【公開課】重組DNA技術(shù)的基本工具課件2022-2023學年高二下學期生物人教版選擇性必修3

3.1重組DNA技術(shù)的基本工具第1課時我國是棉花的生產(chǎn)和消費大國。棉花在種植過程中，常常會受到一些害蟲的侵襲，其中以棉鈴蟲最為常見。棉鈴蟲可以使棉花產(chǎn)量減少三分之一，嚴重時，甚至能使一片棉田絕收。大量施用農(nóng)藥殺蟲不僅會提高生產(chǎn)成本，還可能造成農(nóng)產(chǎn)品和環(huán)境的污染。要是能培育出自身就能抵抗蟲害的棉花新品種，這一問題就會迎刃而解，我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉就是在這樣的背景下產(chǎn)生的。為什么傳統(tǒng)的雜交育種方法培育不出抗蟲棉，基因工程卻可以呢？基因工程是如何進行操作的？它給我們的生產(chǎn)和生活帶來了怎樣的影響？基因工程的發(fā)展基因工程：是指按照人們的愿望，通過轉(zhuǎn)基因等技術(shù)，賦予生物新的遺傳特性，創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產(chǎn)品。從技術(shù)操作層面看，由于基因工程是在DNA分子水平上進行設(shè)計和施工的，因此又叫作重組DNA技術(shù)。基因工程是在生物化學、分子生物學和微生物學等學科的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，正是這些學科的基礎(chǔ)理論和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展催生了基因工程?；蚬こ痰陌l(fā)展基因工程的發(fā)展基因工程的發(fā)展2013年，華人科學家張鋒（1982一）及其團隊首次報道利用最新的基因組編輯技術(shù)——CRISPR（成簇規(guī)律間隔短回文重復(fù)）技術(shù)編輯了哺乳動物基因組。該技術(shù)可以實現(xiàn)對特定基因的定點插入、敲除或替換。21世紀以來，科學家發(fā)明了多種高通量測序

技術(shù)，可以實現(xiàn)低成本測定大量核酸序列，

加速了人們對基因組序列的了解?；蚬こ痰陌l(fā)展從社會中來番木瓜容易受番木瓜環(huán)斑病毒的侵襲。當番木瓜被這種病毒感染后，產(chǎn)量會大大下降。科學家通過精心設(shè)計，用“分子工具”培育出了轉(zhuǎn)基因番木瓜，它可以抵御番木瓜環(huán)斑病毒。DNA雙螺旋的直徑只有2nm，對如此微小的分子進行操作是一項非常精細的工作,更需要專門的“分子工具”。那么，科學家究競用到了哪些“分子工具”?這些“分子工具”各具有什么特征呢?重組DNA技術(shù)的基本工具在培育轉(zhuǎn)基因番木瓜時，首先要在體外對含有所需要基因的DNA分子進行“切割”、改造和“拼接”。重組DNA技術(shù)的基本工具準確切割DNA分子將DNA片段再連接起來然后，將重組DNA分子導(dǎo)入番木瓜體細胞內(nèi)，并使其在細胞中表達。重組DNA技術(shù)的基本工具將體外重組好的DNA分子導(dǎo)入受體細胞限制酶：切割DNA分子的工具是限制性內(nèi)切核酸酶，又稱限制酶。主要來源：從原核生物中分離純化。思考：根據(jù)你所掌握的知識你能推測限制酶存在于原核生物中的作用是什么嗎？限制酶在原核生物中主要起到切割外源DNA使之失效，從而達到保護自身的目的。限制性內(nèi)切核酸酶——“分子手術(shù)刀”限制性內(nèi)切核酸酶——“分子手術(shù)刀”種類與命名迄今為止分離的限制酶有數(shù)千種，許多已經(jīng)被商業(yè)化生產(chǎn)。粘質(zhì)沙雷氏桿菌

SmaⅠ（Serratiamarcesens）大腸桿菌

EcoRⅠ（EscherichiacoliR）特點：特異性（1）識別雙鏈DNA分子的某種特定的核苷酸序列（2）在特定的位點切割DNA分子。例如：大腸桿菌的EcoRⅠ限制酶只能識別GAATTC序列，并在G和A之間切開。限制性內(nèi)切核酸酶——“分子手術(shù)刀”切割部位：使每一條鏈中特定部位的磷酸二酯鍵斷開。識別序列：大多數(shù)限制酶的識別序列由6個核苷酸組成。例如，EcoRⅠ、SmaⅠ限制酶的識別序列均為6個核苷酸，也有少數(shù)限制酶的識別序列由4個、8個或其他數(shù)量的核苷酸組成。限制性內(nèi)切核酸酶——“分子手術(shù)刀”磷酸二酯鍵結(jié)果：產(chǎn)生黏性末端或平末端限制性內(nèi)切核酸酶——“分子手術(shù)刀”……GAATTC…………CTTAAG…………GAATTC…………CTTAAG……EcoRⅠ……GAATTC…………CTTAAG…………GAATTC…………CTTAAG……不同來源的DNA片段混合如何將不同種來源的DNA片段連接起來？生物A基因片段生物B基因片段……GAATTC…………CTTAAG…………GAATTC…………CTTAAG……酶切作用：將雙鏈DNA片段“縫合”起來，恢復(fù)被________切開的兩個__________之間的____________。DNA連接酶——“分子縫合針”限制酶核苷酸磷酸二酯鍵種類：E.coliDNA連接酶與T4DNA連接酶DNA連接酶——“分子縫合針”類型E.coliDNA連接酶T4DNA連接酶來源________________________功能只縫合____________縫合____________和____________結(jié)果恢復(fù)被限制酶切開的兩個核苷酸之間的_________________大腸桿菌T4噬菌體黏性末端黏性末端平末端磷酸二酯鍵DNA連接酶——“分子縫合針”DNA連接酶與DNA聚合酶的比較比較項目DNA連接酶DNA聚合酶相同點不同點是否需要模板接DNA鏈作用過程作用結(jié)果用途作用實質(zhì)相同，都是催化磷酸二酯鍵的形成不需要需要雙鏈單鏈在兩個DNA片段間形成磷酸二酯鍵將單個核苷酸加到已存在的DNA單鏈片段上，形成磷酸二酯鍵將已存在的DNA片段連接合成新的DNA分子基因工程DNA復(fù)制基因進入受體細胞的載體——“分子運輸車”種類（1）常用載體：________，它是一種裸露的、結(jié)構(gòu)簡單、獨立于細菌擬核DNA之外，具有自我復(fù)制能力的很小_______________分子。（2）其他載體：__________、______________等。具備條件（1）能自我復(fù)制：能夠在_____________中進行自我復(fù)制，或整合到染色體DNA上，隨染色體DNA進行同步復(fù)制。（2）有切割位點：有一個至多個__________________，供外源基因插入。質(zhì)粒雙鏈環(huán)狀DNA噬菌體動植物病毒受體細胞限制酶切割位點（3）具有標記基因：具有特殊的標記基因，供重組DNA的_______________。（4）無毒害作用：對___________無毒害作用，否則__________將受到損傷甚至死亡。說明：一般來說，天然載體不能同時滿足所有條件，要對其進行人工改造才可以使用。基因進入受體細胞的載體——“分子運輸車”鑒定和選擇受體細胞受體細胞質(zhì)粒（1）本質(zhì)：是一種裸露的、結(jié)構(gòu)簡單，獨立于真核細胞的細胞核或原核細胞擬核DNA之外，并具有_____________能力的環(huán)狀雙鏈DNA分子。（2）質(zhì)粒適于作基因運載體的特點：質(zhì)粒分子上有一個至多個______________位點，供外源DNA片段插入其中。攜帶外源DNA片段的質(zhì)粒進入受體細胞后，能在細胞中進行自我復(fù)制，或_______________________，隨受體細胞DNA同步復(fù)制。人工改造的質(zhì)粒常帶有______________，便于重組DNA分子的篩選?；蜻M入受體細胞的載體——“分子運輸車”自我復(fù)制限制酶切割整合到受體DNA上標記基因標記基因：用于篩選重組DNA分子基因進入受體細胞的載體——“分子運輸車”在基因操作中，真正被用作載體的質(zhì)粒，都是天然質(zhì)粒的基礎(chǔ)上進行過人工改造的。質(zhì)粒上通常有特殊的標記基因。思考·討論請在兩張紙上分別寫上下列兩段DNA序列：請你根據(jù)圖3-3中的相關(guān)信息找到兩條片段上EcoR

I的識別序列和切割位點。然后，用剪刀進行“切割”。待切割位點全部切開后，將從下面那條DNA鏈上切下的片段重組到上面那條DNA鏈的切口處，并用透明膠條將切口粘連起來。剪刀和透明膠條分別代表哪種“分子工具”?提示：剪刀代表限制酶;透明膠條代表DNA連接酶。你制作的黏性末端的堿基能不能互補配對?如果不能，可能是什么原因造成的?提示：根據(jù)學生實際操作的情況進行指導(dǎo)。如果制作的黏性末端的堿基不能互補配對，可能是剪切位點或連接位點選得不對，也可能是其他原因。你插入的DNA片段能稱得上一個基因嗎?提示：不能，因為基因的長度一般在100個堿基對以上。思考·討論一、概念檢測1.DNA連接酶是重組DNA技術(shù)常用的一種工具酶。下列相關(guān)敘述正確的是(

)A.能連接DNA分子雙鏈堿基對之間的氫鍵B.能將單個脫氧核苷酸加到DNA片段的末端，形成磷酸二酯鍵C.能連接用同種限制酶切開的兩條DNA片段，重新形成磷酸二酯鍵D.只能連接雙鏈DNA片段互補的黏性末端，不能連接雙鏈DNA片段的平末端練習與應(yīng)用C2.在重組DNA技術(shù)中，將外源基因送入受體細胞的載體可以是（

）A.大腸桿菌的質(zhì)粒B.切割DNA分子的酶C.DNA片段的黏性末端D.用來識別特定基因的DNA探針練習與應(yīng)用A二、拓展應(yīng)用1.想一想，為什么限制酶不切割細菌本身的DNA分子？提示：迄今為止，在基因工程操作中使用的限制酶絕大部分都是從細菌或霉菌中提取出來的，它們可以識別DNA上特定的堿基序列并使特定部位的磷酸二酯鍵斷開。微生物在長期的進化過程中形成了一套完善的防御機制，可以將外源入侵的DNA降解。細菌中限制酶之所以不切割自身的DNA，是因為含有某種限制酶的細胞的DNA分子或者不具備這種限制酶的識別序列，或者通過甲基化酶將甲基轉(zhuǎn)移到了限制酶所識別序列的堿基上，使限制酶不能將其切開。這樣，盡管細菌中含有某種限制酶，也不會使自身的DNA被切斷，并且可以防止外源DNA入侵。練習與應(yīng)用2.有2個不同來源的DNA片段A和B，A片段用限制酶SpeI進行切割，B片段分別用限制酶HindIⅢ、XbaI、EcoRV和XhoI進行切割。各限制酶的識別序列和切割位點如下。練習與應(yīng)用（1）哪種限制酶切制B片段產(chǎn)生的DNA片段能與限制酶SpeI切割A(yù)片段產(chǎn)生的DNA片段相連接？為什么？

XbaI。因為XbaI與SpeI切割產(chǎn)生了相同的黏性末端。（2）不同的限制酶切割