导图社区 高中生物——基因工程
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基因工程
概念
操作环境
生物体外
操作对象
基因
操作水平
DNA分子水平
特点
定向改造生物
原理（本质）
基因重组
基本过程
剪切→拼接→导入→表达
结果
创造出人类需要的新的生物类型和生物产品
别名
基因拼接技术
DNA重组技术
理论基础
DNA是遗传物质的证明
遗传密码的破译
DNA双螺旋结构和中心法则的确立
技术支持
基因转移载体的发现
工具酶的发现
DNA体外重组的实现
重组DNA表达实验的成功
PCR技术的发明
DNA重组技术的基本工具
分子“手术刀”
限制性核酸内切酶
主要来源
原核生物
所以原核生物可以保护入侵的限制酶切割
特点
具有专一性
识别双链DNA分子某种特定的核苷酸序列
切割特定核苷酸序列中的特定位点
作用
断开每一条链中的特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键
结果
产生黏性末端和平末端
大多数限制酶的识别序列都是由6个核苷酸组成
少数识别序列由4、5或8个核苷酸组成
分子“缝合针”
DNA连接酶
作用
恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键
原理
把切下来的DNA片段拼接形成新的DNA，即将脱氧核糖和磷酸连接起来
种类
Ecovi DNA连接酶
来自于大肠杆菌
可连接黏性末端
T4DNA连接酶
来自T4噬菌体
可连接黏性末端和平末端
连接平末端是效率较低
结果
形成重组DNA分子
分子“运载车”
作用
将外源基因送入细胞中
在受体细胞内对目的及基因进行大量复制
质粒
能自我复制
有多个限制酶切位点，供外源DNA片段切割
具有标记基因，供重组DNA的鉴定和选择
对受体细胞无害
质粒是一种裸露的，结构简单，独立于细菌拟核DNA之外，并具有自我复制能力的 =很小的双链环状DNA
基因工程上用到的质粒都是在天然质粒的基础上进行人工改造的
λ噬菌体的衍生物
动植物病毒
拼接的产物
目的基因-目的基因
目的基因-载体
重组DNA
载体-载体
拼接的基础
DNA组成单位相同
空间结构相同
碱基互补配对方式相同
表达的基础
生物共用一套遗传密码子
基本操作
目的基因的获取
目的基因
主要指编码蛋白质的基因
也可以是一些具有调控作用的因子
从基因文库中获取
利用PCR技术扩增目的基因
适合原核生物，直接分离
人工合成
化学合成法
反转录法
适用真核生物
真核生物有内含子
基因表达载体的构建
基因工程的核心
目的
使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代
使目的基因能够表达和发挥作用
组成
目的基因
启动子
本质
一段特殊结构的DNA片段
位置
基因的首端
功能
是RNA聚合酶识别和结合的部位，驱动基因转录出mRNA
终止子
本质
一段有特殊结构的DNA短片段
位置
基因的末端
功能
使转录在所需要的地方停止下来
复制原点
使目的基因复制和传递
标记基因
鉴别受体细胞中是否含有目的基因
将目的基因导入受体细胞
转化
目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程
植物细胞
农杆菌转化法（最常用）
使用于双子叶植物和裸子植物
基因枪法
使用于单子叶植物
花粉管通道法
培育转基因抗虫棉
动物细胞
显微注射法
受体细胞一般为受精卵
微生物
感受态细胞法
用Ca+处理，增加细菌细胞壁的通透性
受体细胞
原核生物
原核生物的特点
繁殖快，单细胞，遗传物质少
目的基因的鉴定和检测
检测转基因生物的DNA是否插入了目的基因
DNA分子杂交法
用放射性同位素标记含有目的基因的DNA片段作标记，以此作为探针
使探针与DNA杂交
检测目的基因是否转录出了mRNA
DNA分子杂交法
用含有放射性同位素标记的目的基因作为探针
使探针与mRNA杂交
检测目的基因是否翻译成蛋白质
抗原-抗体杂交
个体水平的鉴定
抗虫鉴定
抗病鉴定
活性鉴定
基因工程的应用
植物工程
抗虫转基因植物
将分离的杀虫活性基因导入作物中
目的基因
Bt毒蛋白基因
来自于苏云金芽孢杆菌
蛋白酶抑制剂基因
淀粉酶抑制剂基因
植物凝聚素基因
抗病转基因植物
将抗病基因导入植物中
抗病毒基因
病毒外壳蛋白基因
病毒的复制酶基因
抗真菌基因
几丁质酶基因
抗毒素合成基因
其他抗逆转基因植物
抗干旱，抗盐碱
调节细胞渗透压的基因
耐寒
鱼的抗冻基因
抗除草剂
抗除草剂基因
盐碱，干旱，低温和涝害会使植物低产，减产
改良植物的品质
提高食物营养
延长番茄贮存期
提高花卉的观赏价值
动物基因工程
品种改良
提高生长速度
将外源基因导入动物细胞体内
改善蓄产品品质
将肠乳糖酶基因导入奶牛基因，分泌的乳糖大大减少
生物反应器
目的基因
药用蛋白基因
基因表达载体的构建
药用蛋白基因+乳腺蛋白基因的启动子
将目的基因导入受体细胞
显微注射法
受体细胞
哺乳动物的受精卵
转基因动物的乳腺是基因药物的最理想表达的场所
作器官移植的供体
猪的内脏
由于猪的内脏构造，大小，血管分布与人极为相似，而且猪体内隐藏的，可导致人类疾病的病毒远远少于灵长动物
基因工程药品
利用转基因的工程菌生产药物
基因治疗
将正常的基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的
体内治疗
体外治疗
蛋白质工程的崛起
基因工程的实质
将一种生物的基因转移到另一种生物体内的，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状
缘由
基因工程在原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质
天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类的生产和生活需要
实例
延长干扰素的保存时间
提高玉米的赖氨酸含量
目标
根据人们对蛋白质的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计
基础
蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系
操作对象
蛋白质工程的直接操作对象是基因
任何一种蛋白质都是基因组成的，且改造过的基因可以遗传
对基因进行改造比对蛋白质直接进行改造的难度要容易操作的多
手段
基因修饰
基因合成
目的
对现有的蛋白质进行改造
或制造一种新的蛋白质
以满足人类生产生活的需要
基本途径
中心法则的逆推
从预期蛋白质功能出发→设计预期蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相应的脱氧核苷酸序列（基因）
进展和前途
进展
胰岛素速效型药品
前景
用蛋白质工程的方法制成电子元件，具有体积小，耗电少和效率高
难度
主要因为目前科学家对大多数蛋白质的高级结构不够了解
限制酶不可以切割烟草花叶病毒
目的基因的插入点不是随意的，是启动子和终止子之间，否则无法成功构建
一种限制酶只能识别一种特定的脱氧核苷酸序列