(共30张PPT)
第3章 基因工程
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。 (P67)
☆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。
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
棉花棉铃虫幼虫
第3章 基因工程
1. 概念:P67 是按照人们的愿望,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,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,因此又叫做重组DNA技术。
生物体外
基因
DNA 分子水平
基因重组
按照人们的需要定向改造生物的遗传特性
4.原 理 :
5.结 果 :
3 .操作水平:
2 .操作对象:
1 .操作环境:
第3章 基因工程
2.科技探索之路: 基因工程的诞生和发展(P68-69)
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。
1958年,梅塞尔森和
斯塔尔用实验证明了 DNA的半保留复制。
几乎同一时期确立的
中心法则阐明了遗传 信息流动的方向。
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 种生物个体间转移。
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个密码子均被破 译成功。
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 。
1950年,爱德曼发明
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。
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)
1972年, 伯 格 首先在体外进 行 了DNA的 改 造,成功构建 了第 一个体外 重组DNA 分子 。 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。
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 。
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。
1973年, 科学家证明了 质粒可以作为基因工程 的载体,并实现了物种 间的基因交流。至此, 基因工程正式问世。 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。
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 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。
第3章 基因工程
2.科技探索之路: 基因工程的诞生和发展(P68-69)
课堂练习
基于基因工程的诞生和发展的相关基础理论,判断下列说法的正误。 1.1953年,沃森和克里克建立了DNA双螺旋结构模型,并用实验证 明了DNA的半保留复制。 (×)
2.1970年,在细菌体内发现了第一个限制酶,后来又发现了多种 限制酶、DNA连接酶等。 ( √)
3.1972年,伯格首先在体外进行了DNA的改造,并构建了第一个体
外重组DNA分 子 。 ( √ )
4.1983年,科学家采用花粉管通道法培育了世界上第一例转基因
烟草。 (×)
5.1984年,我国科学家朱作言领导的团队培育了世界上第一条转
基 因 鱼 。 ( √ )
3.1 重组DNA技术的基本工具
从社会中来
番木瓜容易受番木瓜环斑病毒的侵害。当番 木瓜受到这种病毒感染后,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
实现这一精准的操作过程,至少需要三种“分子工具”, 即 准 确 切割DNA的 “分子手术刀”、将DNA片段再连接起来的“分子缝合 针”和将体外组好的DNA分子导入受体细胞的 “分子运输车”。
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)非转基因番木瓜(右)
重组DNA技术所需的三种基本工具”
三、基因进入受体细胞的载体
“分子运输车” “分子手术刀” “分子缝合针”
▲ 图3-1 重组DNA技术所需的三种基本工具示意图
一、限制性内切核酸酶
二、DNA连接酶
磷酸二酯键
A
3.结果:黏性末端和平末端
EcoRI
( 在G 与 A 之间切割) 5'
3'
黏性末端
中 轴 线
5*
Sma I
( 在G 与 C 之间切割)
3*
平末端
一 、限制性内切核酸酶(限制酶)—— “分子手术刀”:P71
1.来源: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, (酶专一性)
2.作 用 : 并且使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开。
注意作用部位:
A
T
中 轴 线
T
T
G
3°
3'
5'
5'
资料卡 限制酶名字的由来: P72
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。
例如,流感嗜血杆菌的d 菌 株(Haemophilus influenzae d)中
先后分离到3种限制酶,则分别命名为: Hind I、Hind Ⅱ、HindlII
练习与应用:P74
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
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,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。所以,尽管细菌中含有限制酶,但它 自身的DNA也不会被切割,并且可以防止外源DNA入侵。
思考:如何将切下来的DNA片段拼接成新的DNA分子
P72 靠DNA连接酶来完成的。
种类 E ·coli DNA连接酶
T D DNA连接酶
来源 大肠杆菌
T4噬菌体
作用 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。 差别 连接 黏性末端 和 平末端 (注意:E ·coli DNA连接酶连接平末端的效率较低)
二、DNA连接酶—— “分子缝合针”: P72
区别 DNA连接酶
DNA聚合酶
不 同 点 模板 不需要模板
需要DNA的一条链作模板
作用对象 催化两个DNA片段 之间形成磷酸二酯键
只能催化单个核苷酸加
到已有的DNA片段上,形 成磷酸二酯键
作用结果 形成完整的重组DNA分子
形成DNA的一条链
用途 基因工程
DNA复制
思考:P72
DNA连接酶与DNA 聚合酶是一 回事吗 为什么
不是一回事。虽然两者都是催化磷酸二酯键形成的酶,化学本 质都是蛋白质,但两者存在显著的区别:
反馈练习
根据所学知识,据图完成以下填空:
①限制酶 ②解旋酶 ③DNA连接酶 ④DNA聚合酶
1. 切 断a 处的酶为
2.连接a处的酶为
3. 切 断b处的酶为
b
a 、
a: 磷酸二酯键; b: 氢键
练习与应用:P74
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 (C)
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
(1)本质:
是一种裸露、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。
有一个至多个限制酶切割位点,供外源DNA片段(基因 )
(2)特点:
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。
注意:在基因工程中,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。这些质粒上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。
三、基因进入受体细胞的载体—— “分子运输车” : P72
1.常用载体:质粒
小结:质粒适于做载体的特点 (学生朗读)
(1).有一个至多个限制酶切割位点,供外源DNA片段插入;
(2).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;
(3).人工改造的质粒常带有特殊的标记基因,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。
2. 其他载体:P72-73 除质粒外,还有噬菌体、动植物病毒等。
总结:重组DNA技术的基本工具有限制酶、 DNA 连接酶和载体;
工具酶:只有限制酶和DNA连接酶。
练习与应用:P74
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)
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
课堂小结:3.1 重组DNA技术的基本工具
一 、限制性内切核酸酶(限制酶)—— “分子手术刀”
1.来源:原核生物(主要)
2.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。 (体现酶具有专一性的特点)
3.结果:黏性末端和平末端
二、DNA连接酶—— “分子缝合针”
E·coli DNA连接酶和T4DNA连接酶
三、基因进入受体细胞的载体—— “分子运输车”
1.常用载体:质粒(本质、特点)
2.其他载体:噬菌体、动植物病毒等
高考真题
(2024 · 湖南 · 高考真题)某同学将质粒DNA进行限制酶酶切时, 发现DNA完全没有被酶切,分析可能的原因并提出解决方法。下
列叙述错误的是 ( B )
A. 限制酶失活,更换新的限制酶
B. 酶切条件不合适,调整反应条件如温度和酶的用量等
C. 质粒DNA突变导致酶识别位点缺失,更换正常质粒DNA
D. 酶切位点被甲基化修饰,换用对DNA甲基化不敏感的限制酶
酶切条件不合适通常会使切割效果下降,调整反应条件如温度和PH等, 调整酶的用量没有作用, B错误。
探究 ·实践 DNA的粗提取与鉴定
一 、实验原理:P74
基本思路: 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。
1.DNA 的提取:DNA 不溶于酒精,但某些蛋白质溶于酒精,可以 用酒 精初步分离DNA 与蛋白质。 DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶 解度不同,能溶于2mol/L NaCl溶液。
2.DNA的鉴定:DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色。
沸水浴加热 蓝色
DNA + 二苯胺
探究 ·实践 DNA的粗提取与鉴定
二、目的要求:P74
1.了 解DNA的物理和化学性质,理解DNA粗提取和鉴定的原理。
2.学会DNA粗提取的方法以及用二苯胺试剂对DNA进行鉴定。
三、材料用具:P74
1.材料 2.用具:略
洋葱 香蕉 菠菜 菜花 猪肝
探究 ·实践 DNA的粗提取与鉴定
三、方法步骤:P74-75 (学生朗读)
1. 研磨洋葱:称取约30g洋葱切碎,放入研钵中,
切碎,倒入10mL研磨液,充分研磨。 研磨洋葱
2.过滤获取含DNA的上清液: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。也可直接 将研磨液倒入塑料离心管中,在1500r/min 的转速下离心5min, 再 取上清液放入烧杯中。
3.冷却酒精析出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;或者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。
探究 ·实践 DNA的粗提取与鉴定
三、方法步骤:P74-75
4.DNA的鉴定: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NaCI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。
注意事项:
1. 在将待鉴定的提取物加入2mol/L 的NaCl溶液中溶解时,需要 不断搅拌以增加溶解的DNA的量,建议搅拌3min以上。
2.二苯胺试剂要现配现用,以保证实验效果。加入二苯胺试剂后 沸水浴处理的时间要在5min以上,且要等到冷却后再观察结果, 这样才可以观察到较为明显的显色反应。
探究 ·实践 DNA的粗提取与鉴定
四、结果分析与评价: P75
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
(1)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。
(2)二苯胺试剂鉴定呈蓝色说明实验基本成功; 如果不呈现 蓝色,可能原因有:所提取的DNA含量低,或者在实验操作过 程出现了失误等。
2.你能分析出粗提取的DNA中可含有哪些杂质吗
可能含有核蛋白、多糖等杂质。
探究 ·实践 DNA的粗提取与鉴定
四、结果分析与评价: P75
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。
同学们可采取分组的方式进行实验。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、哪种方法提取效果更好。
五、进一步探究:P75
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。
探究实践 DNA 的粗提取与鉴定 P74
四、结果分析与评价
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。
同学们可采取分组的方式进行实验。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、哪种方法提取效果更好。
五、进一步探究
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。
课堂练习
1.下列关于DNA粗提取与鉴定的叙述,错误的是( D ) A.DNA 析出过程中,搅拌操作要轻柔以防DNA断裂
B. 预冷的酒精溶液可用来粗提取DNA
C. 用二苯胺试剂鉴定DNA需要进行水浴加热
D. 鉴定DNA时,应将丝状物直接加入到二苯胺试剂中进行沸水浴
将丝状物或沉淀物溶于其中一支试管2mol/L的NaCl溶液中,然后
向试管中各加入4mL的二苯胺试剂,置于沸水中加热5min,D 错误。
(1)图中实验材料A可以是洋葱(香蕉、菠菜、菜花或猪肝) 等, 研磨前加入的B应该是 10mL研磨液 O
(2)通过上述所示步骤得到滤液C后,在4℃冰箱中放置几分钟后, 再取 上清液 ,向其中加入等体积、预冷的酒精溶液,析出的白 色丝状物为 粗提取的DNA O
B
研磨 研磨液 滤液C
2.如图为“DNA 的粗提取与鉴定”实验的相关操作。
实验
材料A
洗 净 切成小块
课堂练习
相料料
I
(3)在 “DNA的粗提取与鉴定”实验中,将含有一定杂质的DNA丝
状物分别放入体积为2mL的3种溶液中,经搅拌后过滤,获得如表 所示的3种滤液,含DNA最少的是滤液 G _o
1 研磨液B液中 搅拌研磨后过滤
滤液E
2 2mol/L的NaCl溶液 搅拌后过滤
滤液F
3 冷却的95%的酒精溶液中 搅拌后过滤
滤液G
课堂练习
2.如图为“DNA 的粗提取与鉴定”实验的相关操作。
结 束
下课啦!