高中生物 探究導(dǎo)學(xué)課型 專題1 基因工程 1.2 基因工程的基本操作程序同課異構(gòu)課件 新人教版選修3.ppt

1.2 基因工程的基本操作程序,探究1 目的基因的獲取 【研讀教材自主認(rèn)知】 1.目的基因:主要是指_的基因,也可以是一些具有_ _的因子。 2.目的基因的來源:可以從自然界中已有的_中分離出來,也可以 用_合成。,編碼蛋白質(zhì),調(diào)控作,用,物種,人工的方法,3.獲取目的基因常用的方法: (1)從_中獲取。 (2)利用PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因。 (3)人工合成法。,基因文庫(kù),【小判斷】 (1)基因工程的核心步驟是目的基因的獲取。 ( ) 【分析】基因工程操作的核心是基因表達(dá)載體的構(gòu)建,目的基因的獲 取是基因工程操作的第一步。 (2)目的基因可以從自然界已有的物種中分離,也可以用化學(xué)方法人工 合成。 ( ) 【分析】如果目的基因的序列是已知的,可以采用化學(xué)方法合成,如合 成胰島素基因。,(3)人工合成目的基因不需要用限制性核酸內(nèi)切酶。 ( ) 【分析】人工合成目的基因有兩種方法,其一是化學(xué)合成法,即用游離的脫氧核苷酸合成,不需要限制性核酸內(nèi)切酶;其二是反轉(zhuǎn)錄法,即用已知的mRNA和反轉(zhuǎn)錄酶先合成DNA單鏈,再進(jìn)一步得到DNA雙鏈,也不需要限制性核酸內(nèi)切酶。,【合作探究核心歸納】 1.從基因文庫(kù)中獲取目的基因: (1)cDNA文庫(kù)是從某種生物的某一細(xì)胞中提取出mRNA,經(jīng)反轉(zhuǎn)錄過程獲得的基因文庫(kù),為什么該基因文庫(kù)僅含有該生物的部分基因? 提示:由于基因的選擇性表達(dá),某種生物的某一細(xì)胞中僅有部分基因轉(zhuǎn)錄出mRNA,所以由該細(xì)胞中的mRNA反轉(zhuǎn)錄得到的基因文庫(kù)僅含該生物的部分基因。,(2)結(jié)合基因文庫(kù)、基因組文庫(kù)、cDNA文庫(kù)的概念,嘗試從范圍上比較三者之間的大小關(guān)系,并闡明理由。 提示:基因文庫(kù)基因組文庫(kù)cDNA文庫(kù)?；蚪M文庫(kù)含有一種生物的全部基因,而cDNA文庫(kù)只含有一種生物的部分基因,二者都屬于基因文庫(kù)。,2.利用PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因: PCR是體外擴(kuò)增DNA的技術(shù),結(jié)合細(xì)胞內(nèi)DNA的復(fù)制過程討論下列問題。 (1)結(jié)合相關(guān)知識(shí)填充表格內(nèi)容:,DNA在高溫作用下變性解旋,細(xì)胞內(nèi),(主要在細(xì)胞核內(nèi)),(2)利用PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因時(shí),需要哪些物質(zhì)和條件。 提示:需要模板、脫氧核苷酸、引物、耐高溫的DNA聚合酶等。,3.人工合成法: 人工合成目的基因時(shí),需要預(yù)先知道目的基因的核苷酸序列。請(qǐng)推測(cè)目的基因的核苷酸序列是如何得到的? 提示:測(cè)定目的基因產(chǎn)物的氨基酸序列,根據(jù)密碼子表推測(cè)mRNA的可能的核糖核苷酸序列,再根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則推測(cè)出目的基因的脫氧核苷酸序列。,【歸納總結(jié)】獲取目的基因的四種方法,【過關(guān)小練即時(shí)應(yīng)用】 1.(2015長(zhǎng)沙高二檢測(cè))有關(guān)PCR技術(shù)的說法,不正確的是 ( ) A.PCR是一項(xiàng)在生物體外復(fù)制特定的DNA片段的核酸合成技術(shù) B.PCR的原理是DNA雙鏈復(fù)制 C.利用PCR獲取目的基因的前提是要有一段已知目的基因的核苷酸序 列 D.PCR擴(kuò)增中必須有解旋酶才能解開雙鏈DNA,【解題指南】解答本題注意以下關(guān)鍵點(diǎn): (1)PCR技術(shù)擴(kuò)增DNA的原理為DNA復(fù)制。 (2)PCR技術(shù)中突出的兩點(diǎn)是不需要解旋酶,但是需要耐高溫的DNA聚合酶。 【解析】選D。PCR技術(shù)是一種體外DNA分子復(fù)制技術(shù),A正確;其理論基礎(chǔ)是DNA分子的復(fù)制,B正確;該過程需要一段已有的DNA分子作為模板,C正確;需要四種游離的脫氧核苷酸作為原料,還需要耐熱的DNA聚合酶,但是不需要解旋酶,在復(fù)制過程中DNA的解旋是由加熱過程實(shí)現(xiàn)的,D錯(cuò)誤。,2.(2015揭陽高二檢測(cè))為從根本上解決水稻中的高植酸問題,可將植酸酶基因?qū)胨?培育低植酸轉(zhuǎn)基因水稻品種。下圖是獲取植酸酶基因的流程。,據(jù)圖回答: (1)B過程需要的酶是 。 (2)獲得植酸酶基因的方法除圖中所示外,還有 方法。 (3)目的基因和除可從構(gòu)建的文庫(kù)中分離外,還可以分別利用圖中 和 為模板直接進(jìn)行PCR擴(kuò)增,該過程中所用酶的顯著 特點(diǎn)是 。,【解題指南】解答本題的關(guān)鍵在于:,【解析】B過程是以RNA為模板合成DNA的反轉(zhuǎn)錄過程,需要的酶應(yīng)該是反轉(zhuǎn)錄酶;目的基因和除可從構(gòu)建的文庫(kù)中分離外,還可以分別利用圖中DNA和cDNA為模板直接進(jìn)行PCR擴(kuò)增,該過程中所用酶的顯著特點(diǎn)是耐高溫。 答案:(1)反轉(zhuǎn)錄酶 (2)人工合成 (3)DNA cDNA 耐高溫,【補(bǔ)償訓(xùn)練】獲取目的基因的方法有多種,下列不屬于目的基因獲取方法的是 ( ) A.從基因組文庫(kù)中獲取 B.從cDNA文庫(kù)中獲取 C.直接從細(xì)胞質(zhì)中獲取 D.利用PCR技術(shù)擴(kuò)增 【解析】選C。獲取目的基因的方法常用的有以下幾種:從基因文庫(kù)中獲取,利用PCR技術(shù)擴(kuò)增,用化學(xué)方法直接人工合成。細(xì)胞質(zhì)中不能獲取目的基因。,探究2 基因表達(dá)載體的構(gòu)建和將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 【研讀教材自主認(rèn)知】 1.基因表達(dá)載體的構(gòu)建: (1)構(gòu)建目的: 使目的基因在受體細(xì)胞中穩(wěn)定存在,并且可以_給下一代。 使目的基因能夠_和發(fā)揮作用。,遺傳,表達(dá),(2)基因表達(dá)載體的組成:,RNA聚合酶,mRNA,轉(zhuǎn)錄,受體細(xì)胞,目的基因,2.將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞: 將相應(yīng)的受體細(xì)胞和導(dǎo)入方法進(jìn)行連線,【小判斷】 (1)基因表達(dá)載體中含啟動(dòng)子和密碼子。 ( ) 【分析】密碼子由位于信使RNA上的三個(gè)相鄰的堿基構(gòu)成,基因表達(dá)載 體中無密碼子。 (2)基因工程中所用的受體細(xì)胞只有大腸桿菌一種。 ( ) 【分析】基因工程中常用的受體細(xì)胞有大腸桿菌、枯草桿菌、酵母菌、 植物細(xì)胞和動(dòng)物細(xì)胞的受精卵等。,(3)重組DNA分子都能進(jìn)入受體細(xì)胞。 ( ) 【分析】重組DNA分子導(dǎo)入受體細(xì)胞時(shí),不是所有的重組DNA分子都能進(jìn)入受體細(xì)胞,也不能保證所有的受體細(xì)胞都有重組DNA分子,因此在導(dǎo)入后需要篩選含有目的基因的受體細(xì)胞。 (4)動(dòng)物的體細(xì)胞也能作為受體細(xì)胞。 ( ) 【分析】動(dòng)物體細(xì)胞的全能性受到限制,只有細(xì)胞核具有全能性,所以不能作為受體細(xì)胞。,【合作探究核心歸納】 1.基因表達(dá)載體的構(gòu)建: (1)為什么切割目的基因和載體要選用同一種限制性核酸內(nèi)切酶? 提示:選用同一種限制性核酸內(nèi)切酶切割會(huì)產(chǎn)生相同的黏性末端,可以在DNA連接酶的作用下將切割的目的基因和載體連接起來。,(2)在實(shí)際的基因工程操作時(shí)往往用兩種限制性核酸內(nèi)切酶分別切割目的基因的兩端以及載體,這樣做有什么好處?試分析原因。 提示:可以有效避免載體與載體以及目的基因與目的基因的連接,提高連接的有效性。,如果用一種限制性核酸內(nèi)切酶切割,目的基因兩側(cè)的末端以及質(zhì)粒切口的兩個(gè)末端都是互補(bǔ)的,因此連接時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)載體與載體、目的基因與目的基因、目的基因與載體三種連接情況,而符合要求的只有載體與目的基因的連接。 如果用兩種不同的限制性核酸內(nèi)切酶進(jìn)行切割就可以有效避免載體與載體以及目的基因與目的基因的連接,提高連接的有效性。,(3)分析基因表達(dá)載體模式圖,回答下面問題。,在基因表達(dá)載體中,啟動(dòng)子和終止子的位置是否可以互換?試分析原因。 提示:不可以。啟動(dòng)子是RNA聚合酶識(shí)別和結(jié)合的部位,使轉(zhuǎn)錄開始;終止子位于基因的尾端,使轉(zhuǎn)錄終止;只有順序正確,目的基因才能正常轉(zhuǎn)錄。 能否將目的基因插入載體的標(biāo)記基因中?為什么? 提示:不能。標(biāo)記基因用于鑒定受體細(xì)胞是否成功導(dǎo)入目的基因,以便將含目的基因的細(xì)胞篩選出來,若有目的基因插入,則標(biāo)記基因被破壞,無法進(jìn)一步篩選。,2.將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞: 分析農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法示意圖,回答第(1)題。,(1)在用土壤農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法將目的基因?qū)胫参锛?xì)胞的過程中,為什么一定要將目的基因插入Ti質(zhì)粒的T-DNA上? 提示:Ti質(zhì)粒上的T-DNA也稱為可轉(zhuǎn)移DNA,可轉(zhuǎn)移至受體細(xì)胞,并且整合到受體細(xì)胞染色體的DNA上。,(2)植物基因工程常用的受體細(xì)胞為什么可以是體細(xì)胞,而動(dòng)物基因工程一般只用受精卵? 提示:植物體細(xì)胞的全能性較高,可經(jīng)植物組織培養(yǎng)過程形成完整植物體,因此受體細(xì)胞可以是體細(xì)胞;動(dòng)物體細(xì)胞的全能性受到嚴(yán)格限制,因此動(dòng)物基因工程中的受體細(xì)胞一般只用受精卵。 (3)將目的基因?qū)胛⑸锛?xì)胞時(shí),為什么受體細(xì)胞常選擇原核生物? 提示:原核生物具有繁殖快、多為單細(xì)胞、遺傳物質(zhì)相對(duì)較少等特點(diǎn)。,(4)導(dǎo)入微生物細(xì)胞時(shí),常用Ca2+處理的機(jī)理是什么? 提示:Ca2+可以改變細(xì)胞膜的通透性,使細(xì)胞處于一種能吸收周圍環(huán)境中DNA分子的生理狀態(tài)。,【規(guī)律方法】選擇受體細(xì)胞的方法 (1)植物:可以是受精卵(花粉管通道法)或體細(xì)胞(可經(jīng)組織培養(yǎng)成為完整植株)。 (2)動(dòng)物:受精卵(因?yàn)轶w細(xì)胞的全能性難以表達(dá))。 (3)微生物:若要獲得基因產(chǎn)物,常把目的基因轉(zhuǎn)入細(xì)菌、酵母菌等微生物中。微生物的繁殖速度較快,短時(shí)間內(nèi)可獲得大量基因產(chǎn)物。,【歸納總結(jié)】基因表達(dá)載體的構(gòu)建過程 將切下的目的基因片段插入質(zhì)粒的切口處,再加入適量DNA連接酶,形成一個(gè)重組DNA分子(重組質(zhì)粒)。構(gòu)建過程如下圖所示:,【過關(guān)小練即時(shí)應(yīng)用】 1.(2015邢臺(tái)高二檢測(cè))如圖是利用基因工程技術(shù)培育轉(zhuǎn)基因植物,生產(chǎn)可食用疫苗的部分過程示意圖,其中Pst、Sma、EcoR、Apa為四種限制酶。下列說法錯(cuò)誤的是 ( ),A.圖示過程是基因工程的核心步驟 B.表達(dá)載體構(gòu)建時(shí)需要用到限制酶Sma C.抗卡那霉素基因的存在有利于將含有抗原基因的細(xì)胞篩選出來 D.除圖示組成外,表達(dá)載體中還應(yīng)該含有啟動(dòng)子和終止子等結(jié)構(gòu),【解題指南】解答本題需要注意兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn): (1)明確基因表達(dá)載體必需的構(gòu)成。 (2)在保證表達(dá)載體必備結(jié)構(gòu)完整的情況下選擇目的基因的插入位點(diǎn),從而選擇相應(yīng)的限制酶。 【解析】選B。圖示過程為基因表達(dá)載體的構(gòu)建過程,是基因工程中的核心步驟,A正確。構(gòu)建過程中需要將目的基因完整切割下來,此時(shí)要用到限制酶Pst、EcoR,B錯(cuò)誤?？箍敲顾鼗蚴菢?biāo)記基因,目的是便于鑒定和篩選含有目的基因的細(xì)胞,C正確。基因表達(dá)載體包括啟動(dòng)子、目的基因、終止子和標(biāo)記基因等,D正確。,2.農(nóng)桿菌是一種在土壤中生活的微生物,能在自然條件下感染植物,因而在植物基因工程中得到了廣泛的應(yīng)用。下圖為農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法的示意圖,試回答下列問題:,(1)一般情況下農(nóng)桿菌不能感染的植物是 , 利用農(nóng)桿菌能在自然條件下感染植物的特點(diǎn),能實(shí)現(xiàn)_ 。具體原理是在農(nóng)桿菌的Ti質(zhì)粒上存在 T-DNA片段,它具有可轉(zhuǎn)移到受體細(xì)胞并整合到受體細(xì)胞的_ 上的特點(diǎn),因此只要將攜帶外源基因的DNA片段插入_ (部位)即可。 (2)根據(jù)T-DNA這一轉(zhuǎn)移特點(diǎn),猜測(cè)該DNA片段上可能含有控制_ (酶)合成的基因。,(3)圖中c過程中,能促進(jìn)農(nóng)桿菌移向植物細(xì)胞的物質(zhì)是 類化合物。 (4)植物基因工程中將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的方法除了農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法之外,還可采取 。(至少寫出兩種),【解題指南】解答本題的關(guān)鍵: (1)分析農(nóng)桿菌能感染雙子葉植物和裸子植物的本質(zhì)。 (2)分析農(nóng)桿菌Ti質(zhì)粒中的T-DNA特點(diǎn)及其整合到染色體DNA的實(shí)質(zhì)。,【解析】(1)一般農(nóng)桿菌不能感染單子葉植物,可感染雙子葉植物和裸 子植物,利用其感染性,可實(shí)現(xiàn)目的基因?qū)胫参锛?xì)胞。這里應(yīng)特別明 確的是真正可轉(zhuǎn)移到受體細(xì)胞并整合到受體細(xì)胞的染色體DNA上的是 農(nóng)桿菌T-DNA片段,因此目的基因必須插入該部位才能成功。(2)由 T-DNA這一轉(zhuǎn)移特點(diǎn),可以推測(cè)該DNA片段能控制合成DNA連接酶、限 制酶,才能實(shí)現(xiàn)與雙子葉植物細(xì)胞的染色體DNA整合。(3)植物細(xì)胞受 傷后可產(chǎn)生酚類物質(zhì),促進(jìn)農(nóng)桿菌向植物細(xì)胞轉(zhuǎn)移。(4)植物基因工程 中除了農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法之外,還有基因槍法和花粉管通道法。,答案:(1)單子葉植物 目的基因?qū)胫参锛?xì)胞 染色體DNA T-DNA片段(內(nèi)部) (2)DNA連接酶、限制酶 (3)酚 (4)基因槍法、花粉管通道法,【補(bǔ)償訓(xùn)練】將目的基因?qū)胛⑸锛?xì)胞的最常用方法是 ( ) A.感受態(tài)細(xì)胞法 B.顯微注射法 C.基因槍法 D.農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法,【解析】選A。將目的基因?qū)胛⑸锛?xì)胞最常用的方法是感受態(tài)細(xì)胞法,其主要步驟是:首先用Ca2+處理微生物細(xì)胞,使細(xì)胞處于一種能吸收周圍環(huán)境中DNA分子的生理狀態(tài),稱為感受態(tài)細(xì)胞;第二步是將重組表達(dá)載體DNA分子溶于緩沖液中與感受態(tài)細(xì)胞混合,在一定的溫度下促進(jìn)感受態(tài)細(xì)胞吸收DNA分子,完成轉(zhuǎn)化過程。,探究3 目的基因的檢測(cè)與鑒定 【研讀教材自主認(rèn)知】 根據(jù)教材知識(shí)完成下表,DNA分子雜交技術(shù),mRNA,分子雜交技術(shù),抗原抗體雜交法,【合作探究核心歸納】 1.將目的基因成功導(dǎo)入受體細(xì)胞后是否意味著基因工程操作成功?為什么? 提示:不是。將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞后還要進(jìn)一步鑒定目的基因是否成功表達(dá)。 2.DNA分子雜交的原理是什么?除了用于目的基因檢測(cè)與鑒定以外,試舉例說明還有哪些應(yīng)用。 提示:堿基互補(bǔ)配對(duì)原則。還可用于親子鑒定、刑事偵察、生物親緣關(guān)系確定等。,3.檢測(cè)棉花中導(dǎo)入的抗蟲基因是否表達(dá)的最簡(jiǎn)便的方法是什么? 提示:用葉片飼養(yǎng)棉鈴蟲,觀察棉鈴蟲是否死亡。 4.基因工程操作的四個(gè)步驟中,有哪幾個(gè)步驟涉及堿基互補(bǔ)配對(duì)? 提示:目的基因的獲取、基因表達(dá)載體的構(gòu)建和目的基因的檢測(cè)與鑒定。,【歸納總結(jié)】目的基因的檢測(cè)與鑒定的方法匯總,【過關(guān)小練即時(shí)應(yīng)用】 1.要檢測(cè)目的基因是否成功地插入了受體DNA中,需要用基因探針檢測(cè)。基因探針是指 ( ) A.用于檢測(cè)疾病的醫(yī)療器械 B.用放射性同位素或熒光分子等標(biāo)記的單鏈DNA分子 C.合成-球蛋白的DNA片段 D.合成苯丙羥化酶的DNA片段,【解題指南】解答本題的關(guān)鍵: (1)明確基因探針的本質(zhì)是單鏈DNA。 (2)明確基因探針的作用原理是堿基互補(bǔ)配對(duì)原則。 【解析】選B?；蛱结樖侵敢欢我阎腄NA片段(實(shí)際上是單鏈),為便于對(duì)雜交的結(jié)果進(jìn)行檢測(cè),需要對(duì)其進(jìn)行放射性同位素或熒光分子標(biāo)記。,2.檢測(cè)蘇云金芽孢桿菌的抗蟲基因?qū)朊藁?xì)胞是否已表達(dá)的方法是 ( ) A.是否有抗生素抗性 B.是否能檢測(cè)到標(biāo)記基因 C.是否有相應(yīng)的性狀 D.是否能分離到目的基因 【解題指南】明確檢測(cè)目的基因是否成功表達(dá)的兩個(gè)方法,即在分子 水平和個(gè)體生物學(xué)水平進(jìn)行檢測(cè)。 【解析】選C?；虮磉_(dá)指的是基因轉(zhuǎn)錄翻譯出相應(yīng)的蛋白質(zhì),檢測(cè)蘇 云金芽孢桿菌的抗蟲基因?qū)朊藁?xì)胞是否已表達(dá),應(yīng)在個(gè)體生物學(xué) 水平上檢測(cè)是否有相應(yīng)的性狀出現(xiàn)。,【互動(dòng)探究】檢測(cè)導(dǎo)入基因是否表達(dá),除題目中的方法外,還可以檢測(cè)哪種物質(zhì)的存在?利用什么技術(shù)? 提示:可以檢測(cè)轉(zhuǎn)基因生物的相應(yīng)細(xì)胞中是否存在目的基因所表達(dá)的蛋白質(zhì);所用的方法是抗原抗體雜交技術(shù)。,【補(bǔ)償訓(xùn)練】用人的胰高血糖素基因制成的DNA探針檢測(cè)下列物質(zhì),不可能形成雜交分子的是 ( ) A.人胰島A細(xì)胞中的DNA B.人胰島A細(xì)胞中的mRNA C.人胰島B細(xì)胞中的DNA D.人胰島B細(xì)胞中的mRNA 【解析】選D。DNA分子探針檢測(cè)利用的原理是堿基互補(bǔ)配對(duì),需要被測(cè)分子中含有相應(yīng)的堿基序列,胰島B細(xì)胞中不表達(dá)胰高血糖素,因此也不具有相應(yīng)的mRNA,因此不能形成雜交分子。,