1、第2课时 基因工程的原理和技术,第一章 基因工程,选修3 现代 生物技术专题,一、基因工程的原理,二、基因工程的基本操作步骤,达标检测,内容索引,一、基因工程的原理,1.基本原理 让人们感兴趣的基因(即 )在宿主细胞中稳定和高效地表达。 2.变异类型 基因工程属于可遗传变异中的 。,新知导学,目的基因,基因重组,(1)在基因工程中，不同DNA链的断裂和连接产生DNA片段的交换和重新组合，形成了新的DNA分子，在这个操作中交换了DNA片段，故属于基因重组。 (2)基因工程中的基因重组不同于减数分裂过程中的基因重组。前者属于无性生殖中的重组，并发生在不同种生物间，打破了物种间的界线，可以定向地改造
2、生物的遗传特性，此操作均在细胞外进行。,例1 科学家用纳米技术制造出一种“生物导弹”，可以携带DNA分子。把它注射入组织中，可以通过细胞的内吞作用进入细胞内，DNA被释放出来，进入到细胞核内，最终整合到细胞染色体上，成为细胞基因组的一部分，DNA整合到细胞染色体中的过程属于 A.基因突变 B.基因重组 C.基因互换 D.染色体畸变,答案,解析,解析 基因突变是基因内部结构的改变；染色体畸变是以染色体作为研究对象，探讨染色体结构和数目的变化；基因工程是将外源基因导入受体细胞，得到人们所需要的产物，属于基因重组。,例2 下列叙述符合基因工程基本原理的是 A.B淋巴细胞与肿瘤细胞融合，杂交瘤细胞中含
3、有B淋巴细胞中的抗体基因 B.将人的干扰素基因重组到质粒后导入大肠杆菌，获得能产生人干扰素的菌株 C.用紫外线照射青霉菌，使其DNA发生改变，通过筛选获得青霉素高产菌株 D.自然界中天然存在的噬菌体自行感染细菌后其DNA整合到细菌DNA上,答案,解析,解析 基因工程是在生物体外，通过对DNA分子进行人工“剪切”和“拼接”，对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞内，使目的基因在受体细胞内表达，产生出人类所需要的基因产物，因此，B项为基因工程。,正确理解基因工程的五个方面,二、基因工程的基本操作步骤,1.获得目的基因的方法 (1)已知序列用 合成；用 (PCR)扩增。 (2)未知序列从
4、中获得。,新知导学,化学方法,聚合酶链式反应,基因文库,2.形成重组DNA分子,相同,粘性末端,DNA连接,重组DNA分子,3.将重组DNA分子导入受体细胞 (1)常用受体细胞：大肠杆菌、枯草杆菌、酵母菌和动植物细胞等。 (2)导入方法举例：用质粒作为载体，宿主细胞应该选择 ，用 处理大肠杆菌，增加其细胞壁的 ，使含有目的基因的重组质粒进入大肠杆菌宿主细胞。 4.筛选含有目的基因的受体细胞 (1)筛选原因：并不是所有的细胞都接纳了 。,大肠杆菌,氯化钙,通透性,重组DNA分子,(2)筛选方法举例：由于质粒上有抗生素如 ，所以含有这种重组质粒的受体细胞就能够在有 的培养基中生长，而没有接纳重组D
5、NA分子的细胞则不能在这种培养基上生长。经过培养，_能够和质粒一起在宿主细胞内大量 。 5.目的基因的表达 (1)目的基因的表达是指目的基因在 中表达，产生人们需要的。 (2)常用方法：从转基因生物中提取蛋白质，用相应的抗体进行抗原抗体杂交，若有杂交带出现，表明目的基因已成功表达。,四环素抗性基因,四环素,目的基因,扩增,宿主细胞,功能物质,探究1比较异同 1.比较采用化学方法合成目的基因的两条合成途径 (1)利用目的基因转录的RNA，在 的作用下,逆转录成 ，根据碱基互补配对原则再合成 ,进而用 扩增目的基因。 (2)根据 序列，推测出相应的mRNA序列，然后按照碱基互补配对原则，推测其DN
6、A的 ，再通过化学方法，以 为原料合成DNA分子。,互动探究,逆转录酶,单链DNA,双链DNA,PCR技术,氨基酸,核苷酸序列,单核苷酸,2.比较基因、目的基因、基因文库、基因库,外源基因,全部等位基因,许多DNA片段,探究2理性思维 1.形成重组DNA分子 目的基因与载体结合的过程，实质上是不同来源的DNA重新组合的过程，是基因工程的核心。其基本过程如下(以质粒作为载体)，完善图示，并思考问题：,同一种限制性,核酸内切酶,碱基,配对作用,DNA 连接酶,DNA连接酶,答案 选用同一种限制性核酸内切酶切割会产生相同的粘性末端，可以在DNA连接酶的作用下将切割的目的基因和载体连接起来。,(1)为
7、什么切割目的基因和载体要选用同一种限制性核酸内切酶？,答案,(2)在实际的基因工程操作时往往用两种限制性核酸内切酶分别切割目的基因的两端以及载体，这样做有什么好处？试分析原因。 如果用一种限制性核酸内切酶切割，目的基因两侧的末端以及质粒切口的两个末端都是互补的，因此连接时可能会出现 、_、 三种连接情况，而符合要求的只有载体与目的基因的连接。如下图所示。分子间的不同连接产物：,目的基,载体与载体,因与目的基因,目的基因与载体,如果用两种不同的限制性核酸内切酶进行切割就可以有效避免_以及 的连接，提高连接的有效性，克服同种酶切的缺点。 (3) 一个重组DNA分子的组成至少应该包括：启动子、终止子
8、、目的基因、 。原因如下：目的基因是指编码蛋白质的结构基因，若没有启动子，则导入的目的基因在受体细胞中无法转录。目的基因的表达需要调控序列， 终止子相当于一盏红色信号灯，使转录到此终止。检测目的基因是否导入受体细胞需要有筛选标记标记基因。 (4)构建重组DNA分子所用到的酶： 酶、 酶。,载体,载体与,目的基因与目的基因,标记基因,限制性核酸内切,DNA连接,2.目的基因导入受体细胞的结果,上图中发生与发生相比，会使目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达，原因是在进行细胞分裂时，细胞核上的DNA经复制后 分配到两个子细胞中，保证了亲子代遗传性状的 ，而细胞分裂时，细胞质是不均分的，子细胞 含有目
9、的基因。,稳定性,平均,不一定,重组DNA分子导入不同受体细胞的方法,探究3图示解读 根据下图举例说明筛选含目的基因的受体细胞的原理、方法：,1.筛选原因：不是所有细胞都接纳了 。 2.筛选原理： 。 3.筛选方法：利用 筛选。,重组DNA分子,质粒上有抗生素的抗性基因,选择培养基,答案 抗原抗体杂交法。原理是抗原能与相应抗体特异性结合。,4.检测目的基因是否翻译出蛋白质的方法是什么？其原理是什么？,答案,答案 用叶片饲养棉铃虫，观察棉铃虫是否死亡。,5.检测棉花中导入的抗虫基因是否表达的最简便的方法是什么？,目的基因检测与鉴定的“四个层面”,例3 (2017浙江绿色联盟联考)下列不能说明目的
10、基因已成功导入受体细胞的是 A.检测受体细胞是否含有质粒 B.检测受体细胞是否含有目的基因 C.检测受体细胞是否含有目的基因的表达产物 D.检测受体细胞是否含有目的基因转录出的mRNA,答案,解析,解析 细胞中可能含有普通质粒，因此检测细胞是否含有质粒不能说明目的基因是否已成功导入受体细胞，A符合题意。,例4 (2017杭州四校联考节选)抗疟药青蒿素挽救了数百万人的生命。中国女科学家屠呦呦由于在青蒿素研发所做的重大贡献荣获2015年诺贝尔生理学奖或医学奖。青蒿中青蒿素的含量很低，科研工作者一直致力于提高青蒿素含量的研究。某研究小组给青蒿转入青蒿素合成的关键基因fps，通过该基因的过量表达来提高
11、青蒿素的产量，其过程如下图所示(注：农杆菌中Ti质粒上只有TDNA片段能转移到植物细胞中)。,(1)提取青蒿的总RNA，在_酶作用下获得青蒿的DNA片段。,解析 利用RNA获得DNA，采用逆转录法，在逆转录酶的作用下实现。,答案,解析,逆转录,(2)如果fps基因的基因序列已知，我们可以通过_合成目的基因或者用PCR扩增目的基因；如果fps基因的基因序列未知，可以从_获取目的基因。,解析 对于已知序列，可采用化学方法合成目的基因或用PCR扩增目的基因。若DNA序列未知，常从基因文库中获取。,答案,解析,化学方法(人工),基因文库,(3)过程需用同种_酶对含fps基因的DNA和Ti质粒进行酶切。
12、,解析 过程表示形成重组质粒，采用同种限制性核酸内切酶对含fps基因的DNA和Ti质粒进行酶切。,答案,解析,限制性核酸内切,(4)过程中将青蒿细胞与农杆菌混合后共同培养，旨在让_ _进入青蒿细胞；除尽农杆菌后，还须转接到含卡那霉素的培养基上继续培养，目的是_。,答案,解析,TDNA(目的,基因),筛选获得TDNA片段(目的基因)的植物细胞,解析 将青蒿细胞与农杆菌混合培养，目的是让TDNA(目的基因)进入青蒿细胞，实现目的基因导入受体细胞。将目的基因导入受体细胞后，需将细胞培养在含卡那霉素的培养基中，原因是质粒上含有卡那霉素的抗性基因，导入重组DNA分子的受体细胞可在培养基上存活，利于筛选获
13、得含TDNA片段(目的基因)的植物细胞。,(5)下列有关基因工程的叙述正确的是 A.大肠杆菌质粒上具有控制质粒DNA转移的基因 B.基因工程的基本原理是让目的基因在宿主细胞中稳定存在和高效复制 C.用氯化钙处理植物细胞，可增加细胞壁的通透性 D.将乙肝抗原导入酵母菌可以获得能生产乙肝疫苗的工程菌,解析 大肠杆菌质粒上具有控制质粒DNA转移的基因，A正确； 基因工程的基本原理是让人们感兴趣的基因在宿主细胞中稳定地保存和表达，B错误； 用氯化钙处理微生物细胞，可增加细胞壁的通透性，C错误； 将乙肝抗原基因导入酵母菌可以获得能生产乙肝疫苗的工程菌，D错误。,答案,解析,导入微生物细胞(如大肠杆菌)：
14、用CaCl2处理大肠杆菌，目的是增加大肠杆菌细胞壁的通透性，使含有目的基因的重组DNA分子进入受体细胞。,基因工程的基本原理,基因工程的基本操作步骤,获得_ 形成_ 将 导入受体细胞 筛选含有目的基因的_ 目的基因的_,目的基因,重组DNA分子,重组DNA分子,表达,受体细胞,学习小结,达标检测,1.(2018温州瑞安期中)对基因工程操作的叙述，正确的是 A.用限制性核酸内切酶切割烟草花叶病毒的核酸 B.用显微注射法将人生长激素基因直接注入动物的受精卵 C.用氯化钙处理可增加细菌细胞膜的通透性，有利于目的基因的导入 D.利用DNA分子杂交技术无法检测目的基因是否表达,答案,解析,1,2,3,4
15、,5,1,2,3,4,5,解析 限制性核酸内切酶只能切割特定的脱氧核苷酸序列，而烟草花叶病毒的核酸是由核糖核苷酸构成的，A错误； 目的基因不能直接导入受体细胞，可用显微注射法将含人生长激素基因的重组质粒注入动物的受精卵，B错误； 用氯化钙处理可增加细菌细胞壁的通透性，并使细菌处于感受态，从而有利于目的基因的导入，C错误； 利用DNA分子杂交技术只能检测目的基因是否导入，无法检测目的基因是否表达，D正确。,1,2,3,4,5,2.下表关于基因工程中有关基因操作的名词及对应的内容，正确的组合是,答案,解析,解析 基因工程中供体指的是提供目的基因的个体，受体是指接受目的基因的个体，手术刀是限制性核酸
16、内切酶，缝纫针是DNA连接酶，最常用的载体是质粒。,1,2,3,4,5,3.在已知某小片段基因碱基序列的情况下，获得该基因的最佳方法是 A.用mRNA为模板逆转录合成DNA B.以4种脱氧核苷酸为原料人工合成 C.将供体DNA片段转入受体细胞中，再进一步筛选 D.由蛋白质的氨基酸序列推测mRNA,解析 因为已知基因的碱基序列，所以获得该基因的最佳方法是以4种脱氧核苷酸为原料人工合成。,答案,解析,1,2,3,4,5,4.(2017宁波二模)转入人胰岛素原基因(已知序列)的大肠杆菌，可以合成人胰岛素原，通过该项转基因技术可有效地缓解临床上胰岛素不足的难题，从而为糖尿病患者带来福音。在上述转基因操
17、作过程中，下列说法错误的是 A.人胰岛素原基因可用化学方法合成，并用PCR技术扩增 B.重组质粒导入受体细胞时通常用氯化钙处理大肠杆菌 C.DNA连接酶能使不同脱氧核苷酸的碱基与脱氧核糖连接 D.胰岛素原需进一步加工后才可获得具有生物活性的胰岛素,答案,解析,1,2,3,4,5,1,2,3,4,5,解析 人胰岛素原基因的序列是已知的，故可用化学方法合成，并用PCR技术扩增，A正确； 由于受体细胞是大肠杆菌，所以在重组质粒导入受体细胞时，要先用氯化钙处理大肠杆菌，以增加其细胞壁的通透性，B正确； DNA连接酶能使脱氧核苷酸的磷酸与脱氧核糖连接，C错误； 胰岛素原没有生物活性，需要进一步加工后才能
18、成为有生物活性的胰岛素，D正确。,5.(2017宁波十校期末)科学家将鱼抗冻蛋白基因转入番茄，使番茄的耐寒能力大大提高，可以在相对寒冷的环境中生长。质粒上有Pst 、Sma 、Hind 、Alu 四种限制性核酸内切酶切割位点，下图是转基因抗冻番茄培育过程的示意图(ampr为抗氨苄青霉素基因)，其中是转基因抗冻番茄培育过程中的相关步骤，、表示相关结构或细胞。请据图回答下列问题：,1,2,3,4,5,(1)在构建重组DNA时，可用一种或多种限制性核酸内切酶进行切割。为了避免目的基因和载体在酶切后产生的末端发生任意连接，在此实验中应该选用限制性核酸内切酶_分别对_ _、_进行切割，切割后产生的DNA
19、片段分别为_、_种。,1,2,3,4,5,答案,解析,Pst、Sma,含鱼抗冻蛋白基因的,DNA,质粒,4,2,1,2,3,4,5,解析 分析题图可知，对目的基因的切割方式有采用限制性核酸内切酶Pst 酶切，或者采用限制性核酸内切酶Pst和Sma混合酶切，相比前者，后者能够保证目的基因与质粒的定向连接，防止酶切后产生的末端发生任意连接。所以使用Pst、Sma对含有目的基因的DNA分子(含鱼抗冻蛋白基因的DNA)和质粒进行切割，酶切含目的基因的DNA分子，片段有DNA片段左侧Pst、PstSma、SmaPst及PstDNA片段右侧4种DNA片段，酶切质粒，产生PstSma、SmaPst2种DNA片段。,(2)培养基中的氨苄青霉素会抑制番茄愈伤组织细胞的生长，要利用该培养基筛选已导入鱼的抗冻蛋白基因的番茄细胞，应使重组DNA中含有_作为标记基因。,1,2,3,4,5,答案,解析,抗氨苄青霉素基因,解析 培养基中的氨苄青霉素抑制番茄愈伤组织的生长，分析图示可知，质粒上含有抗氨苄青霉素基因，重组DNA中以其为标记基因，可以筛选含有重组质粒的受体细胞。,(3)研究人员通常采用_法将鱼抗冻蛋白基因导入番茄细胞内。,1,2,3,4,5,答案,解析,农杆菌转化,解析 将目的基因导入植物细胞，采用的方法是农杆菌转化法。,
