6.2 基因工程及其應(yīng)用(一)

1、第2節(jié) 基因工程及其應(yīng)用（第1課時(shí)）學(xué)問(wèn)鏈接及考試地位本學(xué)問(wèn)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(guò)程中常設(shè)計(jì)基因工程的原理、基本工具等基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)，多以個(gè)別填空或選擇題的形式呈現(xiàn)。學(xué)問(wèn)回顧1、DNA分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是什么？2、什么是基因重組？學(xué)習(xí)目標(biāo)1、簡(jiǎn)述基因工程的誕生。2、簡(jiǎn)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(diǎn)1教學(xué)重點(diǎn) 基因工程的基本原理。2教學(xué)難點(diǎn)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(jìn)行，很難將一種生物的優(yōu)良性狀移植到 生物身上?；蚬こ痰南?/p>

2、滅使人類有可能依據(jù)自己的意愿 地轉(zhuǎn)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(shuō)，就是依據(jù)人們的意愿，把一種生物的某種基因提取出來(lái)，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(jìn)行的 水平的設(shè)計(jì)施工，基因的剪刀是指 ，簡(jiǎn)稱限制酶。其作用特點(diǎn)是一種限制酶只能識(shí)別一種 序列。基因的針線是指 。目前常用的運(yùn)載體有 、 和 等。質(zhì)粒存在于很多 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(yùn)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(duì)象各是什么？三、限制性內(nèi)切酶的分布、特

3、點(diǎn)、作用部位和作用結(jié)果如何？四、作為基因的運(yùn)載體，需具備哪些條件？五、DNA連接酶的作用對(duì)象、位置和結(jié)果如何？六、基因工程的優(yōu)點(diǎn)是什么？七、基因重組與基因工程比較比較項(xiàng)目基因重組基因工程不同點(diǎn)重組方式繁殖方式變異大小相同點(diǎn)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(dòng)物和植物，直至人類，它們的基因都是一個(gè)具有遺傳功能的特定核苷酸序列的DNA片段。而全部生物的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(guò)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)化試驗(yàn)1944年美國(guó)微生物學(xué)家Avery，通過(guò)細(xì)菌（肺炎鏈球菌）轉(zhuǎn)化（有毒與無(wú)毒）爭(zhēng)辯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)染試驗(yàn)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)覺(jué)只有P32標(biāo)記的DNA注入寄主細(xì)胞才能繁殖下一代進(jìn)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(jī)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(gè)以外）同氨基酸之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在全部生物中都是相同的。也就是說(shuō)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(huì)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(gè)特定核苷酸序列的基因，允許從DNA分子上一個(gè)一個(gè)完整地切割下來(lái)。即使是重疊排列的基因，也可以把指定的基因切割下來(lái)，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(lái)的，而

6、且發(fā)覺(jué)生物體內(nèi)有的基因可以在染色體DNA上移動(dòng)，甚至可以在不同染色體間進(jìn)行跳動(dòng)，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(duì)應(yīng)關(guān)系現(xiàn)在普遍認(rèn)為，一種多肽就有一種相對(duì)應(yīng)的基因。因此，基因的轉(zhuǎn)移或重組可以依據(jù)其表達(dá)產(chǎn)物多肽的性質(zhì)來(lái)檢查。（7）基因可以通過(guò)復(fù)制把遺傳信息傳遞給下一代經(jīng)重組的基因一般來(lái)說(shuō)是能傳代的，可以獲得相對(duì)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)基因生物。二、基因工程的爭(zhēng)辯內(nèi)容-基礎(chǔ)爭(zhēng)辯基因工程問(wèn)世以來(lái)，科技工作者始終格外重視基礎(chǔ)爭(zhēng)辯，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(kù)和cDNA文庫(kù)，開(kāi)發(fā)新的工具酶，探究新的操作方法等，各方面取得了豐碩的爭(zhēng)辯成果，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爭(zhēng)辯基因工程的進(jìn)展是與克隆載體構(gòu)建親密相關(guān)的，由于最早構(gòu)建和進(jìn)展了用于原核生物的克隆載體，所以以原核生物為對(duì)象的基因工程爭(zhēng)辯首先得以快速進(jìn)展。Ti質(zhì)粒的發(fā)覺(jué)以及成功地構(gòu)建了Ti質(zhì)粒衍生的克隆載體后，植物基因工程爭(zhēng)辯隨之就快速進(jìn)展起來(lái)。動(dòng)物病毒克隆載體的構(gòu)建成功，使動(dòng)物基因工程爭(zhēng)辯也有肯定的進(jìn)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(jì)的克隆載體。但是構(gòu)建新的克隆載體仍是今后爭(zhēng)辯的重要內(nèi)容之一。尤其是適合用于高等動(dòng)植物轉(zhuǎn)基因的表達(dá)載體和定位整合載體還須大力進(jìn)展。2、基因工程受體系統(tǒng)的爭(zhēng)辯基因工程的受體與載體是一個(gè)系統(tǒng)

8、的兩個(gè)方面。前者是克隆載體的宿主，是外源目的基因表達(dá)的場(chǎng)所。受體可以是單個(gè)細(xì)胞，也可以是組織、器官、甚至是個(gè)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接受的最好受體系統(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(kù)和cDNA文庫(kù)，以及大量轉(zhuǎn)基因工程菌株，開(kāi)發(fā)了一批已投入市場(chǎng)的基因工程產(chǎn)品。藍(lán)細(xì)菌（藍(lán)藻）是進(jìn)行植物型光合作用的原核生物，兼具植物自養(yǎng)生長(zhǎng)和原核生物遺傳背景簡(jiǎn)潔的特性，便于基因操作和利用光能進(jìn)行無(wú)機(jī)培育。因此，近年來(lái)藍(lán)細(xì)菌開(kāi)頭被用作廉價(jià)高效表達(dá)外源目的基因的受體系統(tǒng)。酵母菌是格外簡(jiǎn)潔的單細(xì)胞真核生物，具有與原

9、核生物很多相像的性狀。酵母菌營(yíng)異養(yǎng)生長(zhǎng)，便于工業(yè)化發(fā)酵；基因組相對(duì)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(dòng)物、植物簡(jiǎn)單基因組文庫(kù)的受體系統(tǒng)。真核生物單細(xì)胞小球藻和衣藻也被用于爭(zhēng)辯外源基因表達(dá)的受體系統(tǒng)。隨著克隆載體的進(jìn)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(dòng)物鑒于體細(xì)胞再分化力量差，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(yú)、雞等動(dòng)物。動(dòng)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)爭(zhēng)辯材料，或用來(lái)生產(chǎn)基因工程藥物。隨著克隆羊的問(wèn)世，對(duì)動(dòng)物體細(xì)胞作為基因工程受體的爭(zhēng)辯越來(lái)越被重視，將成為21世紀(jì)初重要爭(zhēng)辯課題之一。人的體細(xì)胞同樣可作為基因工程的受體，轉(zhuǎn)基因細(xì)胞系用于病理爭(zhēng)辯。近年來(lái)還以特別生長(zhǎng)的細(xì)胞作為受體，通過(guò)轉(zhuǎn)基因使其回復(fù)正常生長(zhǎng)狀態(tài)（基因治療）。3、目的基因爭(zhēng)辯基因是一種資源，而且是一種有限的戰(zhàn)略性資源。因此開(kāi)發(fā)基因資源已成為發(fā)達(dá)國(guó)家之間激烈競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一，誰(shuí)擁有基因?qū)＠?/p>

11、，誰(shuí)就在基因工程領(lǐng)域占主導(dǎo)地位?；蚬こ虪?zhēng)辯的基本任務(wù)是開(kāi)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。而致病基因在特定狀況下同樣可作為目的基因，具有很大的開(kāi)發(fā)價(jià)值。即使是那些今日尚不清楚功能的基因，隨著爭(zhēng)辯的深化，或許以后成為具有很大開(kāi)發(fā)價(jià)值的目的基因。獲得目的基因的途徑很多，主要是通過(guò)構(gòu)建基因組文庫(kù)或cDNA文庫(kù)，從中篩選出特殊需要的基因。近年來(lái)也廣泛使用PCR技術(shù)直接從某生物基因組中擴(kuò)增出需要的基因。對(duì)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；其次類是抗病、蟲(chóng)害和惡劣生境的基因；第三類是

12、編碼具特殊養(yǎng)分價(jià)值的蛋白或多肽的基因。近年來(lái)越來(lái)越重視基因組的爭(zhēng)辯工作，試圖搞清楚某種生物基因組的全部基因，為全面開(kāi)發(fā)各種基因奠定基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，至1998年完成基因組測(cè)序的生物有11種，如嗜血流感桿菌（1830 137bp，  1743個(gè)基因）、產(chǎn)甲烷球菌（1664 976 bp，1682個(gè)基因）、大腸桿菌 K-12（4 639 221bp，  4288個(gè)基因）、啤酒酵母（12 x 10 bp，5882個(gè)基因）、枯草桿菌（ Bacillus  subrilis）（421 X  10bp，4100個(gè)基因）。早在20世

13、紀(jì)80年月就有人對(duì)人類基因組產(chǎn)生了愛(ài)好，提出人類基因組爭(zhēng)辯方案。從1990年開(kāi)頭，先后由美國(guó)、英國(guó)、日本、德國(guó)、法國(guó)等國(guó)實(shí)施“人類基因組方案”，我國(guó)于1999年9月也獲準(zhǔn)參與這一國(guó)際性方案，在北京和上海分別成立了人類基因組爭(zhēng)辯中心，擔(dān)當(dāng)人類基因組1的測(cè)序任務(wù)。這些國(guó)家聚集了一批科技人員，經(jīng)過(guò)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(shí)已破譯了近萬(wàn)個(gè)基因。至1999年，美國(guó)對(duì)6500個(gè)人類基因提出了專利申請(qǐng)。一般認(rèn)為人類基因組含有數(shù)萬(wàn)個(gè)基因，各司其職，把握著人的生長(zhǎng)、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，為基因治療供應(yīng)牢靠的依

14、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“人類基因組方案”以外，目前正在實(shí)施“水稻基因組方案”。以稻米為主食的我國(guó)早在1992年8月正式宣布實(shí)施“水稻基因組方案”，并且是目前國(guó)際“水稻基因組方案”的主要參與者，并于2001年10月12日，中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家計(jì)委、科技部聯(lián)合召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)，宣布具有國(guó)際領(lǐng)先水平的中國(guó)水稻（稅稻）基因組“工作框架圖”和數(shù)據(jù)庫(kù)在我國(guó)已經(jīng)完成。這一成果標(biāo)志著我國(guó)已成為繼美國(guó)之后，世界上其次個(gè)能夠獨(dú)立完成大規(guī)模全基因組測(cè)序和組裝分析力量的國(guó)家，表明我國(guó)在基因組學(xué)和生物信息學(xué)領(lǐng)域不僅把握了世界一流的技術(shù)，而且具備了組織和實(shí)施大規(guī)?？蒲许?xiàng)目開(kāi)發(fā)的力量。秈稻全基因組“

15、工作框架圖”的完成，將帶動(dòng)小麥、玉米等全部糧食作物的基礎(chǔ)與應(yīng)用爭(zhēng)辯。此外，中國(guó)、美國(guó)合作的“家豬基因組方案”也已經(jīng)啟動(dòng)。4、基因工程工具酶的爭(zhēng)辯基因工程工具酶指體外進(jìn)行DNA合成、切割、修飾和連接等系列過(guò)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把供應(yīng)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)覺(jué)和分別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(zhǎng)識(shí)別序列稀切酶仍是當(dāng)前爭(zhēng)辯的熱門(mén)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

16、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)覺(jué)，使使PCR技術(shù)快速進(jìn)展給當(dāng)今生命科學(xué)供應(yīng)了先進(jìn)的爭(zhēng)辯手段。5、基因工程新技術(shù)爭(zhēng)辯圍繞外源基因?qū)耸荏w細(xì)胞，進(jìn)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，特殊是近年來(lái)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(cè)方法，在放射性同位素標(biāo)記探針的

17、基礎(chǔ)上，近年來(lái)又進(jìn)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)記DNA探針、熒光素標(biāo)記DNA探針等。PCR技術(shù)的進(jìn)展不僅大大提高了基因檢測(cè)的靈敏度，而且為分別基因供應(yīng)了快速簡(jiǎn)便的途徑。PCR技術(shù)自從1985年建立以來(lái)，進(jìn)展很快，除一般接受的常規(guī)PCR技術(shù)外還進(jìn)展了多種特殊的PCR技術(shù)，如長(zhǎng)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(duì)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(kāi)，但

18、是只能辨別幾萬(wàn)堿基的DNA分子或片段。脈沖電泳技術(shù)的問(wèn)世，不僅能分開(kāi)上百萬(wàn)堿基的DNA分子或片段，而且能夠使完整的染色體彼此分開(kāi)。當(dāng)堂檢測(cè)1、DNA連接酶的重要功能是（ ）A.DNA復(fù)制時(shí)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(lái) D.ABC都不正確2、基因工程是在DNA分子水平上進(jìn)行設(shè)計(jì)施工的，在基因操作的基本步驟中，不進(jìn)行堿基互補(bǔ)配對(duì)的步驟是 （）A人工合成基因 B目的基因與運(yùn)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(cè)和表達(dá)3、基因工程中常作為基因的運(yùn)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(dòng)植

19、物病毒 D細(xì)菌.噬菌體.動(dòng)植物病毒4、科學(xué)家們經(jīng)過(guò)多年的努力，創(chuàng)立了一種新的生物技術(shù)基因工程，實(shí)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(duì)DNA分子進(jìn)行人工“剪切”C在生物體外對(duì)DNA分子進(jìn)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(duì)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(diǎn)之一是目的性強(qiáng) 6、右下圖是將人的生長(zhǎng)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(guò)程通常是在體