第2節(jié)基因工程及其應(yīng)用

1、基因工程基因工程 及其應(yīng)用及其應(yīng)用 第第2節(jié)節(jié) 什么是基因工程什么是基因工程? ? 基因工程的原理是什么基因工程的原理是什么? ? 資料一資料一 以往，治療糖尿病的以往，治療糖尿病的 胰島素是從動(dòng)物胰腺中胰島素是從動(dòng)物胰腺中 提取的，從提取的，從100100千克豬、千克豬、 牛等動(dòng)物的胰腺只能提牛等動(dòng)物的胰腺只能提 取取3 34 4克胰島素，治療克胰島素，治療 一個(gè)患者需宰殺一個(gè)患者需宰殺40405050 頭牛，這種藥物的造價(jià)頭牛，這種藥物的造價(jià) 就可想而知了。就可想而知了。 微生物可以有分泌產(chǎn)物，微生物可以有分泌產(chǎn)物， 且微生物繁殖速率快且微生物繁殖速率快 蜘蛛能夠吐出蛛絲蜘蛛能夠吐出蛛絲

2、資料二：蛛絲是自然界資料二：蛛絲是自然界 最奇特的物質(zhì)之一，它最奇特的物質(zhì)之一，它 具有極強(qiáng)的韌度，其韌具有極強(qiáng)的韌度，其韌 度是同樣直徑鋼材的好度是同樣直徑鋼材的好 幾倍。但與家蠶不同，幾倍。但與家蠶不同， 蜘蛛不能家養(yǎng)，因?yàn)樗┲氩荒芗茵B(yǎng)，因?yàn)樗?們會(huì)互相吞食，所以不們會(huì)互相吞食，所以不 可能建立人工飼養(yǎng)蜘蛛可能建立人工飼養(yǎng)蜘蛛 的農(nóng)場。的農(nóng)場。3030多年來，科多年來，科 學(xué)家們一直試圖找到利學(xué)家們一直試圖找到利 用其他生物體來制造蛛用其他生物體來制造蛛 絲的辦法。絲的辦法。 基因工程基因工程：即即基因拼接技術(shù)或DNA重組技術(shù)。 通俗的說，就是按照人們的意愿，把一種生物的某種通俗的說，就

3、是按照人們的意愿，把一種生物的某種 基因提取出來，加以修飾改造，然后放到另一種生物基因提取出來，加以修飾改造，然后放到另一種生物 的細(xì)胞里，的細(xì)胞里，定向定向地改造生物的地改造生物的遺傳性狀遺傳性狀。 原原 理理： 操作水平操作水平： 結(jié)結(jié) 果果： 基因重組基因重組 DNADNA分子水平分子水平 定向定向地改造生物的遺傳性狀，地改造生物的遺傳性狀， 獲得人類所需要的品種。獲得人類所需要的品種。 目的基因目的基因供體細(xì)胞供體細(xì)胞受體細(xì)胞受體細(xì)胞 獲得新性狀獲得新性狀 二、基因操作的工具 這個(gè)特點(diǎn)說明了：這個(gè)特點(diǎn)說明了： 酶具有專一性酶具有專一性 一種限制酶只能識別一種特定的核苷酸序一種限制酶只能

4、識別一種特定的核苷酸序 列，并在列，并在特定特定的切點(diǎn)上切割的切點(diǎn)上切割DNADNA分子。分子。 專一性專一性 如如:EcoRI限制酶限制酶 斷開的是斷開的是:磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵 限制性內(nèi)切酶（限制性內(nèi)切酶（EcoREcoR）作用過程）作用過程 被被同一種同一種限制酶切斷的幾個(gè)限制酶切斷的幾個(gè)DNADNA是否是否 具有具有相同的黏性末端相同的黏性末端？ 思考思考: GAATTCCGTAGAATTCGGATT 嘗試寫出下列序列受嘗試寫出下列序列受EcoliI 內(nèi)切酶作用后的黏性末端內(nèi)切酶作用后的黏性末端 CTTCATGAATTCCCTAA GAAGTACTTAAGGGATT CTTAAGGCA

5、TCTTAAGCCTAA CTTCATG AATTCCCTAA GAAGTACTTAA GGGATT GGCATCTTAA AATTCCGTAG 、基因的針線、基因的針線DNADNA連接酶連接酶 連接酶的作用是：將互補(bǔ)配對的兩個(gè)黏性末連接酶的作用是：將互補(bǔ)配對的兩個(gè)黏性末 端連接起來，使之成為一個(gè)完整的端連接起來，使之成為一個(gè)完整的DNADNA分子。分子。 形成新的：磷酸二酯鍵形成新的：磷酸二酯鍵 其作用與限制性內(nèi)切酶相反，作用點(diǎn)相同其作用與限制性內(nèi)切酶相反，作用點(diǎn)相同 DNA連接酶的作用過程連接酶的作用過程 基因的針線：基因的針線：DNA連接酶連接酶 G A A T T C C T T A

6、A G G A A T T C C T T A A G G C T T A A A A T T C G G C T T A A A A T T C G G C T T A A A A T T C G 用同種限制酶切割用同種限制酶切割 DNADNA連接酶連接的連接酶連接的 是是DNADNA骨架上的缺骨架上的缺 口，口，不是不是堿基間堿基間 的氫鍵的氫鍵 A A、常用、常用 的運(yùn)載體：的運(yùn)載體： 質(zhì)粒、噬菌體和動(dòng)、質(zhì)粒、噬菌體和動(dòng)、 植物病毒等植物病毒等 標(biāo)記基標(biāo)記基 因，便因，便 于進(jìn)行于進(jìn)行 檢測。檢測。 其中質(zhì)粒存在于許其中質(zhì)粒存在于許 多細(xì)菌和酵母菌等生多細(xì)菌和酵母菌等生 物中物中, ,是

7、擬核或細(xì)胞是擬核或細(xì)胞 核外能夠自主復(fù)制的核外能夠自主復(fù)制的 很小的很小的環(huán)狀環(huán)狀DNADNA分子分子. . 具有具有一到多個(gè)一到多個(gè)限制酶的酶限制酶的酶 切位點(diǎn)切位點(diǎn), ,以便與外源基因連以便與外源基因連 接接; ; 能能進(jìn)入進(jìn)入受體細(xì)胞并在受體受體細(xì)胞并在受體 細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定存在并細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定存在并能復(fù)制、能復(fù)制、 表達(dá)；表達(dá)； 具有具有標(biāo)記基因標(biāo)記基因, ,便于目的便于目的 基因的篩選基因的篩選. . 運(yùn)載體必須同時(shí)滿足三個(gè)要求：運(yùn)載體必須同時(shí)滿足三個(gè)要求： 第一步：獲取目的基因第一步：獲取目的基因 三、基因工程基本步驟：三、基因工程基本步驟： 第二步：目的基因與運(yùn)載體結(jié)合第二步：目的基因與運(yùn)

8、載體結(jié)合 第三步：將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞第三步：將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 第四步第四步: 目的基因的表達(dá)和檢測目的基因的表達(dá)和檢測 三、基因工程基本步驟三、基因工程基本步驟 1 1、獲取目的基因、獲取目的基因 提取目的基因的方法提取目的基因的方法 用限制酶切用限制酶切 斷成許多片段斷成許多片段 直接分離基因直接分離基因鳥槍法鳥槍法 將供體生物的將供體生物的DNADNA用限制酶用限制酶 切割為許多片段，再用運(yùn)載體將切割為許多片段，再用運(yùn)載體將 這些片段都運(yùn)載到受體生物的不這些片段都運(yùn)載到受體生物的不 同細(xì)胞中去。只要有一個(gè)細(xì)胞獲同細(xì)胞中去。只要有一個(gè)細(xì)胞獲 得了需要的目的基因并得以表達(dá)，得了需要的

9、目的基因并得以表達(dá)， 基因工程就算成功了?；蚬こ叹退愠晒α恕?該法最大的缺點(diǎn)是該法最大的缺點(diǎn)是帶有很大帶有很大 的盲目性，工作量大，成功率低。的盲目性，工作量大，成功率低。 且不能將真核生物的基因轉(zhuǎn)移到且不能將真核生物的基因轉(zhuǎn)移到 原核生物中去。原核生物中去。 人工合成基因法人工合成基因法 DNADNA合成儀合成儀 有兩種方法：有兩種方法： 逆轉(zhuǎn)錄法逆轉(zhuǎn)錄法：以信使：以信使 RNARNA為模板，在逆轉(zhuǎn)錄酶為模板，在逆轉(zhuǎn)錄酶 的作用下利用脫氧核苷酸的作用下利用脫氧核苷酸 合成合成DNA(DNA(基因基因) )。 化學(xué)合成法化學(xué)合成法：根據(jù)：根據(jù) 蛋白質(zhì)的氨基酸順序推算蛋白質(zhì)的氨基酸順序推算 出

10、信使出信使RNARNA核糖核苷酸順核糖核苷酸順 序，再據(jù)此推算出基因序，再據(jù)此推算出基因 DNADNA的脫氧核苷酸順序。的脫氧核苷酸順序。 用游離脫氧核苷酸直接合用游離脫氧核苷酸直接合 成相應(yīng)的基因。成相應(yīng)的基因。 用與提取目的基因 相同的限制酶切割質(zhì)粒 使之出現(xiàn)一個(gè)切口，將 目的基因插入切口處， 讓目的基因的黏性末端 與切口上的黏性末端互 補(bǔ)配對后，在DNA連接酶 的作用下連接形成重組 DNA分子。 2 2、目的基因與運(yùn)載體結(jié)合、目的基因與運(yùn)載體結(jié)合 3 3、將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞、將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 導(dǎo)入導(dǎo)入 擴(kuò)增擴(kuò)增 常用的受體細(xì)常用的受體細(xì) 胞：菌類和動(dòng)胞：菌類和動(dòng) 植物細(xì)胞植物細(xì)

11、胞 4、目的基因的表達(dá)和檢測、目的基因的表達(dá)和檢測 大量的受體細(xì)胞接受不多的目的基因。處理的受大量的受體細(xì)胞接受不多的目的基因。處理的受 體細(xì)胞中真正攝入了目的基因的體細(xì)胞中真正攝入了目的基因的很少很少，必須將它從中，必須將它從中 檢測出來。檢測出來。 將將每個(gè)受體細(xì)胞單獨(dú)每個(gè)受體細(xì)胞單獨(dú)培養(yǎng)形成菌落，檢測菌落中培養(yǎng)形成菌落，檢測菌落中 是否有目的基因的是否有目的基因的表達(dá)產(chǎn)物。表達(dá)產(chǎn)物。淘汰無表達(dá)產(chǎn)物的菌落，淘汰無表達(dá)產(chǎn)物的菌落， 保留有表達(dá)產(chǎn)物的進(jìn)一步培養(yǎng)、研究。保留有表達(dá)產(chǎn)物的進(jìn)一步培養(yǎng)、研究。 無表達(dá)產(chǎn)物無表達(dá)產(chǎn)物無表達(dá)產(chǎn)物無表達(dá)產(chǎn)物 有表達(dá)產(chǎn)物有表達(dá)產(chǎn)物無表達(dá)產(chǎn)物無表達(dá)產(chǎn)物 ？如何讓

12、大腸桿菌生產(chǎn)人胰島素？如何讓大腸桿菌生產(chǎn)人胰島素？ 要使目的基因與對應(yīng)的載體重組，所需的兩要使目的基因與對應(yīng)的載體重組，所需的兩 種酶是種酶是( )( ) 限制酶限制酶DNADNA連接酶解旋酶還連接酶解旋酶還 原酶原酶 2.2.基因工程的正確操作步驟是（）基因工程的正確操作步驟是（） 使目的基因與運(yùn)載體結(jié)合使目的基因與運(yùn)載體結(jié)合 將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 檢測目的基因的表達(dá)是否符合特定性狀要求檢測目的基因的表達(dá)是否符合特定性狀要求 提取目的基因提取目的基因 課堂練習(xí)課堂練習(xí) 3.3.實(shí)施基因工程的第一步的一種方法是把所需的基實(shí)施基因工程的第一步的一種方法是把所需的基 因從供

13、體細(xì)胞內(nèi)分離出來，這要利用限制性內(nèi)切酶。因從供體細(xì)胞內(nèi)分離出來，這要利用限制性內(nèi)切酶。 一種限制性內(nèi)切酶能識別分子的一種限制性內(nèi)切酶能識別分子的 順序，切點(diǎn)在和之間，這是利用了酶的（）順序，切點(diǎn)在和之間，這是利用了酶的（） 高效性專一性高效性專一性 多樣性催化活性易受外界影響多樣性催化活性易受外界影響 能發(fā)能發(fā) 熒光熒光 的熱的熱 帶斑帶斑 馬魚馬魚? 能能 發(fā)發(fā) 光光 的的 水水 母母 四、基因工程的應(yīng)用四、基因工程的應(yīng)用 1、基因工程與作物育種、基因工程與作物育種 轉(zhuǎn)黃瓜抗青枯病基因的甜椒轉(zhuǎn)黃瓜抗青枯病基因的甜椒 轉(zhuǎn)魚抗寒基轉(zhuǎn)魚抗寒基 因的番茄因的番茄 獲得高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和具有獲得高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和

14、具有 優(yōu)良品質(zhì)的農(nóng)作物和具優(yōu)良品質(zhì)的農(nóng)作物和具 有抗逆性的作物新品種。有抗逆性的作物新品種。 生長快、肉質(zhì)好的轉(zhuǎn)基因生長快、肉質(zhì)好的轉(zhuǎn)基因 魚魚( (中國中國) ) 乳汁中含有人生長激素的乳汁中含有人生長激素的 轉(zhuǎn)基因牛轉(zhuǎn)基因牛( (阿根廷阿根廷) ) 獲得人們所需要的和具有優(yōu)良品質(zhì)的獲得人們所需要的和具有優(yōu)良品質(zhì)的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物轉(zhuǎn)基因動(dòng)物 2 2、基因工程與藥物研制、基因工程與藥物研制 我國生產(chǎn)的部分基因我國生產(chǎn)的部分基因 工程疫苗和藥物工程疫苗和藥物 許多藥品的生產(chǎn)許多藥品的生產(chǎn) 是從生物組織中提取是從生物組織中提取 的。受材料來源限制的。受材料來源限制 產(chǎn)量有限，其價(jià)格往產(chǎn)量有限，其價(jià)格往

15、往十分昂貴。往十分昂貴。 微生物生長迅速，容易控制，適于大規(guī)模微生物生長迅速，容易控制，適于大規(guī)模 工業(yè)化生產(chǎn)。若將生物合成相應(yīng)藥物成分的基工業(yè)化生產(chǎn)。若將生物合成相應(yīng)藥物成分的基 因?qū)胛⑸锛?xì)胞內(nèi)，讓它們產(chǎn)生相應(yīng)的藥物，因?qū)胛⑸锛?xì)胞內(nèi)，讓它們產(chǎn)生相應(yīng)的藥物， 不但能解決產(chǎn)量問題，還能大大降低生產(chǎn)成本。不但能解決產(chǎn)量問題，還能大大降低生產(chǎn)成本。 胰島素從豬、牛等動(dòng)物的胰胰島素從豬、牛等動(dòng)物的胰 腺中提取，腺中提取，100Kg100Kg胰腺只能提取胰腺只能提取 4-5g4-5g的胰島素，其產(chǎn)量之低和價(jià)的胰島素，其產(chǎn)量之低和價(jià) 格之高可想而知。格之高可想而知。 將合成的胰島將合成的胰島 素基

16、因?qū)氪竽c桿素基因?qū)氪竽c桿 菌，每菌，每2000L2000L培養(yǎng)液培養(yǎng)液 就能產(chǎn)生就能產(chǎn)生100g100g胰島胰島 素！使其價(jià)格降低素！使其價(jià)格降低 了了30%-50%!30%-50%! 3 3、環(huán)境保護(hù)、環(huán)境保護(hù)基因工程做成的基因工程做成的“超級超級 細(xì)菌細(xì)菌”能吞食和分解多種污染環(huán)境的物質(zhì)。能吞食和分解多種污染環(huán)境的物質(zhì)。 通常一種假單孢通常一種假單孢 桿菌只能分解石油中桿菌只能分解石油中 的一種烴類用基因的一種烴類用基因 工程培育成功的工程培育成功的“超超 級細(xì)菌級細(xì)菌”卻能分解石卻能分解石 油中的多種烴類化合油中的多種烴類化合 物。物。 利用基因工程培育的利用基因工程培育的“指示生物指示生物”能十分靈敏地能十分靈敏地 反映環(huán)境污染的情況，卻不易因環(huán)境污染而大量死亡，反映環(huán)境污染的情況，卻不易因環(huán)境污染而大量死亡， 甚至還可以吸收和轉(zhuǎn)化污染物甚至還可以吸收和轉(zhuǎn)化污染物。 環(huán)境檢測環(huán)境檢測：用用DNA探針檢測水中病毒的含量探針檢測水中病毒的含量 4 4、其他、其他 基因診斷基因診斷：如用：如用基因探針基因探針檢測肝類病毒、檢測肝類病毒、 診斷遺傳病診斷遺傳病 基因治療：基因治療：把健康的把健康的外源基因?qū)胪庠椿驅(qū)胗谢蛴谢?缺陷的細(xì)胞中，達(dá)到治療疾病的目的。缺陷的細(xì)胞中，