基因工程的基本内容Word下载.docx

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　　五.学习过程：

（一）概念：

基因工程——又叫基因拼接技术或DNA重组技术。

是指在生物体外，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，产生出人类所需要的基因产物。

概念要点：

1.在DNA分子水平上进行设计操作的

2.在生物体外实现的基因改造

3.对受体细胞进行无性繁殖

4.重组基因最终表达获得性状

（二）基因操作的工具

1.抗虫棉的培育：

将抗虫的基因从某种生物（如苏云金芽孢杆菌）中提取出来，“插入”到棉花的细胞中，与棉细胞中的DNA结合起来，在棉中发挥作用。

2.技术要点

首先：

从苏云金芽孢杆菌的一个DNA分子上辨别出所需要的基因，并且把它切割下来

其次：

将切割下来的抗虫基因与棉的DNA“缝合”起来

A.基因的剪刀——限制性内切酶

全称：

DNA限制性内切酶（以下简称限制酶）。

来源：

主要来自于微生物中（目前已经发现了200多种限制酶）

特点：

一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子

例如：

从大肠杆菌中发现的一种限制酶只能识别GAATTC序列，并在G和A间切开。

补充知识：

1.限制性内切酶可以水解侵入细菌的外源性DNA分子，保护细菌自身

2.每种限制性内切酶能识别DNA中4—6个核苷酸的特殊序列

3.细菌自身相同序列被修饰（甲基化）而不被水解

4.限制酶能产生交错切口，形成粘性末端

B.基因的针线——DNA连接酶

黏性末端：

被限制酶切开的DNA两条单链的切口，带有几个伸出的核苷酸，它们之间正好互补配对，这样的切口叫做黏性末端。

DNA连接酶：

两种来源不同的DNA用同一种限制酶来切割，然后让两者的黏性末端通过互补的碱基黏合起来，DNA连接酶在断口处把两条DNA末端之间的缝隙“缝合”起来——形成共价键

C.基因的运输工具——运载体

作用：

要将一个外源基因，送入受体细胞。

条件：

①能够在宿主细胞中复制并稳定地保存　　进行复制、表达

②具有多个限制酶切点　　　　 

　　以便与外源基因连接

③具有某些标记基因　　　　　　便于进行筛选

常用运载体：

质粒、噬菌体和动植物病毒等。

质粒：

是基因工程最常用的运载体，最常用的质粒是大肠杆菌的质粒

存在于许多细菌以及酵母菌等生物中，是细胞染色体外能够自主复制的很小的环状DNA分子。

①含有抗性基因：

大肠杆菌质粒中常含抗药基因，如：

抗四环素的标记基因

②基因组很小：

细菌质粒的大小只有普通细菌染色体DNA的百分之一

③质粒能够“友好”地“借居”在宿主细胞中。

一般来说，质粒的存在与否对宿主细胞生存没有决定性的作用。

④质粒的复制则只能在宿主细胞内完成。

大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌等细菌中都有质粒。

（土壤农杆菌很容易感染植物细胞，使细胞生有瘤状物。

培育转基因植物时，常常用土壤农杆菌中的质粒做运载体。

）

　　六.基因操作的基本步骤

（一）取目的基因

目的基因:

是人们所需要的特定基因

苏云金芽孢杆菌中的抗虫基因

植物的抗病（抗病毒、抗细菌）基因

种子的贮藏蛋白的基因

人的胰岛素基因、干扰素基因等

主要途径：

①从供体细胞的DNA中直接分离基因　　②人工合成基因。

1.直接分离基因:

最常用的方法是“鸟枪法”，又叫“散弹射击法”。

具体操作：

供体细胞中的DNA切成许多片段重组DNA

受体细胞（大量复制）基因扩增分离含有目的基因的细胞把带有目的基因的DNA片段分离出来

优点：

操作简便

缺点：

①工作量大，具有一定的盲目性

②真核细胞的基因含有不表达的DNA片段，不能直接用于基因的扩增和表达

主要应用：

如许多抗虫、抗病毒的基因都可以用上述方法获得。

2.人工合成基因：

（1）逆转录法

以目的基因转录成的信使RNA为模板，反转录成互补的单链DNA，然后在酶的作用下合成双链DNA，从而获得所需要的基因。

目的基因mRNA单链DNA双链DNA（目的基因序列）

（2）化学合成法

根据已知的蛋白质的氨基酸序列，推测出相应的信使RNA序列，然后按照碱基互补配对原则，推测出它的结构基因的核苷酸序列，再通过化学方法，以单核苷酸为原料合成目的基因

蛋白质氨基酸序列mRNA序列DNA序列目的基因

目的性强，比较容易获得真核基因序列

操作技术性强，不容易获取，基因表达不容易控制

如人的血红蛋白基因、胰岛素基因等就可以通过人工合成基因的方法获得。

重要发展：

DNA序列自动测序仪对提取出来的基因进行核苷酸序列分析，扩增DNA技术（也叫PCR技术），使目的基因在短时间内成百万倍地扩增。

A.目的基因与运载体结合

B.将目的基因导入受体细胞

常用受体细胞：

大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母菌和动植物细胞等。

主要手段：

借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。

质粒细菌目的基因扩增　　

感受态细胞：

能够接受外源DNA的细胞

将细菌用氯化钙处理，以增大细菌细胞壁的通透性，使含有目的基因的重组质粒易进入受体细胞。

C.目的基因的检测和表达

1.转基因结果：

①在全部受体细胞中，真正能够摄入重组DNA分子的受体细胞很少

②重组DNA转移成功的受体细胞不一定能够表达

③必须通过一定的手段对受体细胞中是否导入了目的基因进行检测。

2.检测的方法

（1）抗性监测：

（2）性状检测：

受体细胞是否表现出特定的性状，才能说明目的基因完成了表达过程。

基因工程的成果与发展前景

一.基因工程与医药卫生

A.生产基因工程药品

传统药品生产：

直接从生物体的组织、细胞或血液中提取的

原料有限，产品价格昂贵。

如：

猪胰岛素，紫草素

工程菌生产：

通过发酵工程生产

高效率、高质量、低成本的药品。

如胰岛素、干扰素和乙肝疫苗等

胰岛素：

是治疗糖尿病的特效药。

　　胰岛素生产 

传统方法 

基因工程

来源 

猪、牛胰腺提取 

大肠杆菌工程菌分泌

产量 

4—5克/100千克 

100克/1000升培养液

比较 

产量低、价格高、供不应求 

产量高、工厂化生产、满足患者需要

白细胞介素－2：

是淋巴细胞产生的一种淋巴因子

本质：

小分子蛋白质（分布于血清中）

功能：

能促进淋巴细胞活化和增殖

应用：

主要用于治疗肿瘤和感染性疾病

生产：

白细胞介素－2在大肠杆菌中的高效表达，发酵工程生产

干扰素：

是病毒侵入细胞后产生的一种糖蛋白

可溶性糖蛋白（分布于血清和组织液）

被病毒感染的组织细胞产生（非病毒基因表达产物）

①它是一种抗病毒的特效药，对细菌和真菌感染作用不大

②几乎能抵抗所有病毒引起的感染，如水痘、肝炎、狂犬病等病毒引起的感染，

③干扰素对治疗乳腺癌、骨髓癌、淋巴癌等癌症和某些白血病也有一定疗效。

干扰素生产 

基因工程方法

从人血液中的白细胞内提取 

大肠杆菌及酵母菌细胞内获得

1mg干扰素/300L血液 

20～40mg干扰素/1kg细菌培养物

基因工程方法生产产量高、效果稳定、成本低，适于工厂化生产

基因工程药物：

蛋白质产品：

胰岛素、干扰素外、白细胞介素、溶血栓剂、凝血因子、人造血液代用品等

疫苗产品：

预防乙肝、狂犬病、百日咳、霍乱、伤寒、虐疾等疾病的各类疫苗。

B.用于基因诊断与基因治疗

基因工程技术还可以直接用于基因的诊断和治疗。

1.基因诊断：

用放射性同位素（如32P）、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。

基本原理：

分子杂交

诊断病例：

①病毒性疾病：

利用DNA探针可以迅速地检出肝炎患者的肝炎病毒、肠道病毒、单纯疱疹病毒等多种病毒。

②诊断遗传性疾病：

用β－珠蛋白的DNA探针检测出镰刀状细胞贫血症，苯丙氨酸羟化酶基因探针检测出苯丙酮尿症。

③肿瘤诊断中的应用：

用白血病患者细胞中分离出的癌基因制备的DNA探针，可以用来检测白血病。

2.基因治疗：

把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的

病例试验：

半乳糖血症：

常染色体单基因隐性遗传病

病理：

乳糖代谢异常

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，因此当乳糖分解成半乳糖后，不能继续转化为葡萄糖，过多的半乳糖在体内积聚，会引起肝、脑等功能受损

治疗：

体外试验水平

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

结论：

用基因替换的方法治疗这种遗传病是可能的

基因治疗并非对致病基因进行修复

该种治疗方法并不能稳定遗传

基因工程与农牧业、食品工业

1.主要应用：

培育高产、优质或具有特殊用途的动植物新品种。

（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。

用基因工程的方法可以改善粮食作物的蛋白质含量。

实验：

将菜豆储存蛋白的基因转移到向日葵中，培育出了“向日葵豆”植株

前景：

如果以此作为技术基础，把大豆蛋白的基因转移到水稻、小麦等粮食作物中，就可以提高这些作物的蛋白质含量，改善它们的品质。

（2）用基因工程的方法培育出具有各种抗逆性的作物新品种。

原理：

抗性基因转移到作物体内，将从根本上改变作物的特性。

如抗虫、抗病毒、抗除草剂、抗盐碱、抗干旱、抗高温等（自然界中细菌身上几乎可以找到植物所需要的各种抗性）

抗虫的烟草、番茄、马铃薯、玉米、大豆、油菜、棉等作物，抗黄瓜花叶病毒、苜蓿花叶病毒的作物，以及抗除草剂的植物等

（3）基因工程在畜牧养殖业上的应用：

病毒DNA

实验前景：

①特殊动物：

将人生长素基因和牛生长素基因分别注射到小白鼠的受精卵，得到体型巨大的“超级小鼠”

②乳房反应器

利用某些特定的外源基因在哺乳动物体内的表达，从这些动物的乳腺细胞中获得人类所需要的各类物质，如激素、抗体及酶类等。

③开辟新的食物来源

可以用基因工程的方法从微生物中获得人们所需要的糖类、脂肪和维生素等产品。

　　三. 

基因工程与环境保护

1.用于环境监测——用DNA探针可以检测饮用水中病毒的含量

方法：

使用一个特定的DNA片段制成探针，与被检测的病毒DNA杂交，从而把病毒检测出来

快速、灵敏

（用传统方法进行检测，一次需要耗费几天或几个星期的时间，精确度也不高。

用DNA探针只需要花费一天的时间，并且能够大幅度地提高检测精度，据报道，1t水