课件36张PPT。专题1 基因工程
1.1 DNA重组技术的基本工具一、基因工程的概念辨析DNA重组技术基因DNA分子水平拼接导入生物类型生物产品二、DNA重组技术的基本工具
1.限制性核酸内切酶(也称“限制酶”):
(1)来源:主要来自于_________。
(2)种类:约______种。
(3)特点:具有专一性。
①识别双链DNA分子的某种_______________。
②切割特定核苷酸序列中的特定位点。
(4)作用:断开每一条链中_________的两个核苷酸之间的
___________。
(5)结果:产生_________或_______。原核生物4 000特定核苷酸序列特定部位磷酸二酯键黏性末端平末端2.DNA连接酶:
(1)作用:将____________“缝合”起来,恢复被_______切开的
两个核苷酸之间的___________。
(2)种类:双链DNA片段限制酶磷酸二酯键E·coli大肠杆菌互补黏性末端黏性末端平末端3.基因进入受体细胞的载体:DNA分子λ噬菌体一个至多个限制酶切割位点标记基因携带外源DNA片段进入受体细胞三、重组DNA分子的模拟操作
1.材料用具:剪刀代表_______,透明胶条代表__________。
2.切割要点:
(1)先分别从两块硬纸板上的一条DNA链上找出____________序
列,并选____之间作切口进行“切割”。
(2)然后再从另一条链上___________之间寻找EcoRⅠ相应的切
口剪开。
3.若操作正确,不同颜色的黏性末端应能_________;否则,说明
操作有误。EcoRⅠDNA连接酶G-A-A-T-T-CG-A互补的碱基互补配对1.判断正误
(1)限制酶切割产生的黏性末端和平末端在恢复时需用的DNA
连接酶可以不加选择。( )
【分析】E·coliDNA连接酶只能连接黏性末端,而T4DNA连接
酶既可以连接黏性末端又可以连接平末端,所以必须进行选择。
(2)限制酶和DNA解旋酶的作用部位相同。( )
【分析】限制酶作用于两个核苷酸之间的磷酸二酯键,DNA解
旋酶作用于碱基对的两个碱基之间的氢键。
(3)DNA连接酶起作用时不需要模板。( )××√2.问题思考
(1)不同的限制酶具有不同的识别序列,说明限制酶具有什么特点?
提示:专一性。
(2)作为运载工具的载体,要求必须对受体细胞无害,为什么?
提示:载体如果对受体细胞有害,其一旦被导入受体细胞,就会影响受体细胞的生命活动,甚至破坏受体的生命活动。一、几种工具酶的作用比较
1.限制性核酸内切酶与DNA连接酶的比较:
(1)区别:(2)两者的关系可表示为:2.限制性核酸内切酶与解旋酶的比较:
(1)相同点:都是作用于DNA分子中的化学键。
(2)不同点:作用部位不同,前者作用于磷酸二酯键,后者作用于氢键。3.DNA连接酶与DNA聚合酶的比较:4.四种酶的作用部位图解:
(1)作用于a(磷酸二酯键)的酶:限制酶、DNA连接酶和DNA聚合酶。
(2)作用于b(氢键)的酶:解旋酶。 【易错提醒】(1)不同DNA分子用同一种限制酶切割形成的黏性末端都相同;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连接酶无识别的特异性,DNA连接酶对于黏性末端或平末端都能催化其“缝合”,重新形成DNA分子。 【典例训练1】(2013·枣庄高二检测)现有一长度为1 000个碱基对(bp)的DNA分子,用限制性核酸内切酶EcoRⅠ酶切后得到的DNA分子仍是1 000 bp,用KpnⅠ单独酶切得到400 bp和600 bp两种长度的DNA分子,用EcoRⅠ、KpnⅠ同时酶切后得到200 bp和600 bp两种长度的DNA分子。该DNA分子的酶切图谱正确的是
( )【解题关键】解答本题的关键有两点:
(1)首先要会读图、析图,所给选项中有线形DNA、环状DNA两种。
(2)正确分析切割位点不同所得片段不同。【解析】选D。从题干中“用限制性核酸内切酶EcoRⅠ酶切后得到的DNA分子仍是1 000 bp”,再结合选项中DNA分子的可能酶切图谱分析可知,此DNA分子是环状,故A、B排除。同理,从“用KpnⅠ单独酶切得到400 bp和600 bp两种长度的DNA分子”,又可推知图谱中应有两个KpnⅠ酶切位点,故选D。【变式训练】限制酶是一种核酸切割酶,可识别并切割DNA分子上特定的核苷酸序列。如图为四种限制酶BamHⅠ、EcoRⅠ、HindⅢ以及BglⅡ的识别序列。箭头表示每一种限制酶的特定切割部位,其中哪两种限制酶所切割出来的DNA片段末端可以互补黏合?其正确的末端互补序列是什么( )A.BamHⅠ和EcoRⅠ 末端互补序列为AATT-
B.BamHⅠ和HindⅢ 末端互补序列为GATC-
C.EcoRⅠ和HindⅢ 末端互补序列为AATT-
D.BamHⅠ和BglⅡ 末端互补序列为GATC-【解析】选D。A项中BamHⅠ酶切出的末端序列为-GATC-,
EcoRⅠ酶切出的末端序列为-AATT-,两者不互补;B项HindⅢ酶切出的末端序列为-AGCT-,与BamHⅠ酶切出的末端序列不互补;同理可推,C项中也不互补,只有D项中才互补。二、基因工程中常用的载体——质粒
1.特点:是一种裸露的、小型、双链、环状DNA分子。
2.本质:是独立于细菌拟核DNA之外的小型DNA分子,不是细胞器。3.质粒作为载体所具备的条件:
(1)能自我复制:能够在受体细胞中进行自我复制,或整合到染色体DNA上,随染色体DNA进行同步复制。
(2)有切割位点:有一个至多个限制酶切割位点,供外源基因插入。
(3)具有标记基因:具有特殊的标记基因,供重组DNA的鉴定和选择。
(4)无毒害作用:对受体细胞无毒害作用,否则受体细胞将受到损伤甚至死亡。4.作用:
(1)作为运输工具,将目的基因导入受体细胞。
(2)质粒携带目的基因在受体细胞内大量复制。【思维拓展】细胞膜上的载体与基因工程中的载体的区别
(1)化学本质不同:细胞膜上的载体化学成分是蛋白质;基因工程中的载体可能是物质,如质粒(DNA)、λ噬菌体的衍生物,也可能是生物,如动植物病毒等。
(2)功能不同:细胞膜上的载体功能是协助细胞膜控制物质进出细胞;基因工程中的载体是一种“分子运输车”,把目的基因导入受体细胞。 【典例训练2】目前基因工程所用的质粒载体主要是以天然细菌质粒的各种元件为基础重新组建的人工质粒,pBR322质粒是较早构建的质粒载体,其主要结构如下图所示。(1)构建人工质粒时要有抗性基因,以便于________________
___________________________________________________。
(2)pBR322分子中有单个EcoRⅠ限制酶作用位点,EcoRⅠ只能识别序列—GAATTC—,并只能在G与A之间切割。若在某目的基因的两侧各有1个EcoRⅠ的切点,请画出目的基因两侧被限制酶EcoRⅠ切割后所形成的黏性末端:______________________。
(3)pBR322分子中另有单个的BamHⅠ限制酶作用位点,现将经BamHⅠ处理后的质粒与用另一种限制酶BglⅡ处理得到的目的基因,通过DNA连接酶作用恢复 键,成功获得了重组质粒,说明 。(4)为了检测上述重组质粒是否导入原本无ampR和tetR的大肠杆菌,将大肠杆菌在含氨苄青霉素的培养基上培养,得到如图二的菌落。再将灭菌绒布按到培养基上,使绒布面沾上菌落,然后将绒布按到含四环素的培养基上培养,得到如图三的结果(空圈表示与图二对照无菌落的位置)。与图三空圈相对应的图二中的菌落表现型是 ,图三结果显示,多数大肠杆菌导入的是 。【解题关键】解答本题应明确以下两点:
(1)基因工程中工具酶的作用及特点。
(2)质粒的结构组成及其作用。【解析】(1)质粒作为基因表达载体的条件之一是要有抗性基因,以便于筛选(鉴别)目的基因是否导入受体细胞。
(2)同一限制酶切割DNA分子产生的黏性末端相同,根据题意可知:该目的基因两侧被限制酶EcoRⅠ切割后所形成的黏性末端为:(3)DNA连接酶催化两个DNA片段形成磷酸二酯键;而通过DNA连接酶作用能将两个DNA分子片段连接,表明经两种限制酶(BamHⅠ和BglⅡ)切割得到的DNA片段,其黏性末端相同。
(4)由题意知:由于与图三空圈相对应的大肠杆菌能在含氨苄青霉素的培养基上生长,而不能在含四环素的培养基上生长,故可推知与图三空圈相对应的图二中的菌落能抗氨苄青霉素,但不能抗四环素。由图二、图三结果显示,多数大肠杆菌都能抗氨苄青霉素,而经限制酶BamHⅠ作用后,标记基因tetR被破坏,而不能抗四环素,故多数大肠杆菌导入的是pBR322质粒。答案:(1)筛选(鉴别)目的基因是否导入受体细胞
(2)
(3)磷酸二酯 两种限制酶(BamHⅠ和BglⅡ)切割得到的黏性末端相同
(4)能抗氨苄青霉素,但不能抗四环素 pBR322质粒【互动探究】
(1)图一中有多个限制酶作用位点,其作用是什么?
提示:供外源DNA(或目的基因)插入其中。
(2)本题中将经BamHⅠ处理后的质粒与用EcoRⅠ处理得到的目的基因,通过DNA连接酶是否一定能连接,为什么?
提示:不一定。BamHⅠ和EcoRⅠ处理得到的DNA黏性末端如果相同则可以连接,否则不能连接。 课件54张PPT。1.2 基因工程的基本操作程序一、基因工程的基本操作程序
目的基因的获取
↓
_____________的构建
↓
将_________导入受体细胞
↓
目的基因的___________基因表达载体目的基因检测与鉴定二、目的基因的获取
1.目的基因:
(1)主要是指___________的基因;
(2)一些具有_________的因子。编码蛋白质调控作用2.获取方法:
(1)从基因文库中获取:
基因文库基因文库基因组文库：含有一种生物_____的基因
部分基因文库：含有一种生物的_______基因，
如cDNA文库所有一部分(2)利用PCR技术扩增目的基因:
①含义:是一项在生物体外________________的核酸合成技术。
②原理:____________。
③条件:_____、DNA模板、______、四种脱氧核苷酸。复制特定DNA片段DNA双链复制引物Taq酶④过程:
目的基因DNA受热_____后解链为单链
↓
_____与单链相应互补序列结合
↓
在__________作用下进行_____
↓
重复循环多次
⑤结果:每次循环后目的基因的量增加一倍,即成_____形式扩
增(约为2n)。变性引物DNA聚合酶延伸指数(3)人工合成法:
①条件:基因比较小,___________又已知;
②方法:通过__________用化学方法直接人工合成。核苷酸序列DNA合成仪三、基因表达载体的构建
1.构建基因表达载体的目的:
(1)使目的基因在_________中稳定存在,并且可以_____给下一
代;
(2)使目的基因能够_____和_________。受体细胞遗传表达发挥作用2.基因表达载体组成:
3.基因表达载体的功能:通过基因表达载体将_________导入受
体细胞。启动子终止子标记目的基因四、将目的基因导入受体细胞
1.转化含义:_________进入受体细胞内,并且在受体细胞内
_________和_____的过程。目的基因维持稳定表达2.转化方法:
(1)导入植物细胞:
方法
(2)导入动物细胞_____________：双子叶植物或_____植物
基因枪法：___________
花粉管通道法农杆菌转化法裸子单子叶植物①方法：_____________
②常用受体细胞：_______显微注射技术受精卵(3)导入微生物细胞:
①方法:
a.用____处理细胞,使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子
的生理状态(这种细胞称为___________)。
b.感受态细胞吸收____________________。
②受体细胞:原核细胞(使用最广泛的是大肠杆菌细胞)。
③原核生物的特点:繁殖快、多为单细胞、_________________
等。 Ca2+感受态细胞重组表达载体DNA分子遗传物质相对较少五、目的基因的检测与鉴定
1.分子水平检测:
连线检测目标与其采用的检测方法
2.个体生物学水平鉴定。1.判断正误
(1)所有的目的基因都可从基因文库中直接获得。( )
【分析】有些目的基因不能直接从基因文库中获得,如自然界
中不存在,需人工合成的目的基因。
(2)PCR技术中DNA解链温度(90℃～95℃)越高,DNA中A与T碱基
对比例越高。( )
【分析】DNA分子中A与T之间有2个氢键、C与G之间有3个氢键,
如果模板DNA中C≡G碱基对的比例高,则解链时需要的温度也
相对高。××(3)标记基因的作用是为了鉴别受体细胞中是否含有目的基因,
从而将含有目的基因的细胞筛选出来。( )
(4)基因工程四步曲中都涉及碱基互补配对。( )
【分析】基因工程四步曲中只有第三步“将目的基因导入受体
细胞”没有发生碱基互补配对,其他三步都涉及碱基互补配对。√×2.问题思考
(1)为什么要用同一种限制酶切割质粒和含目的基因的DNA分子?
提示:目的是产生相同的黏性末端,便于两者完成拼接。
(2)用于构建基因表达载体的质粒为什么必须具有启动子和终止子?
提示:导入到受体细胞的目的基因的表达需要调控序列,因此在插入目的基因的部位之前需有启动子,之后需有终止子。一、目的基因的获取
1.基因文库、基因组文库、cDNA文库:
(1)基因文库的含义:将含有某种生物不同基因的许多DNA片段,导入受体菌的群体中储存,各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因,称为基因文库。
(2)基因文库的分类:
①基因组文库:包含一种生物所有基因的文库。
②部分基因文库:只包含一种生物的一部分基因的文库,如cDNA文库。(3)cDNA文库与基因组文库的主要区别:2.提取目的基因的方法比较:3.PCR技术与生物体内DNA复制的比较:【典例训练1】(2012·浙江高考)天然的玫瑰没有蓝色花,这是由于缺少控制蓝色色素合成的基因B,而开蓝色花的矮牵牛中存在序列已知的基因B。现用基因工程技术培育蓝玫瑰,下列操作正确的是( )
A.提取矮牵牛蓝色花的mRNA,经反转录获得互补的DNA,再扩增基因B
B.利用限制酶从开蓝色花的矮牵牛的基因文库中获取基因B
C.利用DNA聚合酶将基因B与质粒连接后导入玫瑰细胞
D.将基因B直接导入大肠杆菌,然后感染并转入玫瑰细胞【解题关键】解答本题的关键是明确获取目的基因的方法、基因工程的工具及基因工程操作的基本步骤。【解析】选A。由题意知:控制蓝色色素合成的基因B是目的基因,提取矮牵牛蓝色花的mRNA,经反转录获得互补的DNA,再扩增基因B,然后导入天然的玫瑰细胞中,经培育该受体细胞即能获得蓝玫瑰,故选项A正确。限制酶用于切割目的基因而不是获取目的基因;将目的基因B与质粒连接需用DNA连接酶,而不是DNA聚合酶;基因B需与质粒连接形成基因表达载体再导入农杆菌,然后感染并转入玫瑰细胞,而不能将基因B直接导入大肠杆菌。【变式训练】下列属于获取目的基因的方法的是( )
①利用mRNA反转录形成 ②从基因组文库中提取
③从受体细胞中提取 ④利用PCR技术合成
⑤利用DNA转录形成 ⑥人工合成
A.①②③⑤ B.①②⑤⑥
C.①②③④ D.①②④⑥【解析】选D。目的基因的获取可以从基因文库中提取,也可以用mRNA反转录形成DNA的一条链,然后合成DNA分子;对于一些已知一段核苷酸序列的目的基因,可用PCR技术扩增合成;对于一些短小而无模板且已知核苷酸序列的目的基因可用人工合成法。受体细胞是目的基因表达的场所,不能从中提取目的基因;DNA转录出的是RNA,不能得到目的基因。二、基因表达载体的构建
1.组成 2.构建方法:【易错提醒】启动子和终止子、起始密码子与终止密码子的区别
(1)启动子和终止子都在DNA上,在遗传信息转录时起作用。启动子是启动转录的开始,终止子是DNA分子上决定转录停止的一段DNA序列,其组成单位都是脱氧核苷酸。
(2)起始密码子和终止密码子都是mRNA上三个相邻碱基。起始密码子决定翻译的开始,终止密码子决定翻译的停止。【典例训练2】(2013·聊城高二检测)下列关于基因表达载体的构建描述错误的是( )
A.基因表达载体的构建是基因工程的核心
B.基因表达载体的构建包括目的基因、启动子、终止子、标记基因等部分
C.目的基因主要是指编码蛋白质的结构基因
D.构建的基因表达载体都是相同的
【解题关键】解答本题的关键是明确以下两点:
(1)基因表达载体的组成;
(2)构建基因表达载体的目的、方法。【解析】选D。基因表达载体的构建是基因工程的第二步,也是基因工程的核心;一个基因表达载体的组成除目的基因外还必须具有启动子、终止子、标记基因等部分;目的基因主要是指编码蛋白质的结构基因;由于受体细胞不同,基因表达载体的构建也会有差别,不可能都是相同的。三、目的基因导入受体细胞
1.目的基因导入受体细胞的过程:2.目的基因导入受体细胞的常用方法:【思维拓展】(1)目的基因导入受体细胞后不一定都能够维持稳定和遗传:
目的基因能否在植株细胞内稳定保存并表达的关键是目的基因是否插入到受体细胞染色体上的DNA中。图中过程b与过程a相比,b会使目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达,而a细胞分裂时,细胞质是不均分的,子细胞不一定含有目的基因。
(2)Ca2+促进转化的原因:
Ca2+(或CaCl2溶液)对微生物细胞的作用是增加细胞壁的通透性。【典例训练3】农杆菌是一种在土壤中生活的微生物,能在自然条件下感染植物,因而在植物基因工程中得到了广泛的运用。下图为农杆菌转化法的示意图,试回答下列问题:(1)一般情况下农杆菌不能感染的植物是 ,利用农杆菌自然条件下感染植物的特点,能实现 。具体原理是在农杆菌的Ti质粒上存在T-DNA片段,它具有可转移至受体细胞并整合到受体细胞 上的特点,因此只要将携带外源基因的DNA片段插入到 (部位)即可。
(2)根据T-DNA这一转移特点,推测该DNA片段上可能含有控制
(酶)合成的基因。(3)图中c过程中,能促进农杆菌向植物细胞转移的物质是
类化合物。
(4)植物基因工程中除了农杆菌转化法之外,还可采取_______
__________________________________。(至少写出两种)【解题关键】解答本题的关键有:
(1)分析农杆菌能感染双子叶植物和裸子植物的本质;
(2)分析农杆菌中Ti质粒中的T-DNA特点及其整合到染色体DNA的实质。【解析】(1)一般农杆菌不能感染的植物是单子叶植物,可感染双子叶植物和裸子植物。利用其感染性,可实现目的基因导入植物细胞。真正可转移至受体细胞并整合到受体细胞染色体的DNA上的是农杆菌T-DNA片段,因此目的基因必须插入到该部位才能成功。(2)根据T-DNA这一转移特点,可以推测该DNA片段能控制合成DNA连接酶、限制酶以实现与双子叶植物细胞染色体DNA的整合。(3)植物细胞受伤后可产生酚类物质,促进农杆菌向植物细胞转移。(4)植物基因工程中除了农杆菌转化法之外,还有基因枪法和花粉管通道法等。 答案:(1)单子叶植物 目的基因导入植物细胞
染色体的DNA T-DNA片段(内部)
(2)DNA连接酶、限制酶
(3)酚
(4)基因枪法、花粉管通道法【互动探究】
(1)怎样操作能使农杆菌感染单子叶植物?
提示:可在单子叶植物受损处涂加酚类物质来吸引农杆菌。
(2)根据题干分析,为什么动植物病毒也可作为基因工程的载体?
提示:病毒能够侵染正常细胞,有的病毒还能将自己的核酸整合到宿主细胞的染色体上,所以可以作为基因工程的载体。 四、目的基因的检测与鉴定
1.操作目的:
检测和鉴定目的基因导入受体细胞后,是否可以稳定维持和表达其遗传特性是基因工程最为关键的一步。2.目的基因检测与鉴定的方法比较:【易错提醒】关于不同分子检测的原理、场所、探针的异同
(1)进行转录水平的检测原理与复制水平的检测原理是相似的,只是被检测的物质不再是转基因生物的基因组DNA,而是转基因生物的细胞内的mRNA;进行翻译水平的检测,则是利用抗原与抗体特异性结合的原理。
(2)不论是复制水平、转录水平还是翻译水平的检测,都是在体外进行的。
(3)在DNA分子、mRNA分子上检测目的基因是否插入、目的基因是否转录时,用的探针都是放射性同位素等标记的含有目的基因的DNA片段。 【典例训练4】回答有关基因工程的问题:
(1)构建基因工程表达载体时,用不同类型的限制酶切割DNA后,可能产生黏性末端,也可能产生 末端。若要在限制酶切割目的基因和质粒后使其直接进行连接,则应选择能使二者产生 (相同、不同)黏性末端的限制酶。(2)利用大肠杆菌生产人胰岛素时,构建的表达载体含有人胰岛素基因及其启动子等,其中启动子的作用是 。在用表达载体转化大肠杆菌时,常用 处理大肠杆菌,以利于表达载体进入;为了检测胰岛素基因是否转录出了mRNA,可用标记的胰岛素基因片段作探针与mRNA杂交,该杂交技术称为 。为了检测胰岛素基因转录的mRNA是否翻译成 ,常用抗原—抗体杂交技术。【解题关键】本题考查基因工程的基本工具和操作过程,解答本题时应明确以下两点:
(1)明确基因工程的基本工具中限制酶和DNA连接酶的作用特点,理解载体的结构组成和各组分的作用。
(2)理解基因工程的操作过程,将目的基因导入受体细胞后还需要进一步检测和鉴定目的基因是否成功表达。 【解析】(1)限制酶切割产生两种末端:黏性末端和平末端;若用DNA连接酶连接两个末端,两个末端必须是相同的。
(2)基因工程检测的方法:检测目的基因是否导入,使用DNA分子杂交技术;检测目的基因是否转录,使用分子杂交技术;检测是否形成蛋白质,使用抗原—抗体杂交技术。
答案:(1)平 相同
(2)RNA聚合酶识别和结合的部位 Ca2+
分子杂交技术 蛋白质【规律方法】解答基因工程基本操作程序题目的一般步骤——三辨、三找、一析、一理
(1)三辨:分辨限制酶的种类及识别序列和切割位点。在切割目的基因和载体时,一般用同一种限制酶切割,也可用不同的限制酶切割,但两种限制酶切割后产生的黏性末端中碱基要互补配对。
(2)三找:找出标记基因、目的基因及其插入位点。一般来说,质粒中至少有一个标记基因,如抗生素抗性基因。明确目的基因的插入位点是在标记基因内部还是在标记基因之外。(3)一析:分析目的基因插入质粒后是否破坏了标记基因。如果质粒中有一个标记基因,插入后一般不破坏标记基因;如果质粒中有两个标记基因,则需看标记基因中是否有插入位点,如果某一标记基因中有插入位点,则目的基因插入质粒后该标记基因被破坏。
(4)一理:理清判断目的基因是否导入受体细胞的方法。一般用含有某种抗生素的培养基培养受体菌,如果有两种抗生素抗性基因,还需判断用哪一种抗生素来检测。课件45张PPT。1.3 基因工程的应用一、植物基因工程的成果
1.植物基因工程的应用领域:
(1)提高农作物的_________。
(2)改良_____________。
(3)利用植物_________等。抗逆能力农作物的品质生产药物2.抗虫与抗病转基因植物:杀虫活性的基因抗病基因蛋白酶淀粉酶外壳蛋白几丁质酶化学农药3.抗逆转基因植物:
连线抗逆转基因植物的类型及其所需目的基因。4.利用转基因改良植物的品质:
实例一:蛋白质编码基因合成途径关键酶实例二:
实例三:果实成熟的基因花青素代谢有关的基因二、动物基因工程的应用生长激素肠乳糖酶蛋白乳腺器官移植抗原决定基因克隆技术免疫排斥反应三、基因工程药物
1.来源:_____________。
2.成果:细胞因子、_____、_____、激素等。
3.作用:预防和治疗人类肿瘤、心血管疾病、_______、各种传
染病、_______、类风湿等疾病。转基因工程菌抗体疫苗遗传病糖尿病四、基因治疗
1.概念:把_________导入病人体内,使该基因的表达产物发挥
功能,从而达到治疗疾病的目的。
2.成果:将腺苷酸脱氨酶基因转入患者_________中,治疗复合
型免疫缺陷症。正常基因淋巴细胞3.方法:
(1)体外基因治疗:先从病人体内获得_________,如T淋巴细胞,
进行培养。然后,在_____完成基因转移,再筛选成功转移的细
胞_________,最后重新_____________。
(2)体内基因治疗:直接向人体组织细胞中_________的治疗方
法。某种细胞体外扩增培养输入患者体内转移基因1.判断正误
(1)转基因抗虫棉的Bt毒蛋白基因能抗病毒、细菌、真菌。
( )
【分析】抗虫基因控制合成的毒蛋白只能杀死蚕食棉株的昆
虫,具有专一性,不能毒杀病毒、细菌和真菌。×(2)基因工程中,要培育转基因植物和动物,选用的受体细胞都
是受精卵。( )
【分析】培育转基因植物可选用受精卵或体细胞作受体细胞。
因植物体细胞具有较高的全能性,可通过植物组织培养获得完
整个体。而要培育转基因动物,一般只能选用受精卵作受体细
胞。×(3)基因治疗又叫基因诊断。( )
【分析】基因治疗是将正常基因导入病人体内,使该基因的表
达产物发挥作用,从而达到治疗疾病的目的。基因诊断是用放
射性同位素、荧光分子等标记的DNA分子作探针,利用DNA分子
杂交原理,检测被测标本上的遗传信息,达到检测疾病的目的。×2.问题思考
(1)由细菌转化而来的工程菌合成的药物蛋白可能没有活性,为什么?
提示:细菌属于原核生物,细胞内没有内质网、高尔基体等细胞器,核糖体合成的肽链不能被进一步加工和包装,因而产生的药物蛋白可能没有活性。(2)研究人员在进行复合型免疫缺陷症的基因治疗时,将腺苷酸脱氨酶基因转入患者的什么细胞?为什么不能转入其他的体细胞?
提示:淋巴细胞。腺苷酸脱氨酶是人体免疫系统发挥正常功能所必需的,淋巴细胞只有具有这种酶才能产生抗体等免疫物质。一、植物基因工程的应用【易错提醒】Bt毒蛋白本身不具有毒性
Bt毒蛋白基因控制合成的毒蛋白本身没有毒性,只有被昆虫摄食进入消化道被消化分解为多肽后才具有毒性。【典例训练1】(2013·宁波高二检测)抗病毒转基因植物成功表达后,以下说法正确的是( )
A.抗病毒转基因植物可以抵抗所有病毒
B.抗病毒转基因植物对病毒的抗性具有局限性或特异性
C.抗病毒转基因植物可以抗害虫
D.抗病毒转基因植物可以稳定遗传,不会变异【解题关键】解答本题的关键是明确以下两点:
(1)抗病毒转基因植物的培育原理和过程:将外源抗病毒基因导入植物受体细胞,并使其成为受体(细胞)遗传物质的一部分,因而与转基因植物原有遗传物质一样,具有遗传性和变异性。
(2)基因表达产物及其特点:某抗病毒基因合成的毒蛋白只能抗特定的某种病毒,而不能抗所有病毒,更不能抗害虫。 【解析】选B。抗病毒转基因植物是将外源抗病毒基因导入植物受体细胞,并使抗病毒基因在受体细胞中表达,然后通过组织培养,获得抗病毒转基因植物。由于外源抗病毒基因具有特异性,因而其表达产物具有特异性或局限性,只能抵抗某种或某类病毒,不可能抵抗所有病毒,更不能抗害虫,故选项B正确,而选项A、C错误。目的基因导入受体细胞后,可以随受体内的自身遗传物质稳定遗传,也会同自身遗传物质一样发生变异。【变式训练】某科学家从细菌中分离出耐高温淀粉酶基因a,通过基因工程的方法,将a转到马铃薯植株中,经检测发现耐高温淀粉酶在成熟块茎细胞中存在,下列说法正确的是( )
A.基因a只有导入马铃薯受精卵中才能表达
B.目的基因来自细菌,可以不需要载体直接导入受体细胞
C.基因a导入成功后,将抑制细胞原有的新陈代谢,开辟新的代谢途径
D.目的基因进入受体细胞后,可随着马铃薯的DNA分子的复制而复制,传给子代细胞并表达【解析】选D。由于植物体细胞也具有全能性,因而将基因a导入马铃薯体细胞中也能表达;取自细菌的目的基因也需要与载体结合构成基因表达载体后,通过基因表达载体导入受体细胞;基因a导入成功后,不影响细胞原有的新陈代谢,故选项A、B、C错误。目的基因进入受体细胞后,可随着马铃薯细胞中自身DNA分子的复制而复制,传给子代细胞并表达。二、乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别【思维拓展】(1)动物基因工程的目的不仅仅是为了培育体型巨大的动物,更重要的是改良畜产品的品质或者是用转基因动物生产药物。
(2)乳腺生物反应器可以大规模生产药物,产物蛋白容易收集;膀胱生物反应器除具有上述优点外,还具有如下优点:收集产品不受动物的性别和是否处于生殖期的限制,产品提取更简便、高效。【典例训练2】(2013·台州高二检测)上海医学研究所成功培育出第一头携带人白蛋白基因的转基因牛。他们还研究出一种可大大提高基因表达水平的新方法,使转基因动物乳汁中的药物蛋白含量提高30多倍。以下与此有关的叙述正确的是( )
A.“转基因动物”是指体细胞中出现了新基因的动物
B.“提高基因表达水平”是指设法使牛的乳腺细胞中含有更多的人白蛋白基因
C.只在转基因牛乳汁中才能获取人白蛋白,是因为人白蛋白基因只在牛乳腺细胞中是纯合的
D.转基因牛的肌肉细胞中也有人白蛋白基因,但不发生转录、翻译,故不能合成人白蛋白【解题关键】解答本题的关键是:
(1)明确转基因动物的每个细胞中都含有转入的目的基因。
(2)“提高基因的表达水平”是指能产生更多的人白蛋白。【解析】选D。转基因动物是指细胞中被转入了外源基因的动物,而不是指出现新基因的动物,如发生基因突变可能会出现新基因,但发生了基因突变的动物不叫转基因动物;“提高基因表达水平”是指设法使牛的乳腺细胞中含有更多的人白蛋白,而不是人白蛋白基因;转基因牛的肌肉细胞中也有人白蛋白基因,但由于基因的选择性表达,在肌肉细胞中该基因不表达,只有在牛乳腺细胞中表达并分泌到乳汁中,因而只能在转基因牛乳汁中获取人白蛋白。三、基因治疗
1.原理:利用正常基因置换或弥补缺陷基因的治疗方法,即把正常基因导入病人体内,使该基因的表达产物发挥功能,从而达到治疗疾病的目的。2.过程:3.途径:4.基因诊断与基因治疗的比较:【易错提醒】正常基因没有改变病变基因的表达途径
在基因治疗的过程中,正常基因、病变基因都可以表达,由于正常基因的表达掩盖了病变基因的表达,使病人表现正常,最终达到治疗疾病的目的。【典例训练3】《人类基因治疗》报道,在美国佛罗里达大学基因治疗中心接受基因治疗的三名遗传性失明患者都重新获得了一定的视力,并且没有严重的副作用。基因治疗是指( )
A.把健康外源基因导入有基因缺陷的细胞中,达到治疗疾病的目的
B.对有缺陷的细胞进行修复,从而使其恢复正常,达到治疗疾病的目的
C.运用人工诱变方法,使有基因缺陷的细胞发生基因突变,从而恢复正常
D.运用基因工程技术,把有缺陷的基因切除,达到治疗疾病的目的【解题关键】解答本题注意突破以下两点:
(1)正确理解基因治疗的原理。
(2)注意基因治疗和基因诊断的区别。基因诊断是在DNA水平上分析检测某一基因,从而对特定的疾病进行诊断。【解析】选A。基因治疗只是将正常的基因导入病人体内,使该基因的表达产物发挥功能,从而达到治疗疾病的目的,而细胞中的缺陷基因并未修复,和正常基因同时存在,基因治疗也不是切除病变基因或诱发其突变,因而B、C、D的说法都不符合基因治疗的概念。【误区警示】由于没有理解基因治疗的原理,想当然地就把基因治疗看作是对有缺陷的基因进行修复和切除。 课件33张PPT。1.4 蛋白质工程的崛起一、蛋白质工程崛起的缘由
1.基因工程的实质:将一种生物的基因转移到_____________内,
后者可以产生它本不能产生的_______,进而表现出_________。另一种生物体蛋白质新的性状2.蛋白质工程的崛起:
(1)理论和技术条件:___________、晶体学以及计算机技术的
迅猛发展。
(2)缘由:
①基因工程在原则上只能生产自然界_______的蛋白质。
②天然蛋白质的___________符合特定_________的需要,却不
一定完全符合_______________的需要。 分子生物学已存在结构和功能物种生存人类生产和生活(3)实例:
①延长干扰素保存时间:丝氨酸②提高玉米赖氨酸含量:苏氨酸天冬酰胺二、蛋白质工程的基本原理结构规律生物功能基因修饰基因合成满足人类生产和生活需求脱氧核苷酸序列(基因)蛋白质结构氨基酸序列脱氧核苷酸序列(基因)三、蛋白质工程的进展和前景
1.前景诱人:用蛋白质工程方法制成的电子元件,具有_______、
_______和效率高的特点。
2.难度很大:主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高
级结构,这种高级结构十分复杂,而目前科学家对大多数蛋白质
的_________的了解还很不够。体积小耗电少高级结构1.判断正误
(1)蛋白质工程的流程与天然蛋白质合成的过程是相同的。
( )
【分析】天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的,蛋白
质工程的流程却与之相反。×(2)对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的。
( )
【分析】对蛋白质的改造是通过改造相应的基因来实现的。
(3)由于蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化,空间结构千差万
别,蛋白质工程操作难度很大。( )×√2.问题思考
(1)蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程是否相同?为什么?
提示:不同。基因工程是按照人们的愿望,把一种生物的基因导入另一种生物体内,并使其表达,从而创造出符合人们需要的新的生物类型和生物产品。蛋白质工程是按照以下思路进行的: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)。 (2)假如某科学家设计出某种蛋白质的空间结构,你能否设计出利用大肠杆菌生产该蛋白质的流程?
提示:蛋白质的空间结构→氨基酸序列→合成目的基因→构建基因表达载体→导入大肠杆菌→产生相应蛋白质。一、蛋白质工程的操作步骤
1.操作步骤:
(1)从生物体中分离纯化目的蛋白。
(2)测定其氨基酸序列。
(3)借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段,尽可能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构。(4)设计各种处理条件,了解蛋白质的结构变化,包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响。
(5)设计编码该蛋白质的基因改造方案,如定点突变。
(6)分离、纯化新蛋白,功能检测后投入实际使用。2.流程图:【易错提醒】(1)蛋白质工程并不是直接改造蛋白质。蛋白质是由基因控制合成的,对蛋白质的设计改造,是通过基因修饰或基因合成来实现的。即先改造控制蛋白质合成的基因,通过改造基因间接改造蛋白质,而不是直接改造蛋白质。
(2)任何一种天然蛋白质都是由基因编码的,改造了基因即对蛋白质进行了改造,而且改造过的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造,即使改造成功,被改造的蛋白质也是无法遗传下去的。 【典例训练1】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。下图是用蛋白质工程设计的速效胰岛素的生产过程,请据图回答有关问题:(1)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 。
(2)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。
(3)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。
(4)图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的合成的基本思路是什么?【解题关键】解答此类题目时,首先要结合中心法则尤其是基因表达的过程,然后结合蛋白质工程或基因工程的操作步骤进行推导。【解析】(1)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胰岛素的预期功能。
(2)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。(3)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来生产基因产物,并且在生产中要借助工程菌,所以还要用到发酵工程。因此,此过程涉及蛋白质工程、基因工程、发酵工程。
(4)由新的胰岛素模型到构建新的胰岛素基因,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。答案:(1)胰岛素的预期功能
(2)载体 大肠杆菌等受体细胞
(3)蛋白质工程 基因工程
(4)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。【互动探究】
(1)结合本题分析:蛋白质工程直接操作的对象是什么?
提示:基因。
(2)比较分析:本题构建形成的新的胰岛素基因与人体内的胰岛素基因相同吗?
提示:不同。由于遗传密码的简并性(一个氨基酸可有多个密码子对应),因此经反转录形成的基因不再是原来的基因。二、基因工程与蛋白质工程的比较【思维拓展】蛋白质工程与基因工程的关系
(1)蛋白质工程就是通过基因重组技术改变或设计合成具有特定生物功能的蛋白质,基因工程技术是蛋白质工程技术的基础,因此蛋白质工程也叫第二代基因工程。
(2)蛋白质工程在改造基因时需要与基因工程有关的工具酶,需要构建基因表达载体。改造后的基因需要表达出相应的蛋白质,同样需将改造或合成的基因导入受体细胞。【典例训练2】(2013·南京高二检测)基因工程与蛋白质工程的区别是( )
A.基因工程需对基因进行分子水平操作,蛋白质工程不需对基因进行操作
B.基因工程合成的是天然存在的蛋白质,蛋白质工程合成的可以是自然界不存在的蛋白质
C.基因工程是分子水平操作,蛋白质工程是细胞水平(或性状水平)操作
D.基因工程完全不同于蛋白质工程【解题关键】本题考查基因工程与蛋白质工程的区别,解答本题应明确基因工程与蛋白质工程的原理、目的、操作对象和步骤。【解析】选B。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。蛋白质工程是从分子水平上对蛋白质进行改造设计,通过对相应的基因进行修饰加工,甚至人工进行基因合成,从而对现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质,以满足人类生产和生活需求;而基因工程只是将外源基因导入另一生物体内,并使之表达,体现人类所需的性状,或者获取所需的产品,基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。【变式训练】某种微生物合成的蛋白酶与人体消化液中的蛋白酶的结构和功能很相似,只是热稳定性较差,进入人体后容易失效。现要将此酶开发成一种片剂,临床治疗消化不良,最佳方案是( )
A.对此酶中的少数氨基酸替换,以改善其功能
B.将此酶与人蛋白酶进行拼接,形成新的蛋白酶
C.重新设计与创造一种全新的蛋白酶
D.减少此酶在片剂中的含量【解析】选A。本题考查蛋白质工程的进展与前景。蛋白质的结构包括一级结构和空间结构。一级结构是指组成蛋白质的氨基酸的种类、数量、排列顺序。蛋白质的功能是由一级结构和空间结构共同决定的,特别是空间结构与蛋白质的功能关系更密切。要想使蛋白酶热稳定性有所提高,就要改变蛋白质的结构,此类问题一般是对蛋白质中的个别氨基酸进行替换。
