第3章 基因工程章末复习教学设计-2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

第3章 基因工程章末复习课 教学分析 教学目标 1.通过梳理基因工程操作流程,引导学生选择合适的限制酶进行基因表达载体的构建。(科学思维) 2.通过对基因工程基本操作程序的深入剖析,引导学生设计方案进行重组DNA分子的筛选和目的基因的检测与鉴定,并能运用这些知识解决实际问题。(科学思维和科学探究) 3.通过分析基因工程“重组人胰岛素生产”的真实情境,使学生理解基因工程的应用价值和潜在风险,培养批判性思维和社会责任意识。(科学思维、社会责任) 教学重难点 重点:1.如何选择适宜的限制酶进行基因表达载体的构建。 2. 重组DNA分子的筛选策略与常见方法。 难点:重组DNA分子的筛选策略与常见方法,及其在实际操作中的应用逻辑。 教学方法 讲授法、案例分析法、讨论法、问题引导法。 课时安排 1课时。 教学准备 多媒体,学案,PPT等。 教学设计 导入新课 胰岛素是治疗糖尿病的重要药物,科学家通过基因工程大规模生产人胰岛素,这一过程涉及一系列复杂而严谨的操作步骤。今天我们将以“重组人胰岛素的生产”为线索,系统梳理基因工程的核心流程与关键环节。 (设计意图:通过学生熟悉的胰岛素入手,帮助学生回顾所学,激发学生解决问题的兴趣。) 探究一、基因工程中限制酶的选择 教学任务:通过设置情境回顾基因工程的操作流程,并归纳限制酶的选择方法。 教学活动实施: 教师出示情境材料,设置一系列问题,引导学生思考: 若图1是获取的含有人胰岛素基因(目的基因)的DNA片段,Sau3A 、EcoR 、BamH 为三种限制酶,图中箭头所指为三种限制酶的切点;下图2是三种限制酶的识别序列与酶切位点示意图;下图3是该过程所用质粒的结构示意图(Ampr表示氨苄青霉素抗性基因,Tetr表示四环素抗性基因)。 (1)若用BamH 切割图1所示的DNA片段获取目的基因,则需选用哪种限制酶切割图3所示质粒? (2)写出上述两个黏性末端连接后的碱基序列。该序列能不能被图2中某种酶识别?阐明理由。 (3)你认为(1)中构建基因表达载体的方案有缺陷吗?为什么? 切割图1所示DNA片段的最佳方案是选用哪种或哪些限制酶? 学生以小组为单位,合作分析酶切位点及连接策略,利用图示绘制连接前后结构示意,并展示其选择依据。教师要强调:限制酶的特点,并引导学生思考两个相同黏性末端的来源:可能是同种限制酶切割,也可能是同尾酶切割。 然后教师出示如下示意图,让学生根据所学,归纳如何选择限制酶构建基因表达载体。 教师适时补充发问,师生最后总结如下: (1)不破坏目的基因原则:如图甲中可选择Pst ,而不选择Sma 。 (2)保留标记基因、启动子、终止子、复制原点原则:质粒作为载体必须具备标记基因,所以所选择的限制酶尽量不要破坏这些结构。 (3)目的基因所在序列和载体上存在多种酶切位点时,一般需要选择在目的基因所在序列和载体上都存在切割位点的两种不同的限制酶,对目的基因所在序列和载体进行剪切,即“双酶切法”。其优点和作用是:①防止目的基因自身环化;②避免目的基因与载体反向连接,如图甲、乙也可选择Pst 和EcoR 两种限制酶。 (4)巧用“同尾酶”:同尾酶指来源不同,但能产生相同黏性末端的限制酶。当不适合选择某种限制酶时,可用其同尾酶替换,以获得相同的黏性末端。 评价设计: 学生独立完成跟踪训练,教师公布答案,统计正确率,反馈做题效果并对班级同学做出评价。 (设计意图:通过情境和设置一系列问题,让学生从实际的问题解决中归纳方法形成规律,便于对知识的整体把握,同时提高了学生的思辨能力和归纳概括能力。) 探究二、基因工程中重组DNA分子的筛选 教学任务:结合基因过程的操作程序,探究如何筛选重组DNA分子。 教学活动实施: 教师出示如下操作: 【小组活动1】抗药性筛选 外源胰岛素基因插入到Ampr或Tetr中会导致相应的基因失活(Ampr表示氨苄青霉素抗性基因,Tetr表示四环素抗性基因)。将此质粒载体用Sau3A 、EcoR 双酶切后,与用相应限制酶切割获得的目的基因混合,加入DNA连接酶进行连接反应,用得到的混合物直接转化大肠杆菌。可利用抗生素抗性基因筛选出含有重组DNA的大肠杆菌。 提出如下问题: 1.被转化的大肠杆菌有几种情况?在含有青霉素的培养基中无法区分是否含有重组质粒,为什么? 2.如图表示运用影印培养法(使一系列培养皿的相同位置上能出现相同菌落的一种接种培养方法)检测基因表达载体是否导入了大肠杆菌。培养基除了含有细菌生长繁殖必需的成分外,培养基A和培养基B分别还含有_、_。从检测筛选的结果分析,含有目的基因的是_(填图中的数字)菌落中的细菌。 引导学生思考,组内进行讨论,然后交流展示。 教师过渡:除抗药性筛选法外,显色筛选也是常用的方法。 教师呈现下列背景材料: 【小组活动2】显色筛选 很多大肠杆菌的质粒上含有LacZ标记基因,其表达的酶可将一种无色的化合物(X-gal)水解成蓝色产物。若重组DNA技术常用的大肠杆菌质粒pUC18同时携带Ampr和LacZ两个标记基因(ori为复制原点)。 引导学生:据图分析,设计筛选成功导入目的基因的工程菌的方案。 学生思考,并组内进行讨论,然后交流展示。师生共同梳理LacZ筛选原理图,明确X-gal显色反应机制,形成视觉图像记忆。最后师生总结如下: 【小结】(1)标记基因的作用是便于重组DNA分子的筛选。 (2)抗药性筛选法、显色筛选同时使用与单用抗药性筛选法相比,抗药性筛选法、显色筛选同时使用更具有优势,原因是①只需要经过一次筛选,操作简便;②筛选时只需要一种抗生素,避免抗生素滥用和浪费。 评价设计: 评价内容及标准(0-10分) 小组1 小组2 小组3 小组4 设计方案是否合理,是否有关键词 语言表述是否符合逻辑 小组成员是否认真交流,协调配合 (设计意图:通过情境设置和问题设置,让学生在问题解决中找到问题的答案,通过方案设计,激发了学生的主动性,有利于提升批判性思维和科学探究的能力。) 探究三、目的基因的检测和鉴定方法分析 教学任务: 分析基因工程目的基因的检测方法和思路 教学活动实施: 教师过渡:外源胰岛素基因导入受体细胞后,还要进行检测和鉴定。 然后出示如下问题: 为鉴定筛选出的菌落中是否含有正确插入目的基因的重组质粒,拟设计引物进行PCR鉴定。如图所示为甲、乙、丙3条引物在正确重组质粒中的相应位置,PCR鉴定时应选择的一对引物是什么?阐明理由。 学生思考,小组交流展示回答。教师适时提示引物的结合部位和方向。 最后师生共同归纳:目的基因检测的方法及思路 (1)利用PCR技术如何检测目的基因是否插入受体细胞染色体DNA上? 从转基因生物中提取出DNA,用目的基因设计的引物进行PCR,然后进行琼脂糖凝胶电泳,观察是否出现目的基因对应的条带。 (2)利用PCR技术如何检测目的基因是否转录出mRNA? 从转基因生物中提取出RNA逆转录形成DNA,用目的基因设计的引物进行PCR,然后进行琼脂糖凝胶电泳,观察是否出现目的基因对应的条带。 (3)利用抗原-抗体杂交如何检测目的基因是否翻译出相应蛋白质? 从转基因生物中提取中蛋白质,用相应的抗体进行抗原—抗体杂交,检测目的基因是否翻译出蛋白质。 教师过渡:基因工程成功的标志是什么? 教师出示如下问题: 将人的胰岛素基因导入大肠杆菌后,表达出的胰岛素与人的胰岛素结构完全相同吗? 学生思考并回答。 评价设计: 设计跟踪训练,对相关知识进行反馈,学生独立完成,教师公布答案,统计正确率,反馈做题效果并对班级同学做出评价。 (设计意图:通过问题引导,提高学生运用所学知识解决问题的能力的活动,有利于提升科学探究能力和发展科学思维;对基因工程产品的有关议题进行科学分析和判断,能引导学生关注科学技术与社会发展的关系,提升社会责任感。) 评价反馈 完成学案中的当堂训练 课堂小结 布置作业 完成课后作业(30分钟)。 教学反思 通过创设连贯的情境,将基因工程的各个知识点有机结合起来,使学生能够更好地理解和应用知识,提高了学生的学习兴趣和参与度。小组探究活动让学生在交流和讨论中培养了合作能力和科学思维,对知识的掌握更加深入。 不足之处:1.部分学生对显色筛选原理(如LacZ基因)理解模糊。 2.分子检测方法的具体操作步骤讲解不够直观 改进:本课以情境为主线串联知识点,任务设置基本合理,但部分高阶能力输出环节仍显得单一。1.可通过增设LacZ基因显色原理的动画演示,辅助学生理解。 2. 结合图片或视频展示抗原—抗体杂交实验流程。 板书设计 基因工程 1.工具:限制酶、DNA连接酶、载体 2步骤:目的基因的筛选与获取 载体构建 导入受体细胞 检测与鉴定 3.关键点:限制酶选择策略、重组质粒验证 、目的基因的检测和鉴定 4.应用:重组人胰岛素生产(情境主线) 备课资源 一、构建基因表达载体时需要考虑的因素 构建基因表达载体的目的是为了顺利实现目的基因的表达,即让目的基因能够顺利完成转录和翻译这两个过程。据此,在构建基因表达载体时,需要考虑以下因素。 1.转录有效起始 目的基因能够表达的第一个关键步骤就是有效起始转录。选择强的可调控的启动子及相关的调控序列是构建一个高效表达载体首先需要考虑的问题。构建基因表达载体常用的启动子一般可以分为组成型启动子和诱导型启动子。组成型启动子是指在生物体的所有组织中都有活性的启动子。例如,在双子叶植物中最常使用的组成型启动子是花椰菜花叶病毒(CaMV)35S启动子;T7噬菌体启动子也是一种常用的组成型启动子,因为T7RNA聚合酶几乎能完整地转录由该启动子调控的所有DNA序列,从而能够实现目的基因的高效表达。诱导型启动子是指能被诱导表达的启动子。常见的诱导型启动子有Lac乳糖操纵子以及在此基础上衍生出的多种诱导型启动子。 2.mRNA有效延伸和转录顺利终止 转录有效起始后,需要保证目的基因的mRNA能够有效延伸并顺利终止转录。在转录过程中,衰减子和非特异性终止都可能诱发转录中的mRNA分子提前终止转录。衰减子位点具有简单的终止子的特性,是负调控元件。为了保证转录的顺利进行,在构建基因表达载体时要尽量去除衰减子位点。同时,还可以加入抗终止序列元件来防止mRNA在转录过程中的非特异性终止。转录的顺利终止对基因表达载体来说十分重要,因此在构建基因表达载体时一定要有正常的转录终止序列以防止不必要的转录,增加外源基因的稳定性。例如,对真核细胞而言,基因表达载体需要含有终止序列以及poly(A)信号序列。 3.翻译有效起始 翻译过程的有效起始是目的基因高效表达的关键之一。在原核细胞中影响翻译起始的因素有:起始密码子、核糖体结合位点(RBS)、起始密码子与RBS之间的距离、mRNA的二级结构,以及mRNA上游的5’端非翻译序列等。在构建基因表达载体时,可以注意以下几个方面以最大效率地起始翻译。(1)AUG是首选的起始密码子。(2)一般RBS序列至少含有AGGAGG中的4个碱基。(3)RBS与起始密码子之间的距离以6~12bp为宜。(4)起始密码子之后的序列是GCAU或AAA,翻译效率会提高。(5)翻译起始周围的序列不能形成明显的二级结构。 4.保证翻译的终止效率 三个终止密码子UAA、UAG、UGA的翻译终止效率是不同的,其中UAA的终止效率最高,特别是在原核细胞中。在设计基因表达载体时,为了保证翻译的有效终止,一般采用串联终止密码子。 5.保证外源蛋白的稳定性 在保证顺利完成转录和翻译过程之后,构建基因表达载体时还需要考虑如何保证外源蛋白能够在宿主细胞中稳定积累,不被内源蛋白水解酶降解。例如,可以通过添加信号肽使合成的蛋白质分泌到培养基中;或者构建融合蛋白,通过构象的改变,使外源蛋白不被选择性降解;或者使外源蛋白以包涵体的形式表达等。 二、目的基因是否导入受体细胞的检测 检测目的基因是否导入受体细胞的方法主要有以下几种。 1.载体表型选择法 基因工程中使用的载体往往会携带选择性标记,最常见的是携带一个或多个抗生素的抗性基因,如氨苄青霉素抗性基因、氯霉素抗性基因、卡那霉素抗性基因等。受体细胞本身对某种抗生素是敏感的,在含有该抗生素的培养基上无法生长;当携带该抗生素抗性基因的载体转入受体细胞后,受体细胞可以在含有该抗生素的培养基上生长,从而达到筛选的目的。需要注意的是,这种方法只能检测载体是否成功转入,其中可能包括自身环化的载体,所以要确定目的基因是否真的转入,还必须借助其他筛选方法。 -半乳糖苷酶显色反应选择法,即我们常说的蓝白斑筛选法,也是一种常用的检测目的基因是否导入受体细胞的方法。这种检测方法用到的载体上含有LacZ基因,其表达产物为无活性的 肽段。受体细胞可以合成无活性的 肽段。 肽段与 肽段结合后可以产生有活性的 -半乳糖苷酶,将无色的5溴4氯3吲哚- -D半乳糖苷(X-gal)水解成蓝色产物。如果目的基因插入LacZ基因上的多克隆位点,重组载体转入受体细胞后就不能产生 半乳糖苷酶,无法将X-gal水解成蓝色产物,因此在筛选平板上含有重组载体的菌落呈白色。 2.DNA电泳检测法 DNA电泳检测法是基因工程中常用的检测目的基因是否导入受体细胞的方法。可以提取受体细胞中的质粒直接进行电泳检测,但由于含有目的基因的重组质粒分子质量一般比较大,在凝胶电泳中的迁移速率较慢,为了增加实验的准确度,可以选择合适的限制酶对质粒进行酶切后再进行电泳检测,同时可借助指示分子大小的标准参照物来进一步确认目的基因。除此之外,还可以以质粒为模板进行PCR扩增,之后再进行电泳检测。设计PCR的一对引物时,最好一个引物与质粒DNA互补结合,另一个引物与目的基因DNA互补结合,这样只有以重组DNA为模板才能获得扩增产物,从而进一步增加了实验的可信度。DNA电泳检测法可以与前面介绍的载体表型选择法相结合,来快速、准确地检测目的基因是否导入受体细胞。 3.核酸杂交检测法 Southern印记杂交是核酸杂交检测法中的一种,用于对DNA分子的检测。用这种方法检测目的基因是否导入受体细胞的基本过程是:先提取受体细胞的DNA;用限制酶对DNA分子进行酶切后,进行琼脂糖凝胶电泳;然后对分离后定位在凝胶上的不同分子质量的DNA进行碱变性处理,并将凝胶中变性的DNA转移至硝酸纤维素膜或其他固相支持物上固定;再用相应的带有标记的探针进行杂交、经放射自显影,就可以鉴别出目的基因。如果需要进行大量的筛选,如基因文库的筛选,可以选用菌落原位杂交法。具体操作流程是:先将转化的菌落影印在滤膜上;然后通过溶菌和核酸变性处理,使核酸暴露并与滤膜原位结合;再用特异性的核酸探针进行杂交,经放射自显影,就可以鉴别出目的基因;最后从原来的培养基上选出相应的菌落。 第 1 页 共 8 页 学科网(北京)股份有限公司 $$