6.2基因工程及其應用(一)

1、 第2節(jié)基因工程及其應用（第1課時） 知識鏈接及考試地位 本知識與“ DNA分子的結(jié)構(gòu)與復制”、“基因突變和基因重組” 、“DNA重組技術(shù)的基本 工具”、“基因工程的基本操作程序”等內(nèi)容相聯(lián)系，考試過程中常設(shè)計基因工程的原理、基 本工具等基礎(chǔ)知識，多以個別填空或選擇題的形式呈現(xiàn)。 知識回顧 1、DNA分子的結(jié)構(gòu)特點是什么? 2、什么是基因重組？ 學習目標 1、簡述基因工程的誕生。 2、簡述基因工程的原理及技術(shù)。要明確基因工程操作的基本步驟和最基本的工具。 重難點 1. 教學重點 基因工程的基本原理。 2. 教學難點 基因工程的基本原理 新知探究 傳統(tǒng)育種的方法一般只能在 _生物中進行，很難將一

2、種生物的優(yōu)良性狀移植到 _生 物身上?；蚬こ痰某霈F(xiàn)使人類有可能按照自己的意愿 地改變生物，培育出。 一、基因工程的原理 基因工程又叫做或 種生物的某種基因提取出來，加以 生物的遺傳性狀?；蚬こ淌窃?是指,簡稱限制酶。 列?；虻尼樉€是指_ 質(zhì)粒存在于許多 型分子。 。通俗地說，就是按照人們的意愿， 把一 ，然后放到另一種生物細胞里， 地改造 DNA上進行的水平的設(shè)計施工，基因的剪刀 其作用特點是一種限制酶只能識別一種 序 。目前常用的運載體有、和等。 以及 等生物中，是細胞染色體外能夠自主復制的小 基因工程的操作步驟是： 、目的基因與運載體結(jié)合，目的基因?qū)胧荏w 細胞、目的基因的 和。 二

3、、基因工程的原理、操作對象各是什么？ 三、限制性內(nèi)切酶的分布、特點、作用部位和作用結(jié)果如何? 四、作為基因的運載體，需具備哪些條件? 五、DNA連接酶的作用對象、位置和結(jié)果如何? 六、基因工程的優(yōu)點是什么? 七、基因重組與基因工程比較 比較項目 基因重組 基因工程 不同點 重組 方式 繁殖 方式 變異 大小 相同點 拓展延申 基因工程技術(shù) 一、基因工程誕生的理論依據(jù) （1）DNA是遺傳物質(zhì) 不同基因具有相同的物質(zhì)基礎(chǔ)。地球上的一切生物，從細菌到高等動物和植物，直至人 類，它們的基因都是一個具有遺傳功能的特定核苷酸序列的DNA片段。而所有生物的DNA 的基本結(jié)構(gòu)都是一樣的。因此，不同生物的基因（

4、DNA片段）原則上是可以重組互換的。 雖然某些病毒的基因定位在RNA上，但是這些病毒的 RNA仍可以通過反轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生。 DNA并不影響不同基因的重組或互換。 A :肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗 1944年美國微生物學家 Avery，通過細菌（肺炎鏈球菌）轉(zhuǎn)化（有毒與無毒）研究確定 了基因的分子載體是 DNA，而不是蛋白質(zhì)。 B :噬菌體轉(zhuǎn)染實驗 1952年Alfred Hershy和Marsha Chase用標記物的噬菌體 （P32和S35）感染大腸桿菌， 發(fā)現(xiàn)只有P32標記的DNA注入寄主細胞才能繁殖下一代進一步證明遺傳物質(zhì)是DNA。 （2）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu) 1953年James D. Watson和F

5、ran cis H. C. Crick揭示了 DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)和半保留 復制機制。 （3）中心法則和遺傳密碼 遺傳密碼是通用的。一系列三聯(lián)密碼子（除極少數(shù)的幾個以外）同氨基酸之間的對應關(guān) 系，在所有生物中都是相同的。 也就是說遺傳密碼是通用的， 重組的DNA分子不管導人什 么樣的生物細胞中，只要具備轉(zhuǎn)錄翻譯的條件，均能轉(zhuǎn)譯出原樣的氨基酸。即使人工合成的 DNA分子（基因）同樣可以轉(zhuǎn)錄翻譯出相應的氨基酸?，F(xiàn)在，基因是可以人工會成的。 （4 ）基因是可切割的 基因直線排列在 DNA分子上。除少數(shù)基因重疊排列外，大多數(shù)基因彼此之間存在著間 隔序列。因此，作為 DNA分子上一個特定核苷酸序列的基

6、因，允許從DNA分子上一個一 個完整地切割下來。即使是重疊排列的基因，也可以把指定的基因切割下來，盡管破壞了其 他基因。 （5）基因是可以轉(zhuǎn)移的 基因不僅是可以切割下來的，而且發(fā)現(xiàn)生物體內(nèi)有的基因可以在染色體DNA上移動， 甚至可以在不同染色體間進行跳躍，插入到靶DNA分子之中。由此表明基因不僅是可轉(zhuǎn)移 的。 （6 ）多肽與基因之間存在對應關(guān)系 現(xiàn)在普遍認為，一種多肽就有一種相對應的基因。因此，基因的轉(zhuǎn)移或重組可以根據(jù)其 表達產(chǎn)物多肽的性質(zhì)來檢查。 （7 ）基因可以通過復制把遺傳信息傳遞給下一代 經(jīng)重組的基因一般來說是能傳代的，可以獲得相對穩(wěn)定的轉(zhuǎn)基因生物。 二、基因工程的研究內(nèi)容 -基礎(chǔ)研究

7、 基因工程問世以來，科技工作者始終十分重視基礎(chǔ)研究， 包括構(gòu)建一系列克隆載體和相 應的表達系統(tǒng)，建立不同物種的基因組文庫和cDNA文庫，開發(fā)新的工具酶，探索新的操 作方法等，各方面取得了豐碩的研究成果，使基因工程技術(shù)不斷趨向成熟。 1、基因工程克隆載體的研究 基因工程的發(fā)展是與克隆載體構(gòu)建密切相關(guān)的，由于最早構(gòu)建和發(fā)展了用于原核生物的 克隆載體，所以以原核生物為對象的基因工程研究首先得以迅速發(fā)展。Ti質(zhì)粒的發(fā)現(xiàn)以及 成功地構(gòu)建了 Ti質(zhì)粒衍生的克隆載體后，植物基因工程研究隨之就迅速發(fā)展起來。動物病 毒克隆載體的構(gòu)建成功， 使動物基因工程研究也有一定的進展。可以認為構(gòu)建克隆載體是基 因工程技術(shù)路

8、線中的核心環(huán)節(jié)。至今已構(gòu)建了數(shù)以千計的克隆載體。但是構(gòu)建新的克隆載體 仍是今后研究的重要內(nèi)容之一。尤其是適合用于高等動植物轉(zhuǎn)基因的表達載體和定位整合載 體還須大力發(fā)展。 2、基因工程受體系統(tǒng)的研究 基因工程的受體與載體是一個系統(tǒng)的兩個方面。前者是克隆載體的宿主， 是外源目的基 因表達的場所。受體可以是單個細胞，也可以是組織、器官、甚至是個體。用作基因工程的 受體可分為兩類，即原核生物和真核生物。 原核生物大腸桿菌是早期被采用的最好受體系統(tǒng)，應用技術(shù)成熟，幾乎是現(xiàn)有一切克隆 載體的宿主；以大腸桿菌為受體建立了一系列基因組文庫和cDNA文庫，以及大量轉(zhuǎn)基因 工程菌株，開發(fā)了一批已投入市場的基因工程

9、產(chǎn)品。藍細菌（藍藻）是進行植物型光合作用 的原核生物，兼具植物自養(yǎng)生長和原核生物遺傳背景簡單的特性，便于基因操作和利用光能 進行無機培養(yǎng)。因此，近年來藍細菌開始被用作廉價高效表達外源目的基因的受體系統(tǒng)。 酵母菌是十分簡單的單細胞真核生物，具有與原核生物很多相似的性狀。酵母菌營異養(yǎng) 生長，便于工業(yè)化發(fā)酵；基因組相對較小，有的株系還含有質(zhì)粒，便于基因操作。因此酵母 菌是較早被用作基因工程受體的真核生物。有人把酵母菌同大腸桿菌一起看作是第一代基因 工程受體系統(tǒng)。酵母菌不僅是外源基因（尤其是真核基因）表達的受體，建立了一系列工程 菌株，而且成為當前建立人和高等動物、植物復雜基因組文庫的受體系統(tǒng)。真核生

10、物單細胞 小球藻和衣藻也被用于研究外源基因表達的受體系統(tǒng)。 隨著克隆載體的發(fā)展， 至今高等植物也已用作基因工程的受體，一般用其愈傷組織、 細 胞和原生質(zhì)體，也用部分組織和器官。目前用作基因工程受體的植物有雙子葉植物擬南芥、 煙草、番茄、棉花等，單子葉植物水稻、玉米、小麥等，獲得了相應的轉(zhuǎn)基因植物。 動物鑒于體細胞再分化能力差，目前主要以生殖細胞或胚細胞作為基因工程受體，獲得 了轉(zhuǎn)基因鼠、魚、雞等動物。動物體細胞也用作基因工程受體，獲得了系列轉(zhuǎn)基因細胞系， 用作基礎(chǔ)研究材料，或用來生產(chǎn)基因工程藥物。隨著克隆羊的問世，對動物體細胞作為基因 工程受體的研究越來越被重視，將成為21世紀初重要研究課題之

11、一。 人的體細胞同樣可作為基因工程的受體，轉(zhuǎn)基因細胞系用于病理研究。近年來還以異常 生長的細胞作為受體，通過轉(zhuǎn)基因使其回復正常生長狀態(tài)（基因治療）。 3、目的基因研究 基因是一種資源，而且是一種有限的戰(zhàn)略性資源。因此開發(fā)基因資源已成為發(fā)達國家之 間激烈競爭的焦點之一，誰擁有基因?qū)＠?，誰就在基因工程領(lǐng)域占主導地位?；蚬こ萄?究的基本任務是開發(fā)人們特殊需要的基因產(chǎn)物，這樣的基因統(tǒng)稱為目的基因。具有優(yōu)良性狀 的基因理所當然是目的基因。而致病基因在特定情況下同樣可作為目的基因，具有很大的開 發(fā)價值。即使是那些今天尚不清楚功能的基因，隨著研究的深入，也許以后成為具有很大開 發(fā)價值的目的基因。 獲得目

12、的基因的途徑很多，主要是通過構(gòu)建基因組文庫或cDNA文庫，從中篩選出特 殊需要的基因。近年來也廣泛使用PCR技術(shù)直接從某生物基因組中擴增出需要的基因。對 于較小的目的基因也可用人工化學合成?，F(xiàn)在已獲得的目的基因大致可分為三大類：第一類 是與醫(yī)藥相關(guān)的基因； 第二類是抗病、蟲害和惡劣生境的基因；第三類是編碼具特殊營養(yǎng)價 值的蛋白或多肽的基因。 近年來越來越重視基因組的研究工作，試圖搞清楚某種生物基因組的全部基因，為全面 開發(fā)各種基因奠定基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計，至1998年完成基因組測序的生物有11種，如嗜血流感桿 菌（1830 137bp，1743個基因）、產(chǎn)甲烷球菌（1664 976 bp,1682個基

13、因）、大腸桿菌 K-12 （4 639 221bp,4288個基因）、啤酒酵母（12 x 10 bp, 5882個基因）、枯草桿菌 （Bacillus subrilis ）（ 4. 21 X 10bp , 4100 個基因）。 早在20世紀80年代就有人對人類基因組產(chǎn)生了興趣，提出人類基因組研究計劃。從 1990年開始，先后由美國、英國、日本、德國、法國等國實施人類基因組計劃”，我國于 1999年9月也獲準參加這一國際性計劃，在北京和上海分別成立了人類基因組研究中心， 承擔人類基因組1 %的測序任務。這些國家聚集了一批科技人員，經(jīng)過十年的辛勤工作，于 2000年6月宣告人類基因組 工作框架圖”

14、已經(jīng)繪制完畢。同時已破譯了近萬個基因。 至1999 年，美國對6500個人類基因提出了專利申請。一般認為人類基因組含有數(shù)萬個基因，各司 其職，控制著人的生長、發(fā)育、繁殖。一旦人類基因組全部被破譯，就可了解人類幾千種遺 傳性疾病的病因，為基因治療提供可靠的依據(jù)，并且將保證人類的優(yōu)生優(yōu)育，提高人類的生 活質(zhì)量。 除人類基因組計劃”以外，目前正在實施水稻基因組計劃”。以稻米為主食的我國早在 1992年8月正式宣布實施 水稻基因組計劃”，并且是目前國際 水稻基因組計劃”的主要參加 者，并于2001年10月12日，中國科學院、國家計委、科技部聯(lián)合召開新聞發(fā)布會，宣布 具有國際領(lǐng)先水平的中國水稻（稅稻）基

15、因組工作框架圖”和數(shù)據(jù)庫在我國已經(jīng)完成。這一 成果標志著我國已成為繼美國之后，世界上第二個能夠獨立完成大規(guī)模全基因組測序和組裝 分析能力的國家，表明我國在基因組學和生物信息學領(lǐng)域不僅掌握了世界一流的技術(shù)，而且 具備了組織和實施大規(guī)?？蒲许椖块_發(fā)的能力。秈稻全基因組 工作框架圖”的完成，將帶動 小麥、玉米等所有糧食作物的基礎(chǔ)與應用研究。 此外，中國、美國合作的家豬基因組計劃”也已經(jīng)啟動。 4、基因工程工具酶的研究 基因工程工具酶指體外進行DNA合成、切割、修飾和連接等系列過程中所需要的酶， 包括DNA聚合酶、限制性核酸內(nèi)切酶、修飾酶和連接酶等。 限制性核酸內(nèi)切酶用于有規(guī)律地切割DNA把提供的DN

16、A原材料切割成具特定末端的 DNA片段?，F(xiàn)已從不同生物中發(fā)現(xiàn)和分離出上千種限制性核酸內(nèi)切酶，基本上可滿足按不 同目的切割各種 DNA分子的需要。 耐熱性限制性核酸內(nèi)切酶和長識別序列稀切酶仍是當前研究的熱門課題。 DNA連接酶用于連接各種 DNA片段，使不同基因重組。現(xiàn)在常用的 DNA連接酶只有 兩種，即大腸桿菌DNA連接酶和T4 DNA連接酶，前者只能連接具勤性末端的 DNA片段; 后者既能連接具默性末端的 DNA片段，也能連接具平末端的 DNA片段。 DNA聚合酶用于人工合成連桿、引物等 DNA小片段以及含基因的較大的 DNA片段， 還用于制備DNA探針。多種耐熱性 DNA聚合酶的發(fā)現(xiàn)，使使

17、 PCR技術(shù)迅速發(fā)展給當今 生命科學提供了先進的研究手段。 5、基因工程新技術(shù)研究 圍繞外源基因?qū)耸荏w細胞，發(fā)展了一系列用于不同類型受體細胞的DNA轉(zhuǎn)化方法和 病毒轉(zhuǎn)導方法，特別是近年來研制的基因槍和電激儀克服了某些克隆載體應用的物種局限 性，提高了外源DNA轉(zhuǎn)化的效率。 圍繞基因的檢測方法， 在放射性同位素標記探針的基礎(chǔ)上，近年來又發(fā)展了非放射性標 記DNA探針技術(shù)和熒光探針技術(shù)，如生物素標記 DNA探針、Dig標記DNA探針、熒光素 標記DNA探針等。 PCR技術(shù)的發(fā)展不僅大大提高了基因檢測的靈敏度，而且為分離基因提供了快速簡便 的途徑。PCR技術(shù)自從1985年建立以來，發(fā)展很快，除一般

18、采用的常規(guī) PCR技術(shù)外還發(fā)展 了多種特殊的PCR技術(shù)，如長片段 PCR技術(shù)、反轉(zhuǎn)錄PCR技術(shù)、免疫PCR技術(shù)、套式引 物PCR技術(shù)、反向PCR技術(shù)、標記 PCR技術(shù)、復合 PCR技術(shù)、不對稱 PCR技術(shù)、定量 PCR技術(shù)、錨定PCR技術(shù)、重組PCR技術(shù)、加端PCR技術(shù)等等。 凝膠電泳技術(shù)可以在凝膠板上把不同分子大小的DNA分子或DNA片段分開，但是只 能分辨幾萬堿基的 DNA分子或片段。脈沖電泳技術(shù)的問世， 不僅能分開上百萬堿基的 DNA 分子或片段，而且能夠使完整的染色體彼此分開。 當堂檢測 1、DNA連接酶的重要功能是（） A. DNA復制時母鏈與子鏈之間形成氫鍵B.黏性末端堿基之間形成

19、氫鍵 C.兩條DNA末端之間的縫隙連接起來D.ABC都不正確 2、基因工程是在 DNA分子水平上進行設(shè)計施工的，在基因操作的基本步驟中，不進行堿基 互補配對的步驟是（） A. 人工合成基因 B 目的基因與運載體結(jié)合 C.將目的基因?qū)胧荏w細胞D 目的基因的檢測和表達 3、基因工程中常作為基因的運載體的一組結(jié)構(gòu)是： A. 質(zhì)粒.線粒體.噬菌體B.染色體.葉綠體.線粒體 C.質(zhì)粒.噬菌體.動植物病毒D.細菌.噬菌體.動植物病毒 4、科學家們經(jīng)過多年的努力，創(chuàng)立了一種新的生物技術(shù)一一基因工程，實施該工程的最終 目的是（） A. 定向提取生物體的 DNA分子 B. 定向地對DNA分子進行人工“剪切” C. 在生物體外對 DNA分子進行改造 D. 定向改造生物的遺傳性狀 5、 以下有關(guān)基因工程的敘述，正確的是（） A. 基因工程是細胞水平上的生物工程 B. 基因工程的產(chǎn)物對人類都是有益的 C. 基因工程產(chǎn)生的變異屬于人工誘變 D. 基因工程育種的優(yōu)點之一是目的性強 6、右下圖是將人的生長激素基因?qū)爰毦鶥細胞內(nèi)制造“工程菌”示意圖，所用載體為質(zhì) 粒A.已知細菌B細胞內(nèi)不含質(zhì)粒 A,也不含質(zhì)粒A上的基因，質(zhì)粒A導入細菌B后，其上的 基因能得到表達 （1 ）圖中質(zhì)粒A與目的基因結(jié)合產(chǎn)生重組質(zhì) 粒的過程通常是在體外完成的，此過程必須用 到的工具酶為.