资源简介 (共64张PPT)3.2 基因工程的基本操作程序3. 基因工程知识拓展什么是基因 基因通常是有遗传效应的DNA片段基因定义:基因片段非基因片段原核生物的基因结构非编码区非编码区编码区编码区上游:启动子编码蛋白质,连续不间断编码区下游:终止子真核生物的基因结构非编码区编码区非编码区外显子:编码蛋白质内含子:不编码蛋白质初级转录产物成熟mRNA剪接mRNA逆转录cDNA无剪接过程苏云金杆菌与载体拼接普通棉花(无抗虫特性)棉花细胞抗虫棉提取表达Bt基因导入Bt基因重组DNA分子培育转基因抗虫棉的简要过程从社会中来1.目的基因的筛选与获取2.基因表达载体的构建目的基因受体细胞3.将目的基因导入受体细胞4.目的基因的检测与鉴定第一步:目的基因的筛选与获取一、目的基因(1)概念:用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因;与生物抗逆性、生产药物、毒物降解和工业用酶等相关的基因。(Bt抗虫蛋白基因)。主要是编码特定蛋白质的基因(2)实例:如何筛选目的基因 用苏云金杆菌制成的生物杀虫剂,广泛用于防治棉花虫害已有多年历史苏云金杆菌的杀虫作用与Bt基因有关掌握了Bt基因的序列信息对Bt基因的表达产物--对Bt抗虫蛋白有了较为深入的了解Bt基因是培育转基因抗虫棉较为合适的目的基因二、筛选合适的目的基因第一步:目的基因的筛选与获取方法:从相关的已知结构和功能清晰的基因中筛选。二、筛选合适的目的基因DNA测序仪核苷酸序列比对氨基酸序列比对美国国家生物信息中心第一步:目的基因的筛选与获取随着测序技术的发展,以及序列数据库(如GenBank)、序列比对工具(如BLAST)等的应用,越来越多的基因的结构和功能为人们所知,为科学家找到合适的目的基因提供更多机会和可能。目的基因如何获取 第一步:目的基因的筛选与获取三、目的基因的获取方法:1.人工合成2. PCR获取和扩增目的基因3. 构建基因文库(p82)基因组文库cDNA文库基因文库:把某种生物基因DNA通过酶切获得大量DNA片段,然后将这些片段与载体连接,再转入受体菌中,这样整个菌群克隆就包含该生物的全部基因片段,称为基因文库。资料:如图是利用PCR技术筛选和扩增目的基因的图解。第一步:目的基因的筛选与获取三、利用PCR获取和扩增目的基因(1)PCR模拟了细胞内的哪一生理过程 提示:DNA分子的复制。(2)什么是引物 提示:引物是一小段能与DNA母链的一段碱基序列互补配对的短单链核酸。(3)引物的作用是什么 引物为什么是两种 提示:使DNA聚合酶能够从引物的3′端开始连接脱氧核苷酸。DNA两条反向平行的单链都可作为模板且碱基序列不同。(4)PCR过程中两种引物的碱基序列能否互补 说明理由。提示:不能。因为两种引物分别与两条DNA单链的3′端互补结合,如果两种引物的碱基序列互补那么会影响引物与DNA单链的结合。(5)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。(6)PCR扩增目的基因需要知道目的基因的全部核苷酸序列吗 提示:不需要,只要知道目的基因两端的部分核苷酸序列即可(以便根据这部分序列合成两种引物)。(7)某同学认为PCR过程不同的DNA片段变性时温度是不同的,你认为他的说法正确吗 说明你的理由。提示:正确。变性目的是通过升高温度破坏氢键,将DNA分子双链变成单链,不同片段的DNA分子中氢键的数量不同导致稳定性不同,因此所需的温度不同。(8)复性温度的设定与引物长度、碱基组成有关,假设引物的长度相同,在GC含量高时,对复性温度的设定有什么要求 说明理由。提示:在引物的GC含量高时,设定的复性温度要高一些。因为DNA分子中G—C之间有三个氢键,A—T之间有两个氢键。(9)在利用PCR获取和扩增目的基因时,从第几轮循环才会产生完整的目的基因 提示:由题图可知,从第三轮循环才会产生完整的目的基因。(10)一个目的基因(DNA分子)在第3次扩增时,需要几种引物 需要几个引物 提示:一个目的基因(DNA分子)在第3次扩增时,需要2种引物;第三轮是在第二轮的基础上进行的,第二轮得到4个DNA分子,共8条链,因此需要8个引物。PCR反应过程示意图:第一轮循环:(每次循环分为变性、复性、和延伸三步。)变性:解旋PCR反应过程示意图:第一轮循环:(每次循环分为变性、复性、和延伸三步。)PCR反应过程示意图:第一轮循环:(每次循环分为变性、复性、和延伸三步。)子链延伸方向从5`端到3`端第一轮循环的产物作为第二轮反应的模板,经过变性、复性和延伸三步产生第二轮循环的产物。第二轮循环的产物作为第三轮反应的模板,经过变性、复性和延伸三步产生第三轮循环的产物。第二轮循环第三轮循环PCR反应过程示意图:PCR反应过程都在PCR扩增仪中自动完成。PCR反应过程:变性、复性和延伸常采用琼脂糖凝胶电泳来鉴定PCR的产物。如何判断PCR扩增是否成功?一次成功的PCR扩增应产生与预期大小一致的DNA片段。Marker1.检测RNA病毒可采用“实时荧光定量RT-PCR”技术。此方法是PCR技术和荧光检测技术的结合,利用荧光染料或荧光标记的特异性探针,对PCR产物进行检测分析。步骤如下:(1)利用样本中提取的RNA获得DNA,过程①使用 酶。需要将样本中的RNA经过过程①形成DNA后再进行PCR扩增的原因是 。逆转录PCR扩增必须以DNA为模板,RNA不能作为PCR扩增的模板解析:(1)利用样本中提取的RNA获得DNA属于逆转录的过程,故需要逆转录酶的催化。PCR扩增必须以DNA为模板,RNA不能作为PCR扩增的模板,所以需要将样本中的RNA经过逆转录的过程合成DNA。(2)PCR技术每次循环可以分为变性、复性和延伸三步,每一个步骤都要控制好相应的温度,延伸的温度 (填“大于”“小于”或“等于”)复性的温度,而 (填“大于”“小于”或“等于”)变性的温度。大于解析:(2)延伸的温度为72 ℃左右,复性的温度为50 ℃左右,变性的温度一般为90 ℃以上,所以延伸的温度大于复性的温度,小于变性的温度。小于(3)过程②中对DNA序列进行扩增,需设计两种引物。下图为DNA的部分序列,请问两种引物的结合位置是 。Ⅱ和Ⅲ解析:(3)在引物作用下,DNA聚合酶从引物3′端开始延伸DNA链,所以引物的结合部位是DNA链的3′端,即Ⅱ和Ⅲ。(4)若荧光检测为阳性,则说明 。患者感染该病毒解析:(4)若荧光检测为阳性,则说明该患者感染该病毒。资料:科学家将抗多聚半乳糖醛酸酶基因导入番茄细胞,培育出了耐储藏番茄。抗多聚半乳糖醛酸酶基因导入受体细胞之前,需构建基因表达载体,图1、图2分别表示质粒及目的基因所在DNA片段,图中箭头表示相关限制酶的酶切位点,各酶切位点及产生的末端均不同。新知探究二 基因表达载体的构建第二步:基因表达载体的构建(核心)(1)培育转基因生物的核心工作是基因表达载体的构建,构建基因表达载体的目的是什么 提示: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)为什么基因表达载体中除目的基因外,还需要有启动子、终止子、标记基因等元件 提示:启动子是RNA聚合酶的识别和结合部位,能驱动基因转录出mRNA;终止子使转录在需要的地方停下来;标记基因用来鉴别受体细胞中是否导入目的基因。(3)启动子和起始密码子有什么区别 终止子和终止密码子有什么区别 提示:启动子和终止子都是一段DNA序列,分别位于基因的上游和下游,分别负责调控基因转录的开始和结束。而起始密码子和终止密码子都是mRNA上的三个相邻的碱基序列,分别决定翻译的起始和终止。(4)图中构建基因表达载体时,能不能使用SmaⅠ切割外源DNA和质粒 请说明理由。提示:不能。SmaⅠ会破坏质粒的抗性基因和外源DNA中的目的基因。(5)构建基因表达载体时,可用EcoRⅠ同时切割质粒和外源DNA,请分析使用该酶可能会存在哪些问题 如何避免这些问题 提示:可能导致自身环化、目的基因不能定向连接等问题。为避免以上问题出现,应使用BamHⅠ和HindⅢ(或EcoRⅠ和HindⅢ)两种限制酶。三、基因表达载体的构建过程基因表达载体构建模式图产生相同末端(同一种限制酶)2.若要利用某目的基因(图甲)和P1噬菌体载体(图乙)构建重组DNA(图丙),限制性内切核酸酶的识别序列和酶切位点分别是BglⅡ(AG↓ATCT)、EcoRⅠ(GA↓ATTC)和Sau3AⅠ(↓GATC)。下列分析最合理的是( )A.用EcoRⅠ切割目的基因和P1噬菌体载体B.用BglⅡ和EcoRⅠ切割目的基因和P1噬菌体载体C.用BglⅡ和Sau3AⅠ切割目的基因和P1噬菌体载体D.用EcoRⅠ和Sau3AⅠ切割目的基因和P1噬菌体载体√3.如图是利用基因工程技术生产可食用疫苗的部分过程,其中Pst Ⅰ、Sma Ⅰ、EcoR Ⅰ、Apa Ⅰ为四种限制性内切核酸酶。下列有关说法中正确的是( )A.图示过程是基因工程的核心步骤,所需的限制性内切核酸酶均来自原核生物B.图示中构建基因表达载体时,需用到一种限制性内切核酸酶C.一种限制性内切核酸酶只能识别一种特定的核糖核苷酸序列D.卡那霉素抗性基因的存在有利于将含有抗原基因的细胞筛选出来√资料: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,称为转化。图1、图2、图3为将目的基因导入受体细胞的方法。新知探究三 将目的基因导入受体细胞第三步:将目的基因导入受体细胞(1)将基因表达载体导入农杆菌细胞时,应怎样处理农杆菌细胞 提示:先用Ca2+处理农杆菌细胞,使其处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态,然后将基因表达载体导入其中。(2)图1中构建基因表达载体时,为什么一定要将目的基因插入Ti质粒的T-DNA上 提示:农杆菌中的Ti质粒上的T-DNA(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)用花粉管通道法导入受体细胞的目的基因是否需要和载体结合 试分析原因。提示:需要。因为目的基因只有和载体结合成基因表达载体才能在受体细胞中稳定存在和表达。(4)为什么动物的体细胞一般不作为受体细胞 提示:动物体细胞全能性受到限制,不能发育为一个新个体。方法植物细胞农杆菌转化法(常用)花粉管通道法(我国独创)——显微注射法(p82)——Ca2+处理法(p82)第三步:将目的基因导入受体细胞动物细胞微生物细胞农杆菌转化法示意图显微注射法—动物细胞目的基因的表达载体显微注射到受精卵中受精卵发育获得具有新性状的动物显微注射技术①体积大,易操作②全能性高第三步:将目的基因导入受体细胞Ca2+处理法--- 原核细胞(1)使用Ca2+处理:可使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态。(2)过程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分子大肠杆菌细胞第三步:将目的基因导入受体细胞感受态繁殖快,结构简单大肠杆菌(p82)4.农杆菌能感染双子叶植物而通常不感染单子叶植物,是因为受伤的双子叶植物能分泌某些酚类物质诱导Ti质粒中的Vir基因区段表达,该表达产物能诱导Ti质粒产生一条新的T-DNA单链分子,此单链分子可进入植物细胞并整合到染色体上。下列相关叙述错误的是( )A.可以通过在伤口施加相关酚类物质而使单子叶植物也成为农杆菌易感植物B.农杆菌感染宿主细胞的原理与肺炎链球菌转化实验的原理类似C.使用农杆菌转化法时,目的基因应插入Ti质粒的T-DNA中D.合成新的T-DNA单链需要的DNA连接酶与限制酶,均在宿主细胞内合成√资料1:在培育抗虫棉的过程中,将目的基因导入受体细胞后,应对受体细胞进行分子水平的检测。(1)在分子水平上对目的基因进行检测的目的和方法有哪些 提示:首先检测目的基因是否导入受体细胞,其次需要检测目的基因在受体细胞中是否转录出mRNA,还需要对目的基因是否翻译成蛋白质进行检测。方法有PCR等技术进行核酸检测、利用抗原—抗体杂交技术对蛋白质进行检测等。新知探究四 目的基因的检测与鉴定第四步:目的基因的检测和鉴定资料2:科学家在培育抗虫棉的过程中,完成了分子水平的检测后,将棉铃虫受精卵放在培育出的棉花植株叶片上进行孵化,观察棉铃虫幼虫食用棉叶后的反应,结果幼虫几乎全部死亡。(2)上述过程属于何种检测 提示:属于个体生物学水平的检测。(3)如果将人的胰岛素基因导入大肠杆菌细胞中,使大肠杆菌生产人胰岛素,应如何进行个体生物学水平的鉴定 提示:将转基因胰岛素与目前使用的胰岛素进行降血糖效果的比较。 分子水平的检测(1)基因是否插入(DNA)(2)目的基因是否转录(mRNA)方法:1.PCR技术2.分子杂交技术需逆转录为cDNA再进行PCR鉴定探针32P变性变性碱基互补配对原则杂交DNA分子(可检测)32P目的DNA目的RNA(3)目的基因是否翻译方法:抗原-抗体杂交技术 个体生物学水平的检测抗虫鉴定、抗病鉴定、抗逆鉴定等转基因生物 鉴定方法 成功标志抗虫植物抗病毒植物抗盐植物抗除草剂植物饲喂害虫害虫死亡病毒感染(病毒接种实验)未出现病斑盐水浇灌正常生长喷洒除草剂正常生长5.利用外源基因在受体细胞中表达,可生产人类所需要的产品。下列选项中能说明目的基因完成了在受体细胞中表达的是( )A.棉花二倍体细胞中检测到细菌的抗虫基因B.大肠杆菌中检测到人胰岛素基因及其mRNAC.山羊乳腺细胞中检测到人生长激素DNA序列D.酵母菌细胞中提取到人干扰素蛋白√第四步:目的基因的检测与鉴定基因工程的基本操作程序(4个步骤)第一步:目的基因的筛选和获取第二步:基因表达载体的构建第三步:将目的基因导入受体细胞利用PCR获取和扩增人工合成;构建基因文库目的基因、标记基因、启动子、终止子农杆菌转化法(植物)、显微注射法(动物) 、Ca2+处理法(微生物)分子检测:是否插入、转录、翻译个体水平:是否具有抗性以及抗性强度等。---核心DNA片段的扩增及电泳鉴定1、DNA体外扩增的原理① PCR利用了DNA热变性的原理,通过调节温度来控制DNA双链的解聚与结合② PCR仪实质上就是一台能够自动调控温度的仪器,一次PCR一般要经历30次循环2、DNA片段电泳鉴定的原理① DNA分子具有可解离的基团,在一定的pH下,这些基团可以带上正电荷或负电荷。在电场的作用下,这些带电分子会向着与它所带电荷相反的电极移动,这个过程就是电泳② 在凝胶中DNA分子的迁移速率与凝胶的浓度、DNA分子的大小和构象等有关③ 凝胶中的DNA分子通过染色,可以在波长为300nm的紫外灯下被检测出来一、实验原理:二、材料用具DNA片段的扩增及电泳鉴定PCR仪微量移液器电泳装置4种脱氧核苷酸的等量混合液、2种引物、TaqDNA聚合酶(耐高温)、模板DNA扩增缓冲液、无菌水、电泳缓冲液、凝胶载样缓冲液、琼脂糖、核酸染料等微量离心管电泳槽电泳仪PCR反应体系的配方10倍浓缩的扩增缓冲液 5ul20mmol/l 的4种脱氧核苷酸的等量混合液 1ul20umol/l 的引物I 2.5ul20umol/l 的引物II 2.5ulH2O 28-33ul1-5U/ul 的Taq DNA聚合酶 1-2U模板DNA 5-10ul总体积 50ul最后加三、方法步骤DNA片段的扩增及电泳鉴定DNA片段的扩增及电泳鉴定循环程序 变性 复性 延伸预变性 94℃,5min — —30次 94℃,30s 55℃,30s 72℃,1min最后一次 94℃,1min 55℃,30s 72℃,1min5-10min确保模板DNA完全变性总延伸:确保所有片段充分延伸三、方法步骤与DNA结合,使其在紫外灯下发出荧光8:凝胶载样缓冲液(内含指示剂)4:核酸染料:1.指示电泳进度溴酚蓝2.增加PCR产物密度,确保其均匀沉入加样孔内指示分子大小的标准参照物:MarkerDNA片段的扩增及电泳鉴定三、方法步骤保持试剂最大活性及稳定性注意2:冰上缓慢融化:四、注意DNA片段的扩增及电泳鉴定五、结果分析与评价1.你是否成功扩增出DNA片段?判断的依据是什么?在紫外灯下观察:DNA条带的分布及粗细程度2.你进行电泳鉴定的结果是几条条带?如果不止一条条带,请分析产生这个结果的可能原因?1.没有条带:期望只有一条目的带 漏加了PCR组分; 各组分用量不当; PCR程序设置不当2.不止一条条带: 引物设计不合理: 模板受到污染 退火(复性)温度过低引物在模板链上不止一个结合位点引物太短活动:基因工程操作中,科研人员利用PCR技术扩增DNA,下图为不同循环次数获得的DNA的电泳结果,请思考回答下列问题。新知探究五 DNA片段的扩增及电泳鉴定(1)一般在PCR实验中每次循环引物的投入量远大于产物量,原因是什么 提示:复性时不一定均为引物与DNA模板链结合,也存在DNA解开的两条单链结合。(2)若PCR产物电泳时未出现扩增条带,其主要原因有哪些 提示:①Taq DNA聚合酶失活。②引物出现质量问题。③Mg2+浓度过低。④变性时的温度低,变性时间短。(3)若PCR产物电泳时出现非特异性扩增条带,其主要原因有哪些 提示:①模板DNA出现污染。②引物特异性不强或形成引物二聚体。③Mg2+浓度过高。④复性时的温度过低等。6.下列关于DNA片段的扩增及电泳鉴定步骤的叙述,错误的是( )A.PCR过程中,需要加入两种引物B.所有组分加入微量离心管后,需要放入离心机离心约 10 sC.将电泳缓冲液加入电泳槽中,电泳缓冲液没过凝胶1 mm为宜D.电泳出现位置不等的几条条带,说明鉴定的PCR产物比较纯净√7.用PCR方法检测转基因植株是否成功导入目的基因时,得到以下电泳图谱,其中1号为DNA标准样液(Marker),10号为蒸馏水。PCR时加入的模板DNA如图所示。据此做出分析不合理的是( )A.PCR产物的分子大小在250~500 bp之间B.3号样品为不含目的基因的载体DNAC.9号样品对应植株不是所需的转基因植株D.10号的电泳结果能确定反应体系等对实验结果没有干扰√1.PCR过程与细胞内的DNA复制过程相比,主要有两点不同,它们是( )①PCR过程需要的引物是人工合成的短单链核酸 ②PCR过程不需要DNA聚合酶 ③PCR过程中DNA的解旋不依靠解旋酶,而是通过对反应温度的控制来实现的 ④PCR过程中,DNA不需要解旋,直接以双链DNA为模板进行复制A.③④ B.①② C.①③ D.②④√随堂检测A.乳铁蛋白肽基因可在转基因奶牛的多种体细胞中表达B.人干扰素基因可在转基因奶牛的多种体细胞中表达C.表中两种基因探针所含的脱氧核苷酸的序列相同D.乳铁蛋白肽基因和人干扰素基因都是mRNA片段2.研究者将含有乳铁蛋白肽基因和人干扰素基因的DNA片段分别制成探针,与从转基因奶牛的乳腺细胞、口腔上皮细胞、蹄部细胞中提取的mRNA分别进行杂交,结果如下表所示。下列叙述正确的是( )√探针 乳腺细胞 口腔上皮细胞 蹄部细胞乳铁蛋白肽基因探针 出现杂交带 未出现杂交带 未出现杂交带人干扰素基因探针 出现杂交带 出现杂交带 出现杂交带3.下图表示培育转基因抗植物病毒番茄的过程示意图。下列叙述正确的是( )A.过程A需要限制酶和DNA聚合酶的参与B.过程B先用Ca2+处理番茄细胞,然后再将基因表达载体导入其中C.抗植物病毒基因一旦整合到番茄细胞的染色体上,就能正常表达D.转基因抗植物病毒番茄是否培育成功可通过抗病毒接种实验进行鉴定√4.人血清白蛋白(HSA)是血浆中含量最丰富的蛋白质,在维持血浆渗透压、抗凝血等方面起着重要作用,具有重要的医用价值。如图是用基因工程技术获取重组HSA(rHSA)的两条途径。请据图分析并回答下列问题。(1)获取的HSA基因可以利用 技术进行快速扩增,这一过程需要以HSA基因的一段序列为模板合成的 ,以及 酶等条件。PCR解析:(1)体外扩增目的基因可采用PCR技术,该技术需要以目的基因的一段序列为模板合成的引物,以及TaqDNA聚合酶(耐高温的DNA聚合酶)等条件。引物TaqDNA聚合(耐高温的DNA聚合)(2)构建基因表达载体时,需要选择水稻胚乳细胞蛋白基因的启动子,而不用HSA基因的启动子,目的是 。一个基因表达载体除了包括目的基因,还应包括 等。 使HSA基因只能在水稻胚乳解析:(2)构建基因表达载体时,需要选择水稻胚乳细胞蛋白基因的启动子,而不用HSA基因的启动子,目的是使HSA基因只能在水稻胚乳细胞中特异性表达rHSA。一个基因表达载体除了包括目的基因,还应包括启动子、终止子和标记基因等。启动子、终止子和标记基因细胞中特异性表达rHSA(3)在利用农杆菌转化水稻受体细胞的过程中,需将植物细胞与 混合后共同培养,旨在让 整合到植物细胞染色体DNA上。为了提高Ⅱ过程的导入成功率,通常用 处理大肠杆菌。农杆菌解析:(3)在利用农杆菌转化水稻受体细胞的过程中,需将植物细胞与农杆菌混合后共同培养,利用农杆菌的侵染特性,让T-DNA整合到植物细胞染色体DNA上;将目的基因导入大肠杆菌细胞时,为提高Ⅱ过程的导入成功率,常用Ca2+处理大肠杆菌细胞,使之处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态。T-DNACa2+(4)人体合成的初始HSA多肽,需要经过膜系统加工形成正确的空间结构才能有活性,所以选择 (填“Ⅰ”或“Ⅱ”)构建获取rHSA更有优势。 Ⅰ解析:(4)由于大肠杆菌是原核生物,其细胞中不含生物膜系统,而人体合成的初始HSA多肽,需要经过膜系统加工形成正确的空间结构才能有活性,所以选择Ⅰ途径获取rHSA更有优势。(5)为了鉴定宿主细胞中是否产生rHSA,可以用 (填字母)方法来进行检验。 A.检验HSA基因是否导入B.检验细胞中是否产生相应的mRNAC.抗原—抗体杂交D.检测是否有标记基因C解析:(5)检测目的基因是否表达形成蛋白质可以采用抗原—抗体杂交法。 展开更多...... 收起↑ 资源预览