基因工程的原理和技术

参与的组分
在DNA复制中的作用
解旋酶
打开DNA双链
DNA母链（模板链）
提供DNA复制的模板
4种脱氧核糖核苷酸
合成子链的原料
DNA聚合酶
催化合成DNA子链
引物
使DNA聚合酶能够从3’端开始连接 脱氧核苷酸
.
PCR技术依据的原理：
DNA双链复制的原理（遵循碱基互补配对原则） DNA热变性的原理 前提条件：有一段已知目的基因的核苷酸序列
物种间的基因交流
cDNA文库 基因组文库
小
大
无
有
无
有
某种生物的 某种生物的
部分基因
全部基因
可以
部分基因可以
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如何从基因文库中获取目的基因？
❖就像从图书馆借一本书，要知道书名、 作者、出版社或人物情节等信息一样
❖获取目的基因前，要对这个基因的背景 有一定程度的了解，（如核苷酸序列、 基因的功能、位置以及基因的表达产物 的特性等）然后通过恰当的技术手段将 目的基因从基因文库中调取出来。
DNA聚合酶不能从头开始合成DNA，只能从3’端 延伸DNA链。因此，DNA复制需要引物。当引物与DNA 母链通过碱基互补配对结合后，DNA聚合酶就能从引 物的3’端开始延伸DNA链。
5’
3’ 5’
3’ 5’
3’
3’
5’
5’
3’
3’
5’ 3’
5’ 3’
5’
DNA的合成方向总是从子链的5’端端向3’端端延伸 .
设备：DNA合成仪
根据已知的氨基酸 序列推知DNA序列
蛋白质的氨基酸序列 mRNA的核苷酸序列
结构基因的核苷酸序列
目的基因
.
温故知新 基因工程操作步骤的必要性
➢初始目的基因的来源 人工合成
（2）现代获取方法：
①从基因文库中获取目的基因（目的基因的序列未知） ②利用聚合酶链式反应(PCR)技术扩增目的基因
（目的基因的序列部分已知） ③人工合成目的基因（目的基因的序列已知，基因较小）
.
获取目的基因方法①： 从基因文库中获取目的基因
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。
2.复性：冷却至55-60℃， 引物结合到互补DNA链；
3.延伸：加热至70-75℃， 耐热的DNA聚合酶从引物 起始引导互补链的合成。
结果：使目的基因在短时间内成 百万倍的扩增
目的基因以指数方式. 扩增，即2n
获取目的基因方法③ DNA合成仪用化学方法直接人工合成
前提条件：基因比较小 ，核苷酸序列已知
线性排列
蛋白质
DNA 具有遗传效应的DNA片段 基因
脱氧核苷酸 （DNA的基本单位）
磷酸基＋脱氧核糖＋含氮碱基
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原核生物的基因结构
非编码区
编码区
非编码区
RNA聚合酶 结合位点
编码区：能转录为相应的mRNA进而指导蛋白质的 合成。
非编码区：不能转录为相应的mRNA但有调控遗传 信息表达的核苷酸序列，位于编码区的 上游和下游。
复习：DNA复制
DNA复制的过程
1.解旋:利用细胞提供的能量边 解旋、边复制
2.配对:分别以每条单链为模板, 以四种游离的脱氧核苷酸 为原料,利用碱基互补配对 原则合成两条新的子链
3.螺旋：两条子链分别与对应 的模板链绕成螺旋型，构 成两个新的DNA分子
DNA复制方式：半保留复制
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思考： ➢ DNA复制需要哪些成分和反应条件？ ➢ 如何在体外设置一个类似的DNA复制环境？
基本条件：
• 含待扩增目的基因片段的DNA模板； • 根据目的基因双链各一端序列片段合成
与两条模板链相结合的两种引物；
• 要有耐热的DNA聚合酶（Taq酶）； • 四种单核苷酸（dCTP、dGTP 、dATP 、dTTP ）。
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变性 复性
延伸
PCR第一轮过程：
1.DNA变性：加热至9095℃， DNA片段受热后氢 55-60℃ 键断裂，形成单链；
基因文库
基
cDNA
因
文
组
库
文
库
.
某生物体内全部DNA
限制酶
许多DNA片段
与载体连接 导入
受体菌群体
基因组文库
某种生物某个时期的mRNA 反转录
cDNA
与载体连接 导入
受体菌群体
部分基因文库 （cDNA文库）
.
基因组文库与cDNA文库的比较
文库类型 文库大小 基因中有无启动子 基因中有无内含子
基因多少
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区分：启动子与起始密码
终止子与终止密码
基因
启动子
ATC
转录区
转录 翻译 起始点 起始点
转录
终止子
转录 终止点
ATC
RNA起点
起始密码
TAA 终止密码 RNA终点
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真核生物的基因结构
非编码区
编码区
非编码区
RNA聚合酶 结合位点
信使RNA
成熟的信使RNA
外显子
内含子
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➢ 学习目标
➢1.简述基因工程原理及基本操作程序。 ➢2.尝试设计某一转基因生物的研制过程。
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基因操作的基本步骤
1. 提取目的基因 2. 目的基因与运载体结合 (基因表达载体的构建) 3.将目的基因导入受体细胞 4.目的基因的检测与鉴定
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温故知新 基因工程的操作步骤
①目的基因的获取； ②表达载体的构建；
为什么要有这一步
③将目的基因导入受体细胞；
④目的基因的检测与鉴定。
基因工程的原理：“按照人们的愿望，进行严格的设 计，通过体外DNA重组和转基因等技术，赋予生物以新 的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和 生物产品。
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获取目的基因方法②： 利用PCR技术扩增目的基因
全称是：多聚酶链式反应，在生物体外复制特定DNA片段 的核酸合Biblioteka Baidu技术。可以在短时间内大量扩增的目的基因。
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DNA复制的过程涉及DNA双链的方向。通常将DNA的羟基 （-OH）末端称为3’端，而磷酸基团的末端称为5’端。
5’端
3’端
3’端
. 5’端
专题一 基因工程
1.2 基因工程的 基本操作程序
补充：基因的结构
❖基因的定义 基因是有遗传效应的DNA片段 。 是决定生物性状的基本单位。
什么是遗传效应？ 遗传效应是指能转录为mRNA，继而翻译为蛋 白质，或转录为核糖体RNA、转运RNA的功能。
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基因、DNA、染色体、脱氧核苷酸的关系
遗传物质的 主要载体 染色体
如：抗虫基因、抗病基因、人胰岛素基因、人干扰素基因等
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基因工程的操作步骤
❖第一步：获取目的基因 （1）目的基因：
主要是指编码蛋白质的基因，例如，与生物 抗逆性相关的基因、与优良品质、生物药物 和保健品、毒物降解以及工业用酶相关的基 因等，也可以是一些具有调控作用的因子。
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基因工程的操作步骤
❖第一步：获取目的基因 从生物中直接获取