(共26张PPT)
§3-1 重组DNA技术的基本工具
基因工程
从社会中来
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?
转基因番木瓜(左)与
非转基因番木瓜(右)
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”;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。
重组DNA 技术的基本工具
重组DNA 技术的基本工具
将DNA片段连接起来的“分子缝合针”
切割DNA分子的“分子手术刀”
将体外重组DNA分子导入受体细胞的“分子运输车”
科学家正是靠这三种必需的工具,才使培育转基因番木瓜这一奇妙构想变成了现实。
“分子运输车”
“分子手术刀”
“分子缝合针”
限制性内切核酸酶——“分子手术刀”
简 称
限制酶
来 源
主要是从原核生物中分离纯化出来的
思考
Thinking
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?
提示: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一套完善的防御机制。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。
限制性内切核酸酶——“分子手术刀”
磷酸
二酯键
作 用
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。
特 点
大多数限制酶的识别序列由6个核苷酸组成。例如,EcoRI、SmaI限制酶的识别序列均为6个核苷酸,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。
【资料卡】限制酶名字的由来
限制酶是如何命名的呢?是用生物属名的头一个字母与种加词的头两个字母,组成了3 个字母的略语,以此来表示这个酶是从哪种生物中分离出来的。例如,一种限制酶是从大肠杆菌(Escherichia coli)的R型菌株分离来的,就用字母EcoR表示;如果它是从大肠杆菌R型菌株中分离出来的第一种限制酶,则进一步表示成EcoRⅠ。
EcoRⅠ
属名Escherichia首字母
种名coli前两个字母
R型菌株
分离第一个限制酶
限制性内切核酸酶——“分子手术刀”
结 果
DNA分子经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式:
黏性末端:
限制酶在它识别序列的中心轴线两侧将DNA分子的两条链分别切开。
黏性末端
中轴线
EcoRⅠ
(在G与A之间切割)
5’
3’
3’
5’
限制性内切核酸酶——“分子手术刀”
结 果
DNA分子经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式:
黏性末端:
限制酶在它识别序列的中心轴线两侧将DNA分子的两条链分别切开。
平末端:
限制酶在它识别序列的中心轴线处切开。
SmaⅠ
(在G与C之间切割)
5’
3’
3’
5’
平末端
中轴线
限制性内切核酸酶——“分子手术刀”
DNA连接酶——“分子缝合针”
作 用
将切下来的DNA片段拼接成新的DNA分子
(将双链DNA片段“缝合”起来,恢复被限制酶切开的磷酸二酯键)
1967年,世界上几个实验室几乎同时发现了一种能够将两个DNA片段连接起来的酶,称之为DNA连接酶(DNA ligase)。
5’
3’
DNA连接酶——“分子缝合针”
种 类
E·coli DNA连接酶:
来源:从大肠杆菌中分离得到的
作用:只能将具有互补黏性末端的DNA片段连接起来。
T4DNA连接酶:
来源:从T4噬菌体中分离出来的
作用:可以“缝合”双链DNA片段互补的黏性末端和平末端,但连接平末端的效率相对较低。
DNA连接酶——“分子缝合针”
DNA连接酶与DNA聚合酶是一回事吗?为什么?
【提示】不是一回事。虽然DNA连接酶和DNA聚合酶都是催化磷酸二酯键形成的酶,但两者存在显著的区别。
(1)DNA聚合酶只能催化单个核苷酸加到已有的核酸片段3'末端的羟基上,形成磷酸二酯键;而DNA连接酶是催化两个DNA片段之间形成磷酸二酯键,不是催化单个核苷酸与DNA片段之间形成磷酸二酯键。
(2)DNA聚合酶以一条DNA链为模板,催化形成与模板链互补的DNA链;而DNA连接酶催化具有互补黏性末端或平末端的DNA片段连接起来,它不需要模板。
此外,两者虽然都是蛋白质,但它们的组成和性质各不相同。
思考
Thinking
基因进入受体细胞的载体—— “分子运输车”
作 用
将外源基因送入细胞
5’
3’
种 类
它们的来源不同,在大小、结构、复制方式以及可以插入外源DNA片段的大小上也有很大差别。
载体的种类
质粒(常用)
噬菌体、动植物病毒等
【思考·讨论】重组DNA 分子
5′-ATTGCATGCTATCCATGAATTCGGCATAC-3′
3′-TATCGTACGATAGGTACTTAAGCCGTATG-5′
5′-TCCTAGAATTCTCGGTATGAATTCCATAC-3′
3′-AGGATCTTAAGAGCCATACTTAAGGTATG-5′
请在两张纸上分别写上下列两段DNA序列:
请你根据前面学过的相关信息找到两条片段上EcoRⅠ的识别序列和切割位点。然后,用剪刀进行“切割”。待切割位点全部切开后,将从下面那条DNA链上切下的片段重组到上面那条DNA链的切口处,并用透明胶条将切口粘连起来。
【思考·讨论】重组DNA 分子
剪刀代表限制酶;
透明胶条代表DNA连接酶。
【提示】根据学生实际操作的情况进行指导。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。
讨论
1. 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?
【提示】不能,因为基因的长度一般在100个碱基对以上。
3. 你插入的DNA 片段能称得上一个基因吗?
到社会中去
随着生物技术的飞速发展,生产和销售“分子工具”的公司大量涌现。感兴趣的话,你可以登录这些公司的网站,查询和了解相关产品的特点、价格和使用说明等。有些这样的公司已成功上市,你还可以通过分析公司的股票价格走势,大致了解公司的经营状况以及投资者目前对该行业的认可程度。
【提示】在调查中需要了解企业的生产技术、产品的种类和产量、销售渠道和销售情况等,这样才有可能对企业的经营状况进行正确的判断。
【探究·实践】DNA 的粗提取与鉴定
实验原理
提取:DNA、RNA、蛋白质和脂质等在物理和化学性质方面存在差异,可以利用这些差异,选用适当的物理或化学方法对它们进行提取。例如:
DNA不溶于酒精,但某些蛋白质溶于酒精,利用这一原理,可以初步分离DNA与蛋白质。
DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同,它能溶于2 mol/L的NaCl 溶液。
分离:在一定温度下,DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色,因此二苯胺试剂可以作为鉴定DNA的试剂。
目的要求
了解DNA的物理和化学性质,理解DNA粗提取和鉴定的原理。
学会DNA粗提取的方法以及用二苯胺试剂对DNA进行鉴定。
【探究·实践】DNA 的粗提取与鉴定
材料用具
材料:新鲜洋葱(也可以选择香蕉、菠菜、菜花和猪肝等作为实验材料,提取DNA的方法可能稍有不同)、研磨液、体积分数为95%的酒精、2mol/L的NaCl溶液、二苯胺试剂和蒸馏水等。研磨液和二苯胺试剂的配制方法参见教材附录2。
用具:烧杯、量筒、玻璃棒、研钵、纱布、漏斗、试管、试管架、试管夹、酒精灯、石棉网、三脚架、火柴、刀片和天平等。
【探究·实践】DNA 的粗提取与鉴定
方法步骤
取材、研磨:约30g洋葱、切碎+10mL研磨液,充分研磨。
过滤、离心:漏斗垫纱布,将研磨液过滤到烧杯中,4℃冰箱中放置几分钟,取上清液。也可直接将研磨液倒入塑料离心管,1500r/min转速离心5min,取上清液放入烧杯。
粗提取:上清液加入体积相等、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;或将溶液倒入塑料离心管中,10000r/min转速下离心5min,弃上清液,将管底的沉淀物(粗提取的DNA)晾干。
研磨洋葱
用冷却的酒精析出DNA
【探究·实践】DNA 的粗提取与鉴定
方法步骤
鉴定:取两支20mL的试管,各加入2mol/L的NaCl溶液5mL。将丝状物或沉淀物溶于其中一支试管的NaCl溶液中。然后,向两支试管中各加入4mL的二苯胺试剂。混合均匀后,将试管置于沸水中加热5min。待试管冷却后,比较两支试管中溶液颜色的变化。
鉴定DNA
鉴定结果
【探究·实践】DNA 的粗提取与鉴定
【提示】观察提取的DNA的颜色,如果不是白色丝状物,说明DNA中的杂质较多。二苯胺试剂鉴定呈现蓝色说明实验基本成功;如果不呈现蓝色,可能的原因有所提取的DNA含量低,或者在实验操作过程中出现了失误等。
【提示】本实验粗提取的DNA可能仍然含有核蛋白、多糖等杂质。
1. 你提取出白色丝状物或沉淀物了吗?用二苯胺试剂鉴定的结果如何?
你能分析出粗提取的DNA中可能含有哪些杂质吗?
结果分析与评价
【探究·实践】DNA 的粗提取与鉴定
【提示】本实验可以采取分组的方式进行。可以选取不同的实验材料;也可以查阅资料了解其他提取DNA的方法,对同种材料采用不同的方法。最后从多方面比较实验结果,如DNA的纯度、DNA的颜色、二苯胺试剂显色的深浅等,看看哪种实验材料、哪种提取方法的效果更好。
3. 与其他同学提取的DNA进行比较,看看实验结果有何不同,分析产生差异的原因。
结果分析与评价
【探究·实践】DNA 的粗提取与鉴定
【提示】实验室提取纯度较高的DNA的方法有不少。例如,可以先添加质量分数为25%的SDS溶液,使蛋白质变性后与DNA分开;随后,加入氯仿—异丙醇混合液(体积比为24:1),通过离心将蛋白质及其他杂质除去,取上清液;可重复上述操作几次,直至上清液变成透明的黏稠液体。此外由于苯酚可以迅速使蛋白质变性,抑制核酸酶的活性,因此还可以先用苯酚处理,然后离心分层,这时DNA溶于上层水相,蛋白质变性后存在于酚层中,用吸管、微量移液器等实验用具就可以将两者分开。教师可以根据学校的条件让学生自己设计实验方案,比较实验结果。
本实验只是对DNA进行了粗提取,请查阅资料,了解实验室提取纯度较高的DNA的一种方法,并与本实验中所使用的方法进行比较,总结两种方法的异同。
进一步探究
预习:基因工程的基本操作程序
本课学习结束
基因进入受体细胞的载体—— “分子运输车”
质粒的定义
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。
特点:
裸露的、结构简单、具有自我复制能力
位置:
真核细胞细胞核或原核细胞拟核DNA之外
本质:
环状双链DNA分子
5’
3’
拟核
质粒
大肠杆菌细胞
氨苄青霉素抗性基因
目的基因
复制起点
基因进入受体细胞的载体—— “分子运输车”
质粒作为载体应具备的条件
有一个至多个限制酶切割位点,供外源DNA片段(基因)插入其中。
携带外源DNA片段的质粒进入受体细胞后,能在细胞中进行自我复制,或整合到受体DNA上,随受体DNA同步复制。
常有特殊的标记基因,如四环素抗性基因、氨苄青霉素抗性基因等,便于重组DNA分子的筛选。
(基因工程用作载体的质粒是在天然质粒的基础上进行过人工改造的)
5’
3’
拟核
质粒
大肠杆菌细胞
氨苄青霉素抗性基因
目的基因
复制起点