基因工程及其應用 新人教版選修3

1、第二節(jié) 基因工程及其應用,作者:河南省示范高中 項城二高 生物組 王薦鋒,能發(fā)光的水母,不能發(fā)光的熱帶斑馬魚,請您欣賞,能否能否讓熱帶魚也能發(fā)光?,設想,能發(fā)熒光的熱帶斑馬魚,普通熱帶斑馬魚是不發(fā)熒光的,請您欣賞,超級小鼠與超級魚,請您欣賞,抗蟲害的玉米,抗蟲棉,能產生人胰島素的大腸桿菌,從大腸桿菌說起胰島素,胰島素 每100kg 豬或牛的胰腺中提取 45g胰島素 1979年，利用大腸桿菌的DNA分子重組，2000L培養(yǎng)液提取100g ， 相當于2噸豬胰腺中提取的量,從大腸桿菌說起干擾素,干擾素 一千克純的干擾素價值可達440億美元。 傳統(tǒng)生產方法：血液中提出白細胞，然后用病毒去感染它，這時會

2、產生干擾素，1個細胞最多生產1001000個干擾素分子 基因工程：改造的大腸桿菌發(fā)酵生產：一天內便可生產20萬個干擾素分子。1KG培養(yǎng)物中可以得到2040mg干擾素,思考：,1、為什么能把一種生物的基因“嫁接”到另一種生物上？ 2、推測這種“嫁接”怎樣能實現？ 3、這種“嫁接”對品種的改良有什么意義？,提示：此節(jié)“問題探討”以基因工程菌的實例，希望大家思考基因工程的原理。 如不同生物的DNA在結構上的統(tǒng)一性、幾乎所有的生物都共用一套遺傳密碼等。,什么叫基因工程? 基因工程的基本操作步驟有哪些? 歸納出科學家實施基因工程的總體思路。,閱讀教材 P102，解決以下問題：,一、基因工程原理,基因工程

3、又叫做基因拼接技術或DNA重組技術。,通俗地說，就是按照人們的意愿，把一種生物的個別基因復制出來，加以修飾改造，然后放到另一種生物的細胞里，定向地改造生物的遺傳性狀（目的）。,原 理：,操作水平：,結 果：,目的基因,供體細胞,受體細胞,基因重組,DNA分子水平,定向地改造生物的遺傳性狀，獲得人類所需要的品種。,獲得新性狀,提取,培育轉基因大腸桿菌的簡要過程,你認為上述培育轉基因大腸桿菌的關鍵步驟有哪些？,普通大腸桿菌 (不能分泌胰島素),人體組織細胞,胰島素基因,與運載體DNA拼接 導入,大腸桿菌(含胰島素基因),轉基因大腸桿菌 (能分泌胰島素),實例展示：,培育轉基因大腸桿菌的關鍵步驟,基

4、因的剪刀限制性內切酶（簡稱限制酶）,（一）基因操作的工具,限制酶是在生物體(主要是微生物)內的一種酶，能將外來的DNA切斷，由于這種切割作用是在DNA分子內部進行的，故名限制性內切酶。 特點：專一性。 即一種限制酶只能識別一種特定的核苷酸序列，并且能在特定的切點上切割DNA分子。,大腸桿菌(EcoRI)的一種限制酶能識別GAATTC序列，并在G和A之間切開。,限制酶,練習使用EcoRI 剪切目的基因,黏性末端,什么叫黏性末端？,被限制酶切開的DNA兩條單鏈的切口，帶有幾個伸出的核苷酸，他們之間正好互補配對，這樣的切口叫黏性末端。,基因的針線DNA連接酶,（二）基因操作的工具,DNA連接酶可把黏

5、性末端之間的縫隙“縫合”起來，即把梯子兩邊扶手的斷口連接起來，這樣一個重組的DNA分子就形成了。,磷酸二酯鍵,使用DNA連接酶制作重組DNA分子,甲片段,重組DNA分子,（二）基因操作的工具,導入過程需要運輸工具運載體。,運載體的作用有哪些？,作用一：作為運載工具，將外源基因(抗蟲基因)轉移到受體細胞(棉花細胞)中去。 作用二：利用運載體在受體細胞(棉花細胞)內，對外源基因(抗蟲基因)進行大量復制。,外源基因(如抗蟲基因)怎樣才能導入受體細胞(如棉花細胞)？,基因的運載工具運載體：,常用的運載體主要有兩類： 1）細菌細胞質的質粒 2）噬菌體或某些動植物病毒,質粒：,質粒是染色體外能夠進行自主復

6、制的遺傳單位，包括真核生物的細胞器和細菌細胞中核區(qū)外的DNA分子?，F在習慣上用來專指細菌、酵母菌和放線菌等生物中核以外的DNA分子。 質粒是基因工程最常用的運載體。 絕大多數細菌質粒都是閉合環(huán)狀DNA分子。有的一個細菌中有一個，有的一個細菌中有多個。,大腸桿菌的質粒,最常用的質粒是大腸桿菌的質粒，其中常含有抗藥基因，如四環(huán)素的標記基因。 質粒的存在與否對宿主細胞生存沒有決定性作用，但復制只能在宿主細胞內成。,運載體應該具有什么特點呢?,？,胰島素基因,運載體 1.能夠在宿主細胞內復制并穩(wěn)定保存； 2.具有多個限制酶切點以便與外源基因相連； 3.具有標記基因，便于進行篩選,四個基本步驟：,（三）

7、基因操作的基本步驟,1）提取目的基因 2）目的基因與運載體結合 3）將目的基因導入受體細胞 4）目的基因的檢測和表達,目的基因,（三）基因操作的基本步驟,目的基因是人們所需要轉移或改造的基因。,如蘇云金芽孢桿菌的抗蟲基因，還有植物的抗?。共《尽⒖辜毦┗?、種子貯藏蛋白的基因，以及人的胰島素基因、干擾素基因等。,直接分離基因 人工合成基因,目的基因的提取方法,（三）基因操作的基本步驟,目的基因與運載體重組,1）用一定的限制酶切割質粒，使其出現一個切口，露出黏性末端。 2）用同一種限制酶切斷目的基因，使其產生相同的黏性末端。 3）將切下的目的基因片段插入質粒的切口處，再加入適量DNA連接酶，形

8、成了一個重組DNA分子（重組質粒）,目的基因與運載體的結合過程，實際上是不同來源的基因重組的過程。,（三）基因操作的基本步驟,常用的受體細胞：,有大腸桿菌、枯草桿菌、土壤農桿菌、酵母菌和動植物細胞等。,將目的基因導入受體細胞的原理,借鑒細菌或病毒侵染細胞的途徑。,目的基因導入受體細胞,（三）基因操作的基本步驟,目的基因的檢測和表達,（三）基因操作的基本步驟,不能，受體細胞必須表現出特定的性狀，才能說明目的基因完成了表達。,受體細胞攝入DNA分子后就說明目的基因完成了表達嗎？,若不能表達，要對抗蟲基因再進行修飾。,二、基因工程的應用,運用基因工程技術，不但可以培養(yǎng)優(yōu)質、高產、抗性好的農作物及畜、

9、禽新品種，還可以培養(yǎng)出具有特殊用途的動、植物。,生長快、耐不良環(huán)境、肉質好的轉基因魚(中國),乳汁中含有人生長激素的轉基因牛(阿根廷),1、基因工程與作物育種,基因工程在農業(yè)上的應用,培育抗逆性品種 將細菌的抗蟲、抗病毒、抗除草劑、抗鹽堿、抗干旱、抗高溫等抗性基因轉移到作物體內，將從根本上改變作物的特性。如轉基因抗蟲棉。,抗蟲基因作物的意義： 減少農藥的用量，降低了生產的成本，減少了農藥對環(huán)境的污染。,轉黃瓜抗青枯病基因的甜椒,轉黃瓜抗青枯病基因的馬鈴薯,不會引起過敏的轉基因大豆,轉基因龍膽花色奇異,轉基因藍豬耳改變花色,轉基因牽?；ǜ淖兞嘶ㄉ?A：紫外光照射下的轉綠色熒光蛋白的 Eustom

10、a (Lisianthus) 花。,B：轉沒有綠色熒光蛋白的空質粒的花，,2002年，中國轉基因棉花達到150萬公頃，已經占到棉花產量的13.,我國大豆食用油近七成是“轉基因”產品,與雜交育種、誘變育種相比較，基因工程育種的優(yōu)點有哪些？,目的性強、克服遠源雜交不親和性、育種周期短,基因工程在畜牧業(yè)的應用,繁殖具有抗病能力、高產仔率、高產奶率和高質量的皮毛等優(yōu)良品質的轉基因動物（如奶牛）。 該過程的重要步驟是重組DNA轉移到動物受精卵中。,將人的生長激素基因和牛的生長素基因分別注射到小白鼠受精卵中，得到的“超級小鼠”。,導入人基因具特殊用途的豬和小鼠,特殊動物,圖為2001年12月底出生的5只可

11、愛的轉基因克隆小豬。據培育者英國PPL醫(yī)療公司稱，這些轉基因小豬將為研究和“生產”適用于人體移植手術使用的動物器官提供巨大的幫助。,2、基因工程與藥物研制,我國生產的部分基因工程疫苗和藥物,用基因工程的方法生產胰島素、干擾素、白細胞介素、凝血因子、以及預防乙肝、霍亂、傷寒、瘧疾等的疫苗。 提高生產產量、降低生產成本。,1、微生物基因工程： 2、細胞基因工程： 3、轉基因動物：,即把目的基因導入大腸桿菌等菌中，通過微生物表達目的基因的產物。,即用哺乳動物細胞株表達目的產物,即將目的基因直接導入鼠、兔、羊和豬體內，使目的基因在哺乳動物體內表達，從兒獲得目的產物,治療糖尿病,治療生長缺陷癥,治療燙傷

12、、胃潰瘍,治療某些癌癥,治療癌癥或病毒感染,預防病毒性肝炎,治療心血管病 （心臟?。?胰島素是治療糖尿病的特效藥，長期以來只能依靠從豬、牛等動物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰島素，其產量之低和價格之高可想而知。,將合成的胰島素基因導入大腸桿菌，每2000L培養(yǎng)液就能產生100g胰島素！大規(guī)模工業(yè)化生產不但解決了這種比黃金還貴的藥品產量問題，還使其價格降低了30%-50%!,干擾素治療病毒感染簡直是“萬能靈藥”！過去從人血中提取，300L血才提取1mg！其“珍貴”程度自不用多說。,3、基因工程與環(huán)境保護, 環(huán)境監(jiān)測：基因工程做成的DNA探針能夠十分靈敏地檢測環(huán)境中的病毒、細菌等

13、污染。,1t水中只有10個病毒也能被DNA探針檢測出來,利用基因工程培育的“指示生物”能十分靈敏地反映環(huán)境污染的情況，卻不易因環(huán)境污染而大量死亡，甚至還可以吸收和轉化污染物。, 環(huán)境污染治理：基因工程做成的“超級細菌”能吞食和分解多種污染環(huán)境的物質。,通常一種細菌只能分解石油中的一種烴類，用基因工程培育成功的“超級細菌”卻能分解石油中的多種烴類化合物。有的還能吞食轉化汞、鎘等重金屬，分解DDT等毒害物質。,2006年3月14日綠色和平組織發(fā)布消息,稱亨氏營養(yǎng)米粉含有轉Bt基因抗蟲水稻成分。,那么轉基因食品到底安全嗎？什么樣的轉基因食品才能上市？如何面對市場上的轉基因食品呢？,三、轉基因生物與轉

14、基因食品的安全性,兩種觀點 不安全：證據 安全：證據,你們的觀點？,安全觀點： 1、轉基因食品與非轉基因食品的構成是一樣的； 2、減少農藥使用、減少環(huán)境污染； 3、節(jié)省生產成本，降低糧食售價； 4、增加食品營養(yǎng)、提高食品產量等。,不安全觀點： 1、可能產生抗除草劑的超級雜草； 2、可能使疾病的散播跨越物種障礙； 3、可能損害農作物的生物多樣性； 4、認為創(chuàng)造新物種，可能干擾生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性； 5、可能產生新毒素和新過敏源。,（1）要將目的基因與運載體連接起來，在基因操作中應選用 A、只需DNA連接酶 B、同一種限制酶和DNA連接酶 C、只需限制酶 D、不同的限制酶和DNA連接酶,練 習,（2）

15、下列各項中，說明目的基因完成了表達的是 A、棉珠中含有殺蟲蛋白基因 B、大腸桿菌中具有胰島素基因 C、酵母菌中產生了干擾素 D、抗病毒基因導入土豆細胞中,（3）有關基因工程的敘述正確的是 A、限制酶只在獲得目的基因時才用 B、重組質粒的形成在細胞內完成 C、質粒都可作為運載體 D、蛋白質的結構可為合成目的基因提供資料,（4）有關基因工程的敘述中，錯誤的是 A、DNA連接酶將黏性末端的堿基對連接起來 B、 限制性內切酶用于目的基因的獲得 C、目的基因須由運載體導入受體細胞 D、人工合成目的基因不用限制性內切酶,（5）要使目的基因與對應的載體重組，所需的兩種酶是 限制酶 連接酶 解旋酶 還原酶 、

16、 、 、 、 （6）實施基因工程的第一步的一種方法是把所需的基因從供體細胞內分離出來，這要利用限制性內切酶。一種限制性內切酶能識別分子的順序，切點在和之間，這是利用了酶的 、高效性、專一性 、多樣性、催化活性易受外界影響,（8）不屬于基因工程方法生產的藥物是 A、干擾素 B、白細胞介素 C、青霉素 D、乙肝疫苗,（7）基因工程的正確操作步驟是 使目的基因與運載體結合 將目的基因導入受體細胞 檢測目的基因的表達是否符合特定性狀要求 提取目的基因 、 、 、 、,（9）采用基因工程的方法培育抗蟲棉，下列導入目的基因的作法正確的是將毒素蛋白注射到棉受精卵中 將編碼毒素蛋白的序列，注射到棉受精卵中將編碼毒素蛋白的序列，與質粒重組，導入細菌，用該細菌感染棉的體細胞，在進行組織培養(yǎng)將編碼毒素蛋白的序列，與細菌質粒重組，注射到棉的子房并進入受精卵中、 、 、 、 ,（11）在基因操作的基本步驟中，不進行堿基互補配對的 A、人工合成目的基因 B、目的基因與運載體結合 C、將目的基因導入受體細胞 D、目的基因的檢測和表達,（10）轉基因動物是指 A、提供基因的