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第一章 基因工程,第一節(jié) 工具酶的發(fā)現和 基因工程的誕生,1,思考：,什么叫基因？ 基因、DNA、染色體之間是怎樣的關系？ 什么是遺傳信息？如何表達？,2,三文魚原是西餐和日本料理的主要原料，不僅味道鮮美，而且富含有益心血管健康的奧米伽-3脂肪酸。三文魚種類不少，在國內市場上最常見的是大西洋鮭，野生的大西洋鮭因為過度捕撈，已瀕臨滅絕，市場上賣的大西洋鮭99％以上是人工養(yǎng)殖的。 大西洋鮭的生長速度緩慢，第一年體重只增加20～30克，一般要養(yǎng)三年才能上市。因此可以給大西洋鮭轉入體型最大的三文魚——大鱗大麻哈魚的生長激素基因。,轉基因魚,3,剪切,轉基因魚的構建,,大麻哈魚生長激素基因,目的基因,,大西洋鮭受精卵,受體細胞,魚類因其產卵量大且體外受精而成為研究轉基因動物的最佳入選動物 。,（外源基因）,運載體DNA+目的基因,重組DNA分子,4,基因工程的概念,其核心是構建重組DNA分子,（重組DNA技術）,廣義：把一種生物的基因轉入另一種生物體中，使其產生我們需要的基因產物，或者讓它獲得新的遺傳性狀。,5,生物體外,基因,分子水平,產生人類需要的基因產物,基因重組,操作環(huán)境：,操作對象：,操作水平：,基本原理：,工程結果：,讓目的基因在宿主細胞中穩(wěn)定高效地表達,操作目的：,基本過程：,從此大西洋鮭的身上得到了世界上從沒有過的基因？,（不產生新基因，產生新物種嗎？）,6,理論基礎,DNA是遺傳物質的發(fā)現 DNA雙螺旋結構的確立 遺傳信息傳遞方式(中心法則)的認定,—使來自異種生物的DNA拼接成為可能,——使基因在異種生物 細胞內表達成為可能,基因工程的誕生,技術保障,,工具酶,7,思考：,如何將大馬哈魚細胞內的生長素基因從它的DNA分子中切割下來？,如何將切下來的生長素基因與載體DNA連接起來？,如何將重組的DNA運送到大西洋鮭細胞？,需要切割DNA的工具（分子手術刀）,需要連接DNA片斷的工具 （分子縫合針）,需要基因轉移的工具（分子運輸車）,——限制性核酸內切酶,——DNA連接酶,——基因載體,8,細菌,4000種，常用200多種。,一、限制性核酸內切酶 — “分子手術刀”（簡稱限制酶）,對DNA特定的核苷酸序列進行識別和切割,基因工程的基本工具,能夠識別和切割DNA分子內一小段特殊核苷酸序列的酶 。,思考能否切割煙草花葉病毒上人們想要的目的基因？,9,,重播,EcoRI,識別GAATTC序列，并在G和A之間切開,,,限制酶在切斷DNA時，可在切口處帶有幾個伸出的核苷酸，他們之間堿基正好互補配對，因此稱這些片斷為粘性末端。,5′,5′,3′,3′,,10,平末端：平切,粘性末端：錯切,作用結果：,11,12,思考：,要想獲得某個特定性狀的基因必須要用限制性核酸內切酶切幾個切口？可產生幾個黏性末端？,切兩個切口，產生四個黏性末端。,如果把兩種來源不同的DNA用同一種限制酶來切割，會怎樣呢？,會產生相同的黏性末端。,如果讓兩者的黏性末端通過氫鍵連接起來，是否 就可以形成重組的DNA分子了？,13,,,14,三、基因工程的基本工具,2、DNA連接酶,兩條鏈的骨架部分，形成磷酸二酯鍵,連接部位：,具有相同黏性末端的兩個DNA片段連接起來，形成重組DNA分子。,結果：,限制酶和DNA連接酶的作用部位都是磷酸二酯鍵， 只是一個是切開，一個是連接,注意：,,,思考,氫鍵的斷裂與形成與限制酶、DNA連接酶無關。,15,思考：,用DNA連接酶連接兩個相同的黏性未端要形成幾 個磷酸二酯鍵？,2個,用限制酶切一個特定基因要切斷幾個磷酸二酯鍵？,4個,外源基因（如抗蟲基因）怎樣才能運送到受體細胞（如棉花細胞）？,需要“分子運輸車”——基因進入受體細胞的載體,16,三、基因工程的基本工具,3、基因載體（載體）,作為運載工具，將外源基因送入受體細胞。,作用：,條件：,⑴能在宿主細胞內自我復制并穩(wěn)定地保存,⑵有一個或多個限制酶切點，可使外源基因插入 其中,⑶具有某些遺傳標記基因，以便進行篩選,⑷對受體細胞無害,質粒（最常用）、噬菌體和某些動植物病毒,種類：,,17,質 粒,細菌及酵母菌等。最常用的是大腸桿菌的質粒。,來源：,本質：,特點：,染色體外的小型雙鏈環(huán)狀DNA分子。,能自我復制； 常具有抗生素抗性基因(標記基因)； 其存在對宿主細胞無影響。,可以檢測質粒是否導入了受體細胞,要想將某個特定基因與質粒相連，需要用幾種限制性核酸內切酶處理？,1種,18,四、基因工程的誕生,時間：,1972年，斯坦福大學 合成第一個人工DNA重組產物 1973年，斯坦福大學 實現了細菌之間的性狀轉移 ——標志基因工程的誕生,20世紀70年代,不同生物的DNA能拼接在一起,基因工程的成功能說明哪些問題？,小結,說明所有生物的DNA都具有相同的化學組成(四種脫氧核苷酸)和空間結構(雙螺旋結構),一種生物的基因能夠在另一種生物體內表達,說明基因是有遺傳效應的DNA片段，具有一定的獨立性，同時也說明各種生物共用一套遺傳密碼,19,小結：,基因工程誕生于 。,基因工程誕生的理論基礎： 。,基因工程創(chuàng)建的技術保障： 。,其中限制性核酸內切酶和DNA連接酶 為 提供了必要的手段， 而載體 ，達到了基因 工程的目的。,練習,20,練習：,1、科學家們經過多年努力，創(chuàng)立了一種新興生物技術——基因工程，實施該工程的最終目的是 A. 定向提取生物體的DNA分子 B. 定向地對DNA分子進行“剪切” C. 在生物體外對DNA分子進行改造 D. 定向地改造生物的遺傳性狀,【答案：D】,2、以下說法正確的是 A、所有的限制酶只能識別一種特定的核苷酸序列 B、質粒是基因工程中唯一的運載體 C、載體必須具備的條件之一是：具有多個限制酶切點， 以便與外源基因連接 D、基因控制的性狀都能在后代表現出來,【答案：C】,21,練習：,4、基因工程又叫重組DNA技術。假設以大腸桿菌質粒作為 基因載體，并以同一種限制性核酸內切酶切割載體與目的基因，將切割后的載體與目的基因片段混合，并加入DNA連接酶。連接產物至少有 種環(huán)狀DNA分子(假設兩兩結合)，它們分別是：,3,運載體與運載體相連、目的基因與目的基因相連、運載體與目的基因相連,3、人們常選用的細菌質粒分子往往帶有一個抗菌素抗性基因，該抗性基因的主要作用是 A.提高受體細胞在自然環(huán)境中的耐藥性 B.有利于對目的基因是否導入受體細胞進行檢測 C.增加質粒分子的分子量 D.便于與外源基因連接,【答案：B】,22,5、下圖是將人的生長激素基因導入B細胞內制造“工程菌”示意圖，所用載體為質粒A。已知細菌B細胞內不含質粒A，也不含質粒A上的基因，質粒A導入細菌B后，其上的基因能得到表達。請回答下列問題：,(1)若把通過鑒定證明導入了普通質粒A或重組質粒的細菌放在含有氨芐青霉素的培養(yǎng) 基上培養(yǎng)，會發(fā)生的現象是： 其原理是： (2)導入B細胞中的目的基因成功表達的標志是：,有的能生長,有的不能生長,普通質粒含氨芐青霉素基因；重組質粒氨芐青霉素基因被 破壞。,能合成人的生長激素,23,6、限制性內切酶Ⅰ的識別序列和切點是—G↓GATCC—，限制性內切酶Ⅱ的識別序列和切點是—↓GATC—。在質粒上有酶Ⅰ的一個切點，在目的基因的兩側各有1個酶Ⅱ的切點。 ①請畫出質粒被限制酶Ⅰ切割后所形成的黏性末端。 ②請畫出目的基因兩側被限制酶Ⅱ切割后所形成的黏性末端。 ③在DNA連接酶的作用下，上述兩種不同限制酶切割后形成的黏性末端能否連接起來？為什么？,能。因為由兩種限制性切割后所形成的黏性末端是相同的。,,,24,有關DNA酶,將兩個DNA片段通過磷酸二酯鍵連接。,DNA水解酶： DNA解旋酶： 限制性核酸內切酶： DNA聚合酶： DNA連接酶：,將DNA水解成四種脫氧核苷酸，徹底水解時生成磷酸、脫氧核糖和含氮堿基。,使DNA解旋成單鏈，作用部位是堿基與堿基之間的氫鍵。（在適當的高溫、重金屬鹽的作用下，也可使DNA解旋）,以一條DNA鏈為模板，將單個脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵連接成互補DNA鏈。,將DNA切成片斷，作用部位是磷酸二酯鍵。,25,思考：,假如外源基因導入受體細胞后不能復制會怎樣？ 作為載體如果沒有限制酶切割位點將怎樣？ 外源基因是否進入受體細胞，你如何去察覺？ 如果載體對受體細胞有害將怎樣？,會在細胞增殖中丟失,外源的基因不可能插入,如果載體上有遺傳標記基因，就可通過標記基因的表達來檢測。,將影響受體細胞新陳代謝，進而使轉入的外源基因也可能無法表達。,,26,