(共28张PPT)
第1节 重组DNA技术的基本工具
第3章 基因工程
我国是棉花的生产和消费大国,棉花在种植过程中,常常受到棉铃虫的侵袭,这会使棉花产量大大减产。大量施用农药杀虫不仅会提高生产成本,还可能造成农产品和环境的污染。如果能培育出自身就能抵抗虫害的棉花新品种,这一问题就会迎刀而解。
棉花本身不具有“杀虫基因”,而苏云金杆菌由一种“杀虫基因”,它能通过编码产生抗虫蛋白来杀手棉铃虫。
普通棉花和转基因抗虫棉
甲生物
取出优秀基因
“剪切”
“拼接”
乙生物
表达
新类型
新的生物产品
基因工程
是指按照人们的愿望,通过体外转基因等技术,赋予生物新的遗传特性,创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的,因此又叫做重组DNA技术。
别名
操作环境
操作对象
操作水平
基本过程
结果
原 理
优 点
重组DNA技术
生物体外
基因
剪切→拼接→导入→表达
人类需要的新的生物类型和生物产品
对基因工程概念的理解
基因重组
克服远缘杂交不亲和障碍、
定向改造生物性状
DNA分子水平
工具
分子手术刀
分子缝合针
分子运输车
限制性内切核酸酶:
DNA连接酶:
载体:
准确切割DNA分子
将DNA片段连接起来
将体外重组好的DNA分子导入受体细胞
“分子手术刀”
准确切割DNA分子
“分子缝合针”
“分子运输车”
将DNA片段连接起来
将体外重组好的DNA分子导入受体细胞
重组DNA技术所需的三种基本工具
来源:
种类:
主要来自原核生物
数千种
(限制酶不是一种酶,而是一类酶)
1.“分子手术刀”—— 限制性核酸内切酶(限制酶)
你能根据所掌握的知识,推测限制酶存在于原核生物中的主要作用是什么吗?
原核生物容易受到自然界外源DNA的入侵,所以它在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制。限制酶就是它的一种防御性工具。当外源DNA入侵时,它会利用限制酶来切割外源DNA,使之失效,以保证自身安全。所以,简单来说:限制酶在原核生物中起到的作用为切割外源DNA、使之失效,以保证自身安全
试推测限制酶为什么不会切割自身的DNA?
原核生物中不存在该酶的识别序列或识别序列已被修饰
特点:
识别双链DNA分子的特定核苷酸序列,并且使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开。
(特异性)
1.“分子手术刀”—— 限制性核酸内切酶(限制酶)
1’
2’
3’
4’
5’
G
1’
2’
3’
4’
5’
A
磷酸二酯键
T
G
C
C
G
T
A
A
5'
3'
5'
3'
仔细观察以下四种限制酶识别的特定序列有何特点?
EcoRⅠ
……G-A-A-T-T-C……
……C-T-T-A-A-G……
HindⅢ
……A-A-G-C-T-T……
……T-T-C-G-A-A……
BamHⅠ
……G-G-A-T-C-C……
……C-C-T-A-G-G……
TaqⅠ
………T-C-G-A………
………A-G-C-T………
呈现碱基互补对称,无论是6个碱基还是4个碱基,都可以找到一条中心轴线,中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的
限制酶的命名:
1.“分子手术刀”—— 限制性核酸内切酶(限制酶)
是根据细菌种类而定:用生物属名的头一个字母与种加词的头两个字母,组成了3个字母的略语,以此来表示这个酶是从哪种生物中分离出来的。
EcoRⅠ:大肠杆菌(Escherichia coli)R型菌株中分离出的第一个限制酶;
SmaⅠ:粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens)中分离出的第一个限制酶。
两种常用的限制酶:
EcoRⅠ和SmaⅠ
1.“分子手术刀”—— 限制性核酸内切酶(限制酶)
EcoR I 限制酶的切割:
只能识别GAATTC序列,并在G和A之间切开。
黏性末端
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。
平末端 平末端
1.“分子手术刀”—— 限制性核酸内切酶(限制酶)
Sma I 限制酶的切割:
只能识别CCCGGG序列,并在G和C之间切开。
限制酶从识别序列的中心轴线处切开时,切开的DNA两条单链的切口,是平整的,这样的切口叫平末端。
写出下列限制酶切割形成的黏性末端
BamHⅠ____ EcoRⅠ___
HindⅢ___ BglⅡ ___
GATC
AATT
AGCT
GATC
思考:你从中发现什么现象了?
不同的限制酶可能切割形成相同的黏性末端
学以致用
以下黏性末端是由__种限制酶作用产生的
3
思考:你从中发现什么现象了?
相同的黏性末端也可能是由不同限制酶作用形成的
学以致用
CTTCATG
GAAGTACTTAA
AATTCCCTAA
GGGATT
GG...TCTTAA
AATTCC...AG
TCTTCATG
AGAAGTACTTAA
AATTCCCTAAG
GGGATTC
GG...TCTTAA
AATTCC...AG
2.“分子缝合针”—— DNA连接酶
2.“分子缝合针”—— DNA连接酶
(1)作用:
类型 E·coli DNA连接酶 T4DNA连接酶
来源 ____________ ____________
功能 只缝合____________ 缝合____________和____________
结果 恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的_________________
大肠杆菌
T4噬菌体
黏性末端
黏性末端
平末端(效率较低)
磷酸二酯键
(2)类型:
将双链DNA片段“缝合”起来,恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键,使之成为一个完整的DNA分子。
DNA连接酶 DNA聚合酶
相同 作用实质
化学本质
不 同 点 模板
作用对象
作用结果
用途
都能催化形成磷酸二酯键
都是蛋白质
不需要
需要DNA的一条链作模板
形成完整的重组DNA分子
形成DNA的一条链
基因工程
DNA复制
只能将单个核苷酸连接到已有的DNA片段上,形成磷酸二酯键
在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键
DNA连接酶和DNA聚合酶功能比较
根据所学知识,完成以下填空:
①限制酶 ②解旋酶 ③DNA连接酶 ④DNA聚合酶 ⑤RNA聚合酶
b
a
A.切断a处的酶为_______
B.连接a处的酶为_______
C.切断b处的酶为_______
①
③④
②
a:磷酸二酯键;b:氢键
学以致用
将外源基因送入受体细胞, 在受体细胞内对目的基因进行大量复制.
1.作用:
2.种类:
3.“分子运输车”——基因进入受体细胞的载体
质粒、噬菌体和动植物病毒等。
种类 用途 不同点
质粒、噬菌体
植物病毒
动物病毒
将外源基因导入大肠杆菌等受体细胞
将外源基因导入植物细胞
将外源基因导入动物细胞
来源不同,在大小、结构、复制方式以及可以插入外源DNA片段的大小也有很大差别
3.作为载体需具备的条件
(1)有一个至多个限制酶切割位点
目的:供外源DNA片段(基因)插入其中。
(2)能在受体细胞中进行自我复制或整合到受体DNA上, 随受体DNA同步复制。
(3)常有特殊的标记基因
(如四环素抗性基因、氨苄青霉素抗性基因等)
目的:便于重组DNA分子的鉴定和筛选。
(4)对受体细胞无害,大小合适、方便操作。
3.“分子运输车”——基因进入受体细胞的载体
4.最常用的运载体——质粒
(1)质粒的化学本质:
质粒是一种裸露的、结构简单的、独立于真核细胞细胞核或原核细胞拟核DNA之外,并具有自我复制能力的环状双链DNA分子
(2)基因工程中使用质粒的特点:
在基因工程操作中,真正被用作载体的质粒,都是天然质粒的基础上进行过人工改造的;这些质粒上常有特殊的标记基因,便于重组DNA分子的筛选;
3.“分子运输车”——基因进入受体细胞的载体
1)DNA的基本组成单位都是四种脱氧核苷酸
2)都遵循碱基互补配对原则
3)双链DNA分子的空间结构都是规则的双螺旋结构
思考1:DNA为何能在不同生物间进行转移与拼接?
1)基因是控制生物性状的结构与功能单位
2)遗传信息传递都遵循中心法则
3)生物界几乎共用一套遗传密码
思考2:外源基因在受体细胞中能表达的原因?
DNA
(基因)
翻译
转录
蛋白质
(性状)
RNA
复
制
中心法则
利用DNA与RNA、蛋白质和脂质等在物理和化学性质方面的差异,提取DNA,去除其他成分。
一、提取DNA的基本思路(DNA的粗提取)
二、实验原理:
1.DNA不溶于酒精,但某些蛋白质溶于酒精。
2.DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同,能溶于2mol/L NaCl溶液。
3.在一定温度下,DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色。
0
DNA溶解度
NaCl浓度
0.14mol/L
2mol/L
DNA的粗提取与鉴定
DNA含量相对较高的生物组织,如新鲜洋葱、香蕉、菠菜、菜花和猪肝等
注意:不能选择哺乳动物成熟的红细胞,因为哺乳动物成熟的红细胞中没有细胞核和线粒体,几乎不含DNA
1.选材:
2.试剂:
①研磨液
②体积分数为95%的酒精
③2mol/L 的NaCl溶液
④二苯胺试剂
⑤蒸馏水
析出DNA
溶解DNA
鉴定DNA,要现配现用
三、材料用具
抑制核酸水解酶的活性,进而抑制DNA降解;抑制DNA分子运动,使DNA易形成沉淀析出;
1.取材、研磨:
称取30g洋葱,切碎,然后放入研钵中,倒入10mL 研磨液,充分研磨
研磨的目的:
破碎细胞,使核物质容易溶解在研磨液中
2.过滤或离心取上清液:
方法一:在漏斗中垫上纱布,将洋葱研磨液过滤到烧杯中,在4℃冰箱中放置几分钟后,再取上清液。
方法二:直接将研磨液倒入塑料离心管中,1500r/min的转速下离心5min,再取上清液放入烧杯中。
①上清液中除DNA之外,可能含有哪些杂质?
可能含有核蛋白、多糖等杂质
②低温放置几分钟的作用:
四、方法步骤:
研磨洋葱
3.预冷酒精析出DNA或离心收集沉淀中的DNA
方法一:在上清液中加入体积相等的、预冷的酒精溶液(体积分数为95%),静置2-3min,溶液中出现的白色丝状物就是粗提取的DNA。用玻璃棒沿一个方向搅拌,卷起丝状物,并用滤纸吸去上面的水分;
方法二:将溶液倒入塑料离心管中,在10000r/min的转速下离心5min,弃上清液,将管底的沉淀物(粗提取的DNA)晾干。
①搅拌时应轻缓、并沿一个方向:
减少DNA断裂,以便获得较完整的DNA分子
用冷却的酒精析出DNA
四、方法步骤:
②酒精预冷的作用:
低温可抑制核酸水解酶的活性,进而抑制DNA降解;
低温抑制DNA分子运动,使DNA易形成沉淀析出;
低温有利于增加DNA的柔韧性,减少断裂。
4.NaCl溶液溶解DNA并鉴定
取两支20mL的试管,各加入2mol/L的NaCl溶液5mL。将丝状物或沉淀物溶于其中一支试管的NaCI溶液中。向两支试管中各加入4mL的二苯胺试剂。混合均匀后,将试管置于沸水中加热5min。待试管冷却后,比较两支试管中溶液颜色的变化。
实验组
对照组
水浴加热
四、方法步骤:
溶液蓝色的深浅与溶液中DNA的含量的多少有关。
1.如果选用鸡血细胞进行实验,如何快速破碎细胞?
2.有时会在DNA滤液中添加嫩肉粉(木瓜蛋白酶),这样有什么好处?
3.有时还会反复利用不同浓度的NaCl溶液来溶解、析出DNA,试猜想该操作的目的?
将鸡血细胞置于蒸馏水中,待细胞涨破后,收集滤液。
利用蛋白酶分解杂质蛋白,不分解DNA,有利于DNA与蛋白质分开。
进一步纯化DNA——用高盐浓度的溶液溶解DNA,能除去在高盐溶液中不能溶解的杂质;用低盐溶液使DNA析出,能除去溶解在低盐溶液中的杂质。因此,通过反复溶解与析出DNA,就能够除去与DNA溶解度不同的多种杂质。
思考
2.有2个不同来源的DNA片段A和B,A片段用限制酶SpeI进行切割,B片段分别用限制酶HindI、XbaI、EcoRV和Xhol进行切割。各限制酶的识别序列和切割位点如下。
(2)不同的限制酶切割可能产生相同的黏性末端,这在基因工程操作中有什么意义
二、拓展应用(P74-75)
练习与应用
提示:识别DNA分子中不同核苷酸序列,但能切割产生相同黏性末端
的限制酶被称为同尾酶。同尾酶使构建载体时,切割位点的选择范围扩大。例如,我们选择了用某种限制酶切割载体,如果目的基因的核苷酸序列中恰好含有该限制酶的识别序列,那么用该限制酶切割含有目的基因的DNA片段时,目的基因就很可能被切断;这时可以考虑用合适的同尾酶(目的基因的核苷酸序列中不能有它的识别序列)来获取目的基因。