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选修三现代生物科技专题2016一轮复习基因工程基因工程又叫DNA拼接技术或DNA重组技术该技术通过对有关DNA分子进行人工“剪切”和“拼接”,对生物的基因进行改造和重新组合,然后导入受体细胞,使重组基因在受体细胞内表达,从而创造出人类所需要的新的生物类型和基因产物。定向改造生物的遗传性状。一、基因工程的原理及技术基因工程的别名基因拼接技术或DNA重组技术操作环境生物体外操作对象基因操作水平DNA分子水平基本过程剪切→拼接→导入→表达结果人类需要的基因产物1、原理:2、技术:(1)基本工具限制性核酸内切酶-“分子手术刀”分布:主要在原核生物中特点:特异性,即识别特定核苷酸序列,切割特定切点结果:产生黏性未端或平末端举例:大肠杆菌的一种限制酶能识别GAATTC序列,并在G和A之间切开一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列,并在每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。(断开的不是氢键)EcoRⅠ黏性末端黏性末端SmaⅠ平末端平末端连接酶的作用是:将互补配对的两个末端连接起来,使之成为一个完整的DNA分子。(恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键)分子缝合针——DNA连接酶连接酶的分类根据酶的来源分:1.E.coliDNA连接酶:只能“缝合”DNA片段互补的黏性末端2.T4DNA连接酶:能“缝合”DNA片段互补的黏性末端和平末端DNA聚合酶和DNA连接酶有何相同点和不同点?DNA连接酶DNA聚合酶连接DNA链连接部位双链在两DNA片断之间形成磷酸二酯键单链将单个核苷酸加到已存在的核酸片断3’末端形成磷酸二酯键1.作用:将外源基因送入受体细胞2.条件:(1)能在宿主细胞内复制并稳定地保存(2)具有一个或多个限制酶切点(3)具有某些标记基因(4)载体必须安全,不会对受体细胞有害3.种类:质粒、噬菌体和动植物病毒基因的运输工具——运载体1.细胞染色体外能自主复制的小型环状DNA分子2.质粒是基因工程中最常用的运载体3.最常用的质粒是大肠杆菌的质粒4.存在于许多细菌及酵母菌等生物中5.质粒的存在对宿主细胞无影响常用载体-质粒的特点知识点一:1.原核细胞的基因结构非编码区非编码区编码区编码区上游编码区下游与RNA聚合酶结合位点启动子终止子启动子:能与RNA聚合酶结合并能起始mRNA合成的序列。没有启动子,基因就不能转录。终止子:它能阻碍RNA聚合酶的移动,并使其从DNA模板链上脱离下来,使转录终止。RNA聚合酶:能够识别启动子上的结合位点并与其结合的一种蛋白质.(以模板转录然后脱落)①不能转录为信使RNA,不能编码蛋白质。:能转录相应的信使RNA,能编码蛋白质编码区非编码区原核细胞的基因结构②有调控遗传信息表达的核苷酸序列,在该序列中,最重要的是位于编码区上游的RNA聚合酶结合位点。非编码区非编码区编码区编码区上游编码区下游启动子终止子编码区非编码区非编码区与RNA聚合酶结合位点内含子外显子能够编码蛋白质的序列叫做外显子不能够编码蛋白质的序列叫做内含子启动子终止子编码区上游编码区下游内含子:外显子:知识点一:2.真核细胞的基因结构二、基本步骤:第一步:目的基因的获取第二步:基因表达载体的构建第三步:将目的基因导入受体细胞第四步:目的基因的检测与鉴定基因工程的基本操作流程图反转录取出DNA用限制酶切断DNA目前被较广泛提取使用的目的基因有:苏云金杆菌抗虫基因、人胰岛素基因、人干扰素基因、种子贮藏蛋白基因、植物抗病基因等目的基因主要指编码蛋白质的结构基因第一步:目的基因的获取①从基因文库获取目的基因基因组文库(一种生物的所有基因)部分基因文库:如cDNA文库(部分基因)②利用PCR技术扩增目的基因原理:DNA双链复制的原理③通过DNA合成仪直接人工合成根据蛋白质的氨基酸顺序推算出信使RNA核苷酸顺序,然后按照碱激互补配对原则,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。某生物体内全部DNA许多DNA片段受体菌群体限制酶与运载体连接导入基因组文库cDNA反转录受体菌群体与运载体连接导入部分基因文库(cDNA文库)基因组DNA文库与cDNA文库的比较某种生物某个时期的mRNA※PCR技术扩增与DNA复制的比较PCR技术DNA复制相同点原理原料条件不同点解旋方式场所酶结果碱基互补配对四种脱氧核苷酸模板、能量、酶DNA在高温下变性解旋解旋酶催化体外复制细胞核内热稳定的DNA聚合酶细胞内的DNA聚合酶大量的DNA片段形成整个DNA分子小结:三种目的基因获取方法的前提条件1、从基因文库中获取:2、利用PCR:3、人工合成:适用于目的基因的序列为未知的情况适用于目的基因的核苷酸序列为已知的情况适用于目的基因不是很大且序列是已知的第二步:基因表达载体的构建目的: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1.用一定的_________切割质粒,使其出现一个切口,露出____________。2.用_____________切断目的基因,使其产生_________________。3.将切下的目的基因片段插入质粒的切口处,再加入适量___________,形成了一个重组DNA分子(重组质粒)限制酶黏性末端同一种限制酶的黏性末端DNA连接酶相同4.过程:质粒DNA分子一个切口两个黏性末端两个切口获得目的基因DNA连接酶重组DNA分子(重组质粒)限制酶处理同一种思考目的基因与运载体结合的结果可能有几种情况?1、目的基因与目的基因结合2、质粒与质粒结合3、目的基因与质粒结合。启动子终止子目的基因标记基因表达载体=目的基因+启动子+终止子+标记基因第三步:将目的基因导入受体细胞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(叫转化)。(唯一没有出现碱基互补配对的过程)将目的基因导入植物细胞农杆菌转化法(感染双子叶植物和裸子植物,对大多单子叶植物没有感染力)基因枪法(常用于单子叶植物)花粉管通道法(转基因抗虫棉)将目的基因导入动物细胞显微注射技术(“超级小鼠”)将目的基因导入微生物细胞导入大肠杆菌方法:先用Ca2+处理,使其转为感受态细胞。再将重组载体与感受态细胞混合。抗虫鉴定抗病鉴定活性鉴定等抗原-抗体杂交法DNA-RNA分子杂交法DNA分子杂交法受体是否具有转基因特征个体水平目的基因是否翻译目的基因是否转录目的基因是否导入分子水平方法检测对象第四步:目的基因的检测和鉴定(一)植物基因工程技术的应用1、提高农作物的抗逆能力(1)抗虫转基因植物抗虫基因的种类:4种三、基因工程的应用(2)抗病转基因植物抗病转基因植物所用的基因:①常用:病毒外壳蛋白基因和病毒的复制酶基因②抗真菌转基因植物中有:几丁质酶基因和抗毒素合成基因(3)其它抗逆转基因植物①抗盐碱、干旱的基因:调节细胞渗透压的基因②抗冻蛋白基因③抗除草剂基因2、改良农作物的品质富含赖氨酸的转基因玉米导入与植物花青素代谢有关的基因的矮牵牛3、利用植物生产药物(二)动物基因工程的应用1、用于提高动物生长速度(如:导入外源生长激素基因鲤鱼)2、用于改善畜产品的品质(如:将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组,使乳糖的含量大大减低)3、用转基因动物生产药物(如:转入人的a-抗胰蛋白基因的绵羊)4、用转基因动物作器官移植的供体(如:改造猪的器官)(三)基因工程药物(四)基因治疗是指是把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中,达到治疗疾病的目的。基因治疗包括:1、体外基因治疗2、体内基因治疗四、蛋白质工程(一)蛋白质工程崛起的缘由基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。这些天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的,它们的结构和功能符合特定物种生存的需要,却不一定完全符合人类生产和生活的需要。如:胰岛素、干扰素、生长素例子:干扰素在体外保存困难玉米中赖氨酸含量比较低将分子中的一个半胱氨酸转变成丝氨酸第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸第352位的苏氨酸变成异亮氨酸解除赖氨酸对酶活性的限制赖氨酸天冬氨酸激酶二氢吡啶二羧酸合成酶(二)蛋白质工程的基本原理1、概念:蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础,通过基因修饰或基因合成,对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质,以满足人类对生产和生活的需求。2、基本原理:(1)确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构→蛋白质应具备的折叠状态→应有的氨基酸序列→应有的碱基排列,创造自然界不存在的蛋白质。(2)其与基因工程的比较:基因工程是遵循中心法则,从DNA→mRNA→蛋白质→折叠产生功能,生产出自然界已有的蛋白质。3、蛋白质工程的进展和前景1、蛋白质工程的诞生是有其理论与技术条件的,它是随着分子生物学、晶体学以及计算机技术的发展而诞生的,与基因组学、蛋白质组学、生物信息学的发展等因素有关2、现状:成功的例子不多,主要是因为蛋白质发挥其功能需要依赖于正确的空间结构,而科学家目前对大多数蛋白质的空间结构了解很少。专题二、克隆技术一、植物的组织培养1、概念:植物组织培养就是在无菌和人工控制条件下,将离体的植物器官、组织、细胞,培养在人工配制的培养基上,给予适宜的培养条件,诱导其产生愈伤组织、丛芽,最终形成完整的植株。2、原理:具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞,都具有发育成完整生物体的潜能,也就是说,每个生物细胞都具有全能性的特点。3、过程:植物的花瓣(高度分化的组织)脱分化愈伤组织再分化小植株植物组织培养技术的流程简图:植物材料消毒接种到诱导培养基诱导出愈伤组织愈伤组织转接到继代培养基上可以不继代培养直接诱导分化得到大量的愈伤组织愈伤组织接种到分化培养基上分化出幼苗幼苗接种到生根培养基上若诱导出幼苗的同时也实现生根,可以省略生根培养基完整植株移栽到大田二、动物的细胞培养与体细胞克隆1、动物的细胞培养动物细胞培养概念:动物细胞培养:就是从动物机体中取出相关的组织,将它分散成单个细胞,然后,放在适宜的培养基中,让这些细胞生长和增殖。动物细胞培养过程取动物组织块剪碎组织用胰蛋白酶处理分散成单个细胞转入培养液中进行原代培养贴满瓶壁的细胞用胰蛋白酶处理分散成单个细胞,制成细胞悬液转入培养液中进行传代培养放入二氧化碳培养箱中培养动物细胞培养的条件1、无菌、无毒的环境2、营养(糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素、血清等)3、温度和PH值(温度为36~37,PH为7.2-7.4)4、气体环境(氧气和二氧化碳,氧气是细胞代谢所必需的,二氧化碳的主要作用是维持培养液的PH)动物细胞培养技术的应用大规模的生产有重要价值的生物制品为基因工程提供受体细胞检测有毒物质,判断毒性用于生理、病理、药理等方面的研究2、体细胞克隆高度分化的植物组织仍保持着全能性,但动物细胞与植物细胞不同,动物细胞的全能性会随着动物细胞分化程序的提高而逐渐受到限制,分化潜能逐渐变弱。因此,目前还不能用类似植物组织培养的方法获得完整的动物个体,用动物体细胞克隆的动物,实际是通过核移植来实现的。动物核移植的概念动物核移植是将动物的一个细胞的细胞核,移入一个已经去掉细胞核的卵母细胞中,使其重组并发育成一个新的胚胎,这个新的胚胎最终发育成一个动物个体。用核移植的方法得到的动物称为克隆动物。哺乳动物的核移植胚胎细胞核移植体细胞核移植体细胞核移植的过程体细胞核移植的应用前景1、畜牧业:利用体细胞克隆技术可以加速家畜遗传改良进程,促进优良畜群繁育2、保护濒危物种方面:利用体细胞核移植技术增加这些动物的存活数量3、医药卫生方面:转基因克隆动物可以作为生物反应器,生产许多珍贵的医用蛋白;转基因克隆动物细胞、组织和器官可以作为异种移植的供体;人的核移植胚胎干细胞经过诱导分化,形成相应的组织、器官后,可以用于组织器官的此外,研究克隆动物和克隆细胞可使人类更深入地了解胚胎发育及衰老过程;用克隆动物做疾病模型,能使人们更好的追踪研究疾病的发展过程和治疗疾病。三、细胞融合与单克隆抗体1、细胞融合技术动物细胞融合也称细胞杂交,是指两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程。融合后形成的具有两个或多个细胞遗传信息的
本文标题:一轮基因工程
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