基因工程—诞生、原理、技术、应用
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然后放到另一种生物的细胞里，
受体细胞
定向地改造生物的遗传性状。
二、基因工程的理论依据 DNA是绝大多数生物的遗传物质，不同生物的 DNA的基本单位和结构相同 中心法则：
DNA
复制
转录 逆转录
RNA
复制
翻译
蛋白质
基因是遗传物质结构和功能的基本单位 各种生物共用一套遗传密码
三、DNA重组技术的基本工具
启动子目的基因终止子标记基因其他rna聚合酶的识别和结合位点驱动基因转录使受体生物表现出更符合人类需求的性状结束转录鉴别筛选出含目的基因的受体细胞使目的基因稳定存在并遗传使目的基因表达和发挥作用如复制原点运载体上原有的基因最核心步骤3将目的基因导入受体细胞1将目的基因导入植物细胞农杆菌转化法农杆菌提取ti质粒目的基因构建表达载体感染双子叶植物目的基因整合目的基因插入受体细胞染色体dna裸子植物目的基因随染色体dna复制并表达常用农杆菌转入基因枪法适用于单子叶植物花粉管法柱头子房壁胚珠萌发的花粉粒花粉管目的基因简便经济2将目的基因导入动物细胞显微注射技术提纯表达载体显微注射仪注射受体动物受精卵移植雌性动物输卵管或子宫内发育具有新性状的动物转基因动物3将目的基因导入微生物细胞常态细菌ca处理感受态细胞表达载体dna细菌吸收被转化的细菌含目的基因混合4目的基因的检测与鉴定以被标记的目的基因作探针与转基因生物基因组dna杂交观察是否出现杂交带以被标记的目的基因作探针与转基因生物提取出的mrna杂交观察是否出现杂交带检测转基因生物的染色体dna上是否插入了目的基因检测目的基因是否转录出mrna分子杂交技术分子杂交技术检测目的基因是否翻译成蛋白质目的基因表达的蛋白质抗原刺激产生相应抗体从转基因生物体内提取蛋白质抗原抗体杂交观察是否出现杂交带检测转基因生物的性状抗原抗体杂交技术观察或测定是否出现目的基因所决定的性状抗虫鉴定抗病鉴定活性鉴定等人胰岛细胞胰岛素mrna胰岛素是治疗糖尿病的重要药物
专题一
基因工程
高考考纲要求:
（1）基因工程的诞生
（2）基因工程的原理及技术
Ⅰ
Ⅱ
（3）基因工程的应用
（4）蛋白质工程
Ⅱ
Ⅰ
实验：DNA的粗提取与鉴定
专题一
基因工程
也称基因拼接技术 或DNA重组技术
一、基因工程的定义 按照人们的意愿，
把一种生物的某种基因提取出来，
供体生物 目的基因
加以修饰改造，
剪切和拼接，建构重组DNA分子
3、将目的基因导入受体细胞
（1）将目的基因导入植物细胞
农杆菌转化法
农杆菌
提取
常用
目的基因
构建
Ti质粒
表达载体
转入
农杆菌
感染 双子叶植物
裸子植物
目的基因 整合 目的基因插入受体
细胞染色体DNA
目的基因随染色体 DNA复制并表达
基因枪法 （适用于单子叶植物） 花粉管法 简便经济
目的基因
柱头 子房壁 萌发的花粉粒
④ ① ② B ③ ⑤ C
人胰岛细胞
胰岛素mRNA
（1）人体内能产生胰岛素mRNA的细胞是 胰岛B细胞，不能 利用人的皮肤细胞来完成①过程的理由是 ， 胰岛素基因在皮肤细胞中不能表达 检测胰岛素mRNA常用的技术是 分子杂交技术 。 （2）与④相比，②不同的碱基配对方式是 U－A 。
（3）若胰岛素mRNA中鸟嘌呤、胞嘧啶和腺嘌呤分别占碱基 21 总数的32%、26%和19%，则B中含有腺嘌呤 %。
检测目的基因是否翻译成蛋白质
——抗原— 抗体杂交技术 目的基因表达的蛋白质（抗原）
刺激 产生相应抗体 从转基因生物体 内提取蛋白质 抗原— 抗体杂交 观察是否出现杂交带 检测转基因生物的性状 观察或测定是否出现目的基因所决定的性状 抗虫鉴定、抗病鉴定、活性鉴定等
胰岛素是治疗糖尿病的重要药物。下图是利用基因工程技术生产 人胰岛素时扩增目的基因的过程。请据图回答。
λ噬菌体衍生物、动植物病毒、农杆菌等
四、基因工程的基本操作程序
1、目的基因来自百度文库获取
⑴从基因组文库中获取目的基因
将某生物的基因组进行切割，获得一批长度 为15—20kb的DNA片段
限制酶
将上述DNA片段分别与运载体结合，再分别导 入受体菌群体的各细胞中储存、复制 ——构建成该生物的基因组文库 需要时通过一定方法从基因组文库中获取 目的基因
（4）若C为具有生物活性的人胰岛素基因，要使其在大肠 杆菌体内成功表达，还要进行的操作步骤依次 是： 基因表达载体的构建 ， 将目的基因导入受体细胞 和目的 基因的检测与鉴定。
（5）人的胰岛素基因能在大肠杆菌体内得以成功表达，主要 是因为人和大肠杆菌 共用一套密码子 。
花粉管
精核 卵细胞 极核
胚珠
（2）将目的基因导入动物细胞 ——显微注射技术
提纯表达载体
显微注射仪注射
受体动物受精卵
移植
雌性动物输卵管或子宫内 发育 具有新性状的动物（转基因动物）
（3）将目的基因导入微生物细胞 表达载体DNA 常态细菌 Ca2+处理 混合 感受态细胞 被转化的细菌 细菌吸收 （含目的基因）
3、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”
作用： 将目的基因（外源基因）送入受体细胞
条件：
有一个或多个限制酶切割位点 在受体细胞中能自我复制，或者能整合到 染色体DNA上，随染色体DNA同步复制 带有标记基因，便于甄别和筛选 安全，对受体细胞无害
大小合适，方便操作
种类： 质粒（经人工改造，常用）、
循环 进行 DNA数量 呈指数方 式增加
退火（55 ～60℃ ）, 与引物互补
在适宜温度下（70～75℃）形 成DNA新链
PCR技术与体内DNA复制的区别：
1. PCR不需要DNA解旋酶；体内DNA复制需要； 2. PCR需要耐热的DNA聚合酶（常用TaqDNA聚 合酶），而生物体内的聚合酶在高温时会变性； 3. PCR一般可以经历三十多次循环，短时间内形成 大量DNA片段；而生物体内DNA复制需要生物体自 身的复制，形成整个DNA分子。
碱基序列已知
利用PCR技术扩增目的基因 ⑷人工合成目的基因 测定某蛋白质中氨基酸的排列顺序
利用密码子表推测
mRNA中碱基排列顺序
利用碱基互补配对原则推测
DNA反义链的碱基排列顺序
化学合成
DNA合成仪合成双链DNA（目的基因）
真核生物的基因结构 非编码区 编码区 非编码区 终止子
启动子
外显子
内含子
转录 初级mRNA 加工 成熟mRNA 翻译 蛋白质
1、限制性核酸内切酶——分子手术刀
来源：主要从原核生物中分离提纯 特点：高度的专一性 识别并切割特定的某种核苷酸序列 多样性 已经分离出4000种
作用：
识别双链DNA分子上某种特定的核苷酸序列，
含有4～8个核苷酸
中心轴线两侧的碱基反向对称重复排列 并使每条链中特定部位的两个核苷酸之间的 磷酸二酯键断开 平切：如Sma Ⅰ酶，沿中轴线处切开，
4、目的基因的检测与鉴定
检测转基因生物的染色体DNA上是否插入了 目的基因 ——分子杂交技术 以被标记的目的基因作探针， 与转基因生物基因组DNA杂交， 观察是否出现杂交带 检测目的基因是否转录出mRNA ——分子杂交技术 以被标记的目的基因作探针， 与转基因生物提取出的mRNA杂交，
观察是否出现杂交带
形成平末端
错位切：如EcoRⅠ酶，从中轴线两侧切开，
形成黏性末端
2、DNA连接酶——“分子缝合针” 将双链DNA分子的两个片段连接起来
——通过形成磷酸二酯键
E.coli DNA连接酶： 连接黏性末端 T4DNA连接酶： 连接黏性末端或平末端 DNA连接酶与DNA聚合酶功能的区别： DNA连接酶催化两个DNA片段之间形成磷酸二酯 键而连接起来 DNA聚合酶催化游离的脱氧核苷酸与DNA片段之 间形成磷酸二酯键而连接起来
2、基因表达载体的构建 使目的基因稳定存在并遗传 使目的基因表达和发挥作用 （最核心步骤）
一个基因表达载体包括：
启动子 ——RNA聚合酶的识别和结合位点，
驱动基因转录 目的基因 ——使受体生物表现出更符合人类
需求的性状
终止子 ——结束转录 标记基因 ——鉴别筛选出含目的基因的受体细胞 其他 如复制原点、运载体上原有的基因
⑵利用反转录法获取目的基因
提取某生物细胞中的mRNA
反转录酶
RNA—DNA杂交分子
RNA酶降解RNA链
单链DNA（ cDNA ）
DNA聚合酶
双链DNA
导入 PCR技 术扩增
受体菌细胞中储存、复制， 建构cDNA文库
一定方法
获取目的基因
⑶直接提取后利用PCR技术扩增而获取目的基因
以探针从生物细胞中提取目的基因
PCR技术（聚合酶链式反应）
——人工扩增DNA技术
原理：DNA的半保留复制
反应系统： 微量DNA样品 ——模板 DNA聚合酶 4种游离的脱氧核糖核苷酸
（过量）
——dATP、dTTP、dGTP、dCTP 引物 ——人工合成的含有20个碱基
（过量）
的核苷酸序列
反应过程
样本DNA DNA聚合酶 引物 提高温度（90～95℃）,DNA变性
受体细胞
定向地改造生物的遗传性状。
二、基因工程的理论依据 DNA是绝大多数生物的遗传物质，不同生物的 DNA的基本单位和结构相同 中心法则：
DNA
复制
转录 逆转录
RNA
复制
翻译
蛋白质
基因是遗传物质结构和功能的基本单位 各种生物共用一套遗传密码
三、DNA重组技术的基本工具
启动子目的基因终止子标记基因其他rna聚合酶的识别和结合位点驱动基因转录使受体生物表现出更符合人类需求的性状结束转录鉴别筛选出含目的基因的受体细胞使目的基因稳定存在并遗传使目的基因表达和发挥作用如复制原点运载体上原有的基因最核心步骤3将目的基因导入受体细胞1将目的基因导入植物细胞农杆菌转化法农杆菌提取ti质粒目的基因构建表达载体感染双子叶植物目的基因整合目的基因插入受体细胞染色体dna裸子植物目的基因随染色体dna复制并表达常用农杆菌转入基因枪法适用于单子叶植物花粉管法柱头子房壁胚珠萌发的花粉粒花粉管目的基因简便经济2将目的基因导入动物细胞显微注射技术提纯表达载体显微注射仪注射受体动物受精卵移植雌性动物输卵管或子宫内发育具有新性状的动物转基因动物3将目的基因导入微生物细胞常态细菌ca处理感受态细胞表达载体dna细菌吸收被转化的细菌含目的基因混合4目的基因的检测与鉴定以被标记的目的基因作探针与转基因生物基因组dna杂交观察是否出现杂交带以被标记的目的基因作探针与转基因生物提取出的mrna杂交观察是否出现杂交带检测转基因生物的染色体dna上是否插入了目的基因检测目的基因是否转录出mrna分子杂交技术分子杂交技术检测目的基因是否翻译成蛋白质目的基因表达的蛋白质抗原刺激产生相应抗体从转基因生物体内提取蛋白质抗原抗体杂交观察是否出现杂交带检测转基因生物的性状抗原抗体杂交技术观察或测定是否出现目的基因所决定的性状抗虫鉴定抗病鉴定活性鉴定等人胰岛细胞胰岛素mrna胰岛素是治疗糖尿病的重要药物
专题一
基因工程
高考考纲要求:
（1）基因工程的诞生
（2）基因工程的原理及技术
Ⅰ
Ⅱ
（3）基因工程的应用
（4）蛋白质工程
Ⅱ
Ⅰ
实验：DNA的粗提取与鉴定
专题一
基因工程
也称基因拼接技术 或DNA重组技术
一、基因工程的定义 按照人们的意愿，
把一种生物的某种基因提取出来，
供体生物 目的基因
加以修饰改造，
剪切和拼接，建构重组DNA分子
3、将目的基因导入受体细胞
（1）将目的基因导入植物细胞
农杆菌转化法
农杆菌
提取
常用
目的基因
构建
Ti质粒
表达载体
转入
农杆菌
感染 双子叶植物
裸子植物
目的基因 整合 目的基因插入受体
细胞染色体DNA
目的基因随染色体 DNA复制并表达
基因枪法 （适用于单子叶植物） 花粉管法 简便经济
目的基因
柱头 子房壁 萌发的花粉粒
④ ① ② B ③ ⑤ C
人胰岛细胞
胰岛素mRNA
（1）人体内能产生胰岛素mRNA的细胞是 胰岛B细胞，不能 利用人的皮肤细胞来完成①过程的理由是 ， 胰岛素基因在皮肤细胞中不能表达 检测胰岛素mRNA常用的技术是 分子杂交技术 。 （2）与④相比，②不同的碱基配对方式是 U－A 。
（3）若胰岛素mRNA中鸟嘌呤、胞嘧啶和腺嘌呤分别占碱基 21 总数的32%、26%和19%，则B中含有腺嘌呤 %。
检测目的基因是否翻译成蛋白质
——抗原— 抗体杂交技术 目的基因表达的蛋白质（抗原）
刺激 产生相应抗体 从转基因生物体 内提取蛋白质 抗原— 抗体杂交 观察是否出现杂交带 检测转基因生物的性状 观察或测定是否出现目的基因所决定的性状 抗虫鉴定、抗病鉴定、活性鉴定等
胰岛素是治疗糖尿病的重要药物。下图是利用基因工程技术生产 人胰岛素时扩增目的基因的过程。请据图回答。
λ噬菌体衍生物、动植物病毒、农杆菌等
四、基因工程的基本操作程序
1、目的基因来自百度文库获取
⑴从基因组文库中获取目的基因
将某生物的基因组进行切割，获得一批长度 为15—20kb的DNA片段
限制酶
将上述DNA片段分别与运载体结合，再分别导 入受体菌群体的各细胞中储存、复制 ——构建成该生物的基因组文库 需要时通过一定方法从基因组文库中获取 目的基因
（4）若C为具有生物活性的人胰岛素基因，要使其在大肠 杆菌体内成功表达，还要进行的操作步骤依次 是： 基因表达载体的构建 ， 将目的基因导入受体细胞 和目的 基因的检测与鉴定。
（5）人的胰岛素基因能在大肠杆菌体内得以成功表达，主要 是因为人和大肠杆菌 共用一套密码子 。
花粉管
精核 卵细胞 极核
胚珠
（2）将目的基因导入动物细胞 ——显微注射技术
提纯表达载体
显微注射仪注射
受体动物受精卵
移植
雌性动物输卵管或子宫内 发育 具有新性状的动物（转基因动物）
（3）将目的基因导入微生物细胞 表达载体DNA 常态细菌 Ca2+处理 混合 感受态细胞 被转化的细菌 细菌吸收 （含目的基因）
3、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”
作用： 将目的基因（外源基因）送入受体细胞
条件：
有一个或多个限制酶切割位点 在受体细胞中能自我复制，或者能整合到 染色体DNA上，随染色体DNA同步复制 带有标记基因，便于甄别和筛选 安全，对受体细胞无害
大小合适，方便操作
种类： 质粒（经人工改造，常用）、
循环 进行 DNA数量 呈指数方 式增加
退火（55 ～60℃ ）, 与引物互补
在适宜温度下（70～75℃）形 成DNA新链
PCR技术与体内DNA复制的区别：
1. PCR不需要DNA解旋酶；体内DNA复制需要； 2. PCR需要耐热的DNA聚合酶（常用TaqDNA聚 合酶），而生物体内的聚合酶在高温时会变性； 3. PCR一般可以经历三十多次循环，短时间内形成 大量DNA片段；而生物体内DNA复制需要生物体自 身的复制，形成整个DNA分子。
碱基序列已知
利用PCR技术扩增目的基因 ⑷人工合成目的基因 测定某蛋白质中氨基酸的排列顺序
利用密码子表推测
mRNA中碱基排列顺序
利用碱基互补配对原则推测
DNA反义链的碱基排列顺序
化学合成
DNA合成仪合成双链DNA（目的基因）
真核生物的基因结构 非编码区 编码区 非编码区 终止子
启动子
外显子
内含子
转录 初级mRNA 加工 成熟mRNA 翻译 蛋白质
1、限制性核酸内切酶——分子手术刀
来源：主要从原核生物中分离提纯 特点：高度的专一性 识别并切割特定的某种核苷酸序列 多样性 已经分离出4000种
作用：
识别双链DNA分子上某种特定的核苷酸序列，
含有4～8个核苷酸
中心轴线两侧的碱基反向对称重复排列 并使每条链中特定部位的两个核苷酸之间的 磷酸二酯键断开 平切：如Sma Ⅰ酶，沿中轴线处切开，
4、目的基因的检测与鉴定
检测转基因生物的染色体DNA上是否插入了 目的基因 ——分子杂交技术 以被标记的目的基因作探针， 与转基因生物基因组DNA杂交， 观察是否出现杂交带 检测目的基因是否转录出mRNA ——分子杂交技术 以被标记的目的基因作探针， 与转基因生物提取出的mRNA杂交，
观察是否出现杂交带
形成平末端
错位切：如EcoRⅠ酶，从中轴线两侧切开，
形成黏性末端
2、DNA连接酶——“分子缝合针” 将双链DNA分子的两个片段连接起来
——通过形成磷酸二酯键
E.coli DNA连接酶： 连接黏性末端 T4DNA连接酶： 连接黏性末端或平末端 DNA连接酶与DNA聚合酶功能的区别： DNA连接酶催化两个DNA片段之间形成磷酸二酯 键而连接起来 DNA聚合酶催化游离的脱氧核苷酸与DNA片段之 间形成磷酸二酯键而连接起来
2、基因表达载体的构建 使目的基因稳定存在并遗传 使目的基因表达和发挥作用 （最核心步骤）
一个基因表达载体包括：
启动子 ——RNA聚合酶的识别和结合位点，
驱动基因转录 目的基因 ——使受体生物表现出更符合人类
需求的性状
终止子 ——结束转录 标记基因 ——鉴别筛选出含目的基因的受体细胞 其他 如复制原点、运载体上原有的基因
⑵利用反转录法获取目的基因
提取某生物细胞中的mRNA
反转录酶
RNA—DNA杂交分子
RNA酶降解RNA链
单链DNA（ cDNA ）
DNA聚合酶
双链DNA
导入 PCR技 术扩增
受体菌细胞中储存、复制， 建构cDNA文库
一定方法
获取目的基因
⑶直接提取后利用PCR技术扩增而获取目的基因
以探针从生物细胞中提取目的基因
PCR技术（聚合酶链式反应）
——人工扩增DNA技术
原理：DNA的半保留复制
反应系统： 微量DNA样品 ——模板 DNA聚合酶 4种游离的脱氧核糖核苷酸
（过量）
——dATP、dTTP、dGTP、dCTP 引物 ——人工合成的含有20个碱基
（过量）
的核苷酸序列
反应过程
样本DNA DNA聚合酶 引物 提高温度（90～95℃）,DNA变性