高中生物——基因工程

高中生物选修3有关基因工程的重要基础知识

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