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1、第2节 基因工程及其应用第1课时知识链接及考试地位本知识与“DNA分子的构造与复制、“基因突变与基因重组、“DNA重组技术的根本工具、“基因工程的根本操作程序等内容相联系，考试过程中常设计基因工程的原理、根本工具等根底知识，多以个别填空或选择题的形式呈现。知识回忆1、DNA分子的构造特点是什么？2、什么是基因重组？学习目标1、简述基因工程的诞生。2、简述基因工程的原理及技术。要明确基因工程操作的根本步骤与最根本的工具。重难点1教学重点 基因工程的根本原理。2教学难点基因工程的根本原理新知探究传统育种的方法一般只能在 生物中进展，很难将一种生物的优良性状移植到 生物身上。基因工程的出现使人类有可
2、能按照自己的意愿 地改变生物，培育出 。一、基因工程的原理基因工程又叫做 或 。通俗地说，就是按照人们的意愿，把一种生物的某种基因提取出来，加以 ，然后放到另一种生物细胞里， 地改造生物的遗传性状。基因工程是在DNA上进展的 水平的设计施工，基因的剪刀是指 ，简称限制酶。其作用特点是一种限制酶只能识别一种 序列。基因的针线是指 。目前常用的运载体有 、 与 等。质粒存在于许多 以及 等生物中，是细胞染色体外能够自主复制的小型 分子。基因工程的操作步骤是： 、目的基因与运载体结合，目的基因导入受体细胞、目的基因的 与 。二、基因工程的原理、操作对象各是什么？三、限制性内切酶的分布、特点、作用部位
3、与作用结果如何？四、作为基因的运载体，需具备哪些条件？五、DNA连接酶的作用对象、位置与结果如何？六、基因工程的优点是什么？七、基因重组与基因工程比拟比拟工程基因重组基因工程不同点重组方式繁殖方式变异大小一样点拓展延申基因工程技术一、基因工程诞生的理论依据1 DNA是遗传物质不同基因具有一样的物质根底。地球上的一切生物，从细菌到高等动物与植物，直至人类，它们的基因都是一个具有遗传功能的特定核苷酸序列的DNA片段。而所有生物的DNA的根本构造都是一样的。因此，不同生物的基因DNA片段原那么上是可以重组互换的。虽然某些病毒的基因定位在RNA上，但是这些病毒的RNA仍可以通过反转录产生。DNA并不影
4、响不同基因的重组或互换。A：肺炎双球菌转化实验1944年美国微生物学家Avery，通过细菌肺炎链球菌转化有毒与无毒研究确定了基因的分子载体是DNA，而不是蛋白质。B：噬菌体转染实验1952年Alfred Hershy与Marsha Chase用标记物的噬菌体P32与S35感染大肠杆菌，发现只有P32标记的DNA注入寄主细胞才能繁殖下一代进一步证明遗传物质是DNA。2 DNA双螺旋构造1953年James D. Watson与Francis H. C. Crick提醒了DNA分子的双螺旋构造与半保存复制机制。3中心法那么与遗传密码遗传密码是通用的。一系列三联密码子除极少数的几个以外同氨基酸之间的
5、对应关系，在所有生物中都是一样的。也就是说遗传密码是通用的，重组的 DNA分子不管导人什么样的生物细胞中，只要具备转录翻译的条件，均能转译出原样的氨基酸。即使人工合成的DNA分子基因同样可以转录翻译出相应的氨基酸。现在，基因是可以人工会成的。4基因是可切割的基因直线排列在DNA分子上。除少数基因重叠排列外，大多数基因彼此之间存在着间隔序列。因此，作为DNA分子上一个特定核苷酸序列的基因，允许从DNA分子上一个一个完整地切割下来。即使是重叠排列的基因，也可以把指定的基因切割下来，尽管破坏了其他基因。5基因是可以转移的基因不仅是可以切割下来的，而且发现生物体内有的基因可以在染色体DNA上移动，甚至
6、可以在不同染色体间进展跳跃，插入到靶DNA分子之中。由此说明基因不仅是可转移的。6多肽与基因之间存在对应关系现在普遍认为，一种多肽就有一种相对应的基因。因此，基因的转移或重组可以根据其表达产物多肽的性质来检查。7基因可以通过复制把遗传信息传递给下一代经重组的基因一般来说是能传代的，可以获得相对稳定的转基因生物。二、基因工程的研究内容-根底研究基因工程问世以来，科技工作者始终十分重视根底研究，包括构建一系列克隆载体与相应的表达系统，建立不同物种的基因组文库与cDNA文库，开发新的工具酶，探索新的操作方法等，各方面取得了丰硕的研究成果，使基因工程技术不断趋向成熟。1、基因工程克隆载体的研究基因工程
7、的开展是与克隆载体构建密切相关的，由于最早构建与开展了用于原核生物的克隆载体，所以以原核生物为对象的基因工程研究首先得以迅速开展。Ti质粒的发现以及成功地构建了Ti质粒衍生的克隆载体后，植物基因工程研究随之就迅速开展起来。动物病毒克隆载体的构建成功，使动物基因工程研究也有一定的进展。可以认为构建克隆载体是基因工程技术路线中的核心环节。至今已构建了数以千计的克隆载体。但是构建新的克隆载体仍是今后研究的重要内容之一。尤其是适合用于高等动植物转基因的表达载体与定位整合载体还须大力开展。2、基因工程受体系统的研究基因工程的受体与载体是一个系统的两个方面。前者是克隆载体的宿主，是外源目的基因表达的场所。
8、受体可以是单个细胞，也可以是组织、器官、甚至是个体。用作基因工程的受体可分为两类，即原核生物与真核生物。原核生物大肠杆菌是早期被采用的最好受体系统，应用技术成熟，几乎是现有一切克隆载体的宿主；以大肠杆菌为受体建立了一系列基因组文库与cDNA文库，以及大量转基因工程菌株，开发了一批已投入市场的基因工程产品。蓝细菌蓝藻是进展植物型光合作用的原核生物，兼具植物自养生长与原核生物遗传背景简单的特性，便于基因操作与利用光能进展无机培养。因此，近年来蓝细菌开场被用作廉价高效表达外源目的基因的受体系统。酵母菌是十分简单的单细胞真核生物，具有与原核生物很多相似的性状。酵母菌营异养生长，便于工业化发酵；基因组相
9、对较小，有的株系还含有质粒，便于基因操作。因此酵母菌是较早被用作基因工程受体的真核生物。有人把酵母菌同大肠杆菌一起看作是第一代基因工程受体系统。酵母菌不仅是外源基因尤其是真核基因表达的受体，建立了一系列工程菌株，而且成为当前建立人与高等动物、植物复杂基因组文库的受体系统。真核生物单细胞小球藻与衣藻也被用于研究外源基因表达的受体系统。随着克隆载体的开展，至今高等植物也已用作基因工程的受体，一般用其愈伤组织、细胞与原生质体，也用局部组织与器官。目前用作基因工程受体的植物有双子叶植物拟南芥、烟草、番茄、棉花等，单子叶植物水稻、玉米、小麦等，获得了相应的转基因植物。动物鉴于体细胞再分化能力差，目前主要
10、以生殖细胞或胚细胞作为基因工程受体，获得了转基因鼠、鱼、鸡等动物。动物体细胞也用作基因工程受体，获得了系列转基因细胞系，用作根底研究材料，或用来生产基因工程药物。随着克隆羊的问世，对动物体细胞作为基因工程受体的研究越来越被重视，将成为21世纪初重要研究课题之一。人的体细胞同样可作为基因工程的受体，转基因细胞系用于病理研究。近年来还以异常生长的细胞作为受体，通过转基因使其回复正常生长状态基因治疗。3、目的基因研究基因是一种资源，而且是一种有限的战略性资源。因此开发基因资源已成为兴旺国家之间剧烈竞争的焦点之一，谁拥有基因专利多，谁就在基因工程领域占主导地位。基因工程研究的根本任务是开发人们特殊需要
11、的基因产物，这样的基因统称为目的基因。具有优良性状的基因理所当然是目的基因。而致病基因在特定情况下同样可作为目的基因，具有很大的开发价值。即使是那些今天尚不清楚功能的基因，随着研究的深入，也许以后成为具有很大开发价值的目的基因。获得目的基因的途径很多，主要是通过构建基因组文库或cDNA文库，从中筛选出特殊需要的基因。近年来也广泛使用PCR技术直接从某生物基因组中扩增出需要的基因。对于较小的目的基因也可用人工化学合成。现在已获得的目的基因大致可分为三大类：第一类是与医药相关的基因；第二类是抗病、虫害与恶劣生境的基因；第三类是编码具特殊营养价值的蛋白或多肽的基因。近年来越来越重视基因组的研究工作，
12、试图搞清楚某种生物基因组的全部基因，为全面开发各种基因奠定根底。据统计，至1998年完成基因组测序的生物有11种，如嗜血流感杆菌1830 137bp，1743个基因、产甲烷球菌1664 976 bp，1682个基因、大肠杆菌 K-124 639 221bp，4288个基因、啤酒酵母12 x 10 bp，5882个基因、枯草杆菌 Bacillussubrilis421 X10bp，4100个基因。早在20世纪80年代就有人对人类基因组产生了兴趣，提出人类基因组研究方案。从1990年开场，先后由美国、英国、日本、德国、法国等国实施“人类基因组方案，我国于1999年9月也获准参加这一国际性方案，在北
13、京与上海分别成立了人类基因组研究中心，承当人类基因组1的测序任务。这些国家聚集了一批科技人员，经过十年的辛勤工作，于2000年6月宣告人类基因组“工作框架图已经绘制完毕。同时已破译了近万个基因。至1999年，美国对6500个人类基因提出了专利申请。一般认为人类基因组含有数万个基因，各司其职，控制着人的生长、发育、繁殖。一旦人类基因组全部被破译，就可了解人类几千种遗传性疾病的病因，为基因治疗提供可靠的依据，并且将保证人类的优生优育，提高人类的生活质量。除“人类基因组方案以外，目前正在实施“水稻基因组方案。以稻米为主食的我国早在1992年8月正式宣布实施“水稻基因组方案，并且是目前国际“水稻基因组
14、方案的主要参加者，并于2001年10月12日，中国科学院、国家计委、科技部联合召开新闻发布会，宣布具有国际领先水平的中国水稻税稻基因组“工作框架图与数据库在我国已经完成。这一成果标志着我国已成为继美国之后，世界上第二个能够独立完成大规模全基因组测序与组装分析能力的国家，说明我国在基因组学与生物信息学领域不仅掌握了世界一流的技术，而且具备了组织与实施大规模科研工程开发的能力。籼稻全基因组“工作框架图的完成，将带动小麦、玉米等所有粮食作物的根底与应用研究。此外，中国、美国合作的“家猪基因组方案也已经启动。4、基因工程工具酶的研究基因工程工具酶指体外进展DNA合成、切割、修饰与连接等系列过程中所需要
15、的酶，包括DNA聚合酶、限制性核酸内切酶、修饰酶与连接酶等。限制性核酸内切酶用于有规律地切割DNA把提供的DNA原材料切割成具特定末端的DNA片段。现已从不同生物中发现与别离出上千种限制性核酸内切酶，根本上可满足按不同目的切割各种DNA分子的需要。耐热性限制性核酸内切酶与长识别序列稀切酶仍是当前研究的热门课题。DNA连接酶用于连接各种DNA片段，使不同基因重组。现在常用的DNA连接酶只有两种，即大肠杆菌DNA连接酶与 T4 DNA连接酶，前者只能连接具勤性末端的 DNA片段；后者既能连接具默性末端的DNA片段，也能连接具平末端的DNA片段。DNA聚合酶用于人工合成连杆、引物等DNA小片段以及含
16、基因的较大的DNA片段，还用于制备DNA探针。多种耐热性DNA聚合酶的发现，使使PCR技术迅速开展给当今生命科学提供了先进的研究手段。5、基因工程新技术研究围绕外源基因导人受体细胞，开展了一系列用于不同类型受体细胞的DNA转化方法与病毒转导方法，特别是近年来研制的基因枪与电激仪克制了某些克隆载体应用的物种局限性，提高了外源DNA转化的效率。围绕基因的检测方法，在放射性同位素标记探针的根底上，近年来又开展了非放射性标记DNA探针技术与荧光探针技术，如生物素标记DNA探针、Dig标记DNA探针、荧光素标记DNA探针等。PCR技术的开展不仅大大提高了基因检测的灵敏度，而且为别离基因提供了快速简便的途
17、径。PCR技术自从1985年建立以来，开展很快，除一般采用的常规PCR技术外还开展了多种特殊的PCR技术，如长片段PCR技术、反转录PCR技术、免疫PCR技术、套式引物PCR技术、反向PCR技术、标记PCR技术、复合PCR技术、不对称PCR技术、定量PCR技术、锚定PCR技术、重组PCR技术、加端PCR技术等等。凝胶电泳技术可以在凝胶板上把不同分子大小的DNA分子或DNA片段分开，但是只能分辨几万碱基的DNA分子或片段。脉冲电泳技术的问世，不仅能分开上百万碱基的DNA分子或片段，而且能够使完整的染色体彼此分开。当堂检测1、DNA连接酶的重要功能是 A.DNA复制时母链与子链之间形成氢键 C.两
18、条DNA末端之间的缝隙连接起来 2、基因工程是在DNA分子水平上进展设计施工的，在基因操作的根本步骤中，不进展碱基互补配对的步骤是 A人工合成基因 B目的基因与运载体结合C将目的基因导入受体细胞 D目的基因的检测与表达3、基因工程中常作为基因的运载体的一组构造是：A质粒.线粒体.噬菌体 C质粒.噬菌体.动植物病毒 4、科学家们经过多年的努力，创立了一种新的生物技术基因工程，实施该工程的最终目的是 ( ) A定向提取生物体的DNA分子 B定向地对DNA分子进展人工“剪切C在生物体外对DNA分子进展改造D定向改造生物的遗传性状5、以下有关基因工程的表达，正确的选项是 ( )A基因工程是细胞水平上的
19、生物工程 B基因工程的产物对人类都是有益的 C基因工程产生的变异属于人工诱变 D基因工程育种的优点之一是目的性强 6、右下列图是将人的生长激素基因导入细菌B细胞内制造“工程菌示意图，所用载体为质粒A.细菌B细胞内不含质粒A，也不含质粒A上的基因，质粒A导入细菌B后，其上的基因能得到表达.1图中质粒A与目的基因结合产生重组质粒的过程通常是在体外完成的，此过程必须用到的工具酶为_.2在导入完成后得到的细菌，实际上有的根本没有导入质粒，所以在基因工程的操作步骤中必须要有_这一步骤.3假设将重组质粒导入细菌后，目的基因在“工程菌中表达成功的标志是什么？_ 。个人总结答案：同种；另一种；一、基因拼接技术
20、；DNA重组技术；修饰改造；定向；分子；限制性核酸内切酶；特定的核苷酸；DNA连接酶；质粒；噬菌体；动植物病毒；细菌；酵母菌；环状DNA；提取目的基因；表达；检测二、基因重组；DNA分子；三、A、分布：主要在微生物体内尤其是原核生物。B、特点：具有专一性与特异性。一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子。C、磷酸二酯键D、结果：产生两个带有黏性未端的DNA片段四、具有专一性与特异性。一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子。五、A、作用对象：两个具有一样粘性末端的DNA分子B、作用位置：脱氧核糖与磷酸之间的缺口C、作用结果：形成重组DNA分子六、可以在不同种生物间进展，克制了远缘杂交不亲与的障碍；可以按照人们的意愿直接定向地改造生物，培育出新品种。七、比拟工程基因重组基因工程不同点重组方式同一物种的不同基因不同物种间的不同基因繁殖方式有性生殖无性生殖变异大小小大一样点都实现了不同基因间的重新组合，都能使生物产生变异当堂检测：CCCDD6、1限制酶与DNA连接酶2目的基因的检测与表达3“工程菌能合成生长激素第 14 页