3.3基因工程的应用课件-2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

3.3 基因工程的应用 复习 基因工程的操作步骤、目的基因的获取方法 运载体必须具备的条件、双酶切的优点 导入动物、植物、微生物细胞的方法 如何检测与鉴定： ①转基因植物细胞内是否含有目的基因 ②目的基因是否转录及翻译 ③表达产物的功能 DNA的粗提取原理、鉴定原理 PCR的原理及过程、电泳的原理 1.质粒是基因工程中广泛使用的载体，但真正被用作载体的质粒都是在天然质粒的基础上进行过人工改造的。为获得适宜的质粒，对大肠杆菌的质粒A和质粒B进行改造。下图为质粒A和质粒B的示意图。 其中EcoR1和BamH1为限制酶识别部位（形成的黏性末端不同）； ori 为复制原点； npt表示卡那霉素抗性基因， str 表示链霉素抗性基因； gfp表示绿色荧光蛋白基因 （质粒B中不含其启动子）， 其产物在紫外线照射下可发出绿色荧光； P1是含有受乳糖诱导表达启动子的序列； P2是通用启动子序列。 (1)质粒中启动子的作用是______________________。 (2)除题中提到的组分外，上述质粒载体上还应具有_________________。 复习 RNA 聚合酶结合和识别的部位，启动基因的转录 终止子 EcoR1和BamH1为限制酶识别部位（黏性末端不同） ori 为复制原点； npt表示卡那霉素抗性基因， str 表示链霉素抗性基因；gfp表示绿色荧光蛋白基因 （质粒B中不含其启动子），其产物在紫外线照射下可发出绿色荧光； P1是含有受乳糖诱导表达启动子的序列； P2是通用启动子序列。 (3)已知三个或三个以上DNA片段发生连接的几率很小，可忽略；两个或两个以上质粒难以同时进入大肠杆菌；含有两个或两个以上ori的质粒无法在大肠杆菌内复制。为获得可发绿色荧光的大肠杆菌，进行以下操作： ①将含质粒A和质粒B的混合溶液中加入限制酶_________________，充分反应。 ②加入DNA连接酶，充分反应（所有酶切末端都已经连上）得到的产物有_______种。将产物导入大肠杆菌。 ③将这些大肠杆菌涂布在含有________的固体培养基上在适宜条件下培养24h，能淘汰掉部分不含绿色荧光蛋白基因的大肠杆菌菌落; 复习 EcoR1 和 BamH1     六 链霉素 2. 利用基因工程方法培育抗虫棉的过程。回答相关问题： (1)从苏云金芽孢杆菌的DNA上获取抗虫基因，需要用到的工具是_________，此工具主要是从原核生物中分离纯化出来的，它能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列。并且使每一条链中特定部位的两个脱氧核苷酸之间的_____________。 (2)构建重组质粒时，常用Ti质粒作为载体。是因为Ti质粒上具有_______，它能把目的基因整合到受体细胞的_____________上。 (3) 要确定抗虫基因导入棉花细胞后，是否赋予了棉花抗虫特性，在个体水平上还需要做抗虫接种实验；若要检测具有抗虫基因的棉花是否产生了相应毒蛋白，在分子水平上可利用________________方法进行检测。 (4)在转基因绵羊培育过程中，可利用_____________法将目的基因导入到该种生物的受精卵中。 复习 限制酶 磷酸二酯键断开 T-DNA 染色体DNA 抗原-抗体杂交 显微注射 3.人体内的t-PA蛋白能高效降解由纤维蛋白凝聚而成的血栓，是心梗和脑血栓的急救药。通过基因工程技术可以大量制备基因工程药物t-PA。 (1)研究人员采用PCR技术可以获得大量t-PA基因，PCR的原理是_______________。此外，大量获得t-PA基因的方法还有___________、____________________（答出1种）。 (2)高质量的DNA模板是成功扩增目的基因的前提条件之一，在制备DNA模板时，可以用高温处理的方法去除其中的蛋白质，原因是________________。 复习 DNA双链复制 人工合成 从基因文库中获取 蛋白质在高温条件下会变性失活，而DNA虽然在高温时会变性，但在低温时又会复性。 3.人体内的t-PA蛋白能高效降解由纤维蛋白凝聚而成的血栓，是心梗和脑血栓的急救药。通过基因工程技术可以大量制备基因工程药物t-PA。 (3)研究表明，为心梗患者注射大量t-PA会诱发颅内出血，其原因在于t-PA与纤维蛋白结合的特异性不高，若将t-PA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸，能显著降低出血副作用。据此，先对天然的t-PA基因进行序列改造，然后再采取传统的基因工程方法表达该改造后的基因，可制造出性能优异的改良t-PA蛋白。（注：如图1表示相关的目的基因、载体及限制酶。pCLY11为质粒，新霉素为抗生素。）请回答下列问题： ①以上制造出性能优异的改良t-PA蛋白的过程 被称为___________。已知人t-PA基因第84位 半胱氨酸的模板链碱基序列为ACA，而丝氨酸的 密码子为UCU，因此改造后的基因决定第84位 丝氨酸的模板链的碱基序列应设计为_______。 复习 蛋白质工程 AGA 3.人体内的t-PA蛋白能高效降解由纤维蛋白凝聚而成的血栓，是心梗和脑血栓的急救药。通过基因工程技术可以大量制备基因工程药物t-PA。 (3)研究表明，为心梗患者注射大量t-PA会诱发颅内出血，其原因在于t-PA与纤维蛋白结合的特异性不高，若将t-PA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸，能显著降低出血副作用。据此，先对天然的t-PA基因进行序列改造，然后再采取传统的基因工程方法表达该改造后的基因，可制造出性能优异的改良t-PA蛋白。（注：如图1表示相关的目的基因、载体及限制酶。pCLY11为质粒，新霉素为抗生素。）请回答下列问题： ②如图所示，需选用限制酶XmaI和___________切 开质粒pCLY11，才能与t-PA改良基因高效连接。 与单一酶酶切相比，本操作采用的双酶切方法的 优点是___________。 复习 BglⅡ 防止质粒载体和目的基因自身环化 保证目的基因与质粒载体正向连接 3.人体内的t-PA蛋白能高效降解由纤维蛋白凝聚而成的血栓，是心梗和脑血栓的急救药。通过基因工程技术可以大量制备基因工程药物t-PA。 (3)研究表明，为心梗患者注射大量t-PA会诱发颅内出血，其原因在于t-PA与纤维蛋白结合的特异性不高，若将t-PA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸，能显著降低出血副作用。据此，先对天然的t-PA基因进行序列改造，然后再采取传统的基因工程方法表达该改造后的基因，可制造出性能优异的改良t-PA蛋白。（注：如图1表示相关的目的基因、载体及限制酶。pCLY11为质粒，新霉素为抗生素。）请回答下列问题： ③将连接好的DNA分子导入大肠杆菌，含t-PA 改良基因重组DNA分子的细胞应具有的性状是：__ A．新霉素抗性且呈蓝色  B．新霉素敏感且呈蓝色 C．新霉素抗性且呈白色 D．新霉素敏感且呈白色 复习 C 4.研究者利用根癌农杆菌，将人工合成的新冠病毒（SARS-CoV-2）基因组序列转化到本氏烟草细胞中，待成熟后从叶片中提取、纯化病毒样颗粒，用于新冠疫苗的生产。病毒样颗粒具有了新冠病毒的抗原性，但没有致病性；而根癌农杆菌是一种天然高效的转基因运载体，图15所示为根癌农杆菌感染植物细胞的部分过程示意图。 (1)科学家人工合成的基因组序列应包含新冠病毒_______。（填编号） ①核心部分的全部遗传信息 ②遗传物质复制相关蛋白的基因 ③衣壳的部分结构蛋白基因 (2)结合图判断，目的基因应插入在____。 A．vir基因区域 B．核质DNA上的任意区域 C．T-DNA区域 D．Ti上除vir和T-DNA以外的区域 (3)为大量、快速获得带有病毒样颗粒的叶片，也可取部分叶组织进行体外培养，该技术是_______________. 复习 ②③ C 植物组织培养技术 胰岛素是治疗糖尿病的特效药物。传统生产胰岛素的方法是从猪、牛等动物的胰腺中提取。曾经生产供一位糖尿病病人使用一年的胰岛素需要上千头牛，生产的成本非常高。1978年，科学家将编码人胰岛素的基因导入大肠杆菌细胞中， 使大肠杆菌表达重组人胰岛素。我国拥有自主知识产权的基因工程物---重组人胰岛素已经研制成功并得到广泛应用。 除了生产胰岛素，基因工程还有那些应用呢？ 重组人胰岛素注射液 抗虫棉、转基因大豆、重组人干扰素、促红细胞生成素等。 一、基因工程在农牧业方面的应用 1.植物方面 ①1996-2017年，全世界转基因作物种植面积增加了100多倍。 转基因作物的种植使化学农药的施用量减少了8.2%，作物产量增加了6.6×108t,增加经济效益1.3万亿。 ②美国是世界上转基因作物种植面积最大的国家 ③世界转基因作物种植面积最大的是大豆，其次是玉米、棉花； ④我国转基因作物的种植面积位居世界第八位，商业化种植的转基因作物有棉花和番木瓜； 从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，导入作物，使其具有抗虫性 转基因抗虫植物 A.培育方法： B.实例： C.主要杀虫基因： D.优点： 转基因抗虫棉、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。 一、基因工程在农牧业方面的应用 1.植物方面 抗虫水稻 非抗虫 Bt毒蛋白基因 、 蛋白酶抑制剂基因、 淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等。 减少因化学农药的使用 而造成的环境污染和对人类健康的损害、 降低生产成本、提高产量。 将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，培育出转基因抗病植物。 转基因抗病植物 A.培育方法： B.实例： 抗病毒转基因甜椒、番木瓜和烟草等 一、基因工程在农牧业方面的应用 1.植物方面 抗病毒的目的基因： 抗真菌的目的基因： 病毒外壳蛋白基因、病毒复制酶基因（缺陷型） 几丁质酶基因、抗毒素合成基因 C.主要抗病基因： 将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，可培育出抗除草剂的作物品种。 转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等 转基因抗除草剂植物 A.培育方法： B.实例： 一、基因工程在农牧业方面的应用 1.植物方面 利用转基因技术改良植物的营养价值、观赏价值等。 将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，提高氨基酸的含量，科学家培育的某种转基因玉米中赖氨酸的含量比对照高30%。 将与植物花青素代谢相关的基因导入矮牵牛中，使它呈现出自然界没有的颜色变异，大大提高观赏价值。 改良植物的品质 A.培育方法： B.实例： 一、基因工程在农牧业方面的应用 1.植物方面 ①几乎每年都有令人瞩目的研究成果报道，有些成果正在进入实用化和商业化开发的阶段； ②2015年11月，第一种用于食用的转基因动物——转基因大西洋鲑（俗称“三文鱼”）在美国获得批准上市。 转基因鲑鱼（后排）和正常鲑鱼（前排） 2.动物方面 一、基因工程在农牧业方面的应用 转基因鲤鱼的生长速率比非转基因鲤鱼提高了42%～115%。 提高动物的生长速率 A.培育方法： B.实例： 2.动物方面 一、基因工程在农牧业方面的应用 转入外源生长激素基因的“超级小鼠” 改善畜产品的品质 A.培育方法： B.实例： 乳糖耐受（有乳糖酶） 乳糖不耐受（无乳糖酶） 大肠 肠道内渗透压增高，刺激胃肠蠕动增加 乳汁中乳糖的含量大大降低的转基因牛 2.动物方面 一、基因工程在农牧业方面的应用 转基因抗虫植物 农牧业方面的应用 转基因抗病植物 转基因抗除草剂植物 改良植物的品质 提高动物的生长速率 改良畜产品的品质 抗逆性 一、基因工程在农牧业方面的应用 让转基因哺乳动物批量生产药物 用转基因动物作为器官移植的供体 对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物 医药卫生领域的应用 二、基因工程在医药卫生领域的应用 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 可以用来预防和治疗人类肿瘤、心血管疾病、传染病、糖尿病和类风湿关节炎等； （1）对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物 ①药物举例： 细胞因子、抗体、疫苗和激素等。 ②应用： ③实例： 二、基因工程在医药卫生领域的应用 1.生产药物 资料卡——干扰素 （1）对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物 二、基因工程在医药卫生领域的应用 1.生产药物 ①干扰素的化学本质是什么？ ②干扰素的作用机理是怎样的？ ③干扰素用于哪些疾病的治疗？ ④传统生产干扰素的方法是什么？ ⑤目前大量生产干扰素的方法是什么？ ⑥我国批准生产的第一个基因工程药物的名称叫什么？ 用于治疗哪些疾病？ 糖蛋白 干扰病毒复制 病毒感染性疾病、乳腺癌、淋巴癌、多发骨髓瘤和某些白血病等 从人血液中的白细胞内提取 用基因工程方法从大肠杆菌及酵母菌细胞内获得 重组人干扰素α-1b 主要用于治疗慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎等 目前已经在牛、山羊等动物的乳腺生物反应器中，获得了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α-抗胰蛋白酶等重要医药产品 （2）让转基因哺乳动物批量生产药物 ①实例： 乳腺生物反应器或乳房生物反应器 ②培育过程： 药用蛋白基因 乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件 基因表达载体 显微注射 受精卵 泌乳期分泌乳汁 转基因动物 药物 发育 ③应用： 注意：启动子具有物种和组织的特异性 二、基因工程在医药卫生领域的应用 1.生产药物 【思考3】如何实现让药用蛋白基因只在乳腺细胞中特异性表达？ 将药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起 【思考1】该转基因动物，药用蛋白基因在哪里表达？ 乳腺细胞 （2）让转基因哺乳动物批量生产药物 二、基因工程在医药卫生领域的应用 1.生产药物 几乎所有细胞 【思考2】药用蛋白基因存在于转基因动物的哪些细胞中？ 【思考4】研制膀胱生物反应器时，应如何处理目的基因使其在膀胱中特异性表达？ 将目的基因与膀胱上皮细胞中特异表达的基因的启动子重组 【思考5】转基因植物和转基因动物的制备用到的技术主要有哪些？ 基因工程 植物组织培养 基因工程 体外胚胎培养 胚胎移植 二、基因工程在医药卫生领域的应用 【思考6】在转基因植物和转基因动物的制备中，常用的受体细胞分别是什么？ 体细胞 受精卵 受精卵 二、基因工程在医药卫生领域的应用 ④乳腺生物反应器 A.动物泌乳期有间隔 B.有些蛋白不能在乳腺里表达 C.某些蛋白在乳腺中的修饰可能与天然状态不同 优点 缺点 A.适合于表达高等动物体内的复杂蛋白 B.制备乳腺反应器的方法成熟 C.乳腺是天然的高效合成蛋白质的器官 D.乳汁中重组蛋白的提取和纯化相对容易 （2）让转基因哺乳动物批量生产药物 ⑤膀胱生物反应器 A.可以从动物一出生就收集产物，不论动物的性别和是否处于生殖期。 B.从尿液中提取蛋白质比从乳汁中提取更简便、高效。 二、基因工程在医药卫生领域的应用 1.生产药物 寻求可替代的移植器官，如用猪的器官来解决人类器官移植的来源问题 用转基因动物作为器官移植的供体 ①人体器官移植的难题： 人体移植器官短缺是世界性难题 ②解决途径： a.猪的内脏构造、大小、血管分布与人极为相似 b.猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒远远少于灵长类动物 A.猪的优点： B.最大难题： 免疫排斥 二、基因工程在医药卫生领域的应用 2.器官移植 人体移植器官短缺 寻求可代替的移植器官 猪的内脏与人相似 培育无免疫排斥的转基因克隆猪器官 抑制抗原决定基因表达 或除去抗原决定基因 在器官供体基因组中导入某种体调节因子 改造方法： 二、基因工程在医药卫生领域的应用 用转基因动物作为器官移植的供体 2.器官移植 一种普遍使用的甜味剂，主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸可通过基因工程实现大规模生产。 利用基因工程菌，除了可以生产药物，还能生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等 1.基因工程菌： 用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类。 ①概念： ②应用： 2.实例： ①阿斯巴甜： ②凝乳酶： A.应用： 奶酪生产中用来凝聚固化奶中的蛋白质 将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶 B.制备方法： 三、基因工程在食品工业方面的应用 基因工程获得的工业用酶的纯度更高，生产成本显著降低，生产效率较高。 ③淀粉酶、脂酶： ①应用： ②制备方法： 加工转化糖浆需要淀粉酶，加工烘烤食物要用到脂酶 构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产 ③优点： 三、基因工程在食品工业方面的应用 四、其他应用：环保领域的应用 生产清洁能源 治理环境污染 生物乙醇 生物柴油 植物 淀粉/纤维素 提取 可发酵糖 糖化 微生物 乙醇 发酵 微生物 生物乙醇的生产流程 基因工程改造思路： A.改造植物 B.改造微生物 四、其他应用：环保领域的应用 1.生产清洁能源 3种淀粉酶基因 组成的复合基因 海底热泉古生菌 玉米 乙醇单位产量的利润提高了8%~15% 植物 淀粉/纤维素 提取 可发酵糖 糖化 微生物 乙醇 发酵 微生物 淀粉酶 生物乙醇的生产流程 四、其他应用：环保领域的应用 1.生产清洁能源 技术难点 白色垃圾 生物降解塑料 四、其他应用：环保领域的应用 2.治理环境污染 工程菌 金属硫蛋白基因 水稻镉污染 金属硫蛋白能结合Cd2+和Hg2+ 比较项目 乳腺（房）生物反应器 基因工程菌生产药物 基因结构 基因产物 受体细胞 导入方式 生产条件 产物提取 哺乳动物基因的结构与人类结构基本相同 细菌或酵母菌等生物的基因结构与人类基因结构有较大差异 与天然蛋白质完全相同 细菌细胞内缺少内质网、高尔基体等细胞器，合成的蛋白质可能不具有生物活性 哺乳动物的受精卵 微生物细胞 显微注射法 Ca2+处理法（感受态细胞法） 不需要严格的灭菌，温度等外界条件对其影响不大 需严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件 从动物乳汁中提取，相对简单 （一般经过工业发酵后）从微生物细胞（或发酵液）中提取，相对复杂 比较 到社会中去 目前我国批准发放了哪些转基因作物的生产应用安全证书和进口安全证书？ 截至2019年年底，我国批准发放过转基因耐储藏番茄、转基因抗虫棉、改变花色的转基因矮牵牛、转基因抗病辣椒、转基因抗病番木瓜、转基因抗虫水稻、转植酸酶基因玉米以及转基因耐除草剂大豆的生产应用安全证书；批准了转基因棉花、大豆、玉米、油菜、甜菜和番木瓜的进口安全证书，但我国进口的基本上是转基因棉花的纤维，其他进口转基因作物的用途仅限于用作加工原料；我国没有批准任何一种转基因粮食作物种子进口到我国境内商业化种植。 二、1. 除草剂的有效成分草甘膦能够专一地抑制EPSP合酶的活性，从而使植物体内多种代谢途径受到影响而导致植物死亡。草甘膦没有选择性，它在除掉杂草的同时也会使作物受损。解决这个问题的方法之一就是培育抗草甘膦的作物。 (1) ①用_______________________等处理含有目的基因的DNA片段和Ti质粒，构建重组Ti质粒；②将重组Ti质粒转入农杆菌中； ③利用含有重组Ti质粒的农杆菌侵染________细胞，再通过培育得到转基因植株；④用草甘膦同时喷洒转基因植和对照组植株。 结果：对照组植株死亡，转基因植株存活,但也受到了影响。 结论： 。 限制酶和DNA连接酶 矮牵牛 转基因矮牵牛对草甘膦产生了一定的抗性 练习与应用（P92） 一、C A 二、拓展应用 1. 除草剂的有效成分草甘膦能够专一地抑制EPSP合酶的活性，从而使植物体内多种代谢途径受到影响而导致植物死亡。草甘膦没有选择性，它在除掉杂草的同时也会使作物受损。解决这个问题的方法之一就是培育抗草甘膦的作物。 (2) 请思考并回答下列问题。 ①在该实验中，对照组是怎样设计的？ ②如果增加转入的外源EPSP合酶基因的数量，转基因矮牵牛对草甘膦的抗性是否会增加？请你给出进一步探究的思路。 对照组为非转基因矮牵牛。 将不同拷贝数的EPSP合酶基因分别转入矮牵牛细胞中，培育转基因植株，比较它们对草甘膦抗性的差异 练习与应用（P92） 理论上增加转入的外源EPSP合酶基因的数量，矮牵牛体内EPSP合酶的表达水平会升高，它对草甘膦的抗性会增强 $$