内容正文:
1944年艾弗里等人通过肺炎链球菌的转化实验,不仅证明了遗传物质是DNA,还证明了DNA可以在同种生物个体间转移。
1961年尼伦伯格和马太破译了第一个编码氨基酸的密码子。截至1966年,64个密码子均被破译成功。
1970年科学家在细菌中发现了第一个限制性核酸内切酶(简称限制酶)
1972年,伯格首先在体外进行了DNA的改造,成功构建了第一个体外重组DNA分子。
1982年,第一个基因工程药物-重组人胰岛素被批准上市。基因工程药物成为世界各国研究和投资开发的热点。
1953年沃森和克里克建立了DNA双螺旋结构模型并提出了遗传物质自我复制的假说。
1967年,科学家发现,在细菌拟核DNA之外的质粒有自我复制能力,并可以在细菌细胞间转移。
20世纪70年代初,多种限制酶、DNA连接酶和逆转录酶被相继发现。这些发现为DNA的切割、连接以及功能基因的获得创造了条件。
1973年,科学家证明了质粒可以作为基因工程的载体,并实现了物种间的基因交流。至此,基因工程正式问世。
1985年,穆里斯等人发明PCR,为获取目的基因提供了有效手段。
科技探索之路
基因工程的发展历程
第3章 基因工程
第1节 重组DNA技术的基本工具
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苏云金杆菌
毒蛋白基因
毒蛋白
杀死害虫
棉花细胞
抗虫棉的培育
什么是目的基因?
什么是受体细胞?
什么是目的基因的表达产物?
情境导入
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图解“基因工程实质”
转移
A生物
B生物
萤火虫
普通动植物
发光基因
情境导入
磷酸酯键
温故知新
思考:
1.基因的定义是什么?
2.基因的结构是什么?
3.基因的表达指什么?
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二号碳上少一个氧原子
5
温故知新
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指按照人们的愿望,通过转基因等技术,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。
基因工程的概述
1.基因工程的概念:
对象:
原理:
优点:
基本过程:
基因
克服远缘杂交不亲和障碍、定向改造生物性状
基因重组
剪切→拼接→导入→表达
不同生物的基因为什么能拼接?为什么一种生物的基因可以在另一种生物细胞内表达?
基因工程的概述
2. 理论基础
拼接的基础
1.DNA的基本组成单位相同(都是四种脱氧核苷酸)
2.都遵循碱基互补配对原则
3.DNA分子的空间结构都是规则的双螺旋结构
表达的基础
1.基因是控制生物性状的结构与功能单位
2.遗传信息传递都遵循中心法则
3.生物界几乎共用一套遗传密码
基因在空间上转移并成功表达
“分子手术刀”
“分子缝合针”
“分子运输车”
重组DNA技术的基本工具
剪
接
运
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
限制性内切核酸酶
DNA连接酶
运载体
主要是原核生物
1.来源:
2.种类:
数千种
限制酶不是一种酶,而是一类酶
3.特点:
(1)识别双链DNA分子特定核苷酸序列
(2)断开磷酸二酯键
4.识别序列长度
一般为4~8个或其他数量的核苷酸,最常见的为6个核苷酸。
专一性
T
G
C
C
G
T
A
A
5'
3'
5'
3'
一、限制性内切核酸酶——“分子手术刀”
简称:限制酶
思考讨论:仔细观察以下四种限制酶识别的特定序列有何特点?
EcoRⅠ
……G-A-A-T-T-C……
……C-T-T-A-A-G……
HindⅢ
……A-A-G-C-T-T……
……T-T-C-G-A-A……
BamHⅠ
……G-G-A-T-C-C……
……C-C-T-A-G-G……
TaqⅠ
………T-C-G-A………
………A-G-C-T………
限制酶所识别的序列的特点是:呈现碱基互补对称,无论是6个碱基还是4个碱基,双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的 ,称为回文序列。
无论是6个碱基还是4个碱基,都可以找到一条中心轴线,
(1)一般为4~8个或其他数量的核苷酸,最常见的为6个核苷酸。
(2)限制酶通常在DNA双链上的识别序列互为回文序列
例如:EcoRI限制酶的切割:
只能识别GAATTC序列,并在G和A之间切开。
一、限制性内切核酸酶——“分子手术刀”
4.识别序列长度
实战训练
1.下面哪项不具有限制酶识别序列的特征( )
A.GAATTC B.GGGGCCCC
CTTAAG CCCCGGGG
C.CTGCAG D.CTAAATC
GACGTC GATTTAG
形成黏性末端或平末端
(1)产生黏性末端
EcoR I
识别序列为 GAATTC
切割部位为 GA之间
当限制酶在它识别序列的中轴线两侧将DNA分子的两条链分别切开时,产生的是黏性末端。
G
C
A
A
T
T
T
A
T
A
C
G
5'
3'
3'
5'
G
C
T
T
A
A
A
A
T
T
C
G
黏性末端
错位切
一、限制性内切核酸酶——“分子手术刀”
5.结果:
氢键自发断开
14
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Sma I
识别序列为 CCCGGG
切割部位为 CG之间
平末端
当限制酶在它识别序列的中轴线处将DNA分子的两条链分别切开时,产生的是平末端。
C
G
C
C
G
G
G
C
G
C
G
C
5'
3'
3'
5'
C
G
C
C
G
G
G
C
G
C
G
C
平切
一、限制性内切核酸酶——“分子手术刀”
形成黏性末端或平末端
(2)产生平末端
5.结果:
限制酶的命名
EcoR Ⅰ
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
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”
同尾酶
限制酶的识别序列通常为6个核苷酸,也有的为4个核苷酸或8个核苷酸
——写出下列限制酶切割形成的末端序列
5’-A
3’-TTCGA
or
AGCTT-3’
A-5’
Hind Ⅲ 。
【思考】同种限制酶切割产生的黏性末端是否相同?相同
不同限制酶切割产生的黏性末端是否一定不同 可能会相同
18
g1
g2
g3
1.现有一段DNA,含有g1、g2、g3,若要将g2提取出来,如何操作?
需要有几个酶切位点?
2
产生几个末端?共产生几个磷酸基团?
4
4
使用EcoRⅠ酶剪切
识别序列GAATTC
g1
g2
g3
CT TCATG AATTCCCTAA
GAAGTACTTAA GGGAT T
GGCATCTTAA
AATTCCGTAG
5‘
5‘
3‘
3‘
拓展延伸
1. 根据所掌握的知识推测限制酶在原核生物中的主要作用是什么?
原核生物容易受到自然界外源DNA的入侵,所以它在长期的进化过程中形成了套完善的防御机制。限制酶就是它的一种防御性工具。当外源DNA入侵时,它会利用限制酶来切割外源DNA,使之失效,以保证自身的安全。
2.为什么限制酶不切割细菌本身的DNA分子?
一、限制性内切核酸酶——“分子手术刀”
含某种限制酶的细菌的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。
3.选择哪种限制酶来获得抗病基因(目的基因),有什么技巧、要求吗?
原核生物容易受到自然界外源DNA的入侵
能切下目的基因且不破坏目的基因
2.下图中,选择哪种限制酶来获得抗病基因(目的基因)?
选择限制酶切割目的基因的基本原则是:
____________________________________________________。
拓展训练
用同种限制酶切割(EcoRⅠ)
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
拓展延伸
思考:把两种来源不同的DNA进行重组,应该怎样处理?
缺口怎么办
③用相同的限制酶切割目的基因和运载体(产生相同末端,便于连接);
④双酶切:确保目的基因与运载体定向连接(减少重组杂物)。
★重组质粒的形成:用相同的限制酶处理目的基因和运载体,获得相同的末端,然后用DNA连接酶对其进行连接。
种类
来源 大肠杆菌 T4噬菌体
作用
差别 缝合___________和____________
E.coli DNA连接酶
T4 DNA连接酶
E coli 连接平末端效率远低于T4
黏性末端
平末端
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
二、DNA连接酶 ——“分子缝合针”
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。
1.作用:
2.种类:
A
G
T
C
A
T
T
C
G
A
T
A
(1)可把黏性末端之间的缝隙“缝合”起来;
E.coli DNA连接酶
(2)两DNA片段要具有互补的黏性末端才能拼起来。
注意:DNA连接酶可连接双链DNA中的DNA单链缺口,但不能将单个脱氧核苷酸连接到DNA链上!
二、DNA连接酶 ——“分子缝合针”
T4 DNA连接酶
既可把黏性末端“缝合”起来,又可把平末端“缝合”起来,但连接平末端效率较低。
C
C
C
G
G
G
G
G
G
C
C
C
二、DNA连接酶 ——“分子缝合针”
同尾酶
练习
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练习1、已知限制酶Ⅰ的识别序列和切点是—GGATCC—,限制酶Ⅱ的识别序列和切点是—↓GATC—。
(1)则能被限制酶I切割的DNA,______(能/不能)被限制酶II切割;
(2)能被限制酶II切割的DNA,____________(能/不能/不一定能)被限制酶I切割。
(3)DNA1被限制酶I切割,DNA2被限制酶II切割,加入DNA连接酶可得到DNA1和DNA2的重组DNA片段,该重组DNA片段__________(能/不能/不一定能)被限制酶I切割, _______(能/不能/不一定能)被限制酶II切割。
能
不一定能
能
不一定能
练习
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练习1、已知限制酶Ⅰ的识别序列和切点是—GGATCC—,限制酶Ⅱ的识别序列和切点是—↓GATC—。
(3)DNA1被限制酶I切割,DNA1被限制酶II切割,加入DNA连接酶可得到DNA1和DNA2的重组DNA片段,该重组DNA片段__________(能/不能/不一定能)被限制酶I切割, _______(能/不能/不一定能)被限制酶II切割。
能
不一定能
—GGATCX—
—CCTAGX—
—XGATCX—
—XCTAGX—
—G
—CCTAG
GATCX—
X—
—GGATCC—
—CCTAGG—
练习
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DNA连接酶和DNA聚合酶是一回事吗?为什么?
二、DNA连接酶 ——“分子缝合针”
29
DNA连接酶 DNA聚合酶
相同 作用实质
化学本质
不
同
点 模板
作用对象
作用结果
用途
都能催化形成磷酸二酯键
都是蛋白质
不需要
需要DNA的一条链作模板
形成完整的重组DNA分子
形成DNA的一条链
基因工程
DNA复制
在两个DNA片段间形成磷酸二酯键
将单个核苷酸连接到已有DNA片段,形成磷酸二酯键
二、DNA连接酶 ——“分子缝合针”
DNA连接酶和DNA聚合酶的比较
名称 作用部位 作用结果
限制酶
DNA连接酶
DNA聚合酶
DNA(水解)酶
解旋酶
RNA聚合酶
磷酸二酯键
碱基对之间的氢键
将DNA切成两个片段
磷酸二酯键
将两个DNA片段连接为一个DNA分子
磷酸二酯键
将单个脱氧核苷酸依次连接到单链末端
磷酸二酯键
将DNA片段水解为单个脱氧核苷酸
将双链DNA分子局部解旋为单链
二、DNA连接酶 ——“分子缝合针”
磷酸二酯键
将单个核糖核苷酸依次连接到RNA单链末端
实战训练
2.根据所学知识,完成以下填空:
①限制酶 ②解旋酶 ③DNA连接酶 ④DNA聚合酶 ⑤RNA聚合酶
b
a
A.切断a处的酶为_______
B.连接a处的酶为_______
C.切断b处的酶为_______
①
③④
②
a:磷酸二酯键;b:氢键
三、基因进入受体细胞的载体 ——“分子运输车”
质粒(最常用)
将外源基因送入受体细胞
1.作用:
动植物病毒
λ噬菌体的衍生物
2.种类:
质粒——裸露的、结构简单的、独立于细菌拟核DNA之外,并具有自我复制能力的很小的双链环状DNA分子。
一段特殊的DNA序列,DNA聚合酶的识别和结合位点
细胞膜选择透过性 重组DNA大分子,不容易进入 有些生物的DNA很容易跑到细胞里面去
33
三、基因进入受体细胞的载体 ——“分子运输车”
3.运载体需具备的条件
能进入受体细胞并在受体细胞内复制并表达;
供外源DNA片段(目的基因)插入其中
便于鉴定和筛选
有标记基因的存在,可用含青霉素的培养基鉴别。
有切割位点
能复制并带着插入的目的基因一起复制
(1)能够在宿主细胞中复制并稳定地保存
(2)有一个至多个限制酶切点
(3)有某些标记基因
(4)对受体细胞无害、易分离
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。
细胞膜选择透过性 重组DNA大分子,不容易进入 有些生物的DNA很容易跑到细胞里面去
实际上自然存在的质粒DNA分子并不完全具备上述条件,都要进行人工改造后才能用于基因工程操作。
34
补:标记基因对重组DNA的鉴定和选择原理
标记基因通常有:
①抗生素的抗性基因,如: 抗氨苄青霉素基因(ampr)、抗四环素基因(tetr)
②荧光蛋白基因,如: 绿色荧光蛋白基因(GFP)、红色荧光蛋白基因(RFP)
重组DNA导入受体细胞不是100%,而且导入率较低
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,导入了载体并成功表达了的受体细胞才能够生存。如图所示:
35
三、基因进入受体细胞的载体 ——“分子运输车”
质粒
的特点
质粒是基因工程中最常用的运载体
最常用的质粒是大肠杆菌的质粒
细胞染色体外能自主复制的小型环状DNA分子
存在于许多细菌及酵母菌等生物中
质粒的存在对宿主细胞无影响
质粒的复制只能在宿主细胞内完成
4.质粒的特点:
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
…TATCGTACGATAGGTACTTAA
…ATAGCATGCTATCCATG
AATTCGGCATAC…
GCCGTATG…
…TCCTAG
…AGGATCTTAA
GAGCCATACTTAA
AATTCTCGGTATG
AATTCCATAC…
GGTATG…
GAGCCATACTTAA
AATTCTCGGTATG
5′
3′
5′
3′
5′
3′
5′
3′
重组DNA分子
思考.讨论
1.剪刀和透明胶条分别代表哪种“分子工具”?
剪刀代表限制酶;透明胶条代表DNA连接酶。
重组DNA分子
思考.讨论
2.你制作的黏性末端的碱基能不能互补配对?若不能,原因是?
可能是剪切位点或连接位点的选择不对(也可能是其他原因)。比如在书写将要重组的两个DNA分子时,一般要求有同一种限制酶的识别和切割位点,这样切割后才会露出相同的黏性末端,否则黏性末端不同,碱基就无法配对。
3.你插入的DNA片段能称得上一个基因吗?
不能。
真正的基因是有遗传效应的DNA片段,且含有几百至几千个不等的碱基对。
图甲 图乙
根据目的基因两端的限制酶切割位点确定限制酶的种类
补充1——限制酶的选择技巧
①应选择切割位点位于目的基因两端的限制酶,如图甲可选择PstⅠ;
②不能选择切割位点位于目的基因内部的限制酶,如图甲不能选择SmaⅠ;
③为避免目的基因和质粒的自身环化和随意连接,也可使用不同的限制酶切割目的基因和质粒,如图甲也可选择用PstⅠ和EcoRⅠ两种限制酶(但要确保质粒上也有这两种酶的切割位点)
图甲 图乙
根据质粒的特点确定限制酶的种类
补充1——限制酶的选择技巧
①所选限制酶要与切割目的基因的限制酶一致,以确保产生相同的黏性末端;
②质粒作为载体必须具备标记基因等,所以所选择的限制酶尽量不要破坏这些结构,如图乙中限制酶SmaⅠ会破坏标记基因;
③如果所选酶的切割位点不止一个,则切割重组后可能丢失某些片段,若丢失的片段含复制起点区,则切割重组后的片段进入受体细胞后不能自主复制;
练习4、图甲是含有目的基因的外源DNA片段,图乙是用于将目的基因导入受体细胞的质粒(阴影部分表示抗生素抗性基因),相关限制酶的作用部位如图所示,现欲培养转基因抗病植株,回答下列问题。
(1)在基因工程的操作中,不宜选用SmaI,原因是SmaI会破坏__________和________________。
(2)在基因工程的操作中,不宜选用EcoRI,原因是用EcoRI切割外源DNA片段后,
__________________________________________________________。
目的基因
质粒上的抗生素抗性基因
目的基因只有一侧含有黏性末端,不能插入到质粒中
补充1——限制酶的选择技巧
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练习4、图甲是含有目的基因的外源DNA片段,图乙是用于将目的基因导入受体细胞的质粒(阴影部分表示抗生素抗性基因),相关限制酶的作用部位如图所示,现欲培养转基因抗病植株,回答下列问题。
(3)由于反应体系中含有大量的外源DNA片段和质粒,加入PstI一种限制酶后,会得到大量的目的基因片段和质粒片段,再加入DNA连接酶后,除了会形成目的基因与质粒连接的环状产物外,还会形成________________________连接的环状产物以及_______________________连接的环状产物。此外,目的基因与质粒的连接既可以是正向连接,也可以是______________,后者可能会导致目的基因无法正常表达。
补充1——限制酶的选择技巧
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✂
✂
…TATCGTACGATAGGTACTTAA
…ATAGCATGCTATCCATG
AATTCGGCATAC…
GCCGTATG…
✂
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✂
…TATCGTACGATAGGTACTTAA
…ATAGCATGCTATCCATG
GAGC CATACTTAA
AATTCTCG GTATG
目的基因
AATTCGGCATAC…
GCCGTATG…
补充2——单酶切vs双酶切
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…TATCGTACGATAGGTACTTAA
…ATAGCATGCTATCCATG
GAGC CATACTTAA
AATTCTCG GTATG
目的基因
AATTCGGCATAC…
GCCGTATG…
GAGC CATACTTAA
AATTCTCG GTATG
目的基因
单酶切:同一种限制酶切割目的基因和质粒
在反应体系中会加入大量的含目的基因的DNA片段和大量的质粒,加入同一种限制酶和DNA连接酶后,会出现质粒自身首尾成环、两个质粒成环、目的基因片段首尾成环、两个目的基因片段成环、目的基因正向插入质粒、目的基因反向插入质粒等多种情况。
补充2——单酶切vs双酶切
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BamH Ⅰ
GGATCCAAGCTTGGG
CCTAGGTTCGAACCC
CCCAAGCTT
GGGTTCGAA
Hind Ⅲ
Hind Ⅲ
BamH Ⅰ
Bt基因
Hind Ⅲ
Xba Ⅰ
Sma Ⅰ
多
克
隆
位
点
动
子
启
终
子
止
标
R
记
基
因
Kan
复制
原点
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Bt基因
Bt基因
AGCTT
A
GGATCCA
CCTAGGTTCGA
Bt基因
Bt基因
Bt基因
DNA连接酶
同一种限制酶切(单酶切)
Bt
Bt
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Bt基因
Bt基因
同两种限制酶切(双酶切)
质粒与质粒连接后的运载体过大,导致转化难以发生,故不予考虑
避免自身环化,增大目的基因和运载体连接的概率,
少
能避免反向连接
AGCTT
A
G
CCTAG
Bt基因
5′
5′
Bt
基因
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两个质粒形成更大的环 单酶切双酶切应用都非常广泛
47
练习4、图甲是含有目的基因的外源DNA片段,图乙是用于将目的基因导入受体细胞的质粒(阴影部分表示抗生素抗性基因),相关限制酶的作用部位如图所示,现欲培养转基因抗病植株,回答下列问题。
(3)由于反应体系中含有大量的外源DNA片段和质粒,加入PstI一种限制酶后,会得到大量的目的基因片段和质粒片段,再加入DNA连接酶后,除了会形成目的基因与质粒连接的环状产物外,还会形成________________________连接的环状产物以及_______________________连接的环状产物。此外,目的基因与质粒的连接既可以是正向连接,也可以是______________,后者可能会导致目的基因无法正常表达。
目的基因与目的基因
质粒片段与质粒片段
反向连接
补充2——单酶切vs双酶切
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练习4、图甲是含有目的基因的外源DNA片段,图乙是用于将目的基因导入受体细胞的质粒(阴影部分表示抗生素抗性基因),相关限制酶的作用部位如图所示,现欲培养转基因抗病植株,回答下列问题。
(4)为避免目的基因和质粒的自身环化以及目的基因的反向连接,可使用不同的限制酶切割目的基因和质粒,例如可选择用__________和__________这两种限制酶。
PstⅠ
EcoRⅠ
补充2——单酶切vs双酶切
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课堂小结
限制酶
DNA连接酶
载体
①对受体细胞无害;
②有一个至多个限制酶切割位点;
③有特殊的标记基因;
④能自我复制或能整合到宿主DNA上。
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.coliDNA连接酶、T4 DNA连接酶
作用: 把两条双链DNA片段拼接起来
实战训练
判断下列是否正确
(1)限制酶只能用于切割目的基因( )
(2)切割质粒的限制性核酸内切酶均能特异性地识别6个核苷酸序列( )
(3)DNA连接酶能将两碱基间通过氢键连接起来( )
(4)E·coli DNA连接酶既可连接平末端,又可连接黏性末端( )
(5)限制酶也可以识别和切割RNA( )
(6)限制性核酸内切酶、DNA连接酶和质粒是基因工程中常用的三种工具酶( )
×
×
×
×
×
×
练习与应用
一、概念检测
1.C 2.A
二、拓展应用
1. 想一想,为什么限制酶不切割细菌本身的DNA分子?
是因为含有某种限制酶的细胞的DNA分子或者不具备这种限制酶的识别序列,或者通过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。这样,尽管细菌中含有某种限制酶,也不会使自身的DNA被切断,并且可以防止外源DNA入侵。
S z L w h
S z L w h
名师精品铸造
新教材 新高考
练习与应用
二、拓展应用
A片段
B片段
(1)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?
XbaⅠ。
因为XbaⅠ与SpeⅠ切割产生了相同的黏性末端。
S z L w h
S z L w h
名师精品铸造
新教材 新高考
练习与应用
二、拓展应用
(2)不同的限制酶切割可能产生相同的黏性末端,这在基因工程操作中有什么意义?
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。同尾酶使构建载体时,切割位点的选择范围扩大。例如,我们选择了用某种限制酶切割载体,如果目的基因的核苷酸序列中恰好含有该限制酶的识别序列,那么用该限制酶切割含有目的基因的DNA片段时,目的基因就很可能被切断;这时可以考虑用合适的同尾酶(目的基因的核苷酸序列中不能有它的识别序列)来获取目的基因。
S z L w h
S z L w h
名师精品铸造
新教材 新高考
$$