專題10基因工程

1、專題10 基因工程【教法指引】 遺傳工程在內容上和必修2教材中的基因工程相似，但是必修2中的基因工程主要側重于基本原理的闡述，而本專題主要側重于基因工程基本技術及應用前景的介紹，4個考點中有2個要求為，是選修3中的一重要命題領域?？v觀近幾年高考中，命題主要集中在“基因工程的原理、技術和應用”，賦分比重較大。【專題要點】 本專題的重點就是基因工程的原理、技術及其應用，這是高考的重點、熱點，也是我們復習的重點。本專題的知識可歸納如下：一、基因工程的概念1.基因工程是指按照人們的愿望，進行嚴格的設計，通過體外DNA重組和轉基因技術，賦予生物以新的遺傳特性，創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產品

2、。基因工程是在DNA分子水平上進行設計和施工的，又叫做DNA重組技術。2. 理論基礎 DNA是遺傳物質的證明 DNA雙螺旋結構和中心法則的確立遺傳密碼的破譯3.技術支持 基因轉移載體的發(fā)現(xiàn) 工具酶的發(fā)現(xiàn) DNA合成和測序技術的發(fā)現(xiàn) DNA體外重組的實現(xiàn)重組DNA表達實驗的成功第一例轉基因動物的問世 PCR技術的發(fā)明二、基因工程的基本工具1.“分子手術刀”限制性核酸內切酶（限制酶）（1）來源：主要是從微生物中分離純化出來的（2）功能：能夠識別雙鏈DNA分子的某種特定的核苷酸序列，并且使每一條鏈中特定部位的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷開，因此具有專一性。（3）結果：經限制酶切割產生的DNA片段末端

3、通常有兩種形式即黏性末端和平末端。2.“分子縫合針”DNA連接酶(1)兩種DNA連接酶（EcoliDNA連接酶和T4-DNA連接酶）的比較：相同點：都縫合磷酸二酯鍵。區(qū)別：EcoliDNA連接酶來源于T4噬菌體，只能將雙鏈DNA片段互補的黏性末端之間的磷酸二酯鍵連接起來；而T4DNA連接酶能縫合兩種末端，但連接平末端的之間的效率較低。(2)與DNA聚合酶作用的異同:DNA聚合酶只能將單個核苷酸加到已有的核苷酸片段的末端，形成磷酸二酯鍵。DNA連接酶是連接兩個DNA片段的末端，形成磷酸二酯鍵。3.“分子運輸車”載體（1）載體具備的條件：能在受體細胞中復制并穩(wěn)定保存；具有一至多個限制酶切點，供外源

4、DNA片段插入；具有標記基因，供重組DNA的鑒定和選擇。（2）最常用的載體是質粒,它是一種裸露的、結構簡單的、獨立于細菌染色體之外，并具有自我復制能力的環(huán)狀DNA分子。（3）其它載體：噬菌體、動植物病毒三、基因工程的基本操作程序第一步：目的基因的獲取1.目的基因是指：編碼蛋白質的結構基因2.目的基因的獲取方法： 從供體細胞直接提取主要是原核生生物基因 從基因文庫中獲取 利用mRNA反轉錄形成 利用PCR擴增技術 人工化學法合成3PCR技術擴增目的基因（1）原理：DNA復制（2）過程：加熱至9095DNA解鏈冷卻到5560，引物結合到互補DNA鏈加熱至7075，熱穩(wěn)定DNA聚合酶從引物起始互補鏈

5、的合成。第二步：基因表達載體的構建1.構成：目的基因啟動子終止子標記基因（1）啟動子：是一段有特殊結構的DNA片段，位于基因的首端，是RNA聚合酶識別和結合的部位，能啟動基因轉錄出mRNA，最終獲得所需的蛋白質。（2）終止子：也是一段有特殊結構的DNA片段 ，位于基因的尾端，終止基因的轉錄。（3）標記基因：一段特殊的基因序列，主要是為了鑒定受體細胞中是否含有目的基因，從而將含有目的基因的細胞篩選出來，常用的標記基因是抗生素基因。2.構建：以質粒作載體為例第三步：將目的基因導入受體細胞1.轉化：是目的基因進入受體細胞內，并且在受體細胞內維持穩(wěn)定和表達的過程。2.常用的轉化方法：受體細胞不同導入方

6、法有所不同植物細胞：最常用的是農桿菌轉化法，其次還有基因槍法和花粉管通道法等，受體細胞可以是植物體細胞動物細胞：最常用的是顯微注射技術，受體細胞多是受精卵微生物細胞：先用Ca2+ 處理細胞，使其成為感受態(tài)細胞，再將重組表達載體DNA分子溶于緩沖液中與感受態(tài)細胞混合，在一定的溫度下促進感受態(tài)細胞吸收DNA分子，完成轉化過程，受體細胞多為大腸桿菌第四步：目的基因的檢測和表達檢測轉基因生物的染色體DNA上是否插入了目的基因DNA分子雜交檢測目的基因是否轉錄出了mRNA用標記的目的基因作探針與mRNA雜交檢測目的基因是否翻譯成蛋白質從轉基因生物中提取蛋白質，用相應的抗體進行抗原抗體雜交有時還需進行個體

7、生物學水平的鑒定，如轉基因抗蟲植物是否出現(xiàn)抗蟲性狀。特別提醒：在基因工程操作步驟中，只有第三步將目的基因導入受體細胞不需要堿基互補配對，其余三個步驟都涉及堿基互補配對。四、基因工程的應用1.植物基因工程的應用植物基因工程技術主要用于提高農作物的抗逆能力（如抗除草劑、抗蟲、抗病、抗干旱和抗鹽堿等）以及改良農作物的品質和利用植物生產藥物等方面。提高抗逆性常用抗蟲基因：用于抗蟲（殺蟲）的基因主要是Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制劑基因、淀粉酶抑制劑基因、植物凝集素基因等。常用抗病基因：抗病毒基因病毒外殼蛋白基因和病毒的復制酶基因抗真菌基因幾丁質酶基因和抗毒素合成基因其他抗逆基因：環(huán)境條件對農作物的生產會造

8、成很大影響，并且這些影響是多方面的，因此，抗逆性基因也有多種多樣，如抗鹽堿和干旱的調節(jié)細胞滲透壓基因、抗凍基因、抗除草劑基因等等。改良植物品質由于人們的食品含有的營養(yǎng)不平衡，不能滿足人們對食品的要求，可以通過轉基因技術，使植物能夠合成某些本來不能合成的物質。如科學家將必需氨基酸含量多的蛋白質編碼基因導入植物中，或者改變這些氨基酸合成途徑中某種關鍵酶的活性，以提高氨基酸的含量。生產藥物基因工程不但促進了傳統(tǒng)技術的變革，也為人類提供了傳統(tǒng)產業(yè)難以得到的許多昂貴藥品，并已形成基因工程制藥業(yè)的雛形。目前諸如人胰島素、人生長激素、人腦激素、干擾素、乙肝疫苗、蛋白C、組織血纖維蛋白溶酶原激活劑等數(shù)十種基因

9、工程藥物已實現(xiàn)商品化。此外，還有促紅細胞生成素、白細胞介素2、腎素、心鈉素等一大批珍貴藥品正處于試用或臨床試驗階段。動物基因工程的應用用于提高動物生長速度：由于外援生長激素基因的表達可以使轉基因動物生長得更快，將這類基因導入動物體內，以提高動物的生長速率，如轉基因綿羊和轉基因鯉魚。用于改善畜產品的品質：基因工程可用于改善畜產品的品質。如有些人對牛奶中的乳糖不能完全消化或食用后會出現(xiàn)過敏、腹瀉、惡心等不適癥狀，科學家將腸乳糖酶基因導入奶?；蚪M，這樣所獲得的牛奶其它成分不受影響，但乳糖的含量大大減低。用轉基因動物做器官移植的供體：目前，人體移植器官短缺是一個世界性的難題，用其它動物的器官替代，又

10、會出現(xiàn)免疫排斥現(xiàn)象，現(xiàn)在，科學家正試圖利用基因工程方法對一些動物的器官進行改造，培育出沒有免疫排斥反應的轉基因克隆器官?；蛑委煾拍睿喊颜；驅氩∪梭w內，使該基因的表達產物發(fā)揮功能，從而達到治療疾病的目的，是治療遺傳病的最有效的手段。方法：體外基因治療和體內基因治療體外基因治療：先從病人體內獲得某種相關細胞，進行培養(yǎng)，然后在體外完成基因轉移，再篩選成功轉移的細胞擴增培養(yǎng)，最后重新輸入患者體內，這種方法叫做體外基因治療。體內基因治療：直接向人體組織細胞中轉移基因的治療方法叫做體內基因治療。特別說明：對于遺傳病的治療最根本的方法是進行基因替換或修復。基因治療的最佳時期理論上是受精卵時期，這樣可

11、以使個體的每個細胞都含有正?；?，但在現(xiàn)實生活中是不可能的，因為不可能每個人都在受精卵時期進行基因檢查；其次是對患者進行相關細胞的基因替換，如對于遺傳性糖尿病患者，只對胰腺的B細胞進行基因替換，該個體就能正常分泌胰島素，糖尿病得以治療，但這種局部細胞的基因替換，并沒有改變其它部位細胞的基因，如精原細胞，其后代很大可能還會患遺傳性糖尿病。過程（以鐮刀形細胞貧血癥的治療為例）步驟過程獲取正常的血紅蛋白基因用限制性核酸內切酶從人的DNA分子中切取血紅蛋白基因形成重組載體用同一種限制性核酸內切酶在載體DNA上切開一個切口，用DNA連接酶將正常血紅蛋白基因連接在載體DNA上，形成重組載體重組載體的轉化與篩選將攜帶正常血紅蛋白基因的重組載體導入患者的造血干細胞中，并將重組載體插入到染色體。用選擇培養(yǎng)基篩選出含重組質粒的造血干細胞。將含正常血紅蛋白基因的造血干細胞回輸給患者骨髓將攜帶正常血紅蛋白基因的造血干細胞輸入患者骨髓中，此造血干細胞產生含正常血紅蛋白的紅細胞，以根治鐮刀形細胞貧血癥五、蛋白質工程1.實質：根據(jù)蛋白質的結構與功能之間的關系，通過改造基因，以定向改造天然蛋白質，甚至創(chuàng)造自然界不存在的、具有優(yōu)良特性的蛋白質。2.基本原理預期蛋白質功能測定蛋白質三維空間結構推測應有的氨基酸序列找到對應的脫氧核苷酸序列（基因）合成具有預期功能的蛋白質3.應用通