3.1.1 重组DNA技术的基本工具（情境教学课件）-【大单元教学】高二生物同步备课系列（人教版2019选择性必修3）

第3章 基因工程 第1节 重组DNA技术的基本工具 第1课时 重组DNA技术的 基本工具 高中生物学 | 人教版（2019）| 选择性必修3·生物技术与工程 基因工程 指按照人们的愿望，进行严格的设计并通过体外DNA重组和转基因等技术，赋予生物以新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，因此又叫作重组DNA技术。 基因工程的概念 重组DNA技术 基因 DNA分子水平 别 名： 操作对象： 操作水平： 实 质： 基因重组 3 科技探索之路：基因工程的诞生和发展 1. 为什么不同生物的DNA分子能拼接起来？ ①DNA的基本组成单位都是四种脱氧核苷酸。 ②双链DNA分子的空间结构都是规则的双螺旋结构。 2. 为什么一种生物的基因可以在另一种生物细胞内表达？ ①基因是控制生物性状的独立遗传单位。 ②遗传信息的传递都遵循中心法则。 ③生物界共用一套遗传密码。 思考 相同的遗传信息在不同生物体内表达出相同的蛋白质。 情境导入 4 基因工程 科学家在培育发光植物时，需要在体外对萤火虫、发光海藻等生物的相关基因“切割”、改造和“拼接”，将重组DNA分子导入植物体内，并使其表达。 DNA双螺旋的直径只有2nm，对如此微小的分子进行操作，是一项非常精细的工作，更需要专门的“分子工具”。 准确切割DNA分子 将DNA片段连接起来 将体外重组好的DNA分子导入受体细胞 课程标准内容要求 素养目标 1.概述基因工程是在遗传学、微生物学、生物化学和分子生物学等学科基础上发展而来的。 2．阐明DNA重组技术的实现需要利用限制性内切核酸酶、DNA连接酶和载体三种基本工具。 1.科学思维：通过基因工程的诞生和发展生物学史的学习，认同科学发展的阶段性和继承性。 2.科学思维：通过对基因工程三种基本工具特点，种类的学习，运用归纳与概括等方法，培养科学的思维习惯和能力。 教学目标 课程标准内容、素养目标 目录 CONTENTS 限制性内切核酸酶——“分子手术刀” 1 DNA连接酶——“分子缝合针” 2 基因进入受体细胞的载体——“分子运输车” 3 【探究·实践】DNA的粗提取与鉴定 4 目录页 7 一、限制性内切核酸酶——“分子手术刀” 限制性内切核酸酶 切割DNA分子的工具是限制性内切核酸酶，又称限制酶。 主要从原核生物中分离纯化出来的 来源： 数千种 种类： 能够识别双链DNA分子的特定核苷酸序列，并使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开。 特点： （限制酶不是一种酶，而是一类酶） 磷酸二酯键 识别序列大多数是六个核苷酸序列 8 EcoR I Sma I 5' 5' 3' 3' 5' 5' 3' 3' 一、限制性内切核酸酶——“分子手术刀” 限制性内切核酸酶 取自大肠杆(E.coli)，识别序列GAATTC， 在G与A之间切割 识别序列为CCCGGG， 在G与C之间切割 切口处是平整的，这样的切口叫平末端。 两条单链的切口处，伸出几个核苷酸，刚好能互补配对，这样的切口叫黏性末端。 ①主要起到切割外源DNA使之失效，从而达到保护自身的目的。 ②原核细胞内DNA分子不具备这种限制酶的识别序列，或者甲基化酶将甲基转移到了限制酶所识别序列的碱基上，使限制酶不能将其切开。 一、限制性内切核酸酶——“分子手术刀” 限制性内切核酸酶 根据你所掌握的知识你能推测限制酶存在于原核生物中的作用是什么？ 为什么限制酶不切割细菌本身的DNA分子？ 思考 EcoRⅠ 阅读72页资料卡“限制酶的命名”，说说EcoRⅠ各个字母的代表含义。 大肠杆菌 （Escherichia coli）属名（Escherichia）首字母 种名（coli）前两个字母 R型菌株 从中分离的第一个限制酶 一、限制性内切核酸酶——“分子手术刀” 拓展 限制酶的命名 例如： 流感嗜血杆菌(Haemophilus influenzae) d 株中先后分离 到3种限制酶，则分别命名为： Hind I Hind II Hind III 一、限制性内切核酸酶——“分子手术刀” 活动 任务一：理解限制性内切核酸酶的作用 假设剪刀代表HindⅢ限制酶和SmaI 限制酶（从5’→3’方向识别AAGCTT和CCCGGG序列，在A/A之间与C/G切割），尝试用“分子手术刀”对以下片段进行剪切，并思考问题。 片段一 ...TAGAATTCGCTGGAAAGCTTCGATCCGAC... ...ATCTTAAGCGACCTTTCGAAGCTAGGCTG... 片段二 ...CTAAGCTTCACTTCAAGTCGCAAGCTTCT... ...GATTCGAAGTGAAGTTCAGCGTTCGAAGA... 一、限制性内切核酸酶——“分子手术刀” 活动 任务一：理解限制性内切核酸酶的作用 问题1：观察剪开的DNA分子，限制酶切割一次可断开几个磷酸二酯键？ 产生多少个游离的磷酸基团？产生几个黏性末端？消耗几分子水？ 可断开2个磷酸二酯键； 产生2个游离的磷酸基团； 产生2个黏性末端； 消耗2分子水。 问题2：将剪开的片段一分子旋转180°，观察产生的2个黏性末端碱基序列有什么特点？ 中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的，称为回文序列。正向读与另一条链反向读的碱基顺序完全一致。 注：平末端也存在回文序列。 一、限制性内切核酸酶——“分子手术刀” 活动 任务一：理解限制性内切核酸酶的作用 问题3：现有2个不同来源的DNA片段A和B，若A片段用限制酶SpeⅠ进行切割，B片段分别用限制酶HindⅢ、XbaⅠ、EcoRⅤ和XhoⅠ进行切割。各限制酶的识别序列和切割位点如下： 一、限制性内切核酸酶——“分子手术刀” （1）请写出限制酶SpeⅠ、HindⅢ、XbaⅠ和XhoⅠ切割形成的黏性末端。 （2）同种限制酶切割产生的黏性末端是否相同？不同限制酶切割产生的黏性末端是否一定不同？ 同种限制酶产生的黏性末端相同。 不同的限制酶可能会形成相同的黏性末端。 同尾酶：识别DNA分子中不同核苷酸序列，但能切割产生相同黏性末端的限制酶被称为同尾酶。同尾酶构建载体时，切割位点的选择范围扩大。 一、限制性内切核酸酶——“分子手术刀” （3）哪种限制酶切割B片段产生的DNA片段能与限制酶SpeⅠ切割A片段产生的DNA片段相连接？为什么？ 限制酶XbaⅠ； （4）上述片段连接完成后，该重组DNA分子的新连接处能否再被所用的限制酶识别？为什么？ 不能再被所用的限制酶识别； 因为限制酶XbaⅠ与SpeⅠ切割产生了相同的黏性末端。 因为所用的两种限制酶均不能识别该重组DNA分子的新连接处的脱氧核苷酸序列。 一、限制性内切核酸酶——“分子手术刀” 活动 任务一：理解限制性内切核酸酶的作用 问题4：图中片段甲、乙分别用限制酶(EcoRⅠ)切割后得到的片段能否拼接，应该怎么处理？（注：EcoRⅠ的识别序列为GAATTC，且在G/A之间切割DNA分子） T G A A T T C G A C T T A A G C A G A A T T C T T C T T A A G A 完全互补的黏性末端能通过氢键暂时连接在一起，但并不稳定。 缺口怎么办？ 思考 限制性内切核酸酶——“分子手术刀” 1 DNA连接酶——“分子缝合针” 2 目录 CONTENTS 基因进入受体细胞的载体——“分子运输车” 3 【探究·实践】DNA的粗提取与鉴定 4 目录页 18 二、DNA连接酶——”分子缝合针“ DNA连接酶 作用 将双链DNA片段“缝合”起来，恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。 类型 类型 E.coli DNA连接酶 T4 DNA连接酶 来源 作用 区别 大肠杆菌 都能将双链DNA片段“缝合“起来，恢复被限制酶切开的磷酸二酯键。 T4噬菌体 只能连接互补黏性末端的DNA片段 黏性末端和平末端均能连接，但连接平末端的效率相对较低 二、DNA连接酶——”分子缝合针“ 活动 任务二：区别DNA连接酶和DNA聚合酶 问题：DNA连接酶与DNA聚合酶是一回事吗？为什么？ 5′ 3′ T A C G T A C T G A A T 5′ 3′ 切口 DNA聚合酶 DNA连接酶 二、DNA连接酶——”分子缝合针“ 活动 任务二：区别DNA连接酶和DNA聚合酶 DNA连接酶的作用 注意： ①DNA连接酶可连接双链DNA中的两条单链缺口，但不能连接单链DNA。 ②DNA连接酶作用没有特异性。 二、DNA连接酶——”分子缝合针“ 活动 任务二：区别DNA连接酶和DNA聚合酶 DNA聚合酶的作用 DNA聚合酶 DNA聚合酶只能将单个核苷酸连接到已有的核苷酸链上，形成磷酸二酯键。 二、DNA连接酶——”分子缝合针“ 归纳 比较一：比较DNA连接酶和DNA聚合酶 类型 E.coli DNA连接酶 T4 DNA连接酶 不同点 作用 催化________________与已有脱氧核苷酸链片段连接，形成____________。 催化两个____________之间形成_____________。 作用结果 催化形成与模板链互补的DNA链，形成新的双链DNA分子 催化具有______黏性末端或平末端的__________连接起来，形成_____________。 模板 _________ _________ 相同点 ①化学本质都是______________； ②都是催化形成 _____________。 单个脱氧核苷酸 两个DNA片段 磷酸二酯键 磷酸二酯键 互补 DNA片段 重组DNA分子 蛋白质 磷酸二酯键 需要 不需要 二、DNA连接酶——”分子缝合针“ 归纳 比较二：比较核酸有关的几种酶 项目 DNA连接酶 限制酶 DNA聚合酶 解旋酶 DNA酶 作用部位 磷酸二酯键 磷酸二酯键 磷酸二酯键 氢键 磷酸二酯键 作用对象 DNA片段 DNA 单个脱氧 核苷酸 DNA DNA 作用结果 将两个DNA片段连接成完整的DNA分子 切割双链 DNA分子 将单个脱氧核苷酸连接到DNA单链末端 将双链DNA分子局部解旋为单链 将DNA片段水解为单个脱氧核苷酸 目录 CONTENTS 限制性内切核酸酶——“分子手术刀” 1 DNA连接酶——“分子缝合针” 2 基因进入受体细胞的载体——“分子运输车” 3 【探究·实践】DNA的粗提取与鉴定 4 目录页 25 三、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车” 要让荧光基因在植物体内表达，需将这个基因送到植物细胞内去，能将外源基因送入受体细胞的工具是什么？ 噬菌体 三、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车” 基因进入受体细胞的载体 作用： 将外源基因送入受体细胞。 种类 动植物病毒 噬菌体 质粒（最常用） 质粒：裸露、结构简单、独立于真核细胞细胞核或原核细胞拟核DNA外，具有自我复制能力的环状双链DNA。 动物病毒 三、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车” 基因进入受体细胞的载体 最常用的载体——质粒 DNA复制的起始位点，并带着插入的目的基因一起复制。 复制起始位点 四环素抗性基因 氨苄青霉素抗性基因 作为标记基因，可用含青霉素的培养基鉴别。 不能被酶切破坏便于重组DNA筛选与鉴定。 限制酶切割位点 注意：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。 三、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车” 活动 分析归纳载体需要具备的条件 问题1：载体要与外源基因连接，需要具备什么条件？ 条件①：具有一个或多个限制酶切割位点。 条件②：能在受体细胞中进行自我复制，或整合到受体DNA上，随受体DNA同步复制。 条件③：具有标记基因，便于重组DNA分子的筛选。 条件④：载体DNA必须是安全的，不会对受体细胞有害。 问题2：要使携带的外源基因在受体细胞中稳定存在，载体需要具备什么条件？ 问题3：我们用肉眼看不到载体是否进入受体细胞，为了便于筛选重组DNA分子，载体需要具备什么条件？ 条件 原因 ①稳定存在并能自我复制或整合到受体DNA上 ②有一个至多个限制酶切割位点 ③具有特殊的标记基因 ④无毒害作用 三、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车” 活动 分析归纳载体需要具备的条件 能使目的基因稳定存在且数量可扩增 可携带多个或多种外源基因 便于重组DNA分子的筛选 对受体细胞无毒害作用，避免受体细胞受到损伤 三、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车” 活动 重组DNA分子的模拟操作 请根据图3-3中的相关信息找到两条片段上EcoRI 的识别序列和切割位点。然后，用剪刀进行“切割”。待切割位点全部切开后，将从下面那条DNA链上切下的片段重组到上面那条DNA链的切口处，并用透明胶条将切口粘连起来。 …TATCGTACGATAGGTACTTAA …ATAGCATGCTATCCATG AATTCGGCATAC… GCCGTATG… …TCCTAG …AGGATCTTAA GAGCCATACTTAA AATTCTCGGTATG AATTCCATAC… GGTATG… GAGCCATACTTAA AATTCTCGGTATG 1.根据示，应选限制酶___________________切割来构建重组质粒。 2.用图中外源DNA和质粒构建重组质粒，不能使用SmaⅠ切割，是 _______________________________________________。 3.使用BamHⅠ和HindⅢ两种限制酶切割，而不用EcoRⅠ一种限制酶切割，是为了防止 ________________ 。 三、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车” 应用 Hind III 和 BamH I SmaⅠ会破坏抗性基因和外源DNA中的目的基因 目的基因、质粒自身环化及反向连接 重组DNA分子的构建 拓展：标记基因的筛选原理 载体上的标记基因一般是某种抗生素的抗性基因，而受体细胞没有抵抗该抗生素的能力。将含有某抗生素抗性基因的载体导入受体细胞，抗性基因在受体细胞内表达，受体细胞对该抗生素产生抗性。在含有该抗生素的培养基上，能够生存的是被导入了载体的受体细胞。 课堂小结 限制酶 DNA连接酶 载体 ①能自我复制或能整合到宿主DNA上 ②有一个至多个限制酶切割位点 ③有特殊的标记基因 ④对受体细胞无害 质粒、 噬菌体 、动植物病毒 基因工程的基本工具 作为载体的条件 种 类: 磷酸二酯键 来 源： 主要来源于原核生物 特 点： 作用部位： 具有专一性 结 果： 形成黏性末端或平末端 连接部位：磷酸二酯键 种 类：E.coli DNA连接酶、T4 DNA连接酶 作 用：把两条双链DNA片段拼接起来 （识别双链DNA分子的特定核苷酸序列） 1.下列关于限制酶的叙述，正确的是（　　） A.限制酶广泛存在于各种生物中，其化学本质是蛋白质 B.一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列 C.不同的限制酶切割DNA后都会形成黏性末端 D.限制酶均特异性地识别含6个核苷酸的序列 2.下列关于DNA连接酶的叙述，正确的是（　　） A.DNA连接酶需要模板，连接的是两条链碱基对之间的氢键 B.DNA连接酶连接的是黏性（平）末端两条主链上的磷酸和脱氧核糖 C.T4DNA连接酶只能连接黏性末端两条链主链上的磷酸和核糖 D.E.coli DNA连接酶既能连接平末端，又能连接黏性末端 随堂检测 B B 随堂检测 3.质粒是基因工程中最常用的目的基因运载工具。 下列有关叙述正确的是（ ） A. 质粒是只存在于细菌细胞质中能自我复制的小型环状双链DNA分子 B. 在所有的质粒上总能找到一个至多个限制酶切割位点 C. 携带目的基因的重组质粒只有整合到受体细胞的染色体DNA上才会随后者的复制而复制 D. 质粒上的抗性基因常作为标记基因供重组DNA分子的筛选 D 随堂检测 4.某实验小组利用下图所示质粒和目的基因来构建基因表达载体,将目的基因导入大肠杆菌细胞并表达。下列叙述正确的是( ) A. 图中的质粒用酶A切割后，会产生8个游离的磷酸基团 B. 在构建重组质粒时，可用酶A和酶C切割质粒和目的基因 C. 成功导入目的基因的大肠杆菌可在含四环素的培养基中生长 D. 若用酶B和酶C切割，可以避免质粒的自身环化 D 感谢聆听！ 高中生物学 | 人教版（2019）| 选择性必修3·生物技术与工程 38 Lavf58.20.100 $$科幻电影阿凡达里的发光植物居然成真了。中国科学家让绿植自带灯光，萤火虫靠荧光素酶点亮屁股求偶，深海安康鱼用钓鱼灯诱捕猎物，就连蘑菇界也有夜光小能手荧光蕈，他们用冷光吸引昆虫，传播孢子。这些发光现象属于生物发光，是一种生物体通过化学反应产生光的现象。一些海洋生物、真菌、微生物等都具有生物发光能力。如果植物也能熠熠生辉，将是如何一番景象？科学家出手了。2025年2月，上海市农业科学院生物技术研究所农业合成生物学研究中心用合成生物学技术在植物中重够了来自真菌的自发光系统，成功创制出新一代高强度的自发光植物。亮度飙升，肉眼可见。你以为发光植物只是好看，但科学家显然更有想象力。最基础的就是照明，家庭的小夜灯就不说了，现在就已经快要实现了。想象力可以再大胆点，只要亮度够高，发光蜘蛛够大，不多。你甚至可以看到城市公园里从地里长出的发光树、路灯，遛弯遛出科幻感。进一步来说，如果大量的城市夜间照明能被发光植物替代，那将大大降低对城市照明的用电量。种树就能实现节能减排，性价比直接拉满。但让植物发光的意义远不止于此。据我国发光植物研究团队的负责人，上海市农业科学院生物所研究员姚全红介绍，国外会发光的矮牵牛花一株的售价近30美元，相当受欢迎。而在国内，摇钱红团队也在同步研究，让更多绿植花卉实现发光，比如绿萝、多肉、月季等，也希望未来能通过发光植物帮助农民增收。目前，国内发光植物生物合成技术正在向更精细化的方向发展，未来科学家想要实现的并不是让发光植物一是亮全都亮，而是指哪儿亮哪。比如在全黑环境下定时发光，或是开花后花瓣发光，也可以只让果实发光，在发光亮度、时间、位置上全面升级。更特别的是在特定条件下才会触发发光，比如植物受伤后伤口会发光。如果这项技术被突破，将能有效帮助农业生产上的虫害管理更早发现、更早介入，减少损失。试想一下，夜晚路边的行道树自带柔光高颜值夜灯多肉点亮床头柜发光植物还能怎么玩？相信这些网友的想象力不会让人失望。科技不是征服自然，而是读懂它的语言，去写新的共生传说。追光者终成光。