基因工程[上学期]

(共41张PPT)
武汉市十六中生物备课组
什么叫基因工程？
基因工程又叫基因拼接技术或DNA重组技术。该技术是在生物体外，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。
（一）基因工程的概念
基因工程概念、特点、应用
特点：基因工程能够打破种属的界限，在基因水平上改变生物遗传性，并通过工程化手段为人类提供有用的产品及服务。
应用：如将人的胰岛素基因等导入细菌中，由细菌生产出人的胰岛素。将一些外源基因导入植物细胞，培育出诸如抗虫棉花等植物新品种。将人的有关基因转移到动物细胞，得到诸如含有人干扰素的羊奶等。另外在基因诊断、基因治疗、基因工程疫苗、器官移植等方面也展现出广阔的前景。
基因工程操作步骤
（二）基因操作的工具
关键步骤一的工具：
关键步骤二的工具：
关键步骤三的工具：
基因的剪刀——限制性内切酶
基因的针线——DNA连接酶
基因的运载工具——运载体
基因的剪刀——限制性内切酶（简称限制酶）
（二）基因操作的工具
限制酶是在生物体(主要是微生物)内的一种酶，能将外来的DNA切断，由于这种切割作用是在DNA分子内部进行的，故名限制性内切酶。
特点：特异性。
即一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并且能在特定的切点上切割DNA分子。
重播
基因的剪刀——限制性内切酶（简称限制酶）
（二）基因操作的工具
大肠杆菌(E.coli)的一种限制酶能识别GAATTC序列，并在G和A之间切开。
限制酶
基因的剪刀——限制性内切酶（简称限制酶）
（二）基因操作的工具
限制酶
什么叫黏性末端？
（二）基因操作的工具
被限制酶切开的DNA两条单链的切口，带有几个伸出的核苷酸，他们之间正好互补配对，这样的切口叫黏性末端。
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？
（二）基因操作的工具
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，然后让两者的黏性末端黏合起来，就似乎可以合成重组的DNA分子了。
基因的针线——DNA连接酶
（二）基因操作的工具
DNA连接酶可把黏性末端之间的缝隙“缝合”起来，即把梯子两边扶手的断口连接起来，这样一个重组的DNA分子就形成了。
基因的针线──DNA连接酶
　　连接酶的作用是：将互补配对的两个黏性末端连接起来，使之成为一个完整的DNA分子。
重播
基因的针线──DNA连接酶
　　连接酶的作用是：将互补配对的两个黏性末端连接起来，使之成为一个完整的DNA分子。
外源基因怎样才能导入受体细胞？
（二）基因操作的工具
导入过程需要运输工具——运载体。
运载体的作用有哪些？
作用一：作为运载工具，将外源基因转移到受体细胞中去。
作用二：利用运载体在受体细胞内，对外源基因进行大量复制。
作为运载体必须具备哪些条件？
（二）基因操作的工具
1）能够在宿主细胞中复制并稳定地保存。
2）具多个限制酶切点，以便与外源基因连接。
3）具有某些标记基因，便于进行筛选。
如抗菌素的抗性基因、产物具有颜色反应的基因等。
基因的运载工具——运载体：
（二）基因操作的工具
常用的运载体主要有两类：
1）细菌细胞质的质粒
2）噬菌体或某些动植物病毒
质粒：
（二）基因操作的工具
质粒是染色体外能够进行自主复制的遗传单位，包括真核生物的细胞器和细菌细胞中核区外的DNA分子。现在习惯上用来专指细菌、酵母菌和放线菌等生物中核以外的DNA分子。
质粒是基因工程最常用的运载体。
绝大多数细菌质粒都是闭合环状DNA分子。有的一个细菌中有一个，有的一个细菌中有多个。
大肠杆菌的质粒：
（二）基因操作的工具
最常用的质粒是大肠杆菌的质粒，其中常含有抗药基因，如四环素的标记基因。质粒的存在与否对宿主细胞生存没有决定性作用，但复制只能在宿主细胞内成。
四个基本步骤：
（三）基因操作的基本步骤
1）提取目的基因
2）目的基因与运载体结合
3）将目的基因导入受体细胞
4）目的基因的检测和表达
目的基因
（三）基因操作的基本步骤
目的基因是人们所需要转移或改造的基因。
如苏云金芽孢杆菌的抗虫基因，还有植物的抗病（抗病毒、抗细菌）基因、种子贮藏蛋白的基因，以及人的胰岛素基因、干扰素基因等。
目的基因的提取方法
（三）基因操作的基本步骤
直接分离基因
人工合成基因
反转录法
根据已知的氨基酸序列合成DNA
：鸟枪法
（三）基因操作的基本步骤
步骤一：目的基因的提取
1）鸟枪法（散弹射击法）：
用限制酶将供体细胞中的DNA切成许多片段，将这些片段分别载入运载体，然后通过运载体分别转入不同的受体细胞，让供体细胞提供的外源DNA的所有片段分别在各个受体细胞中大量复制（即扩增），从中找出含有目的基因的细胞，再利用一定发方法将目的基因的DNA片段分离出来。
（三）基因操作的基本步骤
步骤一：目的基因的提取
2）反转录法：
以目的基因转录成的信使RNA为模板，反转录成互补的单链DNA，然后在酶的作用下合成双链DNA，从而获得所需的基因。
目的基因的mRNA
单链DNA(cDNA)
双链DNA
(即目的基因)
反转录
合成
（三）基因操作的基本步骤
步骤一：目的基因的提取
3）根据已知的氨基酸序列合成DNA法 ：
根据已知蛋白质的氨基酸序列，推测出相应的信使RNA序列，然后按照碱基互补配对原则，推测出它的结构基因的核苷酸序列，再通过化学方法，以单核苷酸为原料合成目的基因。
蛋白质的氨基酸序列
mRNA的核苷酸序列
结构基因的核苷酸序列
推测
推测
目的基因
化学合成
（三）基因操作的基本步骤
上述三种目的基因提取的方法有何优缺点？
优点 缺点
鸟枪法
反转录法
根据已知氨基酸合成DNA法
操作简便广泛使用
工作量大，盲目，分离出来的有时并非一个基因
专一性强
操作过程麻烦，mRNA很不稳定，要求的技术条件较高
专一性最强
仅限于合成核苷酸对较少的简单基因
（三）基因操作的基本步骤
哪些新技术能大大简化基因工程的操作技术？
1）DNA序列自动测序仪：
2）PCR技术：
对提取出来的基因进行核苷酸序列分析。
使目的基因的片段在短时间内成百万倍地扩增。
（三）基因操作的基本步骤
步骤二：目的基因与运载体重组
1）用一定的限制酶切割质粒，使其出现一个切口，露出黏性末端。
2）用同一种限制酶切断目的基因，使其产生相同的黏性末端。
3）将切下的目的基因片段插入质粒的切口处，再加入适量DNA连接酶，形成了一个重组DNA分子（重组质粒）
目的基因与运载体的结合过程，实际上是不同来源的基因重组的过程。
（三）基因操作的基本步骤
步骤二：目的基因与运载体结合
（三）基因操作的基本步骤
常用的受体细胞：
有大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母菌和动植物细胞等。
将目的基因导入受体细胞的原理
借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。
步骤三：目的基因导入受体细胞
（三）基因操作的基本步骤
1）将细菌用CaCl2处理，以增大细菌细胞壁的通透性。
2）使含有目的基因的重组质粒进入受体细胞。
3）目的基因在受体细胞内，随其繁殖而复制，由于细菌繁殖的速度非常快，在很短的时间内就能获得大量的目的基因。
步骤三：目的基因导入受体细胞
（三）基因操作的基本步骤
步骤四：目的基因的检测和表达
四环素
抗性基因
氨苄青霉
素抗性基因
转基因技术
随机性植入（random insertion）细胞体内
植入的位置不可控制
植入的成功依赖标示基因来显示。这些标示基因多是耐抗生素基因（Antibiotic Resistant Marker Genes）
成功植入外来基因的细胞被选出进行培育，再检验是否具有转基因特性
大多数被培育出来的植物都是畸形的或者没有预测到的奇怪特征
少数“成功”的样本被选出进行进一步的培育
目的基因的检测和表达
　　前三步的处理十分繁锁，为保证目的基因得到有效利用，通常用大量的受体细胞来接受不多的目的基因。这样，处理的受体细胞中真正摄入了目的基因的很少，必须将它从中检测出来。
无表达产物
无表达产物
有表达产物
无表达产物
　　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。
不能，受体细胞必须表现出特定的性状，才能说明目的基因完成了表达。
（三）基因操作的基本步骤
受体细胞摄入DNA分子后就说明目的基因完成了表达吗？
若不能表达，要对抗虫基因再进行修饰。
1.基因工程在生活、生产中的应用前景极为广阔，它在生产基因药物、培育特殊的动植物品种以及环境保护等方面已展示出极大的魅力和其它传统育种方法所没有的优点。度运用有关原理分析作答
⑴在培养转基因植物的基因操作中，所用基因的“剪刀”是 ，基因的“针线”是 ，基因的“运输工具”是 。
⑵与杂交育种、诱变育种相比，通过基因工程的方法来培育动植物新品种的主要优点是：
DNA限制性内切酶
DNA连接酶
目的基因的运载体（质粒等）
①目的性强
②育种周期短
③克服远缘杂交的障碍
2.如将人的胰岛素基因等导入细菌中，由细菌生产出人的胰岛素。请你写出基因工程的过程
DNA
人体细胞
DNA
质粒
细菌细胞
控制产生胰岛素的基因片段
限制酶
限制酶
胰岛素
利用生物工程获得胰岛素
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