基因工程简介-课件.ppt

《基因工程简介-课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基因工程简介-课件.ppt（74页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、基因工程简介,生物之所以体现出各种形态是基因表达的结果，各种生物间的性状千差万别这是为什么呢？,问题：,例：,1青霉菌能产生对人类有用的抗生素青霉素。2豆科植物的根瘤菌能够固定空气中的氮气。3人的胰岛B细胞能分泌胰岛素调节血糖的浓度。,小结：这些性状都是基因特异性表达的结果,人类能不能改造基因呢？能不能使本身没有某个性状的生物具有某个特定性状呢？,问题：,标准概念：在生物体外，通过对DNA分子进行人工“切割”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。,一、基因工程的概念,通俗概念：按照人们的意愿，把一种生

2、物的个别基因复制出来加以修饰改造，然后放到另一种生物的细胞里，定向地改造生物的遗传性状。,剪切拼接导入表达,人类需要的基因产物,DNA分子水平,基因,生物体外,基因拼接技术或DNA重组技术,通过对基因工程概念的理解，我们知道其操作水平是在DNA分子水平，用普通的操作工具能够在如此微观的条件下操作吗？,问题：,二、基因操作的工具,例：抗虫棉的培育是从苏云金芽孢杆菌中提取抗虫基因，并使其与运载体结合，放入棉细胞中的DNA结合起来，在棉细胞中发挥作用。问：在以上的基因工程中培育抗虫棉的过程中，关键步骤和难点是什么？,关键步骤一：抗虫基因从苏云金芽孢杆菌细胞内提取,关键步骤二：抗虫基因与运载体DNA连

3、接,关键步骤三：抗虫基因进入棉细胞。,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：基因的运输工具运载体。,基因操作的工具,1.限制性内切酶（限制酶）,一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切割点上将DNA 分子切断。,、基因的针线DNA连接酶,连接酶的作用是：将互补配对的两个黏性末端连接起来，使之成为一个完整的DNA分子。,3、基因的运输工具运载体,能与目的基因结合；能进入受体生物细胞并在受体生物细胞内复制并表达；比较容易得到；具有多个限制酶切点；具有某些标记基因,鸟枪法 分子杂交法 逆转录法 人工合成法,基因工程基本步骤

4、,1.获取目的基因,2.目的基因与运载体结合,3.目的基因的导入,4.目的基因的检测和表达,基因操作的工具,1.基因的剪刀限制性内切酶（限制酶）,一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切割点上将DNA 分子切断。目前已发现的限制酶有200多种。,重播,DNA被限制酶切断后有两个反向互补的“黏性末端”。被同一种限制切断的几个DNA具有相同的黏性末端，能够通过互补进行配对。,（1）基因的剪刀限制性内切酶（简称限制酶）,分布：,作用特点：,结果：,主要在微生物中。,特异性，即识别特定核苷酸序列，切割特定切点。,产生黏性未端（碱基互补配对）。,举例：大肠杆菌的一种限制酶能识别GAATTC序

5、列，并在G和A之间切开。,思考题：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？可产生几个黏性未端？,、基因的针线DNA连接酶,连接酶的作用是：将互补配对的两个黏性末端连接起来，使之成为一个完整的DNA分子。,重播,（2）基因的针线DNA连接酶（图示）,连接的部位：,结果：,磷酸二酯键（梯子的扶手），不是氢键（梯子的踏板）。,两个相同的黏性未端的连接。,思考题：用DNA连接酶连接两个相同的黏性未端要连接几个磷酸二酯键？,（3）基因的运输工具运载体（图示）,作用：,具备的条件：,种类：,质粒的特点：,将外源基因送入受体细胞。,能在宿主细胞内复制并稳定地保存。具有多个限制酶切点。具有某些标记

6、基因。,质粒、噬菌体和动植物病毒。,存在于许多细菌及酵母菌等生物中。质粒的存在对宿主细胞无影响。质粒的复制只能在宿主细胞内完成。细胞染色体外能自主主复制的小型环状DNA分子。,思考题：1、质粒上会存在某些标记基因，这些标记基因有什么用途？,3、基因的运输工具运载体,巩固练习：1、作为基因的运输工具运载体，必须具备的条件之一及理由是（）A、具有多个限制酶切点，以便于目的基因的表达B、能够在宿主细胞中稳定地保存下来并大量复制，以便提供大量的 目的基因C、具有某些标记基因，以便为目的基因的表达提供条件D、能够在宿主细胞中复制并稳定保存，以便于进行筛选2、DNA连接酶的功能是（）A、子链与母链间形成氢

7、键 B、粘性末端之间形成氢键C、两DNA末端间的缝隙连接 D、A、B、C都对3、在基因工程中所先用的质粒，错误的是（）A、不能没有标记基因 B、是小型链状DNA分子C、能够自我复制 D、可与目的基因重组,B,C,B,第一步：获取目的基因：基因的直接分离或人工合成。即获取含有所需要的完整的遗传信息的DNA片段。,基因工程基本步骤,直接分离基因鸟枪法,将供体生物的DNA用限制酶切割为许多片段，再用运载体将这些片段都运载到受体生物的不同细胞中去。只要有一个细胞获得了需要的目的基因并得以表达，基因工程就算成功了。该法最大的缺点是带有很大的盲目性，工作量大，成功率低。且不能将真核生物的基因转移到原核生物

8、中去。,人工合成基因法,DNA合成仪,直接合成法：根据蛋白质的氨基酸顺序推算出信使RNA核苷酸顺序，再据此推算出基因DNA的脱氧核苷酸顺序。用游离脱氧核苷酸直接合成相应的基因。,逆转录法：以信使RNA为模板，在逆转录酶的作用下将脱氧核苷酸合成合成DNA(基因)。,目的基因是指人们所需要的特定基因，有两条途径。,鸟枪法，其过程是：,此法的优点：操作简便 缺点：工作量大，专一性较差，分离出来的有时 并非一个基因，具有一定的盲目性。,人工合成基因法,小结：,1能在宿主细胞内复制并稳定的保存2具有多个限制酶切点，3具有某些标记基因,第二步：目的基因与运载体结合,2、目的基因与运载体结合,用与提取目的基

9、因相同的限制酶切割质粒使之出现一个切口，将目的基因插入切口处，让目的基因的黏性末端与切口上的黏性末端互补配对后，在连拉酶的作用下连接形成重组DNA分子。,2、目的基因与运载体结合,步骤：（1）用一定的限制酶切割质粒，使其出现一个有粘性末端的切口。（2）用同种限制酶切断目的基因，产生相同的粘性末端。（3）将切下的目的基因片段，插入到质粒的切口处，再加入适量的DNA连接酶，使质粒与目的基因结合成重组质粒,思考题：目的基因与运载体结合的结果可能有几种情况？,（有三种情况：目的基因与目的基因结合，质粒与质粒结合，目的基因与质粒结合。）,3、将目的基因导入受体细胞,导入方法：借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径

10、。,导入过程：（运载体为质粒，受体细胞为细菌，一般是将细菌用 CaCl2处理，以增大细菌细胞壁的通透性，使含有目的 基因的重组质粒进入受体细胞）,第三步：目的基因的导入和表达,通过运载体把目的基因带入某生物体内，并使目的基因在受体细胞内能准确地转录和翻译。,为使重组的DNA分子更容易进入受体细胞，通常要用CaCl2对受体细菌进行处理，使受体细菌具有更大的通透性。,4、目的基因的检测和表达,检测：方法很多，通过检测运载体的标记基因的有无，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。,问题：1、如何检测受体细胞是否真正导入了重组DNA分子？2、如何来确定目的基因是否

11、得以表达？,例如：大肠杆菌的某种质粒具有青霉素抗性基因，当这种质粒与外源DNA组合在一起形成重组质粒，并被转入受体细胞以后，就可以根据受体细胞是否具有青霉素抗性来判断受体细胞是否获得了目的基因。,例如：科学家最初做抗虫棉实验时，已经检测出棉的植株中含有抗虫基因，但却无抗虫效果，这说明了什么？科学家在研究的基础上对棉植株中的抗虫基因进行了修饰，结果很快出现了抗虫性状，这说明了什么？,4、目的基因的检测和表达,大量的受体细胞接受不多的目的基因。处理的受体细胞中真正摄入了目的基因的很少，必须将它从中检测出来。将每个受体细胞单独培养形成菌落，检测菌落中是否有目的基因的表达产物。淘汰无表达产物的菌落，保

12、留有表达产物的进一步培养、研究。,总结：,基因操作的基本步骤：,细菌,取出质粒,用相同的限制酶切出粘性末端,供体细胞,取出DNA分子,用限制酶切取目的基因,将目的基因插入质粒切口,用连接酶将目的基因与质粒相连,将重组DNA分子导入受体细胞,重组DNA分子增殖、表达,目的基因产物,巩固练习：,1、番茄在运输和储藏过程中，由于过早成熟而易腐烂，应用基因工程技术，通过抑制某种促进果实成熟激素的合成能力，可使番茄储藏时间延长，培育成耐储藏的番茄新品种，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。（2）在培育转基因番茄的基因操作，所用的基因的“剪刀”是，基因的“针线”

13、是，基因的运输工具是。（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、。,乙烯,限制性内切酶,连接酶,运载体,目的性强,育种周期短,克服远缘杂交障碍,2、采用基因工程的方法培育抗虫棉，下列导入目的基因的作法正 确的是（）a将毒素蛋白注射到棉受精卵中 b将编码毒素蛋白的DNA序列，注射到棉受精卵中 c将编码毒素蛋白的DNA序列，与质粒重组，导入细菌，用该细菌感染棉的体细胞，再进行组织培养 d将编码毒素蛋白的DNA序列，与细菌质粒重组注射到棉的子房并进入受精卵A.ab B.bc C.cd D.da3、下列高科技成果中，根据基因重组原理进行的是（）a我国科学家袁隆平利用杂交技

14、术培育出超级水稻 b我国科学家将苏云金杆菌的某些基因移植到棉花体内，培育出抗虫棉 c我国科学家通过返回式卫星搭载种子培育出太空椒 d我国科学家通过体细胞克隆技术培养出太空牛A.a B.ab C.abc D.bcd4、我国科学家成功地将人的抗病毒干扰素基因“嫁接”到烟草的DNA分子上，使烟草获得了抗病能力。试问：（1）此“嫁接”实验的物质基础是 的结构组成相同（2）烟草具有了抗病毒能力，表明烟草体内产生了。（3）以上事实告诉我们，人与植物合成蛋白质的方式。,C,B,人与植物DNA,抗病毒干扰素,相同,课后复习题（简答题）1、提取目的基因：从小鼠的细胞内提取DNA同时选择标记的大肠杆菌质粒，如选择

15、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，使其产生相同的粘性末端。将切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-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-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。,基因工程与农牧业、食品工业,运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的农作物及畜、禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的动、植物。,转

16、基因鱼,生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼(中国),转基因牛,乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷),转黄瓜抗青枯病基因的甜椒,转鱼抗寒基因的番茄,转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯,不会引起过敏的转基因大豆,超级动物,导入贮藏蛋白基因的超级羊和超级小鼠,特殊动物,导入人基因具特殊用途的猪和小鼠,乳汁中分泌人凝血因子IX的转基因山羊,美国转基因猪，其体内含有人类的基因，乳汁含有人体蛋白fator。只需300600只这样的母猪就能满足全世界对这种蛋白的需求。,不易腐烂的番茄,抗虫植物 化学农药,兔毛棉花在我国培育成功：用兔的一种角蛋白转化棉花，棉花纤维质量好，具有兔毛般的光泽。,基因工程与医药卫生,

17、基因工程药品的生产,许多药品的生产是从生物组织中提取的。受材料来源限制产量有限，其价格往往十分昂贵。微生物生长迅速，容易控制，适于大规模工业化生产。若将生物合成相应药物成分的基因导入微生物细胞内，让它们产生相应的药物，不但能解决产量问题，还能大大降低生产成本。,基因工程与医药卫生,1）生产基因药品2）基因诊断与基因治疗,基因工程在医药卫生领域的应用,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。,基因工程与医药卫生,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“

18、工程菌”，可高效率地生产出各种高质量、低成本的药品。,基因工程胰岛素（一）,胰岛素是治疗糖尿病的特效药，长期以来只能依靠从猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。,胰岛素分子结构,基因工程胰岛素（二）,将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素！大规模工业化生产不但解决了这种比黄金还贵的药品产量问题，还使其价格降低了30%-50%!,胰岛素生产车间,（一）基因工程与医药卫生,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

19、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。,基因工程药品 干扰素,基因工程干扰素（一）,干扰素治疗病毒感染简直是“万能灵药”！过去从人血中提取，300L血才提取1mg！其“珍贵”程度自不用多说。,干扰素生产车间,干扰素分子结构,基因工程干扰素(二）,基因工程人干扰素-2b（安达芬）是我国第一个全国产化基因工程人干扰素-2b，具有抗病毒，抑制肿瘤细胞增生，调节人体免疫功能的作用，广泛用于病毒性疾病治疗和多种肿

20、瘤的治疗，是当前国际公认的病毒性疾病治疗的首选药物和肿瘤生物治疗的主要药物。,基因工程与医药卫生,治疗侏儒症的唯一方法，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。,基因工程药品 生长激素,其它基因工程药物,人造血液、白细胞介素、乙肝疫苗等通过基因工程实现工业化生产，均为解除人类的病苦，提高人类的健康水平发挥了重大的作用。,人造血液及其生产,基因工程与医药卫生,转基因

21、动物的乳腺。,就基因药物而言，最理想的表达场所是哪里？,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。,什么叫转基因动物？,基因工程与医药卫生,基因诊断：,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。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；,基因工程与医药卫生,DNA分子杂交原

22、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。,基因工程与医药卫生,基因探针：,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，也可以是由之转录而来的RNA。,基因工程与医药卫生,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。,1）珠

23、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,举例,基因工程与医药卫生,基因治疗：,是指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。,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、基因诊断的技术和方法1.核酸分子杂交 实质上是用已

24、知序列的DNA或RNA片段作为探针与待测样品的DNA或RNA序列进行核酸分子杂交。是基因诊断最基本的技术之一。2.PCR法3.分子探针：核酸分子探针是指特定的已知核酸片段，能与互补核酸序列退火杂交，用于对待测核酸样品中特定基因顺序的探测。满足：（1）必须是单链，（2）带有容易被检测出来的标记物。,生物芯片,从正常人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出标准图谱。从病人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出病变图谱。通过比较、分析这两种图谱，就可以得出病变的DNA信息。基因芯片诊断技术以其快速、高效、敏感、经济、平行化、自动化等特点，将成为一项现代化诊断新技术。,基因诊断与基

25、因治疗,运用基因工程设计制造的“DNA探针”检测肝炎病毒等病毒感染及遗传缺陷，不但准确而且迅速。通过基因工程给患有遗传病的人体内导入正常基因可“一次性”解除病人的疾苦。,我国研究人员正在制备用于基因治疗的基因工程细胞,SCID的基因工程治疗,重症联合免疫缺陷（SCID）患者缺乏正常的人体免疫功能，只要稍被细菌或者病毒感染，就会发病死亡。这个病的机理是细胞的一个常染色体上编码腺苷酸脱氨酶（简称ADA）的基因（ada）发生了突变。可以通过基因工程的方法治疗。,SCID患者生存在无菌环境中,3、人类基因治疗,（1）体细胞基因治疗,1990年9月14日美国政府首次批准了一项基因治疗临床研究计划：对一台

26、患有腺苷脱氨酶（ADA）缺陷的重度联合免疫缺陷症（SCID）4岁女童进行基因治疗并获得成功。该患者今年已经10岁了。从而开创了医学界的新纪元。,基因治疗SCID的过程,基因工程与环境监测（一）,基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。,1t水中只有10个病毒也能被DNA探针检测出来,基因工程与环境监测（二）,利用基因工程培育的指示生物能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。,基因工程与环境污染治理,基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。,通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程培育成功的“超

27、级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。,例题分析（一）,农业上大量使用化肥存在许多负面影响，生物固氮已成为一项重要研究课题，实验证明，生物固氮是某些微生物（如根瘤菌、蓝藻等）将空气中的N2固定为NH3的过程。（1）与人工合成NH3所需的高温、高压条件相比，生物固氮的顺利进行是因为根瘤菌、蓝藻体内含有特定的，这类物质的化学本质是。,酶,蛋白质,例题分析（一）续,（2）人们正在着力研究转基因固氮植物（如固氮水稻、固氮小麦等），某科学家将根瘤菌、细胞中的固氮基因，通过基因工程方法转移到水稻植株细胞中，经检测，转基因水稻具备了固氮功能。据上述材料

28、分析：,固氮基因已经整合到水稻细胞的 中。写出水稻细胞中固氮基因得到表达的反应式。,DNA,例题分析（二）,干扰素是治疗癌症的重要物质，人血液中每升只能提取0.05g干扰素，因而其价格昂贵，平民百姓用不起。但美国有一家公司用遗传工程方法合成了价格低廉、药性一样的干扰素，其具体做法是：（1）从人的淋巴细胞中提取能指导干扰素合成的_，并使之与一种叫做质粒的DNA结合，然后移植到酵母菌内，从而用酵母菌来_。（2）酵母菌能用_方式繁殖，速度很快，所以，能在较短的时间内大量生产。利用这种方法不仅产量高，并且成本也较低。,基因,产生干扰素,出芽,干扰素,5、科学家应用基因工程培育出了一种转基因抗虫棉，它能

29、产生毒素杀死害虫，目前正在大面积推广种植。科学家还研究了害虫的遗传基础，发现不抗毒素对抗毒素为显性（此处分别用B和b表示）。（1）种植抗虫棉，有利于生态环境保护，这是因为。（2）棉田不抗毒素害虫的基因型为；抗毒素害虫的基因型为。（3）不抗毒素害虫与抗毒素害虫杂交，则子代的基因型为。（4）抗虫棉的抗害虫的遗传信息传递过程可以表示为。（5）科学家预言，此种抗虫棉独立种植若干年后，也将出现不抗虫的植株，此现象来源于。,可以减少或不再使用农药杀虫，从而避免农药对环境的污染,BB或Bb,bb,Bb或bb,基因突变,6、昆虫学家用人工诱变的方法使昆虫产生基因突变，导致酯酶活性升高，该酶可催化分解有机磷农药，近几年已将控制酯酶合成的基因分离出来，通过生物工程技术将它导入细菌体内，并与细菌的DNA分子结合起来。经过这样处理的细菌仍能分裂繁殖。请据上述资料回答：（1）人工诱变在生产实践中已得到广泛的应用，因为它能提高，通过人工选择获得。（2）酯酶的化学本质是，基因控制酯酶合成要经过 和 两个过程。（3）通过生物工程产生的细菌，其后代同样能分泌酯酶，这是由于。（4）请你具体说出一项上述科研成果的实际应用：。,基因突变频率,人们所需要的突变性状,蛋白质,转录,翻译,控制酯酶合成的基因随着细菌DNA分子的复制而复制，并在后代中表达,用于降解污水中的有机磷农药，以保护环境,