1、基因工程的基本操作程序,基因工程的基本操作程序,1、目的基因的获取,2、基因表达载体的构建,3、将目的基因导入受体细胞,4、目的基因的检测与鉴定,基因工程基本操作的四个步骤,1、目的基因的获取,2、基因表达载体的构建,3、目的基因导入受体细胞,4、目的基因的检测与鉴定,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特性。,使目的基因在受体细胞中稳定存在，并可进行遗传、表达和发挥作用,载体进入受体细胞稳定表达，才能实现一种生物的基因在另一种生物中的转化。,才能确定目的基因是否真正在受体细胞中稳定遗传和正确表达。,一、目的基因的获取,如：苏云金杆菌抗虫基因、植物抗病基因（抗病毒、抗细菌)、人
2、胰岛素基因等。,1.从基因文库中获取目的基因,1.基因文库的概念:,将含有某种生物不同基因的许多DNA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基因。,2.基因文库的种类:,基因组文库：含有一种生物的全部基因,部分基因文库：只包含了一种生物的部分基因，如：cDNA文库,基因库是指某一生物群体中的全部基因。,基因文库的构建方法,基因组文库的构建,提取某种生物的全部DNA,用适当的限制酶酶切,一定大小的DNA片段,将DNA片段与载体连接,重组载体,基因组文库,导入受体菌中储存,基因组DNA文库,cDNA文库,基因组DNA文库与cDNA文库的比较,cDNA文库的构建-逆转录法：,提
3、取某种生物的某器官或特定发育时期的mRNA,单链DNA,双链cDNA片段,重组载体,与载体连接,cDNA文库,反（逆）转录酶,DNA聚合酶,导入受体菌中储存,思考？,真核生物的基因用逆转录法得到的cDNA与原基因相同吗？,原核细胞的基因结构,非编码区,非编码区,编码区,编码区上游,编码区下游,与RNA聚合酶结合位点,启动子,终止子,启动子：位于基因首端一段能与RNA聚合酶结合并能起始mRNA合成的序列。没有启动子，基因就不能转录。终止子：位于基因的尾端的一段特殊的DNA片断，它能阻碍RNA聚合酶的移动，并使其从DNA模板链上脱离下来，使转录终止。,真核细胞的基因结构,编码区,非编码区,非编码区
4、,内含子,外显子,启动子,终止子,编码区上游,编码区下游,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,与RNA聚合酶结合位点,真核细胞的cDNA的获取,编码区,非编码区,非编码区,DNA聚合酶,剪接有关的酶,RNA聚合酶,mRNA前体,mRNA,单链DNA,cDNA,逆转录酶,转录,剪接,逆转录,复制,启动子,终止子,基因,不含非编码序列。即不含非编码区和内含子,基因组DNA文库与cDNA文库的比较,小,大,无,有,无,有,某种生物的部分基因,某种生物的全部基因,可以,部分基因可以,2.利用PCR技术扩增目的基因,多聚酶链式反应,体外,特定DNA片段,PCR技术的操作过程,a、DN
5、A变性（90-95）：双链DNA模板在热作用下，_断裂，形成_,b、复性（55-65）：系统温度降低，引物与DNA模板结合，形成局部_。,c、延伸（70-75）：在Taq酶的作用下，合成与模板互补的_。,氢键,单链DNA,双链,DNA链,一,1.目的基因DNA受热变性，解链；2.引物与单链互补结合；3.合成链在DNA聚合酶作用下进行延伸。,利用PCR技术扩增目的基因,PCR技术扩增与DNA复制的比较,碱基互补配对原则,碱基互补配对原则,四种脱氧核苷酸、模板、酶、ATP,四种脱氧核苷酸、模板、酶、引物,DNA在高温下变性解旋,解旋酶催化解旋,半保留复制、边解旋边复制,半保留复制、全解旋再复制,体
6、外复制,主要在细胞核内,大量的DNA片段,形成整个DNA分子,热稳定的DNA聚合酶,细胞内的DNA聚合酶、解旋酶等,目的基因的mRNA,单链DNA(cDNA）,双链DNA(即目的基因),反转录,合成,1）反转录法：以目的基因转录成的信使RNA为模板，反转录成互补的单链DNA，然后在酶的作用下合成双链DNA，从而获得所需的基因。,蛋白质的氨基酸序列,mRNA的核苷酸序列,结构基因的核苷酸序列,目的基因,推测,推测,化学合成,2）化学合成法：（根据已知的氨基酸序列）,3、人工合成的目的基因,人工合成,(基因比较小),DNA合成仪,思考：化学法合成的目的基因含内含子、启动子和终止子吗？,二、基因表达
7、载体的构建 基因工程的核心,思考：作为基因工程表达载体，只需含有目的基因就可以完成任务吗？为什么？,不可以。因为目的基因在表达载体中得到表达并发挥作用，还需要有其他控制元件，如启动子、终止子和标记基因等。必须构建上述元件的主要理由是：（1）生物之间进行基因交流，只有使用受体生物自身基因的启动子才能比较有利于基因的表达；（2）通过cDNA文库获得的目的基因没有启动子，只将编码序列导入受体生物中无法转录；（3）目的基因是否导入受体生物中需要有筛选标记；（4）为了增强目的基因的表达水平，往往还要增加一些其他调控元件，如增强子等；（5）有时需要确定目的基因表达的产物存在于细胞的什么部位，往往要加上可以
8、标识存在部位的基因（或做成目的基因与标识基因的融合基因），如绿色荧光蛋白基因等。,二、基因表达载体的构建 基因工程的核心,启动子+终止子+标记基因+目的基因,表达载体,启动子：位于基因的首端，RNA聚合酶识别和结合的部位，驱动基因转录出mRNA，终止子：位于基因的尾端，终止mRNA的转录标记基因：鉴别受体细胞中是否含有目的基因，从而将有目的基因的细胞筛选出来,基因表达载体的构建过程,质粒,DNA分子,限制酶处理,两个切口获得目的基因,DNA连接酶,重组DNA分子（重组质粒）,同一种,一个切口两个黏性末端,注意：,载体与表达载体的区别：二者都有标记基因和复制原点两部分DNA片段。表达载体在载体基
9、础上增加了目的基因、启动子、终止子三部分结构用到的工具酶：既用到限制酶切割载体，又用到DNA连接酶将目的基因和载体拼接，两种酶作用的化学键都是磷酸二酯键启动子、终止子对于目的基因表达必不可少目的基因不能单独进入受体细胞，必需以表达载体的方式携带进去。,三、将目的基因导入受体细胞,（二）方法,将目的基因导入植物细胞,将目的基因导入动物细胞,将目的基因导入微生物细胞,农杆菌转化法,基因枪法,花粉管通道法,显微注射法,感受态细胞,（Ca2+处理）,1.将目的基因导入植物细胞,农杆菌转化法基因枪法花粉管通道法,（1）农杆菌转化法,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,原理：
10、Ti质粒上的T-DNA（transferred DNA）。可以转移到受体细胞，并整合到受体细胞染色体的DNA上。,例：用携带外源基因的农杆菌Ti质粒转化植物细胞，使外源DNA与植物染色体DNA整合，通过培养形成愈伤组织，最后发育成转基因植物。,基因枪法又称微弹轰击法，是利用压缩气体产生的动力，将包裹在金属颗粒表面的表达载体DNA打入受体细胞中，使目的基因与其整合并表达的方法。,（2）基因枪法,适用于单子叶植物,（3）花粉管通道法,植物花粉在柱头上萌发后，花粉管要穿过花柱直通胚囊。花粉管通道法就是在植物受粉后，花粉形成的花粉管还未愈合前，剪去柱头，然后，滴加DNA（含目的基因），使目的基因借助花
11、粉管通道进入受体细胞。,适用于被子植物,例：转基因抗虫棉,胚珠,花药,花丝,柱头,花柱,子房壁,子房,雄蕊,雌蕊,2.将目的基因导入动物细胞,（1）方法：显微注射法（将基因表达载体提纯，用显微注射仪注射到受精卵中）,思考：为什么要用受精卵而不用体细胞？,（2）操作程序:,提纯含目的基因表达载体,取受精卵,显微注射,移植到子宫,受精卵发育,新性状动物,常用法：Ca2+处理,常用菌：大肠杆菌,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,过程：,Ca2+处理大肠杆菌,感受态细胞,表达载体与感受态细胞混合,感受态细胞吸收DNA,3.将目的基因导入微生物细胞,用Ca2处理，增加细菌细胞壁的
12、通透性,小结：将目的基因导入受体细胞,受精卵体细胞,受精卵,细胞/个体,农杆菌转化法,基因枪法,花粉管通道法,显微注射技术,用Ca2+处理成感受态细胞,采用基因工程的方法培育抗虫棉，下列导入目的基因的作法正确的是（）A.将毒素蛋白注射到受精卵中B.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C.将编码毒素蛋白的DNA序列，与质粒重组，注射到棉的子房并进入受精卵D.将编码毒素蛋白的DNA序列，注射到棉受精卵中,BC,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 入重组DNA分子吗？,1,真正能摄入重组DNA分子的受体细胞很少。,2,目的
13、基因进入受体细胞后，是否都能稳定维持和表达？,不一定，需要检测,四、目的基因的检测与鉴定,检测:分子水平,是否插入目的基因,是否转录,是否翻译,转基因生物的DNA,探针,15N,15N,14N,14N,（1）检测转基因生物染色体的DNA上是否插入了目的基因,基因探针：,放射性同位素等标记的DNA分子,方法,DNA分子杂交技术,变性,变性,1、检测转基因生物染色体的DNA上是否插入了目的基因,首先取出转基因生物的基因组DNA；,（1）方法:,DNA分子杂交,（2）过程:,将含目的基因的DNA片段用放射性同位素等作标记,以此做探针；,使探针和转基因生物的基因组杂交,若显示出杂交带,表明染色体已插入
14、染色体DNA中。,（一）检测,基因探针：是一段带有检测标记，且序列已知的，与目的基因互补的核酸序列。基因探针通过分子杂交与目的基因结合，产生杂交信号，能从浩翰的基因组中把目的基因显示出来。,DNA分子杂交示意图,采用一定的技术手段，将两种生物的DNA分子的单链放在一起，如果这两个单链具有互补的碱基序列，那么，互补的碱基序列就会结合在一起，形成杂合双链区；在没有互补碱基序列的部位，仍然是两条游离的单链。,2、检测目的基因是否转录出了mRNA,方法:,分 子 杂 交,过程:用上述探针和转基因生物的mRNA杂交,若出现杂交带,表明目的基因转录出了mRNA。,提取,3、检测目的基因是否翻译成蛋白质,方
15、法：抗原-抗体杂交,Bt毒素蛋白,将Bt毒蛋白注射小鼠体内,从小鼠血管抽出血液分离出抗Bt毒素的抗体,抗体,蛋白质,出现杂交带,脱分化,组织培养,（二）鉴定（个体生物学水平）,抗虫鉴定、抗病鉴定、活性鉴定等,例：用棉花叶饲喂棉铃虫，如虫吃后不出现中毒症状，说明未摄入目的基因或摄入目的基因未表达。如虫吃后中毒死亡，则说明摄入了抗虫基因并得到表达。,目的基因的表达和检测,归纳:基因工程的基本操作程序,目的基因的获取从基因文库利用PCR人工合成基因表达载体的构建目的基因、启动子、终止子、标记基因将目的基因导入受体细胞植物：农杆菌转化法、基因枪法、花粉管通道法动物：显微注射法转化法微生物：Ca2+处理
16、目的基因的检测与鉴定检测：是否插入、转录、翻译鉴定：抗虫、抗病特性鉴定,思考与探究：,2.根据农杆菌可将目的基因导入双子叶植物的机理,你能分析出不能导入单子叶植物的原因吗?若将一个抗病基因导入小麦中,理论上讲你应该怎样做?,要选择合适的农杆菌菌株，因为不是所有的农杆菌菌株都可以侵染单子叶植物；要加趋化和诱导的物质，一般为乙酰丁香酮等，目的是使农杆菌向植物组织的受伤部位靠拢（趋化性）和激活农杆菌的Vir区（诱导）的基因，使T-DNA转移并插入到染色体DNA上。,3.利用大肠杆菌可以生产出人的胰岛素，联系前面有关细胞器功能的知识，结合基因工程操作程序的基本思路，思考一下，若要生产人的糖蛋白，可以用
17、大肠杆菌吗？,有些蛋白质肽链上有共价结合的糖链，这些糖链是在内质网和高尔基复合体上加工完成的，内质网和高尔基复合体存在于真核细胞中，大肠杆菌不存在这两种细胞器，因此，在大肠杆菌中生产这种糖蛋白是不可能的。,4.-珠蛋白是动物血红蛋白的重要组成成分。当它的成分异常时，动物有可能患某种疾病，如镰刀形细胞贫血症。假如让你用基因工程的方法，使大肠杆菌生产出鼠的-珠蛋白，想一想，应如何进行设计？,（1）从小鼠中克隆出-珠蛋白基因的编码序列（cDNA)。（2）将cDNA前接上在大肠杆菌中可以适用的启动子，另外加上抗四环素的基因，构建成一个表达载体。（3）将表达载体导入无四环素抗性的大肠杆菌中，然后在含有四
18、环素的培养基上培养大肠杆菌。如果表达载体未进入大肠杆菌中，大肠杆菌会不含有抗四环素基因而死掉；如果培养基上长出大肠杆菌菌落，则表明-珠蛋白基因已进入其中。（4）培养进入了-珠蛋白基因的大肠杆菌，收集菌体，破碎后从中提取-珠蛋白。,若不能表达，要对抗虫基因再进行修饰。,怎样检验抗虫基因在棉细胞内是否表达呢？,没有抗虫基因的棉植株,有抗虫基因的棉植株,棉铃虫,虫没有死,虫被杀死,没有表达,目的基因表达,提示：DNA分子杂交技术首先提取受体细胞中的DNA，然后高温解成单链，再与同位素标记的DNA探针杂交；抗原抗体杂交所用到的抗体是用表达出的蛋白质注射动物进行免疫，产生相应的抗体，并提取出而来的。,为
19、什么要构建基因文库？直接从含有目的基因的生物体内提取不行吗？,构建基因文库是获取目的基因的方法之一，并不是唯一的方式。如果所需要的目的基因序列已知，就可以通过PCR方式从含有该基因的生物的DNA中，直接获得，也可以通过反转录，用PCR方式从mRNA中获得，不一定要构建基因文库。但如果所需要的目的基因的序列完全不知，或只知道目的基因序列的一段，或想从一种生物体内获得许多基因，或者想知道这种生物与另一种生物之间有多少基因不同，或者想知道一种生物在个体发育的不同阶段表达的基因有什么不同，或者想得到一种生物的全基因组序列，往往就需要构建基因文库。,利用大肠杆菌可以生产出人的胰岛素，联系前面有关细胞器功
20、能的知识，结合基因工程操作程序的基本思路，思考一下，若要生产人的糖蛋白，可以用大肠杆菌吗？,有些蛋白质肽链上有共价结合的糖链，这些糖链是在内质网和高尔基复合体上加工完成的，内质网和高尔基复合体存在于真核细胞中，大肠杆菌不存在这两种细胞器，因此，在大肠杆菌中生产这种糖蛋白是不可能的。,寻根问底：,课堂练习,1、有关基因工程的叙述中，错误的是()A、DNA连接酶将黏性末端的碱基对连接起来 B、限制性内切酶用于目的基因的获得 C、目的基因须由运载体导入受体细胞 D、人工合成目的基因不用限制性内切酶,A,课堂练习,2、下列属于获取目的基因的方法的是()利用mRNA反转录形成 从基因组文库中提取 从受体
21、细胞中提取 利用PCR技术 利用DNA转录 人工合成 A.B.C.D.,D,课堂练习,3、有关基因工程的叙述正确的是（）A、限制酶只在获得目的基因时才用 B、重组质粒的形成在细胞内完成 C、质粒都可作为运载体 D、蛋白质的结构可为合成目的基因提供资料,D,【拓展深化】工具酶只有两种：限制酶在操作程序1、2中用到且要求用同一种，目的是产生相同的黏性末端；DNA连接酶只在操作程序2中用到。,课堂练习,4、基因工程是在DNA分子水平上进行设计施工的。在基因操作的基本步骤中，不进行碱基互补配对的步骤是（）A、人工合成目的基因 B、目的基因与运载体结合 C、将目的基因导入受体细胞 D、目的基因的检测和表
22、达,C,【拓展深化】只有第三步将目的基因导入受体细胞不需碱基互补配对，其余三个步骤都涉及碱基互补配对,课堂练习,即时应用(随学随练，轻松夺冠)5(2009年高考浙江卷)下列关于基因工程的叙述，错误的是()A目的基因和受体细胞均可来自动、植物或微生物B限制性核酸内切酶和DNA连接酶是两类常用的工具酶C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D载体上的抗性基因有利于筛选含重组DNA的细胞和促进目的基因的表达,D,PCR技术,原理：前提：原料方式,PCR扩增仪,DNA复制,一段已知目的基因的核苷酸序列,：以_方式扩增，即_（n为扩增循环的次数）,指数,2n,模板DNA；DNA引物；四种脱氧
23、核苷酸；热稳定DNA聚合酶（嗜热细菌水生栖热菌 Taq酶）；离子,概念辨析,基因文库与基因库,基因库是指某一生物群体中的全部基因。,基因文库与基因克隆,基因克隆是只包含某些特定基因或DNA片段的克隆。基因文库中包含着为数众多的克隆，建成后可供随时选取其中任何一个基因克隆之用。,DNA分子杂交示意图,采用一定的技术手段，将两种生物的DNA分子的单链放在一起，如果这两个单链具有互补的碱基序列，那么，互补的碱基序列就会结合在一起，形成杂合双链区；在没有互补碱基序列的部位，仍然是两条游离的单链。,P15思考与探究,利用PCR技术扩增目的基因,Western杂交蛋白质分子（抗原抗体）之间的杂交。它是检测目的基因是否表达出蛋白质的一种方法。具体做法是：第一步，将目的基因在大肠杆菌中表达出蛋白质；第二步，将表达出的蛋白质注射动物进行免疫，产生相应的抗体，并提取出抗体（一抗）；第三步，从转基因生物中提取蛋白质，走凝胶电泳；第四步，将凝胶中的蛋白转移到硝酸纤维素膜上；第五步，将抗体（一抗）与硝酸纤维素膜上的蛋白杂交，这时抗体（一抗）与目的基因表达的蛋白（抗原）会特异结合。由于这种抗原抗体的结合显示不出条带，所以加入一种称为二抗的抗体，它可以与一抗结合，二抗抗体上带有特殊的标记。如果目的基因表达出了蛋白质，则结果为阳性。,
