选3.3新教材 人教版 高中生物选必3《生物技术与工程》 知识点第3章 基因工程

第3章 基因工程

1、什么是基因工程：

基因工程是指按照人们的愿望，进行严格的设计，通过体外DNA重组和转基因技术，赋予生物以新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，又叫做DNA重组技术。

2、基因工程的诞生（三个理论和三个技术）：

基因工程是在生物化学、分子生物学和微生物学等学科基础上发展起来的，正是这些学科的基础理论和相关技术的发展催生了基因工程，具体有三大理论发现和三个技术突破。

1) 理论基础：DNA是遗传物质；DNA分子的双螺旋结构和半保留复制；遗传密码的通用性和遗传信息传递的方式；

2) 技术基础：限制性核酸内切酶的发现与DNA的切割；DNA连接酶的发现与DNA片段的连接；基因工程载体的构建与应用

l理论上的三大发现

⑴、发现了遗传物质——DNA

1944年，艾弗里（O.T.Avery）的肺炎双球菌转化实验

⑵、揭示了遗传物质的分子机制：DNA分子的双螺旋结构和半保留复制

1953年，沃森（J.D.Watson）和克里克（F.Crick）的DNA双螺旋结构模型、半保留复制图，获1958年诺贝尔奖。

⑶、确立了遗传信息的传递方式：以密码形式传递

1963年，美国尼伦伯格（M.W.Nirenberg）和马太（H.Matthaei）确立了遗传信息以密码形式传递，破译了编码氨基酸的遗传密码(3个核苷酸=1个密码子=1个aa)。

技术上的三大突破

⑴、世界上第一个重组DNA实验：实现不同来源DNA的体外重组

1972年斯坦福大学化学家伯格（P.Berg）借助内切酶和连接酶将猴病毒SV40的DNA和大肠杆菌λ噬菌体的DNA在试管中连接在了一起，第一次成功地实现了DNA的体外重组。

⑵、第一个基因克隆实验：重组DNA表达实验，是世界上第一个基因工程实验

1973年美国斯坦福大学医学院遗传学家科恩（S.Cohen）将体外构建的含有四环素和卡那霉素抗性基因的重组质粒导入大肠杆菌，获得了具有双抗性的大肠杆菌转化子，成功完成了第一个基因克隆实验。是基因工程诞生的标志。

⑶、第一个真核基因在原核生物中的表达：第一次实现了异源真核基因在原核生物中的表达

1974年，科恩（S.Cohen）和博耶（H.Boyer）将非洲爪蟾编码核糖体基因的DNA片断同pSC101质粒重组，并导入大肠杆菌细胞，结果表明动物基因已进入大肠杆菌并转录出相应的mRNA产物，第一次实现了异源真核基因在原核生物中的表达。

一、DNA基因工程的基本工具

DNA基因工程至少需要三种工具：

“分子手术刀”——限制性核酸内切酶（限制酶）

 “分子缝合针”——DNA连接酶

 “分子运输车”——基因进入受体细胞的载体

1、“分子手术刀”——限制性核酸内切酶（限制酶）

（1）来源：主要是从原核生物中分离纯化出来的。

（2）功能：能识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列，且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开，因此具有专一性。

（3）结果：经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式：粘性末端和平末端。

2、“分子缝合针”——DNA连接酶

(1)两种DNA连接酶（E·coliDNA连接酶和T4DNA连接酶）的比较：

①相同点：都缝合磷酸二酯键。

②区别：E·coli DNA连接酶来源于T4噬菌体，只能将双链DNA片段互补的粘性末端之间的磷酸二酯键连接起来；而T4DNA连接酶能缝合两种末端，但连接平末端的之间的效率较低。

(2)  与DNA聚合酶作用的异同：­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­DNA聚合酶只能将单个核苷酸加到已有的核苷酸片段的末端，形成磷酸二酯键。DNA连接酶是连接两个DNA片段的末端，形成磷酸二酯键。

(3)  DNA 连接酶——“分子缝合针”

1. 作用: 将双链 DNA 片段“缝合” 起来, 恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。

2. 种类:

3、“分子运输车”——载体

（1）载体具备的条件：①能在受体细胞中复制并稳定保存。

②具有一至多个限制酶切点，供外源DNA片段插入。

③具有标记基因，供重组DNA的鉴定和选择。

（2）最常用的载体是­­质粒，它是一种裸露的、结构简单的、独立于细菌染色体之外，并具有自我复制能力的双链环状DNA分子。

（3）其它载体： 噬菌体的衍生物、动植物病毒

4.DNA 的粗提取与鉴定

1. 实验原理:

(1) DNA、 RNA、 蛋白质和脂质等在物理和化学性质方面有差异, 选用适当的物理或化学方法对它们进行提取。

①DNA 不溶于酒精, 某些蛋白质溶于酒精, 分离 DNA 和蛋白质。

②DNA 能溶于 2mol/L 的 NaCl 溶液。

(2) DNA 遇二苯胺试剂会呈现蓝色。

2. 方法步骤:

(1) 研磨:取 30g 洋葱切碎, 倒入 10 mL 研磨液研磨。

(2) 除杂: 漏斗中垫上纱布过滤后, 在 4 ℃冰箱静置后取上清液, 1 500 r/min 的转速下离心后

取上清液。

(3) 提取: 加入体积相等、 体积分数 95%酒精, 溶液出现白色的丝状物是 DNA。

方法一: 用玻璃杯按一个(填“一个” 或“两个” ) 方向搅拌, 卷起丝状物, 用滤纸吸去上面的水

分。

方法二: 10 000 r/min 的转速下离心 5 min, 取沉淀物晾干。

(4)鉴定:

DNA 的鉴定和还原糖的鉴定都需要加热, 它们有什么不同?

提示:还原糖加斐林试剂后, 置于 55～65 ℃热水中加热; 而 DNA 加二苯胺试剂后, 置于沸水中加热。

基因工程的基本操作程序主要包括四个步骤：目的基因的获取、基因表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定。

第一步：目的基因的获取

1.目的基因是指： 编码蛋白质的结构基因 。

2.原核基因采取直接分离获得，真核基因是人工合成。人工合成目的基因常用方法有反转录法和化学合成法

3.PCR技术扩增目的基因

（1）原理：DNA双链复制

（2）过程：a：加热至90-95℃DNA解链；b：冷却到55-60℃，引物结合到互补DNA链；c：加热至70-75℃，热稳定DNA聚合酶从引物起始互补链的合成。

第二步：基因表达载体的构建

1.目的：使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传至下一代，使目的基因能够表达和发挥作用。

2.组成：目的基因＋启动子＋终止子＋标记基因

（1）启动子：是一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端，是RNA聚合酶识别和结合的部位，能驱动基因转录出mRNA，最终获得所需的蛋白质。

（2）终止子：也是一段有特殊结构的DNA片段 ，位于基因的尾端。

（3）标记基因的作用：是为了鉴定受体细胞中是否含有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出来。常用的标记基因是抗生素基因。

第三步：将目的基因导入受体细胞_

1.转化的概念：是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。

2.常用的转化方法：

将目的基因导入植物细胞：采用最多的方法是 农杆菌转化法，其次还有 基因枪法和 花粉管通道法等。

将目的基因导入动物细胞：最常用的方法是 显微注射技术。此方法的受体细胞多是 受精卵。

将目的基因导入微生物细胞：

3.重组细胞导入受体细胞后，筛选含有基因表达载体受体细胞的依据是标记基因是否表达。

第四步：目的基因的检测和表达

1.首先要检测 转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因，方法是采用 DNA分子杂交技术。

2.其次还要检测 目的基因是否转录出了mRNA，方法是采用 用标记的目的基因作探针与mRNA杂交。

3.最后检测 目的基因是否翻译成蛋白质，方法是从转基因生物中提取 蛋白质，用相应的 抗体进行 抗原－抗体杂交。

4.有时还需进行 个体生物学水平的鉴定。如 转基因抗虫植物是否出现抗虫性状。

1. 植物基因工程：抗虫、抗病、抗逆转基因植物，利用转基因改良植物的品质。

2. 动物基因工程：提高动物生长速度、改善畜产品品质、用转基因动物生产药物。

3. 基因治疗：把正常的外源基因导入病人体内，使该基因表达产物发挥作用。

4、 基因工程在农牧业方面的应用

1. 发展:

(1) 农牧业:1996-2017 年, 全世界转基因作物的种植面积增加了一百多倍, 美国是世界上转基

因作物种植面积最大的国家。 2017 年, 我国转基因作物种植面积居世界第八位。

(2) 动物: 第一种用于食用的转基因动物——转基因大西洋鲑在美国获得批准上市。

2. 实例:

连一连: 基于基因工程在改良动植物品种、 提高作物和畜产品的产量等方面的应用, 将下列转

基因生物和选用的目的基因连线

5、 基因工程在医药卫生领域的应用

1. 生产药物:

(1) 常见的药物:细胞因子、 抗体、 疫苗和激素等。 我国生

产的重组人干扰素、 血小板生成素、 促红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子等基因工程药物

均已投放市场。

(2) 批量生产药物:乳腺(房) 生物反应器。

①目的基因:药用蛋白基因。

②启动子:乳腺中特异性表达的基因的启动子。

③受体细胞:受精卵。

2. 移植器官: 在器官供体的基因组中导入某种调节因子, 以抑制抗原决定基因的表达, 或设法

除去抗原决定基因, 培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。

培养乳腺生物反应器转基因动物时为什么要选用乳腺中特异性表达的基因的启动子?

提示:乳腺生物反应器通过分泌的乳汁提取相应的基因表达的产品, 乳腺中特异性表达的启动子可让目的基因在乳腺细胞中表达。

6、基因工程在食品工业方面的应用

1. 氨基酸: 利用转基因生物合成阿斯巴甜的原料——天冬氨酸和苯丙氨酸。

2. 酶: 利用转基因生物生产奶酪的凝乳酶; 利用转基因生物加工转化糖浆的淀粉酶; 利用转基因生物加工烘烤食品、 制造生物能源的脂酶等。

3. 维生素。

1、蛋白质工程的概念

蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。

基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质

2、 蛋白质工程崛起的缘由

1. 基因工程的实质和不足:

(1) 实质: 将一种生物的基因转移到另一种生物体内, 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。

(2) 基因工程存在的不足:原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。

2. 蛋白质工程的崛起:

(1) 理论和技术条件:分子生物学、 晶体学以及计算机技术的迅猛发展。

(2) 天然蛋白质存在不足: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

符合人类生产和生活的需要。

(3) 实例:

3、蛋白质工程的基本原理：

它可以根据人的需求来设计蛋白质的结构，又称为第二代的基因工程。

基本途径：从预期的蛋白质功能出发，设计预期的蛋白质结构，推测应有的氨基酸序列，找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）以上是蛋白质工程特有的途径；以下按照基因工程的一般步骤进行。（注意：目的基因只能用人工合成的方法）

设计中的困难：如何推测非编码区以及内含子的脱氧核苷酸序列

细胞工程：是指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，通过细胞水平或细胞器水平上的操作，按着人的意志来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学技术。

根据操作对象的不同，可以分为植物细胞工程和动物细胞工程两大领域。

4、 蛋白质工程的应用

1. 医药工业方面:

(1) 速效胰岛素类似物: 改变氨基酸序列, 抑制胰岛素的聚合。

(2) 干扰素:一个半胱氨酸替换为丝氨酸, 延长保存时间。

(3) 单克隆抗体:将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接” 到人的抗体上, 降低诱发免疫反应的强

度。

2. 其他工业方面: 广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。 如枯草杆菌蛋白酶。

3. 农业方面:

(1) 改造某些参与调控光合作用的酶, 提高植物光合作用的效率。

(2) 改造微生物蛋白质的结构, 增强防治病虫害的效果。

【特别提醒】

有关蛋白质工程的两点提醒

(1) 改造对象是基因:任何一种天然蛋白质都是由基因编码的, 改造了基因即对蛋白质进行了

改造, 而且改造过的蛋白质可以遗传下去。

(2) 基因突变的新基因中含有不编码蛋白质的序列, 而蛋白质工程中的新基因则没有。