2014年高二生物人教版选修三同步课件 1.2 基因工程的基本操作程序

退出目录1.2基因工程的基本操作程序退出目录课前预习导学目标导航学习目标重点难点1.简述基因工程原理及基本操作程序。2.记住目的基因导入受体细胞的方法。3.理解目的基因检测与鉴定的方法。重点:基因工程基本操作程序的四个步骤。难点:1.从基因文库中获取目的基因。2.利用PCR技术扩增目的基因。退出目录预习导引基因工程的基本操作程序主要包括四个步骤:目的基因的获取、基因表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定。一、目的基因的获取1.目的基因主要是指编码蛋白质的基因。2.获取目的基因的常用方法有以下几种:(1)从基因文库中获取目的基因。将含有某种生物不同基因的许多DNA片段导入受体菌的群体中储存,各个受体菌分别含有这种生物不同的基因,称为基因文库。基因文库包括两种:基因组文库,即包含一种生物所有基因的文库;部分基因文库,即只包含一种生物一部分基因的文库,如cDNA文库。退出目录(2)利用PCR技术扩增目的基因。①PCR的含义:是一项在生物体外复制特定DNA片段的核酸合成技术。②目的:获取大量的目的基因。③原理:DNA双链复制。④过程:第一步,加热至90~95℃,DNA双链完全分开;第二步,冷却到55~60℃,引物结合到互补DNA链;第三步,加热至70~75℃,Taq酶从引物起始进行互补链的合成。如此重复循环多次。⑤特点:指数形式扩增。(3)用化学方法人工合成。如果基因比较小,核苷酸序列又已知,也可以通过DNA合成仪用化学方法直接人工合成。退出目录预习交流为什么要构建基因文库?直接从含目的基因的生物体内提取不行吗?提示:构建基因文库是获取目的基因的方法之一,并不是唯一的方式。如果所需要的目的基因序列已知,就可以通过PCR方式以含有该基因的生物的DNA双链为模板直接获得,也可以通过反转录,用PCR方式以mRNA为模板反转录出来的DNA为模板获得,不一定要构建基因文库。但如果所需要的目的基因的序列完全不知,或只知道目的基因序列的一段,或想从一种生物体内获得许多基因,或者想知道这种生物与另一种生物之间有多少基因不同,或者想知道一种生物在个体发育的不同阶段表达的基因有什么不同,或者想得到一种生物的全基因组序列,往往就需要构建基因文库。退出目录二、基因表达载体的构建1.构建目的:使目的基因在受体细胞中稳定存在,并且可以遗传给下一代,同时,使目的基因能够表达和发挥作用。2.基因表达载体的组成:目的基因、启动子、终止子、标记基因等。3.由于受体细胞不同,以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也有所差别。三、将目的基因导入受体细胞1.转化的概念:目的基因进入受体细胞内,并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。退出目录2.常用的转化方法:(1)将目的基因导入植物细胞:采用最多的方法是农杆菌转化法,除此之外,还有基因枪法和花粉管通道法等。(2)将目的基因导入动物细胞:最常用的方法是显微注射技术。此方法的受体细胞多是受精卵。(3)将目的基因导入微生物细胞:早期的基因工程都用原核生物作为受体细胞,其中以大肠杆菌应用最为广泛。大肠杆菌细胞最常用的转化方法是:先用Ca2+处理细胞,使其成为感受态细胞,再将重组表达载体DNA分子溶于缓冲液中与感受态细胞混合,在一定的温度下促进感受态细胞吸收DNA分子,完成转化过程。退出目录预习交流从细胞器的功能上分析,若通过基因工程生产人的糖蛋白,可以用大肠杆菌作受体细胞吗?提示:不可以。糖蛋白上的糖链是在内质网和高尔基体上加工完成的,而内质网和高尔基体存在于真核细胞中,大肠杆菌是原核生物,细胞中不含有这两种细胞器。四、目的基因的检测与鉴定1.首先要检测转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因,方法是采用DNA分子杂交技术。2.其次还要检测目的基因是否转录出了mRNA,方法是采用标记的目的基因作探针与mRNA杂交。3.最后检测目的基因是否翻译成蛋白质。方法是从转基因生物中提取蛋白质,用相应的抗体进行抗原—抗体杂交。4.有时还需进行个体生物学水平的鉴定。如转基因抗虫植物是否出现抗虫性状。退出目录课堂合作探究问题导学一、目的基因的获取活动与探究1.什么是目的基因?提示:目的基因主要是指编码蛋白质的基因。2.基因组文库和部分基因文库有什么区别?提示:基因组文库包含一种生物的全部基因,部分基因文库只包含一种生物的一部分基因。3.怎样从基因文库中得到我们所需的目的基因呢?提示:根据目的基因的有关信息,例如,根据基因的核苷酸序列、功能、在染色体上的位置、转录产物mRNA以及翻译产物蛋白质等特性来获取目的基因。退出目录4.PCR技术的原理和做法是怎样的?提示:PCR技术是利用DNA双链复制的原理,在体外复制特定DNA片段的核酸合成技术。其做法是:使目的基因受热变性后解链为单链,引物与单链相应互补序列结合,然后在DNA聚合酶作用下进行延伸,如此重复多次。由于延伸后得到的产物同样可以和引物结合,因此每次循环后目的基因的量可以增加一倍。5.什么是引物?它在PCR技术中的作用是什么?提示:引物是一小段DNA或RNA,它能与DNA母链的一段碱基序列互补配对。DNA是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链构成的。在DNA扩增时,DNA聚合酶不能从头开始合成DNA,而只能从3'端(DNA的羟基末端)延伸DNA链。当引物与DNA母链通过碱基互补配对结合后,DNA聚合酶就能从引物的3'端开始延伸DNA链,从而使DNA的合成方向总是从子链的5'端(磷酸基团末端)向3'端延伸。6.什么样的基因适合用DNA合成仪直接人工合成?提示:基因比较小,核苷酸序列已知。退出目录迁移与应用PCR技术扩增DNA,需要的条件是()。①目的基因②ATP③四种脱氧核苷酸④RNA聚合酶⑤mRNA⑥核糖体⑦Taq酶⑧引物A.①②③④B.①②③④⑤C.①③④⑧D.①③⑦⑧解析:PCR技术扩增目的基因与DNA复制过程有区别。PCR技术所用的酶是Taq酶;原料是四种脱氧核苷酸;需要目的基因作为模板;需要引物;不需要ATP。答案:D退出目录DNA复制与PCR技术比较DNA复制PCR技术解旋方式解旋酶催化DNA在高温作用下变性解旋场所细胞内(主要在细胞核内)在PCR扩增仪内酶DNA解旋酶、普通的DNA聚合酶等耐热的DNA聚合酶(Taq酶)温度条件细胞内温和条件需控制温度,在较高温度下进行合成的对象DNA分子DNA片段或基因联系①模板:均需要脱氧核苷酸链作为模板进行物质合成②原料:均为四种脱氧核苷酸③酶:均需要DNA聚合酶进行催化④引物:均需要引物,使DNA聚合酶从引物的3'端开始连接脱氧核苷酸退出目录二、基因表达载体的构建活动与探究1.基因工程的核心是哪一步操作?其目的是什么?提示:基因表达载体的构建是基因工程的核心,其目的是使目的基因在受体细胞中稳定存在,并且可以遗传给下一代,同时,使目的基因能够表达和发挥作用。退出目录2.下图是基因表达载体模式图,请回答下列问题。基因表达载体模式图(1)分别写出①②③④⑤各代表什么。提示:①启动子,②终止子,③标记基因(抗生素抗性基因),④复制原点,⑤目的基因(插入基因)。退出目录(2)上图中①②③各有什么作用?提示:①启动子:一段有特殊结构的DNA片段,位于基因首端,是RNA聚合酶识别和结合的部位,负责驱动目的基因转录出mRNA。②终止子:起终止转录的作用。③标记基因(抗生素抗性基因):作用是检测受体细胞中是否有目的基因,并将含有目的基因的细胞筛选出来。(3)启动子和终止子与起始密码和终止密码是一回事吗?提示:不是一回事,启动子和终止子位于DNA上,是基因表达必需的部分。而起始密码和终止密码位于mRNA上,决定翻译的开始和结束。退出目录迁移与应用下列关于对基因表达载体构建的一些说法,不正确的是()。A.需要限制酶和DNA连接酶参与B.基因表达载体中含有启动子和终止密码子C.通常用抗生素抗性基因作为标记基因D.基因表达载体的构建是基因工程的核心解析:基因表达载体的构建关系到目的基因在受体细胞中能否表达,它是基因工程的核心,它的构建需要限制酶和DNA连接酶参与,它的结构应由启动子、目的基因、终止子、标记基因等组成,终止密码子是指位于mRNA上的不编码蛋白质的三个相邻碱基,是翻译结束的位点,而终止子是位于DNA上三个相邻的碱基,它是转录结束的位点。答案:B退出目录基因表达载体的构建方法退出目录三、将目的基因导入受体细胞活动与探究1.什么叫转化?提示:目的基因进入受体细胞内,并在受体细胞内维持稳定和表达的过程称为转化。2.农杆菌转化法利用了农杆菌的什么特性?提示:农杆菌中的Ti质粒上的TDNA(可转移的DNA)可转移至受体细胞,并且整合到受体细胞的染色体DNA上。3.将目的基因导入动物细胞时,应选择哪类动物细胞作为受体细胞?提示:多选择受精卵细胞作为受体细胞。4.早期的基因工程操作都用原核生物作为受体细胞,为什么?提示:原核生物具有一些其他生物没有的特点,如繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少等。退出目录将目的基因导入受体细胞的方法比较受体细胞方法植物细胞(体细胞或受精卵)①农杆菌转化法:目的基因插入Ti质粒的TDNA→农杆菌→导入植物细胞→稳定维持和表达②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: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动物细胞(受精卵)显微注射法:含有目的基因的表达载体提纯→取卵(受精卵)→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的动物微生物细胞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→目的基因随受体细胞的繁殖而复制退出目录四、目的基因的检测与鉴定活动与探究1.目的基因能否在真核生物中稳定遗传的关键是什么?如何检测?提示:目的基因是否插入受体细胞的染色体DNA上,这是其能否在真核生物中稳定遗传的关键。检测方法是采用DNA分子杂交技术。2.什么是基因探针?如何检测目的基因是否开始发挥功能?提示:基因探针是用放射性同位素标记的目的基因的DNA片段。从转基因生物中提取mRNA,用标记的目的基因作探针,与mRNA杂交,如果显示出杂交带,则表明目的基因转录出了mRNA,意味着目的基因开始发挥功能。3.检测目的基因是否翻译出蛋白质的方法是什么?其原理是什么?提示:抗原—抗体杂交法。原理是抗原能与相应抗体特异性结合。4.举例说明进行个体生物学水平的鉴定方法有哪些?提示:如做抗虫或抗病的接种实验,以确定是否有抗性以及抗性的程度;基因工程产品与天然产品的功能进行活性比较,以确定转基因产品的功能性是否与天然产品相同等。退出目录迁移与应用利用外源基因在受体细胞中表达,可生产人类所需的产品。下列选项中能说明目的基因完成表达的是()。A.棉花细胞中检测到载体上的标记基因B.山羊乳腺细胞中检测到人生长激素的基因C.大肠杆菌中检测到人胰岛素基因的mRNAD.酵母菌细胞中提取到人的干扰素解析:基因的表达即控制蛋白质的合成,包括转录和翻译,仅仅转录出mRNA还不能叫表达,只有合成了相应的蛋白质才能证明目的基因完成了在受体细胞中的表达。答案:D退出目录目的基因的检测内容和方法的比较类型步骤检测内容方法结果显示分子检测第一步目的基因是否进入受体细胞DNA分子杂交(DNA和DNA之间)是否成功显示出杂交带第二步目的基因是否转录出mRNA分子杂交技术(DNA和mRNA之间)同上第三步目的基因是否翻译出蛋白质抗原—抗体杂交同上个体生物学水平鉴定包括做抗虫或抗病的接种实验,以确定是否有抗性以及抗性的程度;基因工程产品需要与天然产品的功能进行活性比较,以确定功能活性是否相同等退出目录当堂检测退出目录1.下列各项中,不属于目的基因与载体结合过程的是()。A.用一定的限制酶切割质粒露出黏性末端B.用同种限制酶切割目的基因露出黏性末端C.将切下的目的基因的片段插入质粒切口处D.将重组DNA导入受体细胞中进行扩增解析:将重组DNA导入受体细胞中进行扩增属于基因工程的第三个步骤:将目的基因导入受体细胞。答案:D退出目录2.目的基因导入受体细胞后,是否可以稳定维持和表达其遗传特性