高三生物013.doc

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期数： 0509 SWG3 013
学科：生物 年级：高三 编稿老师：郭彩凤
审稿老师：高毅

预 习 篇
[同步教学信息]

第三节 基因工程简介
【教材阅读提示】
1．基因工程的概念(了解)
2．基因操作的工具和基本步骤(了解)
3．基因工程所取得的成果以及发展前景(了解)
【学习重点】
(1)基因操作的工具和基本步骤
(2)基因工程在医药卫生方面的重要作用
(3)基因工程在农牧业方面取得的成果以及前景
【学习难点】
(1)限制性内切酶和运载体的作用
(2)提取目的基因的方法和目的基因导入受体细胞的途径
(3)基因诊断和基因治疗的原理
【学习方法导航】
1．本节内容既是重点又是难点，同学们学习起来有一定的难度，对于每一个知识点包括概念我们都应理解，而不是简单记忆。
2．注意体会目的基因的检测与目的基因的表达之间的区别：
目的基因的检测：看运载体上标记基因的产物表达情况；
目的基因的表达：看目的基因本身控制合成的产物表达情况。
【基础知识精讲】
知识结构

(一)基因工程的概念：
基因工程又叫基因拼接技术或DNA重组技术。这种技术是在生物体外，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，产生人类所需要的基因产物。
对概念的解读：
基因工程的别名
基因拼接技术或DNA重组技术
操作环境
生物体外
操作对象
基因
操作水平
DNA分子水平
基本过程
剪切→拼接→导入→表达
结果
人类需要的基因产物
(二) 基因操作的工具
基因工程是一项非常精细的工作，必须要有专门的工具。
①基因的剪刀——限制性内切酶
②基因的针线——DNA连接酶
③基因的运输工具——运载体
1．基因的剪刀——限制性内切酶（简称限制酶）
(1)分布：主要在微生物中。
(2)作用特点：特异性，即识别特定核苷酸序列，切割特定切点。
(3)结果：产生黏性未端（碱基互补配对）。
(4)举例：大肠杆菌的一种限制酶能识别GAATTC序列，并在G和A之间切开。
2．基因的针线——DNA连接酶。
 (1)连接的部位：磷酸二酯键（梯子的扶手），不是氢键（梯子的踏板）。
    (2)结果：两个相同的黏性未端的连接。   
3．基困的运输工具——运载体
(1)作用：将外源基因送入受体细胞。
(2)具备的条件：①能在宿主细胞内复制并稳定地保存。
     ②具有多个限制酶切点。
                  ③具有某些标记基因。
    (3)种类：质粒、噬菌体和动植物病毒。
    (4)质粒的特点：质粒是基因工程中最常用的运载体。
         ①存在于许多细菌及酵母菌等生物中。
                 ②质粒的存在对宿主细胞无影响。
                 ③质粒的复制只能在宿主细胞内完成。
                 ④细胞染色体外能自主复制的小型环状DNA分子。
   (三)基因操作的基本步骤。  
1.提取目的基因

(1)目的基因:人们所需要的特定基因.

  (2)举例: 抗虫基因、抗病毒基因、固氮基因、贮存蛋白基因、人的胰岛素基因、干扰素基因等。
(3)获取目的基因的途径
A 直接分离基因
方法: 鸟枪法(又称散弹射击法)

运载体
限制酶

具体做法:DNA DNA片段 受体细胞 大量复制(扩增)
含目的基因细胞 分离目的基因

(1)

鸟枪法的优、缺点：
优点：操作简单
缺点：工作量大，具有一定的盲目性，而且不能直接用于基因的扩增和表达（真核细胞）。
B 人工合成基因
两要途径：
目的基因转录
成的信使RNA
途径一：
合成
反转录
双链DNA
单链DNA

途径二：
推测
化学方法
推测
合成目的基因
结构基因的核苷酸序列
mRNA序列
氨基酸序列

2．目的基因与运载体结合
(1)限制酶切割质粒,露出黏性末端;
(2)用同一种限制酶切断目的基因,产生相同的黏性末端;
(3)质粒的黏性末端与目的基因的黏性末端结合,形成重组DNA分子(重组质粒).
下图为一个目的基因与运载体结合实例

3.将目的基因导入受体细胞
（1）常用的受体细胞:大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母菌、动植物细胞
（2）导入途径:

(1)氯化钙处理细菌,增大细菌细胞壁的通透性;
(2)含有目的基因的重组质粒进入受体细胞.
4．的目的基因的检测和表达
   检测：通过检测标记基因产物的有无，来判断目的基因是否导入。
   表达：通过特定性状的产生与否来确定目的基因是否表达。
(四)基因工程的成果与发展前景
1． 基因工程与医药卫生
(1)生产基因工程药品
优点：高效率地生产出高质量、低成本的药品
成果：胰岛素、干扰素、白细胞介素、溶血栓剂、凝血因子、人造血液代用品及乙肝、狂犬病、百日咳、霍乱、伤寒、虐疾等疾病的各类疫苗
(2) 用于基因诊断与基因治疗
基因诊断：用放射性同位素、荧光分子等标记的DNA分子做探针，利用DNA分子杂交原理，鉴定被检测标本上的遗传信息，达到检测疾病的目的。
基因治疗：把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗的目的。
***基因探针：
根据所需基因的核苷酸顺序制成一段与之互补的核苷酸短链，并用同位素标记，即成为基因探针。用这一探针探查基因文库中已经变性的DNA片段，如果有一个DNA片段能和探针片段互补结合而成双链，这一片段即含有所需要的基因。
DNA分子是双链分子，在分子杂交时，首先须将双链DNA分子加热或提高pH值，使双链解开，这一过程称为变性，相反的过程称为复性。
2．基因工程与农牧业.
(1)应用：培育高产、优质或具有特殊用途的动植物新品种。例如：转基因动植物

(2)主要表现：①通过基因工程技术获得高产、稳产和具有优良品质的农作物
②用基因工程的方法培育出各种抗逆性的作物新品种
3．基因工程与食品工业
开辟食物新来源
4．基因工程与环境保护
•可用于环境监测：大幅度提高检测精度
•用于被污染环境的净化：例如：“超级细菌”
***基因工程对人类可能的负面影响：
1.安全性问题：用基因工程方法生产的产品，特别是农产品，对人体有无不良影响
2.生态环境影响：当某种基因被转移到作物或杂草中，是否会破坏生态环境
3.公众的接受性。即心理因素。
4.社会伦理道德问题。如从克隆羊引发的能否克隆人的各种争论。

【教材习题解答】
53页复习题
一、1（×）；2（×）；3（√）；4（×）；5（×）。
二、提示：假如用大肠杆菌生产小鼠的β-珠蛋白，需经过以下几个基本步骤：
① 提取目的基因：从小鼠的细胞内提取DNA。同时选择具有选择标记的大肠杆菌质粒，如选择能抗四环素的质粒，并将其提取出来。
② 目的基因与运载体结合：用同一种限制酶，分别切割小鼠细胞核中的DNA和质粒DNA，使其产生相同的黏性末端。将切割下的目的基因与切割后的质粒混合，并加入适量的连接酶，获得含有小鼠β-珠蛋白基因的重组质粒。
③ 将目的基因导入受体细胞：将含有小鼠β-珠蛋白基因的重组质粒导入到对四环素敏感的大肠杆菌中。
④ 对目的基因进行检测：将上述大肠杆菌放到加有四环素的培养基上培养，能够正常生长的大肠杆菌就含有重组质粒，即含有目的基因，反之则没有。
教师应注意，学生的设计只要体现出科学的思维方法就可以了，不要求每一步都很准确。
57页复习题
一、1（×）；2（√）；3（×）；4（×）；5（×）。
二、不是。教师可以引导学生从以下几个方面探讨：
① 安全性问题。用基因工程方法生产的产品，特别是农产品，对人体有无不良影响。
② 生态环境影响。当某种基因被转移到作物或杂草中，是否会破坏生态环境。
③ 公众的接受性。即心理因素。
④ 社会伦理道德问题。如从克隆羊引发的能否克隆人的各种争论
参考资料
1． 限制性内切酶 
在生物体内有一类酶，它们能将外来的DNA切断，即能够限制异源DNA的侵入并使之失去活力，但对自己的DNA却无损害作用，这样可以保护细胞原有的遗传信息。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（简称限制酶）。限制酶是基因工程中所用的重要切割工具。科学家已从原核生物中分离出了许多种限制酶，并且已经商品化，在基因工程中广泛使用。根据限制酶切割的特点，可将它们分为两大类：一类是切割部位无特异性的；另一类是可特异性地识别核苷酸序列，即只能在一定的DNA序列上进行切割。这种能被特异性识别的切割部位都具有回文序列，也就是在切割部位，一条链正向读的碱基顺序与另一条链反向读的顺序完全一致，如图3-8所示DNA的碱基顺序。在基因工程中使用的多数是后一类酶。限制酶在特定切割部位进行切割时，按照切割的方式，又可以分为错位切和平切两种。错位切一般是在两条链的不同部位切割，中间相隔几个核苷酸，切下后的两端形成一种回文式的单链末端，这个末端能与具有互补碱基的目的基因的DNA片段连结，故称为黏性末端。这种酶在基因工程中应用最多，其切割方式如图38的左图所示。另一种是在两条链的特定序列的相同部位切割，形成一个无黏性末端的平口，如图3-8的右图所示。

在基因操作过程中，除了限制酶以外，还要用一系列的酶类，才能完成全过程。例如，碱性磷酸酯酶、DNA多聚酶、末端转移酶、多核苷酸酶、逆转录酶等。这些酶都有各自特殊的催化功能，现在都有商品出售，可以根据不同的需要选用。
2．基因工程中的运载体 
在基因操作过程中使用运载体有两个目的：一是用它作为运载工具，将目的基因转移到宿主细胞中去；二是利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量的复制（称为克隆）。现在所用的运载体主要有两类：一类是细菌细胞质的质粒，它是一种相对分子质量较小、独立于染色体DNA之外的环状DNA（一般有1～200 kb左右，kb为千碱基对），有的一个细菌中有一个，有的一个细菌中有多个。质粒能通过细菌间的接合由一个细菌向另一个细菌转移，可以独立复制，也可整合到细菌染色体DNA中，随着染色体DNA的复制而复制。另一类运载体是噬菌体或某些病毒等。现在人们还在不断寻找新的运载体，如叶绿体或线粒体DNA等也有可能成为运载体。
作为运载体必须具有三个条件：①在宿主细胞中能保存下来并能大量复制；②有多个限制酶切点，而且每种酶的切点最好只有一个，如大肠杆菌pBR322就有多种限制酶的单一识别位点，可适于多种限制酶切割的DNA插入；③有一定的标记基因，便于进行筛选。如大肠杆菌的pBR322质粒携带氨苄青霉素抗性基因和四环素抗性基因，就可以作为筛选的标记基因。一般来说，天然运载体往往不能满足上述要求，因此需要根据不同的目的和需要，对运载体进行人工改建。现在所使用的质粒载体几乎都是经过改建的。