2023年基因工程和细胞工程整理后的知识点.doc

专题1   基因工程基因工程的概念基因工程是指按照人们的愿望，进行严格的设计，通过体外DNA重组和转基因技术，赋予生物以新的遗传特性，发明出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，又叫做DNA重组技术。操作水平 ：分子 原理：基因重组（一）基因工程的基本工具1.“分子手术刀”限制性核酸内切酶（限制酶）（1）来源：重要是从原核生物中分离纯化出来的。（2）功能：可以辨认双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开，因此具有专一性。（3）结果：经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式：黏性末端和平末端。2.“分子缝合针”DNA连接酶(1)两种DNA连接酶（E·coliDNA连接酶和T4-DNA连接酶）的比较：相同点：都缝合磷酸二酯键。区别：E·coliDNA连接酶来源于T4噬菌体，只能将双链DNA片段互补的黏性末端之间的磷酸二酯键连接起来；而T4DNA连接酶能缝合两种末端，但连接平末端的之间的效率较低。(2)与DNA聚合酶作用的异同:DNA聚合酶只能将单个核苷酸加到已有的核苷酸片段的末端，形成磷酸二酯键。DNA连接酶是连接两个DNA片段的末端，形成磷酸二酯键。3.“分子运送车”载体（1）载体具有的条件：能在受体细胞中复制并稳定保存。具有一至多个限制酶切点，供外源DNA片段插入。具有标记基因，供重组DNA的鉴定和选择。（2）最常用的载体是质粒,它是一种裸露的、结构简朴的、独立于细菌染色体之外，并具有自我复制能力的双链环状DNA分子。（3）其它载体： 噬菌体的衍生物、动植物病毒(二)基因工程的基本操作程序一基因的结构：基因是有遗传效应的DNA片段(注：RNA病毒为RNA)，分为编码区和非编码区。编码区：能转录出mRNA，原核生物中也就是能编码蛋白质的区段非编码区：不能转录出mRNA，也不能编码蛋白质的区段（）原核细胞基因的结构非编码区中存在调控遗传信息表达的核苷酸序列:编码区上游的RNA聚合酶结合位点，即启动子，可控制RNA聚合酶的结合。RNA聚合酶是一种蛋白质，能辨认并结合调控序列中的结合位点，能催化DNA转录为RNA编码区下游有终止子，可控制RNA聚合酶的停止、脱落。（2）真核细胞基因的结构第一步：目的基因的获取1.目的基因是指： 编码蛋白质的结构基因 。2.原核基因采用直接分离获得，真核基因是人工合成。人工合成目的基因的常用方法有反转录法_和化学合成法_。3.PCR技术扩增目的基因（1）原理：DNA双链复制（2）过程：第一步：加热至9095DNA解链；第二步：冷却到5560，引物结合到互补DNA链；第三步：加热至7075，热稳定DNA聚合酶从引物起始互补链的合成。(3) 前提：一段已知目的基因的核苷酸序列，根据这一序列合成引物。(4) 条件：a.四种脱氧核苷酸b.DNA的两条链为模板c.热稳定DNA聚合酶(Taq酶）d.一对引物（一小段单链DNA或RNA，一般2030个碱基，能与DNA母链的一段碱基序列互补配对）e.温度控制和缓冲液4. 从基因文库中获取目的基因：基本概念的理解：将具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，各个受体菌分别具有这种生物的不同的基因，称为基因文库。将某种生物体内的DNA所有提取出来，选用适当的限制酶，将DNA切成一定范围大小的DNA片段，然后将这些片段分别与载体连接起来，导入受体菌的群体中储存，每个受体菌都具有了一段不同的DNA片段。这个群体包含了这种生物的所有基因。这种基因文库叫基因组文库。有些基因文库比较小，只包含了一种生物的一部分基因，这种基因文库叫做部分基因文库，如cDNA文库（用某种生物发育的某个时期的mRNA反转录产生的多种互补DNA（也叫cDNA）片段，与载体连接后储存在一个受体菌群中，这个受体菌群体叫做这种生物cDNA文库。）如何提取：根据目的基因有关信息，例如，根据基因的核苷酸序列，基因的功能，基因在染色体的位置，基因的转录产物mRNA以及基因的表达产物蛋白质等特性来获取目的基因。 5 . 人工合成:反转录法： 以目的基因转录成的信使RNA为模板，反转录成互补的单链DNA，然后在酶的作用下合成双链DNA，从而获得所需的基因。目的基因转录成的mRNA 单链DNA双链DNA（目的基因）根据已知的氨基酸序列合成DNA法:蛋白质中氨基酸的序列mRNA中的碱基序列DNA碱基序列目的基因目的基因第二步：基因表达载体的构建1.目的：使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传至下一代，使目的基因可以表达和发挥作用。2.组成：目的基因启动子终止子标记基因（1）启动子：是一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端，是RNA聚合酶辨认和结合的部位，能驱动基因转录出mRNA，最终获得所需的蛋白质。（2）终止子：也是一段有特殊结构的DNA片段 ，位于基因的尾端。（3）标记基因的作用：是为了鉴定受体细胞中是否具有目的基因，从而将具有目的基因的细胞筛选出来。常用的标记基因是抗生素基因。第三步：将目的基因导入受体细胞_1.转化的概念：是目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。2.常用的转化方法：将目的基因导入植物细胞：采用最多的方法是 农杆菌转化法，另一方面尚有 基因枪法和 花粉管通道法等。将目的基因导入动物细胞：最常用的方法是 显微注射技术。此方法的受体细胞多是 受精卵。将目的基因导入微生物细胞：原核生物作为受体细胞的因素是 繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少 ，最常用的原核细胞是 大肠杆菌 ，其转化方法是：先用 Ca2+ 解决细胞，使其成为 感受态细胞 ，再将 重组表达载体DNA分子 溶于缓冲液中与感受态细胞混合，在一定的温度下促进感受态细胞吸取DNA分子，完毕转化过程。3.重组细胞导入受体细胞后，筛选具有基因表达载体受体细胞的依据是标记基因是否表达。第四步：目的基因的检测和表达1.一方面要检测 转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因，方法是采用 DNA分子杂交技术。2.另一方面还要检测 目的基因是否转录出了mRNA，方法是采用 用标记的目的基因作探针与 mRNA杂交。3.最后检测 目的基因是否翻译成蛋白质，方法是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。4.有时还需进行 个体生物学水平的鉴定。如 转基因抗虫植物是否出现抗虫性状。（三）基因工程的应用1.植物基因工程：抗虫、抗病、抗逆转基因植物，运用转基因改良植物的品质。2.动物基因工程：提高动物生长速度、改善畜产品品质、用转基因动物生产药物。3.基因治疗：把正常的外源基因导入病人体内，使该基因表达产物发挥作用。（四）蛋白质工程的概念蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。（基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质）转录 翻译专题2 细胞工程（一）植物细胞工程 :细胞或细胞器水平的操作1.理论基础（原理）：细胞全能性 全能性表达的难易限度：受精卵生殖细胞干细胞体细胞；植物细胞动物细胞2.植物组织培养技术（1）过程：离体的植物器官、组织或细胞(外植体) 愈伤组织 试管苗 植物体（2）用途：微型繁殖、作物脱毒、制造人工种子、单倍体育种、细胞产物的工厂化生产。A 植物繁殖微型繁殖：可以高效快速地实现种苗的大量繁殖作物脱毒：采用茎尖组织培养来除去病毒（由于植物分生区附近的病毒很少或没有）人工种子：以植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料，经人工薄膜包装得到的种子。优点：完全保持优良品种的遗传特性，不受季节的限制；方便储藏和运送B 作物新品种哺育单倍体育种：a过程：植株（AaBb）通过减数分裂得到花粉（AB、Ab、aB、ab四种类型）；对花粉进行花药离体培养（技术是植物组织培养）；得到单倍体植株；对其幼苗时期进行秋水仙素解决；得到了正常的纯合二倍体植株（AABB、AAbb、aaBB、aabb四种类型）。b 优点：明显缩短育种年限C 突变体运用：在组织培养中会出现突变体，通过从有用的突变体中选育出新品种（如筛选抗病、抗盐、含高蛋白的突变体）D 细胞产物的生产：通过可以产生对人们有利的产物的细胞进行组织培养，从而让它们可以产生大量的细胞产物。（3）地位：是哺育转基因植物、植物体细胞杂交哺育植物新品种的最后一道工序。3.植物体细胞杂交技术（1）过程：注意：核融合标志原生质融合结束 再生壁形成标志着杂种细胞形成 杂种植株形成标志着植物体细胞杂交技术结束 目的 ： 为了获得杂种植株原理：膜的流动性和细胞全能性（2）诱导融合的方法：物理法涉及离心、振动、电刺激等。化学法一般是用聚乙二醇（PEG）作为诱导剂。（3）意义：克服了远缘杂交不亲和的障碍。（二）动物细胞工程 1. 动物细胞培养（1）概念：动物细胞培养：动物细胞培养就是从动物机体中取出相关的组织，将它分散成单个细胞，然后放在适宜的培养基中，让这些细胞生长和繁殖。原代培养定义：人们通常将动物组织消化后的初次培养称为原代培养。传代培养定义：当原代培养的细胞处在接触克制后, 用胰蛋白酶解决,使细胞从瓶壁上脱离下来,然后加入新的培养液,将细胞分离稀释,并从原培养瓶内转接到新的培养瓶内,这个过程称传代培养.（分瓶培养的过程）细胞株：传代细胞一般能传到40-50代，遗传物质一般不会发生改变，叫细胞株细胞系：传代50代以后又出现细胞生长停滞状态，部分细胞遗传物质发生了改变，能连续传代，获得不死性，叫细胞系。细胞株和细胞系的区别： 细胞系的遗传物质改变，具有癌细胞的特点，失去接触抑制，容易传代培养。（2）动物细胞培养的流程：取动物组织块（动物胚胎或幼龄动物的器官或组织）剪碎用胰蛋白酶或胶原蛋白酶解决分散成单个细胞制成细胞悬液转入培养瓶中进行原代培养贴满瓶壁的细胞重新用胰蛋白酶或胶原蛋白酶解决分散成单个细胞继续传代培养。（3）细胞贴壁和接触克制：悬液中分散的细胞不久就贴附在瓶壁上，称为细胞贴壁。细胞数目不断增多，当贴壁细胞分裂生长到表面互相克制时，细胞就会停止分裂增殖，这种现象称为细胞的接触克制。（4）原理：细胞增殖（5）动物细胞培养需要满足以下条件无菌、无毒的环境：培养液应进行无菌解决。通常还要在培养液中添加一定量的抗生素，以防培养过程中的污染。此外，应定期更换培养液，防止代谢产物积累对细胞自身导致危害。营养：合成培养基成分：糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素等。通常需加入血清、血浆等天然成分。温度：适宜温度：哺乳动物多是36.50.5；pH：7.27.4。气体环境：95%空气5%CO2。O2是细胞代谢所必需的，CO2的重要作用是维持培养液的pH。（5）动物细胞培养技术的应用：制备病毒疫苗、制备单克隆抗体、检测有毒物质、培养医学研究的各种细胞。2.动物体细胞核移植技术和克隆动物（1）哺乳动物核移植可以分为胚胎细胞核移植（比较容易）和体细胞核移植（比较难）。（2）选用去核卵(母)细胞的因素：卵(母)细胞比较大，容易操作；卵(母)细胞细胞质多，营养丰富。卵母细胞培养到减数第二次分裂中期（3）体细胞核移植的大体过程是：（右图）核移植胚胎移植（4）体细胞核移植技术的应用：加速家畜遗传改良进程，促进良畜群繁育； 保护濒危物种，增大存活数量；生产珍贵的医用蛋白； 作为异种移植的供体；用于组织器官的移植等。（5）体细胞核移植技术存在的问题：克隆动物存在着健康问题、表现出遗传和生理缺陷等。3.动物细胞融合（1）动物细胞融合也称细胞杂交，是指两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程。融合后形成的具有本来两个或多个细胞遗传信息的单核细胞，称为杂交细胞。（2）动物细胞融合与植物原生质体融合的原理基本相同，诱导动物细胞融合的方法与植物原生质体融合的方法类似，常用的诱导因素有聚乙二醇、灭活的病毒、电刺激等。（3）动物细胞融合的意义：克服了远缘杂交的不亲和性，成为研究细胞遗传、细胞免疫、肿瘤和生物新品种哺育的重要手段。（4）原理：膜的流动性（5）为了获得杂交细胞（6）动物细胞融合与植物体细胞杂交的比较：比较项目细胞融合的原理细胞融合的方法诱导手段用法植物体细胞杂交细胞膜的流动性去除细胞壁后诱导原生质体融合离心、电刺激、振动，聚乙二醇等试剂诱导克服了远缘杂交的不亲和性，获得杂种植株动物细胞融合细胞膜的流动性使细胞分散后诱导细胞融合除应用植物细胞杂交手段外，再加灭活的病毒诱导制备单克隆抗体的技术之一4.单克隆抗体（1）抗体：一个B淋巴细胞只分泌一种特异性抗体。从血清中分离出的抗体产量低、纯度低、特异性差。（2）单克隆抗体的制备过程：注入小鼠细胞融合分离抗原注入小鼠体内B淋巴细胞骨髓瘤细胞杂交瘤细胞细胞培养选择培养细胞培养基体内培养体外培养从腹水提取从培养液提取单克隆抗体（3）杂交瘤细胞的特点：既能大量繁殖，又能产生专一的抗体。（4）单克隆抗体的优点：特异性强，灵敏度高，并能大量制备。（5）单克隆抗体的作用： 作为诊断试剂：准确辨认各种抗原物质的细微差异，并跟一定抗原发生特异性结合，具有准确、高效、简易、快速的优点。 用于治疗疾病和运载药物：重要用于治疗癌症治疗，可制成“生物导弹”，也有少量用于治疗其它疾病。专题三：胚胎工程1、精子的发生大体可以分为三个阶段：精原细胞 有丝分裂 分裂，发生在 睾丸曲细精管 。精原细胞（部分精原细胞仍然保持为精原细胞） 滋长，完毕 DNA 复制和 相关蛋白质 合成，即进行 染色体复制 复制。初级精母细胞（开始 减数分裂 分裂） 由 中心体发育_ 减I分裂高尔基体次级精母细胞减分裂头细胞核精（子）细胞_这是精子形成 线粒体鞘线粒体的第三个阶段：精子 精细胞 精子 由细胞质的其他部分发育2、卵子形成：胚胎在性别分化以后，雌性胎儿卵巢内的 卵原细胞 ，通过 有丝分裂，不断增长数量，并经 DNA 复制和相关 蛋白质 合成，即 复制，滋长，成为 初级卵母细胞 细胞，这个细胞被 卵泡 细胞包围，成为 卵泡。即雌性胎儿在出生时，已经准备好了所有的 初级卵母细胞（卵泡） 。初级卵母细胞排卵：是指卵子 从 卵泡 中排出，排出时是初级卵母细胞 细胞（马、犬）或者是 次级卵母细胞 细胞（猪、羊）。卵子形成过程中的减数分裂：减数第一次分裂在 排卵前后完毕，产生一个 次级卵母细胞 和第一极体，进入 输卵管 ，减数第二次分裂在 输卵管 过程中完毕，标志是：在 的间隙可以观测到 二个极体 的时候。卵黄膜透明带放射冠3、受精作用 准备阶段：精子准备：精子必需在雌性生殖道 中运营一段时间，称精子获能。 在体外受精操作时要人工进行。卵子准备：排卵时排出的是 初级卵母细胞 细胞或是 次级卵母细胞细胞，还需要在 输卵管 内进一步成熟，到达 减数第二次分裂中 期，才具有受精能力。受精阶段：顶体反映精子的 顶体 释放 顶体酶 ，融解 放射冠 和 透明带 。入卵后的变化精子穿越_放射冠_和透明带精子进入卵黄膜_(精)尾部_脱落, 形成 雄原核 (卵)完毕减,形成_雌原核_ 雄原核、雌原核发育,并融合形成原核配子融合精子核雄原核防止多精入卵的两道屏障：在精子触及 透明带的瞬间，发生透明带反映是防止多精入卵的第一道屏障；精子入卵后，发生卵细胞膜反映这是防治多精入卵的第二道屏障。）二、哺乳动物胚胎发育过程（从受精卵到幼体）场合：输卵管、子宫过程： 受精卵 卵裂 桑葚胚 囊胚 原肠胚 胎儿形成场合： 输卵管 子宫 卵裂期：细胞在透明带中进行有丝分裂，数量增长，胚胎总体积不增长，每个细胞体积减小，有机物总量减少。桑椹胚：胚胎细胞达32个左右，每一个细胞都具有全能性。之前为全能细胞囊胚：外表是一层扁平细胞，称为滋养层，滋养层发育成胎膜和胎盘。囊胚中心的腔称为囊胚腔。此期细胞开始分化，腔内一侧的细胞群称为内细胞团，内细胞团将来发育成胎儿各组织。（细胞开始分化的时期）此时期孵化从透明带中孵出原肠胚：分化成三个胚层，具有原肠腔（“一腔三层”）