资源简介

(共42张PPT)
基因工程的诞生和发展
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，正是这些学科的基础理论和相关技术的发展催生了基因工程。
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。
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）。
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。
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。
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。
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
华人科学家张锋及其团队首次报道利用最新的基因组编辑技术一CRISPR技术编辑了哺乳动物基因组。
DNA 重组技术的基本工具
高中生物选择性必修三
第一节
重组DNA技术所需的三种基本工具及DNA粗提取与鉴定。
生命观念
模拟重组DNA分子的操作过程，说出合成新DNA分子的基本原理。
科学思维
关注基因工程的社会议题，参与讨论基础理论和技术发展如何催生基因工程。
社会责任
核心素养
概述基因工程是在遗传学、微生物学、生物化学和分子生物学等学科基础上发展而来的。
-01-
阐明DNA重组技术的实现需要利用限制性内切核酸酶、DNA连接酶和载体三种基本工具。
-02-
阐明限制性核酸内切酶的作用特点和作用结果。
阐明2类DNA连接酶的作用和类型。
-03-
课标要求
回顾前面所学，思考哪个结构上面携带遗传信息？
基因的结构
是有 效应的DNA 片段
基因
遗传
基本单位
脱氧核糖核苷酸
基因在DNA上，那么回顾一下：基因具备哪些功能？
基因的功能
遗传信息
储存、传递、表达遗传信息
复制
子代 DNA
控制蛋白质合成
转录、翻译
控制生物性状
蛋白质合成
结构
蛋白
酶的
合成
直接控制
间接控制
控制
代谢
基因的具体结构
DNA
基因 A
基因 B
基因 C
基因 D
基因 B
5’
3’
5’
3’
非编码区
编码区
非编码区
与RNA聚合酶结合位点
启动子
终止子
能够编码，合成蛋白质
原核生物的基因结构
非编码区
编码区
非编码区
与RNA聚合酶结合位点
启动子
终止子
编码区上游
编码区下游
不能转录为mRNA，不能编码蛋白质
能够转录为mRNA，能够编码蛋白质
不能转录为mRNA，不能编码蛋白质
真核生物的基因结构
非编码区
编码区
非编码区
与RNA聚合酶结合位点
启动子
终止子
编码区上游
编码区下游
不能转录为mRNA，不能编码蛋白质
能够编码
蛋白质序列
不能转录为mRNA，不能编码蛋白质
外显子
内显子
不能够编码
蛋白质序列
两者的比较
原核细胞 真核细胞
不同点 编码区是 的 编码区是间隔的、
的
相同点 都由能够编码蛋白质的 区和具体调控作用的 区组成
连续
不连续
编码
非编码
GENETIC ENGINEERING
关于
基因工程
操作场所
生物体外
转基因等技术
操作技术
操作结果
操作水平
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。
DNA 分子水平
到社会中去
番木瓜容易受番木瓜环斑病毒的侵袭。而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”。
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？
实际操作
在培育转基因番木瓜时，首先要在体外对含有所需要基因的DNA分子进行“切割”、改造和“拼接”；然后，将重组DNA分子导入番木瓜体细胞内，并使其在细胞中表达。
实现这一精确的操作过程至少需要三种“分子工具”：
准确切割 DNA 分子的“分子手术刀”
将 DNA 片段再连接起来的“分子缝合针”
体外重组好的DNA分子导入受体细胞的“分子运输车”
RESTRICTION ENDONUCLEASE
“分子手术刀”
限制性核酸内切酶
限制性核酸内切酶被誉为是“分子手术刀”。
那么，它是如何产生的，有何特性，具体作用是什么？
限制性核酸内切酶
在培育转基因番木瓜时，首先要在体外对含有所需要基因的DNA分子进行“切割”、改造和“拼接”；然后，将重组DNA分子导入番木瓜体细胞内，并使其在细胞中表达。
实现这一精确的操作过程至少需要三种“分子工具”：
准确切割 DNA 分子的“分子手术刀”
将 DNA 片段再连接起来的“分子缝合针”
体外重组好的DNA分子导入受体细胞的“分子运输车”
限制性核酸内切酶
主要来源于 生物。
来 源
原核
种 类
有 种。
数千
大肠杆菌
限制性核酸内切酶
能够识别双链DNA分子的 序列，并使每一条链中特定部位的 键断开。
作 用
特定核苷酸
磷酸二酯
G
C
T
T
A
A
G
C
T
A
A
T
双链 DNA 的结构和磷酸二酯键的位置示意图
磷酸二酯键
限制性核酸内切酶
识别序列
大多数限制酶的识别序列由 个核苷酸组成。
例如， EcoR I、Sma I 限制酶的识别序列均为 6 个核苷酸，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。
6
识别序列的特点：
遵循碱基互补配对原则，无论是奇数个碱基还是偶数个碱基，都可以找到一条中心轴线。
思考·讨论
平末端
EcoR I 限制酶和 Sma I 限制酶识别的碱基序列不同，切割位点不同说明限制酶具有什么特性？
专一性
思考·讨论
你能根据所掌握的知识，推测限制酶存在于原核生物中的主要作用是什么吗？
原核生物容易受到自然界外源 DNA 的入侵，所以它在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制。限制酶就是它的一种防御性工具。
当外源 DNA 入侵时，它会利用限制酶来切割外源 DNA，使之失效，以保证自身的安全。
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 1 个字母与种加词的头 2 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。
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。
若是从大肠杆菌 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。
易错总结
1. 限制酶是一类酶而不是一种酶。
2. 限制酶作用的化学键只能是磷酸二酯键，而不是氢键。
3. 限制酶具有特异性，任何一种限制酶都只能识别和切断特定的核苷酸序列，这是由酶的专一性所决定的。
4. 限制酶主要存在于微生物中，尤其是原核生物中。
6. 判断黏性末端是否由同一种限制酶切割形成的方法是：将黏性末端旋转180°，同一种限制酶切割形成的黏性末端应该是完全相同的结构。
DNA LIGASE
“分子缝合针”
DNA连接酶
前面经过限制性核酸内切酶的切割，可以获得 DNA 片段。
那么如何再将切下来的 DNA 片段拼接成新的 DNA 分子呢？
需要用到什么工具，原理是什么？
G
C
T
T
A
A
G
C
T
A
A
T
DNA 连接酶
结合教材 P72，思考：
DNA 连接酶的作用是什么？有哪些种类？
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。
种类 比较 E.coli DNA 连接酶 T4 DNA 连接酶
来源
特点
大肠杆菌
T4 噬菌体
只能连接
黏性末端
既可以连接黏性末端，
又可以连接平末端 (效率较低)
限制酶与 DNA 连接酶的比较
种类 比较 作用 应用
限制性 核酸内切酶
DNA 连接酶
使特定部位的磷酸二酯键断裂
在DNA片段之间重新形成磷酸二酯键
用于提取目的基因和切割载体
用于目的基因和载体的连接
DNA 聚合酶与 DNA 连接酶的比较
项目 DNA 连接酶 DNA 聚合酶
相同点
不 同 点 是否需要模板
作用对象
作用结果
用途
都是催化磷酸二酯键的形成
不需要
需要DNA的一条链作模板
在两个DNA片段间形成磷酸二酯键
将单个核苷酸加到已存在的DNA单链片段上，形成磷酸二酯键
形成完整的重组 DNA分子
形成DNA的一条链
基因工程
DNA 复制
GENES ENTER THE RECIPIENT CELL
“分子运输车”
基因进入受体细胞的载体
经过限制性核酸内切酶的切割和 DNA 连接酶的连接，最终获得 重组 DNA 分子。
那么如何将获得的重组 DNA 分子送入细胞，让其发挥作用呢？
分子运输车
要将一个外源基因，如苏云金杆菌中的抗虫基因，导入受体细胞，还需要有运输工具，就是“分子运输车”，又叫载体。
载体的作用
一是作为运载工具，与外源基因（即目的基因）的 DNA 片段结合，将目的基因转移到受体细胞中。
二是在受体细胞内对目的基因进行大量的复制。
载体的种类
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。
常见的载体
质粒、噬菌体
将外源基因导入大肠杆菌等受体细胞
将外源基因导入动物细胞
植物病毒
动物病毒
将外源基因导入植物细胞
最常见
载体必须具备的条件
若想成功将 DNA 导入受体细胞，载体需要具备什么特点？
① 在受体细胞中能保存下来并能大量复制。
② 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，且每种酶的切割位点最好只有一个。
大肠杆菌 pBR322 质粒就有多种限制酶的单一切割位点可运载多种目的基因。
载体必须具备的条件
③ 有某种标记基因，便于筛选含重组 DNA 的细胞，如大肠杆菌 pBR322 质粒携带四环素抗性基因，该基因可作为筛选的标记基因（多为抗性基因）。
④ 对受体细胞无害，不影响受体细胞正常的生命活动。
质粒
质粒是一种 的、结构 、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 双链 DNA 分子。
特 点
裸露
简单
环状
质粒
存在于细菌和酵母菌等生物细胞中，最常用的是大肠杆菌质粒。
来 源
环状 DNA 分子，其基因属于细胞质基因。
本 质
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。
概念区分
启动子
DNA 复制的起始位点。
终止子
位于基因的首端的一段特殊的 DNA 片断，它是RNA 聚合酶识别和结合的部位，有了它才能驱动基因转录出 mRNA ，最终获得蛋白质。
位于基因的尾端的一段特殊的 DNA 片断，使转录终止。
供重组 DNA 的筛选。
标记基因
复制原点
重组 DNA 分子
请在两张纸上分别写上，下列两段DNA序列：
根据教材图 3-3 中的相关信息找到两条片段上EcoR I 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。
思考·讨论
1. 剪刀和透明胶条分别代表哪种“分子工具”？
2. 制作的黏性末端的碱基能不能互补配对？若不能，可能是什么原因？
3. 你插入的DNA片段能称得上一个基因吗？
剪刀代表限制酶。透明胶条代表 DNA 连接酶。
若不能。可能是剪切位点或连接位点的选择不对。
不能。基因的长度一般在100个碱基对以上。
联系社会
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。
1. 以下几种酶中与磷酸二酯键的形成或断裂有关的有几种（ ）
C
① 限制性核酸内切酶 ② DNA连接酶 ③DNA聚合酶 ④ 解旋酶 ⑤ DNA酶
A. 两种 B. 三种
C. 四种 D. 五种
当堂检测
2. 下列有关限制酶和DNA连接酶的叙述正确的是（ ）
B
当堂检测
A. 所有的限制酶都只能识别一种特定核苷酸序列
B. 限制酶识别序列越短，则该序列在 DNA 中出现的概率就越大
C. 当限制酶在它识别序列的中心轴线两侧将 DNA 的两条链分别切开时，产生的是平末端
D. T4 DNA 连接酶和 E-coli DNA连接酶都能催化平末端和黏性末端的连接
3. 质粒是基因工程中最常用的目的基因运载工具。下列有关叙述正确的是（ ）
D
当堂检测
A. 质粒只分布于原核细胞中
B. 基因工程所用的载体只有质粒一种
C. 携带目的基因的重组质粒只有整合到宿主细胞的染色体 DNA 上，才会随后者的复制而复制
D. 质粒上的抗性基因常作为标记基因供重组 DNA 的鉴定和选择
4. 下列有关基因工程诞生的说法，不正确的是（ ）
当堂检测
A. 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
B. 工具酶和载体的发现使基因工程的实施成为可能
C. 遗传密码的破译为基因的分离和合成提供了理论依据
D. 基因工程必须在同物种间进行
D
当堂检测
5. 图甲是含有目的基因的外源DNA片段，图乙是用于将目的基因导入受体细胞的质粒（阴影部分表示抗生素抗性基因），相关限制酶的作用部位如图所示，现欲培养转基因抗病植株，回答下列问题。
(1) 上述操作中不宜选用Sma I，原因是Sma I 会破坏__________和____________。
(2) 基因工程的操作中，不宜选用 EcoR I，用 EcoR I 切割外源DNA 片段后_________________________________________________________。
目的基因只有一侧含有黏性末端，不能插入到质粒中
目的基因
抗性基因

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