基礎(chǔ)知識課時(shí)36基因工程

1、一輪精品資料·基礎(chǔ)知識梳理課時(shí)36 基因工程一基因工程的誕生和發(fā)展艾弗里證明DNA是遺傳物質(zhì)理論基礎(chǔ) DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)和中心法則的確立尼倫貝格破譯了遺傳密碼1973-1976開始期：1973年，美國的科恩創(chuàng)立了基因工程 發(fā)展 1977-1981發(fā)展期：在大腸桿菌中成功表達(dá)了生長激素抑素基因、人胰 島素基因、人生長激素基因、人干擾素基因 1982年以后為迅猛發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用期： 1982年，美國的帕米特采用顯微注射法培育出巨型小鼠二.基因工程的概念（別名：重組DNA技術(shù)）基因工程是指在體外通過人工“剪切”和“拼接”等方法，對生物的基因進(jìn)行改造和重新組合，然后導(dǎo)入受體細(xì)胞，并使重組基因在受

2、體細(xì)胞中表達(dá)，產(chǎn)生人類需要的基因產(chǎn)物的技術(shù)。 基因工程特點(diǎn)：1.它是一種按照人們的意愿，定向地改造生物遺傳特性的技術(shù)；2. 在DNA分子水平進(jìn)行操作；3. 原理：基因重組；（是在生物體外進(jìn)行的人為的基因重組）4.基本過程：剪切拼接導(dǎo)入表達(dá) 三.基因工程的基本工具1.“分子手術(shù)刀”限制性核酸內(nèi)切酶（限制酶）（1）來源：主要是從原核生物中分離純化出來的。（2）功能：切割外源DNA,對自身的DNA不起作用,達(dá)到保護(hù)自身的目的. (3 )特點(diǎn): 專一性:只能夠識別DNA分子中特定的核苷酸序列(這種能被特異性識別的部位都具有回文序列)，且只能在每一條鏈的特定部位進(jìn)行切割.(4)作用實(shí)質(zhì):使特定部位的兩核

3、苷酸之間的磷酸二酯鍵斷開（5）結(jié)果：經(jīng)限制酶切割產(chǎn)生DNA片段末端.通常有兩種形式：錯(cuò)位切-黏性末端平切-平末端。2.“分子縫合針”DNA連接酶(1)作用:催化兩種DNA片段之間形成磷酸二酯鍵E·coliDNA連接酶和T4-DNA連接酶的區(qū)別：E·coliDNA連接酶來源于大腸桿菌，只能將雙鏈DNA片段互補(bǔ)的黏性末端之間的磷酸二酯鍵連接起來；而T4DNA連接酶能縫合兩種末端，但連接平末端的之間的效率較低。(2)與DNA聚合酶作用的異同:DNA聚合酶只能將單個(gè)核苷酸加到已有的核苷酸片段的末端，形成磷酸二酯鍵。DNA連接酶是連接兩個(gè)DNA片段的末端，形成磷酸二酯鍵。3.“分子運(yùn)

4、輸車”載體（1）載體的作用：作為運(yùn)載工具，將目的基因送到受體細(xì)胞中去；利用它在宿主細(xì)胞內(nèi)對目的基因進(jìn)行大量復(fù)制。（2）載體具備的條件：能在受體細(xì)胞中復(fù)制并穩(wěn)定保存。具有一至多個(gè)限制酶切點(diǎn)，以便與外源基因連接。具有標(biāo)記基因，以便對受體細(xì)胞進(jìn)行篩選。載體必須包括三部分：復(fù)制區(qū)、標(biāo)記基因、限制酶的切割位點(diǎn)。（3）載體的種類：質(zhì)粒、噬菌體、動植物病毒最常用的載體是質(zhì)粒,它主要存在于細(xì)菌細(xì)胞中，是具有自我復(fù)制能力的小型環(huán)狀DNA分子。四基因工程的基本操作程序第一步：獲取目的基因1.目的基因是指：編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因2.目的基因的獲取方法： 從供體細(xì)胞直接提取主要是原核生生物基因 從基因文庫中獲取 利用m

5、RNA反轉(zhuǎn)錄形成 利用PCR擴(kuò)增技術(shù) 人工化學(xué)法合成基因文庫的含義：將含有某種生物不同基因的許多DNA片段,導(dǎo)入受體菌的群體中儲存,各個(gè)受體菌分別含有這種生物的不同基因,稱為基因文庫。目的基因的獲取依據(jù)：基因的核苷酸序列、基因的功能、基因在染色體上的位置、基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物mRNA、基因的翻譯產(chǎn)物蛋白質(zhì)等。原核基因采取直接分離獲得，真核基因人工合成：常用方法有反轉(zhuǎn)錄法_和化學(xué)合成法人工合成目的基因的不含非編碼區(qū)和內(nèi)含子。3. PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因（1）PCR的含義：是一項(xiàng)在生物體外大量擴(kuò)增特定DNA片段的技術(shù)。場所：PCR擴(kuò)增儀（2）目的：獲取大量的目的基因（3）原理：DNA復(fù)制（4）過程：第一

6、步：加熱至9095目的基因DNA受熱變性解鏈為單鏈；第二步：冷卻到5560，引物與兩條單鏈DNA互補(bǔ)序列結(jié)合；第三步：加熱至7075，TaqDNA聚合酶從引物起始進(jìn)行互補(bǔ)鏈的合成。（5）特點(diǎn)：指數(shù)(2n)形式擴(kuò)增第二步：制備重組DNA分子(基因表達(dá)載體的構(gòu)建)1.目的：使目的基因在受體細(xì)胞中穩(wěn)定存在，并且可以遺傳至下一代;使目的基因能夠表達(dá)和發(fā)揮作用。2.組成：目的基因啟動子終止子標(biāo)記基因（1）啟動子：是位于目的基因上游的一段核苷酸序列，是RNA聚合酶識別和結(jié)合的部位，能驅(qū)動基因轉(zhuǎn)錄出mRNA，最終獲得所需的蛋白質(zhì)。（2）終止子：是載體中終止轉(zhuǎn)錄的核苷酸序列，位于基因的尾端。（3）標(biāo)記基因的作

7、用：是為了鑒定受體細(xì)胞中是否含有目的基因，從而將含有目的基因的細(xì)胞篩選出來。常用的標(biāo)記基因是抗生素基因。2.構(gòu)建：以質(zhì)粒作載體為例第三步：轉(zhuǎn)化受體細(xì)胞_(將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞)1.轉(zhuǎn)化的概念：是目的基因進(jìn)入受體細(xì)胞內(nèi)，并且在受體細(xì)胞內(nèi)維持穩(wěn)定和表達(dá)的過程。2.常用的轉(zhuǎn)化方法：（1）導(dǎo)入植物細(xì)胞：采用最多的方法是 農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法，其次還有 基因槍法和 花粉管通道法等。農(nóng)桿菌特點(diǎn):易感染雙子葉植物和裸子植物,對大多數(shù)單子葉植物沒有感染能力;含Ti質(zhì)粒，其上有一段T-DNA,可轉(zhuǎn)移至受體細(xì)胞,并整合到受體細(xì)胞染色體的DNA上.轉(zhuǎn)化過程:目的基因插入Ti質(zhì)粒的T-DNA上,進(jìn)入農(nóng)桿菌,農(nóng)桿菌侵染植物細(xì)

8、胞,植物組織培養(yǎng)生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因植物.（2）導(dǎo)入動物細(xì)胞：最常用的方法是 顯微注射法。此方法的受體細(xì)胞多是 受精卵。 還可用精子介導(dǎo)法。（3）導(dǎo)入微生物細(xì)胞： 原核生物作為受體細(xì)胞的原因是 繁殖快、多為單細(xì)胞、遺傳物質(zhì)相對較少 ，最常用的原核細(xì)胞是 大腸桿菌 ，其轉(zhuǎn)化方法是：氯化鈣誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化法(用氯化鈣處理細(xì)菌,增大細(xì)胞壁的通透性.)第四步：篩選重組細(xì)胞:常用插入滅活法(教材15頁)依據(jù)是標(biāo)記基因是否表達(dá)目的基因的檢測常用分子雜交技術(shù),可以從核酸水平蛋白質(zhì)水平個(gè)體水平來進(jìn)行1.首先要檢測轉(zhuǎn)基因生物的染色體DNA上是否插入了目的基因，方法是采用DNA分子雜交(DNA-DNA)技術(shù)。2.其次還要檢測目的基

9、因是否轉(zhuǎn)錄出mRNA，方法是采用DNA分子雜交(DNA-RNA)技術(shù)。3.最后檢測目的基因是否翻譯成蛋白質(zhì)，方法是采用抗原抗體雜交技術(shù)。4.有時(shí)還需進(jìn)行個(gè)體生物學(xué)水平的鑒定。如生物抗蟲或抗病的鑒定等。第五步:實(shí)現(xiàn)功能表達(dá)五.基因工程的應(yīng)用1.植物基因工程的應(yīng)用植物基因工程技術(shù)主要用于提高農(nóng)作物的抗逆能力（如抗除草劑、抗蟲、抗病、抗干旱和抗鹽堿等）以及改良農(nóng)作物的品質(zhì)和利用植物生產(chǎn)藥物等方面。提高抗逆性常用抗蟲基因：用于抗蟲（殺蟲）的基因主要是Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制劑基因、淀粉酶抑制劑基因、植物凝集素基因等。常用抗病基因：抗病毒基因病毒外殼蛋白基因和病毒的復(fù)制酶基因抗真菌基因幾丁質(zhì)酶基因和抗

10、毒素合成基因其他抗逆基因：環(huán)境條件對農(nóng)作物的生產(chǎn)會造成很大影響，并且這些影響是多方面的，因此，抗逆性基因也有多種多樣，如抗鹽堿和干旱的調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓基因、抗凍基因、抗除草劑基因等等。改良植物品質(zhì)由于人們的食品含有的營養(yǎng)不平衡，不能滿足人們對食品的要求，可以通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)，使植物能夠合成某些本來不能合成的物質(zhì)。如科學(xué)家將必需氨基酸含量多的蛋白質(zhì)編碼基因?qū)胫参镏?，或者改變這些氨基酸合成途徑中某種關(guān)鍵酶的活性，以提高氨基酸的含量。生產(chǎn)藥物基因工程不但促進(jìn)了傳統(tǒng)技術(shù)的變革，也為人類提供了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)難以得到的許多昂貴藥品，并已形成基因工程制藥業(yè)的雛形。目前諸如人胰島素、人生長激素、人腦激素、干擾素、乙肝

11、疫苗、蛋白C、組織血纖維蛋白溶酶原激活劑等數(shù)十種基因工程藥物已實(shí)現(xiàn)商品化。此外，還有促紅細(xì)胞生成素、白細(xì)胞介素2、腎素、心鈉素等一大批珍貴藥品正處于試用或臨床試驗(yàn)階段。動物基因工程的應(yīng)用用于提高動物生長速度：由于外援生長激素基因的表達(dá)可以使轉(zhuǎn)基因動物生長得更快，將這類基因?qū)雱游矬w內(nèi)，以提高動物的生長速率，如轉(zhuǎn)基因綿羊和轉(zhuǎn)基因鯉魚。用于改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)：基因工程可用于改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)。如有些人對牛奶中的乳糖不能完全消化或食用后會出現(xiàn)過敏、腹瀉、惡心等不適癥狀，科學(xué)家將腸乳糖酶基因?qū)肽膛；蚪M，這樣所獲得的牛奶其它成分不受影響，但乳糖的含量大大減低。用轉(zhuǎn)基因動物做器官移植的供體：目前，人體移植

12、器官短缺是一個(gè)世界性的難題，用其它動物的器官替代，又會出現(xiàn)免疫排斥現(xiàn)象，現(xiàn)在，科學(xué)家正試圖利用基因工程方法對一些動物的器官進(jìn)行改造，培育出沒有免疫排斥反應(yīng)的轉(zhuǎn)基因克隆器官?；蛑委煾拍睿喊颜；?qū)氩∪梭w內(nèi)，使該基因的表達(dá)產(chǎn)物發(fā)揮功能，從而達(dá)到治療疾病的目的，是治療遺傳病的最有效的手段。方法：體外基因治療和體內(nèi)基因治療體外基因治療：先從病人體內(nèi)獲得某種相關(guān)細(xì)胞，進(jìn)行培養(yǎng)，然后在體外完成基因轉(zhuǎn)移，再篩選成功轉(zhuǎn)移的細(xì)胞擴(kuò)增培養(yǎng)，最后重新輸入患者體內(nèi)，這種方法叫做體外基因治療。體內(nèi)基因治療：直接向人體組織細(xì)胞中轉(zhuǎn)移基因的治療方法叫做體內(nèi)基因治療。特別說明：對于遺傳病的治療最根本的方法是進(jìn)行基因替換

13、或修復(fù)。基因治療的最佳時(shí)期理論上是受精卵時(shí)期，這樣可以使個(gè)體的每個(gè)細(xì)胞都含有正?；?，但在現(xiàn)實(shí)生活中是不可能的，因?yàn)椴豢赡苊總€(gè)人都在受精卵時(shí)期進(jìn)行基因檢查；其次是對患者進(jìn)行相關(guān)細(xì)胞的基因替換，如對于遺傳性糖尿病患者，只對胰腺的B細(xì)胞進(jìn)行基因替換，該個(gè)體就能正常分泌胰島素，糖尿病得以治療，但這種局部細(xì)胞的基因替換，并沒有改變其它部位細(xì)胞的基因，如精原細(xì)胞，其后代很大可能還會患遺傳性糖尿病。六.蛋白質(zhì)工程1、概念:蛋白質(zhì)工程是指通過物理化學(xué)與生物化學(xué)等技術(shù)了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能，并借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、基因定點(diǎn)誘變和重組DNA技術(shù)改造基因,以定向改造天然蛋白質(zhì),甚至創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質(zhì)的技術(shù).（

14、基因工程在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)）2、實(shí)質(zhì)：根據(jù)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，通過改造基因，以定向改造天然蛋白質(zhì)，甚至創(chuàng)造自然界不存在的、具有優(yōu)良特性的蛋白質(zhì)。3.基本原理預(yù)期蛋白質(zhì)功能測定蛋白質(zhì)三維空間結(jié)構(gòu)推測應(yīng)有的氨基酸序列找到對應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）合成具有預(yù)期功能的蛋白質(zhì)4.應(yīng)用通過改造酶的結(jié)構(gòu)，有目的地提高蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性合成嵌合抗體改變蛋白質(zhì)的活性4.蛋白質(zhì)工程與基因工程區(qū)別蛋白質(zhì)工程基因工程實(shí)質(zhì)通過改造基因，以定向改造或生產(chǎn)人來需要的蛋白質(zhì)，甚至是自然界不存在的蛋白質(zhì)定向改造生物的遺傳特性，以獲得符合人類需要的生物類型會生物產(chǎn)品結(jié)果可以合成自然界不存在的蛋白質(zhì)只能

15、生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)聯(lián)系蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上，延伸出的第二代基因工程七、生物技術(shù)的安全性和倫理問題1.轉(zhuǎn)基因生物的安全性爭論轉(zhuǎn)基因生物與食品安全對食品安全性的影響轉(zhuǎn)基因食品：轉(zhuǎn)基因食品是通過遺傳工程改變植物種子中的脫氧核糖核酸，然后把這些修改過的再復(fù)合基因轉(zhuǎn)移到另一些植物種子內(nèi)，從而獲得在自然界中無法自動生長的植物物種。上世紀(jì) 80年代末，科學(xué)家們開始把10多年分子研究的成果運(yùn)用到轉(zhuǎn)基因食品上，1995年成功地生產(chǎn)出抗雜草黃豆，并在市場上出售。又經(jīng)過7年的努力，現(xiàn)在他們利用基因技術(shù)已批量生產(chǎn)出抗蟲害、抗病毒、抗雜草的轉(zhuǎn)基因玉米、黃豆、油菜、土豆、西葫蘆等。目前，轉(zhuǎn)基因食品的主要產(chǎn)地

16、是美國、加拿大、歐盟、南非、阿根廷等。正反兩種觀點(diǎn)的比較觀點(diǎn)存在安全問題（反方）不存在安全問題（正方）論據(jù)反對“實(shí)質(zhì)性等同”擔(dān)心出現(xiàn)滯后效應(yīng)擔(dān)心出現(xiàn)新的過敏源擔(dān)心營養(yǎng)成分改變“實(shí)質(zhì)性等同”只是評價(jià)的起點(diǎn)，而不是終點(diǎn)多環(huán)節(jié)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)陌踩栽u價(jià)科學(xué)家對社會負(fù)責(zé)的態(tài)度至今未發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因食品影響人體健康的實(shí)例說明：實(shí)質(zhì)性等同原則是指轉(zhuǎn)基因生物與自然存在的傳統(tǒng)生物在相同條件下進(jìn)行性狀表現(xiàn)的比較。轉(zhuǎn)基因生物與生物安全對生物多樣性的影響正反兩種觀點(diǎn)的比較觀點(diǎn)引起生物安全問題（反方）不存在生物安全問題（正方）論據(jù)擴(kuò)散到種植區(qū)之外變成野生種類可能重組出新的有害病原體有可能形成用除草劑除不去的“超級雜草”可能成為“入

17、侵的外來物種”生命力有限存在生殖隔離，難與其他植物雜交花粉的傳播距離和存活時(shí)間有限新性狀的表現(xiàn)必須具有一定的條件和配套的種植技術(shù)外來物種入侵 指有意或無意的人類活動，將某物種從一個(gè)地區(qū)引入其他地區(qū)，給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟(jì)造成明顯的損害。危害性主要表現(xiàn)在：破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)對當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)或林業(yè)帶來嚴(yán)重的損害（即爆發(fā)生物災(zāi)害）造成生物多樣性減少有些外來植物產(chǎn)生的花粉可能成為新的過敏轉(zhuǎn)基因生物與環(huán)境安全對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響觀點(diǎn)引起環(huán)境安全問題（反方）不存在環(huán)境安全問題（正方）論據(jù)打破物種原有界限可能造成二次污染重組出有害的病原微生物毒蛋白可能通過食物鏈進(jìn)入人體不會改變生物原有的分類地位減少農(nóng)藥的

18、使用保護(hù)農(nóng)田土壤環(huán)境2.生物技術(shù)的倫理問題反對者觀點(diǎn)支持者觀點(diǎn)克隆人嚴(yán)重違反了人類倫理道德、沖擊現(xiàn)有的婚姻、家庭等傳統(tǒng)的道德觀念人為制造心理和社會地位上不健全的人技術(shù)不成熟可能孕育出嚴(yán)重生理缺陷的孩子這是一項(xiàng)科學(xué)研究，只有通過實(shí)踐才能使之成熟可以通過胚胎分割、基因診斷、染色體檢查等方法解決不成熟的部分設(shè)計(jì)試管嬰兒把試管嬰兒當(dāng)做人體零配件工廠，是對生命的不尊重胚胎也是生命，拋棄、殺死多余胚胎無異于“謀殺”設(shè)計(jì)試管嬰兒是為了救人，是救患者的最好、最快捷的辦法之一提供骨髓中的造血干細(xì)胞并不會對試管嬰兒造成損害利用臍帶血中的造血干細(xì)胞是更符合倫理道德的?；蛏矸葑C目前人類對基因結(jié)構(gòu)、基因間相互作用缺乏足夠的認(rèn)識，通過基因檢測還不能達(dá)到預(yù)防疾病人類的多基因遺傳病既與基因有關(guān)又與環(huán)境和生活習(xí)慣有關(guān)。有某種基因的人不一定患病，基因正常的人也不一定不患病基因檢測結(jié)果會給受檢者帶來巨大的心理壓力造成基因歧視有些遺傳性疾病在后代中發(fā)病率很高，通過基因檢測可以及早采取預(yù)防措施，適時(shí)治療，達(dá)到挽救患者生命的目的。對于基因歧視現(xiàn)象，可以通過正確的