资源简介

(共39张PPT)
第三章 基因工程
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产品。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，因此又叫作重组DNA技术。
基因工程是在生物化学、分子生物学和微生物学的学科的基础上发展起来的，正是这些学科的基础理论和相关的技术发展催生了基因工程。
1961年，尼伦伯格（M. W. Nirenberg,
1927-2010)和马太（J. H. Matthaei，1929一）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。
1958年，梅塞尔森（M. Meselson, 1930-)和斯塔尔（F. W. Stahl,1929-)
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。
1953年，沃森（J.D.Watson,1928-)和克里克（F.Crick,1916-2004)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。
1950年，埃德曼（P.V.Edman,1916-1977)发明了一种测定氨基酸序列的方法。2年后，桑格（F.Sanger,1918-2013)首次完成了对胰岛素氨基酸序列的测定。
1944年，艾弗里（O. Avery, 1877-1955)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。
科技探索之路
基因工程的诞生和发展1
1953
1958
1944
1950
1961
1967
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。
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。
1972年，伯格（P.Berg,1926-)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。
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。
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）
科技探索之路
基因工程的诞生和发展2
1972
1973
1970
1970S
1977
1982
21世纪以来，科学家发明了多种高通量测序技术，可以实现低成本测定大量核酸序列，加速了人们对基因组序列的了解。
2013年，华人科学家张锋（1982-)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。
1990年，人类基因组计划启动。2003年改计划的测序任务顺利完成
1985年，穆里斯（K. Mullis, 1944-2019)等人发明PCR,为获取目的基因提供了有效手段。
1984年，我国科学家朱作言（1941-)领导的团队培育出世界上第一条转基因鱼。
1983年，科学家采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。
1985
1990
1983
1984
21世纪以来
2013
科技探索之路
基因工程的诞生和发展3
第一节 重组DNA技术的基本工具
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”。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
转基因番木瓜
非转基因番木瓜
培育转基因番木瓜的方法
抗番木瓜环斑病毒基因提取
抗番木瓜环斑病毒基因与载体DNA连接
抗番木瓜环斑病毒基因导入受体细胞
培育转基因番木瓜的工具
“分子手术刀”
“分子缝合针”
“分子运输车”
一、限制性核酸内切酶——“分子手术刀”
1、来源
2、作用
3、识别序列的特点
4、切割结果
1、来源
切割DNA分子的工具是限制性核酸内切酶，简称限制酶。
主要是从原核生物中分离纯化出来的。
2、作用
能够识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开，因此具有专一性。
磷酸二酯键
切点
旁栏思考
根据你所掌握的知识，你能推测这类酶存在于原核生物中的作用是什么吗？
提示：原核生物容易受到自然界外源DNA的入侵，但是，生物在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制，以防止外来病原物的侵害。限制酶就是细菌的一种防御性工具，当外源DNA侵入时，限制酶会将外源DNA切割掉，以保证自身的安全。所以，限制酶在原核生物中主要起到切割外源DNA、使之失效，从而达到保护自身的目的。
3、识别序列的特点
①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。
②限制酶所识别的序列，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。
5'
5'
3'
3'
5'
5'
3'
3'
中心轴线
中心轴线
4、切割结果
当限制酶在它识别序列的中心轴线两侧将DNA分子的两条链分别切开时，产生的是黏性末端。
当限制酶在它识别序列的中心轴线处切开时，产生的是平末端。
限制酶名字的由来
限制酶是如何命名的呢？是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EcoR I。
例如：流感嗜血杆菌(Haemophilus influenzae)d株中先后分离到3种限制酶，则分别命名为:
Hind I
Hind II
Hind III
1、概念
2、作用
3、种类及其各自特点
二、DNA连接酶——“分子缝合针”
1、概念
将切下来的DNA片段拼接成新的DNA分子，是靠DNA连接酶来完成的。
能够将两个DNA片段连接起来的酶，称之为DNA连接酶。
2、作用
将两个DNA片段连接起来，恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。如果是黏性末端，那么必须互补配对。
3、种类及其各自特点
种类 E·coli DNA连接酶 T4 DNA连接酶
来源
作用
相同点
大肠杆菌
T4噬菌体
只能将具有互补黏性末端的DNA片段连接起来，不能连接具有平末端的DNA片段
既可以连接双链DNA片段互补的黏性末端，又可以连接双链DNA片段的平末端（但连接平末端的效率相对较低）
恢复的都是磷酸二酯键
旁栏思考
DNA连接酶与DNA聚合酶是一回事吗？为什么？
（1）DNA聚合酶催化单个核苷酸加到已有的核酸片段3‘末端的羟基上，形成磷酸二酯键，而DNA连接酶是催化两个DNA片段之间形成磷酸二酯键。
（2） DNA聚合酶以一条DNA链为模板，催化形成与模板链互补的DNA链；而DNA连接酶催化具有互补黏性末端或平末端的DNA片段连接起来，它不需要模板。
此外，两者虽然都是蛋白质，但是它们的组成和性质各不相同。
与DNA相关的五种酶的比较
名称 作用部位 作用结果
限制酶 磷酸二酯键 将DNA切成两个片段
DNA连接酶 磷酸二酯键 将两个DNA片段连接为一个DNA分子
DNA聚合酶 磷酸二酯键 将单个脱氧核苷酸依次连接到单链末端
DNA(水解)酶 磷酸二酯键 将DNA片段水解为单个脱氧核苷酸
解旋酶 碱基对之间 的氢键 将双链DNA分子局部解旋为单链，形成两条长链
1、质粒（1）概念（2）特点（3）作为载体的质粒的特点
2、其他载体
3、作为载体的条件
4、思考讨论
三、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”
1、质粒
通常是利用质粒作为载体，将基因送入细胞。
质粒是是一种裸露的、结构简单、独立于细菌拟核DNA之外，并具有复制能力的很小的双链环状DNA分子。
①质粒DNA分子上有一个至多个限制酶切割位点，供外源DNA片段（基因）插入其中。
②携带外源DNA片段的质粒进入受体细胞后，在细胞中进行自我复制，或整合到染色体DNA上，随染色体DNA进行同步复制。
（1）概念
（2）特点
①在基因工程操作中，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。
②这些质粒上常有标记基因，便于重组DNA分子的筛选。如四环素抗性基因、氨苄青霉素抗性基因等。
（3）作为载体的质粒的特点
2、其他载体
在基因工程中使用的载体除质粒外，还有噬菌体、动植物病毒等。
它们的来源不同，在大小、结构、复制方式以及可插入外源DNA片段的大小上也有很大差别。
这些基因工程载体，相当于一种运输工具，因此将它们比喻为“分子运输车”。
3、作为载体的条件
①具一个至多个限制酶切割位点，供外源DNA片段（基因）插入其中。
②能够在宿主细胞中自我复制或整合到受体DNA上，随受体DNA同步复制。
③具有某些标记基因，便于重组DNA分子的筛选。
④对受体细胞无毒害作用。
重组DNA分子
请在两张纸上分别写上下面两段DNA序列：
1.剪刀和透明胶条分别代表哪种“分子工具”
请你根据图3-3中的相关信息找到两条片段上EcoRI的识别序列和切割位点。然后,用剪刀进行“切割”。待切割位点全部切开后,将从下面那条DNA链上切下的片段重组到上面那条DNA链的切口处,并用透明胶条将切口粘连起来。
剪刀代表限制酶；透明胶条代表DNA连接酶。
重组DNA分子
请在两张纸上分别写上下面两段DNA序列：
2.你制作的黏性末端的碱基能不能互补配对？如果不能，可能是什么原因造成的？
请你根据图3-3中的相关信息找到两条片段上EcoRI的识别序列和切割位点。然后,用剪刀进行“切割”。待切割位点全部切开后,将从下面那条DNA链上切下的片段重组到上面那条DNA链的切口处,并用透明胶条将切口粘连起来。
根据学生实际操作的情况进行指导。如果制作的黏性末端的碱基不能互补配对，可能是剪切位点或连接位点选得不对，也可能是其他原因。
重组DNA分子
请在两张纸上分别写上下面两段DNA序列：
3.你插入的DNA片段能称得上一个基因吗？
请你根据图3-3中的相关信息找到两条片段上EcoRI的识别序列和切割位点。然后,用剪刀进行“切割”。待切割位点全部切开后,将从下面那条DNA链上切下的片段重组到上面那条DNA链的切口处,并用透明胶条将切口粘连起来。
不能，因为基因的长度一般在100个碱基对以上。
1、原理
2、材料用具
3、步骤
4、结果分析与评价
四、探究实践——DNA的粗提取
1、原理
DNA、RNA、蛋白质和脂质等在物理和化学性质方面存在差异，可以利用这些差异，选用适当的物理或化学方法对它们进行提取。
例如， DNA不溶于酒精，但某些蛋白质溶于酒精，利用这一原理，可以初步分离DNA与蛋白质。（分离提取DNA）
DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同，它能溶于2 mol/L的NaCl溶液。（溶解提纯DNA）
在一定温度下，DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色，因此二苯胺试剂可以作为鉴定DNA的试剂。（鉴定DNA）
DNA的粗提取与鉴定
2、材料用具
DNA的粗提取与鉴定
（1）选材
DNA含量相对较高的生物组织，如新鲜洋葱、香蕉、菠菜、菜花和猪肝等。
不能选择哺乳动物成熟的红细胞，因为哺乳动物成熟的红细胞中没有细胞核和线粒体，几乎不含DNA。
2、材料用具
DNA的粗提取与鉴定
（2）试剂
①研磨液
②体积分数为95%的酒精
③2mol/L 的NaCl溶液
④二苯胺试剂
⑤蒸馏水
——含有NaCl、EDTA、SDS、Tris和HCl
——析出DNA
——溶解DNA
——鉴定DNA，要现配现用
3、步骤
（1）研磨。称取约30 g洋葱，切碎，然后放入研钵中，倒入10 mL研磨液，充分研磨。
（2）取上清液。
方法一：在漏斗中垫上纱布，将洋葱研磨液过滤到烧杯中，在4 ℃冰箱中放置几分钟后，再取上清液。
方法二：也可以直接将研磨液倒入塑料离心管中，在1500 r/min的转速下离心5 min，再取上清液。
DNA的粗提取与鉴定
3、步骤
（3）粗提取。在上清液中加入体积相等的、预冷的酒精溶液(体积分数为95%)，静置2～3 min，溶液中出现的白色丝状物就是粗提取的DNA。
方法一：用玻璃棒沿一个方向搅拌，卷起丝状物，并用滤纸吸去上面的水分，获得粗提取的DNA。
方法二：将溶液倒入塑料离心管中，在10 000 r/min的转速下离心5 min，弃上清液，将管底的沉淀物(粗提取的DNA)晾干。
DNA的粗提取与鉴定
3、步骤
（3）鉴定DNA。取两支20 mL的试管，各加入2 mol/L的NaCl溶液5 mL。将丝状物或沉淀物溶解于其中一支试管的NaCl溶液中，再向两支试管中加入4 mL的二苯胺试剂。混合均匀后，将试管置于沸水中加热5 min，待试管冷却后，比较两支试管中溶液颜色的变化。
DNA的粗提取与鉴定
实验组
对照组
水浴加热
4、结果分析与评价
1.你提取出白色丝状物或沉淀物了吗？用二苯胺试剂鉴定的结果如何？
观察提取的DNA的颜色，如果不是白色丝状物，说明DNA中的杂质较多。
二苯胺试剂鉴定呈现蓝色说明实验基本成功；如果不呈现蓝色，可能的原因有所提取的DNA含量低，或者在实验操作过程中出现了失误等。
DNA的粗提取与鉴定
4、结果分析与评价
2.你能分析出粗提取的DNA中可能含有哪些杂质吗？
本实验粗提取的DNA可能仍然含有核蛋白、多糖等杂质。
3.与其他同学提取的DNA进行比较，看看实验结果有何不同，分析产生差异的原因。
本实验可以采取分组的方式进行。可以选取不同的实验材料；也可以查阅资料了解其他提取DNA的方法；对同种材料采用不同的方法。最后从多方面比较实验结果；如DNA的纯度、DNA的颜色、二苯胺试剂显色的深浅等；看看哪种实验材料、哪种提取方法的效果更好。
DNA的粗提取与鉴定
随着生物技术的飞速发展，生产和销售“分子工具”的公司大量涌现。感兴趣的话，你可以登录这些公司的网站，查询和了解相关产品的特点、价格和使用说明等。有些这样的公司已成功上市，你还可以通过分析公司的股票价格走势，大致了解公司的经营状况以及投资者目前对该行业的认可程度。
提示：在调查中需要了解企业的生产技术、产品的种类和产量、销售渠道和销售情况等，这样才有可能对企业的经营状况进行正确的判断。
帮范儿
再会

展开更多......

收起↑