专题一基因工程

专题1基因工程1．1DNA重组技术的基本工具1、基因工程的原理：基因工程是指按照人们的愿望，进行严格的设计，通过体外DNA重组和转基因，赋予生物以新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，因此又叫做DNA重组技术。2、限制性核酸内切酶——“分子手术刀”（1）切割DNA的工具是限制性核酸内切酶，又称限制酶。（2）这类酶在生物体内能将外来的DNA切断，即能够限制异源DNA的侵入并使之失去活力，但对自己的DNA却无损害作用，这样可以保持细胞原有的遗传信息。（3）由于这种切割作用是在DNA分子内部进行的，故名限制性核酸内切酶（简称限制酶）。（4）DNA分子经限制酶切割产生的DNA片段，末端通常有两种形式，即黏性末端和平末端。3、DNA连接酶——“分子缝合针”根据DNA连接酶的来源不同，可以将它分为两类：一类是从大肠杆菌中分离得到的，称为coliEDNA连接酶。coliEDNA连接酶只能将黏性末端连接起来，不能在双链DNA片段平末端之间进行；另一类是从T4噬菌体分离出来的，称为T4DNA连接酶。T4DNA连接酶既可以“缝合”双链DNA片段互补的黏性末端，又可以“缝合”双链DNA片段的平末端，但连接平末端之间的效率比较低。4、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”（1）基因操作过程中使用载体两个目的：一是用它作为运载工具，将目的基因转移到宿主细胞中去；二是利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量的复制。（2）现在通常使用的载体是质粒，它是一种相对分子质量较小、独立于拟核DNA之外的环状DNA，有的细菌中有一个，有的细菌中有多个。（3）质粒通过细菌间的接合由一个细菌向另一个细菌转移，可以自我复制，也可整合细菌拟核DNA中，随着拟核DNA的复制而复制。（4）其他载体还有λ噬菌体的衍生物和动植物病毒等。（5）作为载体必须具备以下条件：能够在宿主细胞中复制并稳定地保存，至少具有一个限制酶切点，以便与外源基因连接；具有某些标记基因，便于进行筛选，如对抗菌素的抗性基因、产物具有颜色反应的基因等。1．2基因工程的基本操作程序一、目的基因的获取：1．目的基因：符合人们需要的，编码蛋白质的基因。2．获取目的基因的方法(1)从基因文库中获取目的基因①基因文库：将含有某种生物不同基因的许多DNA片段，导人受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同基因，称为基因文库。基因组文库：含有一种生物的全部基因cDNA文库：含有一种生物的部分基因③目的基因的获取根据基因的有关信息：基因的核苷酸序列、基因在染色体上的位置、基因的转录产物mRNA、基因的表达产物蛋白质等特性获取目的基因。(2)利用PCR技术扩增目的基因。①PCR：是一项在生物体外复制特定DNA片段的核酸合成技术。②条件：已知目的基因的核苷酸序列。②种类③过程：目的基因DNA受热形成DNA单链，与引物结合，然后在热稳定DNA聚合酶（Taq酶）___的作用下进行延伸形成DNA。④方式：指数扩增=2n(n为扩增循环的次数)(3)人工合成法：基因较小，核苷酸序列已知，可以人工合成。二、基因表达载体的构建1．表达载体的组成：目的基因+启动子+终止子+标记基因等。2．启动子：位于基因的首端，它是RNA聚合酶识别和结合的部位，驱动基因转录产生mRNA。3．终止子：位于基因的尾端，终止转录。4．表达载体的功能：使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且遗传给下一代；使目的基因表达____和发挥作用。5．标记基因：鉴别受体细胞是否含有目的基因。6．不同的受体细胞及目的基因导入受体细胞的方法不同，基因表达载体的构建上也会有所差别。三、将目的基因导入受体细胞(一)转化：目的基因进人受体细胞内，并在受体细胞内维持稳定和表达的过程。(二)方法1．将目的基因导入植物细胞(1)农杆菌转化法①农杆菌特点：易感染双子叶植物和裸子植物植物和裸子植物，对___单子叶________植物没有感染力；Ti质粒的T-DNA可转移至受体细胞，并整合到受体细胞的染色体上。②转化：目的基因插人Ti质粒的T-DNA进入农杆菌→导入植物细胞→目的基因整合到植物细胞染色体上→目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达。(2)基因枪法基因枪法：是单子叶植物中常用的一种基因转化方法，但是成本较高。(3)花粉管通道法花粉管通道法：这是我国科学家独创的一种方法，是一种十分简便经济的方法。（我的的转基因抗虫棉就是用此种方法获得的）2．将目的基因导入动物细胞(1)方法：显微注射技术。(2)操作程序：目的基因表达载体提纯→取卵(受精卵)→显微注射→注射了目的基因的受精卵移植到__雌__性动物的__________输卵管或子宫_______________内发育→新性状动物。3．将目的基因导人微生物细胞(1)原核生物特点：繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少等。(2)转化：Ca2+处理细胞→感受态细胞→表达载体与感受态细胞混合→__感受态___细胞吸收DNA分子。四、目的基因的检测与鉴定1．检测(1)方法：标记了的目的基因的DNA片段或mRNA、抗原抗体杂交。(2)内容①检测转基因生物染色体的DNA是否插入。②检测目的基因是否转录。③检测目的基因是否翻译成。2．鉴定：鉴定、抗病鉴定等。1．3基因工程的应用一、植物基因工程的成果：植物基因工程技术主要用于提高农作物的能力，以及改良农作物的和利用植物生产等方面。（一）抗虫转基因植物1．杀虫基因种类：Bt毒蛋白基因、抑制剂基因、抑制剂基因、植物凝集素基因等。2．成果：抗虫植物：棉、玉米、马铃薯、番茄等。(二)抗病转基因植物1．植物的病原微生物：、真菌和细菌等。2．抗病基因种类(1)抗病毒基因：病毒基因和病毒的复制酶基因。(2)抗真菌基因：基因和抗毒素合成基因。(3)成果：烟草花叶病毒的转基因烟草和抗病毒的转基因小麦、甜椒、番茄等。(三)抗逆转基因植物1．抗逆基因：调节细胞基因使作物抗碱、抗旱；鱼的抗冻蛋白基因使作物耐寒；抗除草剂基因，使作物抗除草剂。2．成果：烟草、大豆、番茄、玉米等。(四)转基因改良植物品质1．优良基因：必需氨基酸的蛋白质编码基因、控制番茄果实成熟基因和植物花青素代谢有关的基因。2．成果：转基因玉米、转基因延熟番茄和转基因矮牵牛。二、动物基因工程的成果(一)提高动物的生长速度1．生长基因：外源基因。2．成果：转基因绵羊、转基因鲤鱼。(二)改善畜产品的品质1．优良基因：肠乳糖酶基因。2．成果：转基因牛含量少。(三)转基因动物生产药物1．基因来源：药用基因+蛋白基因+启动子。2．成果：乳腺生物反应器。(四)转基因动物作器官移植的供体1．器官供体：抑制或除去抗原决定基因。2．成果：利用克隆技术培育没有免疫排斥反应的猪器官。（五）基因工程药物1．来源：转基因。2．成果：人胰岛素、细胞因子、抗体、疫苗、激素等。三、基因治疗1．概念：把导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的。2．成果：将腺苷脱氢酶基因导入患者的淋巴细胞。1．4蛋白质工程的崛起一、蛋白质工程崛起的缘由：1、基因工程的实质：将一种生物的转移到另一处生物体内，后者产生它本不能产的，从而产生新性状。2．蛋白质工程目的：生产符合人们生活需要的并非自然界已存在的。二．蛋白质工程基本原理1．目标：根据人们对功能的特定需求，对结构进行分析设计。2．原理：基因改造。3．过程：预期蛋白质功能→设计结构→推测应有序列→找到对应的序列(基因)。三、蛋白质工程的进展和前景例如：科学家通过对的改造，已使其成为速效型药品；用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有、和的特点，因此有极为广阔的发展前景。【课后练习】1、如下材料：材料甲：科学家将牛生长激素基因导入小鼠受精卵在，得到了体型巨大的“超级小鼠”；科学家采用农杆菌转化法培育出转基因烟草。材料乙：T4溶菌酶在温度较高时易失去活性，科学家对编码T4溶菌酶的基因进行改造，使其表达的T4溶菌酶的第3位的异亮氨酸变为半胱氨酸，在该半胱氨酸与第97为的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，提高了T4溶菌酶的耐热性。材料丙：兔甲和兔乙是同一物种的两个雌性个体，科学家将兔甲受精卵发育成的胚胎移植到兔乙的体内，成功产出兔甲的后代，证实了同一物种的胚胎可在不同个体的体内发育。回答下列问题：（1）材料甲属于基因工程的范畴。将基因表达载体导入小鼠的受精卵中常用法。构建基因表达载体常用的工具酶有和。在培育转基因植物是，常用农杆菌转化发，农杆菌的作用是。（2）材料乙属于工程范畴。该工程是指以分子生物学相关理论为基础，通过基因修饰或基因合成，对进行改造，或制造一种的技术。在该实例中，引起T4溶菌酶空间结构改变的原因是组成该酶肽链的序列发生了改变。（3）材料丙属于胚胎工程的范畴。胚胎移植是指将获得的早期胚胎移植到种的、生理状况相同的另一个雌性动物体内，使之继续发育成新个体的技术。在资料丙的实例中，兔甲称为体，兔乙称为体。2、根据基因工程的有关知识，回答下列问题：（１）限制性内切酶切割ＤＮＡ分子后产生的片段，其末端类型有____________和____________。（２）质粒运载体用EcoRⅠ切割后产生的片段如下：为使运载体与目的基因相连，含有目的基因的DNA除可用EcoRⅠ切割外，还可用另一种限制性内切酶切割，该酶必须具有的特点是____________。（３）按其来源不同，基因工程中所使用的DNA连接酶有两类，即______DNA连接酶和_______DNA连接酶。（４）反转录作用的模板是____________，产物是____________。若要在体外获得大量反转录产物，常采用____________技术。（５）基因工程中除质粒外，____________和____________也可作为运载体。（６）若用重组质粒转化大肠杆菌，一般情况下，不能直接用未处理的大肠杆菌作为受体细胞，原因是____________。3、已知甲种农作物因受到乙种昆虫危害而减产，乙种昆虫食用某种原核生物分泌的丙种蛋白质后死亡。因此，可将丙种蛋白质基因转入到甲种农作物体内，使甲种农作物获得抗乙种昆虫危害的能力。回答下列问题：（1）为了获得丙中蛋白质的基因，在已知丙种蛋白质氨基酸序列的基础上，推测出丙中蛋白质的序列，据此可利用方法合成目的基因。获得丙中蛋白质的基因还可用、方法。（2）在利用上述丙中蛋白质基因和质粒载体构建重组质粒的过程中，常需使用酶和酶。（3）将含有重组质粒的农杆菌与甲种农作物的愈伤组织共培养，筛选出含有丙种蛋白质的愈伤组织，由该愈伤组织培养成的再生植株可抵抗的危害。（4）若用含有重组质粒的农杆菌直接感染甲种农作物植株叶片伤口，则该植株的种子__________（填“含有”或“不含”）丙种蛋白质基因。4、生物分子间的特异性结合的性质广泛用于生命科学研究。以下实例为体外处理“蛋白质-DNA复合体”获得DNA片段信息的过程图。据图回答：（1）过程①酶作用的部位是键，此过程只发生在非结合区DNA。过程②酶作用的部位是键。（2）①、②两过程利用了酶的特性。（3）若将得到的DNA片段用于构建重组质粒，需要过程③的测序结果与酶的识别序列进行对比，以确定选用何种酶。（4）如果复合体中的蛋白质为RNA酶聚合，则其识别、结合DNA序列为基因的。答案1、（1）显微注射法限制性核酸内切酶DNA连接酶农杆菌可感染植物，将目的基因转移到受体细胞中（2）蛋白质现有蛋白质新蛋白质氨基酸（3）同供体受体2、（１）平末端粘性末端（２）切割产生的DNA片段末端与EcoRⅠ切割产生的相同（３）大肠杆菌T4（４）mRNAcDNAPCR（５）噬菌体动植物病毒（６）未处理的大肠杆菌吸收质粒（外源DNA）的能量极弱3、（1）基因化学基因文库PCR（2）限制DNA连接（3）乙种昆虫（4）不含4、（1）磷酸二酯肽（2）专一（3）限制性核酸内切酶（4）启动子（或转录起始区）