基因工程及其應(yīng)用一.doc

1、第2節(jié) 基因工程及其應(yīng)用（第1課時）知識鏈接及考試地位本知識與“DNA分子的結(jié)構(gòu)與復(fù)制”、“基因突變和基因重組”、“DNA重組技術(shù)的基本工具”、“基因工程的基本操作程序”等內(nèi)容相聯(lián)系，考試過程中常設(shè)計基因工程的原理、基本工具等基礎(chǔ)知識，多以個別填空或選擇題的形式呈現(xiàn)。知識回顧1、DNA分子的結(jié)構(gòu)特點是什么？2、什么是基因重組？學(xué)習(xí)目標(biāo)1、簡述基因工程的誕生。2、簡述基因工程的原理及技術(shù)。要明確基因工程操作的基本步驟和最基本的工具。重難點1教學(xué)重點 基因工程的基本原理。2教學(xué)難點基因工程的基本原理新知探究傳統(tǒng)育種的方法一般只能在 生物中進行，很難將一種生物的優(yōu)良性狀移植到 生物身上?；蚬こ痰某?/p>

2、現(xiàn)使人類有可能按照自己的意愿 地改變生物，培育出 。一、基因工程的原理基因工程又叫做 或 。通俗地說，就是按照人們的意愿，把一種生物的某種基因提取出來，加以 ，然后放到另一種生物細(xì)胞里， 地改造生物的遺傳性狀?；蚬こ淌窃贒NA上進行的 水平的設(shè)計施工，基因的剪刀是指 ，簡稱限制酶。其作用特點是一種限制酶只能識別一種 序列?；虻尼樉€是指 。目前常用的運載體有 、 和 等。質(zhì)粒存在于許多 以及 等生物中，是細(xì)胞染色體外能夠自主復(fù)制的小型 分子?；蚬こ痰牟僮鞑襟E是： 、目的基因與運載體結(jié)合，目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞、目的基因的 和 。二、基因工程的原理、操作對象各是什么？三、限制性內(nèi)切酶的分布、特

3、點、作用部位和作用結(jié)果如何？四、作為基因的運載體，需具備哪些條件？五、DNA連接酶的作用對象、位置和結(jié)果如何？六、基因工程的優(yōu)點是什么？七、基因重組與基因工程比較比較項目基因重組基因工程不同點重組方式繁殖方式變異大小相同點拓展延申基因工程技術(shù)一、基因工程誕生的理論依據(jù)（1） DNA是遺傳物質(zhì)不同基因具有相同的物質(zhì)基礎(chǔ)。地球上的一切生物，從細(xì)菌到高等動物和植物，直至人類，它們的基因都是一個具有遺傳功能的特定核苷酸序列的DNA片段。而所有生物的DNA的基本結(jié)構(gòu)都是一樣的。因此，不同生物的基因（DNA片段）原則上是可以重組互換的。雖然某些病毒的基因定位在RNA上，但是這些病毒的RNA仍可以通過反轉(zhuǎn)錄

4、產(chǎn)生。DNA并不影響不同基因的重組或互換。A：肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗1944年美國微生物學(xué)家Avery，通過細(xì)菌（肺炎鏈球菌）轉(zhuǎn)化（有毒與無毒）研究確定了基因的分子載體是DNA，而不是蛋白質(zhì)。B：噬菌體轉(zhuǎn)染實驗1952年Alfred Hershy和Marsha Chase用標(biāo)記物的噬菌體（P32和S35）感染大腸桿菌，發(fā)現(xiàn)只有P32標(biāo)記的DNA注入寄主細(xì)胞才能繁殖下一代進一步證明遺傳物質(zhì)是DNA。（2） DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)1953年James D. Watson和Francis H. C. Crick揭示了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)和半保留復(fù)制機制。（3）中心法則和遺傳密碼遺傳密碼是通用的。一系列三聯(lián)密

5、碼子（除極少數(shù)的幾個以外）同氨基酸之間的對應(yīng)關(guān)系，在所有生物中都是相同的。也就是說遺傳密碼是通用的，重組的 DNA分子不管導(dǎo)人什么樣的生物細(xì)胞中，只要具備轉(zhuǎn)錄翻譯的條件，均能轉(zhuǎn)譯出原樣的氨基酸。即使人工合成的DNA分子（基因）同樣可以轉(zhuǎn)錄翻譯出相應(yīng)的氨基酸?，F(xiàn)在，基因是可以人工會成的。（4）基因是可切割的基因直線排列在DNA分子上。除少數(shù)基因重疊排列外，大多數(shù)基因彼此之間存在著間隔序列。因此，作為DNA分子上一個特定核苷酸序列的基因，允許從DNA分子上一個一個完整地切割下來。即使是重疊排列的基因，也可以把指定的基因切割下來，盡管破壞了其他基因。（5）基因是可以轉(zhuǎn)移的基因不僅是可以切割下來的，而

6、且發(fā)現(xiàn)生物體內(nèi)有的基因可以在染色體DNA上移動，甚至可以在不同染色體間進行跳躍，插入到靶DNA分子之中。由此表明基因不僅是可轉(zhuǎn)移的。（6）多肽與基因之間存在對應(yīng)關(guān)系現(xiàn)在普遍認(rèn)為，一種多肽就有一種相對應(yīng)的基因。因此，基因的轉(zhuǎn)移或重組可以根據(jù)其表達(dá)產(chǎn)物多肽的性質(zhì)來檢查。（7）基因可以通過復(fù)制把遺傳信息傳遞給下一代經(jīng)重組的基因一般來說是能傳代的，可以獲得相對穩(wěn)定的轉(zhuǎn)基因生物。二、基因工程的研究內(nèi)容-基礎(chǔ)研究基因工程問世以來，科技工作者始終十分重視基礎(chǔ)研究，包括構(gòu)建一系列克隆載體和相應(yīng)的表達(dá)系統(tǒng)，建立不同物種的基因組文庫和cDNA文庫，開發(fā)新的工具酶，探索新的操作方法等，各方面取得了豐碩的研究成果，使

7、基因工程技術(shù)不斷趨向成熟。1、基因工程克隆載體的研究基因工程的發(fā)展是與克隆載體構(gòu)建密切相關(guān)的，由于最早構(gòu)建和發(fā)展了用于原核生物的克隆載體，所以以原核生物為對象的基因工程研究首先得以迅速發(fā)展。Ti質(zhì)粒的發(fā)現(xiàn)以及成功地構(gòu)建了Ti質(zhì)粒衍生的克隆載體后，植物基因工程研究隨之就迅速發(fā)展起來。動物病毒克隆載體的構(gòu)建成功，使動物基因工程研究也有一定的進展。可以認(rèn)為構(gòu)建克隆載體是基因工程技術(shù)路線中的核心環(huán)節(jié)。至今已構(gòu)建了數(shù)以千計的克隆載體。但是構(gòu)建新的克隆載體仍是今后研究的重要內(nèi)容之一。尤其是適合用于高等動植物轉(zhuǎn)基因的表達(dá)載體和定位整合載體還須大力發(fā)展。2、基因工程受體系統(tǒng)的研究基因工程的受體與載體是一個系統(tǒng)

8、的兩個方面。前者是克隆載體的宿主，是外源目的基因表達(dá)的場所。受體可以是單個細(xì)胞，也可以是組織、器官、甚至是個體。用作基因工程的受體可分為兩類，即原核生物和真核生物。原核生物大腸桿菌是早期被采用的最好受體系統(tǒng)，應(yīng)用技術(shù)成熟，幾乎是現(xiàn)有一切克隆載體的宿主；以大腸桿菌為受體建立了一系列基因組文庫和cDNA文庫，以及大量轉(zhuǎn)基因工程菌株，開發(fā)了一批已投入市場的基因工程產(chǎn)品。藍(lán)細(xì)菌（藍(lán)藻）是進行植物型光合作用的原核生物，兼具植物自養(yǎng)生長和原核生物遺傳背景簡單的特性，便于基因操作和利用光能進行無機培養(yǎng)。因此，近年來藍(lán)細(xì)菌開始被用作廉價高效表達(dá)外源目的基因的受體系統(tǒng)。酵母菌是十分簡單的單細(xì)胞真核生物，具有與原

9、核生物很多相似的性狀。酵母菌營異養(yǎng)生長，便于工業(yè)化發(fā)酵；基因組相對較小，有的株系還含有質(zhì)粒，便于基因操作。因此酵母菌是較早被用作基因工程受體的真核生物。有人把酵母菌同大腸桿菌一起看作是第一代基因工程受體系統(tǒng)。酵母菌不僅是外源基因（尤其是真核基因）表達(dá)的受體，建立了一系列工程菌株，而且成為當(dāng)前建立人和高等動物、植物復(fù)雜基因組文庫的受體系統(tǒng)。真核生物單細(xì)胞小球藻和衣藻也被用于研究外源基因表達(dá)的受體系統(tǒng)。隨著克隆載體的發(fā)展，至今高等植物也已用作基因工程的受體，一般用其愈傷組織、細(xì)胞和原生質(zhì)體，也用部分組織和器官。目前用作基因工程受體的植物有雙子葉植物擬南芥、煙草、番茄、棉花等，單子葉植物水稻、玉米、

10、小麥等，獲得了相應(yīng)的轉(zhuǎn)基因植物。動物鑒于體細(xì)胞再分化能力差，目前主要以生殖細(xì)胞或胚細(xì)胞作為基因工程受體，獲得了轉(zhuǎn)基因鼠、魚、雞等動物。動物體細(xì)胞也用作基因工程受體，獲得了系列轉(zhuǎn)基因細(xì)胞系，用作基礎(chǔ)研究材料，或用來生產(chǎn)基因工程藥物。隨著克隆羊的問世，對動物體細(xì)胞作為基因工程受體的研究越來越被重視，將成為21世紀(jì)初重要研究課題之一。人的體細(xì)胞同樣可作為基因工程的受體，轉(zhuǎn)基因細(xì)胞系用于病理研究。近年來還以異常生長的細(xì)胞作為受體，通過轉(zhuǎn)基因使其回復(fù)正常生長狀態(tài)（基因治療）。3、目的基因研究基因是一種資源，而且是一種有限的戰(zhàn)略性資源。因此開發(fā)基因資源已成為發(fā)達(dá)國家之間激烈競爭的焦點之一，誰擁有基因?qū)＠?/p>

11、，誰就在基因工程領(lǐng)域占主導(dǎo)地位?；蚬こ萄芯康幕救蝿?wù)是開發(fā)人們特殊需要的基因產(chǎn)物，這樣的基因統(tǒng)稱為目的基因。具有優(yōu)良性狀的基因理所當(dāng)然是目的基因。而致病基因在特定情況下同樣可作為目的基因，具有很大的開發(fā)價值。即使是那些今天尚不清楚功能的基因，隨著研究的深入，也許以后成為具有很大開發(fā)價值的目的基因。獲得目的基因的途徑很多，主要是通過構(gòu)建基因組文庫或cDNA文庫，從中篩選出特殊需要的基因。近年來也廣泛使用PCR技術(shù)直接從某生物基因組中擴增出需要的基因。對于較小的目的基因也可用人工化學(xué)合成。現(xiàn)在已獲得的目的基因大致可分為三大類：第一類是與醫(yī)藥相關(guān)的基因；第二類是抗病、蟲害和惡劣生境的基因；第三類是

12、編碼具特殊營養(yǎng)價值的蛋白或多肽的基因。近年來越來越重視基因組的研究工作，試圖搞清楚某種生物基因組的全部基因，為全面開發(fā)各種基因奠定基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計，至1998年完成基因組測序的生物有11種，如嗜血流感桿菌（1830 137bp，1743個基因）、產(chǎn)甲烷球菌（1664 976 bp，1682個基因）、大腸桿菌 K-12（4 639 221bp，4288個基因）、啤酒酵母（12 x 10 bp，5882個基因）、枯草桿菌（ Bacillussubrilis）（421 X10bp，4100個基因）。早在20世紀(jì)80年代就有人對人類基因組產(chǎn)生了興趣，提出人類基因組研究計劃。從1990年開始，先后由美國、英

13、國、日本、德國、法國等國實施“人類基因組計劃”，我國于1999年9月也獲準(zhǔn)參加這一國際性計劃，在北京和上海分別成立了人類基因組研究中心，承擔(dān)人類基因組1的測序任務(wù)。這些國家聚集了一批科技人員，經(jīng)過十年的辛勤工作，于2000年6月宣告人類基因組“工作框架圖”已經(jīng)繪制完畢。同時已破譯了近萬個基因。至1999年，美國對6500個人類基因提出了專利申請。一般認(rèn)為人類基因組含有數(shù)萬個基因，各司其職，控制著人的生長、發(fā)育、繁殖。一旦人類基因組全部被破譯，就可了解人類幾千種遺傳性疾病的病因，為基因治療提供可靠的依據(jù)，并且將保證人類的優(yōu)生優(yōu)育，提高人類的生活質(zhì)量。除“人類基因組計劃”以外，目前正在實施“水稻基

14、因組計劃”。以稻米為主食的我國早在1992年8月正式宣布實施“水稻基因組計劃”，并且是目前國際“水稻基因組計劃”的主要參加者，并于2001年10月12日，中國科學(xué)院、國家計委、科技部聯(lián)合召開新聞發(fā)布會，宣布具有國際領(lǐng)先水平的中國水稻（稅稻）基因組“工作框架圖”和數(shù)據(jù)庫在我國已經(jīng)完成。這一成果標(biāo)志著我國已成為繼美國之后，世界上第二個能夠獨立完成大規(guī)模全基因組測序和組裝分析能力的國家，表明我國在基因組學(xué)和生物信息學(xué)領(lǐng)域不僅掌握了世界一流的技術(shù)，而且具備了組織和實施大規(guī)?？蒲许椖块_發(fā)的能力。秈稻全基因組“工作框架圖”的完成，將帶動小麥、玉米等所有糧食作物的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究。此外，中國、美國合作的“家豬

15、基因組計劃”也已經(jīng)啟動。4、基因工程工具酶的研究基因工程工具酶指體外進行DNA合成、切割、修飾和連接等系列過程中所需要的酶，包括DNA聚合酶、限制性核酸內(nèi)切酶、修飾酶和連接酶等。限制性核酸內(nèi)切酶用于有規(guī)律地切割DNA把提供的DNA原材料切割成具特定末端的DNA片段。現(xiàn)已從不同生物中發(fā)現(xiàn)和分離出上千種限制性核酸內(nèi)切酶，基本上可滿足按不同目的切割各種DNA分子的需要。耐熱性限制性核酸內(nèi)切酶和長識別序列稀切酶仍是當(dāng)前研究的熱門課題。DNA連接酶用于連接各種DNA片段，使不同基因重組?，F(xiàn)在常用的DNA連接酶只有兩種，即大腸桿菌DNA連接酶和 T4 DNA連接酶，前者只能連接具勤性末端的 DNA片段；后

16、者既能連接具默性末端的DNA片段，也能連接具平末端的DNA片段。DNA聚合酶用于人工合成連桿、引物等DNA小片段以及含基因的較大的DNA片段，還用于制備DNA探針。多種耐熱性DNA聚合酶的發(fā)現(xiàn)，使使PCR技術(shù)迅速發(fā)展給當(dāng)今生命科學(xué)提供了先進的研究手段。5、基因工程新技術(shù)研究圍繞外源基因?qū)耸荏w細(xì)胞，發(fā)展了一系列用于不同類型受體細(xì)胞的DNA轉(zhuǎn)化方法和病毒轉(zhuǎn)導(dǎo)方法，特別是近年來研制的基因槍和電激儀克服了某些克隆載體應(yīng)用的物種局限性，提高了外源DNA轉(zhuǎn)化的效率。圍繞基因的檢測方法，在放射性同位素標(biāo)記探針的基礎(chǔ)上，近年來又發(fā)展了非放射性標(biāo)記DNA探針技術(shù)和熒光探針技術(shù)，如生物素標(biāo)記DNA探針、Dig標(biāo)

17、記DNA探針、熒光素標(biāo)記DNA探針等。PCR技術(shù)的發(fā)展不僅大大提高了基因檢測的靈敏度，而且為分離基因提供了快速簡便的途徑。PCR技術(shù)自從1985年建立以來，發(fā)展很快，除一般采用的常規(guī)PCR技術(shù)外還發(fā)展了多種特殊的PCR技術(shù)，如長片段PCR技術(shù)、反轉(zhuǎn)錄PCR技術(shù)、免疫PCR技術(shù)、套式引物PCR技術(shù)、反向PCR技術(shù)、標(biāo)記PCR技術(shù)、復(fù)合PCR技術(shù)、不對稱PCR技術(shù)、定量PCR技術(shù)、錨定PCR技術(shù)、重組PCR技術(shù)、加端PCR技術(shù)等等。凝膠電泳技術(shù)可以在凝膠板上把不同分子大小的DNA分子或DNA片段分開，但是只能分辨幾萬堿基的DNA分子或片段。脈沖電泳技術(shù)的問世，不僅能分開上百萬堿基的DNA分子或片段

18、，而且能夠使完整的染色體彼此分開。當(dāng)堂檢測1、DNA連接酶的重要功能是（ ）A.DNA復(fù)制時母鏈與子鏈之間形成氫鍵 B.黏性末端堿基之間形成氫鍵C.兩條DNA末端之間的縫隙連接起來 D.ABC都不正確2、基因工程是在DNA分子水平上進行設(shè)計施工的，在基因操作的基本步驟中，不進行堿基互補配對的步驟是 （）A人工合成基因 B目的基因與運載體結(jié)合C將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 D目的基因的檢測和表達(dá)3、基因工程中常作為基因的運載體的一組結(jié)構(gòu)是：A質(zhì)粒.線粒體.噬菌體 B染色體.葉綠體.線粒體C質(zhì)粒.噬菌體.動植物病毒 D細(xì)菌.噬菌體.動植物病毒4、科學(xué)家們經(jīng)過多年的努力，創(chuàng)立了一種新的生物技術(shù)基因工程，實施該工程的最終目的是 ( ) A定向提取生物體的DNA分子 B定向地對DNA分子進行人工“剪切”C在生物體外對DNA分子進行改造D定向改造生物的遺傳性狀5、以下有關(guān)基因工程的敘述，正確的是 ( )A基因工程是細(xì)胞水平上的生物工程 B基因工程的產(chǎn)物對人類都是有益的 C基因工程產(chǎn)生的變異屬于人工誘變 D基因工程育種的優(yōu)點之一是目的性強 6、右下圖是將人的生長激素基因?qū)爰?xì)菌B細(xì)胞內(nèi)制造“工程菌”示意圖，所用載體為質(zhì)粒A.已知細(xì)菌B細(xì)胞內(nèi)不含質(zhì)粒A，也不含質(zhì)粒A上的基因，質(zhì)粒A導(dǎo)入細(xì)菌B后，其上的基因能得到表達(dá).（1）圖中質(zhì)粒A與目的基因結(jié)合產(chǎn)生重組質(zhì)粒的過程通常是在體外完