资源简介

(共38张PPT)
高中生物选择性必修三
第三章 · 第二节
第二节
基因工程的
基本操作程序
Genetically engineered Basic operating procedures
核心素养
结合实例，采用文字和图示方式说明基因工程的基本操作程序。
生命观念
01
科学探究
02
社会责任
03
运用结构与功能观等观念理解PCR技术的过程、原理、条件等。
利用基因工程技术和方法获得人类生产或生活所需产品。
课标要求
明确基因工程操作的涉及的技术以及方法。
01
02
03
阐明基因工程的基本操作程序及其主要步骤。
联系基因工程与实际生产生活的关系及应用。
新课导入
右图展示的是2014年5月14日《农民日报》刊发的文章《一切成果都是为国分忧为民解难》的内容。
文章介绍了科学家郭三堆克服困难，成功培育我国拥有自主知识产权的转基因抗虫棉的先进事迹以及转基因抗虫棉所产生的社会效益和经济效益。
新课导入
1997 年，我国政府首次批准商业化种植转基因抗虫棉。到2015 年，我国已育成转基因抗虫棉新品种 100 多个，减少农药用量 40 万吨，增收节支社会经济效益 450 亿元。
为什么传统的杂交育种方法培育不出抗虫棉，基因工程却可以？
转基因抗虫棉抗虫的机制是什么？
新课导入
区分苏云金杆菌、Bt 抗虫蛋白和 Bt 基因。
Bt 基因是从苏云金芽孢杆菌中分离的基因，能够控制 Bt 抗虫蛋白的合成，具有高度专一的杀虫特性，对靶标害虫有效，对人类和有益昆虫无毒害作用。
因而 Bt 基因是培育转基因抗虫棉较为合适的目的基因。
苏云金杆菌
Bt 抗虫蛋白
Bt 基因
含有
控制
合成
杀死
目标
害虫
操作步骤
想要培育转基因抗虫棉，主要需要四个步骤：
01
目的基因的筛选与获取
02
基因表达载体的构建
03
目的基因导入受体细胞
04
目的基因的检测与鉴定
目的基因的
筛选与获取
01
目的基因
什么是目的基因，怎么能够确定我们所需要的目的基因？
在基因工程的设计和操作中，用于改变受体细胞
或获得预期 等的基因就是目的基因。
概念
性状
表达产物
它主要是指编码 的基因。
蛋白质
生物抗逆性
优良品质
生产药物
毒物降解
工业用酶
目的基因
所以，如果我们想要获取抗虫棉，就需要将抗虫基因导入普通棉花的 DNA 上。
Bt 基因是培育转基因抗虫棉较为合适的目的基因。
如今我们已经知道了目的基因的概念和原理。
那么如何从众多基因中筛选出我们需要的目的基因呢？
目的基因的筛选
在培育转基因抗虫棉之前，科学家不仅掌握了 Bt 基因的序列信息，也对 Bt 基因的表达产物_______
___________有了较为深入的了解。
认识基因结构和功能的技术方法：_______________技术、遗传序列数据库、______________工具。
有效方法
从相关的________________和_________________的基因中进行筛选。
已知结构
功能清晰
实例分析
Bt
抗虫蛋白
DNA 测序
序列比对
目的基因的获取
将含有某种生物不同基因的许多 DNA 片段，导入受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因，称为基因文库。
从“基因文库”中获取目的基因。
基因文库
基因组文库：
包含一种生物的全部基因
部分基因文库：
包含一种生物的一部分基因( 如 cDNA 文库）
种类
划分
目的基因的获取
什么是 cDNA 文库，如何获得目的基因？
cDNA
文库
某种生物基因组转录的全部 mRNA 经反转录产生的 cDNA 片段与适当的载体连接后导入受体菌，这样包含着全部mRNA信息的cDNA克隆集合称为cDNA文库。
基因
探针
用DNA探针从基因文库中准确提取目的基因，根据目的基因的核苷酸序列制成一段与之互补的核苷酸短链，并用同位素标记，即成为探针。
用这一探针探查基因文库中已经变性的 DNA 片段，如果有一个 DNA 片段能和探针片段互补而结合成双链（分子杂交），这一片段即含有所需要的基因。
两种文库的比较
cDNA 文库
基因组文库
文库大小
有无启动子
有无内含子
基因数量
物种间的基因交流
大
小
有
无
有
无
某种生物的全部基因
某种生物的部分基因
部分基因可以
可以
比较项目
目的基因的获取
还有哪些方式，可以获取目的基因？
在我国首批具有较高抗虫活性的转基因抗虫棉的培育过程中，科学家人工合成了目的基因。
反转录法或采用 DNA 合成仪人工合成长度不是很大的DNA 片段（基因序列已知）
具体方法
目的基因的 mRNA
单链 DNA
双链 DNA (即目的基因)
反转录
合成
目的基因的获取
也可使用 DNA 合成仪合成核苷酸序列较短的目的基因。
已知氨基酸序列的蛋白质
mRNA的核苷酸序列
目的基因的核苷酸序列
目的基因
推测
推测
合成
目的基因的获取
现在，常用 PCR 特异性地快速扩增目的基因。
PCR 是聚合酶链式反应的缩写。
原理
根据 的原理。
DNA 半保留复制
在体外提供参与 DNA 复制的各种组分与反应条件，对目的基因的核苷酸序列进行大量复制的技术。
穆里斯
目的基因的获取
PCR 是一项体外复制特定 DNA 片段的核酸合成技术。
什么情况下适合用 PCR 技术呢？
适用条件
获取核苷酸序列已知或部分已知的目的基因。
PCR 的进行需要满足于哪些条件？
可以结合 DNA 的复制条件考虑。
目的基因的获取
DNA 复制所需要的条件
参与的组分 在DNA复制时的作用
解旋酶（体外用高温代替） 打开 DNA 双链
DNA 母链 提供 DNA 复制的模板
4 种脱氧核苷酸 合成 DNA 子链的原料
DNA 聚合酶 催化合成 DNA 子链
引物 使 DNA 聚合酶能够从引物的3’端开始连接脱氧核苷酸
PCR 反应
DNA模板、分别与两条模板链结合的2种__________、四种______________、____________________________。
引物
脱氧核苷酸
耐高温的 DNA 聚合酶
是一小段能与______________的一段碱基序列________
______的短单链核酸。用于 PCR 的引物长度通常为20~ 30个核苷酸。
DNA 母链
条件
引物
互补
配对
单个引物中的碱基不能互补配对，两个引物之间不能有两个以上连续碱基互补序列。
PCR 反应
下面的核苷酸序列能作为引物吗？
判断
5’
GGCAGTCTGCCAGTCTAC3’
5’
GGCAGTCTGCCAGTCTAC3’
GACGG5’
T
CTGCCAGTCTAC3’
发卡结构
PCR 反应
真核细胞和细菌的 DNA 聚合酶都需要 Mg2+ 激活。PCR 反应缓冲溶液中一般要添加 Mg2+。
环境条件
同时，通过控制温度使 DNA 复制在体外能够反复进行。
具体是通过怎样的过程来操作实现的呢？
PCR 反应过程
第一步
变性
DNA 模板
温度上升到 90 ℃ 以上，双链 DNA 解聚为单链。
待扩增的DNA 模板
PCR 扩增仪（900C 以上）
PCR 反应过程
第二步
复性
当温度下降到 50℃ 左右时，两种引物通过碱基互补配对与两条单链 DNA 结合。
单链DNA
引物1
引物2
+
引物与 DNA 结合
PCR 反应过程
第三步
延伸
温度上升到72℃左右时，4种脱氧核替酸在耐高温的 DNA 聚合酶的作用下，根据碱基互补配对原则合成新的DNA链。
引物与 DNA 结合
DNA 聚合酶作用
第一轮产物
PCR 反应过程
第四步
重复循环多次
第一轮循环的产物作为第二轮反应的模板，经过变性、复性和延伸三步产生第二轮循环的产物。
第一轮产物
第二轮
第三轮
第三轮亦是如此。
PCR 反应过程
结果
每次循环后目的基因的量增加一倍，即成_______形式扩增( 约为 2n )。
每次循环后会产生什么结果？
指数
目的
基因
目的
基因
思考·讨论
Q1
第几轮最先获得目的基因？
母链
母链
思考·讨论
Q2
复制 n 轮需要几种引物？多少个引物呢？
需要 2 种引物。
复制 n 轮形成 2n 个 DNA 分子，即有 2n+1 个DNA 单链。
每个单链能与一个引物结合，但最初的两条模板连不结合引物。
所以，需要 2n+1-2 个引物。
PCR技术
DNA 复制
项目
条件
原理
解旋
场所
酶
结果
相
同
点
不同
点
比较 PCR 和 DNA 复制
4种脱氧核苷酸、能量、模板、酶
半保留复制；碱基互补配对原则
高温下变性解旋
解旋酶催化，边解旋边复制
体外复制(30多次)
主要在细胞核内
热稳定的DNA聚合酶
细胞内的DNA聚合酶
大量的DNA片段
形成整个DNA分子
琼脂糖凝胶电泳
上述过程可以在 PCR 扩增仪（PCR仪）中自动完成，完成以后，通常采用琼脂糖凝胶电泳来鉴定 PCR 的产物。
琼脂糖凝胶电泳来鉴定 PCR 的产物
思考·讨论
Q3
用 PCR 可以扩增 mRNA 吗？
mRNA 不可以直接扩增，需要将它逆转录成 cDNA 再进行扩增。
1. 逆转录酶以 RNA 为模板合成互补的DNA链，形成RNA-DNA杂交分子。
2. 核酸酶H降解RNA-DNA杂交分子中的RNA链，使之变成单链DNA。
3. 以单链 DNA 为模板，在 DNA 聚合酶的作用下合成另一条互补的DNA 链，形成双链 DNA 分子。
小结
获取目的基因的方法
从基因文库中获取目的基因
基因文库
反转录法或采用DNA 合成仪人工合成
人工合成
利用PCR技术扩增目的基因（基因序列部分或全部已知）
PCR技术
当堂检测
Q1
下列不属于获得目的基因方法的是（ )
A. 从基因文库中获取
B. 利用人工合成法获得
C. 利用 PCR 技术大量获得
D. 利用农杆菌转化法获得
D
解释
农杆菌转化法是把目的基因导入受体细胞的方法，而不是获得目的基因的方法。
当堂检测
Q2
下列关于 cDNA 文库和基因组文库的说法中，不正确的是（ ）
B
A. cDNA 文库中只含有某种生物的部分基因，基因组文库中含有某种生物的全部基因
B. 如果某种生物的 cDNA 文库中的某个基因与该生物的基因组文库中的某个基因控制的性状相同，则这两个基因的结构也完全相同
C. cDNA 文库中的基因没有启动子
D. 一种生物的 cDNA 文库包含的基因种类要比基因组文库少
当堂检测
Q3
在基因较小、序列信息已知的情况下，获取目的基因的最方便方法是（ )
A
A. 化学合成法
B. 基因组文库法
C. cDNA 文库法
D. 多聚酶链式反应
解释
目的基因的序列未知的情况下，可以采用从基因文库中获取目的基因。
目的基因比较小，核苷酸序列已知的情况下常采用人工合成法。
当堂检测
Q4
PCR 是一种体外迅速扩增 DNA 片段的技术。
下列有关该技术的叙述，不正确的是（ ）
D
A. PCR 技术的原理是 DNA 复制
B. 变性过程中利用高温使 DNA 双链解开
C. 复性过程中引物与 DNA 模板链的结合是依靠碱基互补配对原则完成的
D. 延伸过程需要 Taq酶、ATP、四种核糖核苷酸
当堂检测
Q5
科学家将含有人的胰岛素基因的DNA片段注入牛的受精卵中，该受精卵发育的牛能分泌人的胰岛素。下列对这一过程的叙述，不正确的是（ ）
C
A. 如果用逆转录法人工合成人的胰岛素基因，应从人的胰腺组织中获得相应 mRNA
B. 人的胰岛素基因能够在牛的细跑内复制、转录、翻译
C. 该牛称为“克隆牛”，其细胞内会发生RNA的复制
D. 该过程定向地改造了生物的遗传性状

展开更多......

收起↑