.基因工程及其應用(一)

1、第 2 節(jié)基因工程及其應用（第 1 課時）知識鏈接及考試地位本知識與“ DNA分子的結構與復制”、“基因突變和基因重組”、“ DNA重組技術的基本工具”、“基因工程的基本操作程序”等內容相聯(lián)系，考試過程中常設計基因工程的原理、基本工具等基礎知識，多以個別填空或選擇題的形式呈現(xiàn)。知識回顧1、DNA分子的結構特點是什么？2、什么是基因重組？學習目標1、簡述基因工程的誕生。2、簡述基因工程的原理及技術。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 教學重點基因工程的基本原理。2 教學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。基因

2、工程的出現(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岀來，加以，然后放到另一種生物細胞里，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。質粒存在于許多以及等生物中，是細胞染色體外能夠自主復制的小型分子?；蚬こ痰牟僮鞑襟E是：、目的基因與運載體結合，目的基因導入受體細胞、目的基因的和。二、基因工程的原理、操作對象各是什么？三、限制性內切酶的分布、特點、作用部位和作用結果如何？

3、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一、基因工程誕生的理論依據(jù) （ 1）DNA 是遺傳物質不同基因具有相同的物質基礎。地球上的一切生物，從細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 的基本結構都是一樣 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 仍可以通過反轉錄

4、產生。 DNA 并不影 響不同基因的重組或互換。A :肺炎雙球菌轉化實驗1944 年美國微生物學家 Avery ，通過細菌（肺炎鏈球菌）轉化（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。B:噬菌體轉染實驗1952年AlfredHershy和MarshaChase用標記物的噬菌體 （P32和S35）感染大腸桿菌，發(fā)現(xiàn)只有 P32標記的 DNA 注入寄主細胞才能繁殖下一代進一步證明遺傳物質是DNA 。（ 2） DNA 雙螺旋結構1953 年 JamesD.Watson 和 FrancisH.C.Crick 揭示了 DNA 分子的雙螺旋結構和半保留復制機制。（ 3）中心法則和遺

5、傳密碼 遺傳密碼是通用的。一系列三聯(lián)密碼子（除極少數(shù)的幾個以外）同氨基酸之間的對應關系，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 分子不管導人什么樣的生物細胞中，只要具備轉錄翻譯的條件，均能轉譯出原樣的氨基酸。即使人工合成的DNA 分子（基因）同樣可以轉錄翻譯出相應的氨基酸。現(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

6、了其他基因。（ 5）基因是可以轉移的基因不僅是可以切割下來的，而且發(fā)現(xiàn)生物體內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移的。（ 6 ）多肽與基因之間存在對應關系 現(xiàn)在普遍認為，一種多肽就有一種相對應的基因。因此，基因的轉移或重組可以根據(jù)其表達產物多 肽的性質來檢查。（ 7 ）基因可以通過復制把遺傳信息傳遞給下一代 經重組的基因一般來說是能傳代的，可以獲得相對穩(wěn)定的轉基因生物。二、基因工程的研究內容 基礎研究基因工程問世以來，科技工作者始終十分重視基礎研究，包括構建一系列克隆載體和相應的表達系 統(tǒng)，建立不同物種的基因組

7、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，使基因工程技術不斷趨向成熟。1、基因工程克隆載體的研究 基因工程的發(fā)展是與克隆載體構建密切相關的，由于最早構建和發(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 質粒的發(fā)現(xiàn)以及成功地構建了 Ti 質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建成功，使動物基因 工程研究也有一定的進展。可以認為構建克隆載體是基因工程技術路線中的核心環(huán)節(jié)。至今已構建了數(shù) 以千計的克隆載體。但是構建新的克隆載體仍是今后研究的重要內容之一。尤其是適合用于高等

8、動植物 轉基因的表達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)的兩個方面。前者是克隆載體的宿主，是外源目的基因表達的場 所。受體可以是單個細胞，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)， 應用技術成熟， 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， 以及大量轉基因工程菌株， 開發(fā)了一批已投 入市場的基因工程產品。藍細菌（藍藻）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

9、作和利用光能進行無機培養(yǎng)。因此，近年來藍細菌開始被用作廉 價高效表達外源目的基因的受體系統(tǒng)。酵母菌是十分簡單的單細胞真核生物，具有與原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）表達的受體，建立了一系列工程菌株，而且成為當前建立人和高等動物、植物 復雜基因組文庫的受體系統(tǒng)。真核生物單細胞小球藻和衣藻也被用于研究外源基因表達的受體系統(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，

10、一般用其愈傷組織、細胞和原生質 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、小麥等，獲得了相應的轉基因植物。動物鑒于體細胞再分化能力差， 目前主要以生殖細胞或胚細胞作為基因工程受體， 獲得了轉基因鼠、 魚、雞等動物。動物體細胞也用作基因工程受體，獲得了系列轉基因細胞系，用作基礎研究材料，或用 來生產基因工程藥物。隨著克隆羊的問世，對動物體細胞作為基因工程受體的研究越來越被重視，將成 為 21 世紀初重要研究課題之一。人的體細胞同樣可作為基因工程的受體，轉基因細胞系用于病理研究。近年來還以異常生長的細胞 作為受體，通過轉基因使

11、其回復正常生長狀態(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)達國家之間激烈競爭 的焦點之一，誰擁有基因專利多，誰就在基因工程領域占主導地位?；蚬こ萄芯康幕救蝿帐情_發(fā)人 們特殊需要的基因產物，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

12、技術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 工化學合成?，F(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)藥相關的基因；第二類是抗病、 蟲害和惡劣生境的基因；第三類是編碼具特殊營養(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。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（ 1830137bp ，?1743 個基因）、產甲烷球菌（ 1664976bp， 1682個基因）、大腸桿菌K-12 （ 4639221bp ，?4288 個基因）、啤酒酵母（12x10bp ,

13、5882 個基因）、枯草桿菌（Bacillus?subrilis ） （4. 21X?10bp , 4100 個基因）。早在 20世紀 80 年代就有人對人類基因組產生了興趣，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，承擔人類基因組1的測序任務。這些國家聚集了一批科技人員，經過十年的辛勤工作，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

14、申請。一般認為人 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 人類的生活質量。除 “人類基因組計劃 ”以外，目前正在實施 “水稻基因組計劃 ”。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)庫在我國已經完成。這

15、一成果標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和生物信息學領域 不僅掌握了世界一流的技術，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與應用研究。此外，中國、美國合作的 “家豬基因組計劃 ”也已經啟動。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、限制性核酸內切酶、修飾酶和連接酶等。限制性核酸內切酶用于有規(guī)律地切割 DNA 把提供的 DNA 原材料切割成具特定末端的

16、 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切酶和長識別序列稀切酶仍是當前研究的熱門課題。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 T4DNA 連接酶， 前者只能連接具勤性末端的 DNA 片段； 后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)

17、，使使 PCR 技術迅速發(fā)展給當今生命科學提供了先進的 研究手段。5、基因工程新技術研究 圍繞外源基因導人受體細胞，發(fā)展了一系列用于不同類型受體細胞的 DNA 轉化方法和病毒轉導方法，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用的物種局限性，提高了外源DNA 轉化的效率。圍繞基因的檢測方法，在放射性同位素標記探針的基礎上，近年來又發(fā)展了非放射性標記DNA 探針技術和熒光探針技術，如生物素標記 DNA 探針、 Dig 標記 DNA 探針、熒光素標記 DNA 探針等。PCR 技術的發(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 技術自從 1985 年建立

18、以來，發(fā)展很快，除一般采用的常規(guī) PCR 技術外還發(fā)展了多種特殊的 PCR 技術， 如長片段 PCR 技術、反轉錄 PCR 技術、免疫 PCR 技術、套式引物 PCR 技術、反向 PCR 技術、標記 PCR 技術、復合 PCR 技術、不對稱 PCR 技術、定量 PCR 技術、錨定 PCR 技術、重組 PCR 技術、加端 PCR 技術等等。凝膠電泳技術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。脈沖電泳技術的問世，不僅能分開上百萬堿基的 DNA 分子或片段，而且能 夠使完整的染色體彼此分開。當堂檢測1、DNA連接酶的重要功能是（

19、）A. DNA復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合C.將目的基因導入受體細胞D.目的基因的檢測和表達3、基因工程中常作為基因的運載體的一組結構是：A. 質粒.線粒體噬菌體B.染色體.葉綠體.線粒體C.質粒.噬菌體.動植物病毒D.細菌.噬菌體.動植物病毒4、 科學家們經過多年的努力，創(chuàng)立了一種新的生物技術一一基因工程，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、 以下有關基因工程的敘述，正確的是()A. 基因工程是細胞水平上的生物工程B. 基因工程的產物對人類都是有益的C. 基因工程產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導入細菌B細胞內制造“工程菌”示意圖，所用載體為質粒A.已知細菌B細胞內不含質粒 A,也不含質粒 A上的基因，質粒 A導入細菌B后，其上的基因能得到表達.(1) 圖中質粒 A與目的基因結合產生重