼脂和激素外，还需加入。由图中离体棉花叶片组织获得转基因抗虫植株可采用技术，该技术所依据的原理是。如果利用,DNA,分子杂交原理对再生植株进行检测，,D,过程应该用放射性同位素,(,或荧光分子,),标记的作为探针。如果从个体生物水平来鉴定，,D,过程可用的最简单检测方法是。,含,kan,r,质粒,限制性,核酸内切酶,DNA,连接酶,卡那霉素,植物组织培养,植物细胞全能性,抗虫基因,让棉铃虫食用再生植株,(,抗虫接种实验,),解析,图中作为载体的是含,kanr,质粒，基因工程中的工具酶有,DNA,连接酶和限制性核酸内切酶。,C,过程的培养基为选择培养基，为了筛选出含有目的基因的重组质粒，培养基中应含有卡那霉素。离体植物组织培育植株采用植物组织培养技术，依据的原理是植物细胞的全能性。再生植株检测应该检验是否抗虫，因此要用放射性同位素标记抗虫基因。可以用棉铃虫食用再生植株，通过虫子是否死亡判断是否为抗虫植株。,排雷,基因文库中不是直接保管相应基因，基因文库中的基因保存在受体菌中。,植物细胞的全能性较高，可经植物组织培养过程成为完整植物体，因此受体细胞可以是受精卵也可以是体细胞；动物基因工程中的受体细胞一般是受精卵。,目的基因的检测和表达既要在分子水平上进行，还要在个体水平上进行。,考点,114,关注热点问题,基因工程的应用与转基因生物的安全性及生物武器,1,转基因生物的安全性 转基因生物与食物安全 反方：反对,“,实质性等同,”,、担心出现滞后效应、出现新的过敏原、营养成分改变等。正方：有安全性评价、科学家负责的态度、无实例无证据说明转基因食物有问题、支持,“,实质性等同,”,等。,转基因生物与生物安全,对生物多样性的影响 反方：扩散到种植区之外变成野生种类、成为入侵的外来物种、重组出有害的病原体、成为超级杂草、有可能造成,“,基因污染,”,等。,转基因生物与环境安全,对生态系统稳定性的影响 反方：打破自然物种原有界限、二次污染、重组出有害的病原微生物、毒蛋白等可能通过食物链进入人体等。正方：不改变生物原有的分类地位、减少农药使用、保护农田土壤环境等。,特别提醒,转基因生物存在安全性的原因：目前对基因的结构、调控机制及基因间的相互作用了解有限。目的基因往往是异种生物的基因。外源基因插入宿主基因组的部位往往是随机的。,正方：生命力有限、存在生殖隔离、花粉传播距离有限、花粉存活时间有限等。,2,基因工程的应用,抗虫棉的培育 目的基因：,Bt,毒蛋白基因。原理：抗虫,Bt,毒蛋白水解成多肽与虫肠上皮细胞结合，形成穿孔，细胞肿胀裂解致死；两种抑制剂分别抑制相应酶活性，影响消化；植物凝集素为糖蛋白，与虫肠黏膜结合，影响营养物质的吸收和利用。,注,：毒性来自,Bt,毒蛋白水解后的多肽。,受体细胞,受精卵正常发育体细胞组织培养,方法：花粉管通道法,(,也可用农杆菌转化法或基因枪法,),。,注,：,a.,抗虫但不抗病毒、细菌、真菌等；,b.,培育抗虫作物的优点：减少环境污染、降低生产成本；,c.,不同抗虫基因作用机理不同；,d.Bt,毒蛋白基因来自苏云金芽孢杆菌。,动物反应器 外源基因：药用蛋白基因。表达条件：药用蛋白基因乳腺蛋白基因,(,膀胱内表达相应基因,),启动子。受体生物,牛、羊等。方法：显微注射法。,注,：分为乳腺反应器和膀胱反应器，前者受性别,(,只能是雌性,),和年龄,(,哺乳期,),限制，优点可以不用提取服用；后者提取后服用，但不受性别和年龄的限制。,基因检测和基因治疗的比较,基因,检测,制作相应探针，利用,DNA,分子杂交原理，快速、准确检测人类某种疾病；制作探针三要求：,标记,同位素或荧光；单链；序列与待测基因相同,临床应用阶段,基因,治疗,把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，可分为体外基因治疗和体内基因治疗两种方法,仅处于实验阶段，仍有许多问题和困难制约该技术的开展，所以该技术并未在临床开展,误区警示,基因治疗目前只是处于初期的临床试验阶段，在临床上未开展、未实现这方面的治疗。,DNA,分子制作探针进行检测时应检测单链，即将双链,DNA,分子打开。原核生物基因,(,如抗虫基因,),可作为真核生物,(,棉花,),的目的基因。,3,生物武器 种类,种类,举例,致病菌,鼠疫菌、霍乱弧菌、伤寒杆菌、炭疽杆菌、痢疾杆菌,病毒,天花病毒、动物痘病毒等,基因重组的致病菌、生化毒剂,如肉毒杆菌毒素可以阻滞神经末梢释放乙酰胆碱，从而引起肌肉麻痹。只要有,0.01 mg,的肉毒杆菌毒素就可以使人死亡,特点：传染性强；污染面广，危害时间长；难以防治；具有一定的潜伏期；受自然条件影响大。传播途径：经食物和水传播；空气传播；接触传播；虫媒传播；病原体直接传播。,3,下列关于转基因生物与环境安全的叙述，错误的是,(,)A,重组的微生物在降解污染物的过程中可能产生二次污染,B,种植抗虫棉可以减少农药的使用量，对环境没有任何负面影响,C,如果转基因花粉中有毒蛋白或过敏蛋白，可能会通过食物链传递到人体内,D,转基因生物所带来的环境安全问题是可以解决的,对位训练,答案,B,排雷,在转基因生物中，有时候会出现一些人们意想不到的后果，原因分析如下：,对基因的结构，基因间的相互作用及基因的调控机制都了解得相当有限。,转移的基因虽然是功能一致的基因，但不少是异种生物的基因。,外源基因插入宿主基因组的部位往往是随机的。,解析,抗虫棉固然可以减少农药的使用，但外源基因可能通过花粉逸散到近缘的其他植物，从而造成基因污染。,考点,115,关注生物新技术,蛋白质工程,1,蛋白质工程的概念 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。,特别提醒,对蛋白质工程的概念应从以下几个方面理解：蛋白质工程的基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系；蛋白质工程的实质：改造控制该蛋白质合成的基因；蛋白质工程的产物：产生新的蛋白质。,2,蛋白质工程的过程和实例 蛋白质工程的过程：其基本途径是从预期的蛋白质功能出发设计预期的蛋白质结构推测应有的氨基酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列,(,基因,),。其流程图如下：,蛋白质工程的实例：通过蛋白质工程改造的干扰素可在,70,条件下保存半年。经过蛋白质工程改造天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶这两种酶后，使玉米体内赖氨酸的含量大大提高。,3,与基因工程的关系 区别：基因工程是借助于另外一种生物生产自然界已有的蛋白质；而蛋白质工程生产自然界没有的新的蛋白质。联系：蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程。因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质，必须通过基因修饰或基因合成实现。,拓展延伸,蛋白质组计划和人类基因组计划的比较,蛋白质组计划,基因组计划,启动时间,2003,年正式启动,1990,年正式启动,主要内容,“,肝脏蛋白质,”,和,“,血浆蛋白质,”,的研究,测定人类基因组,24,条染色体上全部,DNA,序列,参加国家,16,个国家，,80,多个实验室,6,个国家，中国是唯一的发展中国家,我国承担任务,牵头执行,“,人类肝脏蛋白质组计,划,”,承担,1%,的测序工作,意义,揭示并确认肝脏,(,血浆,),蛋白质为重大疾病预防、诊断、治疗以及新药研发提供科学基础；推动支持蛋白质工程,遗传病的诊断和治,疗；揭示基因表达,的机理,4,胰岛素可以用于治疗糖尿病，但是胰岛素被注射到人体后，会堆积在皮下，要经过较长的时间才能进入血液，而进入血液的胰岛素又容易分解，因此，治疗效果受到影响。如图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程，请据图回答有关问题：,对位训练,构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键，图中构建新的胰岛素模型的主要依据是。通过,DNA,合成形成的新基因应与结合后转移到中才能得到准确表达。若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素，需用到的生物工程有、和发酵工程。图中从胰岛素模型到新的胰岛素基因合成的基本思路是什么？。,根据新的胰岛素中氨基酸的序列，推测出其基因中的,脱氧核苷酸序列，然后利用,DNA,合成仪合成出新的胰岛素基因,蛋白质的预期功能,载体,大肠杆菌等受体细胞,蛋白质工程 基因工程,解析,蛋白质工程首先要根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计，因此，图中构建新的胰岛素模型的主要依据是预期胰岛素的功能，即速效胰岛素。合成的目的基因应与载体结合，构建基因表达载体后导入受体细胞中才能表达。利用蛋白质工程生产速效胰岛素，需合成新的胰岛素基因，改造好的目的基因需要通过基因工程转入受体细胞，并在生产中要借助工程菌，所以还需要发酵过程，因此，此过程涉及蛋白质工程、基因工程、发酵工程。由新的蛋白质模型到构建新的基因，其基本思路是根据新的胰岛素中氨基酸的序列，推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，然后利用,DNA,合成仪来合成出新的胰岛素基因。,排雷,对蛋白质分子进行改造，其本质是改变其基因组成。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白质分子还是无法遗传。蛋白质工程的实质是根据蛋白质的结构，创造新基因或者改造老基因，是基因工程的发展与延续。,考纲能力知识灵活运用能力 考题,(,2011,山东理综，,35,),人类疾病的转基因动物模型常用于致病机理的探讨及治 疗药物的筛选。利用正常大鼠制备遗传性高血压转基因模型大鼠的流程如下图所示。,考题链接,基因工程的综合应用,卵母细胞除从活体输卵管中采集外，还可从已处死的雌鼠中获取。图中的高血压相关基因作为，质粒作为，二者需用切割后连接成重组载体，该过程与质粒上含有有关。子代大鼠如果和，即可分别在分子水平和个体水平上说明高血压相关基因已成功表达，然后可用其建立高血压转基因动物模型。在上述转基因大鼠的培育过程中，所用到的主要胚胎工程技术是、早期胚胎培养和胚胎移植。,体外受精,卵巢,目的基因,载体,同种限制性核酸内切酶,(,或同种限制酶,),限制酶切割位点,检测到体内有相关蛋白,出现高血压,解析,胚胎工程中卵母细胞的采集常从活体输卵管中获取，也可以从已处死的雌性动物卵巢中获取。图示为转基因技术在胚胎工程中的应用，图中的高血压相关基因为目的基因，质粒作为载体。构建重组质粒时，需用同种限制酶切割目的基因和质粒分子，由于二者有相同限制酶切割位点，二者可以连接形成基因表达载体。目的基因的表达检测可以分别在分子水平和个体水平检测，即检测体内是否产生相关蛋白质和是否出现高血压症状。题中转基因大鼠培育过程中，用到的生物技术有转基因技术、体外受精技术、早期胚胎培养和胚胎移植技术，其中后三者属于胚胎工程技术。,典例,下列关于基因工程的叙述，错误的是,(,)A.,目的基因和受体细胞均可来自动物、植物或微生物,B.,限制性核酸内切酶和,DNA,连接酶是两类常用的工具酶,C.,人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性,D.,载体上的抗性基因有利于筛选含重组,DNA,的细胞和促进目的基因的表达,易错警示,对基因工程中易错点辨析不清,错因分析,对标记基因的作用模糊不清。,解析,基因工程中目的基因和受体细胞均可来自动物、植物或微生物；常用的工具酶是限制性核酸内切酶和,DNA,连接酶；人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性，只有经过一定的物质激活以后，才有生物活性；载体上的抗性基因主要是有利于筛选含重组,DNA,的细胞，不能促进目的基因的表达，所以,D,错误。,纠错笔记,基因工程中有,3,种工具，但工具酶只有,2,种。工具酶本质为蛋白质，载体本质为小型,DNA,分子，但不一定是环状。标记基因的作用,筛选、检测目的基因是否导入受体细胞，常见的有抗生素抗性基因、发光基因，表达产物为带颜色物质等。受体细胞中常用植物受精卵或体细胞,(,经组织培养,),、动物受精卵,(,一般不用体细胞,),、微生物,大肠杆菌、酵母菌等。一般不用支原体，原因是它营寄生生活；一定不能用哺乳动物成熟红细胞，原因是它无细胞核，不能合成蛋白质。,答案,D,