高中生物 第一章 基因工程 第一節(jié) 基因工程概述 第2課時 獲取目的基因、構(gòu)建基因表達(dá)載體同步備課課件 浙科版選修3

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1、第2課時獲取目的基因、構(gòu)建基因表達(dá)載體第一章第一節(jié)基因工程概述學(xué)習(xí)導(dǎo)航1.概述獲取目的基因的方法，特別說明PCR的原理。2.結(jié)合圖110，說出基因表達(dá)載體的構(gòu)建。重難點(diǎn)擊獲取目的基因的途徑及基因表達(dá)載體的構(gòu)建。課堂導(dǎo)入方式一方式一抑制疾病傳播的轉(zhuǎn)基因蚊子巴西等拉美國家深受致倦庫蚊的危害。致倦庫蚊可攜帶多種病毒和寄生蟲，能夠傳播腦炎、絲蟲等傳染病，而這些傳染病常年在拉美國家肆虐。為了抑制疾病的傳播，巴西科學(xué)家培育出了一種轉(zhuǎn)基因雄性致倦庫蚊?？茖W(xué)家在雄性致倦庫蚊體內(nèi)植入一種特殊基因，當(dāng)具該基因的轉(zhuǎn)基因雄蚊與野生雌蚊交配時，這種基因可以進(jìn)入雌蚊的基因組，并使雌蚊死亡，從而減少了該種蚊子的數(shù)量，達(dá)到抑

2、制疾病傳播的目的。怎樣才能最終得到轉(zhuǎn)基因雄蚊呢？讓我們一起來學(xué)習(xí)基因工程的基本操作程序吧！方式二方式二師：出示我國有知識產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的培育圖解：問：轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的培育需要哪些步驟？學(xué)生看圖并回答：首先要獲得目的基因，其次將目的基因連接到Ti質(zhì)粒上，然后將重組的Ti質(zhì)粒導(dǎo)入受體細(xì)胞，最后要重建轉(zhuǎn)基因植物。根據(jù)學(xué)生回答補(bǔ)充：還需檢測抗蟲基因是否已經(jīng)進(jìn)入棉花植株，并由此引出基因工程的四部曲。 一、獲取目的基因內(nèi)容索引當(dāng)堂檢測二、構(gòu)建基因表達(dá)載體一、獲取目的基因基因組文庫：包含某種生物 的基因文庫部分基因文庫：包含某種生物 的基因文庫基礎(chǔ)梳理1.通過基因文庫獲取目的基因通過基因文庫獲取目的基因(

3、1)概念先用 等方法將某種生物細(xì)胞的整個基因組DNA切割成大小合適的片段，再將這些片段分別和 連接起來，導(dǎo)入受體菌的群體并 起來，各個受體菌分別含有這種生物的 ，這個群體稱為基因文庫。(2)種類 載體酶切儲存不同基因全部基因部分基因2.通過通過PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因技術(shù)擴(kuò)增目的基因(1)原理： 。(2)基本過程加入反應(yīng)物質(zhì)：在離心管中加入所需要的模板DNA、 、4種_ 以及 酶。變性：加熱至 左右，使DNA中的 鍵斷裂，雙鏈解開。退火(復(fù)性)：冷卻到55 左右， 與單鏈DNA相應(yīng)互補(bǔ)序列結(jié)合。延伸：加熱至72 左右，在 酶的作用下，沿模板延伸子鏈，最終合成2條DNA分子。DNA分子半保留復(fù)制引

4、物脫氧核苷酸TaqDNA聚合94引物TaqDNA聚合氫(3)若PCR過程中，擴(kuò)增循環(huán)的次數(shù)是n，則目的基因的量將被擴(kuò)增 倍。(4)PCR技術(shù)中因為需要在高溫下進(jìn)行，因此TaqDNA聚合酶需要有什么特性？3.通過化學(xué)方法直接人工合成目的基因通過化學(xué)方法直接人工合成目的基因如果目的基因較小， 又已知，可以通過DNA合成儀用化學(xué)方法直接人工合成。2n答案答案具有熱穩(wěn)定性。脫氧核苷酸序列問題探究1.從基因文庫中獲取目的基因(1)cDNA文庫是從某種生物的某一細(xì)胞中提取出mRNA，經(jīng)逆轉(zhuǎn)錄過程獲得的基因文庫，為什么該基因文庫僅含有該生物的部分基因？答案答案答案由于基因的選擇性表達(dá)，某種生物的某一細(xì)胞中僅

5、有部分基因轉(zhuǎn)錄出mRNA，所以由該細(xì)胞中的mRNA逆轉(zhuǎn)錄得到的基因文庫僅含該生物的部分基因。(2)結(jié)合概念，從范圍上比較基因組文庫和cDNA文庫(部分基因文庫)之間的大小關(guān)系： 。(3)基因文庫的組建過程所包含基因工程的步驟目的基因的獲?。簩⒛撤N生物體內(nèi)的DNA全部提取出來，選用適當(dāng)?shù)?，將DNA切成一定范圍大小的 。重組質(zhì)粒的構(gòu)建：將所獲得的DNA片段分別與 連接起來。目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞：將 導(dǎo)入受體菌的群體中儲存?；蚪M文庫cDNA文庫限制酶DNA片段載體重組質(zhì)粒比較項目DNA復(fù)制PCR技術(shù)區(qū)別解旋方式_場所_酶_溫度細(xì)胞內(nèi)溫和條件控制溫度，需在較高溫度下進(jìn)行結(jié)果合成DNA分子合成DNA

6、片段或基因2.PCR技術(shù)與DNA復(fù)制的比較解旋酶催化DNA在高溫下變性解旋細(xì)胞內(nèi)(主要在細(xì)胞核內(nèi))細(xì)胞外(主要在PCR擴(kuò)增儀中)解旋酶、DNA聚合酶熱穩(wěn)定的DNA聚合酶聯(lián)系(1)模板：均需要 作為模板(2)原料：均為_(3)酶：均需_(4)引物：都需要引物，使DNA聚合酶從引物開始進(jìn)行互補(bǔ)鏈的合成脫氧核苷酸雙鏈四種脫氧核苷酸DNA聚合酶兩種人工合成目的基因的方法比較(1)逆轉(zhuǎn)錄法主要用于相對分子質(zhì)量較大而又不知其序列的基因，它是以目的基因的mRNA為模板，借助逆轉(zhuǎn)錄酶合成堿基互補(bǔ)的單鏈DNA，然后在DNA聚合酶的作用下合成雙鏈DNA。其過程如下圖：歸納歸納總結(jié)總結(jié)(2)化學(xué)合成法即依照某一蛋白

7、質(zhì)的氨基酸序列，通過密碼子推算出其基因序列，然后直接合成目的基因。其過程如下圖：由于真核細(xì)胞的基因含有不表達(dá)的DNA片段，不能直接用于基因的擴(kuò)增和表達(dá)，因此，在獲取真核細(xì)胞中的目的基因時，一般是用人工合成目的基因的方法。 拓展應(yīng)用1.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)圖回答下列問題：解析解析B過程是以RNA為模板合成DNA的逆轉(zhuǎn)錄過程，需要的酶是逆轉(zhuǎn)錄酶；目的基因和除可從構(gòu)建的文庫中分離外，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。(1)B過程需要的酶是_。(2)

8、圖中基因組文庫_ (填“小于”“大于”或“等于”)cDNA文庫。(3)目的基因和除可從構(gòu)建的文庫中分離外，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_。 答案解析逆轉(zhuǎn)錄酶大于DNAcDNA耐高溫解析解析PCR技術(shù)擴(kuò)增的原理是DNA半保留復(fù)制，需要耐高溫的DNA聚合酶催化，并以脫氧核苷酸為原料。一題多變一題多變判斷正誤：(1)直接分離目的基因的方法其優(yōu)點(diǎn)是操作簡便，缺點(diǎn)是工作量大，具有一定的盲目性()(2)由于真核細(xì)胞的基因含有不表達(dá)的DNA片段，一般使用人工合成的方法()(3)目前人工合成目的基因的方法主要有兩種，分別是逆轉(zhuǎn)錄法和化學(xué)合成法()(4)PCR技術(shù)

9、的原理是DNA復(fù)制，需要RNA聚合酶催化DNA合成()答案解析易錯辨析易錯辨析認(rèn)清基因組文庫法與逆轉(zhuǎn)錄法獲取目的基因的不同認(rèn)清基因組文庫法與逆轉(zhuǎn)錄法獲取目的基因的不同(1)酶：前者需要限制酶；后者需要逆轉(zhuǎn)錄酶。(2)原料：前者不需要原料；后者需要脫氧核苷酸。(3)結(jié)構(gòu)：前者基因中含有啟動子，能轉(zhuǎn)錄；后者基因中沒有啟動子，只將編碼序列導(dǎo)入受體細(xì)胞，故無法進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。2.以下為形成cDNA(圖中的單鏈DNA)過程和PCR擴(kuò)增過程示意圖。據(jù)圖分析，下列說法正確的是A.催化過程的酶是RNA聚合酶B.過程發(fā)生的變化是引物與單鏈DNA結(jié)合C.催化過程的酶都是DNA聚合酶，都能耐高溫D.如果RNA單鏈中A與U

10、之和占該鏈堿基含量的40%，則一個雙鏈DNA中， A與U之和也占該DNA堿基含量的40% 答案解析解析解析由題意可知，分別表示逆轉(zhuǎn)錄、DNA的復(fù)制、DNA解鏈、引物結(jié)合到互補(bǔ)DNA單鏈及互補(bǔ)鏈的合成，B正確；過程由逆轉(zhuǎn)錄酶催化完成，A錯；催化過程的酶都是DNA聚合酶，過程是在72 的高溫條件下進(jìn)行的，只有該過程中的酶需耐高溫，C錯；在DNA分子中有T無U，D錯。3.如圖表示基因工程中獲取水稻某目的基因的不同方法。下列相關(guān)敘述中正確的是A.三種方法都需要酶并均在體外進(jìn)行B.堿基對的排列順序均相同C.三種方法均屬于人工合成法D.方法a不遵循中心法則 解析答案解析解析這三種方法都是在體外進(jìn)行的，且都

11、用到酶(方法a需要逆轉(zhuǎn)錄酶和DNA聚合酶；方法b需要限制酶；方法c需要DNA聚合酶)，A正確；通過方法a得到的目的基因不含有內(nèi)含子，通過方法c得到的目的基因的堿基序列可能有多種，因此堿基對的排列順序不都相同，B錯誤；圖示a和c屬于人工合成法，而b是從供體細(xì)胞的DNA中直接分離目的基因的方法，C錯誤；方法a遵循中心法則，D錯誤。二、構(gòu)建基因表達(dá)載體基因表達(dá)基因表達(dá)載體的構(gòu)建載體的構(gòu)建(如圖如圖)(1)啟動子：位于 的一段核苷酸序列，是 識別、結(jié)合的部位，能驅(qū)動基因 。(2)終止子：是一段特殊的DNA片段，是載體上 的核苷酸序列。(3)標(biāo)記基因：是為了鑒別受體細(xì)胞中是否含有 。常用的標(biāo)記基因主要是

12、 、某些 。(4)目的基因：目的基因插在 和 之間。 基礎(chǔ)梳理RNA聚合酶目的基因上游轉(zhuǎn)錄合成相應(yīng)的mRNA終止目的基因轉(zhuǎn)錄目的基因抗性基因啟動子生化表型基因終止子問題探究結(jié)合基因表達(dá)載體模式圖分析以下問題：1.用字母和文字表示基因表達(dá)載體的組成。2.啟動子和終止子與起始密碼子和終止密碼子是一回事嗎？ 答案答案基因表達(dá)載體的組成：a啟動子b終止子c標(biāo)記基因d復(fù)制原點(diǎn)e目的基因。答案答案不是一回事，啟動子和終止子位于DNA上，是基因表達(dá)載體必需的部分。而起始密碼子和終止密碼子位于mRNA上，決定翻譯的開始和結(jié)束。答案3.為什么目的基因要插入啟動子和終止子之間？答案答案啟動子使轉(zhuǎn)錄開始，是RNA聚

13、合酶識別和結(jié)合的部位；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。答案4.下表中列出了幾種限制酶識別序列及其切割位點(diǎn)，圖1、圖2中箭頭表示相關(guān)限制酶的酶切位點(diǎn)。請據(jù)圖回答下列問題：限制酶BamHHindEcoRSma識別序列及切割位點(diǎn)(1)結(jié)合下圖重組質(zhì)粒的構(gòu)建過程分析：圖中為 ，為 。 答案同一種限制酶DNA連接酶答案答案不能。因為Sma會破壞質(zhì)粒的抗性基因。質(zhì)粒上的抗性基因是標(biāo)記基因。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，若被破壞，無法進(jìn)一步篩選。(2)構(gòu)建基因表達(dá)載體時，能否用Sma酶切割質(zhì)粒？為什么？答案答案答案可以防止

14、質(zhì)粒和含目的基因的外源DNA片段自身環(huán)化。(3)與只使用EcoR相比較，使用BamH和Hind兩種限制酶同時處理質(zhì)粒、外源DNA的優(yōu)點(diǎn)是什么？(1)選用同一種限制酶切割目的基因和載體的原因：選用同一種限制酶切割會產(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)基因工程操作時往往用兩種限制酶分別切割目的基因的兩端以及載體的原因：如果用一種限制酶切割，目的基因兩側(cè)的末端以及質(zhì)粒切口的兩個末端都是互補(bǔ)的，因此連接時可能會出現(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酶進(jìn)行切割就可以有效避免

15、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。總結(jié)總結(jié)提升提升解析解析由于受體細(xì)胞有植物、動物和微生物之分，以及目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的方式不同，所以基因表達(dá)載體的構(gòu)建也會有所差別，不可能千篇一律。拓展應(yīng)用4.下圖為基因表達(dá)載體的模式圖，下列有關(guān)基因工程中載體的說法，錯誤的是A.基因表達(dá)載體的構(gòu)建是在生物體外完成的B.任何基因表達(dá)載體的構(gòu)建都是一樣的，沒有差別C.圖中啟動子位于基因的首端，是RNA聚合酶識別 和結(jié)合的部位D.抗生素抗性基因的作用是作為標(biāo)記基因，用于鑒別受體細(xì)胞中是否導(dǎo) 入了目的基因 解析答案5.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P

16、st、Sma、EcoR、Apa為四種限制性核酸內(nèi)切酶。下列說法錯誤的是A.圖示過程是基因工程的核心步驟B.表達(dá)載體構(gòu)建時需要用到限制酶SmaC.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)該含有啟動子和終止子等結(jié)構(gòu) 答案解析解析解析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。構(gòu)建過程中需要將目的基因完整切割下來，此時要用到限制酶Pst、EcoR。限制酶Sma不可用，它會破壞目的基因的完整性。抗卡那霉素基因是標(biāo)記基因，目的是便于鑒定和篩選含有目的基因的細(xì)胞?；虮磉_(dá)載體包括啟動子、目的基因、終止子和標(biāo)記基因等。從自然界已有物種中分離:從基

17、因文庫中獲取通過PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因通過化學(xué)方法直接人工合成目的基因目的：使目的基因在受體細(xì)胞中穩(wěn)定存在，并可遺傳 至下一代，使目的基因能夠表達(dá)和發(fā)揮作用_ _ _課堂小結(jié)目的標(biāo)記操作程序獲取目的基因目的基因：主要指編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因方法構(gòu)建基因表達(dá)載體組成：_基因+啟動子+終止子+_基因?qū)肽康幕驒z測和鑒定目的基因當(dāng)堂檢測1.基因工程的基本操作程序有：使目的基因與載體相結(jié)合；將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞；檢測目的基因的表達(dá)是否符合特定性狀要求；獲取目的基因。正確的操作順序是A. B.C. D.23451解析解析基因工程的主要操作步驟順序是：獲取目的基因構(gòu)建基因表達(dá)載體將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞目

18、的基因的檢測和鑒定。答案解析2.如圖為基因表達(dá)載體的模式圖，若結(jié)構(gòu)X是表達(dá)載體所必需的，則X最可能是 A.氨芐青霉素抗性基因B.啟動子C.限制酶D.DNA連接酶 答案23415解析解析啟動子是該表達(dá)載體所必需的，它應(yīng)位于插入基因的前端，功能是啟動插入基因的轉(zhuǎn)錄過程。解析234153.以下甲、乙兩圖表示從細(xì)菌細(xì)胞中獲取目的基因的兩種方法，下列說法中錯誤的是A.甲方法可建立該細(xì)菌的基因組文庫B.乙方法可建立該細(xì)菌的cDNA文庫C.甲方法要以脫氧核苷酸為原料D.乙方法需要逆轉(zhuǎn)錄酶參與 答案解析解析解析甲方法是從細(xì)菌的DNA中直接提取，故可以建立該細(xì)菌的基因組文庫；乙方法是由mRNA逆轉(zhuǎn)錄獲取目的基因

19、，故可以建立該細(xì)菌的cDNA文庫。乙方法需要逆轉(zhuǎn)錄酶并以脫氧核苷酸為原料。4.下列有關(guān)PCR技術(shù)的說法，不正確的是A.PCR技術(shù)的原理是DNA雙鏈復(fù)制B.PCR擴(kuò)增中必須有解旋酶才能解開雙鏈DNAC.PCR是一項在生物體外復(fù)制特定的DNA片段的核酸合成技術(shù)D.利用PCR技術(shù)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2341答案5解析解析PCR擴(kuò)增中不使用解旋酶，是利用高溫破壞氫鍵解開雙鏈DNA的，B錯誤。解析5.下圖為含鐵量較高的轉(zhuǎn)基因水稻的培育過程示意圖，請分析回答下列問題：23415(1)獲得鐵結(jié)合蛋白基因有兩條途徑：一是以鐵結(jié)合蛋白基因的mRNA為模板，在逆轉(zhuǎn)錄酶的催化下，合成互補(bǔ)的單鏈DNA，然后在_作用下合成雙鏈DNA，從而獲得所需基因；二是根據(jù)目標(biāo)蛋白質(zhì)的_序列，推測出相應(yīng)的mRNA序列，再推測其DNA的序列，利用_(儀器)合成目的基因。DNA聚合酶氨基酸答案23415DNA合成儀(2)重組Ti質(zhì)粒的結(jié)構(gòu)除了含有標(biāo)記基因、目的基因、終止子和復(fù)制原點(diǎn)外，還必須有_，它是_結(jié)合的部位。啟動子RNA聚合酶答案23415