教案：12《基因工程的基本操作程序》（新人教版選修3）.doc

1.2 基因工程的基本操作程序課題1.2 基因工程的基本操作程序教學(xué)重點(diǎn)基因工程的基本操作程序的四個步驟教學(xué)難點(diǎn)1. 從基因文庫中獲取目的基因2、利用PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因教學(xué)目標(biāo)知識目標(biāo)簡述基因工程的原理和技術(shù)能力目標(biāo)1、通過對書中插圖、照片等的觀察，學(xué)會科學(xué)的觀察方法，培養(yǎng)觀察能力。2、通過對基因工程的基本操作程序的學(xué)習(xí)，使學(xué)生在理解步驟的同時，舉一反三，對于其他基因工程操作實(shí)例做到能理解、能介紹，從而培養(yǎng)學(xué)生對相關(guān)知識的理解能力及良好的語言表達(dá)能力。情感目標(biāo)3、通過引導(dǎo)學(xué)生在網(wǎng)上的探究活動，引導(dǎo)學(xué)生主動參與，樂于探究，培養(yǎng)學(xué)生收集和處理科學(xué)信息的能力、獲取新知識的能力、分析和解決問題的能力及交流與合作的能力。教學(xué)媒體多媒體課件教學(xué)過程講授新課步驟講解 理解知識點(diǎn)重點(diǎn)內(nèi)容 對話先解決為什么要分四個步驟的問題，然后解決每一步驟的技術(shù)方法問題。1為什么要有“目的基因的獲取”這一步？學(xué)生思考討論回答，師提示引導(dǎo)學(xué)生看本專題題圖中基因工程的概念：“基因工程是指按照人們的愿望，進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計，通過體外DNA重組和轉(zhuǎn)基因等技術(shù)，賦予生物以新的遺傳特性，創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產(chǎn)品?！笨梢哉f這既是概念，也是原理。這里所說的“更符合人們需要”，就是目的，那么更符合人們需要的那個基因就是目的基因了。有了目的基因，我們才能賦予一種生物以另一種生物的遺傳特性。2為什么要有“表達(dá)載體的構(gòu)建”這一步？學(xué)生思考討論回答，師提示單獨(dú)的DNA片段目的基因是不能穩(wěn)定遺傳的。課文中談到構(gòu)建表達(dá)載體的目的是為了使目的基因在受體細(xì)胞中穩(wěn)定存在，并且可以遺傳給下一代，同時使目的基因能表達(dá)和發(fā)揮作用。3.為什么要有“目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞”這一步？學(xué)生思考討論回答，師提示教材指出含有目的基因的表達(dá)載體只有進(jìn)入受體細(xì)胞，并且維持穩(wěn)定和表達(dá)，才能實(shí)現(xiàn)一種生物的基因在另一種生物中的轉(zhuǎn)化。4.為什么要有“目的基因的檢測與鑒定”這一步？學(xué)生思考討論回答，師提示這是因?yàn)槟康幕蚴欠裾嬲迦胧荏w細(xì)胞的DNA中，是否能夠在受體細(xì)胞中穩(wěn)定遺傳和正確表達(dá)，只有通過檢測、鑒定才能得知。轉(zhuǎn)折每一程序的有什么技術(shù)和方法的學(xué)習(xí)？ 一、目的基因的獲取問題引入“目的基因的獲取”有什么方法呢？求異思維你能推測出由mRNA反轉(zhuǎn)錄形成cDNA的過程大致分為哪些步驟嗎？生思考討論回答，師提示1970年，特明（H.M. Temin）和巴爾的摩（D. Baltimore）證實(shí)了RNA病毒中含有一種能將RNA轉(zhuǎn)錄成DNA的酶，這種酶被稱為依賴RNA的DNA聚合酶，由于與中心法則中的從DNA到RNA的轉(zhuǎn)錄是反向的，所以稱為反轉(zhuǎn)錄酶（reverse transcriptase）。反轉(zhuǎn)錄酶既可以利用DNA又可以利用RNA作為模板合成與之互補(bǔ)的DNA鏈。像其他DNA聚合酶一樣，反轉(zhuǎn)錄酶也以53方向合成DNA的過程（圖1-3）。圖1-3 由mRNA反轉(zhuǎn)錄形成cDNAcDNA合成過程是：第一步，反轉(zhuǎn)錄酶以RNA為模板合成一條與RNA互補(bǔ)的DNA單鏈，形成RNA-DNA雜交分子。第二步，核酸酶H使RNA-DNA雜交分子中的RNA鏈降解，使之變成單鏈的DNA。第三步，以單鏈DNA為模板，在DNA聚合酶的作用下合成另一條互補(bǔ)的DNA鏈，形成雙鏈DNA分子。講授1.PCR的擴(kuò)增過程是怎樣的？PCR擴(kuò)增是獲取目的基因的一種非常有用的方法，也是進(jìn)行分子鑒定和檢測的一種很靈敏的方法。PCR的擴(kuò)增反應(yīng)過程包括以下幾個主要過程。第一步：將反應(yīng)體系（包括雙鏈模板、引物、耐高溫的DNA聚合酶、四種脫氧核糖核苷酸以及酶促反應(yīng)所需的離子等）加熱至9095 ，使雙鏈DNA模板兩條鏈之間的氫鍵打開，變成單鏈DNA，作為互補(bǔ)鏈聚合反應(yīng)的模板。第二步：將反應(yīng)體系降溫至5560 ，使兩種引物分別與模板DNA鏈3端的互補(bǔ)序列互補(bǔ)配對，這個過程稱為復(fù)性。第三步：將反應(yīng)體系升溫至7075 ，在耐高溫的DNA聚合酶催化作用下，將與模板互補(bǔ)的單個核苷酸加到引物所提供的3-OH上，使DNA鏈延伸，產(chǎn)生一條與模板鏈互補(bǔ)的DNA鏈。上述三步反應(yīng)完成后，一個DNA分子就變成了兩個DNA分子，隨著重復(fù)次數(shù)的增多，DNA分子就以2n的形式增加。PCR的反應(yīng)過程都是在PCR擴(kuò)增儀中完成的。講授2.如何從基因文庫中找到所需要的基因？從基因文庫中找到目的基因是一件比較復(fù)雜的事情，要根據(jù)目的基因已有的某些信息來進(jìn)行。下面介紹一種根據(jù)基因的部分核苷酸序列找到目的基因的方法。第一步，通過PCR方法將目的基因已知的部分核苷酸序列擴(kuò)增出來，進(jìn)行放射性同位素標(biāo)記（也可以用別的標(biāo)記方法進(jìn)行，如生物素、熒光素等），即用標(biāo)記了放射性同位素的目的DNA片段作為探針，與擴(kuò)增出來的DNA雜交。第二步，將基因文庫中的所有菌落轉(zhuǎn)移至硝酸纖維膜上（也可以用其他類型的膜），然后，通過處理溶解消化掉細(xì)菌中的蛋白質(zhì)，并使DNA固定在膜上。第三步，按Southern雜交的方法進(jìn)行雜交。第四步，在X光底片上出現(xiàn)黑斑的菌落，這表明這個菌落中含有所需要的目的基因（若選用別的標(biāo)記方法，有陽性信號的菌落則含有所需要的目的基因）。第五步，從該菌落中再提取目的基因。二、基因表達(dá)載體的構(gòu)建核心思考與探究1.作為基因工程表達(dá)載體，只需含有目的基因就可以完成任務(wù)嗎？為什么？生思考討論回答，師提示：不可以。因?yàn)槟康幕蛟诒磉_(dá)載體中得到表達(dá)并發(fā)揮作用，還需要有其他控制元件，如啟動子、終止子和標(biāo)記基因等。必須構(gòu)建上述元件的主要理由是：（1） 生物之間進(jìn)行基因交流，需使用啟動子和終止子才能比較有利于基因的表達(dá)；如通過cDNA文庫獲得的目的基因沒有啟動子，只將編碼序列導(dǎo)入受體生物中無法轉(zhuǎn)錄；（2）為了增強(qiáng)目的基因的表達(dá)水平，往往還要增加一些其他調(diào)控元件，如增強(qiáng)子等； （3）目的基因是否導(dǎo)入受體生物中需要有篩選標(biāo)記；（4）有時需要確定目的基因表達(dá)的產(chǎn)物存在于細(xì)胞的什么部位，往往要加上可以標(biāo)識存在部位的基因（或做成目的基因與標(biāo)識基因的融合基因），如綠色熒光蛋白基因等。講授2.基因工程載體的構(gòu)建需要考慮哪些方面的因素？道理何在？主要考慮以下幾方面的因素。（1）基因的特點(diǎn)：如果一個來自動物的目的基因含有內(nèi)含子，就不能用于轉(zhuǎn)基因植物，因?yàn)閯游镏袃?nèi)含子的剪接系統(tǒng)與植物的不同，植物不能將動物基因的內(nèi)含子剪切掉，只能用該基因的cDNA?；虻漠a(chǎn)物如果是一個糖蛋白，那么該基因在原核生物細(xì)菌中表達(dá)出來的蛋白就可能不具備天然狀態(tài)下的活性，因?yàn)樘堑鞍咨系奶擎準(zhǔn)窃趦?nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體上加上的，而細(xì)菌無這些細(xì)胞器。（2）要選擇強(qiáng)啟動子或組織特異性啟動子。啟動子有強(qiáng)有弱，選擇強(qiáng)啟動子可以增加轉(zhuǎn)錄活性，使基因產(chǎn)物量增多。如果希望基因在生物的某個組織表達(dá)，如只在植物種子中表達(dá)，就要選擇種子中特異表達(dá)的啟動子。（3）要有選擇標(biāo)記基因，如抗生素基因，以便選擇出真正的轉(zhuǎn)基因生物。回顧必修2中基因工程的概念分析操作水平、操作對象、最終結(jié)果。學(xué)生加深對概念的理解學(xué)生思考討論回答，師提示學(xué)生思考討論回答，師提示學(xué)生思考討論回答，師提示在目的基因獲取的常用方法中有“從基因文庫中獲得目的基因”的說法。盡管課文中運(yùn)用了比喻的方法，但語言文字仍顯抽象。教師應(yīng)盡可能在教學(xué)中編制軟件、繪制投影片或利用掛圖來解決這一難點(diǎn)。讓學(xué)生了解有了基因文庫，就可隨時從中提取所需要的目的基因，引入受體細(xì)胞使之表達(dá)。有關(guān)PCR擴(kuò)增技術(shù)，則可結(jié)合書中插圖，明示出文字中概括出的變性、退火、延伸、多次重復(fù)等四個過程。在學(xué)習(xí)基因表達(dá)載體的構(gòu)建方法時，可結(jié)合插圖，說明插入必要的元件目的基因、啟動子、終止子和標(biāo)記基因的位置及其作用。三將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞四、目的基因的檢測和鑒定 三將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 轉(zhuǎn)化：目的基因進(jìn)入受體細(xì)胞內(nèi)，并且在受體細(xì)胞內(nèi)維持穩(wěn)定和表達(dá)的過程。 導(dǎo)入植物細(xì)胞：農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法（表達(dá)載體導(dǎo)入農(nóng)桿菌，再讓農(nóng)桿菌感染植物細(xì)胞）將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞：細(xì)菌 氯化鈣 細(xì)胞壁的通透性增大 重組質(zhì)粒進(jìn)入受體細(xì)胞 目的基因隨受體細(xì)胞的繁殖而復(fù)制導(dǎo)入動物細(xì)胞：顯微注射法（將基因表達(dá)載體提純，用顯微儀注射到受精卵中）導(dǎo)入微生物細(xì)胞：Ca2處理受體細(xì)胞成為感受態(tài)細(xì)胞，再進(jìn)行混合。提示：農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法的原理是利用農(nóng)桿菌（胞內(nèi)寄生菌）對植物的感染而把目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞。四目的基因的檢測和鑒定檢測是否插入目的基因，利用DNA分子雜交技術(shù)，目的基因DNA一條鏈（作探針）與受體細(xì)胞中提取的DNA雜交，看是否有雜交帶。檢測是否轉(zhuǎn)錄出了mRNA，利用DNA分子雜交技術(shù)，目的基因DNA一條鏈（作探針）與受體細(xì)胞中提取的mRNA雜交，看是否有雜交帶。檢測目的基因是否翻譯成蛋白質(zhì)。抗體與蛋白質(zhì)進(jìn)行抗原抗體雜交，看是否有雜交帶。還可以進(jìn)行個體水平的鑒定，根據(jù)其性狀。提示：DNA分子雜交技術(shù)首先提取受體細(xì)胞中的DNA，然后高溫解成單鏈，再與同位素標(biāo)記的DNA探針雜交；抗原抗體雜交所用到的抗體