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第二节基因工程及应用第1页，本讲稿共48页什么叫基因工程什么叫基因工程?基因工程的基本操作步骤有哪些基因工程的基本操作步骤有哪些?归纳出科学家实施基因工程的总体思路归纳出科学家实施基因工程的总体思路阅读教材阅读教材 P102，解决以下问题：，解决以下问题：第2页，本讲稿共48页一、基因工程的原理一、基因工程的原理1.1.基因工程的概念：基因工程的概念：基因工程又叫基因工程又叫 技术或技术或 技术。技术。通俗地说，就是按照人们的意愿，把一种生物的某种基因通俗地说，就是按照人们的意愿，把一种生物的某种基因_出来，加以出来，加以 ，然后放到另一种生物的，然后放到另一种生物的细胞里，细胞里，_地改造生物的遗传性状。地改造生物的遗传性状。DNADNA重组重组基因拼接基因拼接提取提取修饰改造修饰改造定向定向2.2.发展发展原理：原理：DNA分子水平分子水平基因重组基因重组操作水平：操作水平：操作环境：操作环境：生物体外生物体外定向定向改造生物的性状，改造生物的性状，获得人类所需要的品获得人类所需要的品种。种。结果结果：第3页，本讲稿共48页19711971年，史密斯（年，史密斯（Smith H.O.Smith H.O.）等人从细菌中分离出的一）等人从细菌中分离出的一种限制性酶，酶切病毒种限制性酶，酶切病毒DNADNA分子，标志着分子，标志着DNADNA重组时代的开重组时代的开始。始。19721972年伯格（年伯格（Berg P.Berg P.）等用限制性酶分别酶切猿猴病毒和）等用限制性酶分别酶切猿猴病毒和噬菌体噬菌体DNADNA，将两种，将两种DNADNA分子用连接酶连接起来分子用连接酶连接起来 得到新的得到新的DNADNA分子。分子。19731973年，科恩（年，科恩（Cohen S.Cohen S.）等进一步将酶切）等进一步将酶切DNADNA分子与质分子与质DNADNA连连接起来，并将重组质粒转入接起来，并将重组质粒转入E.cloiE.cloi细胞中。细胞中。19821982年，美国食品卫生和医药管理局批准，用基因工程年，美国食品卫生和医药管理局批准，用基因工程在细菌中生在细菌中生产人的胰岛素产人的胰岛素投放市场。投放市场。19851985年，年，转基因植物转基因植物获得成功。获得成功。19941994年，延熟保鲜的年，延熟保鲜的转基因番茄转基因番茄商品生产。商品生产。19961996年，年，克隆羊克隆羊诞生。诞生。第4页，本讲稿共48页转转基基因因抗抗虫虫水水稻稻第5页，本讲稿共48页转基因抗棉铃虫棉花转基因抗棉铃虫棉花第6页，本讲稿共48页贵过奔驰的贵过奔驰的金边达摩兰金边达摩兰第7页，本讲稿共48页全身散发绿色荧光的转基因鱼全身散发绿色荧光的转基因鱼第8页，本讲稿共48页美国公司研制出可当宠物出售的转基因荧光鱼美国公司研制出可当宠物出售的转基因荧光鱼第9页，本讲稿共48页具有生长激素的转基因具有生长激素的转基因“超鼠超鼠”第10页，本讲稿共48页 世界上第一只基因改造的世界上第一只基因改造的灵长类动物猴子的研究，将有灵长类动物猴子的研究，将有助於发现诸如老年痴呆症、爱助於发现诸如老年痴呆症、爱滋病及癌症的新基因疗法滋病及癌症的新基因疗法第11页，本讲稿共48页培育转基因抗虫棉的简要过程：培育转基因抗虫棉的简要过程：你认为上述培育转基你认为上述培育转基你认为上述培育转基你认为上述培育转基因抗虫棉的关键步骤因抗虫棉的关键步骤因抗虫棉的关键步骤因抗虫棉的关键步骤有哪些？有哪些？有哪些？有哪些？普通棉花普通棉花(无抗虫特性无抗虫特性无抗虫特性无抗虫特性)苏云金芽孢杆菌苏云金芽孢杆菌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抗虫基因抗虫基因与运载体与运载体与运载体与运载体DNADNA拼接拼接拼接拼接导入导入导入导入棉花细胞棉花细胞(含含抗虫基因抗虫基因)棉花植株棉花植株(有抗虫特性有抗虫特性)第12页，本讲稿共48页培育转基因大肠杆菌的关键步骤：培育转基因大肠杆菌的关键步骤：1.ONE1.ONE抗虫基因抗虫基因从从苏云金苏云金杆菌杆菌内提内提取出来取出来2.TWO2.TWO抗虫抗虫基因基因与运载体与运载体DNADNA连接连接3.THREE3.THREE抗虫基因抗虫基因导导入受体入受体(棉棉花花)细胞细胞基因的基因的“剪刀剪刀”基因的基因的“针线针线”基因的运载体基因的运载体第13页，本讲稿共48页基因的基因的“剪刀”限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶基因的基因的“针线针线”DNADNA连接酶连接酶基因的基因的运载体运载体 质粒、噬菌体、动植物病毒等质粒、噬菌体、动植物病毒等二二.基因工程的操作工具基因工程的操作工具第14页，本讲稿共48页(1).(1).限制性核酸内切酶（限制酶）限制性核酸内切酶（限制酶）1.1.分布：分布：主要在微生物中。主要在微生物中。2.2.特特点点：专专一一性性和和特特异异性性，即即识识别别特特定定核核苷酸序列，切割苷酸序列，切割特定特定切点。切点。3.3.结果：结果：产生黏性未端（碱基互补配对）。产生黏性未端（碱基互补配对）。4.4.举举 例例：大大 肠肠 杆杆 菌菌 的的 一一 种种 限限 制制 酶酶（EcoREcoR）能能识识别别GAATTCGAATTC序序列列，并并在在G G和和A A之之间切开。间切开。一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切割点上将在特定的切割点上将DNA DNA 分子切断。目前已发现的限分子切断。目前已发现的限制酶有制酶有200200多种。多种。第15页，本讲稿共48页2 2、基因工程的工具、基因工程的工具(1)基因的剪刀 限制性内切酶G GA AA A T TT T C CG GC C T TT T A AA A（黏性末端）（黏性末端）（黏性末端）（黏性末端）第16页，本讲稿共48页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伸出的核苷酸，带有几个伸出的核苷酸，它们之间正好互补配对，它们之间正好互补配对，这样的切口叫黏性末端。这样的切口叫黏性末端。什么是黏性末端什么是黏性末端？第17页，本讲稿共48页CTTCATG AATTCCCTAA GAAGTACTTAA GGGATT GGCATCTTAAAATTCCGTAG 练习使用练习使用EcoRI 剪切目的基因剪切目的基因CTTCATG AATTCCCTAA GAAGTACTTAA GGGATT GGCATCTTAAAATTCCGTAG 目的基因目的基因黏性末端黏性末端第18页，本讲稿共48页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末端连接起来，使之成为一个完整的DNADNA分子。分子。即催化在两条即催化在两条DNA链之间形成链之间形成磷磷酸二脂键酸二脂键？基因进行了切割以后就有了切口，基因进行了切割以后就有了切口，怎样才怎样才能将有切口的基因与其他基因缝合在一起呢？能将有切口的基因与其他基因缝合在一起呢？第19页，本讲稿共48页(2)(2)基因的针线基因的针线 DNA DNA连接酶连接酶G GA AA A T TT T C CG GC C T TT T A AA A注：限制酶与连接酶作用的位点都是注：限制酶与连接酶作用的位点都是 磷酸二酯键磷酸二酯键第20页，本讲稿共48页使用使用DNA连接酶制作重组连接酶制作重组DNA分子分子甲片段甲片段CTTCATG AATTCCCTAA GAAGTACTTAA GGGATT 乙片段乙片段GGCATCTTAAAATTCCGTAG 重组重组DNA分子分子GGCATCTTAAAATTCCGTAG 第21页，本讲稿共48页基因的针线：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22页，本讲稿共48页第23页，本讲稿共48页大肠杆菌大肠杆菌DNA 质粒质粒（环状（环状DNA分子）分子）控制质粒控制质粒DNA转移的基因转移的基因抗生素抗性基因抗生素抗性基因利用质粒将外源基因运载入受体细胞中利用质粒将外源基因运载入受体细胞中(3)基因的运输工具基因的运输工具 运载体运载体 常用的运载体：常用的运载体：质粒、噬菌体和动植物病毒作用：作用：运载体具备的条件运载体具备的条件：质粒是存在质粒是存在于许多细菌于许多细菌及酵母菌等及酵母菌等生物的细胞生物的细胞中，是拟核中，是拟核或细胞核外或细胞核外能够自主复能够自主复制的很小的制的很小的环状环状DNA分分子子标记基因，便标记基因，便于进行检测于进行检测第24页，本讲稿共48页运载体运载体1 1能够在宿主细胞内能够在宿主细胞内复制复制并稳定保存；并稳定保存；具有具有多个限制酶切点多个限制酶切点以便与外源基因相连；以便与外源基因相连；具有具有标记基因标记基因，便于，便于进行筛选进行筛选第25页，本讲稿共48页限制性内切酶限制性内切酶：可以切割磷酸二酯键：可以切割磷酸二酯键 DNADNA连接酶连接酶：可以连接被限制酶切割开磷酸二酯键：可以连接被限制酶切割开磷酸二酯键 DNADNA聚合酶聚合酶：使：使DNADNA两链中的氢键结合两链中的氢键结合 解旋酶解旋酶：使：使DNADNA两链中的氢键断开两链中的氢键断开第26页，本讲稿共48页三三基基因因工工程程的的操操作作步步骤骤第一步第一步 提取目的提取目的 基因和运载体基因和运载体第二步第二步 目的基因目的基因 与运载体结合与运载体结合第三步第三步 将目的基将目的基 因因导入受体细胞导入受体细胞 检测目的基检测目的基因的表达情况因的表达情况 第四步第四步细菌细菌细胞细胞质粒质粒DNADNA用限用限 制酶切制酶切 断断DNADNA用连接酶连用连接酶连 接目的基因接目的基因将重组将重组DNA DNA 导入受体细胞导入受体细胞增增 殖殖目的基因的目的基因的产物产物第27页，本讲稿共48页知识点三、基因操作的基本步骤知识点三、基因操作的基本步骤第28页，本讲稿共48页基因工程的“四步曲”提取提取目的基因目的基因1目的基因与目的基因与运载体结合运载体结合2将目的基因将目的基因导入导入受体细胞受体细胞3目的基因的目的基因的检测检测和和表达表达4第29页，本讲稿共48页？如何让大肠杆菌生产人胰岛素？如何让大肠杆菌生产人胰岛素？从细胞中分离从细胞中分离从细胞中分离从细胞中分离出出出出DNADNADNADNA限制酶截取限制酶截取限制酶截取限制酶截取DNADNADNADNA片断片断片断片断分离大肠杆分离大肠杆分离大肠杆分离大肠杆菌中的质粒菌中的质粒菌中的质粒菌中的质粒 DNA DNA DNA DNA重组重组重组重组用重组质粒用重组质粒用重组质粒用重组质粒导入大肠杆菌导入大肠杆菌导入大肠杆菌导入大肠杆菌培养大肠杆菌培养大肠杆菌培养大肠杆菌培养大肠杆菌克隆大量基因克隆大量基因克隆大量基因克隆大量基因第30页，本讲稿共48页12基因工程的操作工具基因工程的操作工具1.基因的剪刀基因的剪刀 限制性内切酶限制性内切酶2.基因的针线基因的针线 连接酶连接酶 3.基因的运输工具基因的运输工具 运载体运载体 基因工程的操作步骤基因工程的操作步骤1.目的基因的目的基因的提取提取2.目的基因与运载体目的基因与运载体结合结合3.目的基因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与与表达表达基因工程的原理基因工程的原理第31页，本讲稿共48页一、基因工程与作物育种第32页，本讲稿共48页生长快、肉质好的转基因鱼生长快、肉质好的转基因鱼(中国中国)乳汁中含有人生长激素的乳汁中含有人生长激素的转基因牛转基因牛(阿根廷阿根廷)第33页，本讲稿共48页转黄瓜抗青枯病基因的甜椒黄瓜抗青枯病基因的甜椒转鱼抗寒基因抗寒基因的番茄的番茄第34页，本讲稿共48页2 2、基因工程与药物研制、基因工程与药物研制我国生我国生产的部分基因的部分基因工程疫苗和工程疫苗和药物物许多药品的生产许多药品的生产是从生物组织中提取是从生物组织中提取的。受材料来源限制的。受材料来源限制产量有限，其价格往产量有限，其价格往往十分昂贵。往十分昂贵。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。若将生物合成相应药物成分的基因导入微生物生产。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，不但能解决产量问细胞内，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。题，还能大大降低生产成本。第35页，本讲稿共48页胰岛素从猪、牛等动物的胰腺胰岛素从猪、牛等动物的胰腺中提取，中提取，100Kg100Kg胰腺只能提取胰腺只能提取4-5g4-5g的的胰岛素，其产量之低和价格之高可胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。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培养液就能产生培养液就能产生100g100g胰岛素！使其价格胰岛素！使其价格降低了降低了30%-50%!30%-50%!第36页，本讲稿共48页3 3、环境保护、环境保护基因工程做成的基因工程做成的“超级细菌超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。能吞食和分解多种污染环境的物质。通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工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程培育成功的“超级细菌超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化却能分解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，分解合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDTDDT等毒等毒害物质。害物质。第37页，本讲稿共48页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。第38页，本讲稿共48页基因工程在农牧业上的应用：基因工程在农牧业上的应用：获得高产、稳产和具有优良品质的农作物获得高产、稳产和具有优良品质的农作物培养具有各种抗逆性的作物新品种培养具有各种抗逆性的作物新品种获得人们所需要的和具有优良品质的转基因动物获得人们所需要的和具有优良品质的转基因动物利用某些特定的外源基因在哺乳动物体内的表达利用某些特定的外源基因在哺乳动物体内的表达第39页，本讲稿共48页 转基因食品转基因食品 安全吗?第40页，本讲稿共48页练习：练习：要使目的基因与对应的载体重组，所需的两种酶是（要使目的基因与对应的载体重组，所需的两种酶是（）限制酶限制酶连接酶连接酶解旋酶解旋酶还原酶还原酶实施基因工程的第一步的一种方法是把所需的基因从供实施基因工程的第一步的一种方法是把所需的基因从供体细胞内分离出来，这要利用限制性内切酶。一种限制性体细胞内分离出来，这要利用限制性内切酶。一种限制性内切酶能识别分子的顺序，切点在内切酶能识别分子的顺序，切点在和之间，这是利用了酶的（）和之间，这是利用了酶的（）高效性专一性高效性专一性多样性催化活性易受外界影响多样性催化活性易受外界影响第41页，本讲稿共48页基因工程的正确操作步骤是（）基因工程的正确操作步骤是（）使目的基因与运载体结合使目的基因与运载体结合将目的基因导入受体细胞将目的基因导入受体细胞检测目的基因的表达是否符合特定性状要求检测目的基因的表达是否符合特定性状要求提取目的基因提取目的基因 采用基因工程的方法培育抗虫棉，下列导入目的基因的作法正采用基因工程的方法培育抗虫棉，下列导入目的基因的作法正确的是（）（理综第题）确的是（）（理综第题）将毒素蛋白注射到棉受精卵中将毒素蛋白注射到棉受精卵中 将编码毒素蛋白的序列，注射到棉受精卵中将编码毒素蛋白的序列，注射到棉受精卵中 将编码毒素蛋白的序列，与质粒重组，导入细菌，用该将编码毒素蛋白的序列，与质粒重组，导入细菌，用该细菌感染棉的体细胞，在进行组织培养细菌感染棉的体细胞，在进行组织培养 将编码毒素蛋白的序列，与细菌质粒重组，注射到棉的将编码毒素蛋白的序列，与细菌质粒重组，注射到棉的子房并进入受精卵中子房并进入受精卵中 第42页，本讲稿共48页5.5.基因工程技术中的目的基因主要来源于基因工程技术中的目的基因主要来源于A.A.自然界现存在生物体内的基因自然界现存在生物体内的基因B.B.自然突变产生的新基因自然突变产生的新基因C.C.人工诱变产生的新基因人工诱变产生的新基因D.D.科学家在实验室中人工合成的基因科学家在实验室中人工合成的基因A第43页，本讲稿共48页6.6.下列关于基因工程的叙述中下列关于基因工程的叙述中,正确的是正确的是:A.A.限制酶只用于提取目的基因限制酶只用于提取目的基因B.B.细菌体内的环状细菌体内的环状DNADNA均可作运载体均可作运载体C.DNAC.DNA连接酶可用于目的基因和运载体的连接连接酶可用于目的基因和运载体的连接D.D.重组重组DNADNA分子一旦进入受体细胞分子一旦进入受体细胞,基因工程则完成基因工程则完成.7.7.以下说法正确的是以下说法正确的是:A.A.目的基因是指重组目的基因是指重组DNA DNA B.B.一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列C.DNAC.DNA重组所用的工具酶是限制酶、连接酶和运载体重组所用的工具酶是限制酶、连接酶和运载体D.D.只要受体细胞中含有目的基因，目的基因就一定能够成功表只要受体细胞中含有目的基因，目的基因就一定能够成功表达达 CB第44页，本讲稿共48页8.8.基因工程是在基因工程是在DNADNA分子水平上进行设计施工的。在基分子水平上进行设计施工的。在基 因操作的步骤中，不进行碱基互补配对的是（因操作的步骤中，不进行碱基互补配对的是（）A.A.人工合成目的基因。人工合成目的基因。B.B.目的基因与运载体结合。目的基因与运载体结合。C.C.将目的基因导入受体细胞。将目的基因导入受体细胞。D.D.目的基因的检测和表达。目的基因的检测和表达。C9.9.能够使植物体表达动物蛋白的育种方法是（能够使植物体表达动物蛋白的育种方法是（）A.A.单倍体育种单倍体育种 B.B.基因工程育种基因工程育种 C.C.杂交育种杂交育种 D.D.多倍体育种多倍体育种B CB第45页，本讲稿共48页10.DNA10.DNA连接酶的作用是：连接酶的作用是：A.A.子链和母链之间形成氢键子链和母链之间形成氢键B.B.黏性末端之间形成氢键黏性末端之间形成氢键C.C.两个两个DNADNA末端间的缝隙连接末端间的缝隙连接D.AD.A、B B、C C都对都对 C11.不属于目的基因与运载体结合过程的是不属于目的基因与运载体结合过程的是()A.用一定的限制酶切割质粒露出黏性末端用一定的限制酶切割质粒露出黏性末端 B.用同种限制酶切割目的基因露出黏性末端用同种限制酶切割目的基因露出黏性末端 C.将切下的目的基因的片段插入到质粒切口处将切下的目的基因的片段插入到质粒切口处 D.将重组将重组DNA导入受体细胞中进行扩增导入受体细胞中进行扩增D第46页，本讲稿共48页12.12.下列是由限制酶切割形成的下列是由限制酶切割形成的DNADNA片段，能片段，能用相应用相应DNADNA连接酶将它们恢复连接的组合是连接酶将它们恢复连接的组合是CTGCA GGCTTAA GACGTC AATTC GA.A.；B.B.；C.C.；D.D.以上都不对以上都不对A第47页，本讲稿共48页13.13.基因工程技术在培育抗旱植物用于发展沙漠农业和基因工程技术在培育抗旱植物用于发展沙漠农业和改造沙漠方面显示了良好的前景改造沙漠方面显示了良好的前景,荷兰一家公司将大肠荷兰一家公司将大肠杆菌中的海藻糖合成酶基因导入植物杆菌中的海藻糖合成酶基因导入植物(如甜菜、马铃薯如甜菜、马铃薯等等)中并获得有效表达，使中并获得有效表达，使“工程植物工程植物”增强了耐旱性、增强了耐旱性、耐寒性的基本操作步骤是：耐寒性的基本操作步骤是：（2）基因表达的含义是：）基因表达的含义是：（3）写出酶基因工程在植物体内的表达过程：）写出酶基因工程在植物体内的表达过程：（4）基因工程操作中的工具是：）基因工程操作中的工具是：海藻糖合成酶基因的获取海藻糖合成酶基因的获取目的基因与运载体结合目的基因与运载体结合将目的基因导入受体细胞将目的基因导入受体细胞目的基因的表达和检测目的基因的表达和检测基因基因通过通过转录转录、翻译翻译合成蛋白质，体现出相合成蛋白质，体现出相应的性状应的性状酶基因酶基因 mRNA mRNA 海藻糖合成酶海藻糖合成酶转录转录翻译翻译第48页，本讲稿共48页