高中生物现代生物科技专题(新人教版选修3)

二、DNA连接酶——“分子缝合针”
1、作用——把两条DNA末端之间的缝隙 “缝合”起来。
GAA T T C C T T AA G
P
G
即脱氧核糖、磷酸基之间的连接 P
A
2、分类
E.coli DNA连接酶——只能将双链DNA 片段互补的黏性末端之间连接起来，不 能将双链DNA平末端之间进行连接
T4 DNA连接酶——既可将双链DNA片段 互补的黏性末端之间连接起来，也能将双 链DNA平末端之间进行连接，但连接平末 端的效率比较低
水母
能发荧光的热带斑马鱼
基因工程的诞生和发展
1.基础理论
艾弗里证明： DNA是遗传物质 沃森和克里克：
克里克：
DNA双螺旋结构的发现
尼伦贝格：中心法则的确立
遗传密码的破译
基因工程的诞生和发展
2.工具基础 酶 载： 体限：质制粒性等核酸内切酶、DNA连接酶、逆转录酶 3.诞生
1973年，美国斯坦福大学分子生物学家科 恩第一个建成“基因工程菌” 。科学界把 这一年定为“基因工程元年”
二、制备重组DNA分子
4.过程:
质粒
DNA分子
同一种限制酶处理
一个切口 两个黏性末端
两个切口 获得目的基因
DNA连接酶 重组DNA分子（重组质粒）
二、制备重组DNA分子
复制原点+目的基因+启动子+终止子+标记基因
它们有什么作用？
补：原核细胞的基因结构
非编码区 编码区上游
启动子
编码区
Baidu Nhomakorabea
非编码区
编码区下游 终止子
第二节 基因工程的应用
一、基因工程的应用 二、转基因生物的安全性问题
三、生物武器的危害性
一、转基因植物
1、抗虫转基因植物 ——从某些生物中分离出具有杀虫活性的
基因，将其导入作物中，使其具有抗虫性。
已问世的转基因抗虫植物主要有水稻、棉、 玉米、马铃薯、番茄、大豆、蚕豆、烟草、 苹果、核桃、杨、菊花和白花三叶草等。
内含子： 不能够编码蛋白质的序列叫做 内含子
真核 细胞 的 基因 结构
外显子：能编码蛋白质的序列 编码区
内含子：不能编码蛋白质的序列
非编码区：有调控作用的核苷酸序列， 包括位于编码区上游的RNA 聚合酶结合位点。
非编码序列：包括非编码区和内含子
原核细胞与真核细胞的基因结构比较
不同点 相同点
原核细胞
②原理：__D_N_A_复__制___
③条件：已_知__基__因__的__核__苷__酸__序__列__、_四__种__脱__氧__核__苷__酸__、
__引_物___(做启动子)、 _D_N_A_聚__合__酶___.前提条件：
④方式：以指___数__方式扩增，即_2_n__（n为循环的次数） ⑤结果：使目的基因的片段在短时间内成百万倍地扩增
基因工程的概念：书P8 金榜
基因工程的发展
1、经过哪几个时期？
2、基因工程是如何曲折发展的？ 1974～1976： 1977： 1978～1980： 1982：
基因工程的工具
• 分子手术刀： • 分子缝合针： • 分子运输车：
一、限制性核酸内切酶——“分子手术刀”
1、来源——主要是从原核生物中分离纯化而来
非编码区
①不能转录为信使RNA，不能 编码蛋白质。
②有调控遗传信息表达的核 苷酸序列，在该序列中， 最重要的是位于编码区上 游的RNA聚合酶结合位点。 启动子
补：真核细胞的基因结构
非编码区
编码区上游
启动子 与RNA聚合酶 结合位点
编码区
外显子 内含子
非编码区
编码区下游
终止子
外显子： 能够编码蛋白质的序列叫做外显子
③检测目的基因是否翻译成蛋白质 方法—— 抗原抗体杂交
鉴定—— 抗虫鉴定、抗病鉴定、活性鉴定等
四、筛选出获得目的基因的受体细胞
DNA分子杂交示意图
采用一定的技术手段，将两种生物的DNA分 子的单链放在一起，如果这两个单链具有互补 的碱基序列，那么，互补的碱基序列就会结合 在一起，形成杂合双链区；在没有互补碱基序 列的部位，仍然是两条游离的单链。
三、基因进入受体细胞的载体
——“分子运输车”
1、通常以质粒作为载体
质粒——细菌细胞中一种很小的环状DNA分子。
裸露的、结构简单、独立于细菌之外，并且有自我 复制能力
质粒
拟核 大肠杆菌细胞
氨苄青霉素 抗性基因
目的基因插入位点 复制原点
思考：
具备什么样的条件才能充当“分子运输车”？
能自我复制 有一个或多个切割位点 有标记基因 对受体细胞无害等。
基因组文库 含有一种生物全部基因的基因文库 像国家图书馆
部分基因文库 含有一种生物部分基因的基因文库 像市图书馆 如cDNA文库
一、目的基因的获取
2、利用PCR技术扩增目的基因
① 概念：PCR全称为_聚__合__酶__链__式__反__应__，是一项 在生物_体__外_复制_特__定__D_N_A_片__段_的核酸合成技术
生物 选修3 现代生物科技专题
标志：1973年重组DNA技术的诞生
目录
• 专题1 基因工程 • 专题2 细胞工程 • 专题3 胚胎工程 • 专题4 生物技术的安全性和伦理问题 • 专题5 生态工程
专题1 基因工程
基因工程的诞生 基因工程的原理及技术 基因工程的应用 蛋白质工程
荧 光 水 母
普通热带斑马鱼
引物
模板DNA
热稳定DNA
加热 至90~95℃
聚合酶（Taq酶）
DNA解链
冷却 至 55~60℃
引物结合到 互补DNA链
加热至70~75℃
Taq酶从引 物起始进行 互补链合成
dCTP dATP dGTP dTTP
一、目的基因的获取
3、人工合成
若基因较小，核苷酸序列已知，也可以 通过DNA合成仪用化学方法直接人工合成。
将目的基因导入 植物细胞
农杆菌转化法 基因枪法 花粉管通道法
方法
将目的基因导入 动物细胞
——显微注射法
将目的基因导入 微生物细胞
——用钙离子处理细 胞（感受态细胞）
三、转化受体细胞
1、将目的基因导入植物细胞 书P16 （1）农杆菌转化法 双子叶植物中常用方法
（2）基因枪法
单子叶植物常用的转化方法，成本较高
大肠杆菌应用最为广泛
大肠杆菌细胞最常用的转化方法： Ca2+处理细胞→感受态细胞→重组表达载体 DNA溶于缓冲液中与感受态细胞混合→在一 定的温度下促进感受态细胞吸收DNA分子→ 完成转化过程。
四、筛选出获得目的基因的受体细胞
是检查基因工程是否成功的一步
（一）首先要检测转基因生物染色体 上的DNA上是否插入了目的基因
基因工程的一般过程与技术
1、据图1-4说出基因工程的基本过程。
2、认真阅读13页图1-6，讨论： 目的基因是什么？ 受体细胞是什么？ 基因表达产物是什么？ 土壤农杆菌在其中可能起什么作用？
一、目的基因的获取
基因文库像“图书馆” 每个基因是一本书
1、从基因文库中获取
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。
平末端
科学家为何对“黏性末端”很感兴趣？
尝试写出下列序列受EcoRI 限制酶作用后的黏性末端
CTTCATGAATTCCCTAA GAAGTACTTAAGGGATT
GAATTCCGTAGAATTCGGATT CTTAAGGCATCTTAAGCCTAA
CTTCATG AATTCCGTAG AATTCCCTAA GAAGTACTTAA GGCATCTTAAGGGATT
用于抗病转基因植物的基因主要是： 病毒外壳蛋白（CP）基因 病毒的复制酶基因
用于抗真菌转基因植物的基因主要是： 几丁质酶基因和抗毒素合成基因
3、其它抗逆转基因植物
利用调节细胞渗透压的基因，来提高农作物 的抗盐碱和抗干旱的能力。 将鱼的抗冻蛋白基因导入烟草和番茄，使烟 草和番茄的耐寒能力均有提高。 将抗除草剂基因导入大豆、玉米等作物，喷 洒除草剂时，杀死田间杂草而不损伤作物。
检测方法是 采用DNA分子杂交技术
（二）其次，还需DN要A—检D测NA目的基因是 否转录出了mRNA
这是检测目的基因是否发挥功能的第一步 检测方法是 采用分子杂交技术
DNA—mRNA
四、筛选出获得目的基因的受体细胞 ——检查是否成功 ①检测转基因生物染色体的DNA 上是否插入了目的基因 方法—— DNA分子杂交 检测— ②检测目的基因是否转录出了mRNA 方法—— 分子杂交（注意与上不同之处）
（流感嗜血杆菌）
2、功能——一种限制性核酸内切酶只能识别一种 特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分 子。
寻根问底：
根据你掌握的知识，你能推测这类酶 存在于原核生物中的作用是什么吗？
原核生物容易受到自然界外源DNA的入侵， 但是生物在长期的进化过程中形成了完善 的防御机制，以防止外来病原物的侵害。 限制性核酸内切酶就是细菌的防御性工具， 当外源DNA侵入时，限制性核酸内切酶会 将外源DNA切割掉，以保证自身的安全。 所以，限制性核酸内切酶在原核生物中主 要起到切割外源DNA、使之失效，从而保 护自身的作用。
⑥过程：
a、DNA变性（95℃）：双链DNA模板 在热作用下，_氢__键__断裂，形成__单__链__D_N_A___
b、退火（复性25℃）：系统温度降低，引物与 DNA模板结合，形成局部__双__链____。
c、延伸（72℃）：在Taq酶的作用下，从引物 的 5′端→3′端延伸，合成与模板互补
的__D_N_A_链___。
与RNA聚合酶结合位点
RNA聚合酶能够识别调控序列中的结合位点， 并与其结合。
转录开始后，RNA聚合酶沿DNA分子移动，并 以DNA分子的一条链为模板合成RNA。
转录完毕后，RNA链释放出来，紧接着RNA聚 合酶也从DNA模板链上脱落下来。
原核 细胞 的 基因 结构
编码区 ：能转录相应的信使RNA，能 编码蛋白质
2、作用
将外源DNA携带进受体细胞后，停留在细 胞中进行自我复制或整合到染色体上，随染色 体DNA进行同步复制。质粒DNA分子上有特 殊的遗传标记基因，如抗四环素、氨苄青霉素 等标记基因，供重组DNA的鉴定和选择。
3、其他载体
噬菌体、动植物病毒
在基因工程操作中，真正被用作载体的质粒， 都是在天然质粒的基础上进行过人工改造的。
二、制备重组DNA分子 —— 核心
限制性核
1.用一定的__酸_内__切_酶___切割 质粒，使其出现一个切 口，露出_黏__性__末__端_____。
同一种限制性核
2.用_酸_内__切_酶________切断目 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_D_N_A_连__接__酶___，形成了一个重组 DNA分子（重组质粒）
用于杀虫的基因主要是： Bt毒蛋白基因 蛋白酶抑制剂基因 淀粉酶抑制剂基因 植物凝集素基因等
例如，我国转基因抗虫棉就是转入Bt毒蛋 白基因培育出来的，它对棉铃虫具有较强 的抗性。
2、抗病转基因植物 引起植物生病的微生物称为病原微生物，主 要有病毒、真菌和细菌等。
目前，人们已获得抗烟草花叶病毒的转基因 烟草和抗病毒的转基因小麦、甜椒、番茄等 多种作物。
（3）花粉管通道法 我国独创的转化方法
如：我国的转基因抗虫棉
三、转化受体细胞
2、将目的基因导入动物细胞
显微注射技术 是转基因动物中采用最多、最有效的
一种将目的基因导入动物细胞的方法。 注入的是含有目的基因的表达载体
三、转化受体细胞
3、将目的基因导入微生物细胞
用原核细胞作为受体细胞的原因？ 繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少等
真核细胞
编码区是 _连__续__的
编码区是间隔的、 __不__连_的续
都由能够编码蛋白质的_编__码__区_和具 有调控作用的非__编__码__区组成的
思 编码相同数目氨基酸的蛋白质，原核 考 细胞与真核细胞基因结构一样长吗？
三、转化受体细胞
转化 ——目的基因进入_受__体__细__胞__内，并且在 受体细胞内维持_稳__定__和_表__达__的过程
寻根问底：
DNA连接酶和DNA聚合酶是一回事吗？为什么？
不是。两者的差别在于
（1）DNA聚合酶只能将单个的核苷酸加到已有的 核酸片段的3‘末端的羟基上，形成磷酸二脂键，而 DNA连接酶是在两个DNA片段之间形成磷酸二脂键。
（2）DNA聚合酶是以一条DNA为模板，将单个核 苷酸通过形成磷酸二脂键形成一条与摸板互补的 DNA链；而DNA连接酶是将双链上的两个缺口同时 连接起来。因此DNA连接酶不需要摸板。
限制性核酸内切酶作用的是DNA分子中的什么键？
G
C
A
T
A
T
T
A
T
A
C
G
G
C
P
G
P
A
磷酸二酯键
即脱氧核糖、磷 酸之间的连接
限制性核酸内切酶能识别特定的核苷酸序列：
GAA TTC CT T AAG
G
AA T T C
C T T AA
G
黏性末端
CCC GGG GGG CCC
CCC GGG GGG CCC