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3.2 基因工程的操作程序 第1课时
教 案
一、教学目标
1.基于已学的原理并能用结构与功能观解释获取目的基因几种途径的原因、特点以及基因表达载体的组成部分以及目的基因检测与鉴定的方法。
2.能运用流程图的形式概括出基因工程的基本操作程序。
3.基于基因工程原理和操作程序，尝试提出某一转基因植物的方案并就其中的操作程序展开探究。
二、教学重难点
教学重点
基因工程基本操作程序的四个步骤。
教学难点
1.从基因文库中获取目的基因。
2.目的基因检测与鉴定的方法。
三、教学过程
【新课导入】
从社会中来：
展示图片
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。
提出问题：
（1）你知道转基因抗虫棉抗虫的机制是什么吗？
（2）培育转基因抗虫棉一般需要哪些步骤？
学生：课前查阅资料，展示欣赏棉铃虫图片，了解转基因棉花研究历史和经济价值。
提示：
（1）转基因抗虫棉的机制是抗虫基因（Bt基因）来源于苏云金杆菌，Bt基因表达的蛋白质具有杀虫活性。当害虫食用转基因抗虫棉花的时候，同时摄入Bt基因表达产生的蛋白质，这种蛋白质在害虫肠道内被激活，造成肠道穿孔，导致害虫死亡。
（2）培育转基因抗虫棉的步骤有：目的基因的筛选与获取、基因表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定。
教师：科学家将苏云金杆菌的“杀虫基因”——Bt抗虫蛋白基因转到棉花里，让棉花也能产生产生苏云金杆菌伴胞晶体蛋白（Bt抗虫蛋白），破坏鳞翅目昆虫的消化系统来杀死棉铃虫。培育转基因抗虫棉主要需要四个步骤：目的基因的筛选与获取、基因表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定。
联系生活实例，激发学生的学习兴趣。
进而引出本节课题——基因工程的基本操作程序
【新课讲授】
（一）目的基因的筛选与获取
1.目的基因
定义：在基因工程的设计和操作中，用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等相关的基因。
根据不同的需要，目的基因不同，主要是指编码蛋白质的基因。如：与生物抗逆性、优良品质、生产药物、毒物降解和工业用酶等相关的基因。
资料：苏云金杆菌通过产生苏云金杆菌伴胞晶体蛋白（Bt 抗虫蛋白），破坏鳞翅目昆虫的消化系统来杀死棉铃虫。科学家将“杀虫基因”转入棉花中，棉花产生Bt 抗虫蛋白抵抗虫害。
2.基因的结构（知识补充）
（1）原核生物基因
展示原核生物基因的结构：
①非编码区：不编码蛋白质，含有能调控遗传信息表达的DNA序列（如启动子、终止子）
组成：编码区上游与编码区下游
功能：不能编码蛋白质，调控遗传信息的表达
启动子：RNA聚合酶结合位点 转录起始的信号
终止子：终止RNA的合成
②编码区：能转录相应的mRNA，进一步编码出蛋白质的DNA序列。编码蛋白质的合成。
（2）真核生物基因
展示真核生物基因的结构：
①编码区
外显子：能转录相应的mRNA，进一步能编码蛋白质的DNA序列
内含子：能转录相应的mRNA，然后在翻译前就被剪切掉，不能编码蛋白质的DNA序列
②非编码区：不编码蛋白质，含有能调控遗传信息表达的DNA序列，包括启动子、终止子等。
列表比较原核细胞与真核细胞的基因结构：
3.目的基因的获取方式
科学家已经明确Bt基因的序列信息，也对Bt抗虫蛋白有深入了解；利用序列数据库（如GenBank）、序列对比工具（如BLAST）等，找到合适的目的基因。
问题：筛选出来的目的基因如何获取？
（1）从基因文库中直接获取
基因文库有基因组文库和部分基因文库（cDNA）两类
①基因组文库：含有某种生物全部基因片段的重组DNA的克隆群体。以下为基因组文库的建立：
②部分基因文库（cDNA基因文库）：含有某种生物部分基因片段的重组DNA的克隆群体。
③基因组文库和部分基因文库的比较
（2）人工合成
①前提：基因比较小、核苷酸序列已知
②方法：通过DNA合成仪用化学方法直接合成目的基因
反转录法：主要用于相对分子质量较大而又不知其核苷酸序列的基因。它以目的基因的mRNA为模板，借助逆转录酶合成双链DNA。
化学合成法：依据某一蛋白质的氨基酸序列，推测出其基因序列，然后直接合成目的基因。
（3）利用PCR获取和扩增目的基因
①发明者：穆里斯
PCR由穆里斯等人（先入为主）于1985年发明，为此，穆里斯于1993年获得诺贝尔化学。
如果说，沃森和克里克发现DNA双螺旋结构，标志着分子生物学时代的开启，那么PCR技术则标志着分子生物学的腾飞。PCR技术的出现，彻底变革了生物化学、分子生物学、遗传学、以及现代医学等等。
历史不能忘记中国科学家对PCR的贡献。钱嘉韵（中国台湾省，1976年）
②PCR技术：是聚合酶链式反应的缩写。它是一项根据DNA半保留复制的原理，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。
对PCR技术的理解：
全称：__________聚合酶链式反应___________
原理：___________DNA半保留复制___________
操作环境：__________体外（PCR扩增仪/PCR仪）___________
目的：__________对目的基因的核苷酸序列进行大量复制___________
优点：___________可以在短时间内大量扩增目的基因___________
③DNA复制所需的基本条件和作用：
注：引物是一小段能与______DNA母链__________的一段碱基序列__________互补配对_的______短单链核酸__________。
④PCR反应的过程
过程归纳：
目的基因DNA受热变性后解为单链，引物与单链相应互补序列结合；然后以单链DNA为模板在DNA聚合酶作用下进行延伸，即将4种脱氧核苷酸加到引物的3’，如此重复循环多次，每次循环一般可以分为变性、复性和延伸三步。
注：
变性 温度上升到90 ℃左右，双链DNA解聚为单链
复性 温度下降到55 ℃左右，两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合
延伸 温度上升到72 ℃左右，Taq酶从引物起始合成互补链，可使新链由5′端向3′端延伸
提问：用PCR可以扩增mRNA吗？
提示：mRNA不可以直接扩增，需要将它逆转录成cDNA再进行扩增。
逆转录酶以RNA为模板合成一条与RNA互补的DNA链，形成RNA-DNA杂交分子；
核酸酶H降解RNA-DNA杂交分子中的RNA链，使之变成单链DNA；
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，即cDNA
（二）基因表达载体的构建
提出问题：获得了足量的目的基因后，是否能直接将目的基因导入受体细胞呢？若这样操作，效果如何？
学生回答：核心步骤——基因表达载体构建。
1.目的：
基因工程的核心是基因表达载体的构建，其目的是使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代。同时使目的基因能够表达和发挥作用。
2.基因表达载体的组成
提出问题：作为基因表达载体，除了目的基因外，还需要哪些元件呢？
展示基因表达载体结构图：
一个基因表达载体的组成，除了有目的基因外，还必须有启动子、终止子、标记基因等。
①目的基因：指外源DNA分子的有效片段。
②启动子：启动子是一段有特殊序列结构的DNA片段，位于基因的上游，紧挨转录的起始位点，它是RNA聚合酶识别和结合的部位，有了它才能够驱动基因转录出mRNA，最终表达出人类所需的蛋白质。
③终止子：位于基因的下游，也是一段有特殊序列结构的DNA片段，是转录过程终止的信号。
④标记基因的作用：用于鉴别受体细胞中是否含有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出来，如抗生素抗性基因就可以作为标记基因。
思考与讨论：
（1）辨析：“启动子与终止子”和“起始密码子与终止密码子”
答案提示：
启动子与终止子位于DNA分子中，作用：起始和终止转录过程。
启动密码子与终止密码子位于mRNA分子中，作用：起始和终止翻译过程。
（2）结合图示，概述基因表达载体构建的流程。
答案提示：
①用限制酶切割载体，使它出现一个缺口。
②用同种限制酶或能产生相同末端的限制酶切割含有目的基因的DNA片段，获取目的基因。
③用DNA连接酶将目的基因片段拼接到载体缺口处，形成重组DNA分子。
（3）如果用一种限制酶分别切割目的基因和质粒，再用DNA连接酶处理后会出现几种产物？(只考虑两两结合)
答案提示：
目的基因——载体连接物、载体——载体连接物、目的基因——目的基因连接物。
四、板书设计
3.2 基因工程的基本操作程序 第1课时

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