基因工程的基本原理和技术.ppt

据调查：据调查：20052005年全世界约有糖尿病患者年全世界约有糖尿病患者1.81.8亿亿人，我国约有人，我国约有60006000万人。万人。治疗糖尿病的特效药治疗糖尿病的特效药-胰岛素胰岛素 胰岛素是治疗糖尿病的特效药胰岛素是治疗糖尿病的特效药,长期以来只能从长期以来只能从猪、牛等动物的胰腺中提取，产量低成本高。猪、牛等动物的胰腺中提取，产量低成本高。而微生物生长迅速，容易控制。于是科学家而微生物生长迅速，容易控制。于是科学家设想设想，若能将人的胰岛素基因导入微生物体内，改造微生若能将人的胰岛素基因导入微生物体内，改造微生物基因并得以表达，就能解决产量问题，大大降低物基因并得以表达，就能解决产量问题，大大降低生产成本，使药品价格大幅下降。生产成本，使药品价格大幅下降。第一页，编辑于星期五：五点 九分。这些定向改造基因的设想能实现吗？经过多年的努力，科学家多年的努力，科学家终终于于在在20世世纪70年代年代创立了可立了可以以定向改造定向改造生物的新技生物的新技术基因工程基因工程第二页，编辑于星期五：五点 九分。第一节基第一节基因工程的基本原理和技因工程的基本原理和技术术本节聚焦：本节聚焦：1、简述基因工程的概念、简述基因工程的概念2、简述、简述DNA重组技术所需三种基本工具的作用重组技术所需三种基本工具的作用3、简述基因工程载体应具备的条件、简述基因工程载体应具备的条件4、认同基因工程的诞生和发展离不开理论研究和、认同基因工程的诞生和发展离不开理论研究和技术创新技术创新第三页，编辑于星期五：五点 九分。什么叫基因工程？也叫基因拼接技术或DNA重组技术。该技术是在生物体外，通过对有关DNA分子进行人工“剪切”和“拼接”，对生物的基因进行定向改造和重新组合，然后导入受体细胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，从而创造出人类所需要的新的生物类型和基因产物的技术。定向改造生物的遗传性状。第四页，编辑于星期五：五点 九分。1 1基因拼接的理论基础基因拼接的理论基础(1)大多数生物的大多数生物的遗传物质是遗传物质是DNA。(2)DNA的的基本组成单位都是四种脱氧核苷酸基本组成单位都是四种脱氧核苷酸。(3)双链双链DNA分子的空间结构都是规则的分子的空间结构都是规则的双螺旋结构双螺旋结构。一、基因工程研究的理论基础一、基因工程研究的理论基础2 2外源基因在受体内表达的理论基础外源基因在受体内表达的理论基础(1)(1)基因是控制生物性状的独立遗传单位。基因是控制生物性状的独立遗传单位。(2)(2)遗传信息的传递都遵循遗传信息的传递都遵循中心法则中心法则。(3)(3)生物界共用一套生物界共用一套遗传密码遗传密码。第五页，编辑于星期五：五点 九分。准确切割准确切割DNA的工具（的工具（“分子手术刀分子手术刀”）限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶（限制性内切酶）（限制性内切酶）DNA片段的连接工具（片段的连接工具（“分子缝纫针分子缝纫针”）DNA连接酶连接酶基因运载工具（基因运载工具（“分子运输车分子运输车”）运载体运载体二、二、DNADNA重组技术的基本工具重组技术的基本工具第六页，编辑于星期五：五点 九分。（一）限制性核酸内切酶（一）限制性核酸内切酶（“分子手术刀分子手术刀”）学生活动：阅读学生活动：阅读P67-P69讨论完成下列内讨论完成下列内容：容：1、限制性内切酶的来源？、限制性内切酶的来源？2、限制性内切酶的种类？、限制性内切酶的种类？3、限制性内切酶的作用特点？、限制性内切酶的作用特点？主要是从主要是从主要是从主要是从原核生物中分离纯化出来原核生物中分离纯化出来原核生物中分离纯化出来原核生物中分离纯化出来的一种酶的一种酶的一种酶的一种酶约约40004000识别双链识别双链DNADNA分子的分子的某种特定核苷酸序列某种特定核苷酸序列,并且使并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二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酯键断开第七页，编辑于星期五：五点 九分。限制性内切酶作用过程点击播放点击播放第八页，编辑于星期五：五点 九分。当限制酶当限制酶从识别序列的从识别序列的中心轴线处切中心轴线处切开时开时，切开的切开的DNADNA两条单链的切口，是平两条单链的切口，是平整的，这样的切口叫整的，这样的切口叫平末端平末端。第九页，编辑于星期五：五点 九分。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是否具有是否具有相同的黏性末端？相同的黏性末端？思考思考:一个目的基因有几个黏性末端？一个目的基因有几个黏性末端？两个两个 是，会产生相同的黏性末端是，会产生相同的黏性末端第十页，编辑于星期五：五点 九分。二、二、“分子缝纫针分子缝纫针”DNA连接酶连接酶1、种类：、种类：2、作用部位：、作用部位：两类两类Ecoli DNA连接酶连接酶T4 DNA连接酶连接酶 是磷酸二酯键是磷酸二酯键（扶手）（扶手）不是氢键不是氢键不是氢键不是氢键（梯子）（梯子）DNA连接酶连接酶可把黏性末端可把黏性末端之间的缝隙之间的缝隙“缝缝合合”起来，即把梯子两边扶手的断口连接起起来，即把梯子两边扶手的断口连接起来，这样一个重组的来，这样一个重组的DNA分子就形成了。分子就形成了。第十一页，编辑于星期五：五点 九分。DNA连接酶的作用过程连接酶的作用过程点击播放点击播放第十二页，编辑于星期五：五点 九分。限制酶切割后有两种不同的结果，一种产生黏性末端，限制酶切割后有两种不同的结果，一种产生黏性末端，一种产生平末端。那么恢复它们的连接时，是不是任何一种产生平末端。那么恢复它们的连接时，是不是任何一种一种DNADNA连接酶都可以呢？连接酶都可以呢？连接黏性末端连接黏性末端连接黏性末端和平末端连接黏性末端和平末端分类分类作用作用E.coli DNA连接酶连接酶连接酶连接酶T4DNA连接酶连接酶第十三页，编辑于星期五：五点 九分。（三）“分子运输车分子运输车”-基因进入受体细胞的载体基因进入受体细胞的载体学生活动：阅读学生活动：阅读P70P71讨论完成下列内容：讨论完成下列内容：1 1、基因工程常用的载体有哪些？、基因工程常用的载体有哪些？2、作为基因工程的载体需要怎样的条件呢？、作为基因工程的载体需要怎样的条件呢？质粒质粒噬菌体噬菌体动植物病毒动植物病毒1.1.能在宿主细胞内复制并稳定保存能在宿主细胞内复制并稳定保存 2.2.有一个至多个限制酶切位点有一个至多个限制酶切位点3.3.有遗传标记基因有遗传标记基因4.4.对受体细胞无害、易分离对受体细胞无害、易分离第十四页，编辑于星期五：五点 九分。基因工程的别名基因工程的别名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实质实质结果结果基因拼接技术或基因拼接技术或DNADNA重组技术重组技术生物体外生物体外基因基因DNADNA分子水平分子水平人类需要的基因产物人类需要的基因产物剪切剪切 拼接拼接 导入导入 表达表达基因重组基因重组小结小结第十五页，编辑于星期五：五点 九分。第十六页，编辑于星期五：五点 九分。DNA 重组技术的基本工具重组技术的基本工具“分子手术刀分子手术刀”“分子缝合针分子缝合针”“分子运输车分子运输车”限制限制（性核酸内切）（性核酸内切）酶酶DNA连接酶连接酶基因进入受体细胞的载体基因进入受体细胞的载体第十七页，编辑于星期五：五点 九分。限制性内切酶限制性内切酶的识别序列和切点是的识别序列和切点是GGATCC，限制性，限制性内切酶内切酶的识别序列和切点是的识别序列和切点是GATC。在质粒上有酶。在质粒上有酶的一个切点，在目的基因的两侧各有的一个切点，在目的基因的两侧各有1个酶个酶的切点。的切点。请画出质粒被限制酶请画出质粒被限制酶切割后所形成的黏性末端。切割后所形成的黏性末端。请画出目的基因两侧被限制酶请画出目的基因两侧被限制酶切割后所形成的黏性末端。切割后所形成的黏性末端。在在DNA连接酶的作用下，上述两种不同限制酶切割后形成连接酶的作用下，上述两种不同限制酶切割后形成的黏性末端能否连接起来？为什么？的黏性末端能否连接起来？为什么？第十八页，编辑于星期五：五点 九分。设想一 能否培养出具有抗虫性状的抗虫棉呢？第十九页，编辑于星期五：五点 九分。DNADNA聚合酶聚合酶DNADNA连接酶连接酶区别区别1 1区别区别2 2相同点相同点DNA连接酶与连接酶与DNA聚合酶是一回事吗聚合酶是一回事吗?为什么为什么?1)1)只能将只能将单个核苷酸单个核苷酸连接连接到已有的核酸片段上，形到已有的核酸片段上，形成磷酸二酯键成磷酸二酯键形成形成磷酸二酯键磷酸二酯键1)1)在在两个两个DNADNA片段之片段之间间形成磷酸二酯键形成磷酸二酯键2)2)以以一条一条DNADNA链为模板，链为模板，将单个核苷酸将单个核苷酸将单个核苷酸将单个核苷酸通过磷酸通过磷酸二酯键二酯键连接成一条互补连接成一条互补的的DNADNA链链2)2)将将DNADNA双链上的双链上的两两个缺口同时连接起来，个缺口同时连接起来，不需要模板不需要模板第二十页，编辑于星期五：五点 九分。DNADNA重组技术的基本工具重组技术的基本工具想一想想一想:获得转基因抗虫棉需要做哪些工作呢获得转基因抗虫棉需要做哪些工作呢?第二十一页，编辑于星期五：五点 九分。基因工程培育抗虫棉的简要过程：基因工程培育抗虫棉的简要过程：苏云金芽孢杆菌苏云金芽孢杆菌提取提取提取提取抗虫基因抗虫基因普通棉花普通棉花(无抗虫特性)棉花细胞棉花细胞(含抗虫基因)与运载体与运载体与运载体与运载体DNADNA拼接，导入拼接，导入拼接，导入拼接，导入棉花植株棉花植株(有抗虫特性)表达表达表达表达解决培育抗虫棉的关键步骤需要哪些工具解决培育抗虫棉的关键步骤需要哪些工具？工欲善其事工欲善其事,必先利其器必先利其器.第二十二页，编辑于星期五：五点 九分。基因工程的基本操作程序主要包括基因工程的基本操作程序主要包括四个基本步骤：四个基本步骤：1 1）目的基因的）目的基因的获取取2 2）基因表达）基因表达载体的构建体的构建3 3）将目的基因）将目的基因导入受体入受体细胞胞4 4）目的基因的）目的基因的检测与与鉴定定第二十三页，编辑于星期五：五点 九分。原核生物原核生物为什么没有在长期的进化过程中由于外源为什么没有在长期的进化过程中由于外源DNA的入侵而灭绝，有什么保护机制？的入侵而灭绝，有什么保护机制？这类酶在原核生物中起什么作用这类酶在原核生物中起什么作用?为什么细菌中限制酶不剪切细菌本身的为什么细菌中限制酶不剪切细菌本身的DNA？（一）限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶防止外来病原物的侵害。当外源防止外来病原物的侵害。当外源DNA侵入时，侵入时，会利用限制酶会利用限制酶将外源将外源DNA切割切割掉，以保证自掉，以保证自身的安全。所以，限制酶在原核生物中主要身的安全。所以，限制酶在原核生物中主要起到起到切割外源切割外源DNA、使之失效、使之失效，从而达到，从而达到保护保护自身自身的目的。的目的。第二十四页，编辑于星期五：五点 九分。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第二十五页，编辑于星期五：五点 九分。基因进入受体细胞的载体基因进入受体细胞的载体 要让一个从甲生物细胞内取出来的基因在要让一个从甲生物细胞内取出来的基因在乙生物体内进行表达，首先得将这个基因送乙生物体内进行表达，首先得将这个基因送到乙生物的细胞内去！能将外源基因送入细到乙生物的细胞内去！能将外源基因送入细胞的工具就是胞的工具就是载体载体。基因工程的载体被喻为基因工程的载体被喻为：分子运输车分子运输车第二十六页，编辑于星期五：五点 九分。基因工程产品抗虫害的玉米转鱼抗寒基因的番茄转基因鲑鱼第二十七页，编辑于星期五：五点 九分。转黄瓜抗青枯病基因的甜椒乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷)第二十八页，编辑于星期五：五点 九分。基因工程的产物第二十九页，编辑于星期五：五点 九分。第三十页，编辑于星期五：五点 九分。（一）限制性核酸内切酶（分子手术刀）（一）限制性核酸内切酶（分子手术刀）A、来源、来源:主要是从主要是从原核生物原核生物中分离纯化出中分离纯化出来来的一种酶。能将外来的的一种酶。能将外来的DNA切切断断，由于这种切割作用是在，由于这种切割作用是在DNA分分子内部进行的，故名限制性核酸内子内部进行的，故名限制性核酸内切酶。切酶。C、作用、作用:识别双链识别双链DNADNA分子的某分子的某种特定核苷酸种特定核苷酸序列序列,并且使每一条链中特定部位的两个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核苷酸之间的磷酸二酯键断开.B B、种类：种类：约约40004000第三十一页，编辑于星期五：五点 九分。什么叫黏性末端？什么叫黏性末端？当限制酶当限制酶从识别序列的从识别序列的中心轴线两侧切开中心轴线两侧切开时时，被限制酶切开的被限制酶切开的DNA两条单链的切口，两条单链的切口，带有几个带有几个伸出的核苷酸伸出的核苷酸，他们之间正好，他们之间正好互补互补配对配对，这样的切口叫，这样的切口叫黏性末端黏性末端。第三十二页，编辑于星期五：五点 九分。作为载体的必要条件作为载体的必要条件1.1.能在宿主细胞内复制并稳定保存能在宿主细胞内复制并稳定保存 能进入受体生物细胞并在受体生物细胞内复制能进入受体生物细胞并在受体生物细胞内复制并表达；并表达；2.2.有一个至多个限制酶切位点有一个至多个限制酶切位点能与目的基因结合能与目的基因结合3.3.有遗传标记基因有遗传标记基因便于观察便于观察4.4.对受体细胞无害、易分离对受体细胞无害、易分离安全、比较容易得到安全、比较容易得到第三十三页，编辑于星期五：五点 九分。最常用的运载体最常用的运载体质粒质粒分布：存在于许多分布：存在于许多分布：存在于许多分布：存在于许多细菌细菌细菌细菌以及以及以及以及酵母菌酵母菌酵母菌酵母菌等生物中。等生物中。等生物中。等生物中。最常用的质粒是最常用的质粒是最常用的质粒是最常用的质粒是大肠杆菌的质粒大肠杆菌的质粒大肠杆菌的质粒大肠杆菌的质粒。本质：细胞染色体本质：细胞染色体本质：细胞染色体本质：细胞染色体(或拟核或拟核)外外能自主复制能自主复制能自主复制能自主复制的小型的小型环状环状DNADNADNADNA分子。分子。分子。分子。质粒的存在与否对宿主质粒的存在与否对宿主细胞生存没有决定性作细胞生存没有决定性作用，但复制只能在宿主用，但复制只能在宿主细胞内成。细胞内成。第三十四页，编辑于星期五：五点 九分。