第2节 基因工程及其应用
能发光的水母
请您欣赏
能否能否让热带鱼也能发光?
设想
不能发光的热带斑马鱼
能发荧光的热带斑马鱼
普通热带斑马鱼是不发荧光的
请您欣赏
超级小鼠与超级鱼
香 蕉 鱼
你见过吗?
最新款的摩托车
你想过吗?
谁能告诉我这是ＷＨＡＴ？
你知道什么是真正的硕果累累吗?
基因“嫁接”
一、基因工程的概念：
又叫做基因拼接技术或DNA重组技术。通俗的说，就是按照人们的意愿，把一种生物的某种基因提取出来，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。
基因重组
生物体外
基因/DNA
分子水平
剪切→拼接→导入→表达
人类需要的基因产物
二、基因工程（育种）的优、缺点
优点：克服远源杂交不亲和的障碍
——同杂交育种比
定向改造生物性状，目的性强
——同诱变育种比
缺点：技术要求复杂
安全性问题多，可能引起生态危机
育种周期短
（一）基因的剪刀—限制性内切酶（简称限制酶）
三、基因操作的工具
限制酶是在生物体(主要是微生物)内的一种酶，能将外来的DNA切断，由于这种切割作用是在DNA分子内部进行的，故名限制性内切酶。
特点：专一性。
即一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并且能在特定的切点上切割DNA分子。
基因的剪刀——限制性内切酶（简称限制酶）
大肠杆菌(E.coli)的一种限制酶能识别GAATTC序列，并在G和A之间切开。
限制酶
基因的剪刀——限制性内切酶（简称限制酶）
限制酶
什么叫黏性末端？
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，他们之间正好互补配对，这样的切口叫黏性末端。
练习使用EcoRI 剪切目的基因
黏性末端
（二）基因的针线——DNA连接酶
三、基因操作的工具
DNA连接酶可把黏性末端之间的缝隙“缝合”起来，即把梯子两边扶手的断口连接起来，这样一个重组的DNA分子就形成了。
磷酸二酯键
甲片段
把梯子两边扶手的断口连接起来，这样一个重组DNA分子就形成了。
（二）基因的针线——DNA连接酶
连接切口,催化在两条DNA链的末端形成磷酸二酯键。
连接酶的作用
可以在体外将目的基因与运载体共价连接构成重组DNA分子；
连接的具体部位
3’,5’-磷酸二酯键
下列是由限制酶切割形成的DNA片段，能用相应DNA连接酶将它们恢复连接的组合是
①…CTGCA …G
②…G
…CTTAA
③ G…
ACGTC…
④ AATTC…
G…
A. ①③；②④ B. ①②；③④C. ①④；②③ D.以上都不对
A
DNA聚合酶和DNA连接酶的比较
不同点
相同点
DNA聚合酶
DNA连接酶
连接DNA片段
不需要模板
连接的是游离的脱氧核苷酸
需要模板
形成磷酸二酯键
外源基因(如抗虫基因)怎样才能导入受体细胞(如棉花细胞)？
三、基因操作的工具
导入过程需要运输工具——运载体。
运载体的作用有哪些？
作用一：作为运载工具，将外源基因(抗虫基因)转移到受体细胞(棉花细胞)中去。
作用二：利用运载体在受体细胞(棉花细胞)内，对外源基因(抗虫基因)进行大量复制。
（三）基因的运载工具——运载体：
常用的运载体主要有两类：
1）细菌细胞质的质粒
2）噬菌体或某些动植物病毒
质粒：
质粒是染色体外能够进行自主复制的遗传单位，包括真核生物的细胞器和细菌细胞中核区外的DNA分子。现在习惯上用来专指细菌、酵母菌和放线菌等生物中核以外的DNA分子。
质粒是基因工程最常用的运载体。
绝大多数细菌质粒都是闭合双链环状DNA分子。有的一个细菌中有一个，有的一个细菌中有多个。
大肠杆菌的质粒：
最常用的质粒是大肠杆菌的质粒，其中常含有抗药基因，如四环素的标记基因。
质粒的存在与否对宿主细胞生存没有决定性作用，但复制只能在宿主细胞内成。
运载体应该具有什么特点呢?
？
运载体的条件：
1.相对分子质量小，以便操作；
2.具有多种限制酶的单一切点,
以供目的基因的插入；
3.携带能转移的基因；
4.稳定保存（不离开，不迫害）；
5.能够在受体细胞内复制
或整合到受体细胞DNA上随
受体细胞DNA的复制而同步复制
以便得到大量目的基因；
6.具有标记基因，以便进行筛选;
抗菌素抗性基因
质粒
A C G
T
G C A
T
抗菌素抗性基因
提取
培育转基因大肠杆菌的简要过程
普通大肠杆菌
(不能分泌胰岛素)
人体组织细胞
胰岛素基因
与运载体DNA拼接
导入
大肠杆菌(含胰岛素基因)
转基因大肠杆菌
(能分泌胰岛素)
四个基本步骤：
四、基因工程操作的基本步骤
1）提取目的基因
2）目的基因与运载体结合
3）将目的基因导入受体细胞
4）目的基因的检测和表达
目的基因
四、基因工程操作的基本步骤
目的基因是人们所需要转移或改造的基因。
如苏云金芽孢杆菌的抗虫基因，还有植物的抗病（抗病毒、抗细菌）基因、种子贮藏蛋白的基因，以及人的胰岛素基因、干扰素基因等。
步骤一：提取目的基因
目的基因的提取方法
直接分离基因
人工合成基因
鸟枪法
逆转录法
根据蛋白质已知的氨基酸序列合成目的基因
四、基因工程操作的基本步骤
......
“鸟枪法”
目的基因的mRNA
单链DNA
双链DNA(即目的基因)
逆转录
合成
蛋白质的氨基酸序列
推测
mRNA的核苷酸序列
推测
目的基因的核苷酸序列
化学合成
目的基因
逆转录法
化学合成法
四、基因工程操作的基本步骤
步骤二：目的基因与运载体重组
1）用一定的限制酶切割质粒，使其出现一个切口，露出黏性末端。
2）用同一种限制酶切断目的基因，使其产生相同的黏性末端。
3）将切下的目的基因片段插入质粒的切口处，再加入适量DNA连接酶，形成了一个重组DNA分子（重组质粒）
目的基因与运载体的结合过程，实际上是不同来源的基因重组的过程。
Bam HⅠ切割反应
T4 DNA连接酶
15ºC
同一限制酶切位点连接
四、基因工程操作的基本步骤
常用的受体细胞：
有大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母菌和动植物细胞等。
将目的基因导入受体细胞的原理
借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。
步骤三：目的基因导入受体细胞
步骤三：目的基因导入受体细胞
注意：当运载体是质粒，受体细胞为细菌时，应作何处理：
应用CaCl2处理
四、基因工程操作的基本步骤
步骤四：目的基因的检测和表达
不能，受体细胞必须表现出特定的性状，才能说明目的基因完成了表达。
四、基因工程操作的基本步骤
受体细胞摄入DNA分子后就说明目的基因完成了表达吗？
若不能表达，要对抗虫基因再进行修饰。
步骤四：目的基因的检测与表达
氨苄青霉素抗性基因
检测目的基因是否导入：通过检测标记基因是否表达，来检测标记基因的有无，来检测目的基因是否导入。
检测方法：将受体细胞放在含有青霉素的培养皿中培养，若存活，则导入成功；若死亡，则重组DNA没有导入受体细胞。
检测目的基因是否表达：通过目的产物、目的性状的产生与否来确定目的基因是否表达。
基因工程操作的基本步骤可形象归纳为：
小结
五、基因工程的应用
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。
1、基因工程与作物育种
抗虫的基因来自苏云金芽胞杆菌。苏云金芽胞杆菌形成的伴胞晶体是一种毒性很强的蛋白晶体，能使棉铃虫等鳞翅目害虫瘫痪致死。科学家将控制这个蛋白质的基因导入棉花，使棉花自身具有抵御虫害的能力。
转基因龙胆花色奇异
转基因蓝猪耳改变花色
转基因牵牛花改变了花色
A：紫外光照射下的转绿色荧光蛋白的 Eustoma (Lisianthus) 花。
B：转没有绿色荧光蛋白的空质粒的花，
会发光的转基因鱼
超级动物
特殊动物
图为2001年12月底出生的5只可爱的转基因克隆小猪。据培育者英国PPL医疗公司称，这些转基因小猪将为研究和“生产”适用于人体移植手术使用的动物器官提供巨大的帮助。
首只转基因猴诞生，人类未来忧喜参半
2002年，中国转基因棉花达到150万公顷，已经占到棉花产量的1／3.
我国大豆食用油近七成是“转基因”产品
与杂交育种、诱变育种相比较，基因工程育种的优点有哪些？
目的性强、克服远源杂交不亲和性、育种周期短
2、基因工程与药物研制
1、微生物基因工程：
即把目的基因导入大肠杆菌等菌中，通过微生物表达目的基因的产物。
2、细胞基因工程：
即用哺乳动物细胞株表达目的产物
3、转基因动物：
即将目的基因直接导入鼠、兔、羊和猪体内，使目的基因在哺乳动物体内表达，从儿获得目的产物
治疗糖尿病
治疗生长缺陷症
治疗烫伤、胃溃疡
治疗某些癌症
治疗癌症或病毒感染
预防病毒性肝炎
治疗心血管病（心脏病）
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%!
2、不属于基因工程方法生产的药物是（ ）
A、干扰素 B、白细胞介素
C、青霉素 D、乙肝疫苗
C
3、基因工程与环境保护
⑴　环境监测：　　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。
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。
⑵　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。
2006年3月14日绿色和平组织发布消息,称亨氏营养米粉含有转Bt基因抗虫水稻成分。
那么转基因食品到底安全吗？什么样的转基因食品才能上市？如何面对市场上的转基因食品呢？
六、转基因生物与转基因食品的安全性
两种观点
安全：证据
不安全：证据
你们的观点？

安全观点：
1.转基因食品与非转基因食品的构成是一样的；
2.减少农药使用、减少环境污染；
3.节省生产成本，降低粮食售价；
4.增加食品营养、提高食品产量等。

不安全观点：
1.可能产生抗除草剂的超级杂草；
2.可能使疾病的散播跨越物种障碍；
3.可能损害农作物的生物多样性；
4.可能干扰生态系统的稳定性；
5.可能产生新毒素和新过敏源。
1）以下说法正确的是 （ ）
A、所有的限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列
B、质粒是基因工程中唯一的运载体
C、运载体必须具备的条件之一是：具有多个限制酶切点，以便与外源基因连接
D、基因控制的性状都能在后代表现出来
C
练习
2）有关基因工程的叙述正确的是 （ ）
A、限制酶只在获得目的基因时才用
B、重组质粒的形成在细胞内完成
C、质粒都可作为运载体
D、蛋白质的结构可为合成目的基因提供资料
D
3）有关基因工程的叙述中，错误的是（ ）
A、DNA连接酶将黏性末端的碱基对连接起来
B、 限制性内切酶用于目的基因的获得
C、目的基因须由运载体导入受体细胞
D、 人工合成目的基因不用限制性内切酶
A