《基因工程基本工具》課件

基因工程基本工具基因工程是現(xiàn)代生物技術(shù)的重要組成部分，它利用基因重組技術(shù)，將外源基因?qū)胧荏w細(xì)胞，從而改變生物體的遺傳性狀。課程大綱概述什么是基因工程？基本工具限制性內(nèi)切酶，DNA連接酶，載體DNA，基因擴(kuò)增技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)基因生物，基因診斷，藥物生產(chǎn)總結(jié)與展望基因工程的未來發(fā)展趨勢概述基因工程的應(yīng)用場景藥物研發(fā)農(nóng)業(yè)育種環(huán)境治理基因工程的核心技術(shù)基因克隆基因表達(dá)基因轉(zhuǎn)移DNA結(jié)構(gòu)與功能DNA是脫氧核糖核酸的縮寫，是生物體內(nèi)主要的遺傳物質(zhì)。DNA分子由兩條反向平行的脫氧核糖核苷酸鏈構(gòu)成雙螺旋結(jié)構(gòu)，兩條鏈之間通過氫鍵連接，形成堿基配對。DNA具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其能夠承擔(dān)遺傳信息的儲(chǔ)存和傳遞功能。DNA分子中的堿基序列包含了生物體的遺傳信息，這些信息通過復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯傳遞給子代，最終決定生物體的性狀。限制性內(nèi)切酶定義限制性內(nèi)切酶是一種能夠識別并切割特定DNA序列的酶。它們就像DNA的“剪刀”，可以精確地切割DNA分子，為基因工程提供了基礎(chǔ)。作用限制性內(nèi)切酶在細(xì)菌中發(fā)揮著重要的防御作用。它們可以識別并切割外源DNA，防止病毒或其他外來遺傳物質(zhì)的入侵。限制性內(nèi)切酶的種類I型酶識別位點(diǎn)與切割位點(diǎn)不一致，需要ATP和S-腺苷甲硫氨酸(SAM)作為輔助因子。II型酶識別位點(diǎn)與切割位點(diǎn)一致，僅需Mg2+作為輔助因子。III型酶識別位點(diǎn)與切割位點(diǎn)不一致，需ATP和SAM作為輔助因子，切割位點(diǎn)在識別位點(diǎn)附近。IV型酶切割修飾過的DNA，在識別位點(diǎn)附近切割，需要ATP和SAM作為輔助因子。限制性內(nèi)切酶的命名1來源第一個(gè)字母表示細(xì)菌屬名，第二個(gè)字母表示菌種名，第三個(gè)字母表示菌株名，數(shù)字代表發(fā)現(xiàn)的順序。2類型用羅馬數(shù)字I、II、III表示其切割方式，I型酶切割位點(diǎn)不固定，II型酶切割位點(diǎn)固定，III型酶切割位點(diǎn)在識別位點(diǎn)附近。3舉例EcoRI限制性內(nèi)切酶來自大腸桿菌菌株RY13，屬于II型酶。限制性內(nèi)切酶的識別序列識別序列每個(gè)限制性內(nèi)切酶都有一個(gè)特定的DNA序列，稱為識別序列。對稱結(jié)構(gòu)識別序列通常是回文結(jié)構(gòu)，這意味著序列在正向和反向閱讀時(shí)是相同的。特異性每個(gè)限制性內(nèi)切酶僅切割其特定的識別序列，因此它們能夠識別和切割特定基因組中的特定DNA片段。限制性內(nèi)切酶的切割模式粘性末端酶切后產(chǎn)生單鏈的突出端，可互相配對，利于連接。平末端酶切后產(chǎn)生平整的末端，不易連接。錯(cuò)位切割酶切后產(chǎn)生不等長的突出端，使片段連接更精確。常見的限制性內(nèi)切酶EcoRI識別序列為GAATTC，切割位點(diǎn)在G和A之間。HindIII識別序列為AAGCTT，切割位點(diǎn)在A和A之間。BamHI識別序列為GGATCC，切割位點(diǎn)在G和G之間。限制性內(nèi)切酶的應(yīng)用基因克隆限制性內(nèi)切酶可以切割DNA，并將特定的DNA片段插入載體中，實(shí)現(xiàn)基因克隆?；驕y序限制性內(nèi)切酶可以用于基因測序，通過切割DNA片段，并對片段進(jìn)行排序，可以得到基因的序列信息?；蛟\斷限制性內(nèi)切酶可以用于診斷疾病，通過檢測特定基因的序列變化，可以診斷出一些遺傳疾病。DNA連接酶催化連接DNA連接酶是一種重要的酶，能夠催化雙鏈DNA片段之間的連接，在基因工程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。修復(fù)斷裂它能夠修復(fù)DNA分子中雙鏈斷裂，維持基因組的完整性。連接酶的種類DNA連接酶有多種類型，包括T4DNA連接酶和E.coliDNA連接酶。DNA連接酶的特點(diǎn)連接斷裂的DNA鏈DNA連接酶能將雙鏈DNA中相鄰的單鏈斷裂連接起來。連接特定堿基序列DNA連接酶需要識別特定的堿基序列，才能發(fā)揮連接作用。需要ATP提供能量DNA連接酶的連接反應(yīng)需要ATP提供能量。DNA連接酶的種類T4DNA連接酶E.coliDNA連接酶DNA連接酶的應(yīng)用重組DNA將外源基因插入載體，形成重組DNA分子，用于基因克隆、基因表達(dá)等?；驕y序連接短片段DNA序列，構(gòu)建完整的基因序列，用于基因研究、疾病診斷等。基因治療修復(fù)缺陷基因，或引入功能基因，用于治療遺傳病和某些疾病。載體DNA載體DNA是基因工程中不可或缺的工具，它可以將外源基因片段插入到宿主細(xì)胞中，并使外源基因在宿主細(xì)胞中穩(wěn)定存在并表達(dá)。載體DNA通常具有以下特點(diǎn)：能夠在宿主細(xì)胞中復(fù)制具有一個(gè)或多個(gè)限制性內(nèi)切酶的識別位點(diǎn)含有選擇標(biāo)記基因，以便篩選含有載體的細(xì)胞質(zhì)粒質(zhì)粒是存在于細(xì)菌細(xì)胞中的一種小型環(huán)狀雙鏈DNA分子，能夠獨(dú)立于細(xì)菌染色體進(jìn)行復(fù)制。質(zhì)粒通常攜帶有編碼特定功能的基因，例如抗生素抗性基因、毒素基因等。在基因工程中，質(zhì)粒被廣泛用作載體，用來將外源基因?qū)胨拗骷?xì)胞中，從而實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)和遺傳操作。噬菌體噬菌體是一種病毒，可以感染細(xì)菌。噬菌體可以用來構(gòu)建基因工程載體。噬菌體載體具有以下優(yōu)點(diǎn):感染效率高包裝容量大易于分離純化人工染色體人工染色體（ArtificialChromosome）是基因工程中一種重要的載體系統(tǒng)，它可以容納更大的基因片段，并能穩(wěn)定地遺傳給下一代。人工染色體通常由人工合成的DNA序列組成，這些序列包含了染色體的基本結(jié)構(gòu)元件，例如著絲粒、端粒和復(fù)制起點(diǎn)?；驍U(kuò)增技術(shù)1體外擴(kuò)增利用DNA聚合酶將特定的DNA片段在體外進(jìn)行大量擴(kuò)增，得到大量目標(biāo)片段。2高效快速可以在短時(shí)間內(nèi)獲得大量目標(biāo)DNA，提高了實(shí)驗(yàn)效率，也為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供了充足的材料。3廣泛應(yīng)用廣泛應(yīng)用于基因克隆、基因診斷、分子進(jìn)化、法醫(yī)鑒定、病原體檢測等領(lǐng)域。PCR原理1模板DNA目標(biāo)DNA片段2引物與模板DNA互補(bǔ)配對3DNA聚合酶合成新DNA鏈4dNTPs構(gòu)建新DNA鏈的原料PCR步驟1變性加熱至94℃，使DNA雙鏈解開，形成單鏈。2退火溫度降低至50-65℃，引物與模板DNA單鏈結(jié)合。3延伸溫度升至72℃，DNA聚合酶以引物為起點(diǎn)，沿著模板鏈合成新的DNA鏈。PCR應(yīng)用基因診斷PCR技術(shù)可用于檢測特定基因的突變或缺失，從而診斷遺傳疾病。法醫(yī)鑒定PCR技術(shù)可用于對犯罪現(xiàn)場的DNA進(jìn)行分析，確定嫌疑人或受害者。親子鑒定PCR技術(shù)可用于確定孩子與父母之間的親子關(guān)系。病原體檢測PCR技術(shù)可用于檢測病原體，如細(xì)菌、病毒和寄生蟲。測序技術(shù)DNA測序DNA測序是指確定DNA序列的技術(shù)，即確定DNA鏈中每個(gè)堿基的順序。它是基因工程的核心技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和藥物研究等領(lǐng)域。測序原理測序技術(shù)主要基于對DNA片段進(jìn)行復(fù)制，并根據(jù)堿基的差異進(jìn)行識別和區(qū)分，最終確定DNA序列。DNA測序方法桑格測序法基于DNA聚合酶的鏈終止反應(yīng)，通過標(biāo)記不同堿基的末端來確定DNA序列。新一代測序技術(shù)高通量測序技術(shù)，能快速、準(zhǔn)確地對大量DNA片段進(jìn)行測序，提高了測序效率和成本效益。測序應(yīng)用科研DNA測序在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、法醫(yī)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于基因組研究、疾病診斷、育種改良、親子鑒定等。醫(yī)學(xué)用于疾病診斷、藥物研發(fā)、個(gè)性化醫(yī)療等。食品安全用于食品安全檢測、溯源、病原菌檢測等。基因轉(zhuǎn)移技術(shù)病毒載體利用病毒的感染特性將外源基因?qū)胨拗骷?xì)胞，例如逆轉(zhuǎn)錄病毒載體和腺病毒載體。顯微注射將外源基因直接注射到受精卵或胚胎細(xì)胞核中，是哺乳動(dòng)物基因轉(zhuǎn)移的主要方法之一?；驑尷酶邏簹怏w將包裹有外源基因的微彈體打入細(xì)胞，是植物基因轉(zhuǎn)移的主要方法之一。轉(zhuǎn)基因生物的制備1基因克隆獲取目標(biāo)基因2載體構(gòu)建將目標(biāo)基因插入載體3轉(zhuǎn)化將載體導(dǎo)入受體細(xì)胞4篩選選擇含有目標(biāo)基因的細(xì)胞5再生植株獲得轉(zhuǎn)基因生物轉(zhuǎn)基因生物的應(yīng)用農(nóng)業(yè)提高產(chǎn)量、抗病蟲害、抗除草劑等。醫(yī)藥