定向基因改造設想

設想一能否讓禾本科的植物也能夠固定空氣中的氮？能否讓細菌“吐出”蠶絲？設想二能否讓微生物產生出人的胰島素、干擾素等珍貴的藥物？設想三第一頁第二頁，共42頁。基因工程的產物第二頁第三頁，共42頁。什么叫基因工程？

基因工程，又叫DNA重組技術。是指按照人們的愿望，在DNA分子水平上進行嚴格的設計，并通過體外DNA重組和轉基因技術，賦予生物以新的遺傳特性，從而創造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產品。基因工程的概念第三頁第四頁，共42頁。基因工程的概念基因工程的別名操作環境操作對象操作水平基本過程結果DNA重組技術生物體外基因DNA分子水平人類需要的新生物類型和產品剪切→拼接→導入→表達第四頁第五頁，共42頁。早期基礎理論1859年達爾文提出生物進化論科技探索之路基礎理論和技術發展催生了基因工程第五頁第六頁，共42頁。1900年孟德爾基因分離定律和自由組合定律的再度提出早期基礎理論科技探索之路基礎理論和技術發展催生了基因工程第六頁第七頁，共42頁。1910年摩爾根證明基因在染色體上，并提出基因的連鎖互換定律早期基礎理論科技探索之路基礎理論和技術發展催生了基因工程第七頁第八頁，共42頁。1944年艾弗里證明DNA是遺傳物質DNA可從一種生物個體轉移到另一種生物個體后期基礎理論科技探索之路基礎理論和技術發展催生了基因工程第八頁第九頁，共42頁。1953年沃森、克里克提出DNA的雙螺旋結構模型后期基礎理論科技探索之路基礎理論和技術發展催生了基因工程第九頁第十頁，共42頁。1958年梅塞爾松、斯塔爾證明DNA的半保留復制后期基礎理論科技探索之路基礎理論和技術發展催生了基因工程第十頁第十一頁，共42頁。1958年克里克等提出中心法則后期基礎理論科技探索之路基礎理論和技術發展催生了基因工程轉錄翻譯DNAmRNA蛋白質逆轉錄第十一頁第十二頁，共42頁。1963年尼倫伯格和馬太破譯編碼氨基酸的遺傳密碼，1966年霍拉納用實驗加以證明。后期基礎理論科技探索之路基礎理論和技術發展催生了基因工程第十二頁第十三頁，共42頁。科技探索之路基礎理論和技術發展催生了基因工程技術發明1967年基因轉移載體的發現1970年工具酶的發現1965年氨基酸測序和1977年DNA測序技術的發明1972年DNA體外重組的實現1973年重組DNA表達實驗的成功1980年第一例轉基因動物和1983年第一例轉基因植物問世1988年PCR技術的發明第十三頁第十四頁，共42頁。專題一基因工程

(geneengineering)1.1DNA重組技術的基本工具第十四頁第十五頁，共42頁。溫故知新培育轉基因抗蟲棉的簡要過程棉花細胞(不能抗蟲)抗蟲基因轉基因抗蟲棉(能抗蟲)蘇云金芽孢桿菌目的基因提取與運載體DNA拼接導入剪刀針線運載體檢測表達受體細胞分子手術刀分子縫合針分子運輸車第十五頁第十六頁，共42頁。項目內容來源種類及命名識別序列數目作用特點作用結果主要來源于原核生物命名：屬名頭字母（大寫）+種名頭2字母

+菌株名（通常省略）+羅馬數字一種限制酶只能識別一種特定的核苷酸序列，并在特定的位點切割DNA分子。特異性大多數限制酶的識別序列由

個核苷酸組成少數的識別序列由

個核苷酸組成64、5或8產生黏性末端或平末端種類：現已從300微生物中分離出約4000種限制酶作用1、識別雙鏈DNA分子的某種特定核苷酸序列2、在特定序列的特定位點上切割DNA

斷開兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵。一、基因工程的基本工具1、限制（性核酸內切）酶第十六頁第十七頁，共42頁。1’2’3’4’5’脫氧核苷酸的結構第十七頁第十八頁，共42頁。G1’2’3’4’5’1’2’3’4’5’A3’,5’-磷酸二酯鍵3’端5’端3’端5’端磷酸二酯鍵3’5’第十八頁第十九頁，共42頁。仔細觀察各限制酶識別的特定序列有何特點？限制酶的識別序列限制酶所識別的序列的特點是：呈現堿基互補對稱，無論是6個堿基還是4個堿基，都可以找到一條中心軸線，中軸線兩側的雙鏈DNA上的堿基是反向對稱重復排列的，稱為回文序列第十九頁第二十頁，共42頁。中軸線在G與A之間切割大腸桿菌的一種限制酶(EcoRⅠ)只能識別GAATTC序列，并在G和A之間切開。EcoRI限制酶的作用第二十頁第二十一頁，共42頁。

黏性末端黏性末端EcoRI限制酶的切割

被限制酶切開的DNA兩條單鏈的切口，帶有幾個伸出的核苷酸，他們之間正好互補配對，這樣的切口叫黏性末端。第二十一頁第二十二頁，共42頁。SmaI只能識別CCCGGG序列，并在C和G之間切開。中軸線SmaI限制酶的作用在G與C之間切割第二十二頁第二十三頁，共42頁。平末端平末端SmaI限制酶的切割當限制酶從識別序列的中心軸線處切開時，切開的DNA兩條單鏈的切口，是平整的，這樣的切口叫平末端。第二十三頁第二十四頁，共42頁。CTTCATGAATTCCCTAAGAAGTACTTAAGGGATTGGCATCTTAAAATTCCGTAGCTTCATGAATTCCCTAAGAAGTACTTAAGGGATTGGCATCTTAAAATTCCGTAG

目的基因黏性末端練習使用EcoRI剪切目的基因模型構建3第二十四頁第二十五頁，共42頁。為什么限制酶主要是在原核生物中提取的？你能推測限制酶存在于原核生物中的作用是是什么嗎？要想獲得某個特定性狀的目的基因必須要用限制酶切幾個切口？可產生幾個黏性(平)末端？

要切兩個切口，產生四個黏性(平)末端。如果把兩種來源不同的DNA用同種限制酶來切割，會怎樣？會產生相同的黏性(平)末端如果把具有相同黏性(平)末端的DNA連接起來，又會怎樣呢？得到重組DNA尋根問底第二十五頁第二十六頁，共42頁。2.分子縫合針--DNA連接酶項目內容種類(比較)作用對象原理結果E.coliDNA連接酶T4DNA連接酶只作用于

末端主要作用于

末端，還可作用于

末端DNA片段形成磷酸二酯鍵黏性平黏性通過形成新的磷酸二酯鍵，而將兩條DNA的“扶手縫隙”連接起來，形成重組DNA第二十六頁第二十七頁，共42頁。把切下來的DNA片段拼接成新的DNA，即將脫氧核糖和磷酸連接起來催化形成磷酸二酯鍵DNA連接酶的作用第二十七頁第二十八頁，共42頁。兩DNA片段要具有互補的黏性末端才能拼起來DNA連接酶的縫合作用可把黏性末端之間的縫隙“縫合”起來，注意：DNA連接酶可連接雙鏈DNA中的DNA單鏈缺口，但不能連接單鏈DNA！第二十八頁第二十九頁，共42頁。DNA連接酶與DNA聚合酶是一回事嗎？T4DNA連接酶還可把平末端之間的縫隙“縫合”起來，但效率較低DNA連接酶的縫合作用第二十九頁第三十頁，共42頁。DNA聚合酶DNA連接酶區別1區別2相同點尋根問底DNA連接酶與DNA聚合酶是一回事嗎?為什么?1)只能將單個核苷酸連接到已有的核酸片段上，形成磷酸二酯鍵形成磷酸二酯鍵1)在兩個DNA片段之間形成磷酸二酯鍵2)以一條DNA鏈為模板，將單個核苷酸通過磷酸二酯鍵連接成一條互補的DNA鏈2)將DNA雙鏈上的兩個缺口同時連接起來，不需要模板第三十頁第三十一頁，共42頁。限制性內切酶Ⅰ的識別序列和切點是—G↓GATCC—，限制性內切酶Ⅱ的識別序列和切點是—↓GATC—。在質粒上有酶Ⅰ的一個切點，在目的基因的兩側各有一個酶Ⅱ的切點。（1）請畫出質粒被限制酶Ⅰ切割后所形成的黏性末端。（2）請畫出目的基因兩側被限制酶Ⅱ切割后所形成的黏性末端。（3）在DNA連接酶作用下，上述兩種不同限制酶切割后形成的黏性末端能否連接？為什么？

可以連接。因為由兩種不同限制酶切割后形成的黏性末端是相同的（或是可以互補的）小試身手第三十一頁第三十二頁，共42頁。DNA1CTTCATGAATTCCCTAAGAAGTACTTAAGGGATTDNA2GGCATCTTAAAATTCCGTAG

重組DNAGGCATCTTAAAATTCCGTAG練習使用DNA連接酶制作重組DNA分子模型構建4由于切割后的載體和目的基因具有相同的末端，故重組DNA存在3中可能連接。即

、

、

。重組DNA一定是載體-目的基因連接嗎？載體-目的基因載體-載體目的基因-目的基因第三十二頁第三十三頁，共42頁。載體的作用載體的必要條件載體的種類閱讀課本第6頁“分子運輸車”——運載體的相關內容，填寫下表自主學習1）能夠在宿主細胞中復制并穩定地保存。2）具多個限制酶切點，以便與外源基因連接。3）具有某些標記基因，便于進行鑒定和選擇。4）必須是安全的，對受體細胞無害。5）載體DNA分子應大小適中，以便于提取和操作1）作為運載工具，將目的基因導入受體細胞中2）在受體細胞內對目的基因進行大量復制①細菌的質粒②病毒：λ噬菌體衍生物、動植物病毒等。

第三十三頁第三十四頁，共42頁。3.分子運輸車--載體項目內容作用具備條件種類質粒將外源基因送入受體細胞④具有特殊的標記基因，便于進行篩選；質粒、噬菌體和動植物病毒存在于細菌及酵母菌等微生物中，核DNA以外能自我復制的小型環狀DNA分子①對受體細胞無害②具有多個限制酶切點，以便與外源基因插入其中；③能夠在宿主細胞中復制并穩定地保存；載體能對受體細胞有害嗎？載體怎樣才能具有能連接不同目的基因的潛能呢？目的基因怎樣才能在受體細胞分裂時不被丟失從而穩定地存在于子細胞內，同時獲得更多所需要的產品呢？目的基因是否進入受體細胞，你如何察覺？第三十四頁第三十五頁，共42頁。為什么限制酶不剪切細菌本身的DNA？

通過長期的進化，細菌中含有某種限制酶的細胞，其DNA分子中或者不具備這種限制酶的識別切割序列，或者通過甲基化酶將甲基轉移到所識別序列的堿基上，使限制酶不能將其切開。這樣，盡管細菌中含有某種限制酶也不會使自身的DNA被切斷，并且可以防止外源DNA的入侵。DNA連接酶有連接單鏈DNA的本領嗎？迄今為止，所發現的DNA連接酶都不具有連接單鏈DNA的能力，現在還不清楚原因，也許將來會發現可以連接單鏈DNA的酶。天然的DNA分子可以直接用做基因工程載體嗎？為什么？

不是的。實際上自然存在的質粒DNA分子并不完全具備所需的4個條件，都要進行人工改造后才能用于基因工程操作。思考與探究P7第三十五頁第三十六頁，共42頁。基因工程三工具分子手術刀限制（性內切）酶分子縫合針DNA連接酶分子運輸車質粒、病毒等基因工程的原理小結基因的“剪刀”基因的“針線”基因的運載體第三十六頁第三十七頁，共42頁。1.基因工程的正確操作步驟是（）①使目的基因與運載體結合③檢測與表達②將目的基因導入受體細胞④提取目的基因A.③②④①B.②④①③C.④①②③D.③④①②C

2.以下說法正確的是()

A.目的基因是指重組DNA

B.一種限制酶只能識別一種特定的核苷酸序列

C.DNA重組所用的工具酶是限制酶、連接酶和運載體

D.只要受體細胞中含有目的基因，目的基因就一定能成功表達

B小試牛刀第三十七頁第三十八頁，共42頁。4.(多選題)科學家運用基因工程技術,讓羊合成并分泌抗體,相

關敘述中正確的是

()A.該技術導致生物定向變異

B.DNA連接酶把目的基因與運載體黏性末端堿基對連接起來

C.蛋白質中的氨基酸序列可為合成目的基因提供材料

D.受精卵是理想的受體ACD3.下列是由限制酶切割形成的DNA片段，能用相應DNA連接酶將它們恢復連接的組合是（）①…CTGCA…G②…G