资源简介

(共54张PPT)
为了棉花姓“中国”
1992年，一场史无前例的棉铃虫灾害吞噬着中国的棉田，我国棉花产业遭遇灭顶之灾；
国外公司拒绝出售抗虫棉核心技术，到1999年外国抗虫棉已占领我国95%的棉花市场份额，国内棉花品种市场迅速流失。
棉花棉铃虫幼虫
1998年中棉所成功培育出我国第一个国审抗虫杂交棉新品种——中棉所29，使低龄棉铃虫的死亡率超过90%；
2002年成功培育出我国第一个双价转基因抗虫棉新品种——中棉所41，该品种能够缓解棉铃虫抗药性，
我国成为世界第二个拥有抗虫基因自主知识产权的国家！
为了棉花姓“中国”
现实中的转基因黄金大米
现实中的转基因抗冻草莓
第3章
基 因 工 程
基因工程：是指按照人们的愿望，通过转基因等技术，赋予生物新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物制品。从技术操作层面看，由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，因此又叫 重组DNA技术
1.操作环境：
2.原理：
3.操作对象：
4.操作水平：
5.结果：
体外环境
基因
分子水平
基因重组
赋予生物新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物制品
科技探索之路
定向改造生物性状；克服远缘杂交不亲和障碍
6.意义：
科技探索之路
基因工程的诞生和发展
1944年，艾弗里等人通过肺炎链球菌的转化实验，不仅证明了遗传物质是DNA，还证明了DNA可以在同种生物的不同个体之间转移。
1950年，埃德曼发明了一种测定氨基酸序列的方法。2年后，桑格首次完成了对胰岛素氨基酸序列的测定
1953年，沃森和克里克建立了DNA双螺旋结构模型并提出了遗传物质自我复制的假说。
DNA双螺旋结构模型
1958年，梅塞尔森和斯塔尔用实验证明了DNA的半保留复制。随后不久，克里克提出中心法则。
1961年，尼伦伯格和马太破译了第一个编码氨基酸的密码子。截至1966年，64个密码子均被成功破译。
1967年，科学家发现，在细菌拟核DNA之外的质粒有自我复制能力，并可以在细菌细胞间转移。
1970年，科学家在细菌中发现了第一个限制性内切核酸酶（简称限制酶）。
限制酶产品
20世纪70年代初，多种限制酶、DNA连接酶和逆转录酶被相继发现。这些发现为DNA的切割、连接以及功能基因的获得创造了条件。
基因工程是在生物化学、分子生物学和微生物学等学科的基础上发展起来的，正是这些学科的理论基础和相关技术的发展催生了基因工程。
1972年，伯格首先在体外进行了DNA改造的研究，成功地构建了第一个体外重组DNA分子。
1973年，科学家证明质粒可以作为基因工程的载体，构建重组DNA，导入受体细胞，使外源基因在原核细胞中成功表达，并实现物种间的基因交流。至此，基因工程正式问世
1977年，桑格等科学家发明了DNA序列分析的方法，为基因序列图的绘制提供了可能。此后，DNA合成仪的问世为体外合成DNA提供了方便
1982年，第一个基因工程药物重组人胰岛素被批准上市。基因工程药物成为世界各国研究和投资开发的热点。
1983年，科学家果用农杆菌转化法培育出世界上第一例转基因烟草。此后基因工程进入了迅速发展的阶段
1984年，我国科学家朱作言领导的团队培育出世界上第一条转基因鱼。
朱作言（左一）研究小组在工作
1984年，穆里斯等人发明PCR，为获取目的基因提供了有效手段
1990年，人类基因组计划启动。2003年，该计划的测序任务顺利完成
21世纪以来，科学家发明了多种高通量测序技术，可以实现低成本定大量核酸序列，加速了人们对基因组序列的了解。
高通量基因测序仪
2013年，华人科学家张锋及其团队首次报道利用最新的基因组编辑技术——CRISPR(成簇规律间隔短回文重复)技术编辑了哺乳动物基因组。该技术可以实现对特定基因的定点插入、敲除或替换。
上述仅是按照时间顺序简要提及基因工程相关基础理论的突破和技术的创新。有些你已经学习过，更多的将在本章中展开。科学提供对自然界的说明，技术将科学原理应用于认识自然、造福人类的实践，工程则综合运用多种技术来牛产人类所需要的产品。科学、技术、工程和社会的互动，不断调整着人类与自然界的关系，推动着文明的进步。
例1.人的胰岛素基因能通过拼接并在受体细胞大肠杆菌中表达出相同蛋白质--胰岛素的理论基础是？
（1）大肠杆菌和人的遗传物质都是 。
（2）不同生物的DNA分子能够拼接在一起，原因是 。
（3）同一种基因在不同生物体内表达出来的蛋白质相同，因为 。
（4）遗传信息的传递都遵循 。
(5) 为什么一种生物的基因可以在另一种生物细胞内表达？
DNA
中心法则
基因的组成、空间结构和碱基互补配对方式相同
所有生物共用一整套遗传密码
科技探索之路
① 基因是控制生物性状的独立遗传单位
② 遗传信息的传递都遵循中心法则
③ 生物界共用一套遗传密码
3.1 重组DNA技术的基本工具
新教材 人教版 选择性必修三
番木瓜容易受番木瓜环斑病毒的侵袭。当番木瓜被这种病毒感染后，产量会大大下降。科学家通过精心设计，用“分子工具”培育出了转基因番木瓜，它可以抵御番木瓜环斑病毒。
DNA双螺旋的直径只有2nm,对如此微小的分子进行操作，是一项非常精细的工作，更需要专门的“分子工具”。
到社会中去
那么，科学家究竟用到了哪些“分子工具”？
这些“分子工具”各具有什么特征呢？
到社会中去
那么，科学家究竟用到了哪些“分子工具”？
这些“分子工具”各具有什么特征呢？
工具
分子手术刀
分子缝合针
分子运输车
限制性内切核酸酶：
DNA连接酶：
载体：
准确切割DNA分子
将DNA片段连接起来
将体外重组好的DNA分子导入受体细胞
一、限制性内切核酸酶——“分子手术刀”
1.简称：
限制酶
2.来源：
主要是从原核生物中分离纯化出来的。
3.作用：
识别双链DNA分子的特定核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开。
4.作用部位：
特定部位的磷酸二酯键
A
T
C
G
T
A
G
C
5’
3’
5’
3’
磷酸二酯键
5.识别序列：
大多数限制酶的识别序列由6个核苷酸组成，也有少数限制酶的识别序列由4个、8个或其他数量的核苷酸组成。
EcoRⅠ
5’…G-A-A-T-T-C…3’
3’…C-T-T-A-A-G…5’
SmaⅠ
5’…C-C-C-G-G-G…3’
3’…G-G-G-C-C-C…5’
（专一性）
切点
带有几个伸出的核苷酸，他们之间正好互补配对
黏性末端
黏性末端
2024/1/31
实例1—EcoRⅠ限制酶：
识别序列为-GAATTC-，
切割部位为GA之间的磷酸二酯键。
实例2——SmaⅠ限制酶：
识别序列为-CCCGGG-
切割部位为CG之间的磷酸二酯键。
形成黏性末端
平末端
形成平末端
A.形成的黏性末端（从5’往3’读）为_____
B.一个限制酶切割一次断 个磷酸二酯键形成___个黏性末端
C.同一种限制酶切割形成的黏性末端____
D.两个黏性末端有___个游离的磷酸基团
AATT-
两
相同
2
两
A
T
C
G
T
A
G
C
5’
3’
5’
3’
6.限制酶的命名：
用生物属名的头一个字母与种加词的头两个字母，组成了3个字母的略语，以此来表示这个酶是从哪种生物中分离出来的。例如，一种限制酶是从大肠杆菌( Escherichia coli)的R型菌株分离来的，就用字母EcoR表示；如果它是从大肠杆菌R型菌株中分离出来的第一种限制酶，则进一步表示成EcoRI。
7.切割结果：
DNA分子经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式——_________和_______
黏性末端
平末端
当限制酶在它识别序列的___________将DNA分子的两条链分别切开时，产生的是__________；
当限制酶在它识别序列的_________切开时，产生的是______；
中轴线两侧
黏性末端
中轴线处
平末端
8.限制酶的识别序列
限制酶所识别序列的特点是：呈现碱基互补对称，无论是6个碱基还是4个碱基，都可以找到一条中心轴线，中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的 ，称为回文序列
在切割部位，一条链正向读的碱基顺序与另一条链反向读的顺序完全一致。
能被限制性内切酶特异性识别的切割部位都具有回文序列：
【反馈练习】
下面哪项不具有限制酶识别序列的特征（ ）
A．GAATTC B．GGGGCCCC
CTTAAG CCCCGGGG
C．CTGCAG D．CTAAATC
GACGTC GATTTAG
D
限制酶存在于原核生物中的作用是什么
原核生物容易受到外源DNA的入侵
限制酶的作用:切割外源DNA,使之失效
保证自身的安全
限制酶为什么不会剪切原核生物本身的DNA
DNA分子中不具备这种限制酶的识别切割序列，或者DNA分子被修饰（甲基化），使限制酶不能将其切开
【思考】
1．请结合下图，推断限制酶切一次可断开几个磷酸二酯键？产生多少游离的磷酸基团？产生几个黏性末端？消耗几分子水？
断开两个磷酸二酯键；产生2个游离的磷酸基团；产生2个黏性末端；消耗两分子水。
2.请写出下列限制酶切割形成的黏性末端，并思考同种限制酶切割产生的黏性末端是否相同？不同限制酶切割产生的黏性末端是否一定不同？
同种限制酶产生的黏性末端相同，
不同的限制酶可能会形成相同的黏性末端。
3.请判断：以下黏性末端是由　种限制酶作用产生的。
3
重组DNA分子
请在两张纸上分别写上下面两段DNA序列，找到两条片段上EcoRI的识别序列和切割位点。：
重组DNA分子
请在两张纸上分别写上下面两段DNA序列，找到两条片段上EcoRI的识别序列和切割位点。：
要想获得某个特定性状的目的基因必须要用限制酶切几个切口？可产生几个黏性(平)末端？
如果把两种来源不同的DNA用同种限制酶来切割，会怎样？
要切2个切口，产生4个黏性(平)末端。
会产生相同的黏性(平)末端
思考：
G A A T T C
C T T A A G
G A A T T C
C T T A A G
G
C T T A A
A A T T C
G
G
C T T A A
A A T T C
G
用同种限制酶切割(EcoRⅠ)
把两种来源不同的DNA进行重组，应该怎样处理？
思考：
缺口怎么办？
G
C T T A A
A A T T C
G
G
C T T A A
A A T T C
G
什么样的末端才能连接起来？，
（二）分子缝合针---DNA连接酶
1. 作用：
2. 种类：
⑴ E·coli DNA连接酶
⑵ T4 DNA连接酶
将双链 DNA片段“缝合”起来，恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键 。
两DNA片段要具有互补的黏性末端才能拼起来
可把黏性末端之间的缝隙“缝合”起来，
注意：DNA连接酶可连接双链DNA中的两条单链缺口，但不能连接单链DNA！
（1）E·coli DNA连接酶的缝合作用
可把黏性末端之间的缝隙“缝合”起来，
（1）E·coli DNA连接或T4DNA连接酶连接粘性末端
即恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键
（2）T4 DNA连接酶可把平末端之间的缝隙“缝合”起来，效率低
（3）E·coli DNA连接酶与T4DNA连接酶比较：
类型 来源
E·coliDNA连接酶
T4DNA连接酶
功能
大肠杆菌
T4噬菌体
恢复磷酸
二酯键
只能连接黏性末端
能连接黏性末端和平末端(效率较低)
相同点
差别
AATTCGGCATAC…
…TATCGTACGATAGGTACTTAA
…ATAGCATGCTATCCATG
GCCGTATG…
目的基因
… TCCTAG
… AGGATCTTAA
AATTCCATAC …
GAGCCATACTTAA
AATTCTCGGTATG
GGTATG …
实例： 重组DNA分子的模拟操作
AATTCGGCATAC…
…TATCGTACGATAGGTACTTAA
…ATAGCATGCTATCCATG
目的基因
… TCCTAG
… AGGATCTTAA
AATTCCATAC …
GAGCCATACTTAA
AATTCTCGGTATG
GGTATG …
GCCGTATG…
DNA连接酶与DNA聚合酶是一回事吗？
A A T T G
C
A
A
T
T
A
A
T
T
DNA聚合酶
DNA聚合酶
DNA聚合酶
DNA聚合酶
DNA聚合酶
DNA聚合酶的作用
DNA连接酶 DNA聚合酶
相同 作用实质
化学本质
不 同 点 模板
作用对象
作用结果
用途
都能催化形成磷酸二酯键
都是蛋白质
不需要
需要DNA的一条链作模板
形成完整的重组DNA分子
形成DNA的一条链
基因工程
DNA复制
只能将单个核苷酸连接到已有的DNA片段上，形成磷酸二酯键
在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键
3、DNA连接酶与DNA聚合酶的比较：
根据所学知识，完成以下填空：
①限制酶 ②解旋酶 ③DNA连接酶 ④DNA聚合酶 ⑤RNA聚合酶
b
a
A.切断a处的酶为_______
B.连接a处的酶为_______
C.切断b处的酶为_______
①
③④
②⑤
a：磷酸二酯键；b：氢键
【反馈练习】
知识归类
与DNA相关的五种酶的比较
名称 作用部位 作用结果
限制酶
DNA连接酶
DNA聚合酶
DNA(水解)酶
解旋酶
磷酸二酯键
碱基对之间
的氢键
磷酸二酯键
磷酸二酯键
磷酸二酯键
将DNA切成两个片段
将两个DNA片段连接为一个DNA分子
将单个脱氧核苷酸依次连接到单链末端
将DNA片段水解为单个脱氧核苷酸
将双链DNA分子局部解旋为单链，形成两条长链
你能用DNA连接酶将他们连接起来吗？
2和 ； 3和 ；
1和 ；
4和 。
7
6
5
8
(1)通过基因工程产生的变异是不定向的(　　)
(2)限制性内切核酸酶均能特异性地识别6个核苷酸序列(　　)
(3)DNA连接酶能将两碱基间通过氢键连接起来(　　)
(4)E.coli DNA连接酶既可连接平末端，又可连接黏性末端(　　)
(5)限制酶和解旋酶的作用部位相同(　　)
判断正误
×
×
×
×
×
2.请判断：DNA片段经限制酶处理后产生的相同黏性末端，再经过DNA连接酶处理后，形成的新的识别序列，能否再被所用的限制酶识别。
(1)若两个相同黏性末端都是由同种限制酶(EcoRⅠ)切割后所得，　(填“能”或“不能”)再被所用的限制酶识别(如图)。
(2)若两个相同黏性末端是由不同限制酶切割所得，　　(填“能”或“不能”)再被所用的限制酶识别(如图)。
能
不能
即使用不同的限制酶进行切割，但只要切割后产生的黏性末端相同就可用DNA连接酶连接起来。
1.限制酶a和b的识别序列和切割位点如图所示，下列有关说法正确的是
典题应用
及时反馈　知识落实
A.一个DNA分子中，酶a与酶b的识别序列可能有多个
B.酶a与酶b切出的黏性末端不能相互连接
C.酶a与酶b切断的化学键不完全相同
D.用酶a切割有3个切割位点的环状DNA分子，得到4种切割产物
√
2.在基因工程操作过程中，DNA连接酶的作用是
A.将任意两个DNA片段连接起来
B.将具有相同黏性末端的DNA片段连接起来，包括DNA片段和碱基对之
　间的氢键
C.连接具有相同黏性末端或平末端的DNA片段，即形成磷酸二酯键
D.只连接具有相同黏性末端的DNA片段碱基对之间的氢键
√
[资料]1973年，美国科学家科恩（S.Cohen)等
人从大肠杆菌中提取出了两种质粒，一种含有
卡那霉素抗性基因，另一种含有四环素抗性基
因。他们将这两种基因分别“切割”下来，并
拼接在同一个质粒上，然后导入大肠杆菌，产
生了既抗卡那霉素又抗四环素的大肠杆菌。
一.重组DNA技术的基本工具
3. 基因进入受体细胞的载体
（1）作用: ①　　　　　　　　　　　　　　　　．
②　　　　　　　　　　　　　　　 　．
（2）作为运载体需具备的条件:
①　　　　　　　　　　　　　　　　　　．
②　　　　　 　　　　　　　　　　　　　．
③　　　　　　　　　　　　　　　　．
④　　　　　　　　　　　等．
（3）种类
将目的基因转移到受体细胞中去
利用运载体在受体细胞内对目的基因进行大量复制
能够在宿主细胞中自我复制并稳定保存
有1个至多个限制酶切点，以便与外源基因连接
具有标记基因，便于进行筛选
对受体细胞无害
一.重组DNA技术的基本工具
3.基因进入受体细胞的载体
种类 用途 不同点
质粒、噬菌体
植物病毒
动物病毒
将外源基因导入大肠杆菌等受体细胞
将外源基因导入植物细胞
将外源基因导入动物细胞
来源不同，在大小、结构、复制方式以及可以插入外源DNA片段的大小也有很大差别
氨苄青霉素抗性基因
目的基因插入位点
复制原点
氨苄青霉素抗性基因
目的基因插入位点
复制原点
探讨点　载体需具备的条件
1.载体要与外源DNA片段连接，需要具备什么条件？
核心探讨
提示　具有一个或多个限制酶切割位点，供外源DNA片段插入其中。
2.要使携带的外源DNA片段在受体细胞中稳定存在，载体需要具备什么条件？
提示　能在受体细胞中自我复制，或整合到受体DNA上，随受体DNA同步复制，这样它携带的外源DNA片段才能在受体细胞中复制，不至于丢失。
3.我们用肉眼看不到载体是否进入受体细胞，为了便于筛选重组DNA分子，载体需要具备什么条件？
提示　具有标记基因，便于重组DNA分子的筛选。
（4）λ噬菌体的衍生物或某些动植物病毒作为运载体利用的原理是 .病毒对宿主细胞的侵染具有一定的 性。
利用病毒对宿主细胞的侵染性
物种（组织）特异
【例2】若用家蚕作为某基因表达载体的受体细胞，在噬菌体和昆虫病毒两种载体中，不选用 作为载体，其原因是 。
噬菌体
噬菌体的宿主细胞是细菌，而不是家蚕
一.重组DNA技术的基本工具
3.基因进入受体细胞的载体
霍乱弧菌中含有质粒，但 （填“能”、“不能”）用来做载体，因为选择的载体应该 。
对受体细胞无害
不能
（6）质粒
①是一种裸露的、结构简单、独立于真核细胞细胞核或原核细胞拟核DNA之外，并具有自我复制能力的很小的 （化学本质），故质粒有 个游离的磷酸基团
②氨苄青霉素抗性基因在质粒DNA上称为 ，还有如：
等；其作用是 。
双链环状DNA分子
0
标记基因
用于鉴别和筛选含有目的基因的受体细胞
卡那霉素抗性基因、四环素抗性基因
一.重组DNA技术的基本工具
3.基因进入受体细胞的载体
标记基因的筛选原理
载体上的标记基因一般是某种抗生素的抗性基因，而受体细胞没有抵抗该抗生素的能力。将含有某抗生素抗性基因的载体导入受体细胞，抗性基因在受体细胞内表达，受体细胞对该抗生素产生抗性。在含有该抗生素的培养基上，能够生存的是被导入了载体的受体细胞。如图所示：
标记基因通常有:
①抗生素的抗性基因，如: 抗氨苄青霉素基因(ampr)、抗四环素基因(tetr)
②荧光蛋白基因，如: 绿色荧光蛋白基因(GFP)、红色荧光蛋白基因(RFP)
（6）质粒
③复制原点： 。
DNA分子复制的起点
一.重组DNA技术的基本工具
3.基因进入受体细胞的载体
④在进行基因工程操作中，真正被用作载体的质粒，都是在天然质粒的基础上进行过人工改造的。
⑤细菌质粒是独立于细菌拟核之外的细胞质DNA分子，侵入宿主细胞后
A.有的可以独立地进行自我复制，
B.有的则整合到宿主细胞染色体DNA上，随着宿主细
胞染色体DNA的复制而同步复制。
⑥若质粒DNA分子的切割末端为 ，
则与之连接的目的基因切割末端应为 ；可使用 把质粒和目的基因连接起来。
—A
—TGCGC
CGCGT—
A—
DNA连接酶
（1）质粒与拟核中的DNA有哪些相同点：（至少写出两点）
① 。
② 。
③ 。
（2）质粒 （是/不是）一种细胞器。
（3）细胞膜上的载体蛋白与基因工程中的载体的区别
①化学本质不同：细胞膜上的载体： 。基因工程中的载体可能是物质，如 ；也可是生物，如 ；也可是λ噬菌体的衍生物。
②功能不同：细胞膜上的载体功能是 ;基因工程中的载体是一种“分子运输车”,把 。
化学本质和结构相同
能够自我复制
具有遗传效应或都能够指导蛋白质的合成等
不是
蛋白质
质粒
动植物病毒
协助细胞膜控制物质进出细胞
目的基因导入受体细胞
【例3】辨析填空
一.重组DNA技术的基本工具
3.基因进入受体细胞的载体
(1)作为载体的质粒通常采用抗生素合成基因作为筛选标记基因(　　)
(2)质粒是环状双链DNA分子，是基因工程常用的载体(　　)
(3)载体(如质粒)和细胞膜中的载体蛋白的成分相同(　　)
(4)作为载体，必须要有标记基因(　　)
判断正误
×
√
×
√
3.基因运输工具——载体，必须具备的条件之一及理由均正确的是
A.能够复制，以便目的基因插入其中
B.具有多个限制酶切割位点，便于目的基因的表达
C.具有某些标记基因，便于重组DNA的筛选
D.对受体细胞无害，便于重组DNA的筛选
典题应用
及时反馈　知识落实
√
4.某细菌质粒上有标记基因如图所示，通过标记基因可以推知外源基因(目的基因)是否转入成功。外源基因插入的位置不同，细菌在培养基上的生长情况也不同，如图所示是外源基因插入位置(插入点有a、b、c)示意图，请根据表中提供的细菌生长情况，推测①②③三种重组后细菌的外源基因插入点，正确的一组是
插 入 点 细菌在含氨苄青霉素的培养基上的生长状况 细菌在含四环素的培养基上的生长状况
① 能生长 能生长
② 能生长 不能生长
③ 不能生长 能生长
A.①是c；②是b；③是a
B.①是a和b；②是a；③是b
C.①是a和b；②是b；③是a
D.①是c；②是a；③是b
√
插 入 点 细菌在含氨苄青霉素的培养基上的生长状况 细菌在含四环素的培养基上的生长状况
① 能生长 能生长
② 能生长 不能生长
③ 不能生长 能生长

展开更多......

收起↑