第6章第2节-基因工程及其应用(公开课)

生长快、肉质好的转基因鱼转鱼抗寒基因的番茄豆科植物的根瘤菌能够固定空气中的氮资料一：目前，全球的氮肥生产耗费世界总电力的3%-4%，且农作物只能吸收氮肥的1/10,造成了大面积土壤和水质的污染。蜘蛛能够吐出蛛丝资料二：蛛丝是自然界最奇特的物质之一，它具有极强的韧度，其韧度是同样直径钢材的好几倍。但与家蚕不同，蜘蛛不能家养，因为它们会互相吞食，所以不可能建立人工饲养蜘蛛的农场。30多年来，科学家们一直试图找到利用其他生物体来制造蛛丝的办法。资料三以往，治疗糖尿病的胰岛素是从动物胰腺中提取的，从100千克猪、牛等动物的胰腺只能提取3－4克胰岛素，治疗一个患者需宰杀40－50头牛，这种药物的造价就可想而知了。微生物可以有分泌产物，且繁殖速率快设想一能否让禾本科的植物也能够固定空气中的氮？能否让细菌“吐出”蛛丝？设想二能否让微生物产生出人的胰岛素、干扰素等珍贵的药物？设想三经过多年的努力，科学家于20世纪70年代创立了可以定向改造生物的新技术——基因工程。基因工程概念：原理：操作水平：又叫做基因拼接技术或DNA重组技术。通俗的说，就是按照人们的意愿，把一种生物的某种基因提取出来，加以修饰改造，然后放到另一种生物的细胞里，定向地改造生物的遗传性状。基因重组DNA分子水平基本工具：基因的“剪刀”—限制性核酸内切酶基因的“针线”—DNA连接酶基因的运载体—质粒、噬菌体、动植物病毒操作环境：生物体外1.基因的“剪刀”──限制性核酸内切酶分布：主要在原核生物中切点：磷酸二酯键一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列在特定的切点上切割DNA分子作用特点：专一性限制性内切酶（EcoRⅠ）作用过程什么叫黏性末端？GCTTAAAATTCG黏性末端黏性末端被限制酶切开的DNA两条单链的切口，带有几个伸出的核苷酸，他们之间正好可以互补配对，这样的切口叫黏性末端。２、基因的针线──DNA连接酶将脱氧核糖和磷酸交替连接而成的DNA骨架上的缺口“缝合”起来。连接位点：作用特点：磷酸二酯键GCTTAAAATTCGDNA连接酶的作用过程点击播放基因的针线：DNA连接酶GAATTCCTTAAGGAATTCCTTAAGGCTTAAAATTCGGCTTAAAATTCGGCTTAAAATTCG用同种限制酶切割DNA连接酶连接的是DNA骨架上的缺口，不是碱基间的氢键3、基因的运输工具——运载体常用的运载体：质粒、噬菌体和动植物病毒等质粒的结构，分布和特点结构：拟核或细胞核外的很小的环状DNA分子分布：许多细菌以及酵母菌等生物的细胞中特点：在宿主细胞中能够自主复制、具有标记基因。3、基因的运输工具——运载体1）对宿主细胞无害并能够在宿主细胞中复制和稳定地保存。2）具多个限制酶切点，以便与外源基因连接。3）具有某些标记基因，便于进行筛选。如抗菌素的抗性基因、产物具有颜色反应的基因等。讨论：作为运载体必须具备哪些条件？讨论：如何培育能产生人胰岛素的转基因大肠杆菌讨论：如何培育能产生人胰岛素的转基因大肠杆菌人体组织细胞提取胰岛素基因与运载体拼接导入大肠杆菌(含胰岛素基因)转基因大肠杆菌(能分泌胰岛素)如何将胰岛素基因从人体细胞内提取出来？如何将胰岛素基因与运载体连接？如何将胰岛素基因导入大肠杆菌细胞？如何检测实验是否成功？目的基因如何将胰岛素基因从人体细胞内提取出来？↓提取目的基因的工具：限制性核酸内切酶提取目的基因的方法：直接分离法：鸟枪法人工合成法：逆转录法化学合成法第一步：提取目的基因提取目的基因的方法用限制酶切断成许多片段⑴直接分离基因——鸟枪法将供体生物的DNA用限制酶切割为许多片段，再用运载体将这些片段都运载到受体生物的不同细胞中去。只要有一个细胞获得了需要的目的基因并得以表达，基因工程就算成功了。该法最大的缺点是带有很大的盲目性，工作量大，成功率低。且不能将真核生物的基因转移到原核生物中去。⑵人工合成基因法DNA合成仪有两种方法：①逆转录法：以信使RNA为模板，在逆转录酶的作用下利用脱氧核苷酸合成DNA(基因)。②化学合成法：根据蛋白质的氨基酸顺序推算出信使RNA核糖核苷酸顺序，再据此推算出基因DNA的脱氧核苷酸顺序。用游离脱氧核苷酸直接合成相应的基因。用与提取目的基因相同的限制酶切割质粒使之出现一个切口，将目的基因插入切口处，让目的基因的黏性末端与切口上的黏性末端互补配对后，在DNA连接酶的作用下连接形成重组DNA分子（重组质粒）。第二步：目的基因与运载体结合第三步：将目的基因导入受体细胞常用的受体细胞：有大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母菌和动植物细胞等。导入微生物细胞：导入植物细胞：导入动物细胞：感受态法农杆菌转化法显微注射法第四步：目的基因的检测和鉴定直接检测目的基因检测检测是否翻译出蛋白质检测是否转录出mRNADNA分子杂交技术分子水平抗原抗体杂交鉴定个体水平抗虫鉴定抗病鉴定活性鉴定等为什么基因工程能够成功呢？基因拼接的理论基础：规则的双螺旋结构基本单位都是脱氧核苷酸遵循碱基互补配对原则外源基因在受体内表达的理论基础：生物界共用一套遗传密码转基因抗虫棉花转入苏云金杆菌的一个抗虫基因，是中国目前最主要的转基因作物1、基因工程与作物育种转黄瓜抗青枯病基因的甜椒转鱼抗寒基因的番茄转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯不会引起过敏的转基因大豆1、基因工程与作物育种运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的农作物及畜、禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的动、植物。乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷)生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼(中国)1、基因工程与作物育种导入贮藏蛋白基因的超级羊和超级小鼠导入人基因具特殊用途的猪和小鼠超级动物特殊动物我国生产的部分基因工程疫苗和药物⑴基因工程药品的生产许多药品的生产是从生物组织中提取的。受材料来源限制产量有限，其价格往往十分昂贵。微生物生长迅速，容易控制，适于大规模工业化生产。若将生物合成相应药物成分的基因导入微生物细胞内，让它们产生相应的药物，不但能解决产量问题，还能大大降低生产成本。2、基因工程在医学上的应用胰岛素从猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素！使其价格降低了30%-50%!⑴基因工程药品的生产通过基因工程的方式创造了能合成人干扰素的大肠杆菌，每1Kg的培养液可提取20—4０mg干扰素。干扰素治疗病毒感染简直是“万能灵药”！过去从人血中提取，300L血才提取1mg！其“珍贵”程度自不用多说。⑴基因工程药品的生产基因工程人干扰素α-2b（安达芬），是我国第一个全国产业化基因工程。安达芬具有抗病毒，抑制肿瘤细胞增生，调节人体免疫功能的作用，广泛用于病毒性疾病治疗和多种肿瘤的治疗，是当前国际公认的病毒性疾病治疗的首选药物和肿瘤生物治疗的主要药物。⑴基因工程药品的生产人造血液、白细胞介素、乙肝疫苗等通过基因工程实现工业化生产，均为解除人类的病苦，提高人类的健康水平发挥了重大的作用。人造血液及其生产⑴基因工程药品的生产（2）基因诊断——DNA探针概念：是用已知序列的DNA或RNA片段作为探针与待测样品的DNA或RNA序列进行核酸分子杂交，用于对待测核酸样品中特定基因顺序的探测，是基因诊断最基本的技术之一。条件：（1）必须是单链；（2）带有容易被检测出来的标记物。原理：DNA分子杂交（碱基互补配对）（2）基因诊断——生物芯片从正常人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出标准图谱；从病人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出病变图谱通过比较、分析这两种图谱，就可以得出病变的DNA信息。基因芯片诊断技术以其快速、高效、敏感、经济、平行化、自动化等特点，将成为一项现代化诊断新技术。基因治疗——用正常的基因取代或修补病人细胞中有缺陷的基因，从而达到治疗疾病的目的我国研究人员正在制备用于基因治疗的基因工程细胞（3）基因治疗1990年9月14日，安德森对一例患ADA（腺苷脱氨酶）缺乏症的4岁女孩进行基因治疗。这个4岁女孩由于遗传基因有缺陷，自身不能生产ADA，先天性免疫功能不全，只能生活在无菌的隔离帐里。他们将这个女孩的白血球进行基因改造，使有缺陷的基因被健康的基因替代，然后把含正常白血球的溶液输入她左臂的一条静脉血管中。在以后的10个月内她又接受了7次这样的治疗，同时也接受酶治疗。后来，她的免疫功能日趋健全，能够走出隔离帐，过上了正常人的生活，并进入普通小学上学。⑴环境监测：基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。1t水中只有10个病毒也能被DNA探针检测出来3、基因工程与环境保护利用基因工程培育的“指示生物”能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。⑵环境污染治理：基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程培育成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。阅读课本Ｐ１０５讨论：转基因食品安全吗？五、转基因生物和转基因食品的安全性转基因植物的安全性争论支持派认为：如果转基因农业生物技术得不到社会支持，这一研究将被扼杀，并且强调，迄今为止并没有发现转基因食品危害人体健康和环境的确切证据。美国人食用转基因食品已多年，超级市场上有4000多种商品是含有转基因植物成分的，还没有事例证明人吃了以后会得病，甚至会引起死亡。加拿大、澳大利亚也是转基因食品的生产大国，均有几千万人在吃，到现在为止也没有—个案例说明它有问题。反对派的观点一英国科学家声称，转基因马铃薯会减弱老鼠免疫系统功能；美国康乃尔大学也发现，转基因玉米会危害蝴蝶幼虫及其相关生态环境。环保团体认为这种违反自然的转基因作物及产品，未经长期安全测试，长期食用可能对人类及生态环境造成负面影响。尤其是注重环境和生态保护的欧盟国家，对转基因作物更加排斥，因而抵制美国GMO产品的进口。我国•2001年5月，国务院公布《农业转基因生物安全管理条例》，对农业转基因生物的研究和试验、生产和加工、经营和进出口等作了具体规定。•2001年6月6日，国务院公布的《农业转基因生物安全管理条例》规定，不得销售未标识的农业转基因生物，其标识应注明产品中含有转基因成分的主要原料名称；有特殊销售范围的还应注明并在指定范围内销售。几种常见育种方法的比较育种方法杂交育种单倍体育种多倍体育种诱变育种基因工程育种基本原理方法优点缺点实例作业：杂交→自交→选优基因重组不同个体的优良性状可集中到同一个个体上育种时间长，需及时发现优良性状杂交水稻中国荷斯坦牛花药离体培养、秋水仙素诱导加倍染色体变异明显缩短育种年限，后代一般都为纯种技术复杂，成本高普通小麦花药离体培养秋水仙素处理萌发的种子、幼苗染色体变异植物茎杆粗壮，果实、种子大，营养高发育延迟，结实率低无籽西瓜物理或化学方法处理动植物、微生物基因突变提高变异频率，大幅度改良某些性状，加速育种进程有利变异少，需要处理大量实验材料，具有不确定性青霉菌高产菌株的培育黑农五号大豆基因重组将一种生物特定基因转移到另一种生物体内染色体变异定向地改造生物的遗传性状可能引起生态危机，技术难度大转基因抗虫棉⒈要使目的基因与对应的载体重组，所需的两种酶是()①限制酶②DNA连接酶③解旋酶④还原酶Ａ．①②Ｂ．③④Ｃ．①④Ｄ．②③2.基因工程的正确操作步骤是（）①使目的基因与运载体结合②将目的基因导入受体细胞③检测目的基因的表达是否符合特定性状要求④提取目的基因Ａ．③②④①Ｂ．②④①③Ｃ．④①②③Ｄ．③④①②3.实施基因工程的第一步的一种方法是把所需的基因从供体细胞内分离出来，这要利用限制性内切酶。一种限制性内切酶能识别ＤＮＡ分子的ＧＡＡＴＴＣ顺序，切点在Ｇ和Ａ之间，这是利用了酶的（）Ａ．高效性Ｂ．专一性Ｃ．多样性Ｄ．催化活性易受外界影响⒋采用基因工程的方法培育抗虫棉，下列导入目的基因的作法正确的是（）①将毒素蛋白注射到棉受精卵中②将编码毒素蛋白的Ｄ