基因工程與轉(zhuǎn)基因的安全性和生物武器

基因工程與轉(zhuǎn)基因的安全性和生物武器第1頁/共45頁

⑤動物細(xì)胞培養(yǎng)和單克隆抗體的制備及應(yīng)用。

⑥核移植技術(shù)。

⑦胚胎工程中胚胎移植和胚胎分割。⑧干細(xì)胞的研究。(3)考查形式

①有的省將選修與必修有機(jī)結(jié)合，既可出簡答題也可出選擇題。②有的省如山東省全部以簡答題形式呈現(xiàn)，且不與必修聯(lián)系。第2頁/共45頁3．復(fù)習(xí)指導(dǎo)(1)復(fù)習(xí)線索

①以基因工程的具體成果(如抗蟲棉)為主線，系統(tǒng)復(fù)習(xí)基因工程的操作工具和操作步驟等知識點(diǎn)。②以植物的組織培養(yǎng)和動物細(xì)胞培養(yǎng)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)復(fù)習(xí)其他細(xì)胞工程技術(shù)手段。③以體內(nèi)受精作用和個體發(fā)育過程為基礎(chǔ)，系統(tǒng)復(fù)習(xí)胚胎工程的流程。(2)復(fù)習(xí)方法

①圖解法復(fù)習(xí)基因工程和胚胎工程。②比較法復(fù)習(xí)植物組織培養(yǎng)和動物細(xì)胞培養(yǎng)；植物體細(xì)胞雜交和動物細(xì)胞融合及單克隆抗體制備。③關(guān)注熱點(diǎn)科研成果，注意知識的實(shí)踐應(yīng)用。第3頁/共45頁第37

課時基因工程與轉(zhuǎn)基因的安全性和生物武器

第4頁/共45頁突破考點(diǎn)·提煉方法第5頁/共45頁1．基因工程的概念理解

⑴操作環(huán)境：體外——關(guān)鍵步驟“基因表達(dá)載體的構(gòu)建”的環(huán)境。

⑵優(yōu)點(diǎn)

①與雜交育種相比：克服了遠(yuǎn)緣雜交不親和的障礙。

②與誘變育種相比：定向改造生物遺傳性狀。

⑶操作水平：分子水平。

⑷原理：基因重組。

⑸本質(zhì)：甲(供體：提供目的基因)乙(受體：表達(dá)目的基因)，即基因未變，合成蛋白質(zhì)未變，只是合成場所的轉(zhuǎn)移。考點(diǎn)112核心概念——基因工程的概念及工具

第6頁/共45頁

2．基因工程的基本原理和理論基礎(chǔ)概括如下圖

提醒若題目強(qiáng)調(diào)“目的基因”的表達(dá)過程，則只包括“轉(zhuǎn)錄和翻譯”兩個過程，不包括目的基因的復(fù)制。第7頁/共45頁3．操作工具

⑴限制性核酸內(nèi)切酶——“分子手術(shù)刀”

①來源：主要是從原核生物中分離純化出來的。

②化學(xué)本質(zhì)：蛋白質(zhì)。

催化作用：所以可重復(fù)利用

可用于目的基因的切割和在臺的切割

④作用特點(diǎn)：特異性，即限制酶可識別特定的脫氧核苷酸序列，切割特定位點(diǎn)。

錯位切：產(chǎn)生兩個相同的粘性末端

平切：形成平末端⑤切割方式③作用第8頁/共45頁第9頁/共45頁

提醒①切割的化學(xué)鍵為磷酸二酯鍵。

②在切割目的基因和載體時要求用同一種限制酶，目的是產(chǎn)生相同的黏性末端。

③將一個基因從DNA分子上切割下來，需要切兩處，同時產(chǎn)生4個黏性末端。

④不同DNA分子用同一種限制酶切割產(chǎn)生的黏性末端都相同，同一個DNA分子用不同的限制酶切割，產(chǎn)生的黏性末端一般不相同。第10頁/共45頁(2)DNA連接酶——“分子縫合針”常用類型E·coliDNA連接酶T4DNA連接酶來源大腸桿菌T4噬菌體功能連接黏性末端連接黏性末端或平末端結(jié)果恢復(fù)被限制酶切開的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵

拓展提升

DNA連接酶與DNA聚合酶的比較DNA連接酶DNA聚合酶作用實(shí)質(zhì)都是催化兩個脫氧核苷酸之間形成磷酸二酯鍵是否需要模板不需要需要連接DNA鏈雙鏈單鏈作用過程在兩個DNA片段之間形成磷酸二酯鍵將單個核苷酸加到已存在的核酸片段的3′端的羥基上，形成磷酸二酯鍵作用結(jié)果將兩個DNA片段連接成重組DNA分子合成新的DNA分子第11頁/共45頁第12頁/共45頁(3)基因進(jìn)入受體細(xì)胞的載體——“分子運(yùn)輸車”

②功能：將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞。

③應(yīng)具備條件

a．能在宿主細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定保存并大量復(fù)制；b.有一個至多個限制酶的切割位點(diǎn)，以便于與外源基因連接；c.有特殊的遺傳標(biāo)記基因，供重組DNA的檢測和鑒定。最常用載體：質(zhì)粒（其本質(zhì)是小型DNA分子，不是細(xì)胞器）

其他載體：λ噬菌體的衍生物、動植物病毒等①類型第13頁/共45頁

提醒①一般來說，天然載體往往不能滿足人類的所有要求，因此人們根據(jù)不同的目的和需要，對某些天然的載體進(jìn)行人工改造。

②常見的標(biāo)記基因有抗生素抗性基因、產(chǎn)生特定顏色的表達(dá)產(chǎn)物基因、發(fā)光基因等。

③作為載體必須具有一個至多個限制酶切點(diǎn)，而且每種酶的切點(diǎn)最好只有一個。因?yàn)槟撤N限制酶只能識別單一切點(diǎn)，若載體上有一個以上的酶切點(diǎn)，則切割重組后可能丟失某些片段，若丟失的片段含復(fù)制起點(diǎn)區(qū)，則進(jìn)入受體細(xì)胞后便不能自主復(fù)制。一個載體若只有某種限制酶的一個切點(diǎn)，則酶切后既能把環(huán)打開接納外源DNA片段，又不會丟失自己的片段。

④注意與細(xì)胞膜上載體的區(qū)別，兩者的化學(xué)本質(zhì)和作用都不相同。

⑤質(zhì)粒能自我復(fù)制，既可在自身細(xì)胞、受體細(xì)胞內(nèi)，也可在體外。第14頁/共45頁1．(2010·浙江卷，2)在用基因工程技術(shù)構(gòu)建抗除草劑的轉(zhuǎn)基因煙草過程中，如下操作錯誤的是(

)

A．用限制性核酸內(nèi)切酶切割煙草花葉病毒的核酸

B．用DNA連接酶連接經(jīng)切割的抗除草劑基因和載體

C．將重組DNA分子導(dǎo)入煙草原生質(zhì)體

D．用含除草劑的培養(yǎng)基篩選轉(zhuǎn)基因煙草細(xì)胞對位訓(xùn)練第15頁/共45頁

解析限制性核酸內(nèi)切酶用于提取目的基因和切割載體，煙草花葉病毒的遺傳物質(zhì)是RNA，不能用限制性核酸內(nèi)切酶切割，A項(xiàng)錯誤；DNA連接酶可以連接具有相同黏性末端的目的基因和載體，B項(xiàng)正確；受體細(xì)胞可以是受精卵或體細(xì)胞，也可以是去除細(xì)胞壁的原生質(zhì)體，C項(xiàng)正確；目的基因?yàn)榭钩輨┗?，所以未成功?dǎo)入目的基因的細(xì)胞不具有抗除草劑的能力，篩選時應(yīng)該用含除草劑的培養(yǎng)基篩選轉(zhuǎn)基因細(xì)胞，D項(xiàng)正確。

答案

A

排雷

質(zhì)粒是基因工程中最常用的載體。大腸桿菌、枯草桿菌、土壤農(nóng)桿菌等細(xì)菌中都有質(zhì)粒，質(zhì)粒上面一般含幾個到幾百個基因，控制著細(xì)菌的抗藥性、固氮、抗生素合成等性狀。由于土壤農(nóng)桿菌很容易感染植物細(xì)胞，使細(xì)胞生有瘤狀物，所以科學(xué)家培育轉(zhuǎn)基因植物時，常常用土壤農(nóng)桿菌中的質(zhì)粒作載體。第16頁/共45頁考點(diǎn)113以流程圖解決知識內(nèi)在聯(lián)系——基因工程的操作步驟

1．基因工程的圖解

⑴抗蟲棉的培育過程第17頁/共45頁

⑵基因工程技術(shù)生產(chǎn)凝乳酶的過程第18頁/共45頁2．基因工程的操作程序分析

⑴目的基因的獲取途徑：

①從自然界已有的物種中分離出來，如從基因組文庫或cDNA文庫中獲取。

提醒

cDNA文庫只含某種生物的部分基因，相當(dāng)于地方圖書館；基因組文庫含該種生物的全部基因，相當(dāng)于國家圖書館。

②人工合成目的基因：常用的方法有化學(xué)合成法和反轉(zhuǎn)錄法。

化學(xué)合成法：蛋白質(zhì)――→氨基酸序列――→RNA堿基序列――→DNA堿基序列―→用4種脫氧核苷酸人工合成目的基因分析推測推測第19頁/共45頁

③PCR擴(kuò)增技術(shù)與DNA復(fù)制的比較

反轉(zhuǎn)錄法：分離出供體細(xì)胞mRNA―――→單鏈DNA―――→合成目的基因逆轉(zhuǎn)錄酶DNA合成酶PCR技術(shù)DNA復(fù)制相同點(diǎn)原理DNA復(fù)制(堿基互補(bǔ)配對)原料四種游離的脫氧核苷酸條件模板、ATP、酶、原料、引物不同點(diǎn)解旋方式DNA在高溫下變性解旋解旋酶催化場所體外復(fù)制(PCR擴(kuò)增儀)主要在細(xì)胞核內(nèi)酶熱穩(wěn)定的DNA聚合酶(Taq酶)細(xì)胞內(nèi)含有的DNA聚合酶結(jié)果在短時間內(nèi)形成大量的DNA片段一次形成2個DNA分子第20頁/共45頁

⑵基因表達(dá)載體的構(gòu)建——最核心步驟

①基因表達(dá)載體的組成：啟動子、目的基因、終止子以及標(biāo)記基因等。

提醒

a．與載體相比較，

增加啟動子、目的基因和終止

子三個基因片段，其功能各不

相同。

b．啟動子(DNA片段)≠起

始密碼子(RNA)；終止子(DNA片

段)≠終止密碼子(RNA)。

第21頁/共45頁

②基因表達(dá)載體的構(gòu)建方法

提醒該過程把三種工具(兩種工具酶、一種載體)全用上了，是最核心、最關(guān)鍵的一步，在體外進(jìn)行。

第22頁/共45頁

⑶將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞

細(xì)胞類型常用方法受體細(xì)胞轉(zhuǎn)化過程植物細(xì)胞農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法體細(xì)胞將目的基因插入Ti質(zhì)粒的T-DNA上→轉(zhuǎn)入農(nóng)桿菌→導(dǎo)入植物細(xì)胞→整合到受體細(xì)胞的DNA上動物細(xì)胞顯微注射技術(shù)受精卵將含有目的基因的表達(dá)載體提純→取卵→獲得受精卵→顯微注射→早期胚胎培養(yǎng)→胚胎移植→發(fā)育成為具有新性狀的動物微生物細(xì)胞Ca2+處理增大細(xì)胞壁通透性原核細(xì)胞或酵母菌用Ca2+處理細(xì)胞→感受態(tài)細(xì)胞→重組表達(dá)載體DNA分子與感受態(tài)細(xì)胞混合→感受態(tài)細(xì)胞吸收第23頁/共45頁

⑷目的基因的檢測和鑒定

提醒①唯一不涉及到堿基互補(bǔ)配對的操作步驟。

②將微生物作為受體細(xì)胞主要原因是個體微小，代謝旺盛，繁殖速度快，獲得目的基因產(chǎn)物多。

③植物細(xì)胞還可用基因槍法和花粉管通道法。

第24頁/共45頁2．如圖為獲得抗蟲棉的技術(shù)流程。在培育轉(zhuǎn)基因植物的研究中，卡那霉素抗性基因(kanr)常作為標(biāo)記基因，只有含卡那霉素抗性基因的細(xì)胞才能在卡那霉素培養(yǎng)基上生長。對位訓(xùn)練第25頁/共45頁

請據(jù)圖回答：

⑴A過程所用的載體是＿＿＿＿＿＿，需要的工具酶有＿＿＿＿＿＿和＿＿＿＿＿＿。

⑵C過程的培養(yǎng)基除含有必需的營養(yǎng)物質(zhì)、瓊脂和激素外，還需加入＿＿＿＿＿＿。

⑶由圖中離體棉花葉片組織獲得轉(zhuǎn)基因抗蟲植株可采用＿＿＿＿＿＿技術(shù)，該技術(shù)所依據(jù)的原理是＿＿＿。

⑷如果利用DNA分子雜交原理對再生植株進(jìn)行檢測，D過程應(yīng)該用放射性同位素(或熒光分子)標(biāo)記的＿＿＿＿作為探針。

⑸如果從個體生物水平來鑒定，D過程可用的最簡單檢測方法是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

含kanr質(zhì)粒限制性內(nèi)切酶DNA連接酶卡那霉素植物組織培養(yǎng)植物細(xì)胞全能性抗蟲基因讓棉鈴蟲食用再生植株(抗蟲接種實(shí)驗(yàn))第26頁/共45頁

排雷⑴基因文庫中不是直接保管相應(yīng)基因，基因文庫中的基因保存在受體菌中。

⑵植物細(xì)胞的全能性較高，可經(jīng)植物組織培養(yǎng)過程成為完整植物體，因此受體細(xì)胞可以是受精卵也可以是體細(xì)胞；動物基因工程中的受體細(xì)胞一般是受精卵。

⑶目的基因的檢測和表達(dá)既要在分子水平上進(jìn)行，還要在個體水平上進(jìn)行。第27頁/共45頁考點(diǎn)114關(guān)注熱點(diǎn)問題

——基因工程的應(yīng)用與轉(zhuǎn)基因生物的安全性及生物武器

1．轉(zhuǎn)基因生物的安全性

⑴轉(zhuǎn)基因生物與食物安全

①反方：反對“實(shí)質(zhì)性等同”、擔(dān)心出現(xiàn)滯后效應(yīng)、出現(xiàn)新的過敏原、營養(yǎng)成分改變等。②正方：有安全性評價(jià)、科學(xué)家負(fù)責(zé)的態(tài)度、無實(shí)例無證據(jù)說明轉(zhuǎn)基因食物有問題、支持“實(shí)質(zhì)性等同”等。

⑵轉(zhuǎn)基因生物與生物安全——對生物多樣性的影響

①反方：擴(kuò)散到種植區(qū)之外變成野生種類、成為入侵的外來物種、重組出有害的病原體、成為超級雜草、有可能造成“基因污染”等。第28頁/共45頁

⑶轉(zhuǎn)基因生物與環(huán)境安全——對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

①反方：打破自然物種原有界限、二次污染、重組出有害的病原微生物、毒蛋白等可能通過食物鏈進(jìn)入人體等。

②正方：不改變生物原有的分類地位、減少農(nóng)藥使用、保護(hù)農(nóng)田土壤環(huán)境等。

特別提醒轉(zhuǎn)基因生物存在安全性的原因：⑴目前對基因的結(jié)構(gòu)、調(diào)控機(jī)制及基因間的相互作用了解有限。⑵目的基因往往是異種生物的基因。⑶外源基因插入宿主基因組的部位往往是隨機(jī)的。

②正方：生命力有限、存在生殖隔離、花粉傳播距離有限、花粉存活時間有限等。第29頁/共45頁

2．基因工程的應(yīng)用

⑴抗蟲棉的培育

①目的基因：Bt毒蛋白基因。

②原理：抗蟲——Bt毒蛋白水解成多肽與蟲腸上皮細(xì)胞結(jié)合，形成穿孔，細(xì)胞腫脹裂解致死；兩種抑制劑分別抑制相應(yīng)酶活性，影響消化；植物凝集素為糖蛋白，與蟲腸黏膜結(jié)合，影響營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用。

注：毒性來自Bt毒蛋白水解后的多肽。③受體細(xì)胞受精卵→正常發(fā)育

體細(xì)胞→組織培養(yǎng)

④方法：花粉管通道法(也可用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法或基因槍法)。第30頁/共45頁

注：a.抗蟲但不抗病毒、細(xì)菌、真菌等；b.培育抗蟲作物的優(yōu)點(diǎn)：減少環(huán)境污染、降低生產(chǎn)成本；c.不同抗蟲基因作用機(jī)理不同；d.Bt毒蛋白基因來自蘇云金芽孢桿菌。

⑵動物反應(yīng)器

①外源基因：藥用蛋白基因。

②表達(dá)條件：藥用蛋白基因＋乳腺蛋白基因(膀胱內(nèi)表達(dá)相應(yīng)基因)＋啟動子。

③受體生物——牛、羊等。

④方法：顯微注射法。

注：乳腺反應(yīng)器，前者受性別(只能是雌性)和年齡(哺乳期)限制，優(yōu)點(diǎn)可直接服用；膀胱反應(yīng)器：提取后服用第31頁/共45頁

⑶基因檢測和基因治療的比較

基因檢測制作相應(yīng)探針，利用DNA分子雜交原理，快速、準(zhǔn)確檢測人類某種疾??；制作探針三要求：①標(biāo)記——同位素或熒光；②單鏈；③序列與待測基因相同臨床應(yīng)用階段基因治療把健康的外源基因?qū)胗谢蛉毕莸募?xì)胞中，可分為體外基因治療和體內(nèi)基因治療兩種方法僅處于實(shí)驗(yàn)階段，仍有許多問題和困難制約該技術(shù)的開展，所以該技術(shù)并未在臨床開展

誤區(qū)警示②DNA分子制作探針進(jìn)行檢測時應(yīng)檢測單鏈，即將雙鏈DNA分子打開。第32頁/共45頁

3．生物武器

⑴種類

種類舉例致病菌鼠疫菌、霍亂弧菌、傷寒桿菌、炭疽桿菌、痢疾桿菌病毒天花病毒、動物痘病毒等基因重組的致病菌、生化毒劑如肉毒桿菌毒素可以阻滯神經(jīng)末梢釋放乙酰膽堿，從而引起肌肉麻痹。只要有0.01mg的肉毒桿菌毒素就可以使人死亡第33頁/共45頁

⑵特點(diǎn)：①傳染性強(qiáng)；②污染面廣，危害時間長；③難以防治；④具有一定的潛伏期；⑤受自然條件影響大。

⑶傳播途徑：①經(jīng)食物和水傳播；②空氣傳播；③接觸傳播；④蟲媒傳播；⑤病原體直接傳播。第34頁/共45頁

3．下列關(guān)于轉(zhuǎn)基因生物與環(huán)境安全的敘述，錯誤的是 (

)

A．重組的微生物在降解污染物的過程中可能產(chǎn)生二次污染

B．種植抗蟲棉可以減少農(nóng)藥的使用量，對環(huán)境沒有任何負(fù)面影響

C．如果轉(zhuǎn)基因花粉中有毒蛋白或過敏蛋白，可能會通過食物鏈傳遞到人體內(nèi)

D．轉(zhuǎn)基因生物所帶來的環(huán)境安全問題是可以解決的

對位訓(xùn)練

B（基因污染）第35頁/共45頁

排雷

在轉(zhuǎn)基因生物中，有時候會出現(xiàn)一些人們意想不到的后果，原因分析如下：⑴對基因的結(jié)構(gòu)，基因間的相互作用及基因的調(diào)控機(jī)制都了解得相當(dāng)有限。⑵轉(zhuǎn)移的基因雖然是功能一致的基因，但不少是異種生物的基因。⑶外源基因插入宿主基因組的部位往往是隨機(jī)的。

第36頁/共45頁考點(diǎn)115關(guān)注生物新技術(shù)——蛋白質(zhì)工程

1．蛋白質(zhì)工程的概念

蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過基因修飾或基因合成，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類的生產(chǎn)和生活的需求。

特別提醒

對蛋白質(zhì)工程的概念應(yīng)從以下幾個方面理解：

⑴蛋白質(zhì)工程的基礎(chǔ)：蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系；⑵蛋白質(zhì)工程的實(shí)質(zhì)：改造控制該蛋白質(zhì)合成的基因；⑶蛋白質(zhì)工程的產(chǎn)物：產(chǎn)生新的蛋白質(zhì)。

第37頁/共45頁2．蛋白質(zhì)工程的過程和實(shí)例

⑴蛋白質(zhì)工程的過程：其基本途徑是從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)。其流程圖如下：

⑵蛋白質(zhì)工程的實(shí)例：①通過蛋白質(zhì)工程改造的干擾素可在－70℃條件下保存半年。②經(jīng)過蛋白質(zhì)工程改造天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶這兩種酶后，使玉米體內(nèi)賴氨酸的含量大大提高。

第38頁/共45頁

3．與基因工程的關(guān)系

⑴區(qū)別：基因工程是借助于另外一種生物生產(chǎn)自然界已有的蛋白質(zhì)；而蛋白質(zhì)工程生產(chǎn)自然界沒有的新的蛋白質(zhì)。

⑵聯(lián)系：蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來的第二代基因工程。因?yàn)閷ΜF(xiàn)有蛋白質(zhì)的改造或制造新的蛋白質(zhì)，必須通過基因修飾或基因合成實(shí)現(xiàn)。

第39頁/共45頁

拓展延伸蛋白質(zhì)組計(jì)劃和人類基因組計(jì)劃的比較蛋白質(zhì)組計(jì)劃基因組計(jì)劃啟動時間2003年正式啟動1990年正式啟動主要內(nèi)容“肝臟蛋白質(zhì)”和“血漿蛋白質(zhì)”的研究測定人類基因組24條染色體上全部DNA序列參加國家16個國家，80多個實(shí)驗(yàn)室6個國家，中國是唯一的發(fā)展中國家我國承擔(dān)任務(wù)牽頭執(zhí)行“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”承擔(dān)1%的測序工作意義揭示并確認(rèn)肝臟(血漿