生物人教版（2019）选择性必修3 3.1重组DNA技术的基本工具（共66张ppt）

(共66张PPT)
假定你是一位知名的育种专家，某动物园为了迎合观众好奇的心理，想请你为他们培育出下面几只“怪物”，请问你准备用什么方法？
怪物 1
01
怪物 2
单击此处添加文本具体内容，简明扼要地阐述你的观点
01
怪物 3
01
怪物 4
01
传统的育种方法能否实现？
01
请您欣赏
01
能发光的水母
请您欣赏
能否让热带鱼也能发光
设想
不能发光的热带斑马鱼
能发荧光的热带斑马鱼
普通热带斑马鱼是不发荧光的
请您欣赏
请您欣赏
请您欣赏
超级小鼠与超级鱼
能产生人胰岛素的大肠杆菌
请您欣赏
转基因抗虫棉的新闻
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,这一问题就会迎刀而解,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
普通棉花和转基因抗虫棉
为了棉花姓“中国”
1992年，一场史无前例的棉铃虫灾害吞噬着中国的棉田，我国棉花产业遭遇灭顶之灾；
国外公司拒绝出售抗虫棉核心技术，到1999年外国抗虫棉已占领我国95%的棉花市场份额，国内棉花品种市场迅速流失。
1998年中棉所成功培育出我国第一个国审抗虫杂交棉新品种——中棉所29，使低龄棉铃虫的死亡率超过90%；
2002年成功培育出我国第一个双价转基因抗虫棉新品种——中棉所41，该品种能够缓解棉铃虫抗药性，
我国成为世界第二个拥有抗虫基因自主知识产权的国家！
第三章 基因工程
第1节 重组DNA技术的基本工具
新人教版 选择性必修三 生物技术与工程
新课程标准 核心素养
1.简述重组DNA技术所需的三种基本工具及其作用。 2.认同基因工程的诞生和发展离不开理论研究和技术创新。 3.基因工程载体需要具备什么条件。 1.科学思维——模拟重组DNA分子的操作过程，说出合成新DNA分子的基本原理。
2.社会责任——关注基因工程的社会议题，参与讨论基础理论和技术发展如何催生了基因工程。
1944年艾弗里等人证明了DNA可以在同种生物的不同个体之间转移。
1950年埃特曼发明了一种测定氨基酸序列的方法。
1958年梅塞尔森和斯塔尔用实验证明了DNA的半保留复制。
1953年沃森和克里克建立了DNA双螺旋结构模型。
1961年尼伦伯格和马太破译了第一个编码氨基酸的密码子。
1967年，科学家发现，在细菌拟核DNA之外的质粒有自我复制能力，并可以在细菌细胞间转移。
1970年科学家在细菌中发现了第一个限制性内切核酸酶（简称限制酶）。
20世纪70年代初，多种限制酶、DNA连接酶和逆转录酶被相继发现。
1972年，伯格成功构建了第一个体外重组DNA分子。
1973年，证明质粒可以作为基因工程的载体，构建重组DNA，导入受体细胞，使外源基因在原核细胞中成功表达，基因工程正式问世。
1977年，桑格等科学家发明了DNA序列分析的方法。此后，DNA合成仪的问世为体外合成DNA提供了方便。
1982年，第一个基因工程药物-重组人胰岛素被批准上市。
1983年，科学家采用农杆菌转化法培育出世界上第一例转基因烟草。
1984年，我国科学家朱作言领导的团队培育出世界上第一条转基因鱼。
1985年，穆里斯等人发明了PCR。
1990年，人类基因组计划启动。2003年完成
21世纪以来，科学家发明了多种高通量测序技术，加速了人们对基因组序列的了解。
2013年，华人科学家张锋及其团队首次报道利用最新的基因组编辑技术编辑了哺乳动物基因组。该技术可以实现对特定基因的定点插入、敲除或替换。
科技探索之路
基因工程的诞生和发展
第三章 第1节 重组DNA技术的基本工具
XX中学：XXX
分子手术刀
分子缝合针
分子运输车
大肠杆菌
番木瓜容易受番木瓜环斑病毒的侵袭。当番木瓜被这种病毒感染后，产量会大大下降。科学家通过精心设计，用“分子工具”培育出了转基因番木瓜，它可以抵御番木瓜环斑病毒。
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？
非转基因番木瓜(左）与转基因番木瓜(右）
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
从社会中来
基因工程
是指按照人们的愿望，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制品。从技术操作层面看，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 重组DNA技术。
基因
分子水平
基因重组
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制品
定向改造生物性状；克服远缘杂交不亲和障碍
1.原理：
2.操作对象：
3.操作水平：
4.结果：
5.意义：
重组DNA技术
抗病毒基因
重组
DNA分子
“切割”
“拼接”
番木瓜体细胞
导入
表达
准确切割DNA分子的“分子手术刀”
将DNA片段再连接起来的“分子缝合针”
将体外重组好的DNA分子导入受体细胞的
“分子运输车”
限制性内切核酸酶
DNA连接酶
载体
为什么一种生物的基因可以在另一种生物细胞内表达？
① 基因是控制生物性状的独立遗传单位
② 生物界共用一套遗传密码
③ 遗传信息的传递都遵循中心法则
为什么不同生物的DNA分子能拼接起来？
①DNA的基本组成单位相同
②都遵循碱基互补配对原则
③DNA分子的空间结构都是规则的双螺旋结构
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？
从社会中来
过渡
DNA
DNA切割
DNA拼接
害虫死亡
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”。
DNA导入
目 录
重组DNA技术的基本工具
1
限制性内切核酸酶（限制酶）——“分子手术刀”
2
DNA连接酶——“分子缝合针”
3
基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”
限制性内切核酸酶(限制酶)——“分子手术刀”
01
一、限制性内切核酸酶（限制酶）—“分子手术刀”
1.限制酶的作用特点有哪些
2.两种限制酶切割DNA片段后产生的末端有什么不同
3.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？
任务一
【自主学习】
阅读教材“限制性内切核酸酶 “分子手术刀” 的内容：
主要是从原核生物中分离纯化来的
能够识别双链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。
(1)来源：
(2)作用：
1. 限制酶的来源及作用
磷酸二酯键
（3）种类：
大肠杆菌
（Escherichia coli R）
数千种
（限制酶不是一种酶，而是一类酶）
EcoRⅠ 限制酶
粘质沙雷氏杆菌
（Serratia marcesens）
SmaⅠ 限制酶
（1）识别双链DNA分子的特定核苷酸序列
（2）使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开。
3. 作用特点：
01
“分子手术刀”----限制性内切核酸酶（限制酶）
只能识别GAATTC序列，并在G与A之间切割
只能识别CCCGGG序列，并在C与G之间切割
5'
5'
3'
3'
5'
5'
3'
3'
EcoR I限制酶
Sma I限制酶
磷酸二酯键
5’
A
T
G
C
T
A
C
G
3’
5’
3’
黏性末端
平末端
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，以保证自身的安全。
旁栏思考题
EcoRⅠ
属名Escherichia首字母
种名coli 前两个字母
R型菌株
从中分离的第一个限制酶
例如：流感嗜血杆菌(Haemophilus influenzae)d株中先后分离到3种限制酶，则分别命名为:
Hind I
Hind II
Hind III
限制酶名字的由来
资料卡
写出下列限制酶切割形成的黏性末端
BamHⅠ____ EcoRⅠ___
HindⅢ___ BglⅡ ___
-G GATCC-
-CCTAG G-
-G AATTC-
-CTTAA G-
-A AGCTT-
-TTCGA A-
-A GATCT-
-TCTAG A-
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
二、DNA连接酶——“分子缝合针”
02
DNA连接酶的作用
DNA连接酶的种类？
DNA连接酶和DNA聚合酶是一回事吗？为什么？
二、DNA连接酶——“分子缝合针”
任务二
【自主学习】
阅读教材“ DNA连接酶——分子缝合针” 的内容：
DNA连接酶
DNA连接酶
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 。
两DNA片段要具有相同且互补的黏性末端才能拼起来
注意：用DNA连接酶连接两个片段之间的磷酸二酯键
不是连接氢键（氢键的形成不需要酶的催化）
1.DNA连接酶的作用
种类
来源 大肠杆菌 T4噬菌体
作用
差别 只连接____________ 缝合___________和____________
E.coli
DNA连接酶
T4
DNA连接酶
黏性末端
黏性末端
平末端（效率较低）
都能将双链DNA片段“缝合“起来，
恢复被限制酶切开的磷酸二酯键。
1DNA连接酶的种类
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
在两个DNA片段间形成磷酸二酯键
将单个核苷酸连接到已有DNA片段，形成磷酸二酯键
DNA连接酶和DNA聚合酶是一回事吗？为什么？
旁栏思考题
比较与DNA相关的几种酶
项目 DNA连接酶 限制酶 DNA聚合酶 解旋酶
作用部位 磷酸二酯键 磷酸二酯键 磷酸二酯键 氢键
作用对象 DNA片段 DNA 单个的脱氧核苷酸 DNA
作用结果 将两个DNA片段连接成重组DNA分子 切割DNA分子形成黏性末端或平末端 将单个的脱氧核苷酸连接到DNA单链末端 将双链DNA分子局部解旋为单链
模板 不需要 需要
三、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”
03
三、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”
任务三
【自主学习】
阅读教材“基因进入受体细胞的载体——分子运输车” 的内容：
大肠杆菌
质粒
载体要与外源基因连接，需要具备什么条件
要使携带的外源基因在受体细胞中稳定存在，
载体需要具备什么条件
我们用肉眼看不到载体是否进入受体细胞，为了便于筛选重组DNA分子，载体需要具备什么条件
质粒
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：
动植物病毒
噬菌体
(2)种类：
质粒是一种裸露的、结构简单、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。
拟核
质粒
大肠杆菌
氨苄青霉素抗性基因
目的基因
复制起点
1.载体的作用及种类
能使目的基因稳定存在且数量可扩增
供外源DNA片段（基因）插入其中
便于重组DNA分子的筛选
对受体细胞无毒害作用，避免受体细胞受到损伤
2.载体需具备的条件
拟核
质粒
大肠杆菌
氨苄青霉素抗性基因
目的基因
复制起点
(1)稳定存在并能自我复制或整合到受体DNA上
(2)有一个至多个限制酶切割位点
(3)具有特殊的标记基因
(4)对受体细胞无害、易分离
利用标记基因进行筛选示例：
3.最常用的运载体——质粒
（1）质粒的化学本质：
质粒是一种____的、结构简单的、独立于______________或_______________之外，并具有自我复制能力的____________分子
裸露
真核细胞细胞核
原核细胞拟核DNA
环状双链DNA
（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_________的；这些质粒上常有特殊的标记基因，便于__________________；
人工改造
重组DNA分子的筛选
重组DNA分子
思考 讨论
任务四
【动手实践】
请利用两张纸，按照P73页，思考讨论”重组DNA”
的要求完成操作，并完成讨论题：
剪刀和透明胶条分别代表哪种“分子工具” ？
你制作的黏性末端的碱基能不能互补配对？如果不能，可能是什么原因造成的？
你插入的DNA片段能称得上一个基因吗？
如果制作的黏性末端的碱基不能互补配对可能是剪切位点或连接位点选得不对，也可能是其他原因。
不能，因为基因的长度一般在100个碱基对以上。
剪刀代表限制酶；透明胶条代表DNA连接酶。
重组DNA分子
思考 讨论
剪刀和透明胶条分别代表哪种“分子工具” ？
你制作的黏性末端的碱基能不能互补配对？如果不能，可能是什么原因造成的？
你插入的DNA片段能称得上一个基因吗？
注意：同种限制酶不一定是同一种限制酶(比如同两种）。要保证切割目的片段和载体用的酶相同，这样才能进行下一步的拼接。
…TATCGTACGATAGGTACTTAA
…ATAGCATGCTATCCATG
AATTCGGCATAC…
GCCGTATG…
GAGCCATACTTAA
AATTCTCGGTATG
4.从以上操作可推知，在切割含“目的片段”的DNA分子时，需用限制酶切
割___次此DNA分子，断 个磷酸二酯键,产生____个末端,出现____个游离
的磷酸基团。
5.切割目的基因和载体时，需要用_______限制酶,目的是_______________
6.目的片段翻转过来，可以连接吗？____
7.目的片段可以自身环化吗？_____
8.如何防止目的基因自身环化、防止目的基因反向连接到载体：
2
4
4
同种
产生相同的黏性末端
可以
可以
用不同的限制酶（通常两种）切割目的基因的两侧及质粒，使之产生不同的黏性末端。
重组DNA分子
4
思考 讨论
选用下图载体将目的基因导入细菌中并将含有目的基因的细菌筛选出来
1.在培养细菌的培养基中添加抗生素B，则应选择的限制酶为______
2.在培养细菌的培养基中添加抗生素A，则应选择的限制酶为______
①或②
①
注意：酶③也会切割酶②识别的序列，因此不能选择酶③
学以致用
下列操作中选用哪种限制酶切割构建重组DNA分子最好？
（注：AmpR表示氨苄青霉素抗性基因，neo表示新霉素抗性基因）
HindⅢ和PstⅠ
防止目的基因的自身环化；防止目的基因反向连接到载体
拓展练习
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、 λ噬菌体衍生物 、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：磷酸二酯键
种类： E.coliDNA连接酶、T4 DNA连接酶
作用： 把两条双链DNA片段拼接起来
课堂小结
探究实验:
DNA的粗提取和鉴定
04
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、提取的基本思路
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
探究实践
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：
1.选材：
三、材料用具
—— DNA的粗提取与鉴定
探究实践
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
2.试剂：
析出DNA
溶解DNA
鉴定DNA，要现配现用
三、材料用具
—— DNA的粗提取与鉴定
探究实践
试剂 作用
研磨液
体积分数为95%的酒精
2mol/L 的NaCl溶液
二苯胺试剂
蒸馏水
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
研磨洋葱
四、方法步骤：
—— DNA的粗提取与鉴定
探究实践
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；
2.过滤或离心取上清液：
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。
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。
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
低温放置几分钟的作用：
—— DNA的粗提取与鉴定
探究实践
四、方法步骤：
方法一：
方法二：
思考:
3.预冷酒精析出DNA或离心收集沉淀中的DNA
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；
—— DNA的粗提取与鉴定
探究实践
四、方法步骤：
方法一：
用冷却的酒精析出DNA
3.预冷酒精析出DNA或离心收集沉淀中的DNA
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。
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
酒精预冷的作用：
低温抑制核酸水解酶活性，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。
—— DNA的粗提取与鉴定
探究实践
四、方法步骤：
思考
方法二：
组别 试剂 处理 结果
对照组
实验组
4.NaCl溶液溶解DNA并鉴定
实验组
对照组
水浴加热
溶液蓝色的深浅与溶液中DNA的含量的多少有关。
—— DNA的粗提取与鉴定
探究实践
四、方法步骤：
2mol/L的NaCl溶液5mL
2mol/L的NaCl溶液5mL
4mL的二苯胺试剂
4mL的二苯胺试剂
丝状物或沉淀物
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。
—— DNA的粗提取与鉴定
探究实践
视频：DNA的粗提取与鉴定
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
C
教材课后习题·概念检测
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
教材课后习题·概念检测
1.想一想，为什么限制酶不切割细菌本身的DNA分子？
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。
教材课后习题·拓展应用
2. 有2个不同来源的DNA片段A和B，A片段用限制酶切speⅠ进行切割，B片段分别用限制酶HindⅢ , XbaⅠ、EcoRⅤ和XhoⅠ进行切割。各限制酶的识别序列和切割位点如下。
(1)哪种限制酶切割B片段产生的DNA片段能与限制酶speⅠ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？
XbaⅠ 因为XbaⅠ与SpeⅠ切割产生了相同的黏性末端。
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。
教材课后习题·拓展应用
谢谢观赏！