高中生物第1章基本工程第1節(jié)基因工程概述第1課時(shí)基因工程的發(fā)展歷程和工具學(xué)案蘇教版選修

第1課時(shí)基因工程的發(fā)展歷程和工具1．簡述基因工程的發(fā)展歷程。2．掌握限制性核酸內(nèi)切酶和DNA連接酶的作用、特點(diǎn)。(重、難點(diǎn))3．掌握質(zhì)粒的含義、特性及其在基因工程中的作用。(重、難點(diǎn))知識(shí)點(diǎn)一|基因工程的發(fā)展歷程和概念1．理論與技術(shù)基礎(chǔ)的發(fā)展1953年：沃森和克里克建立了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型?！?957年：科恩伯格等首次發(fā)現(xiàn)DNA聚合酶?！?958年：梅塞爾森和斯塔爾發(fā)現(xiàn)DNA半保留復(fù)制的機(jī)理。克里克提出中心法則?！?961～1966年：尼倫伯格等破譯遺傳密碼?！?967年：羅思和赫林斯基發(fā)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)工具質(zhì)粒。同年，科學(xué)家在大腸桿菌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)DNA連接酶?！?970年：特明和巴爾的摩各自在RNA病毒中發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶。史密斯等人分離到限制性核酸內(nèi)切酶。↓1977年：桑格首次完整基因組的測序工作。2．重組DNA技術(shù)的發(fā)展(1)1972年科學(xué)家伯格等實(shí)驗(yàn)。①過程：eq\b\lc\\rc\](\a\vs4\al\co1(猿猴病毒SV40的DNA,↑,同一種限制性核酸內(nèi)切酶,↓,λ噬菌體的DNA))eq\o(→,\s\up10(DNA連接酶))eq\a\vs4\al(重組的雜種,DNA分子)②成就：世界上首次DNA分子體外重組。(2)1973年科學(xué)家科恩等實(shí)驗(yàn)。eq\b\lc\\rc\](\a\vs4\al\co1(大腸桿菌質(zhì)粒DNA（含卡那霉素抗性基因）,↑,同一種限制性核酸內(nèi)切酶,↓,大腸桿菌質(zhì)粒DNA（含四環(huán)素抗性基因）))eq\o(→,\s\up10(DNA連接酶))重組DNA分子eq\o(→,\s\up10(轉(zhuǎn)化))大腸桿菌→子代大腸桿菌(雙重抗性)(3)不同物種間DNA重組實(shí)驗(yàn)。①過程：非洲爪蟾核糖體蛋白基因的DNA片段＋大腸桿菌質(zhì)?！亟MDNA→轉(zhuǎn)入大腸桿菌→轉(zhuǎn)錄出相應(yīng)mRNA。②成就：打破了傳統(tǒng)的種間遺傳物質(zhì)不能交換的重重壁壘，開創(chuàng)了基因工程。3．基因工程的概念方法在體外通過人工“剪切”和“拼接”等方法原理對(duì)生物的基因進(jìn)行改造和重新組合操作水平基因水平目的產(chǎn)生人類需要的基因產(chǎn)物eq\a\vs4\al([合作探討])使大米擁有某些細(xì)菌才具有的抗蟲基因能夠減少化學(xué)殺蟲劑的使用量，既高產(chǎn)又環(huán)保。請你結(jié)合以上內(nèi)容探究下列問題。探討eq\a\vs4\al(1)：你知道擁有某些細(xì)菌抗蟲基因的大米是通過何種技術(shù)培育出來的嗎？提示：基因工程。探討eq\a\vs4\al(2)：通過分析基因工程的概念，討論基因工程的原理是什么？與有性雜交育種有何區(qū)別？提示：原理：基因重組。區(qū)別：打破物種限制，實(shí)現(xiàn)不同物種間的基因交流。探討eq\a\vs4\al(3)：將人的胰島素基因?qū)氪竽c桿菌體內(nèi)，通過大腸桿菌能大量生產(chǎn)人胰島素。請分析人胰島素基因能在大腸桿菌體內(nèi)表達(dá)的理論基礎(chǔ)是什么？提示：生物共用一套遺傳密碼。eq\a\vs4\al([思維升華])1．基因重組的三種主要類型(1)交叉互換：減數(shù)第一次分裂四分體時(shí)期，同源染色體上的非姐妹染色單體間的交叉互換。(2)自由組合：減數(shù)第一次分裂后期，非同源染色體上的非等位基因隨著非同源染色體的自由組合而組合。(3)基因工程：轉(zhuǎn)基因生物因外源基因?qū)攵@得的新性狀是可以遺傳的。2．基因工程的理論基礎(chǔ)(1)拼接的基礎(chǔ)：①基本組成單位相同：不同生物的DNA分子都是由脫氧核苷酸構(gòu)成的。②空間結(jié)構(gòu)相同：不同生物的DNA分子一般都是由兩條反向平行的脫氧核苷酸長鏈形成的規(guī)則的雙螺旋結(jié)構(gòu)。③堿基配對(duì)方式相同：不同生物的DNA分子中兩條鏈之間的堿基配對(duì)方式均是A與T配對(duì)，G與C配對(duì)。(2)表達(dá)的基礎(chǔ)：生物界共用一套遺傳密碼，相同的遺傳信息在不同生物體內(nèi)可表達(dá)出相同的蛋白質(zhì)。1．干擾素是治療癌癥的重要藥物，它必須從血液中提取，每升人血中只能提取0.5μg，所以價(jià)格昂貴。美國加利福尼亞的某生物制品公司用如下方法生產(chǎn)干擾素。如圖所示，可以看出該公司生產(chǎn)干擾素運(yùn)用的方法是()A．個(gè)體間的雜交 B．基因工程C．細(xì)胞融合 D．器官移植【解析】從圖中可以看出整個(gè)過程為將人的淋巴細(xì)胞中控制干擾素合成的基因與質(zhì)粒結(jié)合后導(dǎo)入酵母菌，并從酵母菌產(chǎn)物中提取干擾素，這項(xiàng)技術(shù)為基因工程?！敬鸢浮緽2．下列對(duì)基因工程的理解，正確的是()①它是一種按照人們的意愿，定向改造生物遺傳特性的工程②可對(duì)基因隨意進(jìn)行人為改造③是體外進(jìn)行的人為的基因重組④在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，利用相關(guān)的酶和原料合成DNA⑤主要技術(shù)為體外DNA重組技術(shù)和轉(zhuǎn)基因技術(shù)⑥在DNA分子水平上進(jìn)行操作⑦一旦成功，便可遺傳A．①②③④⑤⑥ B．①③④⑤⑥⑦C．①③⑤⑥⑦ D．①②③⑤⑥⑦【解析】基因工程可以對(duì)生物的基因進(jìn)行改造和重新組合，然后導(dǎo)入受體細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行無性繁殖，使重組基因在受體細(xì)胞內(nèi)表達(dá)，產(chǎn)生出人類所需要的基因產(chǎn)物，而不是對(duì)基因進(jìn)行人為改造?！敬鸢浮緾知識(shí)點(diǎn)二|基因工程的工具——酶與載體1．限制性核酸內(nèi)切酶(也稱“限制酶”)(1)來源：主要來自于原核生物。(2)特點(diǎn)：具有專一性。①識(shí)別雙鏈DNA分子的某種特定的脫氧核苷酸序列。②切割特定脫氧核苷酸序列中的特定位點(diǎn)。(3)作用：斷開每一條鏈中特定部位的兩個(gè)脫氧核苷酸之間的磷酸二酯鍵。(4)結(jié)果：產(chǎn)生黏性末端或平口末端。2．DNA連接酶——“分子針線”(1)作用：將雙鏈DNA片段“縫合”，恢復(fù)被限制性核酸內(nèi)切酶切開的兩個(gè)脫氧核苷酸之間的磷酸二酯鍵。(2)結(jié)果：形成重組DNA分子。3．載體——運(yùn)載工具(1)功能：將外源基因?qū)胧荏w細(xì)胞。(2)種類：質(zhì)粒、λ噬菌體的衍生物以及一些動(dòng)、植物病毒。(3)質(zhì)粒①本質(zhì)：來自細(xì)菌細(xì)胞中的一種很小的環(huán)狀DNA分子，是最早應(yīng)用的載體。②組成：最簡單的質(zhì)粒載體必須包括復(fù)制區(qū)、標(biāo)記基因、目的基因插入位點(diǎn)。eq\a\vs4\al([合作探討])我國科學(xué)家已成功將與植物花青素代謝有關(guān)的基因?qū)牖ɑ苤参锇珷颗Ｖ校D(zhuǎn)基因矮牽牛呈現(xiàn)出自然界沒有的顏色變異，大大提高了花卉的觀賞價(jià)值。請你依據(jù)以上材料探究下列問題：探討eq\a\vs4\al(1)：科學(xué)家進(jìn)行轉(zhuǎn)基因技術(shù)操作時(shí)，需要用到哪些基本的工具？提示：限制性核酸內(nèi)切酶、DNA連接酶和載體。探討eq\a\vs4\al(2)：結(jié)合DNA復(fù)制的過程分析，限制性核酸內(nèi)切酶和DNA解旋酶的作用部位有何不同？提示：限制性核酸內(nèi)切酶作用于磷酸和脫氧核糖之間的磷酸二酯鍵，DNA解旋酶作用于堿基對(duì)之間的氫鍵。探討eq\a\vs4\al(3)：下圖所示過程是哪類酶作用的結(jié)果？該酶識(shí)別的堿基序列及切點(diǎn)是什么？這體現(xiàn)了該類酶具有什么特性？提示：限制性核酸內(nèi)切酶。識(shí)別的堿基序列為GAATTC，切點(diǎn)在G和A之間。特異性。探討eq\a\vs4\al(4)：質(zhì)粒的化學(xué)本質(zhì)是什么？來源于何類生物？提示：化學(xué)本質(zhì)：環(huán)狀DNA分子。來源：細(xì)菌、酵母菌。eq\a\vs4\al([思維升華])1．限制性核酸內(nèi)切酶與DNA連接酶的比較(1)區(qū)別：作用應(yīng)用限制性核酸內(nèi)切酶使特定部位的磷酸二酯鍵斷開用于提取目的基因和切割載體DNA連接酶在DNA片段之間重新形成磷酸二酯鍵用于基因表達(dá)載體的構(gòu)建(2)兩者的關(guān)系可表示為：2．DNA連接酶與DNA聚合酶的比較項(xiàng)目DNA連接酶DNA聚合酶相同點(diǎn)催化兩個(gè)脫氧核苷酸之間形成磷酸二酯鍵不同點(diǎn)模板不需要模板需要DNA的一條鏈為模板作用對(duì)象游離的DNA片段單個(gè)的脫氧核苷酸作用結(jié)果形成完整的DNA分子形成DNA的一條鏈用途基因工程DNA復(fù)制[特別提醒](1)不同DNA分子用同一種限制性核酸內(nèi)切酶切割形成的黏性末端都相同；同一個(gè)DNA分子用不同的限制性核酸內(nèi)切酶切割，產(chǎn)生的黏性末端一般不相同。(2)DNA連接酶無識(shí)別的特異性，DNA連接酶對(duì)于黏性末端或平口末端都能催化其“縫合”，重新形成DNA分子。3．載體的作用、條件、種類及質(zhì)粒的相關(guān)知識(shí)作用將外源基因送入受體細(xì)胞條件①能在宿主細(xì)胞內(nèi)復(fù)制并穩(wěn)定地保存②具有多個(gè)限制性核酸內(nèi)切酶切點(diǎn)③具有某些標(biāo)記基因種類常用的載體有質(zhì)粒、λ噬菌體、動(dòng)植物病毒質(zhì)粒①質(zhì)粒是最早應(yīng)用的載體②結(jié)構(gòu)：細(xì)菌細(xì)胞中的很小的環(huán)狀DNA分子③特性：質(zhì)粒的存在對(duì)宿主細(xì)胞無影響④重組質(zhì)粒的形成：用同一種限制性核酸內(nèi)切酶切割質(zhì)粒和外源DNA分子，并通過DNA連接酶的連接，就能將質(zhì)粒和外源DNA分子組成一個(gè)重組質(zhì)粒(重組DNA分子)[特別提醒](1)一般來說，天然載體往往不能滿足人類的所有要求，因此人們常根據(jù)不同的目的和需要，對(duì)某些天然的載體進(jìn)行人工改造。(2)常見的標(biāo)記基因有抗生素抗性基因、產(chǎn)生特定顏色的表達(dá)產(chǎn)物基因、發(fā)光基因等。(3)注意與細(xì)胞膜上載體的區(qū)別，兩者的化學(xué)本質(zhì)和作用都不相同。(4)質(zhì)粒能自我復(fù)制，其復(fù)制場所既可是自身細(xì)胞、受體細(xì)胞內(nèi)，也可以是體外。1．基因的運(yùn)輸工具——載體，必須具備的條件之一及理由是()A．能夠在宿主細(xì)胞中穩(wěn)定地保存下來并大量復(fù)制，以便提供大量的目的基因B．具有多個(gè)限制酶切點(diǎn)，以便于目的基因的表達(dá)C．具有某些標(biāo)記基因，以便為目的基因的表達(dá)提供條件D．能夠在宿主細(xì)胞中復(fù)制并穩(wěn)定保存，以便于進(jìn)行篩選【解析】載體作為目的基因的運(yùn)輸工具，能將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞。作為載體必須具備三個(gè)條件：①能夠在宿主細(xì)胞中穩(wěn)定地保存，并能夠復(fù)制，以便提供大量的目的基因；②有一個(gè)至多個(gè)限制酶切割位點(diǎn)，便于與外源基因結(jié)合；③具有標(biāo)記基因，便于進(jìn)行檢測和篩選?！敬鸢浮緼2．目前基因工程所用的質(zhì)粒載體主要是以天然細(xì)菌質(zhì)粒的各種元件為基礎(chǔ)重新組建的人工質(zhì)粒，pBR322質(zhì)粒是較早構(gòu)建的質(zhì)粒載體，其主要結(jié)構(gòu)如下圖所示。(1)構(gòu)建人工質(zhì)粒時(shí)要有抗性基因，以便于_________________。(2)pBR322質(zhì)粒中有單個(gè)EcoRⅠ限制酶作用位點(diǎn)，EcoRⅠ只能識(shí)別序列—GAATTC—，并只能在G和A之間切割。若在某目的基因的兩側(cè)各有1個(gè)EcoRⅠ的切點(diǎn)，請畫出目的基因兩側(cè)被限制酶EcoRⅠ切割后所形成的黏性末端：__________________________。(3)pBR322質(zhì)粒中另有單個(gè)的BamHⅠ限制酶作用位點(diǎn)，現(xiàn)將經(jīng)BamHⅠ處理后的質(zhì)粒與用另一種限制酶BglⅡ處理得到的目的基因，通過DNA連接酶作用恢復(fù)________鍵，成功獲得了重組質(zhì)粒，說明__________________________。(4)為了檢測上述重組質(zhì)粒是否導(dǎo)入原本無ampR和tetR的大腸桿菌，將大腸桿菌在含氨芐青霉素的培養(yǎng)基上培養(yǎng)，得到如圖二的菌落。再將滅菌絨布按到培養(yǎng)基上，使絨布面沾上菌落，然后將絨布按到含四環(huán)素的培養(yǎng)基上培養(yǎng)，得到如圖三的結(jié)果(空圈表示與圖二對(duì)照無菌落的位置)，與圖三空圈相對(duì)應(yīng)的圖二中的菌落表現(xiàn)型是___________________________________，圖三結(jié)果顯示，多數(shù)大腸桿菌導(dǎo)入的是______________________________________?！窘馕觥?1)質(zhì)粒作為基因表達(dá)載體的條件之一是要有抗性基因，以便于鑒別目的基因是否導(dǎo)入受體細(xì)胞或篩選導(dǎo)入目的基因的受體細(xì)胞。(2)同一限制酶切割DNA分子產(chǎn)生的黏性末端相同，根據(jù)題意可知：該目的基因兩側(cè)被限制酶EcoRⅠ切割后所形成的黏性末端為：目的基因—GAATTC—……—GAATTC——CTTAAG—……—CTTAAG—(3)DNA連接酶催化兩個(gè)DNA片段形成磷酸二酯鍵；而通過DNA連接酶作用能將兩個(gè)DNA分子片段連接，表明經(jīng)兩種限制酶(BamHⅠ和BglⅡ)切割得到的DNA片段，其黏性末端相同。(4)由題意知：由于與圖三空圈相對(duì)應(yīng)的大腸桿菌能在含氨芐青霉素的培養(yǎng)基上生長，而不能在含四環(huán)素的培養(yǎng)基上生長，故可推知與圖三空圈相對(duì)應(yīng)的圖二中的菌落能抗氨芐青霉素，但不能抗四環(huán)素。由圖二、圖三結(jié)果顯示，多數(shù)大腸桿菌都能抗氨芐青霉素，而經(jīng)限制酶BamHⅠ作用后，標(biāo)記基因tetR被破壞，故導(dǎo)入目的基因的大腸桿菌不能抗四環(huán)素，即多數(shù)大腸桿菌導(dǎo)入的是pBR322質(zhì)粒?！敬鸢浮?1)鑒別目的基因是否導(dǎo)入受體細(xì)胞或篩選導(dǎo)入目的基因的受體細(xì)胞(2)如下所示：目的基因—GAATTC—……—GAATTC——CTTAAG—……—CTTAAG—(3)磷酸二酯兩種限制酶(BamHⅠ和BglⅡ)切割得到的黏性末端相同(4)能抗氨芐青霉素，但不能抗四環(huán)素pBR322質(zhì)粒[課堂小結(jié)]知識(shí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建核心語句歸納1.基因工程是在DNA分子水平上進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工的，又叫做DNA重組技術(shù)。2.基因工程的原理是基因重組，處理對(duì)象是DNA或基因。3.限制性核酸內(nèi)切酶是能夠識(shí)別和切割DNA分子的酶，又叫限制酶。DNA連接酶能將被限制性核酸內(nèi)切酶切開的磷酸二酯鍵重新形成。4.載體的作用是與含有外源基因(目的基因)的DNA片段結(jié)合，將外源基因送入受體細(xì)胞中。1．基因工程是一種新興生物技術(shù)，實(shí)施該工程的最終目的是()A．定向提取生物體DNA分子B．定向?qū)NA分子進(jìn)行人工“剪切”C．在生物體外對(duì)DNA分子進(jìn)行改造D．定向改造生物的遺傳性狀【解析】基因工程也稱DNA重組技術(shù)，它是按照人類的意愿，將某種基因有計(jì)劃地轉(zhuǎn)移到另一種生物中的新技術(shù)，故實(shí)施該工程的最終目的是定向改造生物的遺傳性狀?！敬鸢浮緿2．限制性內(nèi)切酶的作用實(shí)際上就是把DNA上某些化學(xué)鍵打斷，一種能對(duì)GAATTC專一識(shí)別的限制酶，打斷的化學(xué)鍵是()A．G與A之間的鍵B．G與C之間的鍵C．A與T之間的鍵D．磷酸與脫氧核糖之間的鍵【解析】限制酶主要從原核生物中分離、純化出來，它能夠識(shí)別