3.2基因工程的基本操作程序1课件2021-2022学年高二下学期生物人教版选择性必修3(共24张PPT)
文档属性
| 名称 | 3.2基因工程的基本操作程序1课件2021-2022学年高二下学期生物人教版选择性必修3(共24张PPT) |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 10.8MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2022-04-23 21:39:33 | ||
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文档简介
(共24张PPT)
3.2 基因工程的基本操作程序
1.基因工程的基本操作程序
2.基因工程每一步涉及的技术和方法
苏云金杆菌
与载体拼接
普通棉花
（无抗虫特性）
棉花细胞
抗虫棉
提取
表达Bt基因
导入
Bt基因
重组DNA分子
培育转基因抗虫棉的简要过程
1.目的基因的筛选与获取
2.基因表达载体的构建
（核心）
3.将目的基因导入受体细胞
4.目的基因的 检测与鉴定
1.基因工程的基本操作程序
基因的结构
非编码区
（不转录）
编码区
（转录）
启动子：在基因的上游
终止子：在基因的下游
调控转录过程
外显子：转录后翻译，编码蛋白质的合成
内含子：转录后被切除，不翻译
原核生物：无内含子，其编码区是连续的
真核生物：有内含子，其编码区是间断的、不连续的。
非编码序列：不能编码蛋白质的片段，包括非编码区和内含子
编码序列 ：能编码蛋白质的片段，即外显子
①
②
转录起点
转录终点
原核生物
真核生物
编码区（转录区）
非编码区
非编码区
启动子
启动子
终止子
终止子
外显子
内含子
基因结构示意图
①目的基因 —— Bt基因
1.目的基因的获取和筛选
苏云金芽孢杆菌
产生
Bt基因
伴胞晶体蛋白
(Bt抗虫蛋白)
表达
破坏鳞翅目昆虫的消化系统
杀死棉铃虫
棉花细胞
导入
抗虫棉
培育
1.概念：
用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因；
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基因。
主要是编码特定蛋白质的基因，也可以是具有调控作用的因子；
①筛选合适的目的基因
方法：从相关的已知结构和功能清晰的基因中筛选。
1.目的基因的获取和筛选
如：Bt基因的筛选
苏云金杆菌
制成
杀虫剂
掌握目的基因的功能
掌握目的基因的结构
防治棉花害虫
发现杀虫作用与Bt基因有关
掌握Bt基因的序列
深入了解Bt基因的表达产物(Bt抗虫蛋白)
Bt基因是培育转基因抗虫棉较为合适的目的基因。
筛选目的基因的技术手段：
测序技术
序列数据库(如GenBank)
序列比对工具(如BLAST)
测定核酸和蛋白质序列
以碱基顺序或氨基酸残基顺序为基本内容的分子生物信息数据库
把感兴趣的序列跟已经存在的序列数据库进行比较的工具。通过比对识别相关的序列，从而能获得目的基因和蛋白质的功能。
DNA测序仪
核苷酸序列比对
氨基酸序列比对
美国国家生物信息中心
越来越多基因的功能和结构被分析。
1.目的基因的获取和筛选
①筛选合适的目的基因
目的基因获取方法
从基因文库中获取
通过DNA合成仪直接合成
利用PCR获取和扩增目的基因
②获取合适的目的基因：
1.目的基因的获取和筛选
基因组文库
部分基因文库（主要是cDNA文库）
基因文库：
1.从基因文库中直接获取：
基因组文库：含有某种生物全部基因片段的重组DNA的克隆群体。
部分基因文库：含有某种生物部分基因片段的重组DNA的克隆群体。
与载体连接
导入受体菌群
用适当
限制酶切割
（1）基因组文库的构建
提取某生物
全部DNA
许 多
DNA片段
该生物
基因组文库
（每个受体菌含有一段不同的DNA片段）
（2）cDNA文库的构建——mRNA逆转录形成
mRNA
（某一发育时期）
逆转录酶
杂交双链
核酸酶H
单链DNA
DNA聚合酶
双链cDNA
(cDNA)
与载体连接
导入受体菌群
该生物
cDNA文库
基因组文库中的基因含有启动子、终止子、内含子
cDNA文库中的基因不含以上结构
②获取合适的目的基因：
1.从基因文库中直接获取：
1.下列关于cDNA文库和基因组文库的说法中，不正确的是( )A．cDNA文库中只含有某种生物的部分基因，基因组文库中含有某种生物的全部基因B．如果某种生物的cDNA文库中的某个基因与该生物的基因组文库中的某个基因控制的性状相同，则这两个基因的结构也完全相同C．cDNA文库中的基因没有启动子D．一种生物的cDNA文库可以有许多种，但基因组文库只有一种
B
目的基因的获取
2.人工合成：
DNA合成仪
（1）前提：
（2）方法：
1.目的基因的获取和筛选
②获取合适的目的基因：
基因比较小、核苷酸序列已知
通过DNA合成仪用化学方法直接合成目的基因
提取
苏云金芽孢杆菌
抗虫基因
？
快速获得大量抗虫基因
3.利用PCR获取和扩增目的基因：
PCR——聚合酶链式反应
PCR是一项根据DNA半保留复制的原理，通过在体外提供参与DNA复制的各种组分与反应条件，对目的基因的核苷酸序列进行大量复制的技术。
1.目的基因的获取和筛选
发明者：穆里斯
体内DNA复制要点回顾:
条件
原料：游离的脱氧核苷酸（A、T、G、C）
模板：DNA的两条链
酶：DNA解旋酶、DNA聚合酶等
能量：ATP
复制原则:
碱基互补配对原则
（保证复制的准确进行）
结合体内DNA复制过程，思考PCR的进行需要哪些条件？
3.利用PCR获取和扩增目的基因：
1.目的基因的获取和筛选
PCR扩增仪
知道目的基因的两端核苷酸序列，基因又比较大
前提：
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+）
四种脱氧核苷酸(dNTP)
激活真核细胞和细菌的DNA聚合酶
3.利用PCR获取和扩增目的基因：
1.目的基因的获取和筛选
1.体外PCR的条件：
dATP
dGTP
dCTP
dTTP
引物是一小段能与DNA母链的一段碱基序列互补配对的短单链核酸。用于PCR的引物通常为20~30个核苷酸。在细胞中为一段单链RNA，在PCR中为一段人工合成的单链DNA。
a.什么是引物
1.目的基因的获取和筛选
1.体外PCR的条件：
在DNA复制时，DNA聚合酶不能直接从模板链的一端直接开始台成子链，必须由引物提供3’端之后才能开始连接脱氧核苷酸。
3’
3’
3’
3’
5’
5’
5’
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3’
3’
DNA解链为单链
高温(95℃)变性
低温(50℃)复性
中温(72℃)延伸
引物结合到互补DNA链
Taq酶从引物起始进行子链的合成
PCR过程可以在PCR扩增仪(PCR仪)中自动完成。
2.PCR扩增目的基因的过程：
1.目的基因的获取和筛选
第1步：变性
当温度超过90℃时，双链DNA解旋为单链。
2.PCR扩增目的基因的过程：
1.目的基因的获取和筛选
5’
3’
3’
5’
5’
3’
3’
5’
①变性
②复性
③延伸
冷却
加热
95
50
72
℃
预变性 90 ℃以上 增加大分子模板DNA彻底变性的概率
长度相同但C-G含量高的引物需要设定的复性温度较高。
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。
2.PCR扩增目的基因的过程：
1.目的基因的获取和筛选
5’
3’
3’
5’
第2步：复性
①变性
②复性
③延伸
冷却
加热
5’
3’
3’
5’
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。
2.PCR扩增目的基因的过程：
1.目的基因的获取和筛选
①变性
②复性
③延伸
冷却
加热
5’
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第3步：延伸
第一轮循环的产物作为第二轮反应模板，经过变性、复性和延伸三步产生第二轮循环产物。
2.PCR扩增目的基因的过程：
1.目的基因的获取和筛选
①变性
②复性
③延伸
冷却
加热
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第二轮循环的产物作为第三轮反应模板，经过变性、复性和延伸三步产生第三轮循环产物。
5’
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5’
每次循环后目的基因的量可以增加一倍，即形成指数式扩增(2n)。
1、复性的过程一定是引物与DNA模板链结合吗？
思考：
复性时引物与DNA模板的结合是随机的，也存在解开的两条DNA单链的结合，但两条模板链重新结合的概率较低，
原因是：
①模板链一般比较长，比引物复杂得多，重新结合的概率较低。
②加入引物的量足够多，而模板链数量少，引物与模板之间的碰撞结合机会，远远高于模板互补链之间的碰撞机会。
1.目的基因的获取和筛选
PCR技术与细胞内DNA复制的比较
比较项目 细胞内DNA复制 PCR技术
区别 解旋方式
场所
引物
酶
温度
结果
联系 解旋酶催化，边解旋边复制
高温变性解旋，全部解旋后再复制
主要在细胞核内
细胞外(主要在PCR扩增仪内)
RNA
通常是DNA
解旋酶、DNA聚合酶等
耐高温的DNA聚合酶（TaqDNA聚合酶）
细胞内温和条件
在不同温度(较高)下进行
合成整个DNA分子
扩增特定的DNA片段或基因
①模板:均需要脱氧核苷酸双链作为模板
③原料:均为四种脱氧核苷酸（dATP、dTTP、dGTP、dCTP）
②酶:均需DNA聚合酶
④引物:都需要引物，使DNA聚合酶从引物的3’端合成子链
1.目的基因的获取和筛选
1、在已知序列信息的情况下，获取目的基因的最方便方法是
A、化学合成法 B、基因组文库法
C、cDNA文库法 D、聚合酶式链反应
2、下列获取目的基因的方法中需要模板链的是
①从基因文库中获取目的基因
②利用PCR技术扩增目的基因 ③逆转录法
④通过DNA合成仪利用化学方法人工合成
A．①②③④ B．①②③ C．②③④ D．②③
D
D
目的基因的获取
3.下列有关PCR技术的说法，不正确的是( )A．PCR是一项在生物体外复制特定的DNA片段的核酸合成技术B．PCR技术的原理是DNA双链复制C．利用PCR技术获取目的基因的前提是要有一段已知的目的基因的核苷酸序列D．PCR扩增中需要解旋酶解开双链DNA
D
目的基因的获取
3.2 基因工程的基本操作程序
1.基因工程的基本操作程序
2.基因工程每一步涉及的技术和方法
苏云金杆菌
与载体拼接
普通棉花
（无抗虫特性）
棉花细胞
抗虫棉
提取
表达Bt基因
导入
Bt基因
重组DNA分子
培育转基因抗虫棉的简要过程
1.目的基因的筛选与获取
2.基因表达载体的构建
（核心）
3.将目的基因导入受体细胞
4.目的基因的 检测与鉴定
1.基因工程的基本操作程序
基因的结构
非编码区
（不转录）
编码区
（转录）
启动子：在基因的上游
终止子：在基因的下游
调控转录过程
外显子：转录后翻译，编码蛋白质的合成
内含子：转录后被切除，不翻译
原核生物：无内含子，其编码区是连续的
真核生物：有内含子，其编码区是间断的、不连续的。
非编码序列：不能编码蛋白质的片段，包括非编码区和内含子
编码序列 ：能编码蛋白质的片段，即外显子
①
②
转录起点
转录终点
原核生物
真核生物
编码区（转录区）
非编码区
非编码区
启动子
启动子
终止子
终止子
外显子
内含子
基因结构示意图
①目的基因 —— Bt基因
1.目的基因的获取和筛选
苏云金芽孢杆菌
产生
Bt基因
伴胞晶体蛋白
(Bt抗虫蛋白)
表达
破坏鳞翅目昆虫的消化系统
杀死棉铃虫
棉花细胞
导入
抗虫棉
培育
1.概念：
用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因；
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基因。
主要是编码特定蛋白质的基因，也可以是具有调控作用的因子；
①筛选合适的目的基因
方法：从相关的已知结构和功能清晰的基因中筛选。
1.目的基因的获取和筛选
如：Bt基因的筛选
苏云金杆菌
制成
杀虫剂
掌握目的基因的功能
掌握目的基因的结构
防治棉花害虫
发现杀虫作用与Bt基因有关
掌握Bt基因的序列
深入了解Bt基因的表达产物(Bt抗虫蛋白)
Bt基因是培育转基因抗虫棉较为合适的目的基因。
筛选目的基因的技术手段：
测序技术
序列数据库(如GenBank)
序列比对工具(如BLAST)
测定核酸和蛋白质序列
以碱基顺序或氨基酸残基顺序为基本内容的分子生物信息数据库
把感兴趣的序列跟已经存在的序列数据库进行比较的工具。通过比对识别相关的序列，从而能获得目的基因和蛋白质的功能。
DNA测序仪
核苷酸序列比对
氨基酸序列比对
美国国家生物信息中心
越来越多基因的功能和结构被分析。
1.目的基因的获取和筛选
①筛选合适的目的基因
目的基因获取方法
从基因文库中获取
通过DNA合成仪直接合成
利用PCR获取和扩增目的基因
②获取合适的目的基因：
1.目的基因的获取和筛选
基因组文库
部分基因文库（主要是cDNA文库）
基因文库：
1.从基因文库中直接获取：
基因组文库：含有某种生物全部基因片段的重组DNA的克隆群体。
部分基因文库：含有某种生物部分基因片段的重组DNA的克隆群体。
与载体连接
导入受体菌群
用适当
限制酶切割
（1）基因组文库的构建
提取某生物
全部DNA
许 多
DNA片段
该生物
基因组文库
（每个受体菌含有一段不同的DNA片段）
（2）cDNA文库的构建——mRNA逆转录形成
mRNA
（某一发育时期）
逆转录酶
杂交双链
核酸酶H
单链DNA
DNA聚合酶
双链cDNA
(cDNA)
与载体连接
导入受体菌群
该生物
cDNA文库
基因组文库中的基因含有启动子、终止子、内含子
cDNA文库中的基因不含以上结构
②获取合适的目的基因：
1.从基因文库中直接获取：
1.下列关于cDNA文库和基因组文库的说法中，不正确的是( )A．cDNA文库中只含有某种生物的部分基因，基因组文库中含有某种生物的全部基因B．如果某种生物的cDNA文库中的某个基因与该生物的基因组文库中的某个基因控制的性状相同，则这两个基因的结构也完全相同C．cDNA文库中的基因没有启动子D．一种生物的cDNA文库可以有许多种，但基因组文库只有一种
B
目的基因的获取
2.人工合成：
DNA合成仪
（1）前提：
（2）方法：
1.目的基因的获取和筛选
②获取合适的目的基因：
基因比较小、核苷酸序列已知
通过DNA合成仪用化学方法直接合成目的基因
提取
苏云金芽孢杆菌
抗虫基因
？
快速获得大量抗虫基因
3.利用PCR获取和扩增目的基因：
PCR——聚合酶链式反应
PCR是一项根据DNA半保留复制的原理，通过在体外提供参与DNA复制的各种组分与反应条件，对目的基因的核苷酸序列进行大量复制的技术。
1.目的基因的获取和筛选
发明者：穆里斯
体内DNA复制要点回顾:
条件
原料：游离的脱氧核苷酸（A、T、G、C）
模板：DNA的两条链
酶：DNA解旋酶、DNA聚合酶等
能量：ATP
复制原则:
碱基互补配对原则
（保证复制的准确进行）
结合体内DNA复制过程，思考PCR的进行需要哪些条件？
3.利用PCR获取和扩增目的基因：
1.目的基因的获取和筛选
PCR扩增仪
知道目的基因的两端核苷酸序列，基因又比较大
前提：
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+）
四种脱氧核苷酸(dNTP)
激活真核细胞和细菌的DNA聚合酶
3.利用PCR获取和扩增目的基因：
1.目的基因的获取和筛选
1.体外PCR的条件：
dATP
dGTP
dCTP
dTTP
引物是一小段能与DNA母链的一段碱基序列互补配对的短单链核酸。用于PCR的引物通常为20~30个核苷酸。在细胞中为一段单链RNA，在PCR中为一段人工合成的单链DNA。
a.什么是引物
1.目的基因的获取和筛选
1.体外PCR的条件：
在DNA复制时，DNA聚合酶不能直接从模板链的一端直接开始台成子链，必须由引物提供3’端之后才能开始连接脱氧核苷酸。
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DNA解链为单链
高温(95℃)变性
低温(50℃)复性
中温(72℃)延伸
引物结合到互补DNA链
Taq酶从引物起始进行子链的合成
PCR过程可以在PCR扩增仪(PCR仪)中自动完成。
2.PCR扩增目的基因的过程：
1.目的基因的获取和筛选
第1步：变性
当温度超过90℃时，双链DNA解旋为单链。
2.PCR扩增目的基因的过程：
1.目的基因的获取和筛选
5’
3’
3’
5’
5’
3’
3’
5’
①变性
②复性
③延伸
冷却
加热
95
50
72
℃
预变性 90 ℃以上 增加大分子模板DNA彻底变性的概率
长度相同但C-G含量高的引物需要设定的复性温度较高。
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。
2.PCR扩增目的基因的过程：
1.目的基因的获取和筛选
5’
3’
3’
5’
第2步：复性
①变性
②复性
③延伸
冷却
加热
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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。
2.PCR扩增目的基因的过程：
1.目的基因的获取和筛选
①变性
②复性
③延伸
冷却
加热
5’
3’
3’
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3’
第3步：延伸
第一轮循环的产物作为第二轮反应模板，经过变性、复性和延伸三步产生第二轮循环产物。
2.PCR扩增目的基因的过程：
1.目的基因的获取和筛选
①变性
②复性
③延伸
冷却
加热
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第二轮循环的产物作为第三轮反应模板，经过变性、复性和延伸三步产生第三轮循环产物。
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每次循环后目的基因的量可以增加一倍，即形成指数式扩增(2n)。
1、复性的过程一定是引物与DNA模板链结合吗？
思考：
复性时引物与DNA模板的结合是随机的，也存在解开的两条DNA单链的结合，但两条模板链重新结合的概率较低，
原因是：
①模板链一般比较长，比引物复杂得多，重新结合的概率较低。
②加入引物的量足够多，而模板链数量少，引物与模板之间的碰撞结合机会，远远高于模板互补链之间的碰撞机会。
1.目的基因的获取和筛选
PCR技术与细胞内DNA复制的比较
比较项目 细胞内DNA复制 PCR技术
区别 解旋方式
场所
引物
酶
温度
结果
联系 解旋酶催化，边解旋边复制
高温变性解旋，全部解旋后再复制
主要在细胞核内
细胞外(主要在PCR扩增仪内)
RNA
通常是DNA
解旋酶、DNA聚合酶等
耐高温的DNA聚合酶（TaqDNA聚合酶）
细胞内温和条件
在不同温度(较高)下进行
合成整个DNA分子
扩增特定的DNA片段或基因
①模板:均需要脱氧核苷酸双链作为模板
③原料:均为四种脱氧核苷酸（dATP、dTTP、dGTP、dCTP）
②酶:均需DNA聚合酶
④引物:都需要引物，使DNA聚合酶从引物的3’端合成子链
1.目的基因的获取和筛选
1、在已知序列信息的情况下，获取目的基因的最方便方法是
A、化学合成法 B、基因组文库法
C、cDNA文库法 D、聚合酶式链反应
2、下列获取目的基因的方法中需要模板链的是
①从基因文库中获取目的基因
②利用PCR技术扩增目的基因 ③逆转录法
④通过DNA合成仪利用化学方法人工合成
A．①②③④ B．①②③ C．②③④ D．②③
D
D
目的基因的获取
3.下列有关PCR技术的说法，不正确的是( )A．PCR是一项在生物体外复制特定的DNA片段的核酸合成技术B．PCR技术的原理是DNA双链复制C．利用PCR技术获取目的基因的前提是要有一段已知的目的基因的核苷酸序列D．PCR扩增中需要解旋酶解开双链DNA
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目的基因的获取