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1、基因工程及基因工程及其应用其应用第第2节节惠东高级中学惠东高级中学能发能发荧光荧光的热的热带斑带斑马鱼马鱼普通热带斑马鱼是不发荧光的普通热带斑马鱼是不发荧光的你知道为什么能把人的基因“嫁接”到细菌上吗？你能推测出，这种基因的“嫁接”是怎么实现的吗？你能举出一些类似的、与你的生活关系很密切的例子吗？“嫁接”了人胰岛素基因的工程菌一、基因工程的概念：一、基因工程的概念：又叫做又叫做基因拼接技术基因拼接技术或或DNADNA重组技术重组技术。通。通俗的说，就是按照人们的意愿，把一种生物俗的说，就是按照人们的意愿，把一种生物的某种基因提取出来，加以修饰改造，然后的某种基因提取出来，加以修饰改造，然后放到
2、另一种生物的细胞里，放到另一种生物的细胞里，定向定向地改造生物地改造生物的的遗传性状遗传性状。原理原理操作环境操作环境操作对象操作对象操作水平操作水平基本过程基本过程结果结果基因重组基因重组生物体外生物体外基因基因/DNA分子水平分子水平剪切剪切拼接拼接导入导入表达表达人类需要的基因产物人类需要的基因产物1、基因的基因的“剪刀剪刀”限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶 专一性：专一性：识别识别特定核苷酸特定核苷酸序列序列，在，在特定的切点特定的切点切切DNA，具具特异性特异性。并裂解并裂解磷酸二酯磷酸二酯键键，产生两个产生两个黏性末端黏性末端。二、基因操作的工具二、基因操作的工具黏性末端黏性末端黏
3、性末端黏性末端例：大肠杆菌的一种限制酶例：大肠杆菌的一种限制酶(EcoR)能识别能识别 GAATTC序列，并在序列，并在G和和A之间切开。之间切开。EcoR被同一种限制酶切断的几个被同一种限制酶切断的几个DNADNA是否具是否具有相同的黏性末端？有相同的黏性末端？思考思考:2、基因的、基因的“针线针线”DNA连接酶连接酶连接酶的作用：连接酶的作用：将互补配对的两个黏性末端连接起来，使将互补配对的两个黏性末端连接起来，使之成为一个完整的之成为一个完整的DNA分子。分子。连接的部位：连接的部位：生成磷酸二酯键生成磷酸二酯键DNA连接酶的作用过程：连接酶的作用过程：连接酶的作用是：将互补配对的两个黏
4、性末连接酶的作用是：将互补配对的两个黏性末端连接起来，使之成为一个完整的端连接起来，使之成为一个完整的DNADNA分子。分子。基因的针线：基因的针线：DNA连接酶连接酶G A A T T CC T T A A GG A A T T CC T T A A GG C T T A A A A T T C GG C T T A A A A T T C GG C T T A A A A T T C G用同种限制酶切割用同种限制酶切割3、基因的运输工具、基因的运输工具运载体运载体 常常用用的的运运载载体体：质质粒粒、噬噬菌菌体体和和动植物病毒等动植物病毒等标记基标记基因，便因，便于进行于进行检测。检测。质
5、粒存在于质粒存在于许多细菌和酵母许多细菌和酵母菌等生物中菌等生物中,是细是细胞染色体外能够胞染色体外能够自主复制的很小自主复制的很小的环状的环状DNADNA分子分子.作为运载体必须具备哪些条件？1）能够在宿主细胞中复制并稳定地保存。2）具多个限制酶切点，以便与外源基因连接。3）具有某些标记基因，便于进行筛选。如抗菌素的抗性基因、产物具有颜色反应的基因等。1、细胞染色体（或拟核DNA分子）外能自主复制的小型环状DNA分子；2、质粒的存在对宿主细胞无影响；3、质粒的复制只能在宿主细胞内完成。质粒可作为有何特点？三、基因工程的操作步骤三、基因工程的操作步骤从细胞中分从细胞中分离出离出DNA从大肠杆菌
6、从大肠杆菌中提取质粒中提取质粒限制限制 酶酶提取目的基因提取目的基因限制酶限制酶目的基因与运目的基因与运载体结合载体结合DNA连连 接酶接酶目的基因导入目的基因导入受体细胞受体细胞目的基因的表目的基因的表达与检测达与检测基因工程操作的基本步骤基因工程操作的基本步骤四个四个基本步骤：基本步骤：1）提取提取目的基因目的基因2）目的基因）目的基因与与运载体结合运载体结合3）将目的基因）将目的基因导入导入受体细胞受体细胞4）目的基因的）目的基因的检测检测和和表达表达三、基因工程的操作步骤三、基因工程的操作步骤目的基因的提取方法目的基因的提取方法直接分离基因直接分离基因人工合成基因人工合成基因反转录法反
7、转录法根据已知的氨基酸序列根据已知的氨基酸序列合成合成DNA：鸟枪法鸟枪法二、基因工程的操作步骤二、基因工程的操作步骤用限制用限制酶切断成酶切断成许多片段许多片段直接分离基因直接分离基因鸟枪法鸟枪法将供体细胞中的将供体细胞中的DNADNA用限制用限制酶切割为许多片段，再用运载体酶切割为许多片段，再用运载体将这些片段都运载到不同的受体将这些片段都运载到不同的受体细胞中去，让这些细胞中去，让这些DNADNA片段在受片段在受体细胞中扩增。从中找出含有目体细胞中扩增。从中找出含有目的基因细胞，并将含有目的基因的基因细胞，并将含有目的基因的的DNA片段片段分离出来。分离出来。该法最大的缺点是带有很大该法
8、最大的缺点是带有很大的盲目性，工作量大。一般不适的盲目性，工作量大。一般不适用于真核细胞的基因。用于真核细胞的基因。人工合成基因法人工合成基因法DNADNA合成仪合成仪直接合成法：根直接合成法：根据蛋白质的氨基酸顺序据蛋白质的氨基酸顺序推算出信使推算出信使RNARNA核苷酸核苷酸顺序，再据此推算出基顺序，再据此推算出基因因DNADNA的脱氧核苷酸顺的脱氧核苷酸顺序。用游离脱氧核苷酸序。用游离脱氧核苷酸直接合成相应的基因。直接合成相应的基因。反转录法：以信使反转录法：以信使RNARNA为模板，在逆转录酶为模板，在逆转录酶的作用下将脱氧核苷酸合成合成的作用下将脱氧核苷酸合成合成DNA(DNA(基因
9、基因)。用与提取目的基因相同用与提取目的基因相同的限制酶切割质粒使之出现的限制酶切割质粒使之出现一个切口，将目的基因插入一个切口，将目的基因插入切口处，让目的基因的黏性切口处，让目的基因的黏性末端与切口上的黏性末端互末端与切口上的黏性末端互补配对后，在连拉酶的作用补配对后，在连拉酶的作用下连接形成重组下连接形成重组DNADNA分子。分子。目的基因与运载体结合目的基因与运载体结合三、基因工程的操作步骤三、基因工程的操作步骤 目的基因与运载体结目的基因与运载体结合的结果可能有三种情合的结果可能有三种情况：目的基因与目的基况：目的基因与目的基因结合，质粒与质粒结因结合，质粒与质粒结合，目的基因与质粒
10、结合，目的基因与质粒结合。合。所以需要筛选。所以需要筛选。作用：将外源基因送入作用：将外源基因送入受体细胞受体细胞常用的受体细胞：常用的受体细胞：常用的受体细胞：常用的受体细胞：步骤三：目的基因导入受体细胞步骤三：目的基因导入受体细胞 有大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母有大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母有大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母有大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母菌和动植物细胞等。菌和动植物细胞等。菌和动植物细胞等。菌和动植物细胞等。主要借鉴细菌或病毒侵然细胞的途径主要借鉴细菌或病毒侵然细胞的途径导入方式：导入方式：三、基因工程的操作步骤三、基因工程的操作步骤 1）将细菌
11、用）将细菌用）将细菌用）将细菌用CaClCaCl2 2处理处理处理处理，以，以，以，以增大增大增大增大细菌细菌细菌细菌细胞壁的细胞壁的细胞壁的细胞壁的通透性通透性通透性通透性。2 2）使含有目的基因的）使含有目的基因的）使含有目的基因的）使含有目的基因的重组质粒进入重组质粒进入重组质粒进入重组质粒进入受体细胞。受体细胞。受体细胞。受体细胞。3 3）目的基因在受体细胞内，随其繁殖而）目的基因在受体细胞内，随其繁殖而）目的基因在受体细胞内，随其繁殖而）目的基因在受体细胞内，随其繁殖而复制复制复制复制，由于细菌由于细菌由于细菌由于细菌繁殖的速度繁殖的速度繁殖的速度繁殖的速度非常快，在很短的时间内就非
12、常快，在很短的时间内就非常快，在很短的时间内就非常快，在很短的时间内就能获得能获得能获得能获得大量大量的目的基因。的目的基因。的目的基因。的目的基因。三、基因工程的操作步骤三、基因工程的操作步骤导入过程：运载体为质粒，受体细胞为细菌导入过程：运载体为质粒，受体细胞为细菌大量的受体细胞接受不多的目的基因。处理的受大量的受体细胞接受不多的目的基因。处理的受体细胞中真正摄入了目的基因的很少，必须将它从中体细胞中真正摄入了目的基因的很少，必须将它从中检测出来。检测出来。将每个受体细胞单独培养形成菌落，检测菌落中将每个受体细胞单独培养形成菌落，检测菌落中是否有目的基因的表达产物。淘汰无表达产物的菌落，是
13、否有目的基因的表达产物。淘汰无表达产物的菌落，保留有表达产物的进一步培养、研究。保留有表达产物的进一步培养、研究。无表达产物无表达产物无表达产物无表达产物有表达产物有表达产物无表达产物无表达产物三、基因工程的操作步骤三、基因工程的操作步骤步骤四：目的基因的检测和表达步骤四：目的基因的检测和表达检测检测：通：通过检测标记过检测标记基因的有无，来判断目的基因是否基因的有无，来判断目的基因是否导导入。入。表达：通表达：通过过特定性状的特定性状的产产生与否来确定目的基因是否表达。生与否来确定目的基因是否表达。受体细胞摄入受体细胞摄入DNA分子后就说明目的基因分子后就说明目的基因完成了表达吗？完成了表达
14、吗？步骤四：目的基因的检测和表达步骤四：目的基因的检测和表达三、基因工程的操作步骤三、基因工程的操作步骤二、基因工程的操作步骤二、基因工程的操作步骤水母 转基因抗虫棉花转基因抗虫棉花转入苏云金杆菌转入苏云金杆菌的一个抗虫基因，的一个抗虫基因，是中国目前最主要是中国目前最主要的转基因作物的转基因作物 1、基因工程与作物育种转黄瓜抗青枯病基因的甜椒转黄瓜抗青枯病基因的甜椒转鱼抗寒基转鱼抗寒基因的番茄因的番茄转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯不会引起过敏的转基因大豆不会引起过敏的转基因大豆运用基因工程技术，不但可以培养优质、运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的农作物及
15、畜、禽新品种，还可高产、抗性好的农作物及畜、禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的动、植物。以培养出具有特殊用途的动、植物。乳汁中含有人生长激素的转乳汁中含有人生长激素的转基因牛基因牛(阿根廷阿根廷)生长快、耐不良环境、肉质生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼好的转基因鱼(中国中国)导入贮藏蛋白基因的超级羊和超级小鼠导入贮藏蛋白基因的超级羊和超级小鼠导入人基因具特殊用途的猪和小鼠导入人基因具特殊用途的猪和小鼠超级超级动物动物特殊特殊动物动物我国生产的部分基因我国生产的部分基因工程疫苗和药物工程疫苗和药物 基因工程药品的生产基因工程药品的生产许多药品的生产是许多药品的生产是从生物组织中提取的。从生
16、物组织中提取的。受材料来源限制产量有受材料来源限制产量有限，其价格往往十分昂限，其价格往往十分昂贵。贵。微生物生长迅速，容易控制，适于大规模工业化微生物生长迅速，容易控制，适于大规模工业化生产。生产。若将生物合成相应药物成分的基因导入微生若将生物合成相应药物成分的基因导入微生物细胞内，让它们产生相应的药物，不但能解决产物细胞内，让它们产生相应的药物，不但能解决产量问题，还能大大降低生产成本。量问题，还能大大降低生产成本。2、基因工程在医学上的应用胰岛素从猪、牛等动物的胰岛素从猪、牛等动物的胰腺中提取，胰腺中提取，100Kg100Kg胰腺只能胰腺只能提取提取4-5g4-5g的胰岛素，其产量之的胰
17、岛素，其产量之低和价格之高可想而知。低和价格之高可想而知。将合成的胰岛素基将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每因导入大肠杆菌，每2000L2000L培养液就能产培养液就能产生生100g100g胰岛素！使其胰岛素！使其价格降低了价格降低了30%-30%-50%!50%!通过基因工程的方通过基因工程的方式创造了能合成人干扰式创造了能合成人干扰素的大肠杆菌，每素的大肠杆菌，每1Kg1Kg的的培养液可提取培养液可提取20204 4mgmg干扰素。干扰素。干扰素治疗病毒感染简直干扰素治疗病毒感染简直是是“万能灵药万能灵药”！过去从！过去从人血中提取，人血中提取，300L300L血才血才提取提取1mg1mg
18、！其！其“珍贵珍贵”程程度自不用多说。度自不用多说。基因工程人干扰素基因工程人干扰素-2b-2b（安达芬）（安达芬），是我，是我国第一个全国产业化基因工程。安达芬具有抗病国第一个全国产业化基因工程。安达芬具有抗病毒，抑制肿瘤细胞增生，调节人体免疫功能的作毒，抑制肿瘤细胞增生，调节人体免疫功能的作用，广泛用于病毒性疾病治疗和多种肿瘤的治疗，用，广泛用于病毒性疾病治疗和多种肿瘤的治疗，是当前国际公认的病毒性疾病治疗的首选药物和是当前国际公认的病毒性疾病治疗的首选药物和肿瘤生物治疗的主要药物。肿瘤生物治疗的主要药物。其它基因工程药物其它基因工程药物人造血液、白细胞介素、乙肝疫苗等人造血液、白细胞介素
19、、乙肝疫苗等通过基因工程实现工业化生产，均为解除通过基因工程实现工业化生产，均为解除人类的病苦，提高人类的健康水平发挥了人类的病苦，提高人类的健康水平发挥了重大的作用。重大的作用。人人造造血血液液及及其其生生产产 基因诊断与基因治疗基因诊断与基因治疗诊断诊断：用放射性同：用放射性同位素等标记的位素等标记的“DNADNA探针探针”检测肝炎病毒检测肝炎病毒等病毒感染及遗传缺等病毒感染及遗传缺陷，不但准确而且迅陷，不但准确而且迅速。速。我国研究人员正在制备用于基因我国研究人员正在制备用于基因治疗的基因工程细胞治疗的基因工程细胞治疗治疗：把健康的外：把健康的外源基因导入有基因缺源基因导入有基因缺陷的细
20、胞中，达到治陷的细胞中，达到治疗疾病的目的。疗疾病的目的。基因诊断基因诊断DNA探针探针概念：是用已知序列的概念：是用已知序列的DNADNA或或RNARNA片段作片段作为探针与待测样品的为探针与待测样品的DNADNA或或RNARNA序列进行核序列进行核酸分子杂交，用于对待测核酸样品中特定基因酸分子杂交，用于对待测核酸样品中特定基因顺序的探测，是基因诊断最基本的技术之一。顺序的探测，是基因诊断最基本的技术之一。条件：（条件：（1 1）必须是单链；）必须是单链；（2 2）带有容易被检测出来的标记物。）带有容易被检测出来的标记物。原理：原理：DNADNA分子杂交（碱基互补配对）分子杂交（碱基互补配对
21、）基因诊断基因诊断生物芯片生物芯片 从正常人的基因组中分离出从正常人的基因组中分离出DNADNA与与DNADNA芯片芯片杂交就可以得出标准图谱；从病人的基因组中分杂交就可以得出标准图谱；从病人的基因组中分离出离出DNADNA与与DNADNA芯片杂交就可以得出病变图谱芯片杂交就可以得出病变图谱 通过比较、分析这两种图谱，就可以得出病变通过比较、分析这两种图谱，就可以得出病变的的DNADNA信息。信息。基因芯片诊断技术以其快速、高效、敏感、经基因芯片诊断技术以其快速、高效、敏感、经济、平行化、自动化等特点，将成为一项现代化济、平行化、自动化等特点，将成为一项现代化诊断新技术。诊断新技术。基因治疗基
22、因治疗用正常的基因取代或修补病人细用正常的基因取代或修补病人细胞中有缺陷的基因，从而达到治疗疾病的目的胞中有缺陷的基因，从而达到治疗疾病的目的 19901990年年9 9月月1414日，安德森对一例患日，安德森对一例患ADAADA缺缺乏症的乏症的4 4岁女孩进行基因治疗。这个岁女孩进行基因治疗。这个4 4岁女孩由岁女孩由于遗传基因有缺陷，自身不能生产于遗传基因有缺陷，自身不能生产ADAADA，先天，先天性免疫功能不全，只能生活在无菌的隔离帐里。性免疫功能不全，只能生活在无菌的隔离帐里。他们将这个女孩的白血球进行基因改造，使有他们将这个女孩的白血球进行基因改造，使有缺陷的基因被健康的基因替代，然
23、后把含正常缺陷的基因被健康的基因替代，然后把含正常白血球的溶液输入她左臂的一条静脉血管中。白血球的溶液输入她左臂的一条静脉血管中。在以后的在以后的1010个月内她又接受了个月内她又接受了7 7次这样的治疗，次这样的治疗，同时也接受酶治疗。后来，她的免疫功能日趋同时也接受酶治疗。后来，她的免疫功能日趋健全，能够走出隔离帐，过上了正常人的生活，健全，能够走出隔离帐，过上了正常人的生活，并进入普通小学上学。并进入普通小学上学。取患者取患者骨髓骨髓分离干分离干细胞细胞病毒病毒正常基因正常基因导入正常基导入正常基因的干细胞因的干细胞注入患注入患者体内者体内环境监测：环境监测：基因工程做成的基因工程做成的
24、DNADNA探针能够十分灵敏地探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。检测环境中的病毒、细菌等污染。1t 1t水中只有水中只有1010个病毒也能被个病毒也能被DNADNA探针检测出来探针检测出来3、基因工程与环境保护利用基因工程培育的利用基因工程培育的“指示生物指示生物”能十分能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。环境污染治理：环境污染治理：基因工程做成的基因工程做成的“超级细菌超级细菌”能吞食和分能吞食和分解多种污染环境的物质。解多种污染环境的物质。通常
25、一种细菌只能分解石油中的一种烃类，通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程培育成功的用基因工程培育成功的“超级细菌超级细菌”却能分解却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞食转化石油中的多种烃类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解汞、镉等重金属，分解DDTDDT等毒害物质。等毒害物质。阅读课本阅读课本讨论：转基因食品安全吗？讨论：转基因食品安全吗？五、转基因生物和转基因食品的安全性转基因植物的安全性争基因植物的安全性争论支持派认为：如果转基因农业生物技术得支持派认为：如果转基因农业生物技术得不到社会支持，这一研究将被扼杀，并且不到社会支持，这一研究将被扼杀，并且强调，迄今为止
26、并没有发现转基因食品危强调，迄今为止并没有发现转基因食品危害人体健康和环境的确切证据。害人体健康和环境的确切证据。美国人食用美国人食用转基因食品已基因食品已多年，多年，超超级市市场上上有有4000多种商品是含多种商品是含有有转基基因因植物成分的植物成分的，还没有事例没有事例证明人吃了明人吃了以后会得病，甚至会引以后会得病，甚至会引起起死亡。死亡。加拿大、澳大利加拿大、澳大利亚也是也是转基因食品的基因食品的生生产大国，均大国，均有几有几千万人在千万人在吃吃，到，到现在在为止也没止也没有有个案例个案例说明它明它有有问题。反对派的观点反对派的观点一英国科学家声称，转基因马铃薯会减一英国科学家声称，转
27、基因马铃薯会减弱老鼠免疫系统功能；弱老鼠免疫系统功能；美国康乃尔大学也发现，转基因玉米会美国康乃尔大学也发现，转基因玉米会危害蝴蝶幼虫及其相关生态环境。危害蝴蝶幼虫及其相关生态环境。环保团体认为这种违反自然的转基因作环保团体认为这种违反自然的转基因作物及产品，未经长期安全测试，长期食物及产品，未经长期安全测试，长期食用可能对人类及生态环境造成负面影响。用可能对人类及生态环境造成负面影响。尤其是注重环境和生态保护的欧盟国家，尤其是注重环境和生态保护的欧盟国家，对转基因作物更加排斥，因而抵制美国对转基因作物更加排斥，因而抵制美国GMO产品的进口。产品的进口。“转基因食品，要不要贴标签转基因食品，要
28、不要贴标签?”若转基因产品与目前市售的产品具有实质若转基因产品与目前市售的产品具有实质等同性，则不需再加特殊的标签；等同性，则不需再加特殊的标签；若转基因产品中含有对一部分人群有过敏若转基因产品中含有对一部分人群有过敏性反应的蛋白，则需加标签，以使购买者性反应的蛋白，则需加标签，以使购买者作出选择。作出选择。我国我国2001年年6月月6日，国务院公布的日，国务院公布的农业转基农业转基因生物安全管理条例因生物安全管理条例规定，不得销售未规定，不得销售未标识的农业转基因生物，其标识应注明产标识的农业转基因生物，其标识应注明产品中含有转基因成分的主要原料名称；有品中含有转基因成分的主要原料名称；有特
29、殊销售范围的还应注明并在指定范围内特殊销售范围的还应注明并在指定范围内销售。销售。几种常见育种方法的比较几种常见育种方法的比较育种育种方法方法杂交杂交育种育种单倍体单倍体育种育种多倍体多倍体育种育种诱变诱变育种育种基因工基因工程育种程育种基本基本原理原理方法方法优点优点缺点缺点实例实例作业：作业：杂交杂交自交自交选优选优基因重组基因重组不同个体的优良不同个体的优良性状可集中到同性状可集中到同一个个体上一个个体上育种时间长，育种时间长，需及时发现优需及时发现优良性状良性状杂交水稻杂交水稻中国荷斯坦牛中国荷斯坦牛花药离体培花药离体培养、秋水仙养、秋水仙素诱导加倍素诱导加倍染色体变异染色体变异明显缩
30、短育种明显缩短育种年限，后代一年限，后代一般都为纯种般都为纯种技术复杂，技术复杂，成本高成本高普通小麦花普通小麦花药离体培养药离体培养秋水仙素处秋水仙素处理萌发的种理萌发的种子、幼苗子、幼苗染色体变异染色体变异植物茎杆粗壮，植物茎杆粗壮，果实、种子大，果实、种子大，营养高营养高发育延迟，发育延迟，结实率低结实率低无籽西瓜无籽西瓜物理或化学方物理或化学方法处理动植物法处理动植物、微生物、微生物基因突变基因突变提高变异频率，提高变异频率，大幅度改良某些大幅度改良某些性状，加速育种性状，加速育种进程进程有利变异少，有利变异少，需要处理大量需要处理大量实验材料，具实验材料，具有不确定性有不确定性青霉菌高产菌青霉菌高产菌株的培育株的培育黑农五号大豆黑农五号大豆基因重组基因重组将一种生物特定将一种生物特定基因转移到另一基因转移到另一种生物体内种生物体内染色体变异染色体变异定定向地向地改造生物改造生物的遗传性状的遗传性状可能引起生可能引起生态危机，技态危机，技术难度大术难度大转基因抗转基因抗虫棉虫棉DNA的一段序列的一段序列EcoRI识别序列识别序列ECORI切割位点切割位点目的基因目的基因用相同的限制性内切酶切割