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第3章 第2节
基因工程的基本操作程序
1997年,我国政府首次批准商业化种植转基因抗虫棉。到2015年,我国已育成转基因抗虫棉新品种100多个,减少农药用量40万吨,增收节支社会经济效益450亿元。
你知道转基因抗虫棉抗虫的机制是什么吗?培育转基因抗虫棉一般需要哪些步骤?
转基因抗虫棉(使棉铃虫死亡,左)与非转基因抗虫棉(右)
从社会中来
我国是棉花的生产和消费大国。棉花在种植过程中,常常会受到一些害虫的侵袭,其中以棉铃虫最为常见。棉铃虫可以使棉花产量减少三分之一,严重时,甚至能使一片棉田绝收。
1.目的基因的筛选与获取
4.目的基因的检测与鉴定
2.基因表达
载体的构建
3.将目的基因导入受体细胞
基因工程的
基本操作程序
基因工程的基本操作程序
1.目的基因
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。
根据不同的需要,目的基因是不同的,它主要指编码蛋白质的基因。
如:与生物抗逆性相关的基因
与生物药物相关的基因
与毒物降解相关的基因
与工业用酶相关的基因等
第一步
目的基因的筛选与获取
当Bt抗虫蛋白被分解为多肽后,多肽与害虫肠上皮细胞的特异性受体结合,导致细胞膜穿孔,最后造成害虫死亡。
Bt抗虫蛋白的抗虫原理:
思考:Bt抗虫蛋白会不会对人畜产生危害?
Bt抗虫蛋白只有在某类昆虫肠道的碱性环境中才能表现出毒性,而人和牲畜的胃液呈酸性,肠道细胞也没有特异性受体,因此,Bt抗虫蛋白不会对人畜产生上述影响。
苏云金杆菌通过产生苏云金杆菌半孢晶体蛋白(Bt抗虫蛋白),破环鳞翅目昆虫的消化系统来杀死棉铃虫。
培育转基因抗虫棉的简要过程:
提取
苏云金芽孢杆菌
杀虫基因
与载体DNA拼接
导入
普通棉花细胞
棉花植株(有抗虫性状)
Bt抗虫蛋白
杀虫基因
Bt抗虫蛋白基因简称Bt基因
2.筛选合适的目的基因
(1)较为有效的方法:从相关的已知结构和功能清晰的基因中进行筛选。
(2)利用序列数据库(如GenBank)和序列比对工具(如BLAST)进行筛选
第一步
目的基因的筛选与获取
3.目的基因获取的方法
第一步
目的基因的筛选与获取
(2)从基因文库中获取
(1)从生物组织中直接获取
(3)化学方法直接人工合成
(4)利用PCR技术获取和扩增目的基因
文库类型 基因组文库 cDNA文库
文库大小
基因多少
某种生物的全部基因
某种生物的部分基因
大
小
利用PCR获取和扩增目的基因
(1)概念:PCR是________________的缩写,它是一项根据________________的原理,在体外提供______________的各种组分与反应条件,对_____________________进行大量复制的技术。
聚合酶链式反应
DNA半保留复制
参与DNA复制
目的基因的核苷酸序列
第一步
目的基因的筛选与获取
表3-1 DNA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(体外用高温代替) 打开DNA双链
DNA母链 提供DNA复制的模板
4种脱氧核苷酸 合成DNA子链的原料
DNA聚合酶 催化合成DNA子链
引物 使DNA聚合酶能够从引物的3’端开始连接脱氧核苷酸
(2)PCR反应的组分和条件:
DNA模板
4种脱氧核苷酸
耐高温的DNA聚合酶
2种引物
缓冲溶液(含Mg+)
不需要解旋酶(高温)
3’
5’
引物
3’
5’
引物
引物是一小段能与________的一段碱基序列________的___________。
用于PCR的引物有 种,长度通常为20~30个核苷酸。
DNA母链
互补配对
短单链核酸
2
利用PCR获取和扩增目的基因
第一步
目的基因的筛选与获取
3’
5’
3’
5’
前提:要有一段已知目的基因的核苷酸序列,以便根据这一序列设计引物
3’
5’
3’
5’
3’
5’
3’
5’
①变性
当温度上升到90℃以上时,双链DNA解聚为单链
②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
③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
3’
5’
3’
5’
3’
5’
3’
5’
3’
5’
3’
5’
3’
5’
3’
5’
引物
DNA模板
耐高温的DNA聚合酶
4种脱氧核苷酸
(3)PCR反应的过程
PCR扩增仪
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
(3)PCR反应的过程
(1)根据不同的需要,目的基因是不同的,但都是能编码蛋白质的基因( )
(2)PCR除需要耐高温的DNA聚合酶、解旋酶、4种脱氧核苷酸和DNA模板之外,还需要引物等基本条件。( )
(3)PCR的每一个循环都包括变性→复性→延伸三个步骤,延伸后的产物又可以作为下一个循环的模板。( )
×
×
√
【基础过关】
【当堂训练】
关于PCR技术的说法不正确的是( )
A.PCR用的DNA聚合酶是一种耐高温的酶
B. 变性过程中双链DNA的解开不需要解旋酶
C.复性过程中引物与模板链的结合遵循碱基互补配对原则
D.延伸过程中需要DNA聚合酶、ATP和四种核糖核苷酸
D
用PCR可以扩增mRNA吗?
mRNA不可以直接扩增,需要将它逆转录成cDNA再进行扩增。
1.逆转录酶以RNA为模板合成一条与RNA互补的DNA链,形成RNA-DNA杂交分子。
2.核酸酶H降解RNA-DNA杂交分子中的RNA链,使之变成单链DNA。
3.以单链DNA为模板,在DNA聚合酶的作用下合成另一条互补的DNA链,形成双链DNA分子,即cDNA。
下图表示形成cDNA并进行PCR扩增的过程。据图分析,下列叙述正确的是( )
D
A.①过程所需的原料是核糖核苷酸
B.②过程所需的酶必须耐高温
C.③过程需要解旋酶破坏氢键
D.④过程的引物对之间不能互补配对
一、实验原理
1.利用PCR在体外进行DNA片段扩增的原理
①PCR利用了DNA的______原理,通过_________来控制DNA双链的解聚与结合,PCR仪实质上就是一台能够_____________的仪器,一次PCR一般要经历___次循环;
热变性
调节温度
自动调控温度
30
②PCR扩增DNA片段还利用了DNA半保留复制的原理;
DNA片段的扩增及电泳鉴定
2.DNA片段电泳鉴定的原理
①DNA分子具有_____________,在一定的___下,这些基团可以带上正电荷或负电荷,在_____的作用下,这些________会向着________________的电极移动,这个过程就是_____。
可解离的基团
pH
电场
带电分子
电泳
与它所带电荷相反
②PCR的产物一般通过_______________来鉴定
琼脂糖凝胶电泳
④凝胶中的DNA分子通过_____,可以在波长为______的______下被检测出来。
染色
300nm
紫外灯
③在凝胶中DNA分子的迁移速率与___________、______________和_____等有关。
凝胶的浓度
DNA分子的大小
构象
DNA片段的扩增及电泳鉴定
二、材料用具
PCR仪(自动控温,实现DNA的扩增)
微量离心管(实际上是进行PCR反应的场所)
微量移液器(用于向微量离心管转移PCR配方中的液体)
一次性吸液枪头(微量移液器吸取一种试剂更换一次枪头)
电泳装置(包括电泳仪、电泳槽等)
DNA片段的扩增及电泳鉴定
10倍浓缩的扩增缓冲液(含Mg2+) 5μL
20mmol/L的4种脱氧核苷酸的等量混合液(实为dNTP) 1μL
20μmol/L的引物Ⅰ 2.5μL
20μmol/L的引物Ⅱ 2.5μL
H2O 28~33μL
1-5U/μL的Taq DNA聚合酶(即耐高温的DNA聚合酶) 1~2U
模板DNA (用量为1pg-1μg) 5~10μL
总体积 50μL
PCR反应体系的配方
4种脱氧核苷酸等量混合液、2种引物、TaqDNA聚合酶、模板DNA、扩增缓冲液、无菌水。电泳缓冲液、凝胶载样缓冲液、琼脂糖和核酸染料等
DNA片段的扩增及电泳鉴定
使DNA充分变性,以利于引物更好地和模板结合。
三、方法步骤
(一)DNA片段的扩增
1、移液:
用微量移液器按照PCR反应体系配方或PCR试剂盒的说明书,在微量离心管中依次加入各组分
2、离心:
待所有组分都加入后,盖严离心管的盖子,将微量离心管放入离心机里,离心约10s,使反应液集中在离心管的底部(提高反应速率)
3、反应:
参照下表的参数,设置好PCR仪的循环程序。将装有反应液的微量离心管放入PCR仪中进行反应。
循环程序 变性 复性 延伸
预变性 94℃,5min / /
30次 94℃,30s 55℃,30s 72℃,1min
最后一次 94℃,1min 55℃,30s 72℃,1min
预变性:
DNA片段的扩增及电泳鉴定
(二)DNA片段的电泳鉴定
1、配制琼脂糖溶液
根据待分离DNA片段的大小,用电泳缓冲液配制琼脂糖溶液,一般配制质量体积比0.8%-1.2%的琼脂糖溶液。在沸水浴或微波炉内加热至琼脂糖熔化。稍冷却后,加入适量的核酸染料混匀。
2、制备凝胶
①将温热的琼脂糖溶液迅速倒入模具,并插入合适大小的梳子,以形成加样孔。
③将电泳缓冲液加入电泳槽中,电泳缓冲液没过凝胶1mm为宜。
②待凝胶溶液完全凝固,小心拔出梳子,取出凝胶放入电泳槽内。
DNA片段的扩增及电泳鉴定
3、加样
将扩增得到的PCR产物与凝胶载样缓冲液(内含指示剂)混合,再用微量移液器将混合液缓慢注入凝胶的加样孔内。留一个加样孔加入指示分子大小的标准参照物。
4、电泳
接通电源,根据电泳槽阳极至阴极之间的距离来设定电压,一般为1~5V/cm。待指示剂前沿迁移接近凝胶边缘时,停止电泳。
5、观察记录
取出凝胶置于紫外灯下观察和照相。
DNA片段的扩增及电泳鉴定
四、结果分析与评价
1.你是否成功扩增出DNA片段?判断的依据是什么?
2.你进行电泳鉴定的结果是几条条带?如果不止一条条带,请分析产生这个结果的可能原因。
可以在紫外灯下直接观察到DNA条带的分布及粗细程度来评价扩增的结果。进行电泳鉴定的结果应该是一条条带,该片段大小约为750bp。
如果扩增不成功,可能的原因有:漏加了PCR的反应成分,各反应成分的用量不当,PCR程序设置不当等。如果扩增结果不止一条条带,可能的原因有:引物设计不合理,它们与非目的序列有同源性或容易形成二聚体;退火温度过低;DNA聚合酶的质量不好等。
DNA片段的扩增及电泳鉴定
【典例】下列关于PCR的说法,错误的是( )
A.PCR是体外复制DNA的技术
B.PCR过程中只需要一个模板DNA、两种引物分子、大量脱氧核苷酸原料
C.TaqDNA聚合酶要具有耐高温的特点
D.PCR利用了DNA的热变性原理
B
【变式训练】用PCR方法检测转基因植株是否成功导入目的基因时,得到以下电泳图谱,其中1号为DNA标准样液(Marker),10号为蒸馏水。PCR时加入的模板DNA如图所示。据此做出分析不合理的是( )
A.PCR产物的分子大小在250至500 bp之间
B.3号样品为不含目的基因的载体DNA
C.9号样品对应植株不是所需的转基因植株
D.10号的电泳结果能确定反应体系等对实验结果没有干扰
B