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(共23张PPT)
Chapter 3
基因工程
Genetic engineering
第3章
科技探索之路
基因工程的诞生和发展
课本68
1944年，艾弗里等人证明了DNA可以在同种生物的不同个体之间转移。
1950年，埃特曼发明了一种测定氨基酸序列的方法。
1958年，梅塞尔森和斯塔尔用实验证明了DNA的半保留复制。
1953年，沃森和克里克建立了DNA双螺旋结构模型。
1961年，尼伦伯格和马太破译了第一个编码氨基酸的密码子。
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）。
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。
1972年，伯格成功构建了第一个体外重组DNA分子。
1973年，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，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。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。
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。
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。
1985年，穆里斯等人发明了PCR。
1990年，人类基因组计划启动。2003年完成
21世纪以来，科学家发明了多种高通量测序技术，加速了人们对基因组序列的了解。
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。
基因工程
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，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。
操作原理：
【别名】：转基因技术、重组DNA技术
意义：
操作步骤：
剪切→拼接→导入→表达
课本P67
基因重组
定向改造生物性状；
克服远缘杂交不亲和障碍。
1.为什么不同生物的DNA分子能拼接起来？
2.为什么一种生物的基因可以在另一种生物细胞内表达？
①DNA的基本组成单位相同(都是四种脱氧核苷酸)；
②都遵循碱基互补配对原则；
③DNA分子的空间结构都是规则的双螺旋结构。
①基因是控制生物性状的结构与功能单位;
②遗传信息传递都遵循中心法则;
③生物界几乎共用一套遗传密码。
阅读教材P70-73，找出以下问题的答案:
1.基因工程中分子手术刀的名称是？有多少种 这类酶主要来源于哪里？
切割哪种化学键？
2.限制酶的作用结果是什么？识别序列有什么特点？
3.基因针线或分子缝合针的名称 常见的有哪几种？作用上的区别？
4.质粒是什么？质粒做载体必须满足哪些条件？
5.基因工程常用的运载体有哪些
3.1.1 重组DNA技术的基本工具
“分子手术刀”
限制酶
“分子缝合针”
“分子运输车”
DNA连接酶
载体
一、“分子手术刀”----限制酶(限制性内切核酸酶)
1.来源：
主要从原核生物中分离纯化出来,目前分离出数千种。
2.作用特点：
具有专一性
3.作用部位:
特定部位的磷酸二酯键
①能够识别双链DNA分子中特定的核苷酸序列。
②能够切割特定序列中的特定位点。
注意：
限制酶是一类酶，而不是一种酶。
P71·旁栏思考
根据你所掌握的知识你能推测限制酶存在于原核生物中的作用是什么？
主要起到切割外源DNA使之失效，从而达到保护自身的目的。
一、“分子手术刀”----限制酶(限制性内切核酸酶)
4. 限制酶的识别序列的特点
①大多数限制酶的识别序列由6个核苷酸组成，
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能被限制性酶特异性识别的序列一般都是回文序列，
即围绕一条轴线对称排列。
EcoR I
(识别-GAATTC-,
并在G与A之间切割)
Sma I
(识别-CCCGGG-,
在G与C之间切割)
5'
5'
5'
5'
3'
3'
3'
3'
5'
5'
3'
3'
5'
5'
3'
3'
结果：
产生2个黏性末端
结果：
产生2个平末端
读：5’→ 3’
C T TCATG AATT CCCTAA
GAAGTAC TTAA GGGAT T
GGCATCTTAA
AAT TCCGTAG
5'
5'
3'
3'
【现学现用】
1.要想从一个DNA分子（含多个基因）中获得某个特定的基因需要有几个酶切位点？产生几个末端？
使用EcoRⅠ酶
剪切目的基因
(识别-GAATTC-,
并在G与A之间切割)
目的基因
2
4
2.把两种来源不同的DNA进行拼接，应该怎样处理？
…TATCGTACGATAGGTACTTAA
…ATAGCATGCTATCCATG
AATTCGGCATAC…
GCCGTATG…
…TCCTAG
…AGGATCTTAA
GAGCCATACTTAA
AATTCTCGGTATG
AATTCCATAC…
GGTATG…
GAGCCATACTTAA
AATTCTCGGTATG
重组DNA需要的工具：
课本P73
C T TCATG AATT CCCTAA
GAAGTAC TTAA GGGAT T
GGCATCTTAA
AAT TCCGTAG
5'
5'
3'
3'
【现学现用】
1.要想从一个DNA分子（含多个基因）中获得某个特定的基因需要有几个酶切位点？产生几个末端？
使用EcoRⅠ酶
剪切目的基因
(识别-GAATTC-,
并在G与A之间切割)
目的基因
2
4
2.把两种来源不同的DNA进行拼接，应该怎样处理？
用相关限制酶切割产生相同末端后，再使用DNA连接酶进行连接。
二、“分子缝合针”----DNA连接酶
1. 作用：
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，形成重组DNA分子。
2. 种类：
类型 来源 作用 相同点 差别
E·coli DNA连接酶
T4 DNA连接酶
大肠杆菌
T4噬菌体
恢复
磷酸二酯键
只能连接黏性末端
既能连接黏性末端;又能连接平末端(效率较低)
G
A
G
T
A
T
C
二、“分子缝合针”----DNA连接酶
3. 与DNA聚合酶区别：
DNA
连接酶
DNA
连接酶
A
T
A
G
T
C
C
G
A
A
T
T
DNA连接酶：连接两个DNA片段
C
A
A
T
T
DNA
聚合酶
DNA聚合酶：以DNA母链为模板，连接单个脱氧核苷酸形成单链
DNA连接酶 DNA聚合酶
相同点 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
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
DNA连接酶与DNA聚合酶的比较
【现学现用】
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
三、“分子运输车”----载体
1.作用：
将目的基因送入受体细胞 & 利于目的基因在受体细胞中大量复制
2.最常用的载体：
质粒
质粒：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环状双链DNA分子。
★思考：质粒为什么适合作为载体？作为载体需要具备那些条件？
→供目的基因插入其中
⑵有一个至多个限制酶切割位点；
⑶具有标记基因；
⑷对受体细胞无害、易分离。
→便于鉴定和筛选
⑴能够在宿主细胞中复制并稳定地保存；
（复制和表达）
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。
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：
标记基因的筛选原理
三、“分子运输车”----载体
思考：
噬菌体或某些动植物病毒作为载体，其原理是 。
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
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
种类 用途 不同点
质粒 噬菌体
植物病毒 动物病毒 将外源基因导入细菌等受体细胞
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片段的大小上也有很大差别
课本P73
（2人一组，同桌或前后位合作完成）
限制酶
DNA连接酶
载体
①对受体细胞无害；
②有一个至多个限制酶切割位点；
③有特殊的标记基因；
④能自我复制或能整合到宿主DNA上。
质粒、 噬菌体、动植物病毒
作为载体的条件
种类:
磷酸二酯键
来源：
主要来源于原核生物
特点：
作用部位：
具有专一性
作用结果：
形成黏性末端或平末端
连接部位：磷酸二酯键
种类：E.coliDNA连接酶、T4 DNA连接酶
作用：把两条双链DNA片段拼接起来
小结：基因工程的基本工具
1. 若下图表示细胞工程操作中的某些过程, 请回答
(1)如果A、B分别是白菜和甘蓝的原生质体，则C细胞再生出细胞壁后需要通过什么技术才能发育成杂种植株“白菜-甘蓝”？若白菜和甘蓝杂交产生了子代，该子代是否可育？为什么？
(2)若该图表示抗丙肝病毒的单克隆抗体制备过程中
的一环，A细胞是小鼠骨髓瘤细胞，则B细胞表示什
么？符合要求的C细胞应具有哪些特点？
(3)如果A、B分别是取自优良奶牛的卵细胞和精子，在进行体外受精时，一般要把A细胞培养到什么时期？B细胞则要经过什么处理才能与A细胞结合为受精卵？
复习与提高
课本P66
植物组织培养技术。
白菜和甘蓝杂交产生的子代没有同源染色体，进行减数分裂时发生联会紊乱，不能形成正常的配子，所以该子代一般不可育。
B淋巴细胞。能大量增殖并能产生抗丙肝病毒的抗体。
减数分裂Ⅱ中期(MⅡ期) 获能处理
2. 2015年10月，我国科学家屠呦呦因发现 青蒿素可以有效降低疟疾患者的死亡率而获得了 诺贝尔生理学或医学奖。青蒿素类药物的市场需 求很大，请你根据所学内容及以下信息，提出一条提高青蒿素类药物产量的研究思路。
(1) 青蒿素的衍生物双氢青蒿素也是很好的抗疟疾药物，并且它的药物活性比青蒿素的 高很多；
(2) 青蒿素是从黄花蒿中提取的，在黄花蒿产生青蒿素的代谢过程中，某些酶(如FPS酶) 起决定性作用；
(3) 野生黄花蒿在生长过程中，处于花蕾期时体内青蒿素含量最高；
(4) 研究人员在对黄花蒿进行组织培养时，发现它的愈伤组织中没有青蒿素，但是由愈伤组织再分化形成的芽和苗中均有青蒿素；
(5) 四倍体黄花蒿体内青蒿素的含量比二倍体髙38%,但四倍体植株比二倍体植株矮小很多。
复习与提高
课本P66
3. 在章首页中介绍的体细胞克隆猴的培育过程中，我国科学家经过多年的反复试验，可以在10 s之内对卵母细胞进行去核操作，在15s之内将体细胞注入去核的卵母细胞里。有评论者认为：该研究的研究者利用“聪明的化学方法和操作技巧”，攻克了多年来导致体细胞克隆猴失败的障碍。培育克隆猴的流程如下图所示，请结合图回答问题。
(1)研究人员在将胎猴的体细胞注入去核的卵母细胞前，用灭活的仙台病毒进行了短暂处理。在此过程中，灭活的仙台病毒所起的作用是什么？
复习与提高
课本P66
诱导细胞融合。
3.(2)为了调节相关基因的表达，提高胚胎的发育率和妊娠率，研究人员将组蛋白去甲基化酶 Kdm4d的mRNA注入了重构胚，同时用组蛋白脱乙酰酶抑制剂TSA处理了它。这两种物质发挥作 用的机制是什么？
复习与提高
课本P66
这两种物质都是通过改变组蛋白的表观遗传修饰来调控基因表达。组蛋白去甲基化酶Kdm4l的mRNA可以表达组蛋白去甲基化酶，该酶能降低组蛋白的甲基化水平；组蛋白脱乙酰酶抑制剂TSA可以抑制组蛋白脱乙酰酶的作用，提高组蛋白的乙酰化水平。

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