1、课题：基因工程简介 课时：4教学目的：1理解基因工程的含义。2识记和理解基因操作工具的作用。3掌握基因工程的大致步骤。4知道基因工程的成果和发展前景。教学重点：1识记和理解基因操作工具的作用。2掌握基因工程的大致步骤。教学过程：复习旧课1.人的血红蛋白中，有一种蛋白质叫做珠蛋白，它的基因有1700个碱基对，其中有3个外显子和2个内含子，能够编码146个氨基酸，其外显子的碱基对在整个基因碱基对中所占的比例是多少 ? 14631700100%=26%2.人的一种凝血因子的基因，在它的186000个碱基对中，有26个外显子和25个内含子，能够编码2552个氨基酸，其外显子的碱基对在整个基因碱基对中所
2、占的比例是多少? 25523186000100%=4%3.原核细胞与真核细胞的基因结构比较：都由能够编码蛋白质的编码区和具有调控作用的非编码区组成的相同点编码区是间隔的、不连续的编码区是连续的不同点真核细胞原核细胞、人类基因组研究有什么意义:新授课 听课记录一 基因工程的基本内容（一）基因工程的概念1什么叫基因工程？ 基因工程又叫基因拼接技术或DNA重组技术。该技术是在生物体外，通过对DNA分子进行人工“剪切”和“拼接”，对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生出人类所需要的基因产物。作如下理解：基因工程的别名 操作环境 操作对象 操作水
3、平 基本过程 结果 实质 2基因工程培育抗虫棉的简要过程： 3上述培育抗虫棉的关键步骤是什么？关键步骤一：抗虫基因从苏云金芽孢杆菌细胞内提取出来关键步骤二：抗虫基因与运载体DNA连接关键步骤三：抗虫基因导入受体(棉花)细胞（二）基因操作的工具1解决培育抗虫棉的关键步骤需要哪些工具？关键步骤一的工具：基因的剪刀限制性内切酶关键步骤二的工具：基因的针线DNA连接酶关键步骤三的工具：基因的运载工具运载体基因的剪刀限制性内切酶（简称限制酶） 限制酶是在生物体(主要是微生物)内的一种酶，能将外来的DNA切断，由于这种切割作用是在DNA分子内部进行的，故名限制性内切酶。特点：特异性。 即一种限制酶只能识别
4、一种特定的核苷酸序列，并且能在特定 的切点上切割DNA分子。大肠杆菌(E.coli)的一种限制酶能识别GAATTC序列，并在G和A之间切开。 限制酶 什么叫黏性末端？ 被限制酶切开的DNA两条单链的切口，带有几个伸出的核苷酸，他们之间正好互补配对，这样的切口叫黏性末端。强调说明：要想获得某个特定性状的基因必须要用限制酶切几个切口？可产生几个黏性末端？要切两个切口，产生四个黏性末端。如果把两种来源不同的DNA用同一种限制酶来切割，会怎样呢？会产生相同的黏性末端，然后让两者的黏性末端黏合起来，就似乎可以合成重组的DNA分子了。基因的针线DNA连接酶DNA连接酶可把黏性末端之间的缝隙“缝合”起来，即
5、把梯子两边扶手的断口连接起来，这样一个重组的DNA分子就形成了。外源基因(如抗虫基因)怎样才能导入受体细胞(如棉花细胞)？导入过程需要运输工具运载体。运载体的作用有哪些？作用一：作为运载工具，将外源基因(抗虫基因)转移到受体细胞(棉花细胞)中去。作用二：利用运载体在受体细胞内，对外源基因(抗虫基因)进行大量复制。作为运载体必须具备哪些条件？1）能够在宿主细胞中复制并稳定地保存。2）具多个限制酶切点，以便与外源基因连接。3）具有某些标记基因，便于进行筛选。 如抗菌素的抗性基因、产物具有颜色反应的基因等。基因的运载工具运载体：常用的运载体主要有两类： 1）细菌细胞质的质粒 2）噬菌体或某些动植物病
6、毒关于质粒：质粒是染色体外能够进行自主复制的遗传单位，包括真核生物的细胞器和细菌细胞中核区外的DNA分子。现在习惯上用来专指细菌、酵母菌和放线菌等生物中核以外的DNA分子。 质粒是基因工程最常用的运载体。绝大多数细菌质粒都是闭合环状DNA分子。有的一个细菌中有一个，有的一个细菌中有多个。大肠杆菌的质粒：最常用的质粒是大肠杆菌的质粒，其中常含有抗药基因，如四环素的标记基因。质粒的存在与否对宿主细胞生存没有决定性作用，但复制只能在宿主细胞内完成。（三）基因操作的基本步骤四个基本步骤： 1）提取目的基因 2）目的基因与运载体结合3）将目的基因导入受体细胞 4）目的基因的检测和表达目的基因目的基因是人
7、们所需要转移或改造的基因。如苏云金芽孢杆菌的抗虫基因，还有植物的抗病（抗病毒、抗细菌）基因、种子贮藏蛋白的基因，以及人的胰岛素基因、干扰素基因等。目的基因的提取方法 直接分离基因 鸟枪法 反转录法人工合成基因 根据已知的氨基酸序列合成DNA步骤一：目的基因的提取1）鸟枪法（散弹射击法）：用限制酶将供体细胞中的DNA切成许多片段，将这些片段分别载入运载体，然后通过运载体分别转入不同的受体细胞，让供体细胞提供的外源DNA的所有片段分别在各个受体细胞中大量复制（即扩增），从中找出含有目的基因的细胞，再利用一定发方法将目的基因的DNA片段分离出来。2）反转录法：以目的基因转录成的信使RNA为模板，反转
8、录成互补的单链DNA，然后在酶的作用下合成双链DNA，从而获得所需的基因。 目的基因的mRNA 单链DNA(cDNA) 双链DNA(即目的基因)3）根据已知的氨基酸序列合成DNA法 ： 根据已知蛋白质的氨基酸序列，推测出相应的信使RNA序列，然后按照碱基互补配对原则，推测出它的结构基因的核苷酸序列，再通过化学方法，以单核苷酸为原料合成目的基因。 蛋白质的氨基酸序列 mRNA的核苷酸序列 结构基因的核苷酸序列 目的基因上述三种目的基因提取的方法有何优缺点？优点缺点鸟枪法操作简便广泛使用工作量大，盲目，分离出来的有时并非一个基因反转录法专一性强操作过程麻烦，mRNA很不稳定，要求的技术条件较高根据
9、已知氨基酸合成DNA法专一性最强仅限于合成核苷酸对较少的简单基因哪些新技术能大大简化基因工程的操作技术？1）DNA序列自动测序仪：对提取出来的基因进行核苷酸序列分析。2）PCR技术：使目的基因的片段在短时间内成百万倍 地扩增。步骤二：目的基因与运载体重组1）用一定的限制酶切割质粒，使其出现一个切口，露出黏性末端。2）用同一种限制酶切断目的基因，使其产生相同的黏性末端。3）将切下的目的基因片段插入质粒的切口处，再加入适量DNA连接酶，形成了一个重组DNA分子（重组质粒）目的基因与运载体的结合过程，实际上是不同来源的基因重组的过程。步骤三：目的基因导入受体细胞常用的受体细胞：有大肠杆菌、枯草杆菌、
10、土壤农杆菌、酵母菌和动植物细胞等。将目的基因导入受体细胞的原理借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。1）将细菌用CaCl2处理，以增大细菌细胞壁的通透性。2）使含有目的基因的重组质粒进入受体细胞。3）目的基因在受体细胞内，随其繁殖而复制，由于细菌繁殖的速度非常快，在很短的时间内就能获得大量的目的基因。步骤四：目的基因的检测和表达氨苄青霉素抗性基因四环素抗性基因受体细胞摄入DNA分子后就说明目的基因完成了表达吗？若不能表达，怎么办？不能，受体细胞必须表现出特定的性状，才能说明目的基因完成了表达。若不能表达，要对抗虫基因再进行修饰。二、基因工程的成果与发展前景主要内容：1）基因工程与医药卫生 2）基因工程
11、与农牧业、食品工业3）基因工程与环境保护（一）基因工程与医药卫生基因工程在医药卫生领域的应用1）生产基因药品 在传统的药品生产中，某些药品如胰岛素、干扰素直接生物体的哪些结构中提取？药品直接从生物的组织、细胞或血液中提取。传统生产方法的缺点： 由于受原料来源的限制，价格十分昂贵。可利用什么方法来解决上述问题？利用基因工程方法制造“工程菌”，可高效率地生产出各种高质量、低成本的药品。l 基因工程药品 胰岛素胰岛素是治疗糖尿病的特效药。一般临床上使用的胰岛素主要从猪、牛等家畜的胰腺中提取，每100kg胰腺只能提取45g胰岛素。用该方法生产的胰岛素产量低，价格昂贵，远不能满足社会需要。1979年，科
12、学家将动物体内的胰岛素基因与大肠杆菌DNA分子重组，并在大肠杆菌内实现了表达。1982年，美国一家基因公司用基因工程方法生产的胰岛素投入市场，售价降低了30%50%。 ll 基因工程药品 干扰素干扰素是病毒侵入细胞后产生的一种糖蛋白。干扰素几乎能抵抗所有病毒引起的感染，是一种抗病毒的特效药。此外干扰素对治疗某些癌症和白血病也有一定疗效。传统的干扰素生产方法是从人血液中的白细胞内提取，每300L血液只能提取出1mg干扰素。19801982年，科学家用基因工程方法在大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，是传统的生产量的12万倍。1987年上述干扰素大量投放市场。 l 基因工程药品 生长激素治疗侏儒症
13、的唯一方法，是向人体注射生长激素。而生长激素的获得很困难。以前，要获得生长激素，需解剖尸体，从大脑的底部摘取垂体，并从中提取生长激素。 现可利用基因工程方法，将人的生长激素基因导入大肠杆菌中，使其生产生长激素。人们从 450 L大肠杆菌培养液中提取的生长激素，相当于6万具尸体的全部产量。 就基因药物而言，最理想的表达场所是哪里？ 转基因动物的乳腺。为什么乳腺能成为基因药物最理想的表达场所呢？1）乳腺是一个外分泌器官，乳汁不进入体内循环，不会影响转基因动物本身的生理代谢反应。2）从乳汁中获取目的基因产物，产量高，易提纯，表达的蛋白质已经过充分的修饰加工，具有稳定的生物活性。3）从乳汁中源源不断获
14、得目的基因的产物的同时，转基因动物又可无限繁殖。2）基因诊断与基因治疗什么叫转基因动物？ 基因诊断与基因治疗是指把人或哺乳动物的某种基因导入到哺乳动物(如鼠、兔、羊和猪)的受精卵里，目的基因若与受精卵染色体DNA整合，细胞分裂时，该基因随染色体的倍增而倍增，使每个细胞中都带有目的基因，使性状得以表达，并稳定地遗传给后代，从而获得基因产品。这样一种新的个体，称为转基因动物。ll 基因诊断：l 也称为DNA诊断或基因探针技术，即在DNA水平分析检测某一基因，从而对特定的疾病进行诊断。基因探针就是一段与目的基因或DNA互补的特异核苷酸序列。它包括整个基因，或基因的一部分；可以是DNA本身，也可以是由
15、之转录而来的RNA。说明：探针制备：放射性同位素(如32P)、荧光分子等标记的DNA分子；原 理：利用DNA分子杂交原理；DNA分子杂交是基因诊断最基本的方法之一。其基本原理是：互补的DNA单链能够在一定条件下结合成双链，即能够进行杂交。这种结合是特异的，即严格按照碱基互补配对进行。因此，当用一段已知基因的核苷酸序列作为探针，与被测基因进行接触，若两者的碱基完全配对成双链，则表明被测基因中含有已知的基因序列。基因诊断技术在什么方面发展迅速？ 在诊断遗传性疾病方面发展迅速。目前已经可以对几十种遗传病进行产前诊断。强调说明：1）珠蛋白的DNA探针 镰刀状细胞贫血症 2）苯丙氨酸羧化酶基因探针 苯丙
16、酮尿症 3）白血病患者细胞中分离出的癌基因制备的DNA探针 白血病l 基因治疗 患半乳糖血症的患者，由于细胞内半乳糖苷转移酶基因缺陷而缺少半乳糖苷转移酶，使过多的半乳糖在体内积聚，引起肝、脑等功能受损。1971年，美国科学家在体外做了试验，用带有半乳糖苷转移酶基因的噬菌体侵染患者的离体组织细胞，结果发现这些组织细胞能够利用半乳糖了。这表明，用基因替换的方法治疗这种遗传病是可能的。（二）基因工程与农牧业基因工程在农业上的应用：1）获得高产、稳产和具优良品质的品种 用基因工程的方法可以改善粮食作物的蛋白质含量。如“向日葵豆”植株。 2）获得抗逆性品种将细菌的抗虫、抗病毒、抗除草剂、抗盐碱、抗干旱、
17、抗高温等抗性基因转移到作物体内，将从根本上改变作物的特性。如转基因抗虫棉。 基因工程在畜牧养殖业上的应用主要是什么？ 繁殖具有抗病能力、高产仔率、高产奶率和高质量的皮毛等优良品质的转基因动物。该过程的重要步骤是通过感染或显微注射技术将重组DNA转移到动物受精卵中。将人的生长激素基因和牛的生长素基因分别注射到小白鼠受精卵中，得到的“超级小鼠”。 什么叫显微注射技术？ 用口径为1m的DNA注射器，将大量的目的基因片段注入到受精卵的核内，然后把经过注射的受精卵移植到另一只雌性动物的子宫内，使受精卵发育为转基因动物。基因工程为食品工业中提供了什么前景？ 基因工程为人类开辟新的食物来源。1）鸡蛋白基因在
18、大肠杆菌和酵母菌中表达获得成功。这表明，未来能用发酵罐培养的大肠杆菌或酵母菌来生产人类所需要的卵清蛋白。 2）用基因工程的方法从微生物中获得人们所需要的糖类、脂肪和维生素等产品。（三）基因工程与环境保护基因工程在环保方面有什么应用？1）用于环境监测。2）用于被污染环境的净化。通过基因工程方法怎样进行环境监测？ 例如：用DNA探针可以检测饮用水中病毒的含量。此方法的特点是快速、灵敏，1吨水中有10个病毒也能检测出来。 通过基因工程方法怎样净化被污染的环境？1）用基因工程产物“超级细菌”分解石油，可以大大提高细菌分解石油的效率。具体方法：将能分解三种烃类的假单孢杆菌的基因都转移到能分解另一种烃类的
19、假单孢杆菌内，创造出了能同时分解四种烃类的“超级细菌”。2）用基因工程培养出“吞噬”汞和降解土壤中DDT的细菌，以及能够净化镉污染的植物。3）通过基因重组构建新的杀虫剂，取代生产过程中耗能多、易造成环境污染的农药课堂练习1）以下说法正确的是 （ C ） A、所有的限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列 B、质粒是基因工程中唯一的运载体 C、运载体必须具备的条件之一是：具有多个限制酶切点，以便与外源基因连接 D、基因控制的性状都能在后代表现出来2）不属于质粒被选为基因运载体的理由是 A、能复制 （ D ） B、有多个限制酶切点 C、具有标记基因 D、它是环状DNA3）有关基因工程的叙述中，错误的是（
20、 A ） A、DNA连接酶将黏性末端的碱基对连接起来 B、 限制性内切酶用于目的基因的获得 C、目的基因须由运载体导入受体细胞 D、 人工合成目的基因不用限制性内切酶4）有关基因工程的叙述正确的是 （ D ） A、限制酶只在获得目的基因时才用 B、重组质粒的形成在细胞内完成 C、质粒都可作为运载体 D、蛋白质的结构可为合成目的基因提供资料5）基因工程是在DNA分子水平上进行设计施工的。在基因操作的基本步骤中，不进行碱基互补配对的步骤是 （ C ） A、人工合成目的基因 B、目的基因与运载体结合 C、将目的基因导入受体细胞 D、目的基因的检测和表达6）5溴尿嘧啶（Bu）是胸腺嘧啶（T）的结构类似
21、物，在含有Bu的培养基上培养大肠杆菌，得到少数突变型大肠杆菌，突变型大肠杆菌中的碱基数目不变，但（A+T）/（C+G）的碱基比例略小于原大肠杆菌，这表明Bu诱发突变的机制是 （C）A阻止碱基正常配对 B断裂DNA链中脱氧核糖与磷酸基C诱发DNA链发生碱基种类置换 D诱发DNA链发生碱基序列变化7）在下列关于基因结构中与“RNA聚合酶结合位点”的叙述，错误的是 （A） A是起始密码 B是转录RNA时与RNA聚合酶的结合点C调控mRNA的转录 D准确识别转录的起始位点并开始转录8）若利用基因工程技术培育能固氮的水稻新品种，其在环境保护上的重要意义是 （C）A减少氮肥使用量，降低生产成本B减少氮肥生
22、产量，节约能源C避免使用氮肥过多引起的水体富营养化D改良土壤的群落结构9）下列实例中，涉及基因重组的是 （AC） A我国著名育种专家袁隆平利用杂交技术培育出的超级水稻品种B英国科学家利用细胞核移植技术克隆出小绵羊C荷兰科学家将人乳高铁蛋白基因移植到牛体内并获得成功D乘宇宙飞船上过太空的辣椒种子结出的果实较平常的大一倍以上 课堂变式训练10一般情况下，同一生物个体不同部位的细胞中，转录出的mRNA （C） A种类和数量都相同 B种类相同，数量不同 C种类和数量都不同 D种类不同，数量相同11基因治疗是把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的。从变异角度分析这属于（C） A基因突
23、变 B染色体结构变异 C基因重组 D染色体数目变异12人工诱变方法使黄色短杆菌的质粒中脱氧核苷酸序列发生如下变化：CCGCTAACGCCGCGAACG，那么黄色短杆菌将发生的变化和结果是 （A）（可能相关的密码子为：脯氨酸CCG、CCA；甘氨酸GGC、GGU；天冬氨酸GAU、GAC；丙氨酸GCA、GCU、GCC、GCG；半胱氨酸UGU、UGC）A基因突变，性状改变 B基因突变，性状没有改变C基因和性状均没有改变 D基因没变，性状改变13对多种害虫具有抗虫能力，根本原因是豇豆体内具有胰蛋白酶抑制剂基因（CpTI基因）。科学家将其转移到水稻体内后，却发现效果不理想，主要原因是CpTI蛋白质的积累量
24、不足。经过在体外对CpTI基因进行了修饰后，CpTI蛋白质在水稻中的积累量就得到了提高。修饰和表达过程如下图所示：请根据以上材料，回答下列问题：CpTI基因是基因工程中的 基因，“信号肽”序列及“内质网滞留信号”序列的基本组成单位是 ，在过程中，首先要用 酶切开，暴露出 ，再用 酶连接。在转基因过程中，供体细胞是 ，受体细胞是 。过程称为 。检测修饰后的CpTI基因是否表达的最好方法是 。13的 四种脱氧核苷酸 限制性内切酶 黏性末端 DNA连接 豇豆 水稻 转录 让多种害虫食用水稻叶片14茶花是中国特有的观赏品种，但易得枯萎病，降低观赏价值。科学家在某种植物中找到了抗枯萎病的基因，用转基因方
25、法培育出了抗枯萎病的新品种。请据图回答：（1）将连接到上并形成，常用到的酶有 。（2）与上的某种抗药性基因在结构上的最大区别是 。（3）经检测，被侵染的茶花叶片具备了抗病性，这说明已经 。欲快速培育大量该抗病新品种，应该采用的技术是 ，依据的理论基础是 。（4）通过转基因方法获得的抗病金茶花，将来产生的配子中是否一定含有抗病基因？ 14限制性内切酶和DNA连接酶 （2）的编码区是间隔的、不连续的 （3）表达 植物组织培养 植物细胞的全能性 （4）不一定15是人体内抗原抗体反应的示意图，请据图回答下列问题。AB（1）A的特异性从根本上由 决定，B主要分布在人体的 中。淋巴细胞不攻击自身正常细胞而
26、发生免疫反应的原因是：同一个体的全部正常细胞具有相同的 。（2）在抗禽流感病毒的机体内，A与B结合后将使A失去 的能力。（3）B类物质可应用于检测是否为吸毒者等方面的主要原因是 。（4）切除新生小鼠的胸腺导致细胞免疫消失，为何体液免疫也会随之减弱？ 。（5）一种效应淋巴细胞只能识别众多抗原中的一种。这是天生决定的，还是后天在抗原刺激下由其它淋巴细胞再转化形成的？为探究之，科学家在短时间内连续做了几个实验：先给动物以高剂量的同位素标记的抗原X（与之结合的细胞被强射线全部杀死），小鼠不发生相应的免疫反应；再给未标记的抗原X，不再发生免疫反应；最后给其它抗原Y等，机体能对其它抗原正常免疫。上述实验的
27、结论是 。15（1）遗传性 血清 抗原决定族 （2）侵染和破坏宿主细胞 （3）抗体与抗原特异性结合 （4）胸腺是T细胞发育的场所；B细胞的增殖、分化，大多需要T细胞呈递抗原 （5）一种效应淋巴细胞只能识别一种抗原，这是天生决定的16阅读以下内容并回答问题：(1)现已查明，引起人类SARS(非典型性肺炎)的病原体是一种烈性冠状病毒。这种病毒侵染人体后有214天的潜伏期，而后可使感染者出现发热(体温高于38)，多有干咳，可有胸闷，严重者呼吸窘迫；胸部X检查有不同程度片状、斑片状浸润性阴影或网状改变，白细胞无明显升高，有5左右的死亡率。我国和世界各国科学和医务工作者全力抗争以抑制该病蔓延。请回答有关
28、问题： 冠状病毒侵入人体后，人体内的蛋白质种类会增多，增多的蛋白质主要来自 。 科学工作者经研究，发现了数种快速检验SARS病原体的方法，以正确诊断SARS。以下与诊断无关的是 ( )APCR技术：体外基因复制技术，可在几十分钟内把病毒基因扩展到数百万倍B免疫荧光技术：用荧光物质特异性地标记病毒或与病毒有关的物质C酶联法：用特殊制备的病毒蛋白质与病人血清中的与病毒相关的抗体特异性结合，通过“酶联”反应，使试剂发生颜色变化D镜检法：用光学显微镜直接观察病人痰液、唾液或漱口液，以发现病毒战胜SARS，最关键的是应研制出相关的 ( )A消毒剂 B疫苗 C抗多种病毒的药物 D天敌(2)有专家发现，SA
29、RS病毒在复制其核酸时，每1万个碱基就可能出现一个差错；并预测，SARS病毒有可能在未来的进化过程中毒性逐渐减弱。试根据遗传和进化的原理，回答以下问题： 病毒在复制核酸时，碱基出现差错，是否一定意味着其翻译产生的蛋白质出现变化？为什么？ SRAS病毒如何在未来的进化过程中毒性逐渐减弱，试作出合理的解释。16 （1）病毒在人体内合成自己的蛋白质；人体产生相应的抗体（2分） D （1分） B （1分）（2） 不一定。因为一个氨基酸可对应几个密码子，遗传物质虽然改变，最终指导合成的蛋白质可能不变，（其它合理叙述也给分）。（2分）一方面病毒会不断变异；另一方面烈性病毒在使寄主死亡时，可能难以转移至新的寄主体内。自然选择的结果可能更有利于较温和的病毒生存。（2分）
