基因工程 的學(xué)習(xí)材料

基因工程的學(xué)習(xí)材料第1頁/共64頁每100kg豬或牛的胰腺中僅可提取4~5g。

1979年，美國(guó)將人的胰島素基因重組到大腸桿菌內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了細(xì)菌生產(chǎn)胰島素，大大降低了生產(chǎn)成本。治療糖尿病特效藥——

據(jù)WTO調(diào)查：

2005年全世界約有糖尿病患者1.8億人，我國(guó)約6000萬。胰島素思考：轉(zhuǎn)基因技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種生物的某些性狀在另一種生物中表達(dá)。這些性狀的表達(dá)與我們學(xué)過的基因的什么過程有關(guān)？密碼子在生物界是的！DNA(基因)

mRNA蛋白質(zhì)(性狀)轉(zhuǎn)錄翻譯通用第2頁/共64頁第3頁/共64頁補(bǔ)：原核細(xì)胞的基因結(jié)構(gòu)非編碼區(qū)非編碼區(qū)編碼區(qū)編碼區(qū)上游編碼區(qū)下游與RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)子終止子RNA聚合酶能夠識(shí)別調(diào)控序列中的結(jié)合位點(diǎn)，并與其結(jié)合。

轉(zhuǎn)錄開始后，RNA聚合酶沿DNA分子移動(dòng)，并以DNA分子的一條鏈為模板合成RNA。

轉(zhuǎn)錄完畢后，RNA鏈釋放出來，緊接著RNA聚合酶也從DNA模板鏈上脫落下來。第4頁/共64頁①不能轉(zhuǎn)錄為信使RNA，不能編碼蛋白質(zhì)。：能轉(zhuǎn)錄相應(yīng)的信使RNA，能編碼蛋白質(zhì)編碼區(qū)非編碼區(qū)原核細(xì)胞的基因結(jié)構(gòu)②有調(diào)控遺傳信息表達(dá)的核苷酸序列，在該序列中，最重要的是位于編碼區(qū)上游的RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)。啟動(dòng)子第5頁/共64頁補(bǔ)：真核細(xì)胞的基因結(jié)構(gòu)編碼區(qū)非編碼區(qū)非編碼區(qū)與RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)內(nèi)含子外顯子能夠編碼蛋白質(zhì)的序列叫做外顯子不能夠編碼蛋白質(zhì)的序列叫做內(nèi)含子啟動(dòng)子終止子編碼區(qū)上游編碼區(qū)下游內(nèi)含子：外顯子：第6頁/共64頁真核細(xì)胞的基因結(jié)構(gòu)編碼區(qū)非編碼區(qū)外顯子：能編碼蛋白質(zhì)的序列內(nèi)含子：不能編碼蛋白質(zhì)的序列：有調(diào)控作用的核苷酸序列，包括位于編碼區(qū)上游的RNA

聚合酶結(jié)合位點(diǎn)。非編碼序列：包括非編碼區(qū)和內(nèi)含子第7頁/共64頁GC框：調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活動(dòng)。CAAT框增強(qiáng)子尾部區(qū)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄單位非編碼區(qū)調(diào)控區(qū)外顯子：具有編碼意義內(nèi)含子：無編碼意義（5′GT、3′AG；GT-AG法則）前導(dǎo)區(qū)啟動(dòng)子終止子TATA框mRNA裂解信號(hào)回文結(jié)構(gòu)第8頁/共64頁啟動(dòng)子:

是指位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游（通常位于基因轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)上游的100bp范圍內(nèi)）的特異序列，是轉(zhuǎn)錄起始時(shí)RNA聚合酶識(shí)別和結(jié)合的部位，與轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)有關(guān)，但本身并不轉(zhuǎn)錄。增強(qiáng)子:

是一段能增強(qiáng)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄效率的特定序列，從而明顯地提高基因轉(zhuǎn)錄的效率。終止子:

是位于基因末端的一段特異序列，具有終止轉(zhuǎn)錄的功能。它位于轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)的上游，由一段反向重復(fù)序列及特定的序列5＇-AATAAA-3＇組成，二者構(gòu)成轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)。第9頁/共64頁基因工程的概念基因工程的別名操作環(huán)境操作對(duì)象操作水平基本過程DNA重組技術(shù)生物體外基因DNA分子水平剪切→拼接→導(dǎo)入→表達(dá)第10頁/共64頁問題探討：蘇云金芽孢桿菌含有一種可以合成毒蛋白的基因。讓細(xì)菌的毒蛋白基因在棉花細(xì)胞中表達(dá)，可培育出抵抗棉鈴蟲害的抗蟲棉。

想一想需要做哪些關(guān)鍵工作？蘇云金芽孢桿菌毒蛋白普通棉花抗蟲棉第11頁/共64頁基因工程培育抗蟲棉的簡(jiǎn)要過程：在以上過程中關(guān)鍵步驟或難點(diǎn)是什么？普通棉花(無抗蟲特性)蘇云金芽孢桿菌提取抗蟲基因通過運(yùn)載體導(dǎo)入轉(zhuǎn)基因棉花含抗蟲基因轉(zhuǎn)基因棉花產(chǎn)生伴胞晶體轉(zhuǎn)基因棉花有抗蟲特性第12頁/共64頁基因工程培育抗蟲棉的關(guān)鍵步驟：關(guān)鍵步驟一：抗蟲基因從蘇云金芽孢桿菌細(xì)胞內(nèi)提取出來關(guān)鍵步驟二：抗蟲基因與棉花DNA“縫合”關(guān)鍵步驟三：抗蟲基因進(jìn)入棉花細(xì)胞第13頁/共64頁解決培育抗蟲棉的關(guān)鍵步驟需要哪些工具？“分子手術(shù)刀”——限制性核酸內(nèi)切酶關(guān)鍵步驟一：抗蟲基因從蘇云金芽孢桿菌細(xì)胞內(nèi)提取出來關(guān)鍵步驟二：抗蟲基因與棉花DNA“縫合”關(guān)鍵步驟三：抗蟲基因進(jìn)入棉花細(xì)胞“分子縫合針”——DNA連接酶“分子運(yùn)輸車”——基因進(jìn)入受體細(xì)胞的載體1.1、DNA重組技術(shù)的基本工具第14頁/共64頁一、限制性核酸內(nèi)切酶——“分子手術(shù)刀”1.主要來源：⒉種類與命名：⒊作用特點(diǎn)（特異性）4.限制酶識(shí)別序列5.作用結(jié)果：識(shí)別特定核苷酸序列，并且使每條鏈中特定部位的兩個(gè)核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷開。主要從原核生物中分離純化產(chǎn)生黏性末端或平末端Goon大多數(shù)限制酶的識(shí)別序列由6個(gè)核苷酸組成少數(shù)的識(shí)別序列由4、5或8個(gè)核苷酸組成第15頁/共64頁磷酸二酯鍵T12345A12345HHHHHOT12345A12345HHHHOH2O+第16頁/共64頁限制酶的識(shí)別序列：能被限制性內(nèi)切酶特異性識(shí)別的切割部位都具有回文序列：在切割部位，一條鏈正向讀的堿基順序與另一條鏈反向讀的順序完全一致。第17頁/共64頁尋根問底你能推測(cè)限制酶存在于原核生物中的作用是是什么嗎？

原核生物易受自然界外源DNA的入侵，但生物在長(zhǎng)期的進(jìn)化過程中形成了一套完善的防御機(jī)制，以防止外來病原物的侵害。限制酶就是細(xì)菌的一種防御性工具，當(dāng)外源DNA侵入時(shí)，會(huì)利用限制酶將外源DNA切割掉，以保證自身的安全。所以，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(dá)到保護(hù)自身的目的。第18頁/共64頁思考與探究P7（2）為什么限制酶不剪切細(xì)菌本身的DNA？

通過長(zhǎng)期的進(jìn)化，細(xì)菌中含有某種限制酶的細(xì)胞，其DNA分子中或者不具備這種限制酶的識(shí)別切割序列；或者通過甲基化酶將甲基轉(zhuǎn)移到所識(shí)別序列的堿基上，使限制酶不能將其切開。這樣，盡管細(xì)菌中含有某種限制酶也不會(huì)使自身的DNA被切斷，并且可以防止外源DNA的入侵。第19頁/共64頁

EcoRⅠ黏性末端黏性末端第20頁/共64頁

EcoRⅠ黏性末端黏性末端第21頁/共64頁SmaⅠ平末端平末端第22頁/共64頁要想獲得某個(gè)特定性狀的基因必須要用限制酶切幾個(gè)切口？可產(chǎn)生幾個(gè)黏性(平)末端？要切兩個(gè)切口，產(chǎn)生四個(gè)黏性(平)末端。如果把兩種來源不同的DNA用同一種限制酶來切割，會(huì)怎樣呢？

會(huì)產(chǎn)生相同的黏性(平)末端，然后讓兩者的黏性(平)末端黏合起來，就似乎可以合成重組的DNA分子了。思考?第23頁/共64頁……GAATTC…………CTTAAG…………GAATTC…………CTTAAG……EcoRⅠ……GAATTC…………CTTAAG…………GAATTC…………CTTAAG……不同來源的DNA片段混合將不同種來源的DNA片段連接起來生物A基因片段生物B基因片段……G

AATTC…………CTTAA

G……酶切……GAATTC…………CTTAAG…………G

AATTC…………CTTAA

G…………G

AATTC…………CTTAA

G……同一種第24頁/共64頁二、“分子縫合針”

——DNA連接酶①作用:

把切下來的DNA片段拼接成新的DNA，即將脫氧核糖和磷酸連接起來.②作用原理：催化磷酸二酯鍵形成第25頁/共64頁③類型：類型E·coliDNA連接酶T4DNA連接酶來源功能大腸桿菌T4噬菌體恢復(fù)磷酸二酯鍵只能連接黏性末端能連接黏性末端和平末端(效率較低)相同點(diǎn)差別第26頁/共64頁

可把黏性末端之間的縫隙“縫合”起來，E·coliDNA連接酶或T4DNA連接酶即恢復(fù)被限制酶切開的兩個(gè)核苷酸之間的磷酸二酯鍵第27頁/共64頁

T4DNA連接酶還可把平末端之間的縫隙“縫合”起來，但效率較低T4DNA連接酶第28頁/共64頁三、“分子運(yùn)輸車”

——基因進(jìn)入受體細(xì)胞的載體⒈載體需要的條件：⑴有1~多個(gè)限制酶切點(diǎn)⑵對(duì)受體細(xì)胞無害⑶導(dǎo)入基因能在受體細(xì)胞中復(fù)制、表達(dá)⑷有某些標(biāo)記基因，便于篩選⒉常用運(yùn)載體：⑴細(xì)菌的質(zhì)粒⑵λ噬菌體衍生物或某些動(dòng)植物病毒⑶假如目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞后不能復(fù)制或不能轉(zhuǎn)錄，轉(zhuǎn)基因生物能有預(yù)想的效果嗎？⑴作為分子運(yùn)輸車——載體，如果沒有切割位點(diǎn)將會(huì)怎樣？⑵霍亂菌的質(zhì)粒多個(gè)限制酶切點(diǎn)，你會(huì)用它來做分子運(yùn)輸車嗎？

⑷目的基因有沒有進(jìn)入受體細(xì)胞，如何去發(fā)現(xiàn)？

第29頁/共64頁常用的載體：質(zhì)粒能復(fù)制并帶著插入的目的基因一起復(fù)制有切割位點(diǎn)有標(biāo)記基因的存在，可用含氨芐青霉素的培養(yǎng)基鑒別第30頁/共64頁1）載體DNA必需有一個(gè)或多個(gè)限制酶的切割位點(diǎn)，以便目的基因可以插入到載體上去。這些供目的基因插入的限制酶的切點(diǎn)所處的位置，還必須是在質(zhì)粒本身需要的基因片段之外，這樣才不至于因目的基因的插入而失活。2）載體DNA必需具備自我復(fù)制的能力，或整合到受體染色體DNA上隨染色體DNA的復(fù)制而同步復(fù)制。3）載體DNA必需帶有標(biāo)記基因，以便重組后進(jìn)行重組子的篩選。4）載體DNA必需是安全的，不會(huì)對(duì)受體細(xì)胞有害，或不能進(jìn)入到除受體細(xì)胞外的其他生物細(xì)胞中去。5）載體DNA分子大小應(yīng)適合，以便提取和在體外進(jìn)行操作，太大就不便操作。實(shí)際上自然存在的質(zhì)粒DNA分子并不完全具備上述條件，都要進(jìn)行人工改造后才能用于基因工程操作。第31頁/共64頁第32頁/共64頁二、基因工程操作的程序包括：①目的基因的獲取；②基因表達(dá)載體的構(gòu)建；③將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞；④目的基因的檢測(cè)與鑒定。⑤原理：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)基因等技術(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。（既是概念，又是原理）第33頁/共64頁三、基因工程操作程序：1.第一步：獲取目的基因（1）方法：①從基因文庫中獲取目的基因②利用PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因③人工合成目的基因（2）比較基因、基因文庫、目的基因的區(qū)別（3）目的基因的擴(kuò)增呈指數(shù)形式擴(kuò)增（2n）第34頁/共64頁一、目的基因的獲取1、目的基因主要是編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因2、獲取目的基因的常用方法有哪些?（1）從基因文庫中獲?。?）利用PCR技術(shù)擴(kuò)增（3）人工合成第35頁/共64頁(一)從基因文庫中獲取目的基因

將含有某種生物不同基因的許多DNA片斷，導(dǎo)入到受體菌的群體中，各個(gè)受體菌分別含有這種生物的不同基因，稱為基因文庫基因文庫

基因組文庫部分基因文庫（如:cDNA文庫）1.基因文庫第36頁/共64頁基因工程操作流程圖小結(jié)：第37頁/共64頁③根據(jù)已知的氨基酸序列合成DNA法：

根據(jù)已知蛋白質(zhì)的氨基酸序列，推測(cè)出相應(yīng)的信使RNA序列，然后按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，推測(cè)出它的結(jié)構(gòu)基因的核苷酸序列，再通過化學(xué)方法，以單核苷酸為原料合成目的基因。蛋白質(zhì)的氨基酸序列mRNA的核苷酸序列結(jié)構(gòu)基因的核苷酸序列推測(cè)推測(cè)目的基因化學(xué)合成2.基因文庫的構(gòu)建方法第38頁/共64頁上述三種目的基因提取的方法有何優(yōu)缺點(diǎn)？?jī)?yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)鳥槍法反轉(zhuǎn)錄法根據(jù)已知氨基酸合成DNA法操作簡(jiǎn)便廣泛使用工作量大，盲目，分離出來的有時(shí)并非一個(gè)基因?qū)Ｒ恍詮?qiáng)操作過程麻煩，mRNA很不穩(wěn)定，要求的技術(shù)條件較高專一性最強(qiáng)僅限于合成核苷酸對(duì)較少的簡(jiǎn)單基因思考:為什么要構(gòu)建基因文庫?直接從含有目的基因的生物體內(nèi)提取不行嗎?第39頁/共64頁2.基因文庫的構(gòu)建方法①鳥槍法：供體細(xì)胞中的DNA許多DNA片段運(yùn)載體限制酶與載體連接載入受體細(xì)胞產(chǎn)生特定性狀導(dǎo)入外源DNA擴(kuò)增目的基因分離(直接分離法)(一)從基因文庫中獲取目的基因第40頁/共64頁如何從基因文庫中找到所需要的基因？?第一步，通過PCR方法將目的基因已知的部分核苷酸序列擴(kuò)增出來，進(jìn)行放射性同位素標(biāo)記（也可以用別的標(biāo)記方法進(jìn)行，如生物素、熒光素等），即用標(biāo)記了放射性同位素的目的DNA片段作為探針，與擴(kuò)增出來的DNA雜交。第二步，將基因文庫中的所有菌落轉(zhuǎn)移至硝酸纖維膜上（也可以用其他類型的膜），然后，通過處理溶解消化掉細(xì)菌中的蛋白質(zhì)，并使DNA固定在膜上。第三步，按Southern雜交的方法進(jìn)行雜交。第四步，在X光底片上出現(xiàn)黑斑的菌落，這表明這個(gè)菌落中含有所需要的目的基因（若選用別的標(biāo)記方法，有陽性信號(hào)的菌落則含有所需要的目的基因）第五步，從該菌落中再提取目的基因。第41頁/共64頁②反轉(zhuǎn)錄法：

以目的基因轉(zhuǎn)錄成的信使RNA為模板，反轉(zhuǎn)錄成互補(bǔ)的單鏈DNA，然后在酶的作用下合成雙鏈DNA，從而獲得所需的基因。目的基因的mRNA雜交雙鏈(單鏈RNA/單鏈DNA)單鏈DNA反轉(zhuǎn)錄酶核酸酶H2.基因文庫的構(gòu)建方法DNA聚合酶雙鏈DNA(目的基因)第42頁/共64頁求異思維你能推測(cè)出由mRNA反轉(zhuǎn)錄形成cDNA的過程大致分為哪些步驟嗎？反轉(zhuǎn)錄酶既可以利用DNA又可以利用RNA作為模板合成與之互補(bǔ)的DNA鏈。像其他DNA聚合酶一樣，反轉(zhuǎn)錄酶也以5′→3′方向合成DNAcDNA合成過程是：第一步，反轉(zhuǎn)錄酶以RNA為模板合成一條與RNA互補(bǔ)的DNA單鏈，形成RNA-DNA雜交分子。第二步，核酸酶H使RNA-DNA雜交分子中的RNA鏈降解，使之變成單鏈的DNA。第三步，以單鏈DNA為模板，在DNA聚合酶的作用下合成另一條互補(bǔ)的DNA鏈，形成雙鏈DNA分子。第43頁/共64頁(二)利用PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因第44頁/共64頁b、PCR（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）技術(shù)擴(kuò)增由穆里斯等人于1988年發(fā)明，并于1993年獲得若貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。PCR反應(yīng)的過程：（變性、退火、延伸、多次重復(fù)）變性退火延伸結(jié)果：雙鏈DNA分子數(shù)為2n可獲取大量目的基因第45頁/共64頁⑥過程：a、DNA變性（90℃-96℃）：雙鏈DNA模板在熱作用下，_____斷裂，形成___________b、退火（復(fù)性25℃-65℃）：系統(tǒng)溫度降低，引物與DNA模板結(jié)合，形成局部________。c、延伸（70℃-75℃）：在Taq酶的作用下，從引物的5′端→3′端延伸，合成與模板互補(bǔ)的________。氫鍵單鏈DNA雙鏈DNA鏈第46頁/共64頁第47頁/共64頁5.基因表達(dá)載體的組成：復(fù)制原點(diǎn)+目的基因+啟動(dòng)子+終止子+標(biāo)記基因第48頁/共64頁(三)將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞轉(zhuǎn)化——方法將目的基因?qū)胫参锛?xì)胞將目的基因?qū)雱?dòng)物細(xì)胞將目的基因?qū)胛⑸锛?xì)胞農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法基因槍法花粉管通道法——顯微注射法——感受態(tài)細(xì)胞目的基因進(jìn)入_________內(nèi)，并且在受體細(xì)胞內(nèi)維持_____和_____的過程受體細(xì)胞穩(wěn)定表達(dá)第49頁/共64頁1、將目的基因?qū)胫参锛?xì)胞的方法：農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法（1）農(nóng)桿菌介紹（2）原理及適用范圍(三)將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞第50頁/共64頁2、將目的基因?qū)雱?dòng)物細(xì)胞（1）方法：顯微注射法（2）程序：(三)將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞第51頁/共64頁3、將目的基因?qū)胛⑸锛?xì)胞（1）思考：為什么選用微生物作為受體細(xì)胞？（2）方法：第52頁/共64頁(四)目的基因的檢測(cè)與鑒定——檢查是否成功檢測(cè)—鑒定——①檢測(cè)轉(zhuǎn)基因生物染色體的DNA

上是否插入了目的基因②檢測(cè)目的基因是否轉(zhuǎn)錄出了mRNA③檢測(cè)目的基因是否翻譯成蛋白質(zhì)抗蟲鑒定、抗病鑒定、活性鑒定等方法——方法——方法——DNA分子雜交分子雜交抗原抗體雜交第53頁/共64頁DNA分子雜交示意圖

采用一定的技術(shù)手段，將兩種生物的DNA分子的單鏈放在一起，如果這兩個(gè)單鏈具有互補(bǔ)的堿基序列，那么，互補(bǔ)的堿基序列就會(huì)結(jié)合在一起，形成雜合雙鏈區(qū)；在沒有互補(bǔ)堿基序列的部位，仍然是兩條游離的單鏈。P15思考與探究第54頁/共64頁第55頁/共64頁四、目的基因的檢測(cè)和鑒定

細(xì)菌的檢測(cè)，將每個(gè)受體細(xì)胞單獨(dú)培養(yǎng)形成菌落，檢測(cè)菌落中是否有目的基因的表達(dá)產(chǎn)物。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。無表達(dá)產(chǎn)物無表達(dá)產(chǎn)物有表達(dá)產(chǎn)物無表達(dá)產(chǎn)物第56頁/共64頁四、目的基因的檢測(cè)和鑒定多細(xì)胞生物的檢測(cè)，將每個(gè)受體細(xì)胞單獨(dú)培養(yǎng)并誘導(dǎo)發(fā)育成完整個(gè)體，檢測(cè)這些個(gè)體是否攝入目的基因，攝入的基因是否表達(dá)（是否表現(xiàn)出相應(yīng)的性狀）。淘汰無變化的個(gè)體，保留有相應(yīng)變化的個(gè)體進(jìn)一步培養(yǎng)、研究。例：用棉鈴飼喂棉鈴蟲，如蟲吃后不出現(xiàn)中毒癥狀，說明未攝入目的基因或攝入目的基因未表達(dá)。如蟲吃后中毒死亡，則說明攝入了抗蟲基因并得到表達(dá)。返回（從個(gè)體水平鑒定）第57頁/共64頁基因表達(dá)載體的組成：目