1、1.1 DNA重组技术的基本工具,专题1 基因工程,学习目标 1.基因工程的概念、诞生和发展。 2.DNA重组技术所需三种基本工具的作用。 3.基因工程中载体需要具备的条件。,方式一 抗虫棉的研究开发是中国发展农业转基因技术，打破跨国公司垄断，抢占国际生物技术制高点的成功事例。抗虫棉的应用使棉铃虫得到了有效控制，使杀虫剂用量降低了70%80%，有效保护了农业生态环境，减少了农民喷药中毒事故，为棉花生产和农业的可持续发展做出了巨大贡献。 师：要实现抗虫基因在棉花中的表达，提前要做哪些关键工作？ 生：要将抗虫基因切割下来；要将抗虫基因整合到棉花的DNA上。 师：这里存在一个基因转移的实际问题，就是
2、如何将控制抗虫的基因转入棉花细胞的问题。,师：中国有句俗语叫“没有金刚钻儿，不揽瓷器活儿”。科学家们在实施基因工程之前，苦苦求索，终于找到了实施基因工程的三种“金刚钻儿”，使基因工程的设想成为了现实。这三种“金刚钻儿”是什么？有什么特点和具体作用？下面我们就来学习这方面的内容。 方式二 科学设想，能否让禾本科植物也能固定空气中的氮？能否让细菌“吐出”蚕丝？能否让微生物产生人的胰岛素、干扰素等珍贵的药物？经过多年努力，科学家于20世纪70年代创立了可以定向改造生物的新技术基因工程。这一技术是在DNA分子水平上进行的，在微小的DNA分子上进行的操作，需要专用的工具。这些工具是什么？各自的作用是什么
3、？让我们一起来了解一下吧！,新知导学,达标检测,内容索引,新知导学,1.基因工程的概念 基因工程是指按照 ，进行严格的设计，并通过_和转基因技术，赋予生物以新的 ，从而创造出更符合_的新的生物类型和生物产品。又称为DNA重组技术。,一、基因工程的概念和诞生,人们的意愿,体外DNA重组,遗传特性,人们需要,2.基因工程的诞生 (1)理论基础 是遗传物质的证明。 DNA双螺旋结构和 的确立。 遗传密码的破译：所有生物共用一套 。,DNA,中心法则,遗传密码,(2)技术支持 基因转移载体的发现：质粒有 能力，并且可以在细菌细胞间转移。 工具酶的发现：陆续发现了多种限制酶、连接酶以及逆转录酶。 DNA
4、合成和测序技术、体外重组技术的实现。 重组DNA表达实验的成功。,自我复制,1.对基因工程概念的理解,2.基因工程的理论基础 (1)几乎所有生物的DNA分子都具有相似的成分和结构，即都是由4种脱氧核苷酸形成规则的双螺旋结构，这为不同生物的DNA拼接提供了物质基础。 (2)所有生物共用一套遗传密码，这为一种生物的基因在其他生物体内正常表达提供了可能。 (3)基因是控制生物体性状的结构和功能单位，具有相对独立性，这为目的基因在受体细胞中的独立表达提供了可能。,例1 (2017洛阳校级月考)下列叙述符合基因工程概念的是 A.在细胞内将DNA进行重组，赋予生物新的遗传特性 B.将人的干扰素基因重组到质
5、粒上后导入大肠杆菌，获得能产生人干扰素的菌株 C.用紫外线照射青霉菌，使其DNA发生改变，通过筛选获得青霉素高产菌株 D.自然界中天然存在的噬菌体自行感染细菌后其DNA整合到细菌DNA上,答案,解析,解析 基因工程是在生物体外将DNA进行重组，赋予生物新的遗传特性，A项错误； B项符合基因工程的概念； C项属于诱变育种； D项外源基因导入细菌不是人为操作的，不属于基因工程的范畴。,例2 目前，科学家把兔子血红蛋白基因导入大肠杆菌细胞中，在大肠杆菌细胞中合成了兔子的血红蛋白。下列不是这一先进技术的理论依据的是 A.所有生物共用一套遗传密码 B.基因能控制蛋白质的合成 C.兔子血红蛋白基因与大肠杆
6、菌的DNA都是由四种脱氧核苷酸构成，都遵循相同的碱基互补配对原则 D.兔子与大肠杆菌有共同的原始祖先,答案,解析,解析 题干表述的是目的基因导入受体细胞并得以表达的过程，目的基因在不同生物细胞中能够表达出相同的蛋白质，说明控制其合成的信使RNA上的密码子是共用的，相同的密码子决定相同的氨基酸，A项正确； 基因是通过转录获得信使RNA，进而控制蛋白质的合成，B项正确； 基因是有遗传效应的DNA片段，只要是双链DNA都遵循碱基互补配对原则，其组成原料都是四种脱氧核苷酸，C项正确； 生物之间是否有共同的原始祖先与转基因技术之间没有必然关系，D项错误。,基因重组的三种主要类型 (1)减数第一次分裂四分
7、体时期，同源染色体上的非姐妹染色单体间交叉互换，导致染色单体上的基因重新组合。 (2)减数第一次分裂后期，随着非同源染色体的自由组合，非同源染色体上的非等位基因也自由组合。 (3)人工操作导致的基因重组，即基因工程。,方法链接,1.限制性核酸内切酶“分子手术刀”,二、基因工程操作的两种工具酶,4 000,原核生物,特定核苷酸序列,特定部位,磷酸二酯键,黏性末端,2.DNA连接酶“分子缝合针” (1)作用：将 “缝合”起来，恢复被 切开的两个核苷酸之间的 。,双链DNA片段,限制酶,磷酸二酯键,(2)种类,大肠杆菌,互补黏性末端,黏性末端,平末端,Ecoli,与DNA相关的五种酶的比较,归纳总结
8、,例3 下表为常用的限制性核酸内切酶(限制酶)及其识别序列和切割位点，由此推断以下说法中，正确的是,注：Y表示C或T，R表示A或G。,A.一种限制酶只能识别一种核苷酸序列 B.限制酶切割后一定形成黏性末端 C.不同的限制酶可以形成相同的黏性末端 D.限制酶的切割位点在识别序列内部,答案,解析,解析 根据表格内容可以推知，每种限制酶都能识别特定的核苷酸序列，但不一定只能识别一种序列，如限制酶Hind，A项错误； 限制酶切割后能形成黏性末端或平末端，如限制酶Hind切割后露出平末端，B项错误； 不同的限制酶切割后可能形成相同的黏性末端，如限制酶BamH和Sau3A切割后露出的黏性末端相同，C项正确
9、； 限制酶的切割位点可以位于识别序列的外侧，如Sau3A，D项错误。,A.与是由相同限制酶切割产生的 B.DNA连接酶可催化与的连接 C.经酶切形成需要脱去2分子水 D.DNA连接酶与DNA聚合酶均能作用于上述黏性末端,例4 关于下图所示黏性末端的叙述，正确的是,答案,解析,解析 与的黏性末端相同，但它们识别的碱基序列不同，应不是相同的限制性核酸内切酶切出来的， A项错误； 酶切获得需要消耗2个水分子，C项错误； DNA聚合酶作用的是单个游离的脱氧核苷酸， D项错误。,黏性末端或平末端是否由同一种限制酶切割形成的判断方法 将黏性末端或平末端之一旋转180后，看它们是否是完全相同的结构。是，则为
10、相同限制酶切割形成的；否，则为不同限制酶切割形成的。,方法链接,1.种类：质粒、 的衍生物、动植物病毒等。 2.常用载体质粒 (1)本质：质粒是一种裸露的、结构简单、独立于细菌拟核DNA之外，并具有 能力的很小的双链环状DNA分子。,三、基因进入受体细胞的载体,噬菌体,自我复制,(2)质粒作为载体所具备的条件及原因,自我复制或整合到染色,体DNA上,限制酶切割,标记基因,鉴定和选择,(3)作用 作为运输工具，将目的基因 。 质粒携带 在受体细胞内大量复制。,导入受体细胞,目的基因,1.作为载体必须具备的条件 (1)必须有一个至多个限制酶切割位点。 (2)必须能在受体细胞中稳定存在并具备自我复制
11、的能力，或整合到染色体DNA上，随染色体DNA同步复制。 (3)必须有标记基因，便于筛选和鉴定。 (4)对受体细胞无害。 (5)载体的大小适合，便于提取和在体外进行操作。,归纳总结,2.标记基因的筛选原理 载体上的标记基因一般是某种抗生素的抗性基因，而受体细胞没有抵抗该抗生素的能力。 将含有某抗生素抗性基因的载体导入受体细胞，抗性基因在受体细胞内表达，受体细胞对该抗生素产生抗性。在含有该抗生素的培养基上，能够生存的是被导入了基因表达载体的受体细胞。如下图：,例5 质粒是基因工程最常用的载体，下列关于质粒的说法正确的是 A.质粒在宿主细胞内都要整合到染色体DNA上 B.质粒是独立于细菌拟核DNA
12、之外的小型细胞器 C.基因工程使用的质粒一定含有标记基因和复制原点 D.质粒上碱基之间数量存在AGUC,解析 基因工程使用的载体需有一至多个酶切位点，具有自我复制的能力，有标记基因，对受体细胞安全，且分子大小适合。质粒进入宿主细胞后不一定都要整合到染色体DNA上，如宿主细胞是细菌细胞则不需整合。质粒是小型环状双链DNA分子而不是细胞器，也不会有碱基U。,答案,解析,例6 质粒是基因工程中最常用的载体，它存在于许多细菌体内。某细菌质粒上有标记基因如图所示，通过标记基因可以推知外源基因(目的基因)是否转入成功。外源基因插入的位置不同，细菌在培养基上的生长情况也不同，如图所示是外源基因插入位置(插入
13、点有a、b、c)，请根据表中提供的细菌生长情况，推测三种重组后细菌的外源基因插入点，正确的一组是,A.是c；是b；是a B.是a和b；是a；是b C.是a和b；是b；是a D.是c；是a；是b,答案,解析,解析 细菌能在含氨苄青霉素和四环素的培养基上生长，说明抗氨苄青霉素基因和抗四环素基因没有被破坏，所以插入点是c； 细菌能在含氨苄青霉素的培养基上生长，而不能在含四环素的培养基上生长，说明其抗氨苄青霉素基因正常而抗四环素基因被破坏，故插入点为b； 细菌不能在含氨苄青霉素的培养基上生长，能在含四环素的培养基上生长，说明其抗氨苄青霉素基因被插入而破坏，故插入点为a。,细胞膜上的载体与基因工程中的载
14、体比较 (1)化学本质不同：细胞膜上的载体化学成分是蛋白质；基因工程中的载体可能是物质，如质粒(DNA)、噬菌体的衍生物，也可能是生物，如动植物病毒等。 (2)功能不同：细胞膜上的载体功能是协助细胞膜控制物质进出细胞；基因工程中的载体是一种“分子运输车”，把目的基因导入受体细胞。,易混辨析,学习小结,_ (分子手术刀),来源：主要从 生物中分离纯化出来 作用：识别_，并切割特定部位的_ 结果：产生 或平末端,_ (分子缝合针),常用种类：EcoliDNA连接酶、T4DNA连接酶 作用实质：在两个DNA片段之间形成_,限制性核酸内切酶,DNA连接酶,原核,双链DNA分子中某种特定的核苷,酸序列,
15、磷酸二酯键,黏性末端,磷酸二酯键,基因工程的基本工具,_ (分子运输车),常用载体： 、 、 等,必备条件, ； 具有 至多个限制酶切割位点，_； 具有 ，供重组DNA的鉴定和选择,质粒,噬菌体的衍生物,动植物病毒,能在受体细胞中复制并稳定保存,一个,供外源DNA,片段插入其中,标记基因,载体,达标检测,1.下列说法中不正确的有 限制酶主要是从真核生物中分离纯化出来的 DNA连接酶都是从原核生物中分离得到的 所有限制酶识别的核苷酸序列均由6个核苷酸组成 不同限制酶切割DNA的位点不同 有的质粒是单链DNA A. B. C. D.,1,2,3,4,5,答案,解析,解析 限制酶主要是从原核生物中分
16、离纯化出来的，有很少量是来自真核生物酵母菌，错误； T4DNA连接酶来源于T4噬菌体(一种病毒)，错误； EcoR、Sma限制酶识别的序列均为6个核苷酸，也有少数限制酶的识别序列由4、5或8个核苷酸组成，错误； 不同限制酶切割DNA的位点不同，切割出不同的黏性末端或平末端，正确； 所有的质粒都是双链的环状DNA分子，错误。,1,2,3,4,5,2.下列所示的末端至少是由几种限制酶作用产生的,解析 图中为相同的平末端，可能由同一种限制酶切割所得，故图示四种末端至少是由3种限制酶作用产生的。,A.1种 B.2种 C.3种 D.4种,答案,解析,1,2,3,4,5,1,2,3,4,5,3.(2017
17、广东深圳中学期末)下列关于基因工程中的DNA连接酶的叙述不正确的是 A.DNA连接酶的化学本质是蛋白质 B.DNA连接酶能够连接两个DNA片段之间的磷酸二酯键 C.基因工程中可以用DNA聚合酶替代DNA连接酶 D.根据来源不同，DNA连接酶可分为Ecoli DNA连接酶和T4 DNA连接酶两大类,答案,解析,解析 DNA连接酶的化学本质是蛋白质，根据来源不同可分为Ecoli DNA连接酶和T4 DNA连接酶两大类，DNA连接酶连接的是两个DNA片段之间的磷酸二酯键，而DNA聚合酶连接的是DNA片段与游离的脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键，因此在基因工程中不能用DNA聚合酶替代DNA连接酶，故选C。,
18、1,2,3,4,5,A.通常情况下，a与d需要用同一种限制酶进行切割 B.b能识别特定的核苷酸序列，并将A与T之间的氢键切开 C.c连接双链间的A和T，使黏性末端处碱基互补配对 D.b代表的是限制性核酸内切酶，c代表的是RNA聚合酶,1,2,3,4,5,4.下图表示一项重要的生物技术，对图中物质a、b、c、d的描述，正确的是,答案,解析,解析 b是限制性核酸内切酶，能识别特定的核苷酸序列并使DNA分子的每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开，而不是使氢键断开；c是DNA连接酶，能连接两个DNA片段。,1,2,3,4,5,1,2,3,4,5,5.(2017陕西黄陵中学高二下期中)番茄
19、在运输和贮藏过程中，由于过早成熟而易腐烂。应用基因工程技术抑制某种促进果实成熟的激素的合成，可使番茄贮藏时间延长，培育成耐贮藏的番茄新品种。这种转基因番茄已于1993年在美国上市，请回答： (1)促进果实成熟的重要激素是_。,乙烯,解析 促进果实成熟的重要激素是乙烯。,答案,解析,1,2,3,4,5,(2)在培育转基因番茄的操作中，所用的“分子手术刀”是_ _，基因的“分子缝合针”是_，基因的“分子运输车”是_。,限制性核酸内,切酶(或限制酶),DNA连接酶,载体,解析 在培育转基因番茄的基因操作中，所用的基因的“分子手术刀”是限制酶，基因的“分子缝合针”是DNA连接酶，基因的“分子运输车”是载体。,答案,解析,1,2,3,4,5,(3)与杂交育种、诱变育种相比，通过基因工程来培育新品种的主要优点是_ _。,定向改变生物性状、育种周期短、克服远缘杂交不亲和的障碍(顺序不作要求),解析 通过基因工程来培育新品种的主要优点是能定向改变生物性状、育种周期短、克服远缘杂交不亲和的障碍。,答案,解析,
