3.1 课时1 重组DNA技术的基本工具 课件(共26张PPT) 2023-2024学年高二生物人教版（2019）选择性必修3
文档属性
| 名称 | 3.1 课时1 重组DNA技术的基本工具 课件(共26张PPT) 2023-2024学年高二生物人教版（2019）选择性必修3 |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 20.3MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2024-01-16 22:04:51 | ||
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文档简介
(共26张PPT)
重组DNA技术的基本工具
第一课时
第1节
人教版 选择性必修3
1.能阐明基因工程的理论基础
2.能阐明限制酶、DNA连接酶的作用
1944年艾弗里等人通过肺炎链球菌的转化实验，不仅证明了遗传物质是DNA，还证明了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。2年后，桑格首次完成了对胰岛素氨基酸序列的测定。
1958年梅塞尔森和斯塔尔用实验证明了DNA的半保留复制。随后不久，克里克提出中心法则。
1953年沃森和克里克建立了DNA双螺旋结构模型并提出了遗传物质自我复制的假说。
1961年尼伦伯格和马太破译了第一个编码氨基酸的密码子。截至1966年，64个密码子均被成功破译。
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。这些发现为DNA的切割、连接以及功能基因的获得创造了条件。
1972年，伯格首先在体外进行了DNA改造的研究，成功构建了第一个体外重组DNA分子。
基因工程的诞生和发展
1973年，科学家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，并实现物种间的基因交流。至此，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，为基因序列图的绘制提供了可能。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。基因工程药物成为世界各国研究和投资开发的热点。
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。此后，基因工程进入了迅速发展的阶段。
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，为获取目的基因提供了有效手段。
1990年，人类基因组计划启动。2003年，该计划的测序任务顺利完成。
21世纪以来，科学家发明了多种高通量测序技术，可以实现低成本测定大量核酸序列，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——CRISPR（成簇规律间隔短回文重复）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。
2024/1/15
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，因此又叫作重组DNA技术。
（1）原理：基因重组。
（2）操作水平：分子水平。
（3）操作环境：生物体外。
（4）操作对象：基因。
（5）结果：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。
基因工程的概念
（1）大肠杆菌和人的遗传物质都是 。
（2）不同生物的DNA分子能够拼接在一起，原因是
。
（3）同一种基因在不同生物体内表达出来的蛋白质相同，因为
。
（4）遗传信息的传递都遵循 。
DNA
中心法则
基因的组成、空间结构和碱基互补配对方式相同
所有生物共用一整套遗传密码
人的胰岛素基因能通过拼接并在受体细胞大肠杆菌中表达出相同蛋白质--胰岛素的理论基础是？
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”。
转基因番木瓜
非转基因番木瓜
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？
2024/1/15
“分子手术刀”
准确切割DNA分子
“分子缝合针”
“分子运输车”
将DNA片段连接起来
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”
2.主要来源：
主要是从原核生物中分离纯化出来的。
1.全称和简称
全称——限制性内切核酸酶
简称——限制酶
3.作用：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。
大肠杆菌的EcoRⅠ限制酶只能识别GAATTC序列，并在G和A之间切开。
黏性末端
黏性末端
5'
3'
5'
3'
T
A
G
G
T
A
T
C
C
A
磷酸二酯键
4.识别序列：大多数限制酶的识别序列由6个核苷酸组成，也有少数限制酶的识别序列由4个、8个或其他数量的核苷酸组成。
EcoRⅠ
5’…G-A-A-T-T-C…3’
3’…C-T-T-A-A-G…5’
SmaⅠ
5’…C-C-C-G-G-G…3’
3’…G-G-G-C-C-C…5’
BamHⅠ
5’…G-G-A-T-C-C…3’
3’…C-C-T-A-G-G…5’
TaqⅠ
5’……T-C-G-A……3’
3’……A-G-C-T……5’
限制酶所识别的序列的特点是：呈现碱基互补对称，无论是6个碱基还是4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。
在切割部位，一条链正向读的碱基顺序与另一条链反向读的顺序完全一致。
5.切割结果
当限制酶在它识别序列的中轴线两侧将DNA分子的两条链分别切开时，产生的是黏性末端；
当限制酶在它识别序列的中轴线处切开时，产生的是平末端；
EcoR Ⅰ
中轴线
粘性末端
平末端
Sam Ⅰ
现学现用：写出下列限制酶切割形成的黏性末端
BamHⅠ________ EcoRⅠ________
HindⅢ________ BglⅡ ________
GATC
AATT
AGCT
GATC
*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
要想获得某个特定性状的基因必须要用限制酶切几个切口？可产生几个黏性末端？
要切两个切口，产生四个黏性末端。
如果把两种来源不同的DNA用同一种限制酶来切割，会怎样呢？
会产生相同的黏性末端
供体生物细胞
取出DNA
限制酶
目的基因
思考：
你能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。
Hind III和EcoR I
下列操作中选用哪种限制酶切割来构建重组质粒？
各抒己见
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
用同种限制酶切割(EcoRⅠ)
把两种来源不同的DNA进行重组，应该怎样处理？
思考：
G
C T T A A
A A T T C
G
G
C T T A A
A A T T C
G
如何将不同种来源的DNA片段连接起来？
DNA连接酶——“分子缝合针”
1.作用：将两个DNA片段连接起来，恢复被限制酶切开的磷酸二酯键。
注意：不是连接氢键（氢键的形成不需要酶的催化）。
（1）E·coli DNA连接或T4DNA连接酶连接粘性末端
可把黏性末端之间的缝隙“缝合”起来，即恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。
（2）T4 DNA连接酶可把平末端之间的缝隙“缝合”起来，效率低
2024/1/15
种类 E·coli DNA连接酶 T4 DNA连接酶
来源
功能特性
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
既可以连接双链DNA片段互补的黏性末端，又可以连接双链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
（4）E·coli DNA连接酶与T4DNA连接酶比较：
DNA连接酶与DNA聚合酶是一回事吗？
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聚合酶的作用
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
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
（5）DNA连接酶与DNA聚合酶的比较：
DNA连接酶、DNA聚合酶、限制酶、解旋酶的比较
拓展延伸
名称 作用部位 作用结果
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
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
DNA(水解)酶 磷酸二酯键 将DNA片段水解为单个脱氧核苷酸
解旋酶 碱基对之间 的氢键 将双链DNA分子局部解旋为单链，
形成两条长链
限制酶
DNA连接酶
载体
基因工程的基本工具
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
重组DNA技术的基本工具
第一课时
第1节
人教版 选择性必修3
1.能阐明基因工程的理论基础
2.能阐明限制酶、DNA连接酶的作用
1944年艾弗里等人通过肺炎链球菌的转化实验，不仅证明了遗传物质是DNA，还证明了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。2年后，桑格首次完成了对胰岛素氨基酸序列的测定。
1958年梅塞尔森和斯塔尔用实验证明了DNA的半保留复制。随后不久，克里克提出中心法则。
1953年沃森和克里克建立了DNA双螺旋结构模型并提出了遗传物质自我复制的假说。
1961年尼伦伯格和马太破译了第一个编码氨基酸的密码子。截至1966年，64个密码子均被成功破译。
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。这些发现为DNA的切割、连接以及功能基因的获得创造了条件。
1972年，伯格首先在体外进行了DNA改造的研究，成功构建了第一个体外重组DNA分子。
基因工程的诞生和发展
1973年，科学家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，并实现物种间的基因交流。至此，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，为基因序列图的绘制提供了可能。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。基因工程药物成为世界各国研究和投资开发的热点。
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。此后，基因工程进入了迅速发展的阶段。
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，为获取目的基因提供了有效手段。
1990年，人类基因组计划启动。2003年，该计划的测序任务顺利完成。
21世纪以来，科学家发明了多种高通量测序技术，可以实现低成本测定大量核酸序列，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——CRISPR（成簇规律间隔短回文重复）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。
2024/1/15
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，因此又叫作重组DNA技术。
（1）原理：基因重组。
（2）操作水平：分子水平。
（3）操作环境：生物体外。
（4）操作对象：基因。
（5）结果：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。
基因工程的概念
（1）大肠杆菌和人的遗传物质都是 。
（2）不同生物的DNA分子能够拼接在一起，原因是
。
（3）同一种基因在不同生物体内表达出来的蛋白质相同，因为
。
（4）遗传信息的传递都遵循 。
DNA
中心法则
基因的组成、空间结构和碱基互补配对方式相同
所有生物共用一整套遗传密码
人的胰岛素基因能通过拼接并在受体细胞大肠杆菌中表达出相同蛋白质--胰岛素的理论基础是？
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”。
转基因番木瓜
非转基因番木瓜
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？
2024/1/15
“分子手术刀”
准确切割DNA分子
“分子缝合针”
“分子运输车”
将DNA片段连接起来
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”
2.主要来源：
主要是从原核生物中分离纯化出来的。
1.全称和简称
全称——限制性内切核酸酶
简称——限制酶
3.作用：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。
大肠杆菌的EcoRⅠ限制酶只能识别GAATTC序列，并在G和A之间切开。
黏性末端
黏性末端
5'
3'
5'
3'
T
A
G
G
T
A
T
C
C
A
磷酸二酯键
4.识别序列：大多数限制酶的识别序列由6个核苷酸组成，也有少数限制酶的识别序列由4个、8个或其他数量的核苷酸组成。
EcoRⅠ
5’…G-A-A-T-T-C…3’
3’…C-T-T-A-A-G…5’
SmaⅠ
5’…C-C-C-G-G-G…3’
3’…G-G-G-C-C-C…5’
BamHⅠ
5’…G-G-A-T-C-C…3’
3’…C-C-T-A-G-G…5’
TaqⅠ
5’……T-C-G-A……3’
3’……A-G-C-T……5’
限制酶所识别的序列的特点是：呈现碱基互补对称，无论是6个碱基还是4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。
在切割部位，一条链正向读的碱基顺序与另一条链反向读的顺序完全一致。
5.切割结果
当限制酶在它识别序列的中轴线两侧将DNA分子的两条链分别切开时，产生的是黏性末端；
当限制酶在它识别序列的中轴线处切开时，产生的是平末端；
EcoR Ⅰ
中轴线
粘性末端
平末端
Sam Ⅰ
现学现用：写出下列限制酶切割形成的黏性末端
BamHⅠ________ EcoRⅠ________
HindⅢ________ BglⅡ ________
GATC
AATT
AGCT
GATC
*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
要想获得某个特定性状的基因必须要用限制酶切几个切口？可产生几个黏性末端？
要切两个切口，产生四个黏性末端。
如果把两种来源不同的DNA用同一种限制酶来切割，会怎样呢？
会产生相同的黏性末端
供体生物细胞
取出DNA
限制酶
目的基因
思考：
你能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。
Hind III和EcoR I
下列操作中选用哪种限制酶切割来构建重组质粒？
各抒己见
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
用同种限制酶切割(EcoRⅠ)
把两种来源不同的DNA进行重组，应该怎样处理？
思考：
G
C T T A A
A A T T C
G
G
C T T A A
A A T T C
G
如何将不同种来源的DNA片段连接起来？
DNA连接酶——“分子缝合针”
1.作用：将两个DNA片段连接起来，恢复被限制酶切开的磷酸二酯键。
注意：不是连接氢键（氢键的形成不需要酶的催化）。
（1）E·coli DNA连接或T4DNA连接酶连接粘性末端
可把黏性末端之间的缝隙“缝合”起来，即恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。
（2）T4 DNA连接酶可把平末端之间的缝隙“缝合”起来，效率低
2024/1/15
种类 E·coli DNA连接酶 T4 DNA连接酶
来源
功能特性
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
既可以连接双链DNA片段互补的黏性末端，又可以连接双链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
（4）E·coli DNA连接酶与T4DNA连接酶比较：
DNA连接酶与DNA聚合酶是一回事吗？
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聚合酶的作用
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
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
（5）DNA连接酶与DNA聚合酶的比较：
DNA连接酶、DNA聚合酶、限制酶、解旋酶的比较
拓展延伸
名称 作用部位 作用结果
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
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
DNA(水解)酶 磷酸二酯键 将DNA片段水解为单个脱氧核苷酸
解旋酶 碱基对之间 的氢键 将双链DNA分子局部解旋为单链，
形成两条长链
限制酶
DNA连接酶
载体
基因工程的基本工具
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