基因工程的原理和技术学习资料
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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
Hale Waihona Puke Baidu
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。
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
设备：DNA合成仪
根据已知的氨基酸 序列推知DNA序列
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
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
➢ 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。
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
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
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
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？
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
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 的核酸合成技术。可以在短时间内大量扩增的目的基因。
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
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。
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
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。
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
①目的基因的获取； ②表达载体的构建；
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
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
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
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 ）。
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；
2.复性：冷却至55-60℃， 引物结合到互补DNA链；
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 。
什是么决是定遗生传物效性应？状的基本单位。
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。
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
➢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。
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
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。
如：抗虫基因、抗病基因、人胰岛素基因、人干扰素基因等
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。
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
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
Hale Waihona Puke Baidu
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。
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
设备：DNA合成仪
根据已知的氨基酸 序列推知DNA序列
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
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
➢ 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。
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
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
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
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？
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
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 的核酸合成技术。可以在短时间内大量扩增的目的基因。
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
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。
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
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。
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
①目的基因的获取； ②表达载体的构建；
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
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
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
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 ）。
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；
2.复性：冷却至55-60℃， 引物结合到互补DNA链；
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 。
什是么决是定遗生传物效性应？状的基本单位。
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。
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
➢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。
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
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。
如：抗虫基因、抗病基因、人胰岛素基因、人干扰素基因等
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。
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