人教版选修3高中生物1-2：基因工程的基本操作程序(35张PPT)
文档属性
| 名称 | 人教版选修3高中生物1-2：基因工程的基本操作程序(35张PPT) |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 3.1MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2020-12-20 20:30:37 | ||
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文档简介
(共35张PPT)
基因工程的基本操作程序主要包括
四个基本步骤：
1）目的基因的获取
2）基因表达载体的构建
3）导入受体细胞，得到转基因生物
4）目的基因的检测与鉴定
无论是核基因还是质基因，都能够贮存、传递和表达遗传信息，也都可能发生突变，从而决定生物体的性状。
原核细胞和真核细胞
的基因结构相同吗
?
基因的结构
非编码区
非编码区
编码区
能够转录为相应的信
使RNA，进而指导蛋
白质的合成，也就是
说能够编码蛋白质
编码区上游
编码区下游
与RNA聚酶
结合位点
不能转录
为信使RNA，
不能编码
蛋白质
不能转录为信使RNA，不能编码蛋白质
一、原核细胞的基因结构
RNA聚合酶能够识别调控序列中的结合位点，并与其结合。转录开始后，RNA聚合酶沿DNA分子移动，并与DNA分子的一条链为模板合成RNA。转录完毕后，RNA链释放出来，紧接着RNA聚合酶也从DNA模板链上脱落下来。
编码区
非编码区
非编码区
与RNA聚酶
结合位点
内含子
外显子
能够编码
蛋白质的
序列叫做
外显子
不能够编
码蛋白质
的序列叫
做内含子
不能转录
为信使RNA，
不能编码
蛋白质
不能转录
为信使RNA，
不能编码
蛋白质
编码区上游
编码区上游
二、真核细胞的基因结构
原核细胞
真核细胞
不同点
相同点
原核细胞
真核细胞
不同点
编码区是
连续的
编码区是间隔的、不连续的
相同点
都由能够编码蛋白质的编码区和具有调控作用的非编码区组成的
原核细胞与真核细胞的基因结构比较：
外显子和内含子
真核细胞基因结构的主要特点：
编码区是间隔的、不连续的。
外显子
在编码区能够编码蛋白质的序列
内含子
在编码区不能够编码蛋白质的序列
真核细胞中，外显子和内含子数目不同
增强子
启动子
终止子
启动子：指RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA序列。
增强子：是增强真核基因转录的一类调节序列。
终止子：提供转录停止信号的DNA序列。
终
止
子
步骤一：目的基因的获取
目的基因是人们所需要转移或改造的基因,获取目的基因是实施基因工程的第一步
。
主要是编码蛋白质的结构基因。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。
获取目的基因的方法
从基因文库中获取目的基因
利用PCR技术扩增目的基因
用DNA合成仪人工合成：基因较小，核苷酸
序列已知
鸟枪法
逆转录法
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。
用限制酶切断成许多片段
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
从基因文库中获取目的基因：
基因文库:
将含有某种生物不同基因的许多DNA片段,导入受体菌的群体中储存,各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因,称为基因文库(gene
library)
基因组文库:
基因文库中包含了一种生物所有的基因,这种基因文库叫做基因组文库.
部分基因文库:
基因文库中包含了一种生物的一部分基因,这种基因文库叫做部分基因文库.如：cDNA文库
cDNA文库
用某种生物发育的某个时期的mRNA反转录（逆转录）产生的多种互补DNA片段，与载体连接后储存在一个受体菌群中，这个受体菌群就叫做这种生物的cDNA文库。
文库类型
cDNA文库
基因组文库
文库大小
小
大
基因中启动子
无
有
基因中内含子
无
有
基因多少
某种生物的部分基因
某生物的全部基因
物种间的基因交流
可以
部分基因可以
3.用DNA合成仪人工合成：
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
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
PCR技术（聚合酶链式反应）
DNA引物
热稳定DNA聚
合酶（Taq酶）
PCR技术扩增目的基因为什么要加入引物，引物是什么成分？
DNA聚合酶只能催化形成脱氧核苷酸与已有的核苷酸链之间的磷酸二酯键，而RNA聚合酶不同，只要有DNA模板存在，就可以在其上合成新的RNA链。所以DNA复制需要模板，细胞内DNA复制时，引物往往为小段RNA。但PCR技术扩增基因时引物为小段DNA。
步骤二：基因表达载体的构建
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。
基因表达载体的组成：
目的基因
启动子
终止子
标记基因
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
目的基因进入受体细胞内维持稳定和表达的过程，称为转化
①直接导入法
（1）电击法：借助电击仪高压脉冲把目的基因打入宿主细胞。
（2）显微注射法：利用微量注射器在显微镜下直接把目的基因注入宿主细胞。
（3）直接吸收法：把目的基因和宿主细胞混在一起，让其吸收。
（4）基因枪法：在金属微粒上涂一层目的基因，然后发射到宿主细胞中。
②间接导入法常用的载体是质粒、λ噬菌体。
1.将目的基因导入植物细胞
农杆菌转化法
农杆菌是一种生活在土壤中的微生物，能在自然状态下感染双子叶植物和裸子植物，但对单子叶植物没有感染能力。
基因枪法（微弹轰击法）
单子叶植物常用
花粉管通道法
是我国科学家独创的一种方法。花粉管通道法就是在植物授粉后，花粉形成的花粉管还未愈合前减去柱头；然后，滴加DNA（含目的基因），使目的基因借助花粉管通道进入受体细胞。我国目前推广面积最大的转基因抗虫棉就是用花粉管通道法培育出来的。该法的最大优点是不依赖组织培养人工再生植株，技术简单，不需要装备精良的实验室，常规育种工作者易于掌握。
2.将目的基因导入动物细胞
显微注射技术
3.将目的基因导入微生物细胞
大肠杆菌细胞最常用的转化方法是:
首先用Ca2+
处理细胞,以增大细菌细胞壁的通透性,使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态,这种细胞称为感受态细胞.
第二步是将重组表达载体DNA分子溶于缓冲液中与感受态细胞混合,在一定的温度下促进感受态细胞吸收DNA分子,完成转化过程.
第二步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。
步骤四：目的基因的检测与鉴定
四环素
抗性基因
氨苄青霉
素抗性基因
检测目的基因是否导入受体细胞
检测转基因生物染色体上的DNA是否插入了目的基因
检测目的基因是否转录出mRNA
分子杂交技术
检测目的基因是否翻译成蛋白质
抗原-抗体杂交
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。
受体细胞摄入DNA分子后就说明目的基因完成了表达吗？（个体生物学水平的鉴定）
若不能表达，要对抗虫基因再进行修饰。
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。
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。
基因工程的基本操作程序主要包括
四个基本步骤：
1）目的基因的获取
2）基因表达载体的构建
3）导入受体细胞，得到转基因生物
4）目的基因的检测与鉴定
无论是核基因还是质基因，都能够贮存、传递和表达遗传信息，也都可能发生突变，从而决定生物体的性状。
原核细胞和真核细胞
的基因结构相同吗
?
基因的结构
非编码区
非编码区
编码区
能够转录为相应的信
使RNA，进而指导蛋
白质的合成，也就是
说能够编码蛋白质
编码区上游
编码区下游
与RNA聚酶
结合位点
不能转录
为信使RNA，
不能编码
蛋白质
不能转录为信使RNA，不能编码蛋白质
一、原核细胞的基因结构
RNA聚合酶能够识别调控序列中的结合位点，并与其结合。转录开始后，RNA聚合酶沿DNA分子移动，并与DNA分子的一条链为模板合成RNA。转录完毕后，RNA链释放出来，紧接着RNA聚合酶也从DNA模板链上脱落下来。
编码区
非编码区
非编码区
与RNA聚酶
结合位点
内含子
外显子
能够编码
蛋白质的
序列叫做
外显子
不能够编
码蛋白质
的序列叫
做内含子
不能转录
为信使RNA，
不能编码
蛋白质
不能转录
为信使RNA，
不能编码
蛋白质
编码区上游
编码区上游
二、真核细胞的基因结构
原核细胞
真核细胞
不同点
相同点
原核细胞
真核细胞
不同点
编码区是
连续的
编码区是间隔的、不连续的
相同点
都由能够编码蛋白质的编码区和具有调控作用的非编码区组成的
原核细胞与真核细胞的基因结构比较：
外显子和内含子
真核细胞基因结构的主要特点：
编码区是间隔的、不连续的。
外显子
在编码区能够编码蛋白质的序列
内含子
在编码区不能够编码蛋白质的序列
真核细胞中，外显子和内含子数目不同
增强子
启动子
终止子
启动子：指RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA序列。
增强子：是增强真核基因转录的一类调节序列。
终止子：提供转录停止信号的DNA序列。
终
止
子
步骤一：目的基因的获取
目的基因是人们所需要转移或改造的基因,获取目的基因是实施基因工程的第一步
。
主要是编码蛋白质的结构基因。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。
获取目的基因的方法
从基因文库中获取目的基因
利用PCR技术扩增目的基因
用DNA合成仪人工合成：基因较小，核苷酸
序列已知
鸟枪法
逆转录法
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。
用限制酶切断成许多片段
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
从基因文库中获取目的基因：
基因文库:
将含有某种生物不同基因的许多DNA片段,导入受体菌的群体中储存,各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因,称为基因文库(gene
library)
基因组文库:
基因文库中包含了一种生物所有的基因,这种基因文库叫做基因组文库.
部分基因文库:
基因文库中包含了一种生物的一部分基因,这种基因文库叫做部分基因文库.如：cDNA文库
cDNA文库
用某种生物发育的某个时期的mRNA反转录（逆转录）产生的多种互补DNA片段，与载体连接后储存在一个受体菌群中，这个受体菌群就叫做这种生物的cDNA文库。
文库类型
cDNA文库
基因组文库
文库大小
小
大
基因中启动子
无
有
基因中内含子
无
有
基因多少
某种生物的部分基因
某生物的全部基因
物种间的基因交流
可以
部分基因可以
3.用DNA合成仪人工合成：
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
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
PCR技术（聚合酶链式反应）
DNA引物
热稳定DNA聚
合酶（Taq酶）
PCR技术扩增目的基因为什么要加入引物，引物是什么成分？
DNA聚合酶只能催化形成脱氧核苷酸与已有的核苷酸链之间的磷酸二酯键，而RNA聚合酶不同，只要有DNA模板存在，就可以在其上合成新的RNA链。所以DNA复制需要模板，细胞内DNA复制时，引物往往为小段RNA。但PCR技术扩增基因时引物为小段DNA。
步骤二：基因表达载体的构建
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。
基因表达载体的组成：
目的基因
启动子
终止子
标记基因
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
目的基因进入受体细胞内维持稳定和表达的过程，称为转化
①直接导入法
（1）电击法：借助电击仪高压脉冲把目的基因打入宿主细胞。
（2）显微注射法：利用微量注射器在显微镜下直接把目的基因注入宿主细胞。
（3）直接吸收法：把目的基因和宿主细胞混在一起，让其吸收。
（4）基因枪法：在金属微粒上涂一层目的基因，然后发射到宿主细胞中。
②间接导入法常用的载体是质粒、λ噬菌体。
1.将目的基因导入植物细胞
农杆菌转化法
农杆菌是一种生活在土壤中的微生物，能在自然状态下感染双子叶植物和裸子植物，但对单子叶植物没有感染能力。
基因枪法（微弹轰击法）
单子叶植物常用
花粉管通道法
是我国科学家独创的一种方法。花粉管通道法就是在植物授粉后，花粉形成的花粉管还未愈合前减去柱头；然后，滴加DNA（含目的基因），使目的基因借助花粉管通道进入受体细胞。我国目前推广面积最大的转基因抗虫棉就是用花粉管通道法培育出来的。该法的最大优点是不依赖组织培养人工再生植株，技术简单，不需要装备精良的实验室，常规育种工作者易于掌握。
2.将目的基因导入动物细胞
显微注射技术
3.将目的基因导入微生物细胞
大肠杆菌细胞最常用的转化方法是:
首先用Ca2+
处理细胞,以增大细菌细胞壁的通透性,使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态,这种细胞称为感受态细胞.
第二步是将重组表达载体DNA分子溶于缓冲液中与感受态细胞混合,在一定的温度下促进感受态细胞吸收DNA分子,完成转化过程.
第二步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。
步骤四：目的基因的检测与鉴定
四环素
抗性基因
氨苄青霉
素抗性基因
检测目的基因是否导入受体细胞
检测转基因生物染色体上的DNA是否插入了目的基因
检测目的基因是否转录出mRNA
分子杂交技术
检测目的基因是否翻译成蛋白质
抗原-抗体杂交
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。
受体细胞摄入DNA分子后就说明目的基因完成了表达吗？（个体生物学水平的鉴定）
若不能表达，要对抗虫基因再进行修饰。
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。
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。