3.1重组DNA技术的基本工具（共21张ppt）2022-2023学年高二下学期生物人教版选择性必修3

(共21张PPT)
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。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。要是能培育出自身就能抵抗虫害的棉花新品种，这一问题就会迎刃而解，我国拥有自主知识产权的转基因抗虫棉就是在这样的背景下产生的。为什么传统的杂交育种方法培育不出抗虫棉，基因工程却可以呢？基因工程是如何进行操作的？它给我们的生产和生活带来了怎样的影响？
　　指按照人们的愿望, 通过转基因等技术，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，因此又叫作DNA重组技术。
基因工程
操作环境：
操作对象：
操作水平：
工程原理：
工程产物：
生物体外
基因
DNA分子水平
人类需要的基因产物
基因重组
第3章 基因工程
1、不同生物的基因为什么能拼接？
2、外源基因为什么能在受体细胞中表达？
(1)DNA的基本组成单位都是四种脱氧核苷酸。
(2)DNA分子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。
(1)基因是控制生物性状的遗传物质的结构和功能单位。
(2)遗传信息的传递都遵循中心法则。
(3)生物界共用一套遗传密码。
基因工程诞生的理论基础
从社会中来
转基因木瓜
番木瓜容易受番木瓜环斑病毒的侵袭而导致产量大大下降。科学家通过精心设计，用“分子工具”培育出了转基因番木瓜，可抵御该病毒提高产量。
DNA双螺旋的直径只有2nm，对如此微小的分子进行操作，是一项非常精细的工作，更需要专门的“分子工具”。那么，科学家究竟用到了哪些“分子工具”？这些“分子工具”各具有什么特征呢？
在培育转基因番木瓜时，首先要在体外对含有所需要基因的DNA分子进行“切割”、改造和“拼接”。
重组DNA技术的基本工具
准确切割DNA分子
将DNA片段再连接起来
然后，将重组DNA分子导入番木瓜体细胞内，并使其在细胞中表达。
将体外重组好的DNA分子导入受体细胞
限制性内切核酸酶—“分子手术刀”
来 源：
种 类：
主要来自原核生物
特 点：
数千种
能识别双链DNA分子的特定核苷酸序列，并使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开。（因此具有专一性）
（限制酶不是一种酶，而是一类酶）
一、限制性内切核酸酶——“分子手术刀”
阅读课本第71页的内容，思考限制性内切核酸酶的来源 、种类、识别特点、切割特点、切割结果。
学生活动１
来 源：
种 类：
主要来自原核生物
特 点：
数千种
能识别双链DNA分子的特定核苷酸序列，并使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开。（因此具有专一性）
（限制酶不是一种酶，而是一类酶）
作用部位：
识别序列长度：
结 果：
特定切点上的磷酸二酯键
大多数是6个核苷酸序列
产生黏性末端或平末端
5'
3'
5'
3'
T
A
G
G
T
A
T
C
C
A
磷酸二酯键
被限制酶切开的DNA切口处，带有几个伸出的核苷酸，这样的切口叫黏性末端。
一、限制性内切核酸酶——“分子手术刀”
学生活动２
模拟活动：切一切印证限制酶的作用特点和作用结果材料准备：剪刀（模拟EcoRI限制酶，其识别序列为一GAATTC—，并在G—A之间“切割”）、打印好不同DNA碱基序列的纸带2条。
展开
一、限制性内切核酸酶——“分子手术刀”
学生活动３
接续模拟活动，将剪开的DNA片段正确链接起来。操作完之后讨论问题。
　二、DNA连接酶—“分子缝合针”
1. 让学生观察相同的粘性末端碱基配对后，该怎么办？2. 用订书钉链接，请问订书器和订书钉各自模拟什么？DNA连接酶的作用位点在哪？DNA连接酶的分类和作用特点？3. DNA连接酶和DNA聚合酶的作用相同吗？尝试简要说明。
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。
DNA连接酶—“分子缝合针”
3
作用：
种类 E·coli DNA连接酶 T4 DNA连接酶
来源
作用
相同点
大肠杆菌
T4噬菌体
只能将具有互补黏性末端的DNA片段连接起来，不能连接具有平末端的DNA片段
既可以“缝合”双链DNA片段互补的黏性末端，又可以“缝合”双链DNA片段的平末端（但连接平末端的效率相对较低）
恢复的都是磷酸二酯键
1.DNA连接酶能够将DNA片段连接起来
2.基因工程常用的DNA连接酶有两种：
DNA连接酶—“分子缝合针”
3
归纳总结
DNA连接酶和DNA聚合酶的比较
比较项目 DNA连接酶 DNA聚合酶
相同点 作用实质
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
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
外源基因很难进入细胞，进入后也不容易稳定存在并表达，怎么解决这个问题呢？
将外源基因送入受体细胞，还需要有运输工具，这就是分子运输车，又叫载体或运载体。作用作为运输工具，将目的基因转移到受体细胞内。
1．载体
三、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”
接续上面的模拟活动呈现什么模拟目的基因、什么模拟载体？
完成下列的问题讨论
学生活动４
三、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”
1. 要使携带的外源基因在受体细胞中稳定存在，需要具备什么条件？2.载体要与外源基因连接，需要具备什么条件？3.为了便于筛选重组DNA分子，载体需要具备什么条件？
运载体需具备的条件
（1）能够在宿主细胞中复制并稳定地保存
（2）有一个至多个限制酶切点
（3）有某些标记基因
（4）对受体细胞无害、易分离
能使目的基因稳定存在且数量可扩增
可携带多个或多种外源基因
便于重组DNA分子筛选
有标记基因的存在，可用含青霉素的培养基鉴别。
有切割位点
能复制并带着插入的目的基因一起复制
实际上自然存在的质粒DNA分子并不完全具备上述条件，都要进行人工改造后才能用于基因工程操作。
4
三、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”
限制酶
DNA连接酶
载体
①对受体细胞无害；
②有一个至多个限制酶切割位点；
③有特殊的标记基因；
④能自我复制或能整合到宿主DNA上。
质粒、 噬菌体、动植物病毒
基因工程的基本工具
作为载体的条件
种类:
磷酸二酯键
来源：
主要来源于原核生物
特点：
作用部位：
具有专一性
结果：
形成黏性末端或平末端
连接部位：
种类：
作用：
【课堂小结】
把两条双链DNA片段拼接起来
磷酸二酯键
E.coliDNA连接酶、T4 DNA连接酶
提升讨论：将目的基因和运载体结合的过程中，最后可能会出现那些链接情况？我们需要筛选才能获得，能不能想一种方法只得到我们需要的链接方法？
一、概念检测
1.DNA连接酶是重组DNA技术常用的一种工具酶。下列相关叙述正确的是( )
A.能连接DNA分子双链碱基对之间的氢键
B.能将单个脱氧核苷酸加到DNA片段的末端，形成磷酸二酯键
C.能连接用同种限制酶切开的两条DNA片段，重新形成磷酸二酯键
D.只能连接双链DNA片段互补的黏性末端，不能连接双链DNA片段的平末端
练习与应用
C
2.在重组DNA技术中，将外源基因送入受体细胞的载体可以是（ ）
A.大肠杆菌的质粒
B.切割DNA分子的酶
C.DNA片段的黏性末端
D.用来识别特定基因的DNA探针
A
二、拓展应用
1.想一想，为什么限制酶不切割细菌本身的DNA分子？
提示：迄今为止，在基因工程操作中使用的限制酶绝大部分都是从细菌或霉菌中提取出来的，它们可以识别DNA上特定的碱基序列并使特定部位的磷酸二酯键断开。微生物在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制，可以将外源入侵的DNA降解。细菌中限制酶之所以不切割自身的DNA，是因为含有某种限制酶的细胞的DNA分子或者不具备这种限制酶的识别序列，或者通过甲基化酶将甲基转移到了限制酶所识别序列的碱基上，使限制酶不能将其切开。这样，尽管细菌中含有某种限制酶，也不会使自身的DNA被切断，并且可以防止外源DNA入侵。
2.有2个不同来源的DNA片段A和B，A片段用限制酶Spe I进行切割，B片段分别用限制酶Hind IⅢ、Xba I、EcoR V和Xho I进行切割。各限制酶的识别序列和切割位点如下。
（1）哪种限制酶切制B片段产生的DNA片段能与限制酶Spe I切割A片段产生的DNA片段相连接？为什么？
（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
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。
XbaI。因为XbaI与SpeI切割产生了相同的黏性末端。