2019-2020学年高中生物 专题1 1.2 基因工程的基本操作程序教案 新人教版选修3

-1-EvaluationWarning:ThedocumentwascreatedwithSpire.Docfor.NET.1.2基因工程的基本操作程序学习目标：1.掌握目的基因获取的常见方法。(难点)2.学会基因表达载体构建的方法和要求。(重点)3.理解目的基因导入受体细胞的方法。(重点)4.掌握目的基因检测与鉴定的具体操作。(重、难点)一、目的基因的获取1．目的基因(1)主要是指编码蛋白质的基因。(2)一些具有调控作用的因子。2．获取方法(1)从基因文库中获取①基因组文库：含有一种生物所有的基因。②部分基因文库：含有一种生物的一部分基因，如cDNA文库。(2)利用PCR技术扩增目的基因①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原理：DNA双链复制。③条件：引物、DNA模板、Taq酶、四种脱氧核苷酸。④过程。a．目的基因DNA受热变性后解链为单链(90～95℃)。b．引物与单链相应互补序列结合(55～60℃)。c．在DNA聚合酶作用下进行延伸(70～75℃)。d．重复循环多次。⑤结果：每次循环后目的基因的量增加一倍，即成指数形式扩增(约为2n)。(3)人工合成法①条件：基因比较小，核苷酸序列已知。②方法：通过DNA合成仪用化学方法直接人工合成。二、基因表达载体的构建——核心1．基因表达载-2-体的组成2．基因表达载体的功能(1)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。(2)使目的基因表达和发挥作用。三、将目的基因导入受体细胞1．转化的含义：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。2．转化的方法(1)导入植物细胞①最常用方法农杆菌转化法：双子叶植物或裸子植物。②其他方法a．基因枪法：单子叶植物。b．花粉管通道法。(2)导入动物细胞①常用方法：显微注射技术。②常用受体细胞：受精卵。(3)导入微生物细胞①方法a．用Ca2＋处理细胞，使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态(这种细胞称为感受态细胞)。b．感受态细胞吸收重组表达载体DNA分子。②受体细胞：原核细胞(使用最广泛的是大肠杆菌)。③原核生物的特点：繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少等。四、目的基因的检测与鉴定1．分子水平检测-3-(1)检测转基因生物DNA上是否插入了目的基因。方法：DNA分子杂交技术。(2)检测目的基因是否转录出mRNA。方法：分子杂交技术。(3)检测目的基因是否翻译成蛋白质。方法：抗原—抗体杂交技术。2．个体水平鉴定包括抗虫、抗病的接种实验，以确定是否有抗性及抗性程度。基因工程产品需要与天然产品活性进行比较等。1．判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)如果某种生物的cDNA文库中的某个基因与该生物的基因组文库中的某个基因控制的性状相同，则这两个基因的结构也完全相同。()(2)Taq酶是用PCR仪对DNA分子扩增过程中常用的一种耐高温的DNA连接酶。()(3)启动子和终止密码子均在胰岛素基因的转录中起作用。()(4)利用DNA分子杂交鉴定目的基因是否已导入受体细胞。()(5)转基因抗虫棉植株抗虫效果的鉴定必须通过分子检测才能达到目的。()(6)表达载体中的胰岛素基因可通过人肝细胞mRNA反转录获得。()(7)将重组表达载体导入动物受精卵常用显微注射法。()(8)从大肠杆菌细胞中获得人胰岛素基因的mRNA，说明目的基因完成了表达。()提示：(1)×cDNA文库中的基因一般没有启动子和内含子序列，而基因组文库含有。(2)×Taq酶是热稳定DNA聚合酶。(3)×终止密码子位于mRNA上，在翻译过程中起作用。(4)×利用DNA分子杂交的目的是检测转基因生物的DNA上是否插入了目的基因。(5)×抗虫效果的鉴定要在个体生物学水平上做抗虫接种实验来鉴定。(6)×人肝细胞中不含胰岛素基因的mRNA。(7)√(8)×获得人胰岛素基因的mRNA，只能说明目的基因完成了转录。2．下列不属于获取目的基因的方法是()A．利用DNA连接酶复制目的基因-4-B．反转录法C．从基因文库中获取目的基因D．利用PCR技术扩增目的基因A[本题考查目的基因的获取方法及DNA聚合酶和DNA连接酶的区别。对目的基因(DNA片段)进行复制需利用DNA聚合酶而不是DNA连接酶。]3．下列关于基因表达载体的构建的描述，错误的是()A．基因表达载体的构建是基因工程的核心B．基因表达载体包括目的基因、启动子、终止子、标记基因等部分C．目的基因主要是指编码蛋白质的结构基因D．构建的基因表达载体都是相同的D[基因表达载体的构建是基因工程的第二步，也是基因工程的核心；一个基因表达载体的组成除目的基因外还必须具有启动子、终止子、标记基因等部分；目的基因主要是指编码蛋白质的结构基因；由于受体细胞不同，基因表达载体的构建也会有差别，不可能都是相同的。]目的基因的获取背景材料1．原核细胞和真核细胞的基因结构一个典型的真核细胞基因结构示意图一个基因包含编码区和非编码区两部分，而真核细胞基因的编码区又包含内含子和外显子。基因表达时只有编码区转录形成mRNA，但是真核生物基因中的内含子部分并不表达，内含子转录形成的mRNA中的部分要切除，只有外显子部分才能控制翻译出蛋白质。具有翻译功能的mRNA叫成熟的mRNA。2．真核生物的基因转移到原核生物体内后不能翻译出蛋白质从真核生物体内提取的目的基因在原核生物体内转录后，不能切除内含子转录的部分，无法加工形成成熟的mRNA。因此，真核生物的目的基因通常采用反转录法合成。-5-[思考交流]1．基因组文库和cDNA文库有什么区别？提示：文库类型基因组文库cDNA文库文库大小大小基因中的启动子(具有启动作用的DNA片段)有无基因中的内含子(位于编码蛋白质序列内的非编码DNA片段)有无基因多少某种生物的全部基因某种生物的部分基因物种间的基因交流部分基因可以可以2.为什么cDNA文库中没有启动子和内含子？提示：由于细胞中成熟的mRNA已不含有内含子等部分转录形成的序列，所以利用细胞中成熟的mRNA反转录合成的目的基因(cDNA)中没有内含子，也没有非编码区，也就没有启动子。3．PCR过程中需要解旋酶吗？所需要的DNA聚合酶应具有什么特点？提示：PCR过程中，DNA双链解开是在高温下完成的，不需要解旋酶；由于PCR过程温度较高，所以需要能耐高温的DNA聚合酶。4．PCR过程中为什么需要引物？提示：引物是一小段单链DNA或RNA，作为DNA复制的起始序列，它能与DNA母链的一段碱基序列互补配对。存在于自然界中生物的DNA复制和人工合成中的多聚酶链式反应(PCR)之所以需要引物，是因为在DNA合成时DNA聚合酶只能从5′到3′合成子链。[归纳总结]1．从基因文库中获取目的基因(1)基因文库的含义：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的不同的基因，称为基因文库。(2)基因文库的种类①基因组文库：包含一种生物所有的基因。②部分基因文库：只包含一种生物的一部分基因，如cDNA文库。说明：用某种生物发育的某个时期的mRNA反转录产生的多种互补DNA(也叫cDNA)片段，与载体连接后储存在一个受体菌群中，那么，这个受体菌群就叫做这种生物的cDNA文库。(3)基因组文库的构建-6-(4)cDNA文库的构建某种生物的单链mRNA单链互补DNA双链cDNA片段导入受体菌中储存cDNA文库(5)从基因文库中获取目的基因的方法根据目的基因的有关信息，例如，根据基因的核苷酸序列、基因的功能、基因在染色体上的位置、基因的转录产物mRNA，以及基因的表达产物蛋白质等特性来获取目的基因。2．利用PCR技术扩增目的基因(1)PCR技术：PCR是多聚酶链式反应的缩写，它是一项在生物体外复制特定DNA片段的核酸合成技术。(2)PCR原理：DNA双链复制。(3)前提条件：有一段已知目的基因的核苷酸序列(以便根据这一序列合成引物)。(4)扩增过程：目的基因DNA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，如此重复循环多次。如图所示。注意：利用PCR技术扩增目的基因可以在PCR扩增仪中自动完成。3．用化学方法人工合成目的基因(1)条件：基因比较小，且核苷酸序列已知。(2)仪器：DNA合成仪。-7-1．下列获取目的基因的方法中需要模板链的是()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③反转录法获得cDNA④通过DNA合成仪利用化学方法人工合成目的基因A．①②③④B．①②③C．②③④D．②③D[可依据基因的核苷酸序列、基因的功能、基因的转录产物mRNA以及基因的表达产物蛋白质等从基因文库中获取目的基因，故①不需要模板；利用PCR技术扩增目的基因需要DNA的两条链作为模板；反转录法获得cDNA需要mRNA作为模板；通过DNA合成仪利用化学方法人工合成目的基因时，不需要模板。]2．(2019·全国卷Ⅰ)基因工程中可以通过PCR技术扩增目的基因。回答下列问题。(1)基因工程中所用的目的基因可以人工合成，也可以从基因文库中获得。基因文库包括________和________。(2)生物体细胞内的DNA复制开始时，解开DNA双链的酶是________。在体外利用PCR技术扩增目的基因时，使反应体系中的模板DNA解链为单链的条件是________________。上述两个解链过程的共同点是破坏了DNA双链分子中的________。(3)目前在PCR反应中使用Taq酶而不使用大肠杆菌DNA聚合酶的主要原因是__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。[答案](1)基因组文库cDNA文库(2)解旋酶加热至90～95℃氢键(3)Taq酶热稳定性高，而大肠杆菌DNA聚合酶在高温下会失活[题后反思]项目DNA复制PCR技术区别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)细胞外(主要在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)温度条件细胞内的温度条件需控制温度，在较高温度下进行合成的对象DNA分子DNA片段或基因-8-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基因表达载体的构建背景材料1．基因表达载体的组成及作用2．基因表达载体的构建步骤目的基因与载体的结合过程，实际上是不同来源的基因重组的过程。其过程大体为：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。用同一种限制酶切割目的基因，使其产生相同的黏性末端。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)(如图)。(1)目的基因是指编码蛋白质的基因，其没有启动子，若只将目的基因导入受体细胞中将无法进行转录。(2)目的基因的表达需要调控序列，因而用作载体的质粒的插入基因部位之前需要有启动子，之后需要有终止子。(3)鉴别目的基因是否导入受体细胞中需要有筛选标记——标记基因。因此，一个基因表达载体的组成应该包括：启动子、终止子、目的基因、标记基因等。特别提醒：1由于受体细胞有动物细胞、植物细胞、微生物细胞之分，以及目的基因导-9-入受体细胞的方法不同，所以基因表达载体在构建上也会有所差别，不可能是千篇一律的。2基因表达载体的构建过程中，最好用同种限制酶切割目的基因和载体，以获得相同的黏性末端，便于二者进行连接。但有时可用两种限制酶分别切割载体和目的基因，这样可避免载体与载体之间、目的基因与目的基因之间的自身连接，还可以确保目的基因和载体的正向连接。1．下列有关基因表达载体构建的说法，错误的是()