2024-2025學(xué)年高二生物人教版選擇性必修3教學(xué)課件 第3章 第1節(jié) 重組DNA技術(shù)的基本工具

第1節(jié)

重組DNA技術(shù)的基本工具第3章基因工程人教版高中生物選擇性必修3

學(xué)習(xí)目標(biāo)1.通過資料分析，闡明基因工程的理論基礎(chǔ)。2.通過模擬制作活動，闡明限制酶、DNA連接酶和載體的作用。3.通過了解基因工程的發(fā)展歷程，認(rèn)同基因工程的誕生和發(fā)展離不開多個學(xué)科的理論研究和技術(shù)創(chuàng)新。

情境視頻抗蟲棉抗蟲棉

情境視頻棉花細(xì)胞

普通棉花

(無抗蟲特征)(含抗蟲基因)

棉花植株(有抗蟲特征)基因工程抗蟲基因提取蘇云金芽孢桿菌(有抗蟲特征)基因工程的概念和工具酶一基因進入受體細(xì)胞的載體——“分子運輸車”二目錄1944年艾弗里等人通過肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實驗，不僅證明了遺傳物質(zhì)是DNA，還證明了DNA可以在同種生物個體間轉(zhuǎn)移。1961年尼倫伯格和馬太破譯了第一個編碼氨基酸的密碼子。截至19666年，64個密碼子均被破譯成功。1970年科學(xué)家在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了第一個限制性核酸內(nèi)切酶（簡稱限制酶）1972年，伯格首先在體外進行了DNA的改造，成功構(gòu)建了第一個體外重組DNA分子。1982年，第一個基因工程藥物-重組人胰島素被批準(zhǔn)上市?；蚬こ趟幬锍蔀槭澜绺鲊芯亢屯顿Y開發(fā)的熱點。1953年沃森和克里克建立了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型并提出了遺傳物質(zhì)自我復(fù)制的假說。1967年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在細(xì)菌擬核DNA之外的質(zhì)粒有自我復(fù)制能力，并可以在細(xì)菌細(xì)胞間轉(zhuǎn)移。20世紀(jì)70年代初，多種限制酶、DNA連接酶和逆轉(zhuǎn)錄酶被相繼發(fā)現(xiàn)。這些發(fā)現(xiàn)為DNA的切割、連接以及功能基因的獲得創(chuàng)造了條件。1973年，科學(xué)家證明了質(zhì)?？梢宰鳛榛蚬こ痰妮d體，構(gòu)建重組DNA，導(dǎo)入受體細(xì)胞，使外源基因在原核細(xì)胞中成功表達，并實現(xiàn)了物種間的基因交流。至此，基因工程正式問世。1985年，穆里斯等人發(fā)明PCR,為獲取目的基因提供了有效手段?；蚬こ痰慕⑦^程一

基因工程的概念和工具酶一基因工程是指按照人們的愿望，通過轉(zhuǎn)基因等技術(shù)賦予生物新的遺傳特性，創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產(chǎn)品。從技術(shù)操作層面看，由于基因工程是在DNA分子水平上進行設(shè)計和施工的，因此又叫做DNA重組技術(shù)。主要在生物體外基因（DNA）DNA分子水平創(chuàng)造出人類需要的新的生物類型和生物產(chǎn)品基因重組定向改造生物遺傳特性；徹底打破種間界限基因工程的概念

別名：操作環(huán)境：操作對象：操作水平：結(jié)果：原理：特點：【歸納定義】

重組DNA技術(shù)、轉(zhuǎn)基因技術(shù)基因工程的理論基礎(chǔ)任務(wù)一1．基因工程操作導(dǎo)致的基因重組與有性生殖中的基因重組的主要區(qū)別是什么？有性生殖中的基因重組是隨機的，并且只能在同一物種間進行重組；基因工程可以實現(xiàn)遺傳物質(zhì)在不同物種間進行重組，并且方向性強，可以定向地改變生物的性狀。減數(shù)分裂I前期，同源染色體上非姐妹染色單體間的互換；減數(shù)分裂I后期，非同源染色體上非等位基因的自由組合。基因工程的理論基礎(chǔ)任務(wù)一2.為什么不同生物的DNA分子能拼接起來？3.為什么一種生物的基因可以在另一種生物細(xì)胞內(nèi)表達？(1)DNA的基本組成單位都是四種脫氧核苷酸。(2)雙鏈DNA分子的空間結(jié)構(gòu)都是規(guī)則的雙螺旋結(jié)構(gòu)。(1)基因是控制生物性狀的獨立遺傳單位。(2)遺傳信息的傳遞都遵循中心法則。(3)生物界共用一套遺傳密碼。

在培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉時，既要在體外對含有所需基因的DNA分子“切割”、改造和“拼接”；又要將重組DNA分子導(dǎo)入棉花體內(nèi)，并使其表達。DNA雙螺旋的直徑只有2nm，對如此微小的分子進行操作，是一項非常精細(xì)的工作，更需要專門的“分子工具”?？茖W(xué)家究竟用到了哪些“分子工具”？這些“分子工具”各具有什么特征呢？一

基因工程的概念和工具酶一主要是從原核生物中分離純化來的能夠識別雙鏈DNA分子的特定核苷酸序列，并且使每一條鏈中特定部位的磷酸二酯鍵斷開。磷酸二酯鍵限制性內(nèi)切核酸酶（限制酶）一

基因工程的概念和工具酶一“分子手術(shù)刀”1來源：2作用：

限制酶名字的由來EcoRⅠ屬名Escherichia首字母種名coli前兩個字母R型菌株從中分離的第一個限制酶例如：流感嗜血桿菌(Haemophilusinfluenzae)d株中先后分離到3種限制酶，則分別命名為:HindIHindIIHindIII資料卡EcoRI限制酶大腸桿菌(E.coli)的EcoRⅠ限制酶能特異性識別____________序列，并切割_____和_____之間的______________。GAATTCGA磷酸二酯鍵當(dāng)限制酶在它的識別序列的中心軸線兩側(cè)將DNA分子的兩條鏈分別切開時，產(chǎn)生的是黏性末端。中軸線3結(jié)果：一

基因工程的概念和工具酶一“分子手術(shù)刀”5'5'3'3'黏性末端限制酶SmaI限制酶SmaI限制酶只能識別

序列，切割

和

之間的

。CCCGGGCG磷酸二酯鍵當(dāng)限制酶在它的識別序列的中心軸線處切開時，產(chǎn)生的是平末端中軸線3結(jié)果：一

基因工程的概念和工具酶一“分子手術(shù)刀”5'5'3'3'平末端限制酶限制性內(nèi)切核酸酶(限制酶)任務(wù)二(1)限制酶能切開RNA分子的磷酸二酯鍵嗎？1．請結(jié)合限制酶的作用特點，回答以下問題：不能。可斷開2個磷酸二酯鍵；產(chǎn)生2個游離的磷酸基團；產(chǎn)生2個黏性末端；消耗2分子水。限制酶只能識別并切開雙鏈DNA分子酶的專一性(2)請結(jié)合圖示，推斷限制酶切割一次可斷開幾個磷酸二酯鍵？產(chǎn)生多少個游離的磷酸基團？產(chǎn)生幾個黏性末端？消耗幾分子水？核心歸納回文序列EcoRⅠSamⅠ特點1：都可以找到一條中（心）軸線；特點2：中軸線兩側(cè)的雙鏈DNA上的堿基是反向?qū)ΨQ重復(fù)排列的，稱為回文序列。正向讀與另一條鏈反向讀的堿基順序完全一致大多數(shù)限制酶的識別序列由6個核苷酸組成；也有少數(shù)限制酶的識別序列由4個、8個或其他數(shù)量的核苷酸組成。限制性內(nèi)切核酸酶(限制酶)任務(wù)二2.推測限制酶存在于原核生物中的主要作用是什么？限制酶是原核生物的一種防御工具，用來切割侵入細(xì)胞的外源DNA，以保證自身安全。限制性內(nèi)切核酸酶(限制酶)任務(wù)二3.為什么限制酶不切割細(xì)菌本身的DNA分子？含某種限制酶的細(xì)菌的DNA分子不具備這種限制酶的識別序列，或者甲基化酶將甲基轉(zhuǎn)移到了限制酶所識別序列的堿基上，使限制酶不能將其切開。限制性內(nèi)切核酸酶(限制酶)任務(wù)二思考：你從中發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？4．有2個不同來源的DNA片段A和B，A片段用限制酶SpeⅠ進行切割，B片段分別用限制酶HindⅢ、XbaⅠ、EcoRⅤ和XhoⅠ進行切割。各限制酶的識別序列和切割位點如下。(1)請寫出限制酶SpeⅠ、HindⅢ、XbaⅠ和XhoⅠ切割形成的黏性末端。SpeⅠ：

HindⅢ：

XbaⅠ：

XhoⅠ：限制性內(nèi)切核酸酶(限制酶)任務(wù)二(2)同種限制酶切割產(chǎn)生的黏性末端是否相同？不同限制酶切割產(chǎn)生的黏性末端是否一定不同？同種限制酶產(chǎn)生的黏性末端相同。不同的限制酶可能會形成相同的黏性末端。識別DNA分子中不同核苷酸序列，但能切割產(chǎn)生相同黏性末端的限制酶被稱為同尾酶。同尾酶構(gòu)建載體時，切割位點的選擇范圍擴大。例如，我們選擇了用某種限制酶切割載體，如果目的基因的核苷酸序列中恰好有該限制酶的識別序列，那么用該限制酶切割含有目的基因的DNA片段時，目的基因就很可能被切斷；這時可以考慮用合適的同尾酶(目的基因的核苷酸序列中不能有它的識別序列)來獲取目的基因。同尾酶限制性內(nèi)切核酸酶(限制酶)任務(wù)二限制酶XbaⅠ。因為限制酶XbaⅠ與SpeⅠ切割產(chǎn)生了相同的黏性末端。不能再被所用的限制酶識別；因為所用的兩種限制酶均不能識別該重組DNA分子的新連接處的脫氧核苷酸序列。(3)哪種限制酶切割B片段產(chǎn)生的DNA片段能與限制酶SpeⅠ切割A(yù)片段產(chǎn)生的DNA片段相連接？為什么？連接完成后，該重組DNA分子的新連接處能否再被所用的限制酶識別？為什么？判斷正誤(1)基因工程可以實現(xiàn)遺傳物質(zhì)在不同物種間的轉(zhuǎn)移，人們可以定向選育新品種()(2)限制性內(nèi)切核酸酶均能特異性地識別6個核苷酸序列()(3)DNA連接酶能將兩個堿基通過氫鍵連接起來()(4)限制酶和解旋酶的作用部位相同()××√×GAATTCCTTAAGGAATTCCTTAAGAATTCGGCTTAA用同種限制酶切割(EcoRⅠ)

把兩種來源不同的DNA進行重組，應(yīng)該怎樣處理？一

基因工程的概念和工具酶一將兩個DNA片段連接起來，恢復(fù)被限制酶切開的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵。02一

基因工程的概念和工具酶一“分子縫合針”DNA連接酶1作用：兩DNA片段要具有互補的黏性末端才能拼起來可把黏性末端之間的縫隙“縫合”起來，用DNA連接酶連接兩個片段之間的磷酸二酯鍵種類______________________________________來源大腸桿菌T4噬菌體作用差別只連接____________縫合___________和____________E.coliDNA連接酶T4DNA連接酶黏性末端黏性末端平末端（效率較低）都能將雙鏈DNA片段“縫合“起來，恢復(fù)被限制酶切開的磷酸二酯鍵。一

基因工程的概念和工具酶一“分子縫合針”2種類：02一

基因工程的概念和工具酶一“分子縫合針”T4DNA連接酶連接平末端，效率低AATT

GCAATTAATTDNA聚合酶DNA聚合酶DNA聚合酶DNA聚合酶旁欄思考：DNA連接酶和DNA聚合酶是一回事嗎？為什么？只能將單個核苷酸連接到已有的核苷酸鏈上，形成磷酸二酯鍵DNA聚合酶作用示意圖：一

基因工程的概念和工具酶一“分子縫合針”核心歸納與DNA相關(guān)的幾種酶的比較項目DNA連接酶DNA聚合酶限制酶解旋酶作用部位磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵氫鍵作用對象DNA片段單個的脫氧核苷酸DNADNA作用結(jié)果將兩個DNA片段連接成重組DNA分子將單個的脫氧核苷酸連接到DNA單鏈末端切割DNA分子形成黏性末端或平末端將雙鏈DNA分子局部解旋為單鏈跟蹤訓(xùn)練1．以下是幾種不同限制酶切割DNA分子后形成的部分片段。下列敘述正確的是A．以上DNA片段是由4種限制酶切割后產(chǎn)生的B．②片段是在識別序列為

的限制酶作用下形成的C．①和④兩個片段在DNA聚合酶的作用下可形成重組DNA分子D．限制酶和DNA連接酶作用的部位都是磷酸二酯鍵√跟蹤訓(xùn)練限制酶主要來自原核生物，DNA連接酶主要來自大腸桿菌和T4噬菌體，A錯誤；限制酶都能在特定位點切割產(chǎn)生黏性末端或平末端，C錯誤；DNA連接酶與DNA聚合酶作用的底物不同，前者作用的底物是兩個DNA片段，后者作用的底物是單個脫氧核苷酸，D錯誤。2.(2023·吉林長春高二期中)下列關(guān)于限制酶和DNA連接酶的敘述，正確的是

A.兩者都是從原核生物中分離純化出來的B.兩者的催化都會導(dǎo)致磷酸二酯鍵數(shù)目的改變C.限制酶都能在特定位點切割產(chǎn)生黏性末端D.DNA連接酶與DNA聚合酶作用的底物是相同的√基因工程的概念和工具酶一基因進入受體細(xì)胞的載體——“分子運輸車”二目錄一基因進入受體細(xì)胞的載體——“分子運輸車”二質(zhì)粒將外源基因送入受體細(xì)胞。動植物病毒噬菌體擬核DNA質(zhì)粒大腸桿菌細(xì)胞目的基因插入位點復(fù)制原點氨芐青霉素抗性基因大腸桿菌及質(zhì)粒結(jié)構(gòu)模式圖裸露、結(jié)構(gòu)簡單、獨立于真核細(xì)胞細(xì)胞核或原核細(xì)胞擬核DNA外，具有自我復(fù)制能力的環(huán)狀雙鏈DNA。1作用：2種類:真正被用作載體的質(zhì)粒，都是在天然質(zhì)粒的基礎(chǔ)上進行過人工改造的。載體——“分子運輸車”載體需具備的條件和載體的選擇任務(wù)三1．載體要與外源DNA片段連接，需要具備什么條件？

2．要使攜帶的外源DNA片段在受體細(xì)胞中穩(wěn)定存在，載體需要具備什么條件？載體需要具有一個至多個限制酶切割位點，供外源DNA片段插入其中。載體能在受體細(xì)胞中進行自我復(fù)制，或整合到受體DNA上，隨受體DNA同步復(fù)制，這樣它攜帶的外源DNA片段才能在受體細(xì)胞中穩(wěn)定存在，不至于丟失。3．我們用肉眼看不到載體是否進入受體細(xì)胞，為了便于篩選重組DNA分子，載體需要具備什么條件？載體需要具有特殊的標(biāo)記基因，便于重組DNA分子的篩選。核心歸納1.標(biāo)記基因的篩選原理

載體上的標(biāo)記基因一般是某種抗生素的抗性基因，而受體細(xì)胞沒有抵抗該抗生素的能力。將含有某抗生素抗性基因的載體導(dǎo)入受體細(xì)胞，抗性基因在受體細(xì)胞內(nèi)表達，受體細(xì)胞對該抗生素產(chǎn)生抗性。在含有該抗生素的培養(yǎng)基上，能夠生存的是被導(dǎo)入了載體的受體細(xì)胞。如圖所示：核心歸納2．如何提高篩選的準(zhǔn)確性

當(dāng)質(zhì)粒上有兩個標(biāo)記基因時，可將目的基因插入其中一個標(biāo)記基因中，也就是重組質(zhì)粒上只含一個標(biāo)記基因，普通質(zhì)粒上含有兩個標(biāo)記基因。則沒有導(dǎo)入質(zhì)粒的受體細(xì)胞不具有標(biāo)記基因控制的性狀，導(dǎo)入普通質(zhì)粒的受體細(xì)胞具有兩個標(biāo)記基因控制的性狀，導(dǎo)入重組質(zhì)粒的受體細(xì)胞只具有一個標(biāo)記基因控制的性狀。這樣可根據(jù)標(biāo)記基因控制的性狀準(zhǔn)確篩選出含有重組質(zhì)粒的受體細(xì)胞。擬核DNA質(zhì)粒大腸桿菌細(xì)胞目的基因插入位點復(fù)制原點氨芐青霉素抗性基因大腸桿菌及質(zhì)粒結(jié)構(gòu)模式圖條件原因穩(wěn)定存在并能自我復(fù)制或整合到受體DNA上有一個至多個限制酶切割位點具有特殊的標(biāo)記基因無毒害作用能使目的基因穩(wěn)定存在且數(shù)量可擴增可攜帶多個或多種外源基因便于重組DNA分子的篩選對受體細(xì)胞無毒害作用，避免受體細(xì)胞受到損傷3載體需具備的條件:一基因進入受體細(xì)胞的載體——“分子運輸車”二載體需具備的條件和載體的選擇任務(wù)三4．根據(jù)標(biāo)記基因的作用，有同學(xué)認(rèn)為在含有某種抗生素的培養(yǎng)基中篩選存活的受體細(xì)胞不一定是導(dǎo)入目的基因的受體細(xì)胞，這種說法是否合理？并說明理由。5．若用家蠶作為某基因表達載體的受體細(xì)胞，在噬菌體和昆蟲病毒兩種載體中，不選用噬菌體作為載體，其原因是什么？這種說法合理；因為僅導(dǎo)入載體的和導(dǎo)入目的基因的受體細(xì)胞均能在該培養(yǎng)基中存活。噬菌體的宿主細(xì)胞是細(xì)菌，而不是家蠶。判斷正誤(1)作為載體的質(zhì)粒通常采用抗生素合成基因作為篩選標(biāo)記基因()(2)質(zhì)粒是環(huán)狀雙鏈DNA分子，是基因工程常用的載體()(3)載體(如質(zhì)粒)和細(xì)胞膜中的載體蛋白的成分相同()(4)重組DNA技術(shù)所需要的工具酶有限制酶、DNA連接酶和載體()××√×跟蹤訓(xùn)練3.(2023·江蘇淮安高二聯(lián)考)質(zhì)粒是基因工程中最常用的目的基因運載工具。下列有關(guān)敘述正確的是

A.質(zhì)粒是只存在于細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)中能自我復(fù)制的小型環(huán)狀雙鏈DNA分子B.在所有的質(zhì)粒上總能找到一個至多個限制酶切割位點C.攜帶目的基因的重組質(zhì)粒只有整合到受體細(xì)胞的染色體DNA上才會

隨后者的復(fù)制而復(fù)制D.質(zhì)粒上的抗性基因常作為標(biāo)記基因供重組DNA分子的篩選√跟蹤訓(xùn)練質(zhì)粒不只分布于原核生物中，在真核生物(如酵母菌)細(xì)胞內(nèi)也有分布，A錯誤；并不是所有的質(zhì)粒上都能找到限制酶的切割位點從而成為適合運載目的基因的工具，B錯誤；重組質(zhì)粒進入受體細(xì)胞后，可以在細(xì)胞中進行自我復(fù)制，或整合到受體細(xì)胞的染色體DNA上，隨受體DNA同步復(fù)制，C錯誤。跟蹤訓(xùn)練4.某細(xì)菌質(zhì)粒上有標(biāo)記基因如圖所示，通過標(biāo)記基因可以推知外源基因(目的基因)是否轉(zhuǎn)入成功。外源基因插入的位置不同，細(xì)菌在培養(yǎng)基上的生長情況也不同，如圖所示是外源基因插入位置(插入點有a、b、c)示意圖。請根據(jù)表中提供的細(xì)菌生長情況，推測①②③三種重組后細(xì)菌的外源基因插入點，正確的一組是

插入點細(xì)菌在含氨芐青霉素的培養(yǎng)基上的生長狀況細(xì)菌在含四環(huán)素的培養(yǎng)基上的生長狀況①能生長能生長②能生長不能生長③不能生長能生長跟蹤訓(xùn)練A.①是c；②是b；③是aB.①是a和b；②是a；③是bC.①是a和b；②是b；③是aD.①是c；②是a；③是b√插入點細(xì)菌在含氨芐青霉素的培養(yǎng)基上的生長狀況細(xì)菌在含四環(huán)素的培養(yǎng)基上的生長狀況①能生長能生長②能生長不能生長③不能生長能生長跟蹤訓(xùn)練第①組：細(xì)菌在含氨芐青霉素和四環(huán)素的培養(yǎng)基上都能生長，說明氨芐青霉素抗性基因和四環(huán)素抗性基因均沒有被破壞，外源基因插入的位置是c；第②組：細(xì)菌能在含氨芐青霉素的培養(yǎng)基上生長，不能在含四環(huán)素的培養(yǎng)基上生長，說明氨芐青霉素抗性基因沒有被破壞，四環(huán)素抗性基因被破壞，外源基因插入的位置是b；第③組：細(xì)菌不能在含氨芐青霉素的培養(yǎng)基上生長，能在含四環(huán)素的培養(yǎng)基上生長，說明氨芐青霉素抗性基因被破壞，四環(huán)素抗性基因沒有被破壞，外源基因插入的位置是a。綜上所述，A正確。課堂小結(jié)五分鐘查落實【要語必背】1.重組DNA技術(shù)的操作過程至少需要三種“分子工具”，即準(zhǔn)確切割DNA分子的“分子手術(shù)刀”、將DNA片段再連接起來的“分子縫合針”和將體外重組好的DNA分子導(dǎo)入受體細(xì)胞的“分子運輸車”。2.限制酶的主要生物來源是原核生物。3.質(zhì)粒是一種裸露的、結(jié)構(gòu)簡單、獨立于真核細(xì)胞細(xì)胞核或原核細(xì)胞擬核DNA之外，并具有自我復(fù)制能力的環(huán)狀雙鏈DNA分子。天然質(zhì)粒一般都要經(jīng)過人工改造才能被用作載體?！鹃L句表達】1.基因工程：___________________________________________________

。2.限制酶的作用：_______________________________________________

。

按照人們的愿望，通過轉(zhuǎn)基因等技術(shù)，賦予生物新的遺傳特性，創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生