專題10基因工程

1、專題10 基因工程【教法指引】 遺傳工程在內(nèi)容上和必修2教材中的基因工程相似，但是必修2中的基因工程主要側(cè)重于基本原理的闡述，而本專題主要側(cè)重于基因工程基本技術(shù)及應(yīng)用前景的介紹，4個(gè)考點(diǎn)中有2個(gè)要求為，是選修3中的一重要命題領(lǐng)域?？v觀近幾年高考中，命題主要集中在“基因工程的原理、技術(shù)和應(yīng)用”，賦分比重較大。【專題要點(diǎn)】 本專題的重點(diǎn)就是基因工程的原理、技術(shù)及其應(yīng)用，這是高考的重點(diǎn)、熱點(diǎn)，也是我們復(fù)習(xí)的重點(diǎn)。本專題的知識(shí)可歸納如下：一、基因工程的概念1.基因工程是指按照人們的愿望，進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，通過體外DNA重組和轉(zhuǎn)基因技術(shù)，賦予生物以新的遺傳特性，創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產(chǎn)品

2、。基因工程是在DNA分子水平上進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工的，又叫做DNA重組技術(shù)。2. 理論基礎(chǔ) DNA是遺傳物質(zhì)的證明 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)和中心法則的確立遺傳密碼的破譯3.技術(shù)支持 基因轉(zhuǎn)移載體的發(fā)現(xiàn) 工具酶的發(fā)現(xiàn) DNA合成和測序技術(shù)的發(fā)現(xiàn) DNA體外重組的實(shí)現(xiàn)重組DNA表達(dá)實(shí)驗(yàn)的成功第一例轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的問世 PCR技術(shù)的發(fā)明二、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：主要是從微生物中分離純化出來的（2）功能：能夠識(shí)別雙鏈DNA分子的某種特定的核苷酸序列，并且使每一條鏈中特定部位的兩個(gè)核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷開，因此具有專一性。（3）結(jié)果：經(jīng)限制酶切割產(chǎn)生的DNA片段末端

3、通常有兩種形式即黏性末端和平末端。2.“分子縫合針”DNA連接酶(1)兩種DNA連接酶（EcoliDNA連接酶和T4-DNA連接酶）的比較：相同點(diǎn)：都縫合磷酸二酯鍵。區(qū)別：EcoliDNA連接酶來源于T4噬菌體，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)輸車”載體（1）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)，供外源

4、DNA片段插入；具有標(biāo)記基因，供重組DNA的鑒定和選擇。（2）最常用的載體是質(zhì)粒,它是一種裸露的、結(jié)構(gòu)簡單的、獨(dú)立于細(xì)菌染色體之外，并具有自我復(fù)制能力的環(huán)狀DNA分子。（3）其它載體：噬菌體、動(dòng)植物病毒三、基因工程的基本操作程序第一步：目的基因的獲取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mRNA反轉(zhuǎn)錄形成 利用PCR擴(kuò)增技術(shù) 人工化學(xué)法合成3PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因（1）原理：DNA復(fù)制（2）過程：加熱至9095DNA解鏈冷卻到5560，引物結(jié)合到互補(bǔ)DNA鏈加熱至7075，熱穩(wěn)定DNA聚合酶從引物起始互補(bǔ)鏈

5、的合成。第二步：基因表達(dá)載體的構(gòu)建1.構(gòu)成：目的基因啟動(dòng)子終止子標(biāo)記基因（1）啟動(dòng)子：是一段有特殊結(jié)構(gòu)的DNA片段，位于基因的首端，是RNA聚合酶識(shí)別和結(jié)合的部位，能啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄出mRNA，最終獲得所需的蛋白質(zhì)。（2）終止子：也是一段有特殊結(jié)構(gòu)的DNA片段 ，位于基因的尾端，終止基因的轉(zhuǎn)錄。（3）標(biāo)記基因：一段特殊的基因序列，主要是為了鑒定受體細(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：將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞1.轉(zhuǎn)化：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：受體細(xì)胞不同導(dǎo)入方

6、法有所不同植物細(xì)胞：最常用的是農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法，其次還有基因槍法和花粉管通道法等，受體細(xì)胞可以是植物體細(xì)胞動(dòng)物細(xì)胞：最常用的是顯微注射技術(shù)，受體細(xì)胞多是受精卵微生物細(xì)胞：先用Ca2+ 處理細(xì)胞，使其成為感受態(tài)細(xì)胞，再將重組表達(dá)載體DNA分子溶于緩沖液中與感受態(tài)細(xì)胞混合，在一定的溫度下促進(jìn)感受態(tài)細(xì)胞吸收DNA分子，完成轉(zhuǎn)化過程，受體細(xì)胞多為大腸桿菌第四步：目的基因的檢測和表達(dá)檢測轉(zhuǎn)基因生物的染色體DNA上是否插入了目的基因DNA分子雜交檢測目的基因是否轉(zhuǎn)錄出了mRNA用標(biāo)記的目的基因作探針與mRNA雜交檢測目的基因是否翻譯成蛋白質(zhì)從轉(zhuǎn)基因生物中提取蛋白質(zhì)，用相應(yīng)的抗體進(jìn)行抗原抗體雜交有時(shí)還需進(jìn)行個(gè)體

7、生物學(xué)水平的鑒定，如轉(zhuǎn)基因抗蟲植物是否出現(xiàn)抗蟲性狀。特別提醒：在基因工程操作步驟中，只有第三步將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞不需要堿基互補(bǔ)配對(duì)，其余三個(gè)步驟都涉及堿基互補(bǔ)配對(duì)。四、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)酶基因和抗毒素合成基因其他抗逆基因：環(huán)境條件對(duì)農(nóng)作物的生產(chǎn)會(huì)造

8、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(duì)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

9、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(dòng)物基因工程的應(yīng)用用于提高動(dòng)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(dòng)物生長得更快，將這類基因?qū)雱?dòng)物體內(nèi)，以提高動(dòng)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(duì)牛奶中的乳糖不能完全消化或食用后會(huì)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(dòng)物做器官移植的供體：目前，人體移植器官短缺是一個(gè)世界性的難題，用其它動(dòng)物的器官替代，又

10、會(huì)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(duì)一些動(dòng)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。基因治療概念：把正?；?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(duì)于遺傳病的治療最根本的方法是進(jìn)行基因替換或修復(fù)?；蛑委煹淖罴褧r(shí)期理論上是受精卵時(shí)期，這樣可

11、以使個(gè)體的每個(gè)細(xì)胞都含有正?；颍诂F(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(duì)患者進(jìn)行相關(guān)細(xì)胞的基因替換，如對(duì)于遺傳性糖尿病患者，只對(duì)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(huì)患遺傳性糖尿病。過程（以鐮刀形細(xì)胞貧血癥的治療為例）步驟過程獲取正常的血紅蛋白基因用限制性核酸內(nèi)切酶從人的DNA分子中切取血紅蛋白基因形成重組載體用同一種限制性核酸內(nèi)切酶在載體DNA上切開一個(gè)切口，用DNA連接酶將正常血紅蛋白基因連接在載體DNA上，形成重組載體重組載體的轉(zhuǎn)化與篩選將攜帶正常血紅蛋白基因的重組載體導(dǎo)入患者的造血干細(xì)胞中，并將重組載體插入到染色體。用選擇培養(yǎng)基篩選出含重組質(zhì)粒的造血干細(xì)胞。將含正常血紅蛋白基因的造血干細(xì)胞回輸給患者骨髓將攜帶正常血紅蛋白基因的造血干細(xì)胞輸入患者骨髓中，此造血干細(xì)胞產(chǎn)生含正常血紅蛋白的紅細(xì)胞，以根治鐮刀形細(xì)胞貧血癥五、蛋白質(zhì)工程1.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)。2.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(duì)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)3.應(yīng)用通