2021-2022学年高一下学期生物人教版必修2-6.2基因工程及其应用课件（60张ppt）

(共60张PPT)
第6章 从杂交育种到基因工程
第2节 基因工程及其应用
【学习目标】
1、简述基因工程的基本原理
2、关注转基因工程这一科技发展历程中科学、技术和社会的相互作用
3、进行基因工程的资料收集和分析并培养学生合作探究能力。
【学习重点和难点】
基因工程的基本原理
基因工程又叫做基因拼接技术或DNA重组技术。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，定向地改造生物的遗传性状。
原理：基因重组
操作水平：DNA分子水平
操作环境：生物外
结 果：定向地改造生物的性状，获得人类所需要的品种。
一、　基因工程
目的基因
供体细胞
受体细胞
蛛丝是自然界最奇特的物质之一，它具有极强的韧度，其韧度是同样直径钢材的好几倍。但与家蚕不同，蜘蛛不能家养，因为它们会互相吞食，所以不可能建立人工饲养蜘蛛的农场。30多年来，科学家们一直试图找到利用其他生物体来制造蛛丝的办法。
细菌是在自然界分布最广、个体数量最多的生物。细菌具有代谢旺盛，繁殖能力强的特点。
思考：要把蜘蛛的合成丝蛋白的基因“嫁接”到细菌上，关键步骤是什么？
关键步骤一：怎样提取合成蚕丝蛋白的基因？
关键步骤二：怎样将基因运输到细菌体内？
关键步骤三：怎样将基因与运载体连接起来？
基因的剪刀——限制性核酸内切酶
基因的针线——DNA连接酶
基因的运载工具——运载体
1、基因的剪刀——限制性核酸内切酶（简称限制酶）
限制酶是在生物体(主要是微生物)内的一种酶，能将外来的DNA切断，由于这种切割作用是在DNA分子内部进行的，故名限制性核酸内切酶。
特点：
（1）只能识别一种特定的核苷酸序列（专一性）
（2）只能在特定的位点上切割DNA分子（特异性）
特异性、专一性)
限制性内切酶 识别位点
EcoRⅠ
XbaⅠ
XhoⅠ
NdeⅠ G↓AATTC
T↓CTAGA
C↓TCGAG
CA↓TATG
表：几种常用限制性内切酶及其酶切位点
一、基因操作的工具
大肠杆菌(E.coli)的一种限制酶能识别GAATTC序列，并在G和A之间切开。
例如：
限制酶
CTTCATG AATTCCCTAA
GAAGTACTTAA GGGATT
GGCATCTTAA
AATTCCGTAG
练习使用EcoRI 剪切目的基因
CTTCATG AATTCCCTAA
GAAGTACTTAA GGGATT
GGCATCTTAA
AATTCCGTAG
目的基因
黏性末端
什么叫黏性末端？
被限制酶切开的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
切割位置：
磷酸二酯键
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？
会产生相同的黏性末端，然后让两者的黏性末端黏合起来，就似乎可以合成重组的DNA分子了。
G A A T T C
C T T A A G
G A A T T C
C T T A A G
G
C T T A A
A A T T C
G
G
C T T A A
A A T T C
G
G
C T T A A
A A T T C
G
用同种限制酶切割
2、基因的针线——DNA连接酶
黏性末端的黏合：
连接位置：
磷酸二酯键
互补的碱基形成氢键连接
黏性末端的连接：
DNA连接酶连接缺口
？如何将外源基因送入受体细胞呢？
使用DNA连接酶制作重组DNA分子
甲片段
CTTCATG AATTCCCTAA
GAAGTACTTAA GGGATT
乙片段
GGCATCTTAA
AATTCCGTAG
重组DNA分子
GGCATCTTAA
AATTCCGTAG
3、基因的运载工具——运载体：
常用的运载体主要有两类：
1）质粒
2）噬菌体或某些动植物病毒
原理：
利用运载体侵染宿主细胞的能力，将目的基因导入宿主细胞。
质粒：
质粒是基因工程最常用的运载体。
质粒存在于细菌、酵母菌等生物中，是细胞染色体外能够进行自主复制的很小的环状DNA分子。
(1)能在宿主细胞中复制并稳定保存；
(2)具有多个限制酶的切点，便于与不同的目的基因连接；
(3)具有某些标记基因，便于筛选成功导入的受体细胞。
运载体的特点
普通细菌
蜘蛛
提取
丝蛋白基因
与运载体DNA结合
导入
转基因细菌(含蜘蛛丝蛋白基因)
蜘蛛丝蛋白
（二）基因工程的步骤
如何让细菌“吐蛛丝”呢？简述其过程。
基因工程的原理及操作步骤
1
2
基因工程的操作工具
1.基因的剪刀
——限制性内切酶
2.基因的针线
——ＤＮＡ连接酶
3.基因的运输工具
——运载体
基因工程的操作步骤
1.目的基因的提取
2.目的基因与运载体结合
3.目的基因导入受体细胞
4.目的基因的检测与表达
第一步：获取目的基因：
三、工程基本步骤
2、目的基因与运载体结合
　　用与提取目的基因相同的限制酶切割质粒使之出现一个切口，将目的基因插入切口处，让目的基因的黏性末端与切口上的黏性末端互补配对后，在连接酶的作用下连接形成重组DNA分子。
第三步：将目的基因导入受体细胞
导入
扩增
常用的受体细胞：菌类和动植物细胞
常用的受体细胞：
有大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母菌和动植物细胞等。
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。
目的基因导入受体细胞
4、目的基因的表达和检测
　　大量的受体细胞接受不多的目的基因。处理的受体细胞中真正摄入了目的基因的很少，必须将它从中检测出来。
将每个受体细胞单独培养形成菌落，检测菌落中是否有目的基因的表达产物。淘汰无表达产物的菌落，保留有表达产物的进一步培养、研究。
无表达产物
无表达产物
有表达产物
无表达产物
　　
棉花细胞
(含抗虫基因)
基因工程培育抗虫棉的简要过程：
普通棉花(无抗虫特性)
苏云金芽孢杆菌
提取
抗虫基因
与运载体DNA结合
导入
棉花植株
(有抗虫特性)
（三）基因工程的应用
二、基因工程的应用
　　运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的农作物及畜、禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的动、植物。
生长快、耐不良环境、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)
1、基因工程与作物育种
基因工程在农业上的应用
培育抗逆性品种
将细菌的抗虫、抗病毒、抗除草剂、抗盐碱、抗干旱、抗高温等抗性基因转移到作物体内，将从根本上改变作物的特性。如转基因抗虫棉。
抗虫基因作物的意义：
减少农药的用量，降低了生产的成本，减少了农药对环境的污染。
转黄瓜抗青枯病基因的甜椒
转鱼抗寒基因的番茄
转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯
不会引起过敏的转基因大豆
转基因龙胆花色奇异
转基因蓝猪耳改变花色
转基因牵牛花改变了花色
A：紫外光照射下的转绿色荧光蛋白的 Eustoma (Lisianthus) 花。
B：转没有绿色荧光蛋白的空质粒的花，
2002年，中国转基因棉花达到150万公顷，已经占到棉花产量的1／3.
我国大豆食用油近七成是“转基因”产品
与杂交育种、诱变育种相比较，基因工程育种的优点有哪些？
目的性强、克服远源杂交不亲和性、育种周期短
基因工程在畜牧业的应用
繁殖具有抗病能力、高产仔率、高产奶率和高质量的皮毛等优良品质的转基因动物（如奶牛）。
该过程的重要步骤是重组DNA转移到动物受精卵中。
将人的生长激素基因和牛的生长素基因分别注射到小白鼠受精卵中，得到的“超级小鼠”。
导入人基因具特殊用途的猪和小鼠
特殊动物
图为2001年12月底出生的5只可爱的转基因克隆小猪。据培育者英国PPL医疗公司称，这些转基因小猪将为研究和“生产”适用于人体移植手术使用的动物器官提供巨大的帮助。
1、微生物基因工程：
2、细胞基因工程：
3、转基因动物：
即把目的基因导入大肠杆菌等菌中，通过微生物表达目的基因的产物。
即用哺乳动物细胞株表达目的产物
即将目的基因直接导入鼠、兔、羊和猪体内，使目的基因在哺乳动物体内表达，从儿获得目的产物
产品名称 菌株或细胞 应用
人胰岛素 大肠杆菌
人生长激素 大肠杆菌
表皮生长因子 大肠杆菌
白细胞介素-2 大肠杆菌
a—干扰素 酵母菌
乙型肝炎疫苗 酵母菌
溶血栓剂 哺乳动物 细胞
治疗糖尿病
治疗生长缺陷症
治疗烫伤、胃溃疡
治疗某些癌症
治疗癌症或病毒感染
预防病毒性肝炎
治疗心血管病
（心脏病）
基因工程与药物研制
　　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。
（三）基因工程的应用
　　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%!
（三）基因工程的应用
环境保护：　　
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。
　　通常一种细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。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。
（三）基因工程的应用
转基因食品
安全吗 !
（1）要将目的基因与运载体连接起来，在基因操作中应选用
A、只需DNA连接酶
B、同一种限制酶和DNA连接酶
C、只需限制酶
D、不同的限制酶和DNA连接酶
练 习
（2）下列各项中，说明目的基因完成了表达的是
A、棉珠中含有杀虫蛋白基因
B、大肠杆菌中具有胰岛素基因
C、酵母菌中产生了干扰素
D、抗病毒基因导入土豆细胞中
（3）有关基因工程的叙述正确的是
A、限制酶只在获得目的基因时才用
B、重组质粒的形成在细胞内完成
C、质粒都可作为运载体
D、蛋白质的结构可为合成目的基因提供资料
（4）有关基因工程的叙述中，错误的是
A、DNA连接酶将黏性末端的碱基对连接起来
B、 限制性内切酶用于目的基因的获得
C、目的基因须由运载体导入受体细胞
D、人工合成目的基因不用限制性内切酶
（5）要使目的基因与对应的载体重组，所需的两种酶是
①限制酶　 ②连接酶　 ③解旋酶 ④还原酶
Ａ、①② Ｂ、③④ Ｃ、①④ Ｄ、②③
（6）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ＤＮＡ分子的ＧＡＡＴＴＣ顺序，切点在Ｇ和Ａ之间，这是利用了酶的
Ａ、高效性　　　Ｂ、专一性　　　
Ｃ、多样性　　　Ｄ、催化活性易受外界影响
（8）不属于基因工程方法生产的药物是
A、干扰素 B、白细胞介素
C、青霉素 D、乙肝疫苗
（7）基因工程的正确操作步骤是
①使目的基因与运载体结合
②将目的基因导入受体细胞
③检测目的基因的表达是否符合特定性状要求
④提取目的基因
Ａ、③②④① Ｂ、②④①③
Ｃ、④①②③ Ｄ、③④①②
（9）采用基因工程的方法培育抗虫棉，下列导入目的基因的作法正确的是
①将毒素蛋白注射到棉受精卵中　　
② 将编码毒素蛋白的ＤＮＡ序列，注射到棉受精卵中　
③将编码毒素蛋白的ＤＮＡ序列，与质粒重组，导入细菌，用该细菌感染棉的体细胞，在进行组织培养
④将编码毒素蛋白的ＤＮＡ序列，与细菌质粒重组，注射到棉的子房并进入受精卵中
Ａ、① ② Ｂ、② ③ Ｃ、③ ④ Ｄ、④ ① 　　
（11）在基因操作的基本步骤中，不进行碱基互补配对的
A、人工合成目的基因
B、目的基因与运载体结合
C、将目的基因导入受体细胞
D、目的基因的检测和表达
（10）转基因动物是指
A、提供基因的动物
B、基因组中增加外源基因的动物
C、能产生白蛋白的动物
D、能表达基因信息的动物
（12）下列各项中，与基因工程无关的是
A、选择“工程菌”生产胰岛素
B、培育转基因抗虫棉
C、人工诱导多倍体
D、利用DNA探针检测应用水是否含有病毒
（13）基因工程中常采用细菌、酵母菌等微生物作为受体细胞，原因是
A、结构简单、操作方便 B、繁殖速度快
C、遗传物质含量少 D、性状稳定，变异少
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