生物选修 3 现代生物科技专题

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：沃森和克里克：克里克：尼伦贝格： DNA是遗传物质 DNA双螺旋结构的发现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：限制性核酸内切酶、DNA连接酶、逆转录酶质粒等 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” 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（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。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。

G C T T A T A T A A G A P P C G G C 限制性核酸内切酶作用的是DNA分子中的什么键？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： A AT T C G A AT T C G G C T TA A G C T TA A 黏性末端 C C CG G G C C CG G G G G GC C C G G GC C C 平末端科学家为何对“黏性末端”很感兴趣？

AATTCCGTAG GGCATCTTAA CTTCATG AATTCCCTAA GAAGTACTTAA GGGATT 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

G A GA A T T C C T T A AG P P 即脱氧核糖、磷酸基之间的连接二、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。

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

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。

三、基因进入受体细胞的载体 ——“分子运输车” 拟核质粒大肠杆菌细胞目的基因插入位点氨苄青霉素抗性基因复制原点 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

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。

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。

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？

基因文库像“图书馆” 每个基因是一本书一、目的基因的获取 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。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技术扩增目的基因聚合酶链式反应 ① 概念：PCR全称为_______________，是一项在生物____复制___________的核酸合成技术体外特定DNA片段 DNA复制 ②原理：__________ 已知基因的核苷酸序列 ③条件：___________________、_______________、______(做启动子)、 ___________.前提条件：四种脱氧核苷酸引物 DNA聚合酶指数 2n ④方式：以_____方式扩增，即____（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

⑥过程： a、DNA变性（95℃）：双链DNA模板在热作用下，_____断裂，形成___________ 氢键单链DNA 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________。 DNA链

dCTP dATP dGTP dTTP 引物模板DNA 加热至90~95℃ 热稳定DNA 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

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。

二、制备重组DNA分子 ——核心限制性核酸内切酶 1.用一定的_________切割质粒，使其出现一个切口，露出____________。 2.用_____________切断目的基因，使其产生_____ ____________。黏性末端同一种限制性核酸内切酶相同的黏性末端切口 3.将切下的目的基因片段插入质粒的______处，再加入适量___________，形成了一个重组 DNA分子（重组质粒） DNA连接酶

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 非编码区非编码区编码区编码区上游编码区下游启动子终止子与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 ：能转录相应的信使RNA，能编码蛋白质编码区 ①不能转录为信使RNA，不能编码蛋白质。非编码区 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

非编码区 非编码区补：真核细胞的基因结构编码区编码区上游编码区下游启动子终止子与RNA聚合酶结合位点外显子内含子外显子：能够编码蛋白质的序列叫做外显子内含子：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内含子：不能编码蛋白质的序列编码区非编码区：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 不连续连续编码区非编码思考编码相同数目氨基酸的蛋白质，原核细胞与真核细胞基因结构一样长吗？

三、转化受体细胞 受体细胞转化 —— 目的基因进入_________内，并且在受体细胞内维持_____和_____的过程稳定表达农杆菌转化法将目的基因导入植物细胞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 书P16 1、将目的基因导入植物细胞（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（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检测方法是采用DNA分子杂交技术 DNA—DNA （二）其次，还需要检测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） 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。

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

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。 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。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。

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。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 2、抗病转基因植物

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。将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因，导入植物中，或者改变这些氨基酸合成途径中某种关键酶的活性，以提高氨基酸的含量。富含赖氨酸的转基因玉米 3、其它抗逆转基因植物 4、利用转基因改良植物的品质

将控制番茄果实成熟的基因导入番茄，获得转基因延熟番茄。 将与植物花青素代谢有关的基因导入花卉植物矮牵牛中，转基因矮牵牛呈现出自然界没有的颜色变异。用基因重组蓝玫瑰

将外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长得更快。 转生长激素基因鲤鱼转生长激素基因绵羊二、转基因动物 1、用于提高动物生长速度超级小鼠转生长激素基因鲤鱼

例如，有些人对牛奶中的乳糖不能完全消化或食用后会出现过敏、腹泻、恶心等不适症状，科学家将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，使获得的转基因牛分泌的乳汁，在其他营养成分不受影响的情况下，乳糖的含量大大减低。乳腺生物反应器：目前科学家已在牛和山羊等动物乳腺生物反应器中表达畜了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α抗胰蛋白酶等重要医药产品。 2、用于改善畜产品的品质 3、用转基因动物生产药物

将器官共同基因组导入某种调节因子，一顿抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因，在结婚克隆技术，培育畜没有免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。将器官共同基因组导入某种调节因子，一顿抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因，在结婚克隆技术，培育畜没有免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。 4、用转基因动物作器官移植的供体假如某位心脏病人换上了经过改造的猪的心脏，在生活中他会遭到歧视吗？

这些药物包括细胞因子、抗体、疫苗、激素。如 胰岛素、白细胞介素－2、干扰素、乙肝疫苗等近20种基因工程药物三、基因工程药物异军突起生产干扰素的车间四、基因治疗曙光初照基因治疗使把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的，这是治疗遗传病的最有效的手段。

体外基因治疗 先从病人体内获得某种细胞，进行培养，然后，在体外完成基因转移，再筛选成功转移的细胞扩增培养，最后重新输入患者体内。（效果较为可靠）体内基因治疗直接向人体组织细胞中转移基因的治病方法用于基因治疗的基因种类第一类从健康人体上分离得到的功能正常的基因；第二类反义基因第三类编码可以杀死癌变细胞的蛋白酶基因，又称自杀基因

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