基因工程及应用[上学期]
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课件95张PPT。§6.2 基因工程简介我们知道：1、青霉菌能够产生对人类有用的抗生素——青霉素
2、豆科植物的根瘤菌能够固定空气中的氮
3、家蚕能够吐丝……
我们能不能通过改造生物体的基因，定向改变生物的遗传性状呢？比如：
1、让水稻、玉米能够固定空气中的氮；
2、让细菌吐丝；
3、让微生物产生人的胰岛素、干扰素等珍贵的药物……
这就要用到定向改造生物的新技术 ——基因工程一、基因工程的概念基因工程又叫DNA重组技术或基因拼接技术。
这种技术是在生物体外，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，然后导入受体细胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生出人类所需要的基因产物。
通俗地说，基因工程是指将特定的基因，通过载体送入受体细胞，使它们在受体细胞增殖并表达的一种遗传学操作。
作用：定向改造生物的遗传性状。实 例人们通过基因工程培育一种抗虫棉，它可以产生毒素，杀死害虫。毒素是蛋白质，表达它的基因是从苏云金芽孢杆菌中提取出来，放入棉的细胞中，与棉细胞中的DNA结合起来，在棉中表达并发挥作用。能杀死棉铃虫的棉花抗虫棉与普通棉花的对比抗虫棉苏云金杆菌毒蛋白基因质粒质粒构建农杆菌棉花棉花细胞侵染转移转基因棉花抗虫棉的构建二、基因操作的工具①基因的剪刀──限制性内切酶 （限制酶）存在：主要存在于微生物中。
特点： 每种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并且各种酶的切点具有专一性，在特定的切割点上将DNA 分子切断。
种类：目前已发现的限制酶有200多种。实 例从大肠杆菌中发现的一种限制酶，只能够识别GAATTC序列，并且只能在G和A之间将这段序列切开。重播 DNA被限制酶切断后，两条单链的切口各有几个伸出的核苷酸，它们正好互补配对，这样的切口称“黏性末端”。被同一种限制酶切断的几个DNA具有相同的黏性末端，能够通过碱基互补配对原则进行配对。②基因的针线──DNA连接酶作用：将两段DNA片断拼接起来，即把两个粘性末端之间的缝隙“缝合”起来，使之成为一个完整的DNA分子。③基因的运输工具──运载体作为运载体必须具备以下条件：
① 能与目的基因结合；
② 对受体细胞的生存没有决定性作用；
③能够在受体细胞中复制并稳定保存；
④具有多个限制酶切点，便于与外源基因连接；
⑤具有标记基因，便于进行筛选、检测。 常用运载体：质粒、噬菌体、 动植物病毒质粒
存在：存在于细菌及酵母菌的染色体以外。
特性：是很小的环状DNA分子，在细胞染色体外能够自我复制。大肠杆菌质粒的分子结构示意图基因工程菌构建质粒酶切外源DNA目的基因连接转入受体菌工程菌培养繁殖酶切习 题1、重组DNA技术所用的工具酶是限制酶、连接酶和运载体。 （ ）
2、限制酶的切口一定是GAATTC碱基序列。 （ ）
3、一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列。 （ ）××√4、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： （ ）DA.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5、下列哪项不是基因工程中经常使用的用来运载目的基因的载体是：（ ）A.细菌质粒
B.噬菌体
C.动植物病毒
D.细菌核区的DNAD三、基因操作的基本步骤复习：三个工具①提取目的基因目前比较广泛提取使用的目的基因有：苏云金芽孢杆菌抗虫基因、植物的抗病（抗病毒、抗细菌）基因、种子的贮藏蛋白的基因、人的胰岛素基因、干扰素基因等。（1）从供体细胞的ＤＮＡ中直接分离基因——鸟枪法用限制酶将供体细胞的DNA切成许多片段，将这些片断分别载入运载体，然后通过运载体分别转入不同的受体细胞，让供体细胞所提供的外源DNA的所有片断分别在各个受体细胞中大量扩增，从中找出含有目的基因的细胞，再用一定的方法把带有目的基因的DNA片断分离出来。
优点：操作简便。
缺点：工作量大，带有一定的盲目性，成功率低。
应用：许多抗虫、抗病毒基因的提取。（２）人工合成基因ａ、逆转录法：以目的基因转录成的信使RNA为模板，在逆转录酶的作用下，逆转录成互补的单链DNA，然后在DNA聚合酶的作用下，将脱氧核苷酸合成双链DNA。
ｂ、逆推法：根据已知的蛋白质的氨基酸序列，推测出相应的信使RNA序列，再根据碱基互补配对原则推测出它的结构基因的脱氧核苷酸序列。最后以游离脱氧核苷酸为原料合成目的基因。
应用：人的血红蛋白基因、胰岛素基因。DNA序列自动测序仪DNA测序仪显示的碱基排列顺序DNA合成仪②目的基因与运载体结合 ——重组DNA 用与提取目的基因相同的限制酶切割质粒使之出现一个切口，将目的基因插入切口处，让目的基因的黏性末端与切口上的黏性末端互补配对后，在连拉酶的作用下连接形成重组DNA分子。应用：人的胰岛素基因就是通过这种方式与大肠杆菌质粒DNA分子结合，形成重组DNA分子（也叫重组质粒）的。③将目的基因导入受体细胞胰岛素的生产常用的受体细胞：大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母菌和动植物细胞等。
导入途径：（以运载体是质粒，受体细胞是细菌为例）
受体细胞（细菌）——氯化钙处理——细菌细胞壁通透性增加——导入重组质粒——重组质粒扩增。导入受体细胞找出基因基因扩增（PCR技术）④目的基因的检测和表达ａ、检测的意义：鉴别目的基因是否真正导入受体细胞。
ｂ、检测方法：大肠杆菌质粒具有抗青霉素基因（标记基因），只要检测受体细胞具有抗青霉素的能力，就说明导入了目的基因。
ｃ、目的基因的表达：受体细胞表现出特定性状，说明目的基因导入和完成表达过程。 细菌的检测，将每个受体细胞单独培养形成菌落，检测菌落中是否有目的基因的表达产物。淘汰无表达产物的菌落，保留有表达产物的进一步培养、研究。多细胞生物的检测将每个受体细胞单独培养并诱导发育成完整个体，检测这些个体是否摄入目的基因，摄入的基因是否表达（是否表现出相应的性状）。淘汰无变化的个体，保留有相应变化的个体进一步培养、研究。
例：用棉铃饲喂棉铃虫，如虫吃后不出现中毒症状，说明未摄入目的基因或摄入目的基因未表达。如虫吃后中毒死亡，则说明摄入了抗虫基因并得到表达。习 题1、目的基因是指重组ＤＮＡ质粒。 （ ）
2、只要检测出受体细胞中含有目的基因，那么，目的基因一定能成功地进行表达。 （ ）××３、β－珠蛋白是动物血红蛋白的重要组成成分。当它的功能不正常时，动物有可能患某种疾病，如镰刀型贫血症。假如让你通过基因工程的方法，使大肠杆菌生产出鼠的β－珠蛋白，想一想，应如何进行设计？基因工程的主要应用 生产特殊蛋白质
基因工程首先在特殊蛋白质的生产中显示出巨大的应用价值，
如生产治疗糖尿病的胰岛素，治疗侏儒症的人生长激素，防治乙肝的乙肝疫苗等。 动植物的遗传改良
应用转基因技术可使生物按照人类的要求定向地产生新的性状。转基因抗软化番茄、高脂肪酸向日葵、高产玉米、抗虫棉等转基因植物已投入商品化生产。 人类基因治疗 基因治疗是通过改变病人的基因来诊治疾病，一般分为体细胞基因治疗和生殖细胞或早期胚胎的基因治疗。 转基因生物的安全性问题 一些生态学家认为，转基因生物进入自然环境可能会有一定程度的风险。
例如，转入抗除草剂基因的转基因作物有可能与亲缘关系较近的杂草发生天然杂交，从而产生具有抗除草剂基因的新杂草，出现更难对付 的“超级杂草”危害。
处于实验阶段的转基因生物必须严加管理，所有新的转基因生物都必须通过严格的审查评估，排除风险后才能被批准进入自然环境。 目前，大多数专家认为，已经投入商品化生产的转基因番茄、玉米等农产品都是安全的。迄今为止尚无食用转基因生物产品引起任何严重问题的科学报道。 另外，有人对基因治疗的安全问题也非常关切。
从理论上说，目的基因导入人体细胞，有可能使受体的基因组成发生某种无法控制和预见的遗传变异。含有目的基因的人和正常人婚配有可能使那些目的基因在人群中传播，进而可能对整个人类基因库发生难以预料的影响。 转基因食品 安全吗?!上市的转基因食品抗病毒和抗软化基因西红柿上市的转基因食品 ? 抗除草剂基因大豆
? 抗虫基因玉米
? 抗病毒基因油菜
? 抗病毒土豆
? 转抗虫基因棉花将上市的转基因食品脂肪含量高含Β-胡萝卜素1996-2001年全球转基因植物种植面积(Km2)年度种植面积2001年转基因植物种植面积比例大豆63%油菜 5%棉花 13%玉米 19%法国环绿色和平组织摧毁 5 个转基因作物基地绿色和平组织将转基因食品妖魔化羞羞答答的 转基因大豆油对转基因食品安全性产生 疑问的原因转基因食品上市时间太短，人们对转基因食品缺乏了解；
建立进口技术壁垒；美国实行双重标准；
转基因食品的安全性证实需要时间；
科学问题比较复杂，科学原理还不能够给出圆满的解答。我 国 对 策大力支持植物基因工程研究；
对转基因食品不进行大力宣传；
加强审批和管理；
制定相关法律和规定。
2202年3月我国规定转基因食品要贴标签，但无人遵守。 转乙肝抗原基因的西红柿 预防乙肝转鱼抗冻基因的耐寒番茄抗CMV甜椒转基因蔬菜转基因水稻和小麦 在胚胎发育的最早阶段（受精卵）引入外源基因，经整合，使发育的个体携带外源基因的动物。中国科学院 科普演讲团转 基 因 动 物转基因羊羊受精卵凝血因子基因代母亲乳汁含治疗血友病的凝血因子将基因注入受精卵中国科学院 科普演讲团带有人凝血因子基因的转基因羊 (1998)羊奶可治血友病携带鸡IBDV基因的 转基因绵羊 携带人mAAT蛋白基因的转基因山羊 转大鼠生长激素基因的
“超级”小鼠中国科学院 科普演讲团转基因超级兔转基因猪转基因猪的特点 生长速度快 瘦肉多 饲料消耗少
转基因鱼中国科学院 科普演讲团转基因观赏鱼转人基因公牛与它的孩子们中国科学院 科普演讲团“不传播疟疾”的转基因蚊子
2、豆科植物的根瘤菌能够固定空气中的氮
3、家蚕能够吐丝……
我们能不能通过改造生物体的基因，定向改变生物的遗传性状呢？比如：
1、让水稻、玉米能够固定空气中的氮；
2、让细菌吐丝；
3、让微生物产生人的胰岛素、干扰素等珍贵的药物……
这就要用到定向改造生物的新技术 ——基因工程一、基因工程的概念基因工程又叫DNA重组技术或基因拼接技术。
这种技术是在生物体外，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，然后导入受体细胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生出人类所需要的基因产物。
通俗地说，基因工程是指将特定的基因，通过载体送入受体细胞，使它们在受体细胞增殖并表达的一种遗传学操作。
作用：定向改造生物的遗传性状。实 例人们通过基因工程培育一种抗虫棉，它可以产生毒素，杀死害虫。毒素是蛋白质，表达它的基因是从苏云金芽孢杆菌中提取出来，放入棉的细胞中，与棉细胞中的DNA结合起来，在棉中表达并发挥作用。能杀死棉铃虫的棉花抗虫棉与普通棉花的对比抗虫棉苏云金杆菌毒蛋白基因质粒质粒构建农杆菌棉花棉花细胞侵染转移转基因棉花抗虫棉的构建二、基因操作的工具①基因的剪刀──限制性内切酶 （限制酶）存在：主要存在于微生物中。
特点： 每种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并且各种酶的切点具有专一性，在特定的切割点上将DNA 分子切断。
种类：目前已发现的限制酶有200多种。实 例从大肠杆菌中发现的一种限制酶，只能够识别GAATTC序列，并且只能在G和A之间将这段序列切开。重播 DNA被限制酶切断后，两条单链的切口各有几个伸出的核苷酸，它们正好互补配对，这样的切口称“黏性末端”。被同一种限制酶切断的几个DNA具有相同的黏性末端，能够通过碱基互补配对原则进行配对。②基因的针线──DNA连接酶作用：将两段DNA片断拼接起来，即把两个粘性末端之间的缝隙“缝合”起来，使之成为一个完整的DNA分子。③基因的运输工具──运载体作为运载体必须具备以下条件：
① 能与目的基因结合；
② 对受体细胞的生存没有决定性作用；
③能够在受体细胞中复制并稳定保存；
④具有多个限制酶切点，便于与外源基因连接；
⑤具有标记基因，便于进行筛选、检测。 常用运载体：质粒、噬菌体、 动植物病毒质粒
存在：存在于细菌及酵母菌的染色体以外。
特性：是很小的环状DNA分子，在细胞染色体外能够自我复制。大肠杆菌质粒的分子结构示意图基因工程菌构建质粒酶切外源DNA目的基因连接转入受体菌工程菌培养繁殖酶切习 题1、重组DNA技术所用的工具酶是限制酶、连接酶和运载体。 （ ）
2、限制酶的切口一定是GAATTC碱基序列。 （ ）
3、一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列。 （ ）××√4、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： （ ）DA.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5、下列哪项不是基因工程中经常使用的用来运载目的基因的载体是：（ ）A.细菌质粒
B.噬菌体
C.动植物病毒
D.细菌核区的DNAD三、基因操作的基本步骤复习：三个工具①提取目的基因目前比较广泛提取使用的目的基因有：苏云金芽孢杆菌抗虫基因、植物的抗病（抗病毒、抗细菌）基因、种子的贮藏蛋白的基因、人的胰岛素基因、干扰素基因等。（1）从供体细胞的ＤＮＡ中直接分离基因——鸟枪法用限制酶将供体细胞的DNA切成许多片段，将这些片断分别载入运载体，然后通过运载体分别转入不同的受体细胞，让供体细胞所提供的外源DNA的所有片断分别在各个受体细胞中大量扩增，从中找出含有目的基因的细胞，再用一定的方法把带有目的基因的DNA片断分离出来。
优点：操作简便。
缺点：工作量大，带有一定的盲目性，成功率低。
应用：许多抗虫、抗病毒基因的提取。（２）人工合成基因ａ、逆转录法：以目的基因转录成的信使RNA为模板，在逆转录酶的作用下，逆转录成互补的单链DNA，然后在DNA聚合酶的作用下，将脱氧核苷酸合成双链DNA。
ｂ、逆推法：根据已知的蛋白质的氨基酸序列，推测出相应的信使RNA序列，再根据碱基互补配对原则推测出它的结构基因的脱氧核苷酸序列。最后以游离脱氧核苷酸为原料合成目的基因。
应用：人的血红蛋白基因、胰岛素基因。DNA序列自动测序仪DNA测序仪显示的碱基排列顺序DNA合成仪②目的基因与运载体结合 ——重组DNA 用与提取目的基因相同的限制酶切割质粒使之出现一个切口，将目的基因插入切口处，让目的基因的黏性末端与切口上的黏性末端互补配对后，在连拉酶的作用下连接形成重组DNA分子。应用：人的胰岛素基因就是通过这种方式与大肠杆菌质粒DNA分子结合，形成重组DNA分子（也叫重组质粒）的。③将目的基因导入受体细胞胰岛素的生产常用的受体细胞：大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母菌和动植物细胞等。
导入途径：（以运载体是质粒，受体细胞是细菌为例）
受体细胞（细菌）——氯化钙处理——细菌细胞壁通透性增加——导入重组质粒——重组质粒扩增。导入受体细胞找出基因基因扩增（PCR技术）④目的基因的检测和表达ａ、检测的意义：鉴别目的基因是否真正导入受体细胞。
ｂ、检测方法：大肠杆菌质粒具有抗青霉素基因（标记基因），只要检测受体细胞具有抗青霉素的能力，就说明导入了目的基因。
ｃ、目的基因的表达：受体细胞表现出特定性状，说明目的基因导入和完成表达过程。 细菌的检测，将每个受体细胞单独培养形成菌落，检测菌落中是否有目的基因的表达产物。淘汰无表达产物的菌落，保留有表达产物的进一步培养、研究。多细胞生物的检测将每个受体细胞单独培养并诱导发育成完整个体，检测这些个体是否摄入目的基因，摄入的基因是否表达（是否表现出相应的性状）。淘汰无变化的个体，保留有相应变化的个体进一步培养、研究。
例：用棉铃饲喂棉铃虫，如虫吃后不出现中毒症状，说明未摄入目的基因或摄入目的基因未表达。如虫吃后中毒死亡，则说明摄入了抗虫基因并得到表达。习 题1、目的基因是指重组ＤＮＡ质粒。 （ ）
2、只要检测出受体细胞中含有目的基因，那么，目的基因一定能成功地进行表达。 （ ）××３、β－珠蛋白是动物血红蛋白的重要组成成分。当它的功能不正常时，动物有可能患某种疾病，如镰刀型贫血症。假如让你通过基因工程的方法，使大肠杆菌生产出鼠的β－珠蛋白，想一想，应如何进行设计？基因工程的主要应用 生产特殊蛋白质
基因工程首先在特殊蛋白质的生产中显示出巨大的应用价值，
如生产治疗糖尿病的胰岛素，治疗侏儒症的人生长激素，防治乙肝的乙肝疫苗等。 动植物的遗传改良
应用转基因技术可使生物按照人类的要求定向地产生新的性状。转基因抗软化番茄、高脂肪酸向日葵、高产玉米、抗虫棉等转基因植物已投入商品化生产。 人类基因治疗 基因治疗是通过改变病人的基因来诊治疾病，一般分为体细胞基因治疗和生殖细胞或早期胚胎的基因治疗。 转基因生物的安全性问题 一些生态学家认为，转基因生物进入自然环境可能会有一定程度的风险。
例如，转入抗除草剂基因的转基因作物有可能与亲缘关系较近的杂草发生天然杂交，从而产生具有抗除草剂基因的新杂草，出现更难对付 的“超级杂草”危害。
处于实验阶段的转基因生物必须严加管理，所有新的转基因生物都必须通过严格的审查评估，排除风险后才能被批准进入自然环境。 目前，大多数专家认为，已经投入商品化生产的转基因番茄、玉米等农产品都是安全的。迄今为止尚无食用转基因生物产品引起任何严重问题的科学报道。 另外，有人对基因治疗的安全问题也非常关切。
从理论上说，目的基因导入人体细胞，有可能使受体的基因组成发生某种无法控制和预见的遗传变异。含有目的基因的人和正常人婚配有可能使那些目的基因在人群中传播，进而可能对整个人类基因库发生难以预料的影响。 转基因食品 安全吗?!上市的转基因食品抗病毒和抗软化基因西红柿上市的转基因食品 ? 抗除草剂基因大豆
? 抗虫基因玉米
? 抗病毒基因油菜
? 抗病毒土豆
? 转抗虫基因棉花将上市的转基因食品脂肪含量高含Β-胡萝卜素1996-2001年全球转基因植物种植面积(Km2)年度种植面积2001年转基因植物种植面积比例大豆63%油菜 5%棉花 13%玉米 19%法国环绿色和平组织摧毁 5 个转基因作物基地绿色和平组织将转基因食品妖魔化羞羞答答的 转基因大豆油对转基因食品安全性产生 疑问的原因转基因食品上市时间太短，人们对转基因食品缺乏了解；
建立进口技术壁垒；美国实行双重标准；
转基因食品的安全性证实需要时间；
科学问题比较复杂，科学原理还不能够给出圆满的解答。我 国 对 策大力支持植物基因工程研究；
对转基因食品不进行大力宣传；
加强审批和管理；
制定相关法律和规定。
2202年3月我国规定转基因食品要贴标签，但无人遵守。 转乙肝抗原基因的西红柿 预防乙肝转鱼抗冻基因的耐寒番茄抗CMV甜椒转基因蔬菜转基因水稻和小麦 在胚胎发育的最早阶段（受精卵）引入外源基因，经整合，使发育的个体携带外源基因的动物。中国科学院 科普演讲团转 基 因 动 物转基因羊羊受精卵凝血因子基因代母亲乳汁含治疗血友病的凝血因子将基因注入受精卵中国科学院 科普演讲团带有人凝血因子基因的转基因羊 (1998)羊奶可治血友病携带鸡IBDV基因的 转基因绵羊 携带人mAAT蛋白基因的转基因山羊 转大鼠生长激素基因的
“超级”小鼠中国科学院 科普演讲团转基因超级兔转基因猪转基因猪的特点 生长速度快 瘦肉多 饲料消耗少
转基因鱼中国科学院 科普演讲团转基因观赏鱼转人基因公牛与它的孩子们中国科学院 科普演讲团“不传播疟疾”的转基因蚊子