基因工程及其应用 新人教版选修3

作者:河南省示范高中项城二高生物组王荐锋能发光的水母不能发光的热带斑马鱼能否能否让热带鱼也能发光?设想能发荧光的热带斑马鱼普通热带斑马鱼是不发荧光的抗虫害的玉米抗虫棉能产生人胰岛素的大肠杆菌从大肠杆菌说起－－胰岛素胰岛素每100kg猪或牛的胰腺中提取4~5g胰岛素1979年，利用大肠杆菌的DNA分子重组，2000L培养液提取100g，相当于2吨猪胰腺中提取的量从大肠杆菌说起－－干扰素干扰素一千克纯的干扰素价值可达440亿美元。传统生产方法：血液中提出白细胞，然后用病毒去感染它，这时会产生干扰素，1个细胞最多生产100~1000个干扰素分子基因工程：改造的大肠杆菌发酵生产：一天内便可生产20万个干扰素分子。1KG培养物中可以得到20~40mg干扰素思考：1、为什么能把一种生物的基因“嫁接”到另一种生物上？2、推测这种“嫁接”怎样能实现？3、这种“嫁接”对品种的改良有什么意义？提示：此节“问题探讨”以基因工程菌的实例，希望大家思考基因工程的原理。如不同生物的DNA在结构上的统一性、几乎所有的生物都共用一套遗传密码等。什么叫基因工程?基因工程的基本操作步骤有哪些?归纳出科学家实施基因工程的总体思路。阅读教材P102，解决以下问题：一、基因工程原理基因工程又叫做基因拼接技术或DNA重组技术。通俗地说，就是按照人们的意愿，把一种生物的个别基因复制出来，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（目的）。原理：操作水平：结果：目的基因供体细胞受体细胞基因重组DNA分子水平定向地改造生物的遗传性状，获得人类所需要的品种。获得新性状提取培育转基因大肠杆菌的简要过程你认为上述培育转基因大肠杆菌的关键步骤有哪些？普通大肠杆菌(不能分泌胰岛素)人体组织细胞胰岛素基因与运载体DNA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)培育转基因大肠杆菌的关键步骤1.ONE胰岛素基因从人体细胞内提取出来2.TWO胰岛素基因与运载体DNA连接3.THREE胰岛素基因导入受体(大肠杆菌)细胞基因的“剪刀”基因的“针线”基因的运载体基因的剪刀—限制性内切酶（简称限制酶）（一）基因操作的工具限制酶是在生物体(主要是微生物)内的一种酶，能将外来的DNA切断，由于这种切割作用是在DNA分子内部进行的，故名限制性内切酶。特点：专一性。即一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并且能在特定的切点上切割DNA分子。大肠杆菌(EcoRI)的一种限制酶能识别GAATTC序列，并在G和A之间切开。限制酶CTTCATGAATTCCCTAAGAAGTACTTAAGGGATTGGCATCTTAAAATTCCGTAG练习使用EcoRI剪切目的基因CTTCATGAATTCCCTAAGAAGTACTTAAGGGATTGGCATCTTAAAATTCCGTAG目的基因黏性末端什么叫黏性末端？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，他们之间正好互补配对，这样的切口叫黏性末端。基因的针线——DNA连接酶（二）基因操作的工具DNA连接酶可把黏性末端之间的缝隙“缝合”起来，即把梯子两边扶手的断口连接起来，这样一个重组的DNA分子就形成了。磷酸二酯键使用DNA连接酶制作重组DNA分子甲片段CTTCATGAATTCCCTAAGAAGTACTTAAGGGATT乙片段GGCATCTTAAAATTCCGTAG重组DNA分子GGCATCTTAAAATTCCGTAG（二）基因操作的工具导入过程需要运输工具——运载体。运载体的作用有哪些？作用一：作为运载工具，将外源基因(抗虫基因)转移到受体细胞(棉花细胞)中去。作用二：利用运载体在受体细胞(棉花细胞)内，对外源基因(抗虫基因)进行大量复制。外源基因(如抗虫基因)怎样才能导入受体细胞(如棉花细胞)？基因的运载工具——运载体：常用的运载体主要有两类：1）细菌细胞质的质粒2）噬菌体或某些动植物病毒质粒：质粒是染色体外能够进行自主复制的遗传单位，包括真核生物的细胞器和细菌细胞中核区外的DNA分子。现在习惯上用来专指细菌、酵母菌和放线菌等生物中核以外的DNA分子。质粒是基因工程最常用的运载体。绝大多数细菌质粒都是闭合环状DNA分子。有的一个细菌中有一个，有的一个细菌中有多个。大肠杆菌的质粒最常用的质粒是大肠杆菌的质粒，其中常含有抗药基因，如四环素的标记基因。质粒的存在与否对宿主细胞生存没有决定性作用，但复制只能在宿主细胞内成。运载体应该具有什么特点呢?DNAlinking-enzymerestrictionendonucleaseDNAlinking-enzyme胰岛素基因运载体1.能够在宿主细胞内复制并稳定保存；2.具有多个限制酶切点以便与外源基因相连；3.具有标记基因，便于进行筛选．四个基本步骤：（三）基因操作的基本步骤1）提取目的基因2）目的基因与运载体结合3）将目的基因导入受体细胞4）目的基因的检测和表达目的基因（三）基因操作的基本步骤目的基因是人们所需要转移或改造的基因。如苏云金芽孢杆菌的抗虫基因，还有植物的抗病（抗病毒、抗细菌）基因、种子贮藏蛋白的基因，以及人的胰岛素基因、干扰素基因等。直接分离基因人工合成基因目的基因的提取方法（三）基因操作的基本步骤目的基因与运载体重组1）用一定的限制酶切割质粒，使其出现一个切口，露出黏性末端。2）用同一种限制酶切断目的基因，使其产生相同的黏性末端。3）将切下的目的基因片段插入质粒的切口处，再加入适量DNA连接酶，形成了一个重组DNA分子（重组质粒）目的基因与运载体的结合过程，实际上是不同来源的基因重组的过程。（三）基因操作的基本步骤常用的受体细胞：有大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母菌和动植物细胞等。将目的基因导入受体细胞的原理借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。目的基因导入受体细胞（三）基因操作的基本步骤目的基因的检测和表达四环素抗性基因氨苄青霉素抗性基因（三）基因操作的基本步骤不能，受体细胞必须表现出特定的性状，才能说明目的基因完成了表达。受体细胞摄入DNA分子后就说明目的基因完成了表达吗？若不能表达，要对抗虫基因再进行修饰。二、基因工程的应用运用基因工程技术，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。生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼(中国)乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷)1、基因工程与作物育种基因工程在农业上的应用培育抗逆性品种将细菌的抗虫、抗病毒、抗除草剂、抗盐碱、抗干旱、抗高温等抗性基因转移到作物体内，将从根本上改变作物的特性。如转基因抗虫棉。抗虫基因作物的意义：减少农药的用量，降低了生产的成本，减少了农药对环境的污染。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转基因龙胆花色奇异转基因蓝猪耳改变花色转基因牵牛花改变了花色A：紫外光照射下的转绿色荧光蛋白的Eustoma(Lisianthus)花。B：转没有绿色荧光蛋白的空质粒的花，2002年，中国转基因棉花达到150万公顷，已经占到棉花产量的1／3.我国大豆食用油近七成是“转基因”产品与杂交育种、诱变育种相比较，基因工程育种的优点有哪些？目的性强、克服远源杂交不亲和性、育种周期短基因工程在畜牧业的应用繁殖具有抗病能力、高产仔率、高产奶率和高质量的皮毛等优良品质的转基因动物（如奶牛）。该过程的重要步骤是重组DNA转移到动物受精卵中。将人的生长激素基因和牛的生长素基因分别注射到小白鼠受精卵中，得到的“超级小鼠”。导入人基因具特殊用途的猪和小鼠特殊动物图为2001年12月底出生的5只可爱的转基因克隆小猪。据培育者英国PPL医疗公司称，这些转基因小猪将为研究和“生产”适用于人体移植手术使用的动物器官提供巨大的帮助。2、基因工程与药物研制我国生产的部分基因工程疫苗和药物用基因工程的方法生产胰岛素、干扰素、白细胞介素、凝血因子、以及预防乙肝、霍乱、伤寒、疟疾等的疫苗。提高生产产量、降低生产成本。1、微生物基因工程：2、细胞基因工程：3、转基因动物：即把目的基因导入大肠杆菌等菌中，通过微生物表达目的基因的产物。即用哺乳动物细胞株表达目的产物即将目的基因直接导入鼠、兔、羊和猪体内，使目的基因在哺乳动物体内表达，从儿获得目的产物产品名称菌株或细胞应用人胰岛素大肠杆菌人生长激素大肠杆菌表皮生长因子大肠杆菌白细胞介素-2大肠杆菌a—干扰素酵母菌乙型肝炎疫苗酵母菌溶血栓剂哺乳动物细胞治疗糖尿病治疗生长缺陷症治疗烫伤、胃溃疡治疗某些癌症治疗癌症或病毒感染预防病毒性肝炎治疗心血管病（心脏病）胰岛素是治疗糖尿病的特效药，长期以来只能依靠从猪、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！大规模工业化生产不但解决了这种比黄金还贵的药品产量问题，还使其价格降低了30%-50%!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。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3、基因工程与环境保护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。2006年3月14日绿色和平组织发布消息,称亨氏营养米粉含有转Bt基因抗虫水稻成分。那么转基因食品到底安全吗？什么样的转基因食品才能上市？如何面对市场上的转基因食品呢？三、转基因生物与转基因食品的安全性两种观点不安全：证据安全：证据安全观点：1、转基因食品与非转基因食品的构成是一样的；2、减少农药使用、减少环境污染；3、节省生产成本，降低粮食售价；4、增加食品营养、提高食品产量等。不安全观点：1、可能产生抗除草剂的超级杂草；2、可能使疾病的散播跨越物种障碍；3、可能损害农作物的生物多样性；4、认为创造新物种，可能干扰生态系统的稳定性；5、可能产生新毒素和新过敏源。（1）要将目的基因与运载体连接起来，在基因操作中应选用A、只需DNA连接酶B、同一种限制酶和DNA连接酶C、只需限制酶D、不同的限制酶和DNA连接酶练习（2）下列各项中，说明目的基因完成了表达的是A、棉珠中含有杀虫蛋白基因B、大肠杆菌中具有胰岛素基因C、酵母菌中产生了干扰素D、抗病毒基因导入土豆细胞中（3）有关基因工程的叙述正确的是A、限制酶只在获得目的基因时才用B、重组质粒的形成在细胞内完成C、质粒都可作为运载体D、蛋白质的结构可为合成目的基因提供资料（4）有关基因工程的叙述中，错误的是A、DNA连接酶将黏性末端的碱基对连接起来B、限制性内切酶用于目的基因的获得C、目的基因须由运载体导入受体细胞D、人工合成目的基因不用限制性内切酶（5）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②连接酶③解旋酶④还原酶Ａ、①②Ｂ、③④Ｃ、①④Ｄ、②③（6）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（8）不属于基因工程方法生产的药物是A、干扰素B、白细胞介素C、青霉素D、乙肝疫苗（7）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、③④①②（9）采用基因工程的方法培育抗虫