基因工程的基本内容.docx
《基因工程的基本内容.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基因工程的基本内容.docx(12页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基因工程的基本内容
基因工程的基本内容
基因工程的基本内容一.本周教学内容:
基因工程的基本内容二.学习内容:
本周学习基因工程的操作过程,指导进行基因工程操作时需要的基本工具:
限制酶、连接酶、运载体,了解他们的特点,及其在基因工程中的应用。
理解基因工程操作的基本步骤,理解如何提取目的基因,怎样将目的基因导入受体细胞,怎样鉴定试验的成果等等。
基因工程的基本内容
一.本周教学内容:
基因工程的基本内容
二. 学习内容:
本周学习基因工程的操作过程,指导进行基因工程操作时需要的基本工具:
限制酶、连接酶、运载体,了解他们的特点,及其在基因工程中的应用。
理解基因工程操作的基本步骤,理解如何提取目的基因,怎样将目的基因导入受体细胞,怎样鉴定试验的成果等等。
了解基因工程对现代社会的贡献及基因工程应用的发展。
三.学习重点:
1.基因工程的概念
2.基因工程的操作工具
3.运载体的基本条件
4.基因工程的基本操作步骤
5.基因工程的应用和发展
四.学习难点:
1.基因工程工具:
限制酶、运载体
2.运载体的基本要求
3.基因工程的操作步骤
4.如何检测基因操作
5.基因工程应用的两面性
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。
特点:
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。
来源:
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
优点:
目的性强,比较容易获得真核基因序列
缺点:
操作技术性强,不容易获取,基因表达不容易控制
主要应用:
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
本质:
可溶性糖蛋白(分布于血清和组织液)
来源:
被病毒感染的组织细胞产生(非病毒基因表达产物)
功能:
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 传统方法 基因工程方法
来源 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
产量 1mg干扰素/300L血液 20~40mg干扰素/1kg细菌培养物
比较 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
二. 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。
如:
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)
例如:
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
特点:
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