高二生物 选修三1.2基因工程的基本操作程序 学习案 周建新
1.2基因工程的基本操作程序(共2课时)
【学习目标】
1、简述基因工程原理及基本操作程序。
2、尝试设计某一转基因生物的研制过程。
【学习重点】基因工程基本操作程序的四个步骤。 【学习难点】
（1）从基因文库中获取目的基因。（2）利用PCR技术扩增目的基因。 ◆自主研习（理知识，固基础） 一、目的基因的获取：
1、目的基因：符合人们需要的，编码蛋白质的
。
2．原核细胞和真核细胞的基因结构 （1）原核细胞的基因结构
（2）真核细胞的基因结构
3．获取目的基因的方法 （1）从基因文库中获取目的基因
① 基因文库：将含有某种生物不同基因的许多
，导人受体菌的群体中
，各个受体
菌分别含有这种生物的不同基因，称为基因文库。
基因组文库：含有一种生物的 基因
② 种类
cDNA文库：含有一种生物的
基因
③ 目的基因的获取
根据基因的有关信息：基因的
序列、基因在
上的位置、基因的
产物mRNA、基因的
产物蛋白质等特性获取目的基因。 （2）利用PCR技术扩增目的基因。 ① PCR：是一项在生物体外
特定DNA片段的核酸合成技术。
② 条件：已知目的基因的
序列。
③ 过程：目的基因DNA受热形成
，与 结合，然后在 ____的作用下进行延伸形
成DNA。
④ 方式：指数扩增=2n
（n为扩增循环的次数）
（3）人工合成法：基因较小，核苷酸序列已知，可以人工合成。 二、基因表达载体的构建 1、表达载体的组成：目的基因+
+ +标记基因等。 2、启动子：位于基因的
，它是
结合的部位，驱动基因转
录产生mRNA。
3、终止子：位于基因的
，终止
。
4、表达载体的功能：使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且
给下一代；使目的基
因
____和发挥作用。
5、标记基因：
受体细胞是否含有目的基因。
6、不同的受体细胞及目的基因导入受体细胞的方法不同，基因表达载体的构建上也会有所差别。 三、将目的基因导入受体细胞
（一）转化：目的基因进人受体细胞内，并在受体细胞内维持稳定和 的过程。 （二）方法
1、将目的基因导入植物细胞 （1）农杆菌转化法
① 农杆菌特点：易感染
植物和裸子植物，对___________植物没有感染力；
Ti质粒的
可转移至受体细胞，并整合到受体细胞的染色体上。
② 转化：目的基因插人
?进入???农杆菌→导入植物细胞→目的基因整合到植物
细胞染色体上→目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达。 （2）基因枪法
基因枪法：是 植物中常用的一种基因转化方法，但是成本较高。 （3）花粉管通道法
2．将目的基因导入动物细胞 （1）方法：
注射技术。
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（2）操作程序：目的基因表达载体
→取卵（受精卵） →显微注射→注射了目
的基因的受精卵移植到____性动物的 _________内发育→新性状动物。
3．将目的基因导人微生物细胞
（1）原核生物特点：繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少等。 （2）转化：
处理细胞→
细胞→表达载体与感受态细胞混合→ ___
细胞吸收DNA分子。
四、目的基因的检测与鉴定 1．检测
（1）方法：标记了的
、抗原抗体杂交。
（2）内容
① 检测转基因生物染色体的DNA是否插入
。
② 检测目的基因是否转录 。 ③ 检测目的基因是否翻译成
。
2．鉴定：
鉴定、抗病鉴定等。
◆ 互动探究（释疑惑，升能力） 基因工程图解:抗虫棉的培育过程
探究一 目的基因的获取 问题1: 什么是目的基因?
问题2: 获取目的基因的途径有哪些? 获取目的基因的常用方法有哪些?
注:1.基因文库构建方法
?直接分离法 ?反转录法
某种生物的全部DNA 某种生物某时期的mRNA
限制酶 反转录
一定大小的DNA片段 单链互补DNA 与载体连接 DNA 聚合酶 导入受体菌中储存 双链cDNA片段 基因组文库 与载体 连接
导入受体菌中储存
cDNA 文库 2.PCR技术 原理：
前提：一段已知目的基因的核苷酸序列，以便根据这一序列合成 条件：模板DNA( 需含有目的基因 )、四种 、 酶(Taq酶）、一对 、温度控制 过程：
a、DNA变性（90℃-95℃）：双链DNA模板在热作用下,氢键断裂，形成单链DNA b、退火（复性55℃-65℃）：系统温度降低，引物与DNA模板结合，形成局部_双链 c、延伸（70℃-75℃）：在Taq酶的作用下，合成与模板互补的DNA链。 d.重复a.b.c步骤：每重复一次，目的基因增加一倍 结果：使目的基因的片段在短时间内成百万倍地扩增 3.PCR扩增技术与DNA复制的比较 PCR技术 DNA复制 相 原理 DNA复制(碱基互补配对) 同 原料 四种游离的脱氧核苷酸 点 条件 模板、ATP、酶、原料、引物 不 解旋方式 DNA在高温下变性解旋 解旋酶催化 同 场所 体外复制(PCR扩增仪) 主要在细胞核内 点 酶 热稳定的DNA聚合酶(Taq酶) 细胞内含有的DNA聚合酶 结果 在短时间内形成大量的DNA片段 形成整个DNA分子 高二生物 选修三1.2基因工程的基本操作程序 学习案 周建新
4.人工合成
探究二 基因表达载体的构建
问题1: 为什么要构建基因表达载体？单独的DNA片段能不能稳定遗传？
问题2: 基因表达载体的构成包括哪些元件？ （绘制基因表达载体的模式图）
问题3: 什么是启动子、终止子？各有什么作用？
问题4: 基因工程的运载体是否必须要有标记基因？
问题5:怎样才构建基因表达载体? (填空)
用一定的_________切割质粒，使其出现一个切口，露出____________。用_____________切断目的基因，使其产生________________。将切下的目的基因片段插入质粒的______处， 再加入适量___________，形成了一个重组DNA分子（重组质粒） 附图
探究三 目的基因导入受体细胞---转化 问题1: 什么是转化？
问题2: 比较将目的基因导入受体细胞方法？ 细胞类型 常用方法 受体细胞 转化过程 植物细胞 将目的基因插入Ti质粒的T-DNA上→ 转入农杆菌→导入植物细胞→整合 到受体细胞的DNA上→表达 动物细胞 将含有目的基因的表达载体提纯→ 取卵（受精卵）→显微注射→早 期胚胎培养→胚胎移植→发育成为 具有新性状的动物 微生物 用Ca2+处理细胞→感受态细胞→重组 表达载体DNA分子与感受态细胞混合 →感受态细胞吸收DNA分子 探究四 步骤四：目的基因的检测与鉴定——检查是否成功 问题1: 受体细胞摄入DNA分子后就说明目的基因完成了表达吗？
问题2．目的基因的检测内容和方法的比较 类型 步骤 检测内容 方法 结果显示 第一步 目的基因是否进入受体细胞 是否成功显示出杂交带 分子 检测 第二步 目的基因是否转录出mRNA 是否成功显示出杂交带 第三步 目的基因是否翻译出蛋白质 是否成功显示出杂交带 个体 水平 鉴定 问题3．试分析真核生物的基因导入细菌细胞后，不能正常发挥功效的可能原因有哪些？
课后反思：
高二生物 选修三1.2基因工程的基本操作程序 学习案 周建新
课堂练习：
1、下列关于基因工程的叙述，正确的是：
A．基因工程经常以抗菌素抗性基因为目的基因 B．细菌质粒是基因工程常用的运载体 C．通常用一种限制性内切酶处理含目的基因的DNA，用另一种处理运载体DNA D．为育成抗除草剂的作物新品种，导入抗除草剂基因时只能以受精卵为受体 2、在基因工程操作的基本步骤中，不进行碱基互补配对的是 A．人工合成目的基因 B．目的基因与载体结合 C．将目的基因导入受体细胞 D．目的基因的检测与鉴定
3、科学家通过基因工程的方法，能使马铃薯块茎内含有人奶主要蛋白。以下有关该基因工程的叙述，错误的是
A．采用反转录的方法得到目的基因有内含子
B．基因非编码区对于目的基因在块茎中表达是不可缺少的 C．马铃薯的叶肉细胞可作为受体细胞
D．用同一种限制性内切酶，分别处理质粒和含目的基因的DNA，可产生黏性末端而形成重组DNA分子
4、右图表示用化学方法合成目的基因Ⅰ的过程。据图分析下列叙述正确的是( )
A．过程①需要DNA连接酶
B．过程②需要DNA限制性核酸内切酶 C目的基因Ⅰ的碱基序列是已知的
D．若某质粒能与目的基因Ⅰ重组，则该质粒和Ⅰ的碱基序列相同 5、采用基因工程的方法培育抗虫棉，下列导入目的基因的做法正确的
是 ( ) ①将毒素蛋白注射到棉受精卵中 ②将编码毒素蛋白的DNA序列，注射到棉受精卵中③将编码毒素蛋白的DNA序列，与质粒重组导入细菌，用该细菌感染棉的体细胞，再进行组织培养
④将编码毒素蛋白的DNA序列，与细菌质粒重组，注射到棉的子房并进入受精卵 A、①② B、②③ C、③④ D、①④
一、 原核细胞的基因结构
原核细胞的基因是由成百上千个核苷酸对组成的。组成基因的核苷酸序列可以分为不同的
区段。在基因表达的过程中，不同区段所起的作用并不相同。有的区段能够转录为相应的信使RNA，进而指导蛋白质的合成，也就是说能够编码蛋白质，这样的区段叫做编码区(如图)。有的区段不能转录为信使RNA，也就是说不能编码蛋白质，这样的区段叫做非编码区。
非编码区是由编码区上游(如图中编码区左侧)和编码区下游(图中编码区右侧)的DNA序列
组成的。非编码区虽然不能编码蛋白质，但是对于遗传信息的表达是不可缺少的。这是因为在非编码区上，有调控遗传信息表达的核苷酸序列。 在该调控序列中，最重要的是位于编码区上游的RNA聚合酶结合位点。
RNA聚合酶是由多个肽链构成的蛋白质，它的作用是催化DNA转录为RNA。RNA聚合酶能够识别调控序列中的结合位点，并与其结合。转录开始后，RNA聚合酶沿DNA分子移动，并以DNA分子的一条链为模板合成RNA。转录完毕后，RNA链释放出来，紧接着RNA聚合酶也从DNA模板链上脱落下来。
二、 真核细胞的基因结构
真核细胞的基因也是由编码区和非编码区两部分组成的(如图)。在非编码区上，同样有调控作用的核苷酸序列，但是真核细胞的基因结构要比原核细胞的基因结构复杂。与原核细胞比较，真核细胞基因结构的主要特点是：编码区是间隔的、不连续的。也就是说，能够编码蛋白质的序列被不能够编码蛋白质的序列分隔开来，成为一种断裂的形式。其中，能够编码蛋白质的序列叫做外显子，一般不能够编码蛋白质的序列叫做内含子。 在真核细胞中，不同种类的蛋白的基因所含的外显子和内含子的数目是不同的，长度也有差别。例如，人的血红蛋白中，有一种蛋白质叫做β-珠蛋白，它的基因有1700个碱基对，其中有3个外显子和2个内含子，能够编码146个氨基酸。人的一种凝血因子的基因，在它的186000个碱基对中，有26个外显子和25个内含子，能够编码2552个氨基酸。一般来说，在真核细胞中，每一个能够编码蛋白质的基因都含有若干个外显子和内含子。
基因的结构
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