高中生物同步備課系列【備教案】3.2.1 基因工程的基本操作程序 -人教2019版選擇性必修3

第3章基因工程第2節(jié)基因工程的基本操作程序（第1課時）教案一、教學(xué)目標(biāo)1.闡明基因工程的原理和基本操作程序。（生命觀念）2.掌握目的基因的篩選與獲取方法，簡述PCR的原理、條件及過程。（生命觀念、科學(xué)思維）3.學(xué)會基因表達(dá)載體構(gòu)建的方法和要求，簡述基因表達(dá)載體的組成及構(gòu)建過程。（科學(xué)探究）4.理解目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的具體過程，闡明將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的方法。（科學(xué)探究）5.掌握并闡明目的基因檢測與鑒定的方法。（科學(xué)探究、社會責(zé)任）6.掌握DNA片段的擴增及電泳鑒定的方法。（科學(xué)探究）二、教學(xué)重難點【教學(xué)重點】1.簡述PCR的原理、條件及過程。2.簡述基因表達(dá)載體的組成及構(gòu)建過程。3.闡明將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的方法。4.闡明目的基因的檢測與鑒定的方法。5.闡明基因工程的原理和基本操作程序。【教學(xué)難點】1.簡述基因表達(dá)載體的組成及構(gòu)建過程。2.闡明基因工程的原理和基本操作程序。三、教學(xué)過程【導(dǎo)入新課】展示：從社會中來。1997年，我國政府首次批準(zhǔn)商業(yè)化種植轉(zhuǎn)基因抗蟲棉。到2015年，我國已育成轉(zhuǎn)基因抗蟲棉新品種100多個，減少農(nóng)藥用量40萬噸，增收節(jié)支社會經(jīng)濟效益450億元。你知道轉(zhuǎn)基因抗蟲棉抗蟲的機制是什么嗎？培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉一般需要哪些步驟？學(xué)生：課前查閱資料，展示欣賞棉鈴蟲圖片，了解轉(zhuǎn)基因棉花研究歷史和經(jīng)濟價值。1.轉(zhuǎn)基因抗蟲棉抗蟲的機制：提示：轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的機制是抗蟲基因（Bt基因）來源于蘇云金桿菌，Bt基因表達(dá)的蛋白質(zhì)具有殺蟲活性。當(dāng)害蟲食用轉(zhuǎn)基因抗蟲棉花的時候，同時攝入Bt基因表達(dá)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，這種蛋白質(zhì)在害蟲腸道內(nèi)被激活，造成腸道穿孔，導(dǎo)致害蟲死亡。2.培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉一般需要哪些步驟?教師：科學(xué)家將蘇云金桿菌的“殺蟲基因”——Bt抗蟲蛋白基因轉(zhuǎn)到棉花里，讓棉花也能產(chǎn)生產(chǎn)生蘇云金桿菌伴胞晶體蛋白（Bt抗蟲蛋白），破壞鱗翅目昆蟲的消化系統(tǒng)來殺死棉鈴蟲。培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉主要需要四個步驟：目的基因的篩選與獲取、基因表達(dá)載體的構(gòu)建、將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞、目的基因的檢測與鑒定。進而引出本節(jié)課題——基因工程的基本操作程序【新課講授】（一）目的基因的篩選和獲取教師：組織學(xué)生閱讀課本P76-77，帶著問題，閱讀課文，回答問題，引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)目的基因的概念，篩選合適的目的基因，獲取目的基因的方法，利用PCR獲取和擴增目的基因等相關(guān)知識。1.什么是目的基因？舉例說明目的基因有哪些？2.篩選目的基因的方法是什么？請舉出實例。3.目的基因獲取的技術(shù)和方法有哪些？學(xué)生：閱讀教材，先自主學(xué)習(xí)，思考問題，小組討論，回答問題；最后進行歸納總結(jié)。1.篩選合適的目的基因（1）目的基因：在基因工程的設(shè)計和操作中，用于改變受體細(xì)胞性狀或獲得預(yù)期表達(dá)產(chǎn)物等的基因就是目的基因，根據(jù)不同的需要，目的基因是不同的，主要是指編碼蛋白質(zhì)的基因。如：與生物抗逆性、優(yōu)良品質(zhì)、生產(chǎn)藥物、毒物降解和工業(yè)用酶等相關(guān)基因。目前被廣泛提取使用的目的基因有：蘇云金桿菌抗蟲基因、植物抗病基因（抗病毒、抗細(xì)菌）、人胰島素基因、人干擾素基因等。蘇云金桿菌通過產(chǎn)生蘇云金桿菌伴胞晶體蛋白（Bt抗蟲蛋白），破壞鱗翅目昆蟲的消化系統(tǒng)來殺死棉鈴蟲?？茖W(xué)家將“殺蟲基因”轉(zhuǎn)入棉花中，棉花產(chǎn)生Bt抗蟲蛋白抵抗蟲害。這個“殺蟲基因”就是培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉用到的目的基因——Bt抗蟲蛋白基因，簡稱Bt基因。那么，如何篩選目的基因呢？知識拓展（1）原核生物基因非編碼區(qū)組成：編碼區(qū)上游與編碼區(qū)下游功能：不能編碼蛋白質(zhì)，調(diào)控遺傳信息的表達(dá)啟動子：RNA聚合酶結(jié)合位點轉(zhuǎn)錄起始的信號終止子：終止RNA的合成編碼區(qū)：編碼蛋白質(zhì)的合成（2）真核生物基因編碼區(qū)內(nèi)含子：編碼區(qū)上游與編碼區(qū)下游外顯子：能編碼蛋白質(zhì)的序列非編碼區(qū)：不編碼蛋白質(zhì)，能調(diào)控遺傳信息表達(dá)原核細(xì)胞與真核細(xì)胞的基因結(jié)構(gòu)比較【注意】（1）非編碼序列：包括非編碼區(qū)和內(nèi)含子【思考】（2）編碼相同數(shù)目氨基酸的蛋白質(zhì)，原核細(xì)胞與真核細(xì)胞基因結(jié)構(gòu)一樣長嗎？（2）篩選合適的目的基因①方法：從相關(guān)的已知結(jié)構(gòu)和功能清晰的基因中篩選。在浩瀚的“基因海洋”中找到所需要的目的基因往往不容易，從相關(guān)的已知結(jié)構(gòu)和功能清晰的基因中進行篩選是較為有效的方法之一?？茖W(xué)家已經(jīng)明確Bt基因的序列信息，也對Bt抗蟲蛋白有深入了解。利用序列數(shù)據(jù)庫（如GenBank）、序列對比工具（如BLAST）等，找到合適的目的基因。因此，Bt基因是培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉較為合適的目的基因。隨著測序技術(shù)的發(fā)展，以及序列數(shù)據(jù)庫（如GenBank）、序列比對工具（如BLAST）等的應(yīng)用，越來越多的基因的結(jié)構(gòu)和功能為人們所知，為科學(xué)家找到合適的目的基因提供更多機會和可能。明確了目的基因后，該怎么獲得它呢？2.獲取目的基因的方法獲取目的基因的方法有多種。例如從生物組織中直接獲取，構(gòu)建基因文庫獲取目的基因，人工合成目的基因，利用PCR特異性地快速擴增目的基因等。在我國首批具有較高抗蟲活性的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的培育過程中，科學(xué)家人工合成了目的基因?，F(xiàn)在，常用PCR特異性地快速擴增目的基因。教師：通過課前查閱相關(guān)資料，結(jié)合課本內(nèi)容，組織學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作探究，引導(dǎo)學(xué)生說出獲取目的基因的方法，并進行歸納總結(jié)。學(xué)生：課前查閱資料，預(yù)習(xí)課本，自主學(xué)習(xí)，合作探究，進而歸納總結(jié)獲取目的基因的方法，并學(xué)會理解與運用。（1）從生物組織中直接獲?、購墓w細(xì)胞直接獲取目的基因最常用的方法是“鳥槍法”，又叫“散彈射擊法”。這種方法猶如用獵槍發(fā)射的散彈打鳥，無論哪一顆彈粒擊中目標(biāo)，都能把鳥打下來。②鳥槍法的具體做法：用限制酶將供體細(xì)胞中的DNA切成許多片段，將這些片段分別構(gòu)建表達(dá)載體，然后通過載體分別轉(zhuǎn)入不同的受體細(xì)胞，讓供體細(xì)胞所提供的DNA（外源DNA）的所有片段分別在各個受體細(xì)胞中大量復(fù)制（在遺傳學(xué)中叫作擴增），從中找出含有目的基因的細(xì)胞，再用一定的方法把帶有目的基因的細(xì)胞分離出來，如許多抗蟲、抗病毒的基因都可以用該方法獲得。③用“鳥槍法”獲取目的基因的缺點是工作量大，具有一定的盲目性。（2）通過構(gòu)建基因文庫來獲取目的基因①基因文庫的概念：將含有某種生物不同基因的許多DNA片段，導(dǎo)入受體菌的群體中儲存，各個受體菌分別含有這種生物的不同的基因，稱為基因文庫。②基因文庫的類型基因組文庫：包含一種生物的全部基因。部分基因文庫：包含一種生物的一部分基因（如cDNA文庫）。③基因組文庫的構(gòu)建④cDNA基因文庫的構(gòu)建cDNA文庫：某種生物基因組轉(zhuǎn)錄的全部mRNA經(jīng)反轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的cDNA片段與適當(dāng)?shù)妮d體連接后導(dǎo)入受體菌，這樣包含著全部mRNA信息的cDNA克隆集合稱為cDNA文庫。用DNA探針從基因文庫中準(zhǔn)確提取目的基因根據(jù)目的基因的核苷酸序列制成一段與之互補的核苷酸短鏈，并用同位素標(biāo)記，即成為探針。用這一探針探查基因文庫中已經(jīng)變性的DNA片段，如果有一個DNA片段能和探針片段互補而結(jié)合成雙鏈（分子雜交），這一片段即含有所需要的基因。拓展延伸：基因組文庫與cDNA文庫的比較3.人工合成目的基因（1）反轉(zhuǎn)錄法：主要用于相對分子質(zhì)量較大而又不知其核苷酸序列的基因。它以目的基因的mRNA為模板，借助逆轉(zhuǎn)錄酶合成雙鏈DNA，其過程如下：（2）化學(xué)合成法：依據(jù)某一蛋白質(zhì)的氨基酸序列，推測出其基因序列，然后直接合成目的基因，其過程如下：4.利用PCR特異性地快速擴增目的基因教師：組織學(xué)生閱讀教材P77-79頁，通過分析圖表示意圖，結(jié)合教材文字，引導(dǎo)學(xué)生簡述PCR的原理、條件及過程，進而進行歸納總結(jié)。學(xué)生：閱讀教材，自主學(xué)習(xí)，合作探究，討論交流，歸納總結(jié)。（1）PCR的概念：聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的縮寫。它是一項根據(jù)DNA半保留復(fù)制的原理，在體外提供參與DNA復(fù)制的各種組分與反應(yīng)條件，對目的基因的核苷酸序列進行大量復(fù)制的技術(shù)。PCR由穆里斯等人于1985年發(fā)明，為此，穆里斯于1993年獲得諾貝爾化學(xué)獎。播放《PCR之歌》，通過觀看視頻，更直觀地理解PCR技術(shù)的過程。（2）PCR的反應(yīng)條件及其作用展示PCR反應(yīng)的基本條件：總結(jié)PCR的反應(yīng)條件及其作用追問：dATP與ATP在結(jié)構(gòu)上有什么區(qū)別？dATP為什么能用作DNA復(fù)制的底物？如圖所示，ATP結(jié)構(gòu)中的五碳糖為核糖，而dATP結(jié)構(gòu)中的五碳糖為脫氧核糖。ATP轉(zhuǎn)移掉兩個磷酸基團后剩下的結(jié)構(gòu)就是腺嘌呤核糖核苷酸，所以ATP是轉(zhuǎn)錄的底物；同理，dATP轉(zhuǎn)移掉兩個磷酸基團后剩下的結(jié)構(gòu)就是腺嘌呤脫氧核糖核苷酸，所以dATP可以用作DNA復(fù)制的底物。（3）PCR擴增的過程展示PCR反應(yīng)過程示意圖：（注：示意圖中的引物長度和帶擴增的DNA片段的長度均短于實際長度）以上過程可以在PCR擴增儀（PCR儀）中自動完成，完成以后，常采用瓊脂糖凝膠電泳來鑒定PCR產(chǎn)物。播放《PCR——聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)》視頻，引導(dǎo)學(xué)生簡述PCR擴增的過程。過程歸納：第一步：將反應(yīng)體系（包括雙鏈模板、引物、DNA聚合酶、4種脫氧核苷酸以及酶促反應(yīng)所需的離子等）加熱至90℃以上，使雙鏈DNA兩條鏈之間的氫鍵打開，變成單鏈，分別作為聚合反應(yīng)的模板。這個過程稱為變性。第二步：將反應(yīng)體系降溫至50℃左右，使引物分別與模板DNA鏈3’端的相應(yīng)序列互補配對，這個過程稱為復(fù)性。第三步：將反應(yīng)體系升溫至72℃左右，在DNA聚合酶的催化作用下，將與模板DNA互補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的單鏈DNA，這個過程稱為延伸。上述三步反應(yīng)完成后，由于一個循環(huán)得到的產(chǎn)物又可以作為下一個循環(huán)的模板，因而每一次循環(huán)后目的基因的量可以增加一倍。一個DNA片段就變成了兩個DNA片段，隨著重復(fù)次數(shù)的增多，DNA的數(shù)量就以約2n的倍數(shù)增加，其中n為擴增循環(huán)的次數(shù)。PCR的反應(yīng)過程都是在PCR擴增儀（PCR儀）中完成的。完成后，常采用瓊脂糖凝膠電泳來鑒定PCR的產(chǎn)物。思考：1.利用PCR技術(shù)擴增目的基因，在第幾輪循環(huán)產(chǎn)物中開始出現(xiàn)兩條脫氧核苷酸鏈等長的DNA片段？比例是多少？提示：第3輪；1/4。思考：2.用PCR可以擴增mRNA嗎？mRNA不可以直接擴增，需要將它逆轉(zhuǎn)錄成cDNA再進行擴增。由mRNA逆轉(zhuǎn)錄形成cDNA的過程是：第一步，逆轉(zhuǎn)錄酶以RNA為模板合成一條與RNA互補的DNA鏈，形成RNA-DNA雜交分子；第二步，核酸酶H降解RNA-DNA雜交分子中的RNA鏈，使之變成單鏈DNA；第三步，單鏈DNA為模板，在DNA聚合酶的作用下合成另一條互補的DNA鏈，形成雙鏈DNA分子，即cDNA。拓展延伸：1.比較PCR擴增技術(shù)和體內(nèi)DNA復(fù)制的異同2.PCR中的數(shù)量關(guān)系（二）基因表達(dá)載體的構(gòu)建（核心）問題：獲得了足量的目的基因（Bt基因）后，是否能直接將將Bt基因?qū)朊藁?xì)胞呢？提示：不能。游離的DNA進入受體細(xì)胞，一般會直接被分解，即使可以轉(zhuǎn)錄翻譯成蛋白質(zhì)，游離的DNA片段也無法隨著細(xì)胞分裂而進行復(fù)制，導(dǎo)致子代細(xì)胞中不再含有目的基因。因此，獲取Bt基因后，還需要借助載體將其導(dǎo)入棉花細(xì)胞，才能使棉花植株獲得抗蟲特性。這就需要構(gòu)建基因表達(dá)載體，只一步是培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的核心工作。教師：組織學(xué)生閱讀P80頁，結(jié)合基因表達(dá)載體構(gòu)建模式圖和教材文字，通過合作探究學(xué)會基因表達(dá)載體構(gòu)建的方法和要求，簡述基因表達(dá)載體的組成及構(gòu)建過程。學(xué)生：自主學(xué)習(xí)，合作探究，說出載體構(gòu)建的方法和要求，簡述基因表達(dá)載體的組成及構(gòu)建過程，并進行歸納、總結(jié)。1.目的：基因工程的核心是基因表達(dá)載體的構(gòu)建，其目的是讓目的基因在受體細(xì)胞中穩(wěn)定存在，并且遺傳給下一代，同時，使目的基因能夠表達(dá)和發(fā)揮作用。2.基因表達(dá)載體的組成提問：作為基因表達(dá)載體，除了目的基因外，還需要哪些元件呢？展示基因表達(dá)載體結(jié)構(gòu)圖：一個基因表達(dá)載體的組成，除了有目的基因外，還必須有啟動子、終止子、標(biāo)記基因等。（1）目的基因：指外源DNA分子的有效片段。（2）啟動子：一段有特殊序列結(jié)構(gòu)的DNA片段，位于基因的上游（首端），緊挨轉(zhuǎn)錄的起始位點，是RNA聚合酶識別和結(jié)合的部位，驅(qū)動基因轉(zhuǎn)錄出mRNA，最終表達(dá)出人類需要的蛋白質(zhì)。有時為滿足應(yīng)用需要，會在載體中人工構(gòu)建誘導(dǎo)型啟動子。誘導(dǎo)物存在時，可激活或抑制目的基因的表達(dá)。（3）終止子：一段有特殊序列結(jié)構(gòu)的DNA片段，位于基因的下游（尾端），標(biāo)志著轉(zhuǎn)錄過程的終止。（4）標(biāo)記基因的作用：用于鑒別受體細(xì)胞中是否含有目的基因，從而將含有目的基因的細(xì)胞篩選出來，如抗生素抗性基因就可以作為標(biāo)記基因。①作用：便于重組DNA分子的篩選。②常見類型：抗生素抗性基因、熒光蛋白基因等。歸納總結(jié)：辨析：“啟動子與終止子”和“起始密碼子與終止密碼子”啟動子與終止子位于DNA分子中，作用：起始和終止轉(zhuǎn)錄過程。啟動密碼子與終止密碼子位于mRNA分子中，作用：起始和終止翻譯過程。3.基因表達(dá)載體的構(gòu)建過程在構(gòu)建抗蟲棉的基因表達(dá)載體時，首先會用一定的限制酶切割載體，使它出現(xiàn)一個切口；然后用同種限制酶或能產(chǎn)生相同末端的限制酶切割含有目的基因的DNA片段；再利用DNA連接酶將目的基因片段拼接到載體的切口處，這樣就形成了一個重組DNA分子。展示基因表達(dá)載體構(gòu)建模式圖：【思考】將生物的所有DNA直接導(dǎo)入受體細(xì)胞不是更簡便嗎？如果這么做，效果會怎樣？有人采用總