高中生物 專題1 第2節(jié) 基因工程的基本操作程序課件 新人教版選修3.ppt

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成才之路生物,路漫漫其修遠(yuǎn)兮吾將上下而求索,人教版選修3,基因工程,專題一,第二節(jié)基因工程的基本操作程序,專題一,1了解目的基因獲取的常見方法。2理解基因表達(dá)載體的構(gòu)建是基因工程的核心。(重、難點(diǎn))3掌握將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的方法。(重點(diǎn))4理解目的基因的檢測與鑒定。,基因工程的基本操作程序主要包括四個(gè)步驟：_、_、_、_。一、目的基因的獲取1從基因文庫中獲取目的基因：將含有某種生物_的許多DNA片段，導(dǎo)入受體菌的群體中儲(chǔ)存，各個(gè)受體菌分別含有這種生物的_，稱為基因文庫?；蛭膸炜纱罂尚。绻艘环N生物所有的基因，就叫_；如果它只包含一種生物的一部分基因，就叫_，如_。,目的基因的獲取,基因表達(dá)載體的構(gòu)建,將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞,目的基因的檢測與鑒定,不同基因,不同基因,基因組文庫,部分基因文庫,cDNA文庫,2從基因文庫中獲取目的基因的具體方法：可根據(jù)基因的_序列、基因的功能、基因在染色體上的位置、基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物mRNA以及基因翻譯產(chǎn)物_等特性來獲取目的基因。3利用PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因：PCR技術(shù)是一項(xiàng)在生物體外_特定DNA片段的核酸合成技術(shù)。(1)原理：利用_原理，將基因的核苷酸序列不斷加以復(fù)制，使其呈指數(shù)方式增加。指數(shù)擴(kuò)增約為2n(n為擴(kuò)增循環(huán)的次數(shù))。,核苷酸,蛋白質(zhì),復(fù)制,DNA雙鏈復(fù)制,(2)條件：已知目的基因的一段_序列、_、_、_。(3)過程：目的基因DNA受熱變性后解鏈為_，與引物結(jié)合，然后在_的作用下進(jìn)行延伸形成DNA。4人工合成法：_比較小，核苷酸序列已知，可以人工合成。,核苷酸,引物,模板DNA,DNA聚合酶,單鏈,DNA聚合酶,基因,是使目的基因在受體細(xì)胞中穩(wěn)定存在，并可以遺傳給下一代，同時(shí)，使目的基因能夠表達(dá)和發(fā)揮作用,結(jié)構(gòu)基因,啟動(dòng)子,DNA片段,RNA聚合酶,蛋白質(zhì),為了鑒別受體細(xì)胞中是否含有目的基因，從而將含有目的基因的細(xì)胞篩選出來,抗生素抗性基因,農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法,Ti質(zhì)粒的TDNA,表達(dá),基因槍法,花粉管通道法,顯微注射技術(shù),繁殖快、多為單細(xì)胞、遺傳物質(zhì)相對(duì)較少等,鈣離子,重組表達(dá)載體,DNA分子,目的基因,DNA分子雜交技術(shù),轉(zhuǎn)錄出mRNA,mRNA與DNA雜交技術(shù),翻譯成蛋白質(zhì),抗原抗體雜交法,思維激活1為什么要用同一種限制酶切割質(zhì)粒和含目的基因的DNA分子？2用于構(gòu)建基因表達(dá)載體的質(zhì)粒為什么必須具有啟動(dòng)子和終止子？3植物基因工程常用的受體細(xì)胞為什么可以是體細(xì)胞，而動(dòng)物基因工程一般只用受精卵？,答案1目的是產(chǎn)生相同的黏性末端，便于兩者完全拼接。2導(dǎo)入到受體細(xì)胞的目的基因的表達(dá)需要調(diào)控序列，因此在插入目的基因的部位之前需有啟動(dòng)子，之后需有終止子。3植物細(xì)胞的全能性較高，可經(jīng)植物組織培養(yǎng)過程成為完整植物體，因此受體細(xì)胞可以是受精卵也可以是體細(xì)胞；動(dòng)物體細(xì)胞的全能性受到嚴(yán)格限制，因此動(dòng)物基因工程中的受體細(xì)胞一般只用受精卵。,一、目的基因的獲取目的基因的獲取概括地說主要有兩條途徑：可以從自然界中已有的物種中分離出來可以用人工的方法合成,1從基因文庫中獲取目的基因：基因文庫的構(gòu)建實(shí)際上就遵循基因工程的基本操作程序。做法是：將某種生物體內(nèi)的DNA全部提取出來，選用適當(dāng)?shù)南拗菩院怂醿?nèi)切酶，將DNA切成一定范圍大小的DNA片段，然后，將這些DNA片段分別與載體連接起來，導(dǎo)入受體菌的群體中儲(chǔ)存，每個(gè)受體菌都包含了一段不同的DNA片段。也就是說，這個(gè)群體包含了這種生物的所有基因，構(gòu)成了這種生物的基因組文庫。如果用某種生物發(fā)育的某個(gè)時(shí)期的mRNA反轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的多種互補(bǔ)DNA(也叫cDNA)片段，與載體連接后儲(chǔ)存在一個(gè)受體菌群中，那么，這個(gè)受體菌群體就叫做這種生物的cDNA文庫。cDNA文庫與基因文庫的區(qū)別可具體參閱教材中的“生物技術(shù)資料卡”。,2利用PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因：PCR技術(shù)是利用DNA雙鏈復(fù)制的原理，將基因的核苷酸序列不斷地加以復(fù)制，使其數(shù)量呈指數(shù)方式增加。利用PCR技術(shù)獲取目的基因的前提，是要有一段已知目的基因的核苷酸序列，以便根據(jù)這一序列合成引物。擴(kuò)增的過程是：目的基因DNA受熱變性后解鏈為單鏈，引物與單鏈相應(yīng)互補(bǔ)序列結(jié)合，然后在DNA聚合酶作用下進(jìn)行延伸，如此重復(fù)循環(huán)多次。上述過程可以在PCR擴(kuò)增儀中自動(dòng)完成。,3人工合成目的基因：人工合成目的基因的方法主要有兩種。(1)反轉(zhuǎn)錄法：主要用于相對(duì)分子質(zhì)量較大而又不知其序列的基因，它是以目的基因的mRNA為模板，借助反轉(zhuǎn)錄酶合成堿基互補(bǔ)的單鏈DNA，然后在DNA聚合酶的作用下合成雙鏈DNA。(2)化學(xué)合成法：即依照某一蛋白質(zhì)的氨基酸序列，通過密碼子推算出其基因序列，然后直接合成目的基因。知識(shí)貼士：由于真核細(xì)胞的基因含有不表達(dá)的DNA片段，不能直接用于基因的擴(kuò)增和表達(dá)，因此，在獲取真核細(xì)胞中的目的基因時(shí)，一般是用人工合成目的基因的方法。,目的基因的分離是基因工程研究中的主要方面和操作關(guān)鍵。下面甲、乙圖表示從真核生物細(xì)胞中獲取目的基因的兩種方法，請(qǐng)回答下列問題。,(1)在甲圖中，a過程是在_酶的作用下完成的。如果用該類酶中的一種，不一定能獲取目的基因，其原因是_。(2)在乙圖中，c過程在遺傳學(xué)上稱為_，d過程稱為_，d過程需以mRNA為模板，_為原料，還需要的條件是ATP、_、DNA聚合酶等。(3)除了上述兩種方法可以獲取目的基因外，請(qǐng)你再寫出一種方法：_。,解析獲取目的基因的方法較多，甲是通過限制酶獲取目的基因，但由于切割位點(diǎn)可能在基因內(nèi)部，故可能得不到想要的目的基因；乙是通過信使RNA逆轉(zhuǎn)錄形成DNA(目的基因)的過程；此外，還可通過蛋白質(zhì)中氨基酸的排列順序推測基因的脫氧核苷酸序列，再進(jìn)行化學(xué)合成。答案(1)限制性核酸內(nèi)切一種限制性核酸內(nèi)切酶只能對(duì)特定的堿基序列進(jìn)行切割，此序列若在目的基因內(nèi)部，則不能得到目的基因(2)轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄脫氧核苷酸逆轉(zhuǎn)錄酶(3)根據(jù)已知蛋白質(zhì)中的氨基酸序列，可以推知基因的脫氧核苷酸序列，再進(jìn)行化學(xué)合成,下列獲取目的基因的方法中需要模板鏈的是()從基因文庫中獲取目的基因利用PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因反轉(zhuǎn)錄法通過DNA合成儀利用化學(xué)方法人工合成ABCD答案D,解析PCR利用的是DNA雙鏈復(fù)制原理。即將雙鏈DNA之間的氫鍵打開，變成單鏈DNA，作為聚合反應(yīng)的模板。反轉(zhuǎn)錄法則是以目的基因轉(zhuǎn)錄成的信使RNA為模板，在逆轉(zhuǎn)錄酶的作用下，先反轉(zhuǎn)錄形成互補(bǔ)的單鏈DNA，再合成雙鏈的DNA。則均不需要模板。,二、基因表達(dá)載體的構(gòu)建基因表達(dá)載體的構(gòu)建是實(shí)施基因工程的第二步，也是基因工程的核心。1構(gòu)建目的：其目的是使目的基因在受體細(xì)胞中穩(wěn)定存在，并且可以遺傳給下一代，同時(shí)使目的基因能夠表達(dá)和發(fā)揮作用。,2表達(dá)載體的組成：啟動(dòng)子目的基因終止子標(biāo)記基因。(1)目的基因外源DNA分子的有效片段。(2)啟動(dòng)子一段有特殊結(jié)構(gòu)的DNA片段，位于基因的首端，它是RNA聚合酶的識(shí)別和結(jié)合部位，有了它才能驅(qū)動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄出mRNA，最終獲得所需的蛋白質(zhì)。,(3)終止子位于基因的尾端，也是一段有特殊結(jié)構(gòu)的DNA短片段。終止子相當(dāng)于一盞紅色信號(hào)燈，使轉(zhuǎn)錄到此終止。(4)標(biāo)記基因鑒別受體細(xì)胞中是否含有目的基因，從而將含有目的基因的細(xì)胞篩選出來，如抗生素抗性基因就可以作為這種基因。,3目的基因與載體的結(jié)合：將目的基因與載體結(jié)合的過程，實(shí)際上是不同來源的DNA重新組合的過程。如果以質(zhì)粒為載體，將目的基因與質(zhì)粒結(jié)合的步驟是：(1)用一定的限制酶切割質(zhì)粒，使其出現(xiàn)一個(gè)有黏性末端的切口。(2)用同種限制酶切斷目的基因，產(chǎn)生相同的黏性末端。(3)將切下的基因片段，插入到質(zhì)粒的切口處，再加入適量DNA連接酶，使質(zhì)粒與目的基因結(jié)合成重組質(zhì)粒。,4差異性：由于受體細(xì)胞有動(dòng)物、植物、微生物之分，加之目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的方法不同，所以表達(dá)載體的構(gòu)建也會(huì)有差異性。知識(shí)貼士：生物之間進(jìn)行基因交流，需使用啟動(dòng)子和終止子才能比較有利于基因的表達(dá)。如通過cDNA文庫獲得的目的基因沒有啟動(dòng)子，只將編碼序列導(dǎo)入受體生物中，此目的基因無法進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。目的基因是否導(dǎo)入受體生物中需要有篩選標(biāo)記。為了增強(qiáng)目的基因的表達(dá)水平，往往還要增加一些其他調(diào)控元件，如增強(qiáng)子等。,有時(shí)需要確定目的基因表達(dá)的產(chǎn)物存在于細(xì)胞的什么部位，往往要加上可以標(biāo)記存在部位的基因(或做成目的基因與標(biāo)記基因的融合基因)，如綠色熒光蛋白基因等。,下表中列出了幾種限制酶識(shí)別序列及其切割位點(diǎn)，圖1、圖2中箭頭表示相關(guān)限制酶的酶切點(diǎn)。請(qǐng)回答下列問題：,(1)一個(gè)圖1所示的質(zhì)粒分子經(jīng)Sma切割前后，分別含有_個(gè)游離的磷酸基團(tuán)。(2)若對(duì)圖中質(zhì)粒進(jìn)行改造，插入的Sma酶切位點(diǎn)越多，質(zhì)粒的熱穩(wěn)定性越_。(3)用圖中的質(zhì)粒和外源DNA構(gòu)建重組質(zhì)粒，不能使用Sma切割，原因是_。(4)與只使用EcoR相比較，使用BamH和Hind兩種限制酶同時(shí)處理質(zhì)粒、外源DNA的優(yōu)點(diǎn)在于可以防止_。(5)為了獲取重組質(zhì)粒，將切割后的質(zhì)粒與目的基因片段混合，并加入_酶。(6)重組質(zhì)粒中抗生素抗性基因的作用是為了_。,解析(1)切割前質(zhì)粒為環(huán)狀，不含游離的磷酸基團(tuán)。切割后質(zhì)粒成了一個(gè)鏈狀的雙鏈DNA分子，含兩個(gè)游離的磷酸基團(tuán)。(2)因?yàn)镾ma識(shí)別序列中均為GC堿基對(duì)，G、C之間含三個(gè)氫鍵，熱穩(wěn)定性高。(3)據(jù)題圖可知，Sma既會(huì)破壞標(biāo)記基因，也會(huì)破壞目的基因。(4)若用同種限制性內(nèi)切酶切割質(zhì)粒和外源DNA中的目的基因，因?yàn)閮啥说酿ば阅┒四軌蚧パa(bǔ)配對(duì)，會(huì)出現(xiàn)自身環(huán)化的情況。而用兩種限制性內(nèi)切酶切割，因?yàn)閮啥诵纬傻酿ば阅┒瞬荒軌蚧パa(bǔ)配對(duì)，不會(huì)出現(xiàn)自身環(huán)化。(5)DNA連接酶可以連接具有能夠互補(bǔ)配對(duì)黏性末端的DNA片段。(6)標(biāo)記基因可以鑒別受體細(xì)胞是否含有目的基因。,答案(1)0、2(2)高(3)Sma會(huì)破壞質(zhì)粒的抗生素抗性基因、外源DNA中的目的基因(4)質(zhì)粒和含目的基因的外源DNA片段自身環(huán)化(5)DNA連接(6)鑒別和篩選含有目的基因的細(xì)胞,(2015聊城檢測)下列關(guān)于基因表達(dá)載體的構(gòu)建描述錯(cuò)誤的是()A基因表達(dá)載體的構(gòu)建是基因工程的核心B基因表達(dá)載體的構(gòu)建包括目的基因、啟動(dòng)子、終止子、標(biāo)記基因等部分C目的基因主要是指編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因D構(gòu)建的基因表達(dá)載體都是相同的答案D,解析基因表達(dá)載體的構(gòu)建是基因工程的第二步，也是基因工程的核心；一個(gè)基因表達(dá)載體的組成除目的基因外還必須具有啟動(dòng)子、終止子、標(biāo)記基因等部分；目的基因主要是指編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因；由于受體細(xì)胞不同，基因表達(dá)載體的構(gòu)建也會(huì)有差別，不可能都是相同的。,三、將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞是實(shí)施基因工程的第三步。目的基因進(jìn)入受體細(xì)胞內(nèi)，并且在受體細(xì)胞內(nèi)維持穩(wěn)定和表達(dá)的過程稱為轉(zhuǎn)化。將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的方法很多，應(yīng)具體情況具體分析。不同受體細(xì)胞導(dǎo)入方法不同。,知識(shí)貼士：農(nóng)桿菌是一種在土壤中生活的微生物，能在自然條件下感染雙子葉植物和裸子植物，而對(duì)大多數(shù)單子葉植物沒有感染力。此外，將目的基因?qū)胫参锛?xì)胞還可采用基因槍法和花粉管通道法。以上介紹的幾種方法，在導(dǎo)入受體細(xì)胞之前，都必須進(jìn)行目的基因表達(dá)載體的構(gòu)建，也就是說導(dǎo)入受體細(xì)胞的必須是重組DNA分子，而不能直接導(dǎo)入目的基因。,采用基因工程的方法培育抗蟲棉，下列導(dǎo)入目的基因的做法正確的是()將毒素蛋白注射到棉受精卵中將編碼毒素蛋白的DNA序列，注射到棉受精卵中將編碼毒素蛋白的DNA序列，與質(zhì)粒重組，導(dǎo)入細(xì)菌，用該細(xì)菌感染棉的體細(xì)胞，再進(jìn)行組織培養(yǎng)將編碼毒素蛋白的DNA序列，與細(xì)菌質(zhì)粒重組，注射到棉的子房并進(jìn)入受精卵ABCD,解析考查基因工程的操作步驟?；蚬こ痰牟僮鞑襟E是：目的基因的獲取基因表達(dá)載體的構(gòu)建目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞目的基因的檢測和鑒定。本題著重考查基因工程步驟中的第三步：目的基因必須與細(xì)菌質(zhì)粒重組，形成目的基因表達(dá)載體，方可導(dǎo)入棉受精卵中。答案C,(2015濰坊檢測)下列關(guān)于目的基因?qū)胛⑸锛?xì)胞的敘述中，不正確的是()A常用原核生物作為受體細(xì)胞，是因?yàn)樵松锓敝晨欤叶酁閱渭?xì)胞、遺傳物質(zhì)相對(duì)較少B受體細(xì)胞所處的一種能吸收周圍環(huán)境中DNA分子的生理狀態(tài)稱為感受態(tài)C感受態(tài)細(xì)胞吸收DNA分子需要適宜的溫度和酸堿度D感受態(tài)細(xì)胞吸收重組表達(dá)載體DNA分子的液體只要調(diào)節(jié)為適宜的pH即可，沒必要用緩沖液,答案D解析由于原核生物繁殖快，且多為單細(xì)胞、遺傳物質(zhì)相對(duì)較少等特點(diǎn)，所以早期的基因工程通常用原核生物作為受體細(xì)胞；受體細(xì)胞經(jīng)Ca2處理后，處于一種能吸收周圍環(huán)境中DNA分子的生理狀態(tài)，稱為感受態(tài)；感受態(tài)細(xì)胞吸收DNA分子需要在適宜的溫度和酸堿度的緩沖液中完成。,四、目的基因的檢測與鑒定目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞后，是否可以穩(wěn)定維持和表達(dá)其中遺傳特性，只有通過檢測與鑒定才能知道。這是基因工程的第四步工作，也是檢查基因工程是否做成功的一步。目的基因的檢測內(nèi)容和方法的比較如下表：,知識(shí)貼士：目的基因在受體細(xì)胞中的存在與表達(dá)是有區(qū)別的。目的基因被受體細(xì)胞攝取是表達(dá)的前提，但是被攝取并不意味著被表達(dá)。由于各種因素的影響，有時(shí)還需要采取一定的措施去促使目的基因的表達(dá)。DNA探針的應(yīng)用所依據(jù)的原理是DNA分子雜交。DNA分子雜交是指DNA片段在適合的條件下能和與之互補(bǔ)的另一個(gè)片段結(jié)合。如果對(duì)最初的DNA片段進(jìn)行標(biāo)記，即成為探針。,目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞后，是否可以穩(wěn)定維持和表達(dá)其遺傳特性，只有通過鑒定和檢測才能知道。下列屬于目的基因檢測和鑒定的是()檢測受體細(xì)胞是否有目的基因檢測受體細(xì)胞是否有致病基因檢測目的基因是否轉(zhuǎn)錄檢測目的基因是否翻譯成蛋白質(zhì)ABCD,解析本題考查目的基因的檢測與鑒定。目的基因的檢測首先要檢測轉(zhuǎn)基因生物染色體的DNA上是否插入了目的基因，方法是用DNA分子雜交技術(shù)，使DNA探針與基因組DNA雜交；其次檢測目的基因是否轉(zhuǎn)錄出了mRNA，方法是用基因探針與mRNA雜交；最后檢測目的基因是否翻譯成了蛋白質(zhì)，方法是用抗原抗體雜交。答案C,利用外源基因在受體細(xì)胞中表達(dá)，可生產(chǎn)人類所需要的產(chǎn)品。下列各項(xiàng)中能說明目的基因完成了在受體細(xì)胞中表達(dá)的是()A棉花二倍體細(xì)胞中檢測到細(xì)菌的抗蟲基因B大腸桿菌中檢測到人胰島素基因及其mRNAC山羊乳腺細(xì)胞中檢測到人生長激素DNA序列D酵母菌細(xì)胞中提取到人干擾素蛋白答案D,一、易混淆概念辨析1基因、基因文庫、目的基因(1)基因是有遺傳效應(yīng)的DNA片段，是控制性狀的遺傳物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)和功能單位，基因的脫氧核苷酸序列代表遺傳信息。,(2)基因文庫是將含有某種生物不同基因的許多DNA片段，導(dǎo)入受體菌的群體中通過克隆而儲(chǔ)存，各個(gè)受體菌分別含有這種生物的不同基因，叫做基因文庫。建立基因文庫的目的就是為獲得大量的目的基因作準(zhǔn)備。如果基因文庫中含有一種生物的所有基因，這個(gè)基因文庫就叫做基因組文庫。如果基因文庫中含有一種生物的部分基因，這個(gè)基因文庫就叫做cDNA文庫?；蛭膸炀拖喈?dāng)于某種生物的基因倉庫，儲(chǔ)備著大量的同種基因。(3)目的基因是基因工程操作中需要的外源基因，它是編碼某種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因，如生物的抗逆性基因、抗蟲基因等。,2DNA復(fù)制、PCR技術(shù)與基因克隆(1)DNA復(fù)制與PCR技術(shù)的比較,(2)克?。河枚喾N限制性核酸內(nèi)切酶或者機(jī)械的方法，將某種生物細(xì)胞中的DNA切成不同片段，并把所有片段隨機(jī)地分別連接到用同種限制酶切過的基因運(yùn)載體上，然后分別轉(zhuǎn)移到適當(dāng)受體細(xì)胞，如細(xì)菌中。通過細(xì)胞增殖而構(gòu)成各個(gè)片段的無性繁殖系。,二、提取目的基因方法的比較,水稻種子中70%的磷以植酸形式存在。植酸易同鐵、鈣等金屬離子或蛋白質(zhì)結(jié)合排出體外，是多種動(dòng)物的抗?fàn)I養(yǎng)因子；同時(shí)，排出的大量磷進(jìn)入水體易引起水華。為從根本上解決水稻中的高植酸問題，可將植酸酶基因?qū)胨荆嘤椭菜徂D(zhuǎn)基因水稻品種。下圖是獲取植酸酶基因的流程。,據(jù)圖回答：(1)圖中基因組文庫_(小于/等于/大于)cDNA文庫。(2)B過程需要的酶是_；A、C過程中_(可以/不可以)使用同一種探針篩選含目的基因的菌株。(3)目的基因和除從構(gòu)建的文庫中分離外，還可以分別利用圖中_和_為模板直接進(jìn)行PCR擴(kuò)增，該過程中所用酶的顯著特點(diǎn)是_。,解析由于mRNA是以DNA一條鏈為模板轉(zhuǎn)錄出來的，所以A、C可以使用同一種探針篩選含目的基因的菌株。答案(1)大于(2)逆轉(zhuǎn)錄酶可以(3)DNAcDNA耐高溫,