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(共29张PPT)
用细菌“画”的画
从社会中来
从社会中来
视频中呈现了大量用发出不同颜色荧光的细菌“画”的美妙图案。这些细菌能够发出荧光，是因为在它们的体内导入了荧光蛋白的基因。
基因工程的实质:
将一种生物的 转移到另一种生物体内，后者可以产生它 ，进而表现出 。
本不能产生的蛋白质
基因
新的性状
中心法则：
从社会中来
最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白，科学家通过改造它，获得了黄色荧光蛋白（自然界不存在）等。这些荧光蛋白在细胞内生命活动的检测、肿瘤的示踪研究等领域有着重要应用。
绿色荧光蛋白基因
基因工程的局限性：
控制
绿色荧光蛋白
只能生产自然界中已存在的蛋白质
思考：科学家如何对天然的绿色荧光蛋白进行改造？
第4节 蛋白质工程的原理和应用
【学习目标】
1、说出蛋白质工程崛起的缘由。
2、概述蛋白质工程的基本原理。
3、举例说明对现有蛋白质的编码基因进行改造，获得人类所需要的蛋白质的过程。
4、归纳总结蛋白质工程和基因工程的区别与联系。
第三章 基因工程
蛋白质工程崛起的缘由
一
任务一：阅读以下蛋白质工程的实例，思考问题
资料1：玉米中赖氨酸的含量由天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羟酸合成酶决定。科学家将天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸，就可以使玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。
资料2：干扰素在体外保存相当困难，如果将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在-70℃的条件下，干扰素可以保存长达半年。
问题1：进行蛋白质工程研究的意义是什么？
通过蛋白质工程可以改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。
蛋白质工程崛起的缘由
一
资料3：T4溶菌酶是一种重要的工业用酶，但是它在温度较高时容易失活。科学家对T4溶菌酶耐热性的结构进行研究，并以此为依据对相关基因进行了改造，使T4溶菌酶的第3号异亮氨酸变为半胱氨酸。于是在半胱氨酸与第97位的半胱氨酸形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。
问题2：如何改造？蛋白质工程操作的对象是什么？
蛋白质是由基因决定的，基因可以遗传，蛋白质无法遗传。
操作方法及对象：
改造或合成基因
问题3：为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
蛋白质工程的基本原理
二
任务二：请根据资料3，总结科学家改造T4溶菌酶的思路。
资料3：T4溶菌酶是一种重要的工业用酶，但是它在温度较高时容易失活。科学家对T4溶菌酶耐热性的结构进行研究，并以此为依据对相关基因进行了改造，使T4溶菌酶的第3号异亮氨酸变为半胱氨酸。于是在半胱氨酸与第97位的半胱氨酸形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。
T4溶菌酶耐热性升高
推测
折叠
改造或合成
翻译
转录
耐热性T4溶菌酶的结构
耐热T4溶菌酶mRNA
耐热T4溶菌酶氨基酸的序列（第3位异亮氨酸变为半胱氨酸）
耐热T4溶菌酶基因
设计
蛋白质工程的基本原理
二
基于以上思路，总结蛋白质工程的原理：（结合教材P94第3段）
预期功能
蛋白质
(三维结构)
多肽链
目的基因
mRNA
设计
推测
改造或合成
行使
折叠
翻译
转录
蛋白质工程是中心法则的逆推
A
B
C
D
建构概念
蛋白质工程的概念：
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，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。
T4溶菌酶中某多肽链的一段氨基酸序列如下：
问题1：怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列 请把相应的碱基序列写出来。
mRNA序列为：AUG UGG AUU（或C或A）UGU（或C）
DNA序列为：TAC ACC TAA（或G或T） ACA（或G）
ATG TGG ATT（或C或A） TGT（或C）
蛋白质工程基本思路的应用
三
查密码子表得知：甲硫氨酸（AUG）、色氨酸(UGG)、异亮氨酸(AUU、AUC、AUA）、半胱氨酸（UGU、UGC）。
任务三：蛋白质工程基本思路的应用
甲硫氨酸
色氨酸
半胱氨酸
异亮氨酸
问题2：确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因，从而使T4溶菌酶的第3号异亮氨酸变为半胱氨酸？？
可以人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。
甲硫氨酸
色氨酸
半胱氨酸
异亮氨酸
蛋白质工程基本思路的应用
三
T4溶菌酶中某多肽链的一段氨基酸序列如下：通过蛋白质工程使T4溶菌酶的第3号异亮氨酸变为半胱氨酸。
DNA序列为：TAC ACC TAA（或G或T） ACA（或G）
ATG TGG ATT（或C或A） TGT（或C）
到社会中去-------学以致用
新冠病毒（COVID-19）通过刺突蛋白（S蛋白）的活性域（RBD）与人体细胞表面的ACE2受体（一种蛋白质）相互作用，入侵到细胞内，导致人感染“新冠肺炎”。有没有办法可以干扰新冠病毒入侵人体细胞呢？
科学家成功设计了一种自然界不存在的全新蛋白质LCB1，让它与新冠病毒S蛋白的RBD紧密结合，实现了干扰新冠病毒入侵人体细胞的目的。
项目 蛋白质工程 基因工程
操作对象
操作起点
操作流程
结果
实质
联系 基因
基因
预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→找到并改变对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→获得所需要的蛋白质
目的基因的筛选与获取→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
可生产自然界没有的蛋白质
生产自然界已有的蛋白质
通过改造或合成基因来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质
将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状
①蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程；
②蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程的基本操作。
预期蛋白质功能
目的基因
任务四：蛋白质工程和基因工程比较
原有前程可奔赴，亦有岁月可回首
一、蛋白质工程崛起的缘由：
基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
二、蛋白质工程的基本原理：
预期蛋白质功能→设计预期蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列。
三、蛋白质工程的应用
课堂小结
人类蛋白质组计划
是否合成新的基因
蛋白质工程
是否对原有基因进行改造
是
否
是
否
蛋白质工程
基因工程
看蛋白质
看基因
是否为天然蛋白质
是
否
蛋白质工程
基因工程
如何区分？
一、概念检测
1.蛋白质工程可以说是基因工程的延伸，判断下列相关表述是否正确。
(1)基因工程需要在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程不需要对基因进行操作。( )
(2)蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。( )
(3)蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。( )
2. 蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终要达到的目的是( )
A.分析蛋白质的三维结构
B.研究蛋白质的氨基酸组成
C.获取编码蛋白质的基因序列信息
D.改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求
×
×
√
D
一、概念检测
3. 水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓。研究人员发现，用赖氨酸替换水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在这项替换研究中，目前可行的直接操作对象是( )
A.基因 B.氨基酸 C.多肽链 D.蛋白质
A
2.下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：
（1）代表蛋白质工程操作思路的过程是_____；代表中心法则内容的是________。(填写数字)
（2）写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容： ①______；②______；③______；④______；⑤__________。
（3）蛋白质工程的目的是_______________________________________ _____________________，通过___________________实现。
（4）从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是______的。
④⑤
①②③
转录
翻译
折叠
推测
改造合成
根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白
质的结构进行分子设计
基因改造或基因合成
相反
课堂练习
复习与提高
1.某动物体内含有研究者感兴趣的目的基因，研究者欲将该基因导入大肠杆菌的质粒中保存。该质粒含有氨苄青霉素抗性基因 (AmpR)、LacZ 基因及一些酶切位点,其结构和简单的操作步骤如下图所示。
④将连接产物导入大肠杆菌
请根据以上信息回答下列问题。
（1）在第②步中,应怎样选择限制酶？
（2）在第③步中，为了使质粒DNA与目的基因能连接，还需要在混合物中加入哪种物质？
（3）选用含有 AmpR 和 LacZ 基因的质粒进行实验有哪些优势？
（4）含有重组质粒的大肠杆菌菌落将呈现什么颜色？为什么？
④将连接产物导入大肠杆菌
请根据以上信息回答下列问题。
（1）在第②步中,应怎样选择限制酶？
（2）在第③步中，为了使质粒DNA与目的基因能连接，还需要在混合物中加入哪种物质？
（1）：应选择用相同的限制酶或切割能产生相同末端的限制酶切割质粒和含有目的基因的DNA 片段，并且注意限制酶的切割位点不能位于目的基因的内部，以防破坏目的基因，限制酶也不能破坏质粒的启动子、终止子、标记基因、复制原点等结构。
（2）：加入DNA连接酶
请根据以上信息回答下列问题。
（3）选用含有 AmpR 和 LacZ 基因的质粒进行实验有哪些优势？
（4）含有重组质粒的大肠杆菌菌落将呈现什么颜色？为什么？
（3）：该质粒便于进行双重筛选。标记基因 AmpR 基因可用于检测质粒是否导入了大肠杆菌，一般只有导入了质粒的大肠杆菌才能在添加了青霉素的培养基上生长。而由于 LacZ 基因的效应，这些生长的菌落可能出现两种颜色：含有空质粒(没有连接目的基因的质粒)的大肠杆菌菌落呈蓝色；含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。
（4）：含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。
因为目的基因的插入破坏了 LacZ基因的结构，使其不能正常表达，形成 B-半乳糖苷酶，底物 X-gal也就不会被分解。
2.科学家将 Or3/4 、 Sox2、 c-Myc 和 KIf4 基因通过逆转录病毒转入小鼠成纤维细胞中，然后在培养ES细胞的培养基上培养这些细胞。2-3周后,这些细胞显示出ES细胞的形态、具有活跃的分裂能力，它们就是iPS细胞。请回答下列问题。
（1）在这个实验过程中，逆转录病毒的作用是什么？
（2）如何证明iPs细胞的产生不是由于培养基的作用？
（3）如果要了解 Or3/4 、 Sox2、 c-Myc 和 KIf4 基因在诱导iPs细胞时，每个基因作用的相对大小，该如何进行实验？请你给出实验设计的思路。
（4）若将病人的皮肤成纤维细胞诱导成iPs细胞，再使它转化为需要的细胞，用这些细胞给该病人治病，这是否会引起免疫排斥反应 为什么？ iPS细胞具有分裂活性，用它进行治疗时可能
复习与提高
2.科学家将 Or3/4 、 Sox2、 c-Myc 和 KIf4 基因通过逆转录病毒转入小鼠成纤维细胞中，然后在培养ES细胞的培养基上培养这些细胞。2-3周后,这些细胞显示出ES细胞的形态、具有活跃的分裂能力，它们就是iPS细胞。请回答下列问题。
（1）在这个实验过程中，逆转录病毒的作用是什么？
逆转录病毒是载体，能将外源基因 Oct3/4、 Sox2、c-Myc 和 Klf4 送入小鼠成纤维细胞。
（2）如何证明iPs细胞的产生不是由于培养基的作用？
可以设置对照组。将转入外源基因和没有转入外源基因的细胞分别培养在相同的培养基中，并确保其他培养条件相同。
如果只有转入外源基因的细胞转化成了 iPS 细胞，就可以证明 iPS 细胞的产生不是由于培养基的作用。
2.科学家将 Or3/4 、 Sox2、 c-Myc 和 KIf4 基因通过逆转录病毒转入小鼠成纤维细胞中，然后在培养ES细胞的培养基上培养这些细胞。2-3周后,这些细胞显示出ES细胞的形态、具有活跃的分裂能力，它们就是iPS细胞。请回答下列问题。
（3）如果要了解 Or3/4 、 Sox2、 c-Myc 和 KIf4 基因在诱导iPs细胞时，每个基因作用的相对大小，该如何进行实验？请你给出实验设计的思路。
可以依次去掉1个基因，将其他3个基因转入小鼠成纤维细胞中，然后通过与转入4个基因的小鼠成纤维细胞的诱导情况进行比较，来推测缺失的那个基因对诱导 iPS 细胞的影响，进而判断每个基因作用的相对大小。(其他合理答案均可)
2.科学家将 Or3/4 、 Sox2、 c-Myc 和 KIf4 基因通过逆转录病毒转入小鼠成纤维细胞中，然后在培养ES细胞的培养基上培养这些细胞。2-3周后,这些细胞显示出ES细胞的形态、具有活跃的分裂能力，它们就是iPS细胞。请回答下列问题。
（4）若将病人的皮肤成纤维细胞诱导成iPs细胞，再使它转化为需要的细胞，用这些细胞给该病人治病，这是否会引起免疫排斥反应 为什么？ iPS细胞具有分裂活性，用它进行治疗时可能存在什么风险？
不会引起免疫排斥反应，因为在诱导转化的过程中细胞的遗传物质没有发生变化，理论上产生的还是“自休”细胞。 iPS 细胞拥有分化为各种细胞的潜能，因此存在分化成肿瘤细胞的风险。
3.水稻根部一般没有根瘤菌，在种植时常需要施加氮肥。科学家想利用基因工程技术来减少施用氮肥的生产成本及可能造成的环境污染，他们提出了以下两种方案。
方案一 把根瘤菌的固氮相关基因导入水稻根系微生物中，使微生物能在根系处固氮，从而减少氨肥的施用量。
方案二 直接将固氮相关基因导入水稻细胞中，建立水稻的“小型化肥厂”，让水稻直接固氮，这样就可以免施氮肥了。
（1）请评估这两种方案哪种更容易实现。
（2）如果两个方案都实现的话，你认为哪种更值得推广？请说出你的理由。
（1）：从亲缘关系的远近来看，固氮相关基因可能更容易在水稻根系微生物中稳定存在和表达，进而使其具有固氮的能力。
（2）：此题不要求有唯一的答案，学生可便捷性、安全性、经济性等角度进行分析，之成理即可。例如，从便捷性角度认为能固氮的水稻新品种更值得推广；或从转基因全性角度认为能固氮的水稻根系微生物更值得推广等。

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