2021-2022学年高二下学期生物人教版选择性必修3-3.2.1基因工程的基本操作程序课件(共30张PPT)

(共30张PPT)
3.2 基因工程的基本操作程序
（1）提 取
普通大肠杆菌
(不能分泌胰岛素)
人体组织细胞
胰岛素基因
（2）与运载体DNA拼接
（3）导入
大肠杆菌(含胰岛素基因)
（4）转基因大肠杆菌
(能分泌胰岛素)
培育转基因大肠杆菌一般需要哪些步骤？
第一步：目的基因的筛选与获取
第二步：基因表达载体的构建（核心）
第三步：将目的基因导入受体细胞
第四步：目的基因的检测与鉴定
从社会中来
（1）定义：在基因工程的设计和操作中，用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等相关的基因。
根据不同的需要，目的基因不同，主要是指编码蛋白质的基因。
如：与生物抗逆性、优良品质、生产药物、毒物降解和工业用酶等相关的基因。
资料：苏云金杆菌通过产生苏云金杆菌伴胞晶体蛋白（Bt 抗虫蛋白），破坏鳞翅目昆虫的消化系统来杀死棉铃虫。
科学家将“杀虫基因”转入棉花中，棉花产生Bt 抗虫蛋白抵抗虫害。
目的基因
一.目的基因的筛选与获取
1.目的基因
非编码区
非编码区
启动子：RNA聚合酶的识别和结合位点 开始转录
编码区
（1）原核生物基因
终止子：终止转录
非编码区
组成：编码区上游与编码区下游
功能：不能编码蛋白质，调控遗传信息的表达
启动子：RNA聚合酶结合位点 转录起始的信号
终止子：终止RNA的合成
编码区：编码蛋白质的合成
一.目的基因的筛选与获取
2.基因的结构
非编码区
非编码区
编码区
与RNA聚合酶结合位点
外显子
内含子
1
2
3
4
5
加 工
mRNA前体
成熟mRNA
不能编码蛋白质的序列=内含子+非编码区序列
编码序列=外显子
1
2
3
4
5
启动子
终止子
一.目的基因的筛选与获取
（2）真核生物基因
转 录
2.基因的结构
　 科学工作者分离得到了某原核生物基因，并将其解离成两条单链。现让其中一条链与由该基因转录而来的信使RNA杂交配对，结果如图所示。
非编码区
非编码区
编码区
信使RNA
基因的一条链
Ａ
Ｂ
Ｃ
一.目的基因的筛选与获取
（1）原核生物基因
2.基因的结构
成熟信使RNA
对应基因的一条链
编码区
非编码区
非编码区
Ａ
Ｂ
Ｃ
一.目的基因的筛选与获取
（2）真核生物基因
【思考1】从基因组文库中获得的胰岛素基因（含内含子），若以大肠杆菌作为受体细胞却未得到对应的胰岛素，其原因可能是 。
胰岛素基因含内含子，在大肠杆菌中，其初始转录产物中与内含子对应的RNA序列不能被切除，无法表达出胰岛素
2.基因的结构
原核细胞 真核细胞
不同点 编码区是_____的 编码区是间隔的、_____的
相同点 都由能够编码蛋白质的________和具有调控作用的________区组成的 原核细胞与真核细胞的基因结构比较
（2）编码相同数目氨基酸的蛋白质，原核细胞与真核细胞基因结构一样长吗？
连续
不连续
编码区
非编码
（1）非编码序列：
包括非编码区和内含子
【思考2】
一.目的基因的筛选与获取
2.基因的结构
目的基因获取方法
利用PCR获取和扩增目的基因
一.目的基因的筛选与获取
3.目的基因的筛选与获取方法
从相关的已知结构和功能清晰的基因中进行筛选
人工合成
从基因文库中获取
PCR技术：PCR是______________ _的缩写，是一项根据___________
的原理，在___ _提供参与DNA复制的___ ____与__ _______，对___________________ _进行______ __的技术；
聚合酶链式反应
DNA半保留复制
体外
各种组分
反应条件
目的基因的核苷酸序列
大量复制
全称
聚合酶链式反应
DNA半保留复制
体外（PCR扩增仪/PCR仪）
对目的基因的核苷酸序列进行大量复制
可以在短时间内大量扩增目的基因
一.目的基因的筛选与获取
4.利用PCR获取和扩增目的基因
原理
操作环境
目的
优点：
①DNA复制所需的基本条件:
参与的组分 在DNA复制中的作用
解旋酶
DNA母链
4种脱氧核苷酸
DNA聚合酶
引物
提供DNA复制的模板
合成DNA子链的原料
打开DNA双链
催化合成DNA子链
使DNA聚合酶能够从引物的3’端开始连接脱氧核苷酸
（体外用耐高温的DNA聚合酶）
（体外用高温代替）
（2种）
引物是一小段能与__________的一段碱基序列__________的____________
DNA母链
互补配对
短单链核酸
3’
5’
DNA母链
3’
5’
DNA母链
3’
5’
引物
3’
5’
引物
一.目的基因的筛选与获取
4.利用PCR获取和扩增目的基因
耐高温的DNA聚合酶
（Taq酶）
DNA模板
引物（2种）
稳定的缓冲溶液
（一般添加Mg2+）
②PCR条件:
一.目的基因的筛选与获取
四种脱氧核苷酸(dNTP)
激活真核细胞和细菌的DNA聚合酶
4.利用PCR获取和扩增目的基因
3’
5’
3’
5’
3’
5’
3’
5’
A.变性
当温度上升到90℃以上时，双链DNA解聚为单链
B.复性
当温度下降到50℃左右时，两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合
C.延伸
当温度上升到72℃左右时，溶液中的4种脱氧核苷酸在耐高温的DNA聚合酶的作用下，根据碱基互补配对原则合成新的DNA链
③PCR反应过程
3’
5’
3’
5’
3’
5’
3’
5’
3’
5’
3’
5’
3’
5’
3’
5’
一.目的基因的筛选与获取
4.利用PCR获取和扩增目的基因
第一轮循环的产物作为第二轮反应的模板，经过变性、复性和延伸三步产生第二轮循环的产物；
第二轮循环的产物作为第三轮反应的模板，经过变性、复性和延伸三步产生第三轮的产物；
第二轮循环的产物
第三轮的产物
完成以后，常采用琼脂糖凝胶电泳来鉴定PCR的产物
③PCR反应过程
一.目的基因的筛选与获取
一.目的基因的筛选与获取
③PCR反应过程
一.目的基因的筛选与获取
1．PCR反应与体内DNA复制的引物在化学本质上是否相同？
不相同。体内DNA复制所需引物为RNA聚合酶合成的一小段RNA，但PCR反应时所用引物是人工加入的一小段DNA。
思考讨论：
2．PCR过程中需要加入两种引物，原因是？
3．两种引物的要求？
DNA聚合酶只能从3′端延伸DNA链，用两种引物才能确保DNA两条链同时被扩增
①引物自身不能环化
②两种引物之间不能互补配对
③引物长度不宜过短，防止引物随机结合
【典例1】设计引物是PCR技术关键步骤之一。某同学设计的两组引物(只标注了部分碱基序列)都不合理(如下图)，请分别说明理由。
(1）第1组： ；
第2组： 。
引物Ⅰ和引物Ⅱ局部发生碱基互补配对而失效
引物Ⅰ′自身内部部分碱基发生互补配对而失效
(2)两种引物与模板链如何配对？ 。
引物的5′端与模板链3′端互补配对
（3）在DNA聚合酶的作用下，两条子链的延伸方向都是 。DNA聚合酶只能特异地复制
处于　　 之间的DNA序列，若这个过程中消耗了引物62个,则进行了 轮的DNA复制。
(4)若用PCR技术扩增图示目的基因，应选用的引物是 。
两个引物
从子链的5′端向3′端延伸
5
(2n+1-2)=62
引物甲、引物丙
启动子：
RNA聚合酶识别和结合的部位，驱动基因转录出mRNA。
终止子：
终止目的基因转录的脱氧核苷酸序列。
① ;
② 。
二.基因表达载体的构建
1.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
使目的基因能够表达和发挥作用
——核心步骤
2.组成
标记基因：
目的基因：
复制原点：
便于重组DNA分子的筛选。
能控制表达所需要的特殊性状。
注意：目的基因必须插入到 与 之间。
启动子 终止子
DNA复制的起始位点。
非编码区
非编码区
启动子：RNA聚合酶的识别和结合位点 开始转录
编码区
（1）原核生物基因
终止子：终止转录
非编码区
组成：编码区上游与编码区下游
功能：不能编码蛋白质，调控遗传信息的表达
启动子：RNA聚合酶结合位点 转录起始的信号
终止子：终止RNA的合成
编码区：编码蛋白质的合成
基因的结构
非编码区
非编码区
编码区
与RNA聚合酶结合位点
外显子
内含子
1
2
3
4
5
加 工
mRNA前体
成熟mRNA
不能编码蛋白质的序列=内含子+非编码区序列
编码序列=外显子
1
2
3
4
5
启动子
终止子
（2）真核生物基因
转 录
　 科学工作者分离得到了某原核生物基因，并将其解离成两条单链。现让其中一条链与由该基因转录而来的信使RNA杂交配对，结果如图所示。
非编码区
非编码区
编码区
信使RNA
基因的一条链
Ａ
Ｂ
Ｃ
（1）原核生物基因
成熟信使RNA
对应基因的一条链
编码区
非编码区
非编码区
Ａ
Ｂ
Ｃ
（2）真核生物基因
【思考1】从基因组文库中获得的胰岛素基因（含内含子），若以大肠杆菌作为受体细胞却未得到对应的胰岛素，其原因可能是 。
胰岛素基因含内含子，在大肠杆菌中，其初始转录产物中与内含子对应的RNA序列不能被切除，无法表达出胰岛素
原核细胞 真核细胞
不同点 编码区是_____的 编码区是间隔的、_____的
相同点 都由能够编码蛋白质的________和具有调控作用的________区组成的 原核细胞与真核细胞的基因结构比较
（2）编码相同数目氨基酸的蛋白质，原核细胞与真核细胞基因结构一样长吗？
连续
不连续
编码区
非编码
（1）非编码序列：
包括非编码区和内含子
【思考2】
辨析：“启动子与终止子”和“起始密码子与终止密码子”
启动子与终止子位于DNA分子中，
作用：起始和终止转录过程。
启动密码子与终止密码子位于mRNA分子中，
作用：起始和终止翻译过程。
二.基因表达载体的构建
【思考1】
重组DNA分子
限制酶
目的基因
限制酶切割位点
获取目的基因
DNA连接酶
基因表达载体构建模式图
限制酶
启动子
限制酶切割位点
终止子
标记基因
复制原点
质粒
同种限制酶或能产生相同末端的限制酶
？
二.基因表达载体的构建
3.过程
如果用一种限制酶分别切割目的基因和质粒，再用DNA连接酶处理后会出现几种产物？(只考虑两两结合)
？
目的基因——载体、
载体——载体、
目的基因——目的基因
二.基因表达载体的构建
【思考2】
单酶切缺点：质粒重新环化、目的基因自身环化、质粒与目的基因反向连接
【典例2】如图是利用基因工程技术培育转基因植物，生产可食用疫苗的部分过程示意图，其中PstⅠ、SmaⅠ、EcoRⅠ、ApaⅠ为四种限制性内切核酸酶。下列说法错误的是(　　)
B
A.卡那霉素抗性基因的存在有利于将含有抗原基因的细胞筛选出来
B.表达载体构建时需要用到限制酶SmaⅠ
C.图示过程是基因工程的核心步骤
D.除图示组成外，表达载体中还应该含有启动子和终止子等结构
【变式训练】以下关于基因表达载体的构建的说法正确的是(　　)
A.基因表达载体的构建是在生物体的细胞内完成的
B.基因表达载体中只有启动子才能驱动目的基因转录出mRNA
C.基因表达载体的组成应包括启动子、终止密码子、目的基因、标记基因等
D.基因表达载体通常采用抗生素合成基因作为标记基因
B
启动子
首端
RNA聚合酶
转录
终止子
尾端
RNA聚合酶
转录
标记
目的基因
基因表达载体的组成：
二.基因表达载体的构建
【小结】