生物教材梳理第六章第節(jié)基因工程及其應(yīng)用

學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精庖丁巧解牛知識(shí)·巧學(xué)一、基因工程的原理1。什么是基因工程基因工程又叫基因拼接技術(shù)或DNA重組技術(shù)。通俗地說,就是按照人們的意愿，把一種生物的某種基因提取出來，加以修飾改造,然后放到另一種生物的細(xì)胞里，定向地改造生物的遺傳性狀。基因工程是在DNA分子水平上進(jìn)行設(shè)計(jì)施工的，需要有專門的工具.基因工程的最大優(yōu)勢(shì)是能按照人們的意愿，定向地改造生物，滿足人們的需要，同時(shí)，基因工程也有一定的潛在危險(xiǎn)性。2?；虿僮鞯墓ぞ撸?）基因的“剪刀”:指的是限制性核酸內(nèi)切酶(簡(jiǎn)稱限制酶）。一種限制酶只能識(shí)別一種特定的核苷酸序列,并在特定的切點(diǎn)上切割DNA分子。例如某種限制酶能夠?qū)⑻K云金芽孢桿菌中的抗蟲基因切割下來。知識(shí)拓展限制酶是生物體內(nèi)的一類酶,它們能將外來的DNA切斷，但對(duì)自己的DNA無損害作用，這樣可以保護(hù)細(xì)胞原有的遺傳信息。限制酶具有“特異性”，主要存在于微生物中，現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)從原核生物中分離出了許多限制酶，并且已經(jīng)商品化，在基因工程中廣泛應(yīng)用。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了200多種限制酶。（2）基因的“針線”：是指DNA連接酶，兩種來源不同的DNA用同種限制酶切割后，末端可以相互黏合，但是這種黏合只能使互補(bǔ)的堿基連接起來，脫氧核糖和磷酸交替連接而構(gòu)成的DNA骨架上的缺口，需要靠DNA連接酶來“縫合”.(3)基因的運(yùn)載體：是指基因工程中的運(yùn)輸工具。包括質(zhì)粒、噬菌體和動(dòng)植物病毒等.最常用的運(yùn)載體是質(zhì)粒,它存在于細(xì)菌體內(nèi)的小型環(huán)狀DNA分子上。質(zhì)粒存在于許多細(xì)菌以及酵母菌等生物中，是細(xì)胞除染色體外能夠自主復(fù)制的很小的環(huán)狀DNA分子，最常用的質(zhì)粒是大腸桿菌的質(zhì)粒。知識(shí)拓展作為運(yùn)載體必須具有三個(gè)條件：①能夠在宿主細(xì)胞中復(fù)制并穩(wěn)定地保存;②具有多個(gè)限制酶切點(diǎn)，以便與外源基因連接；③具有某些標(biāo)記基因，便于進(jìn)行篩選.大腸桿菌質(zhì)粒中常含有抗藥性基因，如抗四環(huán)素的基因,可作為標(biāo)記基因.一般地，質(zhì)粒的存在與否對(duì)宿主細(xì)胞的生存沒有決定性作用。但是，質(zhì)粒的復(fù)制必須在宿主細(xì)胞內(nèi)完成。運(yùn)載體與質(zhì)粒不能等同。運(yùn)載體是基因的運(yùn)輸工具，能將目的基因送到宿主細(xì)胞中，并能大量復(fù)制;基因操作中常用的運(yùn)載體有的是細(xì)菌的質(zhì)粒，有的是噬菌體，還有的是經(jīng)過人工改造的大腸桿菌的質(zhì)?！，F(xiàn)在人們還在不斷尋找新的運(yùn)載體，如葉綠體或線粒體DNA等也可能成為運(yùn)載體。3?；蚬こ滩僮鞯囊话悴襟E基因工程的操作一般要經(jīng)歷四個(gè)步驟：提取目的基因；目的基因與運(yùn)載體結(jié)合；將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞;目的基因的表達(dá)和檢測(cè)。（1）獲得目的基因的方法①“鳥槍法"：具體做法是用限制酶將供體細(xì)胞中的DNA切成許多片段,將這些片段分別載入運(yùn)載體，然后通過運(yùn)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的所有片段分別在各個(gè)受體細(xì)胞中大量復(fù)制,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DNA片段分離出來。②信使RNA反轉(zhuǎn)錄法：是以目的基因轉(zhuǎn)錄成的信使RNA為模板，反轉(zhuǎn)錄成互補(bǔ)的單鏈DNA，然后在酶的作用下合成雙鏈DNA，從而獲得所需要的基因。人工合成基因還有另一種方法是根據(jù)已知的蛋白質(zhì)氨基酸序列,推測(cè)出相應(yīng)的mRNA序列，然后按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則,推測(cè)出它的結(jié)構(gòu)基因的核苷酸序列，再通過化學(xué)方法以單核苷酸為原料合成目的基因。如合成人的胰島素基因等。(2）將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的方法用人工的方法將體外重組的DNA分子轉(zhuǎn)移到受體細(xì)胞，主要是借鑒細(xì)菌或病毒侵染細(xì)胞的途徑.例如，如果運(yùn)載體是質(zhì)粒，受體細(xì)胞是細(xì)菌，一般是將細(xì)菌用氯化鈣處理,以增大細(xì)菌細(xì)胞壁的通透性，使含有目的基因的重組質(zhì)粒進(jìn)入受體細(xì)胞，目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞后，就可以隨受體細(xì)胞的繁殖而復(fù)制.二、基因工程的應(yīng)用1?；蚬こ膛c作物育種利用基因工程的方法，獲得高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和具有優(yōu)良品質(zhì)的農(nóng)作物，培育出具有各種抗逆性的作物新品種?；蚬こ膛嘤缕贩N有下列優(yōu)勢(shì)：能按人們的意愿培育新品種；培育出的新品種具有高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)良品質(zhì)等特點(diǎn)；應(yīng)用范圍廣泛。2.基因工程與藥物研制用基因工程方法制造的“工程菌”,可以高效率地生產(chǎn)出各種高質(zhì)量、低成本的藥品，如胰島素、干擾素和乙肝疫苗等.基因工程藥品是制藥工業(yè)上的重大突破。1979年，科學(xué)家將動(dòng)物體內(nèi)能夠產(chǎn)生胰島素的基因與大腸桿菌的DNA分子重組，并且在大腸桿菌內(nèi)表達(dá)獲得成功。這樣，用2000L大腸桿菌培養(yǎng)液就可以提取100g胰島素，相當(dāng)于從2噸豬胰腺中提取的量。1997年，我國(guó)自己生產(chǎn)的白細(xì)胞介素2、干擾素、乙肝疫苗、人生長(zhǎng)激素等幾種基因工程藥物也已經(jīng)投產(chǎn)。利用基因工程制藥具有高效率、高質(zhì)量、高產(chǎn)量的特點(diǎn)，最大限度地滿足了人們的需要。3.用于基因診斷和基因治療基因診斷是用放射性同位素(如32P)、熒光分子等標(biāo)記的DNA分子作探針，利用DNA分子雜交原理，鑒定被檢測(cè)標(biāo)本上的遺傳信息,達(dá)到檢測(cè)疾病的目的?；蛑委熓前呀】档耐庠椿?qū)胗谢蛉毕莸募?xì)胞中，達(dá)到治療疾病的目的。用基因治療的方法治療疾病，為許多疑難病癥，如惡性腫瘤、艾滋病、心血管疾病以及糖尿病等的治療展現(xiàn)了美好的前景。三、轉(zhuǎn)基因生物和轉(zhuǎn)基因食品的安全性1。轉(zhuǎn)基因生物實(shí)例轉(zhuǎn)基因生物包括轉(zhuǎn)基因植物、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物和轉(zhuǎn)基因微生物。用轉(zhuǎn)基因生物生產(chǎn)或制造的食品、食品原料以及食品添加劑等,都可稱為轉(zhuǎn)基因食品.①1983年世界上第一例轉(zhuǎn)基因生物——含抗生素藥物類抗體的煙草在美國(guó)誕生。②1993年第一種市場(chǎng)化轉(zhuǎn)基因食品-—可以延遲成熟的番茄出現(xiàn)。難點(diǎn)剖析培育轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的方法步驟通過基因工程培育轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的過程如下圖所示：通過重組DNA技術(shù)獲得轉(zhuǎn)基因羊的流程圖2.轉(zhuǎn)基因生物可能帶來的風(fēng)險(xiǎn)主要表現(xiàn)在以下方面(1）轉(zhuǎn)基因作物與其野生親緣種間的雜交,把具抗性的基因轉(zhuǎn)到野生親緣種，可能使野生親緣種成為具抗性的雜草，或者由于轉(zhuǎn)移基因在野生種群中的固定導(dǎo)致野生等位基因的丟失，最終造成遺傳多樣性的降低。(2）轉(zhuǎn)基因生物中的抗病毒基因可能與其他病毒發(fā)生重組，產(chǎn)生超級(jí)病毒，給生物界帶來巨大的災(zāi)難.（3)轉(zhuǎn)基因植物及其產(chǎn)物進(jìn)入土壤后，可能會(huì)與土壤中的微生物發(fā)生相互作用，影響一些微生物的活動(dòng)過程,從而對(duì)地球化學(xué)循環(huán)產(chǎn)生重要影響。轉(zhuǎn)基因生物可能帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)影響或威脅到生物多樣性及生態(tài)環(huán)境。因此，慎重對(duì)待轉(zhuǎn)基因生物是非常必要的。要點(diǎn)提示轉(zhuǎn)基因食品的優(yōu)、缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：(1）解決糧食短缺問題；（2)減少農(nóng)藥使用，從而減少環(huán)境污染;(3）節(jié)省生產(chǎn)成本，降低糧食售價(jià)；（4）增加食物營(yíng)養(yǎng),提高附加價(jià)值；(5）增加食物種類，提升食物品質(zhì)；(6)促進(jìn)生產(chǎn)效率，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。缺點(diǎn)：(1）可能產(chǎn)生新毒素和新過敏原；（2)可能產(chǎn)生抗除草劑的雜草；(3)可能使疾病的散播跨越物種障礙;(4）可能會(huì)損害農(nóng)作物的生物多樣性；(5）可能干擾生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性.問題·探究問題1重組DNA技術(shù)的理論基礎(chǔ)是什么？探究:重組DNA技術(shù)的理論基礎(chǔ)是生物的基因重組。因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)生的結(jié)果是使細(xì)胞中的遺傳物質(zhì)組成發(fā)生了改變,同時(shí)加入的是已經(jīng)存在的某基因,而不是突變產(chǎn)生的新基因，所以屬于生物變異中的基因重組。問題2通過基因工程改變生物性狀和常規(guī)育種相比較，有什么突出的優(yōu)勢(shì)?探究:由于基因工程是在分子水平上進(jìn)行操作，最終是為了創(chuàng)造出人們所需要的新品種，因而它可以突破物種間的遺傳障礙,大跨度地超越物種間的不親和性。比如在基因工程中最常使用的大腸桿菌，它是一種原核生物，但它卻能大量表達(dá)來自于人類的某些基因，例如各種人的多肽生長(zhǎng)因子基因就可用大腸桿菌來生產(chǎn)，如果用常規(guī)的育種技術(shù)來做同一項(xiàng)工作，那么成功的機(jī)會(huì)應(yīng)為零。因此，科學(xué)家們可以利用基因工程實(shí)現(xiàn)人類的各種物種改良的愿望。基因工程的最大優(yōu)勢(shì)在于其克服了種間雜交的不親和性.問題3細(xì)菌和人是差異非常大的兩種生物,為什么通過基因重組后，細(xì)菌能夠合成人體的某些蛋白質(zhì)呢?探究：這是因?yàn)樵诨蛩缴?，人和?xì)菌的遺傳機(jī)制是一致的。細(xì)菌和人的遺傳物質(zhì)都是DNA,都使用同一套遺傳密碼子，都遵循中心法則.因此，通過基因重組,細(xì)菌能夠合成人體的某些蛋白質(zhì)。典題·熱題例1上海醫(yī)學(xué)遺傳研究所成功培育出第一頭攜帶白蛋白的轉(zhuǎn)基因牛，他們還研究出一種可大大提高基因表達(dá)水平的新方法，使轉(zhuǎn)基因動(dòng)物乳汁中的藥物蛋白含量提高30多倍?！稗D(zhuǎn)基因動(dòng)物"是指()A.提供基因的動(dòng)物B?；蚪M中增加外源基因的動(dòng)物C。能產(chǎn)生白蛋白的動(dòng)物D.能表達(dá)基因信息的動(dòng)物思路解析：提供基因的動(dòng)物是一個(gè)正常的動(dòng)物，而不是轉(zhuǎn)基因工程的產(chǎn)物，而且也含有白蛋白基因,因此能產(chǎn)生白蛋白，在產(chǎn)生過程中必然也就完成了該基因的信息表達(dá),因此A、C、D三個(gè)選項(xiàng)均是錯(cuò)誤的.答案：B深化升華基因工程培育新品種有下列優(yōu)勢(shì):能按人們的意愿培育新品種；培育出的新品種具有高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)良品質(zhì)等特點(diǎn)；應(yīng)用范圍廣泛。例2要使目的基因與對(duì)應(yīng)的運(yùn)載體重組,所需的兩種酶是(）①限制酶②連接酶③解旋酶④還原酶A。①② B。③④C。①④ D.②③思路解析：目的基因與對(duì)應(yīng)的運(yùn)載體結(jié)合起來的過程是：先用限制酶分別處理目的基因和運(yùn)載體，使之露出相同的黏性末端；將切下的目的基因的片段插入到質(zhì)粒切口處，再用DNA連接酶將處理好的目的基因和運(yùn)載體的黏性末端接好,就完成了基因的重組.答案：A深化升華目的基因之所以可以和運(yùn)載體結(jié)合，是因?yàn)樗鼈兙哂泄餐慕Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和物質(zhì)基礎(chǔ)：都是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu),都是由四種脫氧核苷酸組成.例3科學(xué)家通過基因工程培育抗蟲棉時(shí)，需要從蘇云金芽孢桿菌中提取出抗蟲基因，“放入”棉的細(xì)胞中與棉的DNA結(jié)合起來并發(fā)揮作用，請(qǐng)完成下列有關(guān)問題：(1)從蘇云金芽孢桿菌中切割抗蟲基因所用的工具是__________,此工具主要存在于__________中，其特點(diǎn)是______________________________.(2)蘇云金芽孢桿菌一個(gè)DNA分子上有許多基因，獲得抗蟲基因常采用的方法是“鳥槍法”。具體做法是：用__________將蘇云金芽孢桿菌的__________切成許多片段，然后將這些片段__________，再通過__________轉(zhuǎn)入不同的受體細(xì)胞,讓它們?cè)诟鱾€(gè)受體細(xì)胞中大量__________，從中找出含有目的基因的細(xì)胞，再用一定的方法把____________________分離出來。（3)進(jìn)行基因操作一般要經(jīng)過的四個(gè)步驟是：________________,________________，________________，________________.思路解析：基因工程是一項(xiàng)非常精細(xì)的工作，必須有專門的工具,基因操作的工具有基因的“剪刀”——DNA限制性內(nèi)切酶，基因的“針線"-—DNA連接酶，基因的運(yùn)輸工具——運(yùn)載體.DNA限制性內(nèi)切酶主要存在于微生物中，一種限制酶只能識(shí)別一種特定的核苷酸序列，并且能在特定的切點(diǎn)上切割DNA分子.直接獲得目的基因的方法是“鳥槍法”,其具體做法是用限制酶將供體細(xì)胞中的DNA切成許多片段,將這些片段分別載入運(yùn)載體，然后通過運(yùn)載體