DNA重組技術(shù)的基本工具課件高二下學期生物人教版選擇性必修3

基因工程的誕生和發(fā)展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。1944年艾弗里等人通過肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實驗，不僅證明了遺傳物質(zhì)是DNA，還證明了DNA可以在同種生物的不同個體之間轉(zhuǎn)移。1950年埃德曼發(fā)明了一種測定氨基酸序列的方法。2年后，桑格首次完成了對胰島素氨基酸序列的測定。1953年沃森和克里克建立了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型并提出了遺傳物質(zhì)自我復(fù)制的假說。1958年梅塞爾森和斯塔爾用實驗證明了DNA的半保留復(fù)制。隨后不久，克里克提出中心法則。1961年尼倫伯格和馬太破譯了第一個編碼氨基酸的密碼子。截至1966年，64個密碼子均被成功破譯。1967年科學家發(fā)現(xiàn)，在細菌擬核DNA之外的質(zhì)粒有自我復(fù)制能力，并可以在細菌細胞間轉(zhuǎn)移。1970年科學家在細菌中發(fā)現(xiàn)了第一個限制性內(nèi)切核酸酶（簡稱限制酶）。20世紀70年代初多種限制酶、DNA連接酶和逆轉(zhuǎn)錄酶被相繼發(fā)現(xiàn)。這些發(fā)現(xiàn)為DNA的切割、連接以及功能基因的獲得創(chuàng)造了條件。1972年伯格首先在體外進行了DNA改造的研究，成功地構(gòu)建了第一個體外重組DNA分子。1973年科學家證明質(zhì)?？梢宰鳛榛蚬こ痰妮d體，構(gòu)建重組DNA，導(dǎo)入受體細胞，使外源基因在原核細胞中成功表達，并實現(xiàn)物種間的基因交流。1977年桑格等科學家發(fā)明了DNA序列分析的方法，為基因序列圖的繪制提供了可能。此后，DNA合成儀的問世為體外合成DNA提供了方便。1982年第一個基因工程藥物——重組人胰島素被批準上市?；蚬こ趟幬锍蔀槭澜绺鲊芯亢屯顿Y開發(fā)的熱點。1983年科學家采用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法培育出世界上第一例轉(zhuǎn)基因煙草。此后，基因工程進入了迅速發(fā)展的階段。1984年我國科學家朱作言領(lǐng)導(dǎo)的團隊培育出世界上第一條轉(zhuǎn)基因魚。1985年穆里斯等人發(fā)明PCR，為獲取目的基因提供了有效手段。1990年人類基因組計劃啟動。2003年，該計劃的測序任務(wù)順利完成。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。2013年華人科學家張鋒及其團隊首次報道利用最新的基因組編輯技術(shù)一CRISPR技術(shù)編輯了哺乳動物基因組。DNA重組技術(shù)的基本工具高中生物選擇性必修三第一節(jié)重組DNA技術(shù)所需的三種基本工具及DNA粗提取與鑒定。生命觀念模擬重組DNA分子的操作過程，說出合成新DNA分子的基本原理。科學思維關(guān)注基因工程的社會議題，參與討論基礎(chǔ)理論和技術(shù)發(fā)展如何催生基因工程。社會責任核心素養(yǎng)概述基因工程是在遺傳學、微生物學、生物化學和分子生物學等學科基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。-01-闡明DNA重組技術(shù)的實現(xiàn)需要利用限制性內(nèi)切核酸酶、DNA連接酶和載體三種基本工具。-02-闡明限制性核酸內(nèi)切酶的作用特點和作用結(jié)果。闡明2類DNA連接酶的作用和類型。-03-課標要求回顧前面所學，思考哪個結(jié)構(gòu)上面攜帶遺傳信息？基因的結(jié)構(gòu)是有

效應(yīng)的DNA片段

基因遺傳

基本單位脫氧核糖核苷酸基因在DNA上，那么回顧一下：基因具備哪些功能？基因的功能遺傳信息

儲存、傳遞、表達遺傳信息復(fù)制子代DNA控制蛋白質(zhì)合成轉(zhuǎn)錄、翻譯

控制生物性狀蛋白質(zhì)合成結(jié)構(gòu)蛋白酶的合成直接控制間接控制控制代謝基因的具體結(jié)構(gòu)DNA基因A基因B基因C基因D基因B5’3’5’3’非編碼區(qū)編碼區(qū)非編碼區(qū)與RNA聚合酶結(jié)合位點啟動子終止子能夠編碼，合成蛋白質(zhì)原核生物的基因結(jié)構(gòu)非編碼區(qū)編碼區(qū)非編碼區(qū)與RNA聚合酶結(jié)合位點啟動子終止子編碼區(qū)上游編碼區(qū)下游不能轉(zhuǎn)錄為mRNA，不能編碼蛋白質(zhì)能夠轉(zhuǎn)錄為mRNA，能夠編碼蛋白質(zhì)不能轉(zhuǎn)錄為mRNA，不能編碼蛋白質(zhì)真核生物的基因結(jié)構(gòu)非編碼區(qū)編碼區(qū)非編碼區(qū)與RNA聚合酶結(jié)合位點啟動子終止子編碼區(qū)上游編碼區(qū)下游不能轉(zhuǎn)錄為mRNA，不能編碼蛋白質(zhì)能夠編碼蛋白質(zhì)序列不能轉(zhuǎn)錄為mRNA，不能編碼蛋白質(zhì)外顯子內(nèi)顯子不能夠編碼蛋白質(zhì)序列兩者的比較原核細胞真核細胞不同點編碼區(qū)是

的編碼區(qū)是間隔的、

的相同點都由能夠編碼蛋白質(zhì)的

區(qū)和具體調(diào)控作用的

區(qū)組成連續(xù)不連續(xù)編碼非編碼GENETICENGINEERING關(guān)于基因工程

操作場所生物體外轉(zhuǎn)基因等技術(shù)

操作技術(shù)

操作結(jié)果

操作水平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。DNA分子水平到社會中去番木瓜容易受番木瓜環(huán)斑病毒的侵襲。而當番木瓜被這種病毒感染后，產(chǎn)量會大大下降?？茖W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”?？茖W家究竟用到了哪些“分子工具”？這些“分子工具”各具有什么特征呢？實際操作在培育轉(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”；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。實現(xiàn)這一精確的操作過程至少需要三種“分子工具”：準確切割DNA分子的“分子手術(shù)刀”將DNA片段再連接起來的“分子縫合針”體外重組好的DNA分子導(dǎo)入受體細胞的“分子運輸車”RESTRICTIONENDONUCLEASE“分子手術(shù)刀”限制性核酸內(nèi)切酶限制性核酸內(nèi)切酶被譽為是“分子手術(shù)刀”。那么，它是如何產(chǎn)生的，有何特性，具體作用是什么？限制性核酸內(nèi)切酶在培育轉(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”；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。實現(xiàn)這一精確的操作過程至少需要三種“分子工具”：準確切割DNA分子的“分子手術(shù)刀”將DNA片段再連接起來的“分子縫合針”體外重組好的DNA分子導(dǎo)入受體細胞的“分子運輸車”限制性核酸內(nèi)切酶主要來源于

生物。

來源原核

種類有

種。數(shù)千大腸桿菌限制性核酸內(nèi)切酶能夠識別雙鏈DNA分子的

序列，并使每一條鏈中特定部位的

鍵斷開。

作用特定核苷酸磷酸二酯GCTTAAGCTAAT雙鏈DNA的結(jié)構(gòu)和磷酸二酯鍵的位置示意圖磷酸二酯鍵限制性核酸內(nèi)切酶

識別序列大多數(shù)限制酶的識別序列由

個核苷酸組成。例如，EcoR

I、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。6識別序列的特點：遵循堿基互補配對原則，無論是奇數(shù)個堿基還是偶數(shù)個堿基，都可以找到一條中心軸線。思考·討論平末端EcoRI限制酶和SmaI

限制酶識別的堿基序列不同，切割位點不同說明限制酶具有什么特性？專一性思考·討論你能根據(jù)所掌握的知識，推測限制酶存在于原核生物中的主要作用是什么嗎？原核生物容易受到自然界外源DNA的入侵，所以它在長期的進化過程中形成了一套完善的防御機制。限制酶就是它的一種防御性工具。當外源DNA入侵時，它會利用限制酶來切割外源DNA，使之失效，以保證自身的安全。限制酶名字的由來限制酶是如何命名的呢？是用生物屬名的頭1個字母與種加詞的頭2個字母，組成了3個字母的略語，以此來表示這個酶是從哪種生物中分離出來的。一種限制酶是從大腸桿菌（Escherichiacoli）的R型菌株分離來的，就用字母EcoR表示。若是從大腸桿菌R型菌株中分離出來的第一種限制酶，則進一步表示成EcoRI。易錯總結(jié)1.限制酶是一類酶而不是一種酶。2.限制酶作用的化學鍵只能是磷酸二酯鍵，而不是氫鍵。3.限制酶具有特異性，任何一種限制酶都只能識別和切斷特定的核苷酸序列，這是由酶的專一性所決定的。4.限制酶主要存在于微生物中，尤其是原核生物中。6.判斷黏性末端是否由同一種限制酶切割形成的方法是：將黏性末端旋轉(zhuǎn)180°，同一種限制酶切割形成的黏性末端應(yīng)該是完全相同的結(jié)構(gòu)。DNALIGASE“分子縫合針”DNA連接酶前面經(jīng)過限制性核酸內(nèi)切酶的切割，可以獲得DNA片段。那么如何再將切下來的DNA片段拼接成新的DNA分子呢？需要用到什么工具，原理是什么？GCTTAAGCTAATDNA連接酶結(jié)合教材P72，思考：DNA連接酶的作用是什么？有哪些種類？

作用將雙鏈DNA片段“縫合”起來，恢復(fù)被限制酶切開的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵。種類比較E.coliDNA連接酶T4DNA連接酶來源特點大腸桿菌T4噬菌體只能連接黏性末端既可以連接黏性末端，又可以連接平末端(效率較低)限制酶與DNA連接酶的比較種類比較作用應(yīng)用限制性核酸內(nèi)切酶DNA連接酶使特定部位的磷酸二酯鍵斷裂在DNA片段之間重新形成磷酸二酯鍵用于提取目的基因和切割載體用于目的基因和載體的連接DNA聚合酶與DNA連接酶的比較項目DNA連接酶DNA聚合酶相同點不同點是否需要模板作用對象作用結(jié)果用途都是催化磷酸二酯鍵的形成不需要需要DNA的一條鏈作模板在兩個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，形成磷酸二酯鍵形成完整的重組DNA分子形成DNA的一條鏈基因工程DNA復(fù)制GENESENTERTHERECIPIENTCELL“分子運輸車”基因進入受體細胞的載體經(jīng)過限制性核酸內(nèi)切酶的切割和DNA連接酶的連接，最終獲得重組DNA分子。那么如何將獲得的重組DNA分子送入細胞，讓其發(fā)揮作用呢？分子運輸車要將一個外源基因，如蘇云金桿菌中的抗蟲基因，導(dǎo)入受體細胞，還需要有運輸工具，就是“分子運輸車”，又叫載體。

載體的作用一是作為運載工具，與外源基因（即目的基因）的DNA片段結(jié)合，將目的基因轉(zhuǎn)移到受體細胞中。二是在受體細胞內(nèi)對目的基因進行大量的復(fù)制。載體的種類來源不同，在大小、結(jié)構(gòu)、復(fù)制方式以及可以插入外源DNA片段的大小也有很大差別。常見的載體質(zhì)粒、噬菌體將外源基因?qū)氪竽c桿菌等受體細胞將外源基因?qū)雱游锛毎参锊《緞游锊《緦⑼庠椿驅(qū)胫参锛毎畛Ｒ娸d體必須具備的條件若想成功將DNA導(dǎo)入受體細胞，載體需要具備什么特點？①在受體細胞中能保存下來并能大量復(fù)制。②有一個至多個限制酶切割位點，供外源DNA片段（基因）插入其中，且每種酶的切割位點最好只有一個。大腸桿菌pBR322質(zhì)粒就有多種限制酶的單一切割位點可運載多種目的基因。載體必須具備的條件③有某種標記基因，便于篩選含重組DNA的細胞，如大腸桿菌pBR322質(zhì)粒攜帶四環(huán)素抗性基因，該基因可作為篩選的標記基因（多為抗性基因）。④對受體細胞無害，不影響受體細胞正常的生命活動。質(zhì)粒質(zhì)粒是一種

的、結(jié)構(gòu)

、獨立于真核細胞細胞核或原核細胞擬核DNA之外，并具有自我復(fù)制能力的

雙鏈DNA分子。

特點裸露簡單環(huán)狀質(zhì)粒存在于細菌和酵母菌等生物細胞中，最常用的是大腸桿菌質(zhì)粒。

來源環(huán)狀DNA分子，其基因?qū)儆诩毎|(zhì)基因。

本質(zhì)在基因工程操作中，真正被用作載體的質(zhì)粒，都是在天然質(zhì)粒的基礎(chǔ)上進行過人工改造的。概念區(qū)分

啟動子DNA復(fù)制的起始位點。

終止子位于基因的首端的一段特殊的DNA片斷，它是RNA聚合酶識別和結(jié)合的部位，有了它才能驅(qū)動基因轉(zhuǎn)錄出mRNA，最終獲得蛋白質(zhì)。位于基因的尾端的一段特殊的DNA片斷，使轉(zhuǎn)錄終止。供重組DNA的篩選。

標記基因

復(fù)制原點重組DNA分子請在兩張紙上分別寫上，下列兩段DNA序列：根據(jù)教材圖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。思考·討論1.剪刀和透明膠條分別代表哪種“分子工具”？2.制作的黏性末端的堿基能不能互補配對？若不能，可能是什么原因？3.你插入的DNA片段能稱得上一個基因嗎？剪刀代表限制酶。透明膠條代表DNA連接酶。若不能。可能是剪切位點或連接位點的選擇不對。不能?；虻拈L度一般在100個堿基對以上。聯(lián)系社會隨著生物技術(shù)的飛速發(fā)展，生產(chǎn)和銷售“分子工具”的公司大量涌現(xiàn)。感興趣的話，你可以登錄這些公司的網(wǎng)站，查詢和了解相關(guān)產(chǎn)品的特點、價格和使用說明等。有些這樣的公司已成功上市，你還可以通過分析公司的股票價格走勢，大致了解公司的經(jīng)營狀況以及投資者目前對該行業(yè)的認可程度。1.以下幾種酶中與磷酸二酯鍵的形成或斷裂有關(guān)的有幾種（）C①限制性核酸內(nèi)切酶

②DNA連接酶

③DNA聚合酶④解旋酶

⑤DNA酶A.兩種 B.三種C.四種 D.五種當堂檢測2.下列有關(guān)限制酶和DNA連接酶的敘述正確的是（）B當堂檢測A.所有的限制酶都只能識別一種特定核苷酸序列B.限制酶識別序列越短，則該序列在DNA中出現(xiàn)的概率就越大C.當限制酶在它識別序列的中心軸線兩側(cè)將DNA的兩條鏈分別切開時，產(chǎn)生的是平末端D.T4