1.2基因工程的基本操作程序2021/7/11知识回顾：基因工程基本操作的四个基因工程基本操作的四个步步步步骤骤1 1、目的基因的获取、目的基因的获取2 2、基因表达载体的构建、基因表达载体的构建3 3、目的基因导入受体细胞、目的基因导入受体细胞4 4、目的基因的检测与鉴定、目的基因的检测与鉴定有了目的基因，我们才能赋予有了目的基因，我们才能赋予一种生物以另一种生物的遗传一种生物以另一种生物的遗传特性。特性。使目的基因在受体细胞中稳使目的基因在受体细胞中稳定存在，并可进行遗传、表定存在，并可进行遗传、表达和发挥作用达和发挥作用 载体进入受体细胞稳定表达，载体进入受体细胞稳定表达，才能实现一种生物的基因在才能实现一种生物的基因在另一种生物中的转化。另一种生物中的转化。 才能确定目的基因是否真正才能确定目的基因是否真正在受体细胞中稳定遗传和正在受体细胞中稳定遗传和正确表达。确表达。2021/7/12一、目的基因的获取1 1目的基因主要是目的基因主要是编码蛋白质的基因编码蛋白质的基因：如：与生物抗性相关的基因、与优良品质相关的基因、与生物药物和保健品相关的基因、与毒物降解相关的基因、与工业用酶相关的基因、具调控作用的因子等。2 2获取目的获取目的基因基因的常用方法：的常用方法：1 1、从基因文库中获取、从基因文库中获取2 2、利用、利用PCRPCR技术扩增技术扩增3 3、人工合成、人工合成2021/7/13原核细胞的基因结构非编码区非编码区非编码区非编码区编码区编码区编码区上游编码区上游 编码区下游编码区下游 与与RNARNA聚合酶结合位点聚合酶结合位点启动子启动子终止子终止子不编码蛋白质。不编码蛋白质。：编码蛋白质：编码蛋白质 , ,连续不间断连续不间断编码区编码区非编码区非编码区调控遗传信息表达调控遗传信息表达, ,上上 游有游有RNARNA聚合酶结合位点聚合酶结合位点: :基基因因结结构构2021/7/14真核细胞的基因结构编码区编码区非编码区非编码区非编码区非编码区内含子内含子 外显子外显子 启动子启动子终止子终止子编码区上游编码区上游 编码区下游编码区下游 编码区编码区非编码区非编码区外显子：能编码蛋白质的序列外显子：能编码蛋白质的序列内含子：不能编码蛋白质的序列内含子：不能编码蛋白质的序列：有调控作用：有调控作用, ,上游有上游有RNARNA聚合聚合 酶结合位点酶结合位点( (启动子启动子) )。与与RNARNA聚合酶聚合酶结合位点结合位点基基因因结结构构2021/7/151.从基因文库中获取目的基因1. 基因文库的概念基因文库的概念:将含有某种生物不同基因的许多将含有某种生物不同基因的许多DNA片断，导入到受片断，导入到受体菌的群体中，各个受体菌分别含有这种生物的不同体菌的群体中，各个受体菌分别含有这种生物的不同基因。基因。2. 基因文库的种类基因文库的种类:基因组文库：基因组文库：含有一种生物的含有一种生物的全部全部基因基因部分基因文库：部分基因文库：只包含了一种生物的只包含了一种生物的部分部分基因，基因， 如：如：cDNA文库文库2021/7/16基因组DNA文库与cDNA文库某生物体内全部某生物体内全部DNADNA 许多许多DNADNA片段片段受体菌群体受体菌群体限制酶限制酶与运载体连接导入与运载体连接导入基因组文库基因组文库cDNAcDNA反转录反转录受体菌群体受体菌群体与运载体连接导入与运载体连接导入cDNA文库文库某种生物某个时期的某种生物某个时期的mRNAmRNA2021/7/17真核细胞的cDNA的获取编码区编码区编码区编码区非编码区非编码区非编码区非编码区非编码区非编码区非编码区非编码区DNA聚合酶聚合酶剪接有关的酶剪接有关的酶RNA聚合酶聚合酶mRNA前体前体mRNA单链单链DNAcDNA逆转录酶逆转录酶转录转录剪接剪接逆转录逆转录复制复制启动子启动子启动子启动子终止子终止子基因基因不含不含非编码非编码序列序列。即不。即不含含非编码区非编码区和和内含子内含子2021/7/18基因组DNA文库与cDNA文库的比较 文库类型文库类型 cDNA文库文库 基因组文库基因组文库 文库大小文库大小基因中启动子（具有启基因中启动子（具有启动作用的动作用的DNA片段）片段）基因中内含子基因中内含子(位于编位于编码蛋白质序列的非编码码蛋白质序列的非编码DNA片段）片段） 基因多少基因多少 物种间的基因交流物种间的基因交流小小大大无无有有无无有有某种生物的部分基因某种生物的部分基因 某种生物的全部基因某种生物的全部基因可以可以部分基因可以部分基因可以2021/7/19怎样从基因文库中找到我们所需要的目的基因怎样从基因文库中找到我们所需要的目的基因 根据目的基因的有关信息，例如，根据基因根据目的基因的有关信息，例如，根据基因的核苷酸序列、基因的功能、基因在染色体上的的核苷酸序列、基因的功能、基因在染色体上的位置、基因的转录产物位置、基因的转录产物mRNA，以及基因的表达，以及基因的表达产物蛋白质等特性来获取目的基因。产物蛋白质等特性来获取目的基因。2021/7/1102.利用PCR技术扩增目的基因1 1概念：概念：PCRPCR全称为全称为_，是一项，是一项 在生物在生物_复制复制_的核酸合成技术。的核酸合成技术。 2 2原理：原理：DNADNA复制复制原料：原料：模板模板DNADNA；DNADNA引物；四种脱氧核苷引物；四种脱氧核苷酸；热稳定酸；热稳定DNADNA聚合酶聚合酶多聚酶链式反应多聚酶链式反应体外体外特定特定DNADNA片段片段3 3前提：前提：已知目的基因的一段核苷酸序列已知目的基因的一段核苷酸序列2021/7/111PCR技术的操作过程a a、DNADNA变性变性（90-9590-95）：）：双链双链DNADNA模板在热作用下，模板在热作用下，_断裂，形成断裂，形成_b b、退火、退火（复性复性55-6555-65）：）：系统温度降低，系统温度降低，引物引物与与DNADNA模模板结合，形成局部板结合，形成局部_。 c c、延伸、延伸（70-7570-75）：在）：在TaqTaq酶酶的作用下，合成与模板的作用下，合成与模板互补的互补的_。 氢键氢键单链单链DNADNA双链双链DNADNA链链d.重复重复a.b.ca.b.c步骤：每重复一步骤：每重复一次，目的基因增加次，目的基因增加_倍倍一一2021/7/1125 5/ /3 3/ /G GG GT TC C3 3/ /5 5/ /G GA AC CC C5 5/ /3 3/ /引物引物G GG G变性变性复性复性延伸延伸1.目的基因目的基因DNA受热变性，解链；受热变性，解链；2.引物与单链互补结合；引物与单链互补结合；3.合成链在合成链在DNA聚合酶作用下进行延伸。聚合酶作用下进行延伸。5 5/ /3 3/ /A AG G引物引物2021/7/113过程：过程：2021/7/114PCR技术的操作过程PCRPCR反应体系中目的基因成反应体系中目的基因成反应体系中目的基因成反应体系中目的基因成指数指数指数指数(2(2n n) )形式扩增形式扩增形式扩增形式扩增2021/7/115PCR技术扩增与技术扩增与DNA复制的比较复制的比较DNA复制复制PCR技术技术场所场所原理原理条件条件解旋方式解旋方式酶酶特点特点结果结果碱基互补配对原则碱基互补配对原则碱基互补配对原则碱基互补配对原则四种脱氧核苷酸、模四种脱氧核苷酸、模板、酶、板、酶、ATP四种脱氧核苷酸、四种脱氧核苷酸、模板、酶、模板、酶、引物引物DNA在高温下变性解旋在高温下变性解旋解旋酶催化解旋解旋酶催化解旋半保留复制、半保留复制、边解旋变复制边解旋变复制半保留复制、半保留复制、全解旋再复制全解旋再复制体外复制体外复制主要在细胞核内主要在细胞核内大量的大量的DNA片段片段形成整个形成整个DNA分子分子热稳定的热稳定的DNA聚合酶聚合酶细胞内的细胞内的DNA聚合酶、聚合酶、解旋酶、解旋酶、DNA连接酶等连接酶等2021/7/116PCRPCR技术扩增过程技术扩增过程a a、DNADNA变性（变性（90-9590-95）：双链）：双链DNADNA模板模板 在热作用下，在热作用下， 断裂，形成断裂，形成_ _ b b、复性（、复性（55-6055-60）：系统温度降低，引物）：系统温度降低，引物 与与DNADNA模板结合，形成局部模板结合，形成局部_。 c c、延伸（、延伸（70-7570-75）：在）：在TaqTaq酶的作用下，从酶的作用下，从 引物的引物的55端端33端延伸，合成与模板互补端延伸，合成与模板互补 的的_。 氢键氢键单链单链DNADNA双链双链DNADNA链链2021/7/1173.人工合成法 在基因较小，核苷酸序列已知的情况下，可在基因较小，核苷酸序列已知的情况下，可以利用以利用DNADNA合成仪人工合成合成仪人工合成蛋白质的氨基酸序列蛋白质的氨基酸序列mRNAmRNA的核苷酸序列的核苷酸序列基因的核苷酸序列基因的核苷酸序列目的基因目的基因化学合成化学合成推测推测推测推测思考：思考：化学法合化学法合成的目的基因含成的目的基因含内含内含子、启动子和终止子子、启动子和终止子吗？吗？2021/7/118人工合成法（真核生物真核生物）反转录法反转录法目的基因的信使目的基因的信使RNARNA目的基因目的基因化学合成法化学合成法肽链氨基酸序列肽链氨基酸序列信使信使RNARNA序列序列基因的核苷酸序列基因的核苷酸序列目的基因目的基因合成合成推测推测推测推测单链单链DNADNA合成合成2021/7/119课堂小结目的基因的获取目的基因的获取1 1、从基因文库中获取、从基因文库中获取2 2、利用、利用PCRPCR技术扩增技术扩增3 3、人工合成、人工合成种种类类基因组文库：基因组文库：含有一种生物的含有一种生物的全部全部基因基因部分基因文库：部分基因文库：只包含了一种生物的只包含了一种生物的部分部分基因，基因， 如：如：cDNA文库文库2021/7/120二、基因表达载体的构建基因工程的核心基因工程的核心1 1目的：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，同时使目的基因能够表达和发挥作用。2 2基因基因表达载体表达载体的组成：的组成：复制原点复制原点+ +目的基因目的基因+ +启动子启动子+ +终止子终止子+ +标记基因标记基因2021/7/121二、基因表达载体的构建二、基因表达载体的构建核心核心（1 1）用一定的）用一定的_切切割质粒，使其出现一个切口，割质粒，使其出现一个切口，露出露出_。（2 2）用）用_切断目切断目 的基因，使其产生的基因，使其产生_ _ _。（3 3）将切下的目的基因片段插入质粒的）将切下的目的基因片段插入质粒的_处，再加入适量处，再加入适量_，形成了一个重组，形成了一个重组 DNADNA分子（重组质粒）分子（重组质粒）限制酶限制酶黏性末端黏性末端同一种限制酶同一种限制酶的黏性末端的黏性末端切口切口DNADNA连接酶连接酶相同相同1.1.过程过程: :2021/7/122基因表达载体的构建基因表达载体的构建基因工程的核心基因工程的核心 1、目的：、目的：使目的基因在受体细胞中稳定存在，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，同时使目的并且可以遗传给下一代，同时使目的基因能够表达和发挥作用。基因能够表达和发挥作用。2021/7/1242 2、基因表达载体的组成：、基因表达载体的组成：复制原点复制原点+ +目的基因目的基因+ +启动子启动子+ +终止子终止子+ +标记基因标记基因它们各自它们各自的作用是的作用是什么什么?2021/7/125启动子：启动子：位于基因的首端的位于基因的首端的一段特殊的一段特殊的DNADNA片断，它是片断，它是RNARNA聚合酶识别和结合的部聚合酶识别和结合的部位，有了它才能位，有了它才能驱动基因转驱动基因转录出录出mRNAmRNA，最终获得蛋白质，最终获得蛋白质终止子：终止子：位于基因的尾端的位于基因的尾端的一段特殊的一段特殊的DNADNA片断，片断，能终能终止止mRNAmRNA的转录的转录标记基因标记基因的作用是的作用是为了为了鉴别鉴别受体细胞中是否含有目的基受体细胞中是否含有目的基因，从而将有目的基因的细因，从而将有目的基因的细胞筛选出来胞筛选出来2021/7/1263.3.基因表达载体的组成：基因表达载体的组成：它们有什么作用？它们有什么作用？a、目的基因、目的基因b、启动子、启动子c、终止子、终止子d、标记基因、标记基因位于基因的首端位于基因的首端,是是mRNA结合位点结合位点位于基因的末端位于基因的末端,终终止转录止转录检测目的基因是否导入受体细胞检测目的基因是否导入受体细胞2021/7/127三、将目的基因导入受体细胞1 1转化：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。2 2常用的受体细胞：常用的受体细胞：大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母菌大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母菌和动植物细胞等。和动植物细胞等。3 3目的基因导入受体细胞的原理：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。借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。2021/7/1281、目的基因导入植物细胞的方法（1 1）农杆菌转化法）农杆菌转化法 农杆菌特点：易感染双子叶植物和裸子植农杆菌特点：易感染双子叶植物和裸子植 物，对大多数单子叶植物没有感染能力。物，对大多数单子叶植物没有感染能力。 原理：原理：TiTi质粒上的质粒上的T-DNAT-DNA可以转移到受可以转移到受体细胞，并整合到受体细胞染色体的体细胞，并整合到受体细胞染色体的DNADNA上。上。2021/7/129三、目的基因导入受体细胞三、目的基因导入受体细胞构建基因表达载体构建基因表达载体转入转入农杆菌农杆菌植物细胞植物细胞导入导入稳定维持和表达稳定维持和表达过程：过程：2021/7/1301、目的基因导入植物细胞的方法（2 2）基因枪法：）基因枪法：目的基因导入单子叶植物细胞目的基因导入单子叶植物细胞 操作方法：利用压缩气体产生的动力操作方法：利用压缩气体产生的动力 ，将，将包裹在金属粒表面的表达载体包裹在金属粒表面的表达载体DNA打入受体打入受体细胞中，使目的基因与其整合并表达的方法细胞中，使目的基因与其整合并表达的方法。 钨粉粒子和金粉粒子，粒子的直径一般在钨粉粒子和金粉粒子，粒子的直径一般在0.64um 。 适用：适用：单子叶植物单子叶植物2021/7/1311、目的基因导入植物细胞的方法（3 3）花粉管通道法：）花粉管通道法：将目的基因导入植物细胞将目的基因导入植物细胞 操作方法：在植物花受粉后，花粉形成花操作方法：在植物花受粉后，花粉形成花粉管还末愈合前期，剪去柱头，然后，滴入粉管还末愈合前期，剪去柱头，然后，滴入DNA（含的基因）使目的基因借助花粉管通（含的基因）使目的基因借助花粉管通道进入受体细胞道进入受体细胞 特点特点:十分简便经济。十分简便经济。 例：转基因抗虫棉例：转基因抗虫棉2021/7/1322、将目的基因导入动物细胞方法：显微注射法方法：显微注射法程序程序目的基因表达载体提纯目的基因表达载体提纯 取卵（受精卵）取卵（受精卵） 显微注射显微注射 受精卵受精卵 新性状动物新性状动物2021/7/1333、将目的基因导入微生物细胞微生物作受体细胞原因：微生物作受体细胞原因：繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对少繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对少常用菌：大肠杆菌常用菌：大肠杆菌常用法：常用法：CaCa2+2+处理获得感受态细胞处理获得感受态细胞过程：过程：CaCaCaCa2+2+2+2+处理处理处理处理大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌感受态感受态感受态感受态 细胞细胞细胞细胞感受态细胞感受态细胞感受态细胞感受态细胞 吸收吸收吸收吸收DNADNA表达载体表达载体表达载体表达载体与感受态与感受态与感受态与感受态细胞混合细胞混合细胞混合细胞混合2021/7/134小结：将目的基因导入受体细胞生物种类生物种类植物细胞植物细胞动物细胞动物细胞微生物细胞微生物细胞常用方法常用方法农杆菌转化法农杆菌转化法显微注射技术显微注射技术CaCa2+2+处理法处理法受体细胞受体细胞体细胞体细胞受精卵受精卵原核细胞原核细胞转化过程转化过程将目的基因插入到将目的基因插入到TiTi质粒的质粒的T-DNAT-DNA上上农杆菌农杆菌导入植导入植物细胞物细胞整合到受整合到受体细胞的体细胞的DNADNA表表达达将含有目的基因将含有目的基因的表达载体提纯的表达载体提纯取卵（受精卵）取卵（受精卵）显微注射显微注射受受精卵发育精卵发育获得获得具有新性状的动具有新性状的动物物CaCa2+2+处理细胞处理细胞感受态细胞感受态细胞重组表达载重组表达载体与感受态细体与感受态细胞混合胞混合感受感受态细胞吸收态细胞吸收DNADNA分子分子2021/7/135四、目的基因的检测与鉴定导入过程完成后，全部受体细胞都能摄导入过程完成后，全部受体细胞都能摄 入重组入重组DNADNA分子吗？分子吗？1 1真正能摄入重组真正能摄入重组真正能摄入重组真正能摄入重组DNADNADNADNA分子的受体细胞很少。分子的受体细胞很少。分子的受体细胞很少。分子的受体细胞很少。2 2目的基因进入受体细胞后，是否都能稳定目的基因进入受体细胞后，是否都能稳定维持和表达？维持和表达？ 不一定，需要检测不一定，需要检测不一定，需要检测不一定，需要检测2021/7/1361、鉴定分子水平的鉴定转基因生转基因生物的物的DNA探针探针15N N15N N14N N14N N（1 1）检测转基因生物染色体的）检测转基因生物染色体的DNADNA上是否插入了上是否插入了目的基因目的基因基因探针：基因探针：放射性同位素等标记的放射性同位素等标记的DNA分子分子方法方法 DNA分子杂交技术分子杂交技术变性变性变性变性变性变性变性变性2021/7/1371、鉴定分子水平的鉴定变性变性变性变性方法方法 分子杂交技术分子杂交技术（2）检测目的基因是否转录出了）检测目的基因是否转录出了mRNA探针探针15N N15N N转基因生物转基因生物的的mRNA14N N14N N2021/7/1381、鉴定分子水平的鉴定提提取取（3）检测目的基因是否翻译成蛋白质）检测目的基因是否翻译成蛋白质方法方法抗原抗原-抗体杂交抗体杂交苏云金杆菌苏云金杆菌Bt毒素蛋白毒素蛋白将将Bt毒蛋白注毒蛋白注射小鼠体内射小鼠体内从小鼠血管抽出从小鼠血管抽出血液分离出抗血液分离出抗Bt毒素的抗体毒素的抗体抗体抗体蛋白质蛋白质 出现出现杂交带杂交带脱脱分分化化组组织织培培养养2021/7/1392、鉴定个体水平的鉴定抗虫、抗病接种实验，活性比较实验抗虫、抗病接种实验，活性比较实验例：用棉铃饲喂棉例：用棉铃饲喂棉铃虫，如虫吃后不出现铃虫，如虫吃后不出现中毒症状，说明未摄入中毒症状，说明未摄入目的基因或摄入目的基目的基因或摄入目的基因未表达。如虫吃后中因未表达。如虫吃后中毒死亡，则说明摄入了毒死亡，则说明摄入了抗虫基因并得到表达。抗虫基因并得到表达。2021/7/140目的基因的检测与鉴定目的基因的检测与鉴定检测检测导入检测：目的基因是否导入受体细胞导入检测：目的基因是否导入受体细胞方法方法 DNADNA分子杂交分子杂交表达检测表达检测转录检测转录检测分子杂交分子杂交翻译检测翻译检测抗原抗体抗原抗体杂交杂交分分子子检检测测法法鉴定鉴定抗虫鉴定抗虫鉴定抗病鉴定抗病鉴定活性鉴定等活性鉴定等个体水平的鉴定个体水平的鉴定2021/7/141类类型型步骤步骤 检测内容检测内容方法方法结果显示结果显示分分子子检检测测第一第一步步目的基因是否进目的基因是否进入受体细胞入受体细胞DNADNA分子杂交分子杂交（DNADNA和和DNADNA之间）之间）是否成功显示是否成功显示出杂交带出杂交带第二第二步步目的基因是否转目的基因是否转录出录出mRNAmRNA分子杂交技术分子杂交技术（DNADNA和和mRNAmRNA之间）之间）是否成功显示是否成功显示出杂交带出杂交带第三第三步步目的基因是否翻目的基因是否翻译出蛋白质译出蛋白质抗原抗原抗体杂交抗体杂交是否成功显示是否成功显示出杂交带出杂交带个个体体水水平平鉴鉴定定 包括抗虫、抗病的包括抗虫、抗病的接种实验接种实验，以确定是否有抗性以及，以确定是否有抗性以及抗性的程度；抗性的程度； 基因工程产品与天然产品的活性比较，以确定功能是基因工程产品与天然产品的活性比较，以确定功能是否相同等。否相同等。v目的基因的表达和检测2021/7/142课堂练习1 1、有关基因工程的叙述中，错误的是有关基因工程的叙述中，错误的是( )( ) A A、DNADNA连接酶将黏性末端的碱基对连接起来连接酶将黏性末端的碱基对连接起来 B B、限制性内切酶用于目的基因的获得、限制性内切酶用于目的基因的获得 C C、目的基因须由运载体导入受体细胞、目的基因须由运载体导入受体细胞 D D、人工合成目的基因不用限制性内切酶、人工合成目的基因不用限制性内切酶A2021/7/143课堂练习2 2、基因工程是在、基因工程是在DNADNA分子水平上进行设计施工分子水平上进行设计施工的。在基因操作的基本步骤中，不进行碱基互的。在基因操作的基本步骤中，不进行碱基互补配对的步骤是补配对的步骤是 （ ） A A、人工合成目的基因、人工合成目的基因 B B、目的基因与运载体结合、目的基因与运载体结合 C C、将目的基因导入受体细胞、将目的基因导入受体细胞 D D、目的基因的检测和表达、目的基因的检测和表达C【拓展深化拓展深化】只有第三步将目的基因导入受只有第三步将目的基因导入受体细胞不需碱基互补配对，其余三个步骤都涉体细胞不需碱基互补配对，其余三个步骤都涉及碱基互补配对及碱基互补配对2021/7/144课堂练习即时应用即时应用(随学随练，轻松夺冠随学随练，轻松夺冠)3(2009年高考浙江卷年高考浙江卷)下列关于基因工程的叙述，下列关于基因工程的叙述，错误的是错误的是()A目的基因和受体细胞均可来自动、植物或微生目的基因和受体细胞均可来自动、植物或微生物物B限制性核酸内切酶和限制性核酸内切酶和DNA连接酶是两类常用的连接酶是两类常用的工具酶工具酶C人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性无生物活性D载体上的抗性基因有利于筛选含重组载体上的抗性基因有利于筛选含重组DNA的细的细胞和促进目的基因的表达胞和促进目的基因的表达D D2021/7/145 结束语结束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！