专题一 基因工程学习资料.ppt
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1、专题一 基因工程早期基础理论1859年达尔文提出生物进化论基础理论和技术发展催生了基因工程1953年沃森、克里克提出DNA的双螺旋结构模型1958年梅塞尔松、斯塔尔证明DNA的半保留复制1958年克里克等提出中心法则转录转录翻译翻译逆转录逆转录1963年尼伦伯格和马太破译编码氨基酸的 遗传密码,1966年霍拉纳用实验加以证明技术发明1967年基因转移载体的发现1970年工具酶的发现1965年氨基酸测序和1977年DNA测序技术的发明1972年DNA体外重组的实现1973年重组DNA表达实验的成功1980年第一例转基因动物和1983年第一例转基因 植物问世1988年PCR技术的发明 按照人们的愿
2、望,在DNA分子水平上进行严格的设计,并通过体外DNA重组和转基因技术,赋予生物以新的遗传特性,从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。一、基因工程的概念DNA重组技术生物体外基因DNA分子水平人类需要的新生物类型和产品剪切 拼接 导入 表达基因重组一、基因工程的概念 1.1.什么叫基因?什么叫基因?思考讨论思考讨论3.3.遗传信息是如遗传信息是如何表达的?何表达的?2.2.基因、基因、DNADNA、染色体、染色体之间是怎样的关系?之间是怎样的关系?非编码区非编码区非编码区非编码区编码区编码区与与RNARNA聚合酶结聚合酶结合位点合位点不能转录为信不能转录为信使使RNARNA不能转录
3、为信不能转录为信使使RNARNA能转录为信使能转录为信使RNARNA原核细胞基因结构示意图非编码区非编码区编码区编码区非编码区非编码区与与RNARNA聚合酶聚合酶结合位点结合位点外显子外显子内含子内含子真核细胞基因结构示意图棉花细胞棉花细胞棉花细胞棉花细胞(不能抗虫不能抗虫)抗虫基因抗虫基因抗虫基因抗虫基因转基因抗虫棉转基因抗虫棉转基因抗虫棉转基因抗虫棉(能抗虫能抗虫)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培育转基因抗虫棉的简要过程主要来源于原核生物属名头字母+种名头2字母现已从300微生物中分离出约4000种限制酶1.分子手术刀 限制酶识别双链识别双链DNADNA分子中分子
4、中特定核苷酸序列特定核苷酸序列切割特定序列中的切割特定序列中的特定位点特定位点专一性专一性限制酶作用的化学键E.coli DNA连接酶T4 DNA连接酶只作用于 末端主要作用于 末端,还可作用于 末端DNA片段磷酸二酯键黏性平黏性通过形成新的磷酸二酯键,形成重组DNA2.分子缝合针DNA连接酶DNA1CTTCATG AATTCCCTAA GAAGTACTTAA GGGATT DNA2GGCATCTTAAAATTCCGTAG 重组重组DNADNAGGCATCTTAAAATTCCGTAG 由于切割后的载体和目的基因具有相同的末端,故重组DNA存在3中可能连接。即 、。重组DNA一定是载体-目的基因
5、连接吗?载体-目的基因载体-载体目的基因-目的基因DNA连接酶连接重组DNA分子能够在宿主细胞中复制并稳定地保存;目的基因怎样才能在受体细胞分裂时不被丢失从而稳定地存在于子细胞内,同时获得更多所需要的产品呢?将外源基因送入受体细胞 具有特殊的标记基因,便于进行筛选;质粒、噬菌体和动植物病毒存在于细菌及酵母菌等微生物中,核DNA以外能自我复制的小型环状DNA分子对受体细胞无害具有多个限制酶切点,以便与外源基因插入其中;载体能对受体细胞有害吗?载体怎样才能具有能连接不同目的基因的潜能呢?目的基因是否进入受体细胞,你如何察觉?3.分子运输车载体载体三大工具三大工具分子手术刀分子手术刀限制性内切酶限制
6、性内切酶分子缝合针分子缝合针DNADNA连接酶连接酶分子运输车分子运输车运载体运载体小节:基因工程的原理如图,就下列与核酸相关酶的作用机理填空:如图,就下列与核酸相关酶的作用机理填空:限制酶限制酶 解旋酶解旋酶 DNADNA连接酶连接酶 DNADNA聚合酶聚合酶 RNARNA聚合酶聚合酶baA.切断a处的酶为_B.连接a处的酶为_C.切断b处的酶为_D.连接b处的酶为_无练习:目的基因的获取目的基因的获取基因表达载体的构建基因表达载体的构建目的基因导入受体细胞目的基因导入受体细胞目的基因的检测与鉴定目的基因的检测与鉴定有了目的基因,我们才有了目的基因,我们才能赋予一种生物以另一能赋予一种生物以
7、另一种生物的遗传特性。种生物的遗传特性。使目的基因在受体细胞使目的基因在受体细胞中稳定存在,并可进行中稳定存在,并可进行遗传、表达和发挥作用遗传、表达和发挥作用 载体进入受体细胞稳定载体进入受体细胞稳定表达,才能实现一种生表达,才能实现一种生物的基因在另一种生物物的基因在另一种生物中的转化。中的转化。才能确定目的基因是否才能确定目的基因是否真正在受体细胞中稳定真正在受体细胞中稳定遗传和正确表达。遗传和正确表达。基因工程基本操作的四个步骤1 12 23 34 4(一)目的基因主要是(一)目的基因主要是_。编码蛋白质的结构基因编码蛋白质的结构基因(二)获取目的基因的常用方法有哪些(二)获取目的基因
8、的常用方法有哪些?1 1、从基因文库中获取、从基因文库中获取2 2、利用、利用PCRPCR技术扩增技术扩增3 3、人工合成、人工合成一、目的基因的获取1.1.基因文库:基因文库:概念见概念见P9P92.2.基因文库的分类基因文库的分类:按外源按外源DNADNA片段的来源分类片段的来源分类种种类类基因组基因组DNA文库:文库:含有一种生物的含有一种生物的全部全部基因基因部分基因文库:部分基因文库:只包含了一种生物的只包含了一种生物的部分部分基因,基因,如:如:cDNA文库文库3.3.基因文库的目的基因文库的目的为了在不知目的基因序列的情况下,便于获得所需的为了在不知目的基因序列的情况下,便于获得
9、所需的目的基因。目的基因。4.4.获取目的基因的根据:获取目的基因的根据:见课本见课本P9(一)从基因文库中直接获取提取某种生物的全部提取某种生物的全部DNADNA限制酶切限制酶切一定大小的一定大小的DNADNA片段片段与载体连接与载体连接导入受体菌中储存导入受体菌中储存基因组文库基因组文库5.5.基因文库的构建方法基因文库的构建方法(1 1)直接分离法)直接分离法(鸟枪法鸟枪法)基因组基因组基因组基因组DNADNADNADNA基因重组基因重组基因重组基因重组转化细菌转化细菌转化细菌转化细菌体外包装体外包装体外包装体外包装某种生物的单链某种生物的单链mRNAmRNA单链互补单链互补DNADNA
10、双链双链cDNAcDNA片段片段导入受体菌中储存导入受体菌中储存与载体连接与载体连接cDNAcDNA文库文库逆转录酶逆转录酶DNADNA聚合酶聚合酶(2 2)反转录法:)反转录法:cDNAcDNA的合成的合成mRNA基因重组基因重组反转录酶反转录酶cDNA 1.1.概念:概念:PCRPCR全称为全称为_,是一项,是一项 在生物在生物_复制复制_的核酸合成技术。的核酸合成技术。聚合酶链式反应聚合酶链式反应体外体外特定特定DNADNA片段片段2.2.原理:原理:DNADNA复制复制(二)利用PCR技术扩增目的基因四种脱氧核苷酸四种脱氧核苷酸(dNTP)(dNTP)一对引物:一对引物:热稳定热稳定D
11、NADNA聚合酶聚合酶(Taq(Taq酶)酶)模板模板DNA(DNA(含有目的基因含有目的基因 )3.3.条件:条件:条件:条件:一对寡核苷酸序列:与目的基因一对寡核苷酸序列:与目的基因的起始段互补的起始段互补一段已知目的基因的核苷酸序列,以便根据这一段已知目的基因的核苷酸序列,以便根据这一序列合成引物。一序列合成引物。4.4.前提:前提:前提:前提:5.5.过程过程过程过程a a、变性、变性(90-9590-95):双链):双链DNADNA模板模板 在热作用下,在热作用下,_断裂,形成断裂,形成_b b、退火、退火(复性复性55-6555-65):系统温度降低,引):系统温度降低,引 物与物
12、与DNADNA模板结合,形成局部模板结合,形成局部_。c c、延伸、延伸(70-7570-75):在):在TaqTaq酶的作用下,酶的作用下,合成与模板互补的合成与模板互补的_。氢键氢键单链单链DNADNA双链双链DNADNA链链PCR技术扩增与DNA复制的比较碱基互补配对碱基互补配对四种脱氧核苷酸四种脱氧核苷酸模板、能量、酶模板、能量、酶DNA在高温下变性解旋在高温下变性解旋解旋酶催化解旋酶催化体外复制体外复制细胞核内细胞核内热稳定的热稳定的DNA聚合酶聚合酶细胞内的细胞内的DNA聚合酶聚合酶大量的大量的DNA片段片段形成整个形成整个DNA分子分子目的基因的目的基因的目的基因的目的基因的mR
13、NAmRNAmRNAmRNA单链单链单链单链DNADNADNADNA(cDNA(cDNA)双链双链双链双链DNADNADNADNA(即目的基因即目的基因即目的基因即目的基因)反转录反转录反转录反转录合成合成合成合成1.反转录法:反转录法:以目的基因转录成的信以目的基因转录成的信使使RNARNA为模板,反转录成互为模板,反转录成互补的单链补的单链DNADNA,然后在酶的,然后在酶的作用下合成双链作用下合成双链DNADNA,从而,从而获得所需的基因。获得所需的基因。蛋白质蛋白质的氨基的氨基酸序列酸序列mRNAmRNA的的核苷酸核苷酸序列序列结构基因结构基因的核苷酸的核苷酸序列序列目的目的基因基因推
14、测推测推测推测化学化学合成合成2.根据已知的氨基酸序列合成根据已知的氨基酸序列合成DNA法法:(三)人工合成的目的基因1.目的:目的:所需物质:所需物质:使目的基因在受体细胞中稳定存在,使目的基因在受体细胞中稳定存在,并且可以遗传给下一代,同时使目的并且可以遗传给下一代,同时使目的基因能够表达和发挥作用。基因能够表达和发挥作用。二、基因表达载体的构建2.基因表达载体的组成:基因表达载体的组成:复制原点复制原点+目的基因目的基因+启动子启动子+终止子终止子+标记基因标记基因(一)转化:(一)转化:(二)方法(二)方法将目的基因导入将目的基因导入植物细胞植物细胞将目的基因导入将目的基因导入动物细胞
15、动物细胞将目的基因导入将目的基因导入微生物细胞微生物细胞农杆菌转化法农杆菌转化法基因枪法基因枪法花粉管通道法花粉管通道法显微注射法显微注射法感受态细胞感受态细胞目的基因进入目的基因进入_内,并且在内,并且在 受体细胞内维持受体细胞内维持_和和_的过程的过程受体细胞受体细胞稳定稳定表达表达三、将目的基因导入受体细胞1 1、将目的基因导入植物细胞的方法:、将目的基因导入植物细胞的方法:(1)农杆菌转化法农杆菌转化法 农杆菌特点:农杆菌特点:易感染双子叶植物和裸子植物,对大多易感染双子叶植物和裸子植物,对大多数单子叶植物没有感染能力。数单子叶植物没有感染能力。原理:原理:Ti质粒上的质粒上的T-DN
16、A可以转移到受体细胞,可以转移到受体细胞,并整合到受体细胞染色体的并整合到受体细胞染色体的DNA上。上。过程:过程:优点优点(2)基因枪法基因枪法(3)花粉管通道法花粉管通道法2 2、将目的基因导入动物细胞、将目的基因导入动物细胞方法:显微注射法方法:显微注射法程序:程序:3 3、将目的基因导入微生物细胞、将目的基因导入微生物细胞原核生物特点:繁殖快、单细胞、遗传物质少原核生物特点:繁殖快、单细胞、遗传物质少方法:方法:用用Ca2+处理细胞处理细胞 感受态细胞感受态细胞表达载体与感受态细胞混合表达载体与感受态细胞混合感受态细胞吸收感受态细胞吸收DNA分子分子四、目的基因的检测与鉴定(一)检测(
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