基因工程及其應(yīng)用

育種技術(shù)的不斷完善與發(fā)展的動力和原因是超越已有技術(shù)的局限性。育種學(xué)家將如何突破“不能實行種間（不同物種）的基因交流”這一育種技術(shù)的局限呢？選擇育種雜交育種誘變育種優(yōu)點：在自然產(chǎn)生的變異中選擇局限：時間長，選擇范圍有限主要優(yōu)點：集優(yōu)局限：不產(chǎn)生新基因；性狀分離主要優(yōu)點：提高突變率，新基因局限：盲目性；有利變異少同一物種之間適用能發(fā)光的水母請您欣賞能否讓熱帶魚也能發(fā)光?設(shè)想不能發(fā)光的熱帶斑馬魚超級小鼠與超級魚請您欣賞能產(chǎn)生人胰島素的大腸桿菌基因“嫁接”請您欣賞第2節(jié)基因工程及其應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)基因工程的概念、原理基因工程的操作步驟基因工程的應(yīng)用轉(zhuǎn)基因生物和轉(zhuǎn)基因食品的安全性一、基因工程1.概念：2.原理：3.操作水平：4.結(jié)果：

基因拼接技術(shù)或DNA重組技術(shù)。按照人們的意愿，把一種生物的某種基因提取出來，加以修飾改造，然后放到另一種生物的細(xì)胞里，定向地改造生物的遺傳性狀。基因重組DNA分子水平定向地改造生物的遺傳性狀，獲得人類所需要的品種。實現(xiàn)基因在不同物種之間的轉(zhuǎn)移，打破了遠(yuǎn)緣雜交不親和的生殖障礙二、基因操作的工具1.基因的“剪刀”2.基因的“針線”3.基因的運載體（運輸工具）1.基因的“剪刀”來源:特點:“”限制性核酸內(nèi)切酶（限制酶）主要分布在微生物體內(nèi)一種限制酶只能識別一種特定的核苷酸序列，并在特定的切點上切割DNA分子

例如：大腸桿菌的一種EcoRⅠ限制酶能識別GAATTC序列，并在G和A之間切開限制酶（EcoRⅠ）作用過程限制酶作用于何處：磷酸二酯鍵結(jié)果：兩個帶有黏性末端的DNA片段限制酶切開的DNA兩條單鏈的切口，帶有幾個伸出的核苷酸，正好互補配對，此切口叫黏性末端。

被同一種限制酶切斷的幾個DNA是否具有相同的黏性末端？形成的黏性末端不同思考：若用不同的限制酶切割呢？G

AA

TT

CC

TT

AA

GG

AA

TT

CC

TT

AA

GG

C

TT

AA

AA

TT

C

GGC

TT

AA

AA

TT

C

G相同黏性末端

同種限制酶切割形成相同黏性末端G

AA

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CC

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AA

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C

TT

AA

AA

TT

C

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AA

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C

GGC

TT

AA

AA

TT

C

G如何連接起來？2.基因的“針線”DNA連接酶

DNA連接酶的對象是：DNA連接酶連接：脫氧核糖和磷酸間的缺口（形成磷酸二酯鍵）

同種限制酶切割（相同黏性末端）的DNA片段。①模板②原料③能量④酶：DNA復(fù)制的條件

DNA解旋酶，DNA聚合酶等DNA聚合酶：催化單個的脫氧核苷酸相互連接形成磷酸二酯鍵

DNA連接酶：脫氧核糖和磷酸之間的缺口（形成磷酸二酯鍵）基因的針線：DNA連接酶

G

AA

TT

CC

TT

AA

GG

AA

TT

CC

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AA

GGC

TT

AA

AA

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C

GG

C

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AA

AA

TT

C

GGC

TT

AA

AA

TT

C

G用同種限制酶切割3.基因的運載體（2）運載體種類：質(zhì)粒、噬菌體和動植物病毒等將外源目的基因送入受體細(xì)胞，并在受體細(xì)胞內(nèi)使目的基因進(jìn)行大量復(fù)制。（1）運載體的作用（1）本質(zhì)：DNA質(zhì)粒存在于許多細(xì)菌和酵母菌等生物中，是擬核或細(xì)胞核外能夠自主復(fù)制的很小的環(huán)狀DNA分子

（2）質(zhì)粒的存在對宿主細(xì)胞無影響（3）運載體必須具備哪些條件？①能夠在宿主細(xì)胞中大量復(fù)制并穩(wěn)定保存②具有多個限制酶切割位點，以便與外源基因連接③具有標(biāo)記基因，便于進(jìn)行篩選三、基因工程基本步驟提取目的基因1目的基因與運載體結(jié)合2將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞目的基因的檢測與鑒定43（一）提取目的基因供體細(xì)胞取出DNA用限制酶剪去多余部分目的基因限制酶

⑴直接分離基因——鳥槍法⑵人工合成基因（反轉(zhuǎn)錄法和化學(xué)合成法）用限制酶將需要的基因從供體細(xì)胞內(nèi)切割下來。如抗蟲基因，抗病基因、人胰島素基因等用限制酶切斷成許多片段簡介：直接分離基因——鳥槍法將供體細(xì)胞的DNA用限制酶切割成許多片段，再用運載體將這些片段送到受體細(xì)胞中去。只要有一個細(xì)胞獲得了需要的目的基因并得以表達(dá)，基因工程就算成功了

該法最大的缺點：帶有很大的盲目性，工作量大，成功率低。且不能將真核生物的基因（內(nèi)含子和外顯子）轉(zhuǎn)移到原核生物中去。簡介：人工合成基因DNA合成儀①反轉(zhuǎn)錄法：以mRNA為模板，在酶的作用下合成DNA(基因)

②化學(xué)合成法：根據(jù)蛋白質(zhì)的氨基酸順序推算出mRNA核糖核苷酸順序，再據(jù)此推算出基因的脫氧核苷酸順序。用游離脫氧核苷酸直接合成相應(yīng)的DNA。人工合成目的基因遵循堿基互補配對原則（二）目的基因與運載體結(jié)合（1）使用和提取目的基因相同的限制酶切割質(zhì)粒，形成相同的黏性末端細(xì)菌供體細(xì)胞取出質(zhì)粒取出DNA用同種限制酶DNA連接酶（2）目的基因與質(zhì)粒的黏性末端進(jìn)行堿基互補配對，在DNA連接酶作用下形成重組DNA分子目的基因與運載體結(jié)合發(fā)生在細(xì)胞外，并且遵循堿基互補配對原則（3）將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞導(dǎo)入擴增常用的受體細(xì)胞：大腸桿菌、枯草桿菌、酵母菌等常用微生物作受體細(xì)胞的原因：微生物繁殖快、代謝快、目的產(chǎn)物多將重組DNA分子導(dǎo)入受體細(xì)胞主要借助細(xì)菌或病毒侵染細(xì)胞的方法目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞不遵循堿基互補配對原則

檢測：根據(jù)受體細(xì)胞中是否含有標(biāo)記基因，判斷目的基因?qū)肱c否鑒定（表達(dá)）：受體細(xì)胞表現(xiàn)目的基因控制的性狀或獲得目的基因的產(chǎn)物無表達(dá)產(chǎn)物無表達(dá)產(chǎn)物有表達(dá)產(chǎn)物無表達(dá)產(chǎn)物

（四）目的基因的檢測和鑒定目的基因的檢測和鑒定遵循堿基互補配對原則

大量的受體細(xì)胞接受不多的目的基因。處理的受體細(xì)胞中真正攝入了目的基因的很少，必須將它從中檢測出來。將受體細(xì)胞單獨培養(yǎng)成菌落，檢測菌落中是否有目的基因的表達(dá)產(chǎn)物。淘汰無表達(dá)產(chǎn)物的菌落，保留有表達(dá)產(chǎn)物的進(jìn)一步培養(yǎng)、研究。無表達(dá)產(chǎn)物無表達(dá)產(chǎn)物有表達(dá)產(chǎn)物無表達(dá)產(chǎn)物

單細(xì)胞生物的檢測和鑒定

多細(xì)胞生物的檢測，將每個受體細(xì)胞單獨培養(yǎng)并誘導(dǎo)發(fā)育成完整個體，檢測這些個體是否導(dǎo)入目的基因，導(dǎo)入的基因是否表達(dá)（是否表現(xiàn)出相應(yīng)的性狀），淘汰無變化的個體，保留有相應(yīng)變化的個體進(jìn)一步培養(yǎng)、研究。

例：用棉鈴飼喂棉鈴蟲，如蟲吃后不出現(xiàn)中毒癥狀，說明未導(dǎo)入目的基因或?qū)肽康幕蛭幢磉_(dá)。如蟲吃后中毒死亡，則說明導(dǎo)入了抗蟲基因并得到表達(dá)。小結(jié)：基因工程基本步驟提取目的基因1目的基因與運載體結(jié)合2將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞目的基因的檢測與鑒定43能產(chǎn)生人胰島素的大腸桿菌基因“嫁接”請您欣賞

拓展題：

細(xì)菌和人是差異非常大的兩種生物，為什么通過（基因工程）基因重組后，細(xì)菌能夠合成人體的某些蛋白質(zhì)呢？課堂小結(jié)基因的“剪刀”——限制性核酸內(nèi)切酶基因的“針線”——DNA連接酶基因的運輸工具——運載體（質(zhì)粒）1.基因工程的概念2.基因工程操作的基本工具3.基因操作的基本步驟目的基因提取目的基因與運載體結(jié)合目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞目的基因的檢測與鑒定例：下表關(guān)于基因工程中有關(guān)基因操作的名詞及對應(yīng)的內(nèi)容，正確的組合是 （）

C例:要使目的基因與對應(yīng)的載體重組，所需的兩種酶是（）①限制酶②DNA連接酶③解旋酶④還原酶Ａ．①②Ｂ．③④Ｃ．①④Ｄ．②③Ａ基因工程是在DNA分子水平上進(jìn)行設(shè)計施工的。在基因操作的基本步驟中，不進(jìn)行堿基互補配對的步驟是（）A、人工合成目的基因B、目的基因與載體結(jié)合C、將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞D、目的基因的檢測和表達(dá)C能產(chǎn)生人胰島素的大腸桿菌基因“嫁接”請您欣賞

拓展題：

細(xì)菌和人是差異非常大的兩種生物，為什么通過（基因工程）基因重組后，細(xì)菌能夠合成人體的某些蛋白質(zhì)呢？第一：遺傳物質(zhì)都為DNA，結(jié)構(gòu)相同第二：共用一套遺傳密碼第三：遵循中心法則（遵循堿基互補配對原則）四、基因工程的應(yīng)用（一）基因工程與作物育種

1.在農(nóng)作物生產(chǎn)方面目的：培育出高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、抗逆性的優(yōu)良作物及新品種。優(yōu)點：降低生產(chǎn)成本，減少農(nóng)藥的使用對環(huán)境的危害，提高農(nóng)作物對不良環(huán)境的適應(yīng)能力。轉(zhuǎn)魚抗寒基因的番茄不會引起過敏的轉(zhuǎn)基因大豆（一）基因工程與作物育種2.在畜牧養(yǎng)殖方面科學(xué)家利用基因工程的方法培育出了轉(zhuǎn)基因奶牛、超級綿羊等多種轉(zhuǎn)基因動物。生長快、肉質(zhì)好的轉(zhuǎn)基因魚(中國)乳汁中含有人生長激素的轉(zhuǎn)基因牛(阿根廷)(二）基因工程與藥物研制我國生產(chǎn)的部分基因

工程疫苗和藥物許多藥品的生產(chǎn)是從生物組織中提取的。受材料來源限制產(chǎn)量有限，其價格往往十分昂貴。微生物生長迅速，容易控制，適于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。若將生物合成相應(yīng)藥物成分的基因?qū)胛⑸锛?xì)胞內(nèi)，讓它們產(chǎn)生相應(yīng)的藥物，不但能解決產(chǎn)量問題，還能大大降低生產(chǎn)成本。

胰島素從豬、牛等動物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰島素，其產(chǎn)量之低和價格之高可想而知。

將合成的胰島素基因?qū)氪竽c桿菌，每2000L培養(yǎng)液就能產(chǎn)生100g胰島素！使其價格降低了30%-50%!優(yōu)點：能夠高效率地生產(chǎn)出各種高質(zhì)量，低成本的藥品產(chǎn)品名稱菌株或細(xì)胞應(yīng)用人胰島素大腸桿菌人生長激素大腸桿菌表皮生長因子大腸桿菌白細(xì)胞介素-2大腸桿菌a—干擾素酵母菌乙型肝炎疫苗酵母菌溶血栓劑哺乳動物細(xì)胞治療糖尿病治療生長缺陷癥治療燙傷、胃潰瘍治療某些癌癥治療癌癥或病毒感染預(yù)防病毒性肝炎治療心血管?。ㄐ呐K病）

基因工程做成的“超級細(xì)菌”能吞食和分解多種污染環(huán)境的物質(zhì)。

用基因工程培育成功的“超級細(xì)菌”卻能分解石油中的多種烴類化合物；處理工業(yè)廢水等。

科學(xué)家還培育出能吞食轉(zhuǎn)化汞、鎘等重金屬，分解DDT等毒害物質(zhì)的細(xì)菌。（三）基因工程用于環(huán)境保護(hù)

利用基因工程培育的“指示生物”能十分靈敏地反映環(huán)境污染的情況，卻不易因環(huán)境污染而大量死亡，甚至還可以吸收和轉(zhuǎn)化污染物。五、轉(zhuǎn)基因生物和食品的安全性導(dǎo)入貯藏蛋白基因的超級羊和超級小鼠導(dǎo)入人基因具特殊用途的豬和小鼠超級動物特殊動物水母藍(lán)色妖姬

轉(zhuǎn)基因食品

安全嗎?!

閱讀課本Ｐ１０５討論：轉(zhuǎn)基因食品安全嗎？

轉(zhuǎn)基因抗乙肝西紅柿(中國)，雖然不能治愈乙肝，但一年只吃幾個抗乙肝西紅柿，就完全能代替注射乙肝疫苗?？挂腋挝骷t柿屬于轉(zhuǎn)基因食品，就是將乙肝疫苗植入西紅柿內(nèi)，經(jīng)過多代繁殖，使轉(zhuǎn)入的基因穩(wěn)定化。用轉(zhuǎn)基因的植物生產(chǎn)藥物類型雜交育種人工誘變育種單倍體育種多倍體育種基因工程原理常用方法優(yōu)點缺點五種育種方式的比較類型雜交育種人工誘變育種單倍體育種多倍體育種基因工程原理常用方法優(yōu)點缺點五種育種方式的比較基因重組基因突變?nèi)旧w變異基因重組將具有不同優(yōu)良性狀的兩親本雜交用物理或化學(xué)方法處理生物花藥離體培養(yǎng)；人工誘導(dǎo)染色體加倍用秋水仙素處理萌發(fā)的種子或幼苗基因轉(zhuǎn)移集優(yōu)提高變異頻率，新基因明顯縮短育種年限器官大，營養(yǎng)物質(zhì)含量高定向改變生物性狀育種時間長有利變異少不定向性技術(shù)復(fù)雜發(fā)育延遲，結(jié)實率低操作復(fù)雜

與雜交育種、誘變育種相比較，基因工程育種的優(yōu)點有哪些？目的性強（定向地改造生物遺傳性狀）、克服遠(yuǎn)緣雜交不親和的障礙、育種周期短課堂小結(jié)基因的“剪刀”——限制性核酸內(nèi)切酶基因的“針線”——DNA連接酶基因的運輸工具——運載體（質(zhì)粒）1.基因工程的概念2.基因工程操作的基本工具3.基因操作的基本步驟目的基因提取目的基因與運載體結(jié)合目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞目的基因的檢測與鑒定例：基因工程的正確操作步驟是（）

①使目的基因與運載體結(jié)合

②將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞

③檢測目的基因的表達(dá)是否符合特定性狀要求

④提取目的基因

Ａ．③②④①Ｂ．②④①③

Ｃ．④①②③Ｄ．③④①②

Ｃ3.有關(guān)基因工程的敘述中，錯誤的是（）

A、基因工程技術(shù)能定向地改造生物的遺傳性狀，培育生物新品種

B、重組DNA的形成在細(xì)胞內(nèi)完成

C、目的基因須由運載體導(dǎo)入受體細(xì)胞

D、質(zhì)粒都可作為運載體BD練習(xí)質(zhì)粒要經(jīng)過修飾才可以作為運載體1.以下說法正確的是（）

A、所有的限制酶只能識別一種特定的核苷酸序列

B、質(zhì)粒是基因工程中唯一的運載體

C、運載體必須具備的條件之一是：具有多個限制酶切點，以便與外源基因連接

D、DNA連接酶使黏性末段的堿基之間形成氫鍵C練習(xí)2.不屬于質(zhì)粒被選為基因運