基因工程及其延伸技術應用廣泛高二下學期生物浙科版（2019）選擇性必修3

選擇性必修三第四章第二節(jié)基因工程及其延伸技術應用廣泛任務一：疾病診斷——鐮刀型細胞貧血癥1.蛋白質層面電泳：帶電粒子在電場作用下，向與其攜帶電荷相反的電極遷移的過程。不同帶電粒子因分子大小、形狀、所帶電荷等因素不同，遷移速率也會有所差異。史料1：1948年，鮑林（LinusC.Pauling）等使用當時研究蛋白質的新方法電泳法，探究正常紅細胞內血紅蛋白（normalhemoglobinA，HbA）與鐮刀型紅細胞內血紅蛋白（sicklehemoglobin，HbS）的差異問題1：請結合電泳原理分析電泳結果說明鐮刀型細胞貧血癥與正常人在蛋白質水平上產生差異的原因血紅蛋白分子大小、形狀（氨基酸數目、種類、排序）任務一：疾病診斷——鐮刀型細胞貧血癥問題2：你覺得英格拉姆的實驗策略是什么？討論后嘗試以流程圖的形式將大概步驟呈現出來。1.蛋白質層面史料2：通過蛋白質測序技術可獲得組成蛋白質的氨基酸種類、數目及排列順序等信息。首次完成蛋白質測序工作的是科學家桑格，他利用10年完成了胰島素的測序。血紅蛋白的分子量是胰島素的6倍，完成其全測序工作難度大且耗時長，科學家英格拉姆決定在桑格測序基礎上轉變實驗策略。水解血紅蛋白電泳水解產物測序差異片段找出差異氨基酸任務一：疾病診斷——鐮刀型細胞貧血癥2.基因層面HbA

GTA-CAT-CTG-ACT-CCT-GAG-GAG-AAACAT-GTA-GAC-TGA-GGA-CTC-CTC-TTTHbSGTA-CAT-CTG-ACT-CCT-GTG-GAG-AAACAT-GTA-GAC-TGA-GGA-CAC-CTC–TTT問題4：如何從基因層面對鐮刀型細胞貧血癥患者進行檢測？小組討論并派代表說出你的方法問題3：在書寫基因序列的過程中遇到了哪些問題？對照密碼子表，寫出多肽鏈對應的基因序列任務一：疾病診斷——鐮刀型細胞貧血癥2.基因層面HbA

GTA-CAT-CTG-ACT-CCT-GAG-GAG-AAACAT-GTA-GAC-TGA-GGA-CTC-CTC-TTTHbSGTA-CAT-CTG-ACT-CCT-GTG-GAG-AAACAT-GTA-GAC-TGA-GGA-CAC-CTC–TTT問題4：如何從基因層面對鐮刀型細胞貧血癥患者進行檢測？小組討論并派代表說出你的方法方法一：熒光探針法實驗思路：根據堿基排序制作帶熒光標記的探針，利用核酸分子雜交原理進行檢測方法二：PCR，電泳法實驗思路：將長鏈DNA切成不同長度的片段，讓患者與正常人的DNA片段長度出現差異，利用凝膠電泳進行檢測任務一：疾病診斷——鐮刀型細胞貧血癥2.基因層面HbA

GTA-CAT-CTG-ACT-CCT-GAG-GAG-AAACAT-GTA-GAC-TGA-GGA-CTC-CTC-TTTHbSGTA-CAT-CTG-ACT-CCT-GTG-GAG-AAACAT-GTA-GAC-TGA-GGA-CAC-CTC–TTT實驗思路：將長鏈DNA切成不同長度的片段，讓患者與正常人的DNA片段長度出現差異，利用電泳結果不同進行檢測資料：MstⅡ是一種限制性核酸內切酶，識別序列是CCTGAGG，識別位點是A—G之間方法二：PCR，電泳法電泳結果：大片段一、基因診斷的應用——產前診斷例1.單基因遺傳病可以在胚胎早期通過DNA分子雜交技術進行診斷。鐮刀型細胞貧血癥是一種發(fā)病率較高的單基因遺傳病。已知正常個體的基因型為BB或Bb，鐮刀型細胞貧血癥患者的基因型為bb。某夫婦為該致病基因的攜帶者，為了生下健康的孩子，在妊娠早期進行了產前診斷。圖1為DNA分子雜交診斷結果示意圖。（1）正常的血紅蛋白基因和突變的血紅蛋白基因經過酶切（圖1甲）后，以凝膠電泳分離酶切片段并與探針雜交，正?；驎@示出

條帶譜，突變基因會顯示出

條帶譜。（2）由凝膠電泳帶譜（圖1乙）分析，這對夫婦4次妊娠中，Ⅱ-1～Ⅱ-4中需要停止妊娠的是

，Ⅱ-4的基因型為

。21Ⅱ-2BB一、基因診斷的應用——基因芯片如何利用核酸分子雜交方法進行快速大量檢測？利用基因芯片診斷腫瘤基因：美國Affymetrix公司將p53基因全長序列和已知突變的序列制成探針集在芯片上，Lehman等用此芯片分析了有乳腺癌家族史的42例乳腺癌病人的p53基因第2～11外顯子和內含子的突變情況?；蛐酒捎糜谀[瘤的早期診斷，可以在易感人群、高危人群中早期發(fā)現腫瘤。目前，人們運用基因工程相關技術不僅可以在患者未發(fā)病，甚至出生前確診其是否患有某些疾病，還可以根據某些核苷酸序列的特異性差異來推測患病風險。隨著基因測序技術進一步發(fā)展，有望研制出專門針對個人基因特點的藥物。利用基因芯片比較不同組織來源細胞中基因表達差異：提取不同組織來源細胞中的mRNA，逆轉錄時標記上不同顏色熒光，等量混合后，與包含上千個基因的DNA微陣列（基因芯片）進行雜交反應，比較兩種熒光在各點陣上的強度，推算出各基因在不同組織細胞中的相對表達水平。任務二：疾病治療——鐮刀型細胞貧血癥的治療方案小組展示課前資料搜集：鐮刀型細胞貧血癥的治療方案比較各種治療方案的優(yōu)缺點，選擇最佳治療方案方案一：藥物治療方案二：骨髓移植方案三：基因治療素材來源“/video/BV13Q4y117GD/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=1ccfb2fe7da584e4f52582c03438118c”二、基因治療的應用——基因敲除例2.“基因剪刀手”楊璐菡掃除了豬器官用于人體移植的最大障礙,其研究成果使得美國《科學》雜志打破慣例提前發(fā)表科研成果,該技術將為全球上百萬病人帶來希望。從2014年起,楊璐菡作為異種器官移植課題的帶頭人,帶領10個人的科研團隊利用新發(fā)明的“基因剪刀”技術,敲除豬基因組中可能的致病基因?！盎蚯贸奔夹g的主要過程示意圖如下:請根據題述內容回答下列問題。(1)“基因敲除”技術的原理是

,將neor基因插入到靶基因過程中使用的工具酶是

和

。(2)要獲得一只含失活靶基因的小鼠,則選擇的受體細胞應是

,圖中的neor基因的作用是

。

限制酶基因重組DNA連接酶受精卵獲得失活的靶基因基因治療：向有基因缺陷的細胞中引入正常功能的基因，以糾正或補償基因的缺陷，從而達到治療的目的。通過在基因中插入DNA片段使該基因永久失活，再通過觀察轉基因生物性狀變化，可以推測該基因的功能結論：腸堿性磷酸酶基因有“保持身材”的作用結合減肥，談談該實例對你的啟發(fā)三、轉基因動物為研究疾病機理提供模型小結：基因工程在醫(yī)療方面的應用1.利用PCR、電泳、核酸分子雜交等技術進行基因診斷2.導入正?；蜻M行基因治療3.利用轉基因技術生產藥物4.研究疾病機理提供模型收集“轉基因技術在生產藥物方面的應用及局限性”相關資料一、基因工程在醫(yī)療制藥方面的應用情境一：糖尿病是近年來高發(fā)的“富貴病”，常見類型有Ⅰ型糖尿病即遺傳性糖尿病和Ⅱ型糖尿病,Ⅱ型糖尿病需要注射胰島素治療。傳統(tǒng)生產胰島素的方法是從豬、牛等動物的胰腺中提取。曾經生產供一位糖尿病病人使用一年的胰島素需要上千頭牛，生產的成本非常高。問題1：如何利用基因工程獲取更多的胰島素，從而降低醫(yī)療成本？1982年，利用轉基因大腸桿菌生產的人胰島素是第一個被批準用于人體疾病的基因工程藥物任務一：選擇適合的受體細胞一、基因工程在醫(yī)療制藥方面的應用資料1：利用大腸桿菌生產藥用蛋白技術簡單，前期研發(fā)成本低。隨著生物工程的研究和發(fā)展，發(fā)現用大腸桿菌生產的很多藥物由于缺乏轉譯后修飾，失去了天然產物所固有的生物活性。問題2：為什么會出現“缺乏轉譯后修飾”？任務一：選擇適合的受體細胞受體細胞的選擇作何調整？請說明理由原真核生物細胞中細胞器的區(qū)別一、基因工程在醫(yī)療制藥方面的應用問題3：如何解決以上問題？資料2：利用動物細胞發(fā)酵生產生物藥品產量極低，且培養(yǎng)過程需動物血清維持細胞活性，不僅提高了成本，而且給下游產物的純化帶來極大的困難。任務一：選擇適合的受體細胞想要目標蛋白在轉基因動物的乳腺細胞中特異性表達，目的基因插入的位點有何要求？請以獲取“血清白蛋白”為例簡要說明該基因工程思路。乳腺生物反應器獲取血清白蛋白基因構建重組DNA（將目的基因與乳腺蛋白基因啟動子等調控組件重組）胚胎體外培養(yǎng)導入受精卵胚胎移植一、基因工程在醫(yī)療制藥方面的應用資料3：有人提議將乳腺蛋白基因的啟動子換成UroplakinⅡ基因啟動子(促進目的基因在膀胱特異性表達。）問題4：比較乳腺生物反應器和膀胱生物反應器任務一：選擇適合的受體細胞綜上，請小結不同受體細胞的利與弊，分析適用條件。微生物細胞：易培養(yǎng)易繁殖，成本低，產物多，但產物不一定有生物活性植物細胞：易培養(yǎng)，但產物提取成本較高動物細胞：培養(yǎng)成本高，產物產量低，難純化，常利用生物反應器膀胱生物反應器不受性別限制，不受泌乳期限制，更具優(yōu)勢情境二：目前臨床使用胰島素制劑注射后120min才出現高峰，與人體生理狀態(tài)不符。將胰島素B鏈的28號和29號氨基酸互換，可以加快胰島素的起效時間?？蒲腥藛T通過一定的工程技術手段，將胰島素B鏈的28號和29號氨基酸互換，獲得了速效胰島素，已在臨床上廣泛應用。問題1：該工程技術是在什么層面進行操作？問題2：你能推測該工程技術的操作思路嗎？問題3：該工程技術與基因工程有何區(qū)別與聯系？一、基因工程在醫(yī)療制藥方面的應用任務二：產物優(yōu)化根據胰島素

，

設計改造胰島素

。

推測

序列逆推出基因的

序列利用基因工程改變DNA特定位點

序列改造后的基因導入

并表達問題1：該工程技術是在什么層面進行操作？問題2：你能推測該工程技術的操作思路嗎？操作層面：DNA分子（核苷酸序列）改造目的：蛋白質的功能根據胰島素

，

設計改造胰島素

。

推測

序列逆推出基因的

序列利用基因工程改變DNA特定位點

序列改造后的基因導入

并表達功能結構

核苷酸

氨基酸

核苷酸受體細胞情境二：目前臨床使用胰島素制劑注射后120min才出現高峰，與人體生理狀態(tài)不符。將胰島素B鏈的28號和29號氨基酸互換，可以加快胰島素的起效時間?？蒲腥藛T通過一定的工程技術手段，將胰島素B鏈的28號和29號氨基酸互換，獲得了速效胰島素，已在臨床上廣泛應用。一、基因工程在醫(yī)療制藥方面的應用任務二：產物優(yōu)化以“蛋白質、氨基酸、mRNA、DNA”為骨架，利用合適的箭頭和文字說明建蛋白質工程的基本過程一、基因工程在醫(yī)療制藥方面的應用任務二：產物優(yōu)化蛋白質工程：通過設計和改造編碼蛋白質的基因，從而改變氨基酸序列，最終獲得特定功能的蛋白質。轉錄翻譯折疊行使生物功能預期功能蛋白質（結構）氨基酸（序列）mRNADNA推測逆推改造或合成設計問題3：該工程技術與基因工程有何區(qū)別與聯系？聯系：目的基因的表達結果常常并不理想，合成的蛋白質不能很好地行使功能，無法滿足人們的需求。蛋白質工程可以彌補基因工程這個缺憾，但離不開基因工程技術。一、基因工程在醫(yī)療制藥方面的應用區(qū)別：基因工程得到的是天然存在的蛋白質，蛋白質工程得到的不是；基因工程是對基因進行剪切和連接，蛋白質工程是對基因進行合成和改造。任務二：產物優(yōu)化為什么蛋白質工程改造基因而不是直接改造蛋白質①蛋白質的高級結構十分復雜，直接改造難度大。②基因可以遺傳，蛋白質無法遺傳。二、基因工程在其他方面的應用1.基因工程在法醫(yī)鑒定方面的應用——親子鑒定以前的親子鑒定現在的親子鑒定通過血型或抗原—抗體雜交技術鑒定，需要大量新鮮樣品，且結果特異性不強。幾滴血或一根頭發(fā)上的毛囊細胞就足夠用于鑒定二、基因工程在其他方面的應用1.基因工程在法醫(yī)鑒定方面的應用——個體識別誰是雙胞