3.1DNA重组技术的基本工具课件（59张ppt）2022-2023学年高二下学期生物人教版（2019）选修3

(共59张PPT)
选修三 现代生物科技专题专题一 基因工程专题二 细胞工程专题三 胚胎工程专题四 生物技术的安全性和伦理问题专题五 生态工程第一节 基因工程概述
第1课时
1、简述基因工程的诞生历程；
2、说出基因工程的概念；
3、说出基因工程所需的两种工具酶的作用
DNA(基因)　　　 mRNA 蛋白质(性状)
转录
翻译
1.什么是基因？
2.基因如何控制生物性状？
基因是有遗传效应的DNA片段。
温故知新
1982年，第一个基因工程药物——重组人胰岛素被批准上市
目的基因的获取
基因表达载体的构建
将目的基因导入受体细胞
目的基因及其表达产物的检测鉴定
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
艾弗里证明DNA是遗传物质，DNA可从一种生物个体转移到另一种生物个体。一、基因工程的诞生和发展沃森、克里克建立了DNA的双螺旋结构模型梅塞尔森、斯塔尔证明DNA的半保留复制克里克等提出中心法则DNARNA蛋白质转录翻译逆转录复制基因是控制生物性状的结构和功能单位，具有相对独立性。1963年尼伦伯格和马太破译编码氨基酸的遗传密码，1966年霍拉纳用实验加以证明。理论基础
DNA是遗传物质的证明
DNA双螺旋结构和中心法则的确立
遗传密码的破译
技术保障
基因工程工具 的发现和应用
限制性核酸内切酶
DNA连接酶
基因载体(如质粒)
一、基因工程的诞生和发展
(1)不同生物的DNA分子能拼接起来的原因分析
(2)外源基因能够在受体内表达，并使受体表现出相应性状的原因分析
积极思维：基因工程操作的理论基础？
①基本组成单位相同：都是四种脱氧核苷酸。
②双链DNA分子的空间结构相同：都是规则的双螺旋结构。
③DNA碱基对之间的关系相同：均遵循严格的碱基互补配对原则。
①基因是控制生物体性状的结构和功能单位，具有相对独立性。
②遗传信息的传递方向都遵循中心法则。
③生物界共用一套遗传密码。
为什么不同生物的基因可以相互“嫁接”并能成功表达？
二、基因工程的概念
基因工程是指在生物体外，通过对DNA分子进行人工“剪切”和“拼接”，对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞，使重组基因在受体细胞中表达，产生出人类所需要的基因产物的技术。基因工程又称DNA重组技术。
基因工程的别名
操作环境
操作对象
操作水平
原理
基本过程
结果
DNA重组技术
体外
基因
DNA分子水平
基因重组
剪切
→拼接
→导入
→表达
人类需要的基因产物
优点
定向改造生物性状
克服远缘杂交不亲和障碍，育种周期短
我国常见转基因食品
提取
抗虫基因
棉花细胞
苏云金芽孢杆菌
(有抗虫特征)
普通棉花
(无抗虫特征)
与运载体DNA拼接，导入
(含抗虫基因)
棉花植株
(有抗虫特征)
基因工程培育抗虫棉的简要过程
如何将苏云金芽孢杆菌细胞内的抗虫基因从它的DNA分子中切割下来？
如何将切下来的抗虫基因与运载体DNA连接起来？
如何将重组的DNA运送到棉花细胞？
需要切割DNA的工具（分子手术刀）
需要连接DNA片断的工具 （分子缝合针）
需要基因转移的工具（分子运输车）
——限制性核酸内切酶
——DNA连接酶
——基因载体
工具酶
思 考
1、科学家们经过多年努力，创立了一种新兴生物技术——基因工程，实施该工程的最终目的是（ ）
A.定向提取生物体的DNA分子
B.定向地对DNA分子进行“剪切”
C.在生物体外对DNA分子进行改造
D.定向地改造生物的遗传性状
D
03
基因工程的基本工具
三、基因工程的工具
（一）限制性核酸内切酶 -------分子手术刀
1.简称：
限制酶
2.来源：
主要从原核生物中分离得到，约4000种
（限制酶不是一种酶，而是一类酶）
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？
寻根问底
推测限制酶存在于原核生物中的作用是什么吗？
原核生物易受自然界外源DNA的入侵，但生物在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制，以防止外来病原物的侵害。限制酶就是细菌的一种防御性工具，当外源DNA侵入时，会利用限制酶将外源DNA切割掉，以保证自身的安全。所以，限制酶在原核生物中主要起到切割外源DNA、使之失效，从而达到保护自身的目的。
为什么限制酶不剪切细菌本身的DNA？
通过长期的进化，细菌中含有某种限制酶的细胞，其DNA分子中不具备这种限制酶的识别切割序列，或者通过甲基化酶将甲基转移到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的入侵。
脱氧核苷酸
磷酸与脱氧核糖之间的磷酸二酯键
3.特点：
4.作用部位:
识别特定的 序列，切割特定位点。
三、基因工程的工具
（一）限制性核酸内切酶 -------分子手术刀
1.简称：
限制酶
2.来源：
主要从原核生物中分离得到，约4000种
（限制酶不是一种酶，而是一类酶）
特异性
1’
2’
3’
4’
5’
G
限制酶
1’
2’
3’
4’
5’
A
磷酸二酯键
T
G
C
C
G
T
A
A
5'
3'
5'
3'
磷酸二酯键
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………
②呈现碱基互补对称，无论多少个碱基，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 ，称为回文序列。
一、限制性内切核酸酶 ——分子手术刀
①通常为6个碱基对，也有少数为4、5或8个碱基对。
A
A
G
T
T
C
C
T
T
A
A
G
C
T
T
A
A
G
G
A
A
T
T
C
限制酶在切断DNA时，可在切口处带有几个伸出的核苷酸，他们之间碱基正好互补配对，因此称这些片断为黏性末端。
一、限制性内切核酸酶 ——分子手术刀
EcoRI 限制酶的切割：
只能识别GAATTC序列，并在G和A之间切开。
中轴线
SmaI 限制酶的作用：
只能识别CCCGGG序列，并在C和G之间切开。
在C和G之间切开
一、限制性内切核酸酶 ——分子手术刀
平末端　　　平末端
一、限制性内切核酸酶 ——分子手术刀
当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。
产生黏性未端、平口末端
作用结果：
不同的酶切形成的黏性末端一定不同吗？
不一定，也可能相同。
（一）限制性核酸内切酶（简称限制酶）
能够识别和切割DNA分子内一小段特殊核苷酸序列的酶。
含义：
主要从原核生物中分离得到
来源：
磷酸与脱氧核糖之间的磷酸二酯键
作用部位：
有专一性(特异性)。即一种限制酶只能识别一种特定核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子。
作用特点：
产生黏性未端、平末端
作用结果：
小结
识别序列长度：
大多数是6个核苷酸序列
1.下列关于限制酶的说法，正确的是（　　）
A.限制酶主耍从真核生物中分离纯化
B.能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列
C.限制酶的识别序列都是有6个核苷酸组成
D.限制酶切割形成的DNA片段末端都是黏性末端
B
【反馈练习】
2.下列黏性未端属于同一限制酶切割而成的是
A．①② B．①③ C．①④ D．②③
B
要想获得某个特定性状的目的基因必须要用限制酶切几个切口？可产生几个黏性(平)末端？
要切2个切口，产生4个黏性(平)末端。
一、限制性内切核酸酶 ——分子手术刀
思考
CTTCATG AATTCCCTAA
GAAGTACTTAA GGGATT
GGCATCTTAA
AATTCCGTAG
练习使用EcoRI 剪切目的基因
CTTCATG AATTCCCTAA
GAAGTACTTAA GGGATT
GGCATCTTAA
AATTCCGTAG
目的基因
黏性末端
疵毫丛啤佐漾玉茨沸稽奢挞祥攒正乔怕狼毖倚烁隅莽亢夏籍目兴史屏慎并人教版高中生物必修二第六章第2节《基因工程及其应用》 课件 (共33张PPT)人教版高中生物必修二第六章第2节《基因工程及其应用》 课件 (共33张PPT)
一、限制性内切核酸酶 ——分子手术刀
如果把两种来源不同的DNA用同种限制酶来切割，会怎样？
一、限制性内切核酸酶 ——分子手术刀
思考
会产生相同的黏性(平)末端，然后让两者的黏性(平)末端黏合起来，就似乎可以合成重组的DNA分子了。
G A A T T C
C T T A A G
G A A T T C
C T T A A G
G
C T T A A
A A T T C
G
G
C T T A A
A A T T C
G
G
C T T A A
A A T T C
G
用同种限制酶切割
缺口怎么办？
不同生物的DNA片段为什么可连接到一起？
（1）组成单位相同
（2）空间结构相同
（3）碱基配对方式相同
因为不同生物DNA的结构相同
三、基因工程的工具
（二）DNA连接酶——“分子缝合针”
1.作用：
C
G
G
C
C
G
T
T
A
A
A
A
T
T
G
C
T
A
T
A
具有相同黏性末端的两个DNA片段连接起来，形成重组DNA分子。
3.结果：
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（无特异性）。
2.实质/作用原理：
催化磷酸二酯键的形成
4.种类：
类型
E·coli DNA连接酶
T4DNA连接酶
来源
功能
大肠杆菌
T4噬菌体
恢复
磷酸
二酯键
只能连接黏性末端
能连接黏性末端和平末端(效率较低)
相同点
差别
三、基因工程的工具
（二）DNA连接酶——“分子缝合针”
什么样的末端才能连接起来？，
因为黏性末端的碱基是互补的，在连接时，黏性末端可以通过碱基互补配对，加快DNA连接酶的连接速度，而平末端则不能。
两DNA片段要具有互补的黏性末端才能拼起来
5.DNA连接酶的缝合作用
(二)、DNA连接酶 ——分子缝合针
1.能被DNA连接酶连接起的黏性末端应该具备什么特点？
2.用DNA连接酶连接两个相同的黏性末端要连接几个磷酸二酯键？
3.基因工程中能将DNA连接酶替换为DNA聚合酶吗？为什么？
不能；而DNA连接酶是将两个DNA片段连接成完整的DNA分子，DNA聚合酶只能催化单个脱氧核苷酸加到DNA片段上。
两个磷酸二酯键。
具有相同的黏性末端。
思考
A A T T G
C
A
A
T
T
A
A
T
T
DNA聚合酶
DNA聚合酶
DNA聚合酶
DNA聚合酶
DNA聚合酶
DNA聚合酶的作用
(二）、DNA连接酶 ——分子缝合针
DNA连接酶与DNA聚合酶的比较
DNA连接酶 DNA聚合酶
相同点 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
不需要模板
需要DNA的一条链为模板
形成完整的DNA分子
形成DNA的一条链
基因工程
DNA复制
只能将单个脱氧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
与核酸相关的几种酶的比较
名称 作用部位 作用结果
DNA (水解)酶 磷酸二酯键 将DNA片段水解为单个脱氧核苷酸
RNA(水解)酶 磷酸二酯键 将RNA片段水解为单个核糖核苷酸
限制酶 磷酸二酯键 将DNA切成两个片段
DNA连接酶 磷酸二酯键 将两个DNA片段连接为一个DNA分子
解旋酶 碱基对之间的氢键 将双链DNA分子局部解旋为单链
DNA聚合酶 磷酸二酯键 将单个脱氧核苷酸依次连接到单链末端
逆转录酶 磷酸二酯键 以RNA为模板，合成DNA
RNA复制酶 磷酸二酯键 以RNA为模板，合成RNA
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
【反馈练习】
二、DNA连接酶 ——分子缝合针
(1)限制酶只能用于切割目的基因(　　)
(2)切割质粒的限制性核酸内切酶均能特异性地识别6个核苷酸序列(　　)
(3)DNA连接酶能将两碱基间通过氢键连接起来(　　)
(4)E·coli DNA连接酶既可连接平末端，又可连接黏性末端(　　)
(5)限制酶也可以识别和切割RNA(　　)
(6)限制性核酸内切酶、DNA连接酶和质粒是基因工程中常用的三种工具酶(　　)
×
×
×
×
×
×
例题1．如图为DNA分子在不同酶的作用下所发生的变化，依次表示限制性核酸内切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶、解旋酶作用的正确顺序是 (　 　)
A．①②③④　　　　　B．①②④③
C．①④②③ D．①④③②
C
例题2．下列关于DNA连接酶的叙述，正确的是
A DNA连接酶连接的是碱基对之间的氢键
B DNA 连接酶连接的是黏性末端两条链上的磷酸和脱氧核糖
C DNA连接酶连接的是黏性末端两条链上的磷酸和核糖
D 同一种DNA连接酶可以切出不同的黏性末端
B
例题3．限制酶a和b的识别序列和切割位点如图所示，下列有关说法正确的是
A.一个DNA分子中，酶a与酶b的识
别序列可能有多个
B.酶a与酶b切出的黏性末端不能相互连接
C.酶a与酶b切断的化学键不完全相同
D.用酶a切割有3个切割位点的环状DNA分子，得到4种切割产物
A
例题4．下列有关基因工程中限制酶的描述，错误的是(　　)
A．一种限制酶只能识别一种特定的核糖核苷酸序列
B．限制酶的活性受温度、pH的影响，总有一个最合适的条件
C．限制酶能破坏相邻脱氧核苷酸之间的化学键
D．限制酶不只存在于原核生物中，其合成场所是核糖体
A
质粒（最常用）
将外源基因送入受体细胞。
1.作用：
动植物病毒
λ噬菌体的衍生物
2.种类：
（三）基因进入受体细胞的载体—“分子运输车”
三、基因工程的工具
3.质粒的结构与特点：
①质粒的结构：质粒是一种 、 、 原核细胞拟核 ，并具有 的
。
裸露的
结构简单
独立于
DNA之外
自我复制能力
很小的环状双链DNA分子
②质粒的来源：
质粒存在于细菌和酵母菌等生物细胞中，最常用的是大肠杆菌质粒。
③质粒的本质：
小型环状 DNA 分子，其基因属于细胞质基因。
（三）基因进入细胞的载体——分子运输车
不存在于病毒中
4．质粒载体需要满足的条件
（1）复制原点，保证在受体细胞中进行独立复制。
（2）适合的标记基因，如四环素抗性基因、氨苄青霉素抗性基因，用于鉴定和选择重组DNA分子。
（3）限制酶的切割位点，便于目的基因（外源基因）的插入。
一般来说，天然载体往往不能满足人类的所有要求，因此人们常根据不同的目的和需要，对某些天然的载体进行人工改造。
（三）基因进入细胞的载体——分子运输车
假如外源基因导入受体细胞后不能复制会怎样？
作为载体如果没有限制酶切割位点将怎样？
外源基因是否进入受体细胞，你如何去察觉？
如果载体对受体细胞有害将怎样？
思 考
会在细胞增殖中丢失
外源基因不可能插入
如果载体上有遗传标记基因，就可通过标记基因的表达来检测。
将影响受体细胞新陈代谢，进而使转入的外源基因也可能无法表达。
1.作用：
2.种类：
（三）基因进入细胞的载体——分子运输车
作为运载工具，将外源基因送入受体细胞。
质粒（最常用）、λ噬菌体的衍生物和某些动植物病毒
3.条件：
⑴能在宿主细胞内自我复制并稳定地保存
⑵有一个或多个限制酶切点，可使外源基因插入其中
⑶具有某些遗传标记基因，供重组DNA的鉴定和选择。
⑷对受体细胞无害
(5)大小适宜
实际上在基因工程操作中，真正被用作载体的质粒，都是在天然质粒的基础上进行过人工改造的。
易混区分
细胞膜上的载体与基因工程中的载体比较
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。
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。
(1)化学本质不同：
(2)功能不同：
注意：限制酶的选择技巧
①根据目的基因两端的限制酶切割位点确定限制酶的种类
a．应选择切割位点位于目的基因两端的限制酶，如图甲可选择PstⅠ。
b．不能选择切割位点位于目的基因内部的限制酶，如图甲不能选择SmaⅠ。
②根据质粒的特点确定限制酶的种类
a．所选限制酶要与切割目的基因的限制酶一致，以确保产生相同的末端。
b．质粒作为载体必须具备标记基因等，所以所选择的限制酶尽量不要破坏这些结构，如图乙中限制酶SmaⅠ会破坏标记基因；如果所选酶的切割位点不止一个，则切割重组后可能丢失某些片段，若丢失的片段含复制起点区，则切割重组后的片段进入受体细胞后不能自主复制。
课后题1、人们常选用的细菌质粒分子往往带有一个抗菌素抗性基因，该抗性基因的主要作用是 （ ）
A.提高受体细胞在自然环境中的耐药性
B.有利于对目的基因是否导入受体细胞进行检测
C.增加质粒分子的分子量
D.便于与外源基因连接
B
课后题2.关于限制酶的说法中，正确的是 （ ）
A.限制酶是一种酶，只识别GAATTC碱基序列 B.EcoRI切割的是G—A之间的氢键
C.限制酶一般不切割自身的DNA分子，只切割外源DNA
D.限制酶只存在于原核生物中
C
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