人教版教学课件基因工程课件(人教版高中生物选修3)

▲思考: DNA连接酶的作用是使断口处的相邻的两个 脱氧核苷酸之间形成____________键.
▲提示: 注意比较基因工程中的DNA连接酶 和DNA复制中的DNA聚合酶的作用有何 异同?
异: DNA连接酶:是将几个DNA片段连接起来; 不需DNA模板. DNA聚合酶:则是将脱氧核苷酸连接(聚 合)成DNA;需以DNA的一条链为模板. 同:两种酶都是形成磷酸二酯键.
目的基因的mRNA(已知)
反转录
单链DNA
合成
双链DNA (即目的基因)
2.直接合成.
根据已知蛋白质的 氨基酸序列，推测出相 蛋白质的氨基酸序列 应的信使RNA序列，然后 推测 按照碱基互补配对原则， mRNA的核苷酸序列 推测出它的结构基因的 推测 核苷酸序列，再通过化 学方法，以单核苷酸为 结构基因的核苷酸序列 原料合成目的基因。 化学合成
“分子运载车”——载体 DNA( 目的基因、载体) ▲这里的“分子”是指 __________________ 分子.
▲这三种工具的 作用各是什么?
（二）DNA重组技术的基本工具及其作用
1. 限制性核酸内切酶——“分子手术刀” 限制酶主要是从原核微生物中分离纯化出来 的。能识别双链DNA的某种特定核苷酸序列， 并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间 (此处叫“切点”)的磷酸二酯键断开(注意:不是 氢键). 注意: 一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序 列,并且能在一个特定的切点上切割DNA分子。 即：特异性. (注意:特异性表现在两个方面.)
常用的运载体主要有两类：
1）质粒:一些细菌细胞质里的质粒.
2）病毒:噬菌体(即细菌病毒)或某些动、植物 病毒.
▲什么是质粒?
是一种裸露的、结构简 单、独立于细菌染色体(即 原核的DNA)之外，并具有自 我复制能力的双链环状DNA 分子. 质粒是基因工程最常用 的载体.
▲小结: 绝大多数细菌质粒都是 质粒是小型、 闭合环状DNA分子。有的一 环状的DNA分子.
基因工程
设想 一 设想二 设想三
能否让水稻植株也能够固定空 气中的氮？ 能否让细菌“吐出”蚕丝？
……
能否让微生物产生出人的胰岛 素、干扰素等珍贵的药物？
即根据人类的 意愿定向改变生物 ---令人神往!
▲“基因工程”技 术
▲基因工程实例: • 基因工程培育抗虫棉的简要过程：
苏云金芽孢杆菌
获取
普通棉花(无抗虫特性) 棉花细胞(含抗虫基因) 棉花植株(有抗虫特性)
个细菌中有一个，有的一个 细菌中有多个.
▲质粒的一种:大肠杆菌的质粒
最常用的质粒是 大肠杆菌的质粒， 其中常含有抗药基 因，如四环素的标 记基因。质粒的存 在与否对宿主细胞 生存没有决定性作 用，但复制只能在 宿主细胞内完成。
▲注意:能充当载体的是大肠杆菌的质粒,而不是大肠 杆菌.
▲载体的作用有哪些？
1.作为运输工具，将目的基因(如抗虫基因) 转移到受体细胞(如棉花细胞)中去。
2.利用载体在受体细胞(如棉花细胞)内，对 目的基因(如抗虫基因)进行大量复制。
▲作为载体必须具备哪些条件？
1）能够在宿主细胞中复制并稳定地保存。 2）载体DNA必须有一个或多个限制酶切点，以便目 的基因插入到载体上去。 3）具有某些标记基因，便于进行筛选。如抗菌素的抗 性基因、产物具有颜色反应的基因等。 4) 载体DNA必须是安全的,不会对受体细胞有害,或不 能进入到除受体细胞外的其他生物细胞中去; 5) 载体DNA分子大小应适合,以便提取和在体外进行 操作,太大就不便操作.
▲“黏性末端”和“平末端”
当限制酶在它识别序列的中心轴线的两侧将 DNA的两条链分别切开时，产生的是黏性末端. 而当限制酶在它识别序列的中心轴线处切开 时，产生的则是平末端。
思考:
1. 要想获得某一个特定性状的基因(即” 目的基因”)必须要用限制酶切几个切口？可 产生几个黏性末端？ 要切两个切口，产生四个黏性末端.
1）用一定的限制酶切割质粒，使其出现一个 切口，露出黏性末端。 2）用同一种限制酶切取目的基因，使其产生 相同的黏性末端。 3）将切下的目的基因片段插入质粒的切口处， 再加入适量DNA连接酶，形成了一个重组DNA 分子（重组质粒） ▲目的基因与载体的结合过程，实际上是不同 来源的基因重组的过程
▲提示与思考: 1.“基因表达载 体”就是已插入 目的基因的载体.
功 能
同
形成磷酸二酯键 只能:互补的 黏性末端 黏性末端和平末 端均可
异
显然,若将上述两者的黏性末端黏合(连接) 起来，就似乎可以合成新的DNA分子(重组DNA 分子)了
用什么工具连接呢? 这个工具是怎样将两者连 接起来的?
2.DNA连接酶——“分子缝合针”
DNA连接酶可把黏性末端之间的缝隙“缝合” 起来，即把梯子两边扶手的断口(注意位置)连接 起来，这样一个重组的DNA分子就形成了.
以上三步为一个循环，新合成的DNA分子又可以作为下一轮合 成的模板，经多次循环后即可达到扩增DNA片段的目的.
▲显然,每循环(扩增)一次,就需要添加一次(共两个)引物.
▲提示:两个引物、一个模板.
▲人工合成目的基因 如果基因比较小，核苷酸序列又已知，也可 以通过DNA合成仪用化学方法直接合成。 又分为: 1.通过反转录法合成:
3.基因进入受体细胞的载体----”分子运输车”
(1)载体的种类
①质粒:是一种裸露的,结构简单,独立于细菌染 色体之外,并能够自我_____能力的双链______ DNA 分子;②______.③________. (2)载体的特点 ①能够在细胞内_______;②有一个或多个____ 切割位点,便于供源DNA的插入. ③具有_____基 因,供重组DNA的鉴定和选择.
步骤一： 从苏云金芽孢杆菌细胞内提 取出来抗虫基因(目的基因). 抗虫基因与运载体DNA连接 抗虫基因导入受体(普通棉花) 细胞
步骤二： 步骤三：
提示:共四步;步骤四是“检测和鉴定”.
▲上述的三个步骤中各需要什么工具？
步骤一的工具： “分子手术刀”——限制性内切
步骤二的工具：
步骤三的工具：
酶 “分子缝合针”——DNA连接酶
2.如果把两种来源不同的DNA用同一种限 制酶来切割，产生黏性末端相同吗？
会产生相同的黏性末端..
▲你是否想过? 限制酶是否会切割自己细胞里的DNA 呢?为什么?这对于其自身有意义吗?
▲DNA连接酶的种类(根据来源分)及其在功能上 的异同. ----见课文P5.
名称 来源
E.Coli DNA连接酶 大肠杆菌 T4DNA连接酶 T4噬菌体
▲限制性内切酶的特异性表现在: 特定的核苷酸序列-----是“回文序 列”(?). 特定的切点.
被限制酶切开的DNA两条单链的切口，带 有几个伸出的核苷酸，他们之间正好互补配对， 这样的切口叫黏性末端. 注意: 切口处的两条单链一长一短.伸出来的那一 条长链叫黏性末端
限制 酶
▲在G和A之间被限制酶切断的是化学键是 ___________________.
抗虫基因 （目的基因）
与运载体DNA拼接 导入
（一）基因工程的概念
• 什么叫基因工程？
基因工程是指按照人们的愿望,进行严 格的设计,并通过在生物体外进行DNA 重 组等技术，赋予生物以新的遗传特性,从而 创造出更符合人们需要的新的生物类型和 生物产品。由于基因工程是在DNA分子水 平上进行设计和施工的,因此又叫做DNA 重组技术或基因拼接技术.
▲从基因文库中获取“目的基因”：
什么叫“基因文库”? 将含有某种生物不同基因的许多DNA片段,导入受 体菌的群体中储存,各个受体菌分别含有这种生物的不 同的基因,称为基因文库(gene library)
类似从图书馆里取书. 分为: 1.基因组文库: 基因文库中包含了一种生物所有的基因,这 种基因文库叫做基因组文库. 2.部分基因文库: 基因文库中包含了一种生物的一部分基因,这 种基因文库叫做部分基因文库.如cDNA文库.
▲利用PCR技术扩增“目的基因”.
1.概念:PCR即“聚合酶链式反应”,是一种在生 物体外复制特定DNA片断的技术. 2.原理:DNA的半保留复制. 3.过程:(见图). 4.优点:大量获取目的基因.(指数式扩增, 近2n)
▲提示与思考:
1.图中的“模板DNA” 就是已知核苷酸序列 的目的基因. 2.引物是人工合成 的,与模板DNA(即目 的基因)互补,作用是 使___. 3.加热的作用是使 _________. DNA解链 4.聚合酶(Tap酶)是 指____(选:DNA聚合 酶;RNA聚合酶),其特 点是_________. 5.原料是_________. 6.每扩增一次,目的 基因的数目增加___. 7.“退火”
▲基因工程的基本操作流程
▲基因工程的基本操作程序主要包括
四个基本步骤： 1）目的基因的获取 2）“基因表达载体”的构建 3）将目的基因导入受体细胞(即“转化”) 4）目的基因的检测与鉴定
步骤一：目的基因的获取
▲什么叫目的基因? 主要是指编码蛋白质的结构基因.
▲获取目的基因的途径有哪些?
----见课文. 共三条. 1.从“基因文库”中获取. 2.利用“PCR技术”扩增. 3.直接人工合成(适合于基因较小且已知 其核苷酸顺序)
▲基因工程的若干问题:
基因工程的别名 基因拼接技术或DNA重组技术 操作环境 操作对象 生物体外 基因
操作水平
基本过程 实质 结果
DNA分子水平
切割 → 拼接 → 导入 → 表达 基因重组
人们需要的新的生物类型和生物产品
做工程是需要工具的.
DNA重组技术(基因工程)的
基本工具
▲思考: • 前面介绍的利用基因工程培育抗虫棉的 主要步骤有哪几个?
双基练习： 一、基因工程的概念 基因工程是指按照人们的愿望,进行严格的设计, 通过体外____和____等技术,赋予生物以心得遗 传特性,创造出符合人们的需要的新的____和 ____.又叫做DNA的重组技术 . 二、DNA重组技术的基本工具 1.限制性核酸内切酶-----“分子手术刀” (1)主要来源:从____生物中分离出来的. (2)特点:能够识别DNA特定的核苷酸序列,切开
▲如何将目的基因(如上例中的“抗虫 基因”)导入受体细胞(即接受目的基因 的生物的细胞,如上例中的棉花细胞)？
----导入过程需要运输“目 的基因”的工具——载体。
▲注意: 一般地,不能将目的基因直接导入受体细胞.
▲载体是什么(生物化学 成分)?它从哪里获得?它 是如何承载目的基因的?
3.基因进入受体细胞的载体---“分子运输车”.
源自文库
目的基因
在获取目的基因后,如何将目的基 因导入受体细胞呢? 能直接导入吗?
必须借助载体!
怎样借助载体将目的 基因导入受体细胞呢? 必须把目的基因“装 到”载体上! 如何装?
步骤二：基因表达载体的构建. ▲什么是“基因表达载体”? 就是已经装上了(含有)目的基因的载体.
▲基因表达载体的构建步骤. ----见课文.
磷 酸 二 酯 键
G
C
A
A
T
T
T
T C
A
A G
DNA双链及“磷酸二酯键”
▲看图回答: 1.大肠杆菌(EcoRΙ)的一种限制酶能识别的脱 氧核苷酸序列是(用碱基表示)_____________ GAATTC ;切 G和A 之间。 点在________
限制酶
2.若从切点处切开,形成的两个DNA片断是 怎样的?
两个____之间的_____ .
(3) DNA末端:限制酶切割DNA产生的DNA末 端有两种形式:______和_______.
2. DNA连接酶----“分子缝合针” (1)作用:恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间 的______. (2)种类: ①E.coli DNA连接酶:只能缝合DNA的_____ ②T4 DNA连接酶:既可缝合DNA的_____,又可 缝合双链DNA的_______.
▲提示:PCR的基本操作(过程):
PCR是一种反复循环的DNA合成反应过程,其基本反 应有三个步骤： 1. 变性:通过加热(高温)使模板DNA完全变性成为单链, 同时引物自身和引物之间存在的局部双链也得以消除. 2. 退火:将温度下降至适宜温度，使引物与模板DNA退 火结合； 3. 延伸:将温度升高,热稳定DNA聚合酶(即耐高温)以 dNTP(即脱氧核苷酸)为底物(即原料)催化合成DNA链延 伸.