3.2基因工程的基本操作程序（第1课时）2025-2026学年高二生物同步备课优质课件（人教版2019选择性必修3）

第2节 基因工程的基本操作程序 第3章 基因工程 1 教学目标 TEACHING OBJECTIVES 学习目标： 1.阐明基因工程的原理和基本操作程序。 2.尝试进行PCR的基本操作并用电泳鉴定PCR的产物。 重难点： 1.基因工程基本操作程序的四个步骤。 2.DNA片段的扩增及电泳鉴定。 目的基因的筛选与获取 1 目录 CONTENT 2 基因表达载体的构建 3 将目的基因导入受体细胞 4 目的基因的检测与鉴定 5 DNA片段的扩增及电泳鉴定 【从社会中来】培育转基因抗虫棉的基本操作程序包含哪些步骤？ 苏云金杆菌 1.目的基因的筛选与获取 Bt基因 与载体拼接 重组DNA分子 2.基因表达载体的构建（核心） 棉花细胞 3.将目的基因导入受体细胞 抗虫棉 表达Bt基因 4.目的基因的检测与鉴定 提取 导入 1 目的基因的筛选 在基因工程的设计和操作中，用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等相关的基因。主要指 的基因：如抗逆性基因、生产药物基因、毒物降解基因等。 1.目的基因： 编码蛋白质 2.如何筛选出目的基因？ 案例：①苏云金杆菌通过产生苏云金杆菌伴胞晶体蛋白（Bt抗虫蛋白），破坏鳞翅目昆虫的消化系统来杀死棉铃虫。 ②将苏云金杆菌制成杀虫剂，可防治棉花害虫→发现杀虫作用与Bt基因 有关→掌握Bt基因的序列，深入了解Bt抗虫蛋白。 从相关的已知结构和功能清晰的基因中筛选，是较有效的方法之一。 目的基因 认识基因结构和功能的技术方法：测序技术、序列数据库、序列比对工具等，找到合适的目的基因。 问1：Bt抗虫蛋白的抗虫原理？ 问2：抗虫棉中的Bt抗虫蛋白会不会对人畜产生危害？ 【自主阅读教材P77相关信息，回答问题】 测序技术： 测定核酸和蛋白质序列 序列数据库：以碱基顺序或氨基酸残基顺序为基本内容的分子生物信息数据库 序列比对工具：把感兴趣的序列跟已存在的序列数据库进行比较的工具。通过比对识别相关的序列，从而能获得目的基因和蛋白质的功能。 【知识回顾】 基因通常是有遗传效应的DNA片段。（通常能编码特定的蛋白质） 基因1 基因2 基因3 DNA片段 放大 能转录相应的mRNA，进一步编码（翻译）出蛋白质的DNA区段 非编码区：不直接编码蛋白质，能调控基因表达 编码区上游 编码区下游 编码区 非编码区：不直接编码蛋白质，能调控基因表达 编码区 非编码区 非编码区 编码区上游 编码区下游 （1）原核生物的基因结构 连续的、不间隔 启动子：位于编码区上游的一段有特殊序列结构的DNA片段； 是RNA聚合酶识别并结合的位点，驱动基因转录出mRNA。 启动子 终止子 终止子：位于编码区下游一段特殊序列的DNA片段； 可终止转录 能转录相应的mRNA，翻译出蛋白质。 启动子 前体mRNA 转录 汉水丑生侯伟作品 终止子 编码区上游 编码区下游 外显子 内含子 编码区 非编码区 非编码区 （2）真核生物的基因 间隔的、不连续 外显子：能转录相应的mRNA，进而能编码蛋白质的DNA序列。 内含子：能转录相应的mRNA，但不能编码蛋白质的DNA序列。 成熟mRNA 剪切、拼接 小结：原核生物和真核生物的基因结构有何异同点？ （真核）非编码序列= 非编码区+内含子 （原核）非编码序列= 非编码区 1 目的基因的获取方法 2.人工合成： 1.从生物组织中直接获取：“鸟枪法” 缺点：工作量大，具有一定的盲目性。 ①前提：基因比较小、核苷酸序列已知 ②方法：通过DNA合成仪用化学方法直接合成目的基因 目的基因的mRNA 单链DNA (cDNA） 双链DNA(即目的基因) 反转录 合成 反转录法： 根据已知的氨基酸序列→合成DNA 蛋白质的氨基酸序列 mRNA的核苷酸序列 目的基因的核苷酸序列 推测 推测 目的基因 化学合成 3.从基因文库中获取： 将含有某种生物不同基因的许多DNA片段，导入到受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同基因，称作基因文库。 ①基因组文库 该受体菌群为该生物的基因组文库 含有该生物全部基因片段的重组DNA的克隆群体 基因组文库的特点 文库大小 启动子 内含子 基因多少 大 有 真核生物有 某种生物的全部基因 转录 ②cDNA文库——mRNA逆转录形成 逆转录 mRNA 单链DNA (cDNA) 双链cDNA 该生物的cDNA文库 cDNA文库的特点 文库大小 启动子 内含子 基因多少 小 无 无 某种生物的部分基因 习题巩固 下列关于cDNA文库和基因组文库的说法中，不正确的是(　　) A.cDNA文库中只含有某种生物的部分基因， 基因组文库中含有某种生物的全部基因 B.如果某种生物的cDNA文库中的某个基因与该生物的基因组文库中的某个基因控制的性状相同，则这两个基因的结构也完全相同 C.cDNA文库中的基因没有启动子 D.一种生物的cDNA文库可以有许多种，但基因组文库只有一种 B 13 3.利用PCR获取和扩增目的基因 PCR（全称 ）：根据 原理，在 提供参与DNA复制的 与 ，对目的基因的核苷酸序列进行 。 DNA半保留复制 体外 各种组分 反应条件 聚合酶链式反应 大量复制 【知识回顾】体内DNA复制的过程 C G T A T A C G G C C G T A T A G C C G A T A T C G A T C G T A T A T A T A C G T A T A C G G C T A G C C G T A 3' 5' C C G T A G T A T A C G G C T A G C C G T A T A C G G C C G T A T A G C C G A T A T C G A T C G T A T A T A T A 3' 5' ATP 解旋酶 ①解旋：利用能量，在解旋酶作用下，氢键断裂，DNA双螺旋的两条链解开。 C C G T A G T A T A C G G C T A G C C G T A T A C G G C C G T A T A G C C G A T A T C G A T C G T A T A T A T A 3' 5' A C G C A A G C T A G T C A T T A T A T G C A T G A T C G A G C T T 形成氢键 ②定序：游离的脱氧核苷酸按碱基互补配对原则随机与两条母链的碱基配对，确定子链的脱氧核苷酸排列顺序。 A C G C A A G C T A G T C A T T A DNA聚合酶 5' 3' T A T G C A T G A T C G A G C T T 5' 3' ATP ATP ③合成子链：DNA聚合酶催化单个脱氧核苷酸之间形成磷酸二酯键，从5'端→ 3'端延伸成子链。 DNA聚合酶：只能从5'端向3'端延伸子链。 C C G T A G T A T A C G G C T A G C C G T A T A C G G C C G T A T A G C C G A T A T C G A T C G T A T A T A A 3' 5' A C G C A A G C T A G T C A T T A T A T G C A T G A T C G A G C T T 5' 3' T A G C C G T A T A G C C G A T A T 3' 5' T T A C G C G T A T A T A T A 5' 3' ④形成子代DNA分子：每条新链与其对应的模板链盘绕成双螺旋结构。 因为DNA聚合酶无法从头合成DNA子链，引物为DNA聚合酶提供了游离的3′端，使DNA聚合酶从3′端延伸子链。 引物：能与DNA母链的一段碱基序列互补配对的短单链核酸。 细胞内的DNA复制通常以RNA单链为引物（后续被酶切除） 细胞外（PCR）一般以DNA单链为引物（不切除）。 问：为什么需要引物？ 子链延伸 子链延伸 -5 ′ 3′- 引物 5′- -3′ 5′- -3′ 引物 3′- -5′ 引物结合在模板链的 端 3’ 原理：__________________ DNA半保留复制 3.利用PCR获取和扩增目的基因 参与组分 在体内DNA复制中的作用 PCR中参与的组分 解旋酶 打开DNA双链，破坏氢键 DNA母链 提供DNA复制的模板 4种脱氧核苷酸 合成子链的原料 DNA聚合酶 催化合成DNA子链 引物 通常为小段单链RNA， 使DNA聚合酶能够从引物的3′端开始连接脱氧核苷酸 反应还需要其它条件： 无需解旋酶，用高温代替 DNA（目的基因）模板 4种脱氧核苷酸(dNTP) 耐高温的DNA聚合酶(Taq酶） 引物（与两条模板链结合的 2种短的单链DNA） 如缓冲液（一般添加Mg2+）、和控温设备 激活真核细胞和细菌的DNA聚合酶 d 变性 5 ′- 3 ′- -3 ′ -5 ′ 5 ′- 3 ′- -3 ′ -5 ′ 1.变性：当温度超过______以上时， 断裂，双链DNA解聚为两条 ， 解旋酶。 氢键 单链DNA 90℃ 95℃ PCR扩增仪 （可自动调控温度） 2 PCR的基本过程 不需要 注：变性的温度与氢键数量有关。当氢键数量越多时，所需温度就越高；反之，当氢键数量越少时，所需温度也就越低。 5 ′- 3 ′- -3 ′ -5 ′ 5 ′- -3 ′ -5 ′ 3 ′- 复性 2.复性：当温度下降 到左右时， 种引物通过 与两条单链DNA 结合。 碱基互补配对 50℃ 2 便于引物与互补DNA链结合 解开的两条DNA模板链重新结合概率较低。因为模板链一般较长，比引物复杂得多，重新结合的概率较低。 ①引物与DNA模板结合；②解开的两条模板链重新结合；③引物与引物结合 问：复性的过程一定是引物与DNA模板链结合吗？ 问：怎样提高引物与模板链的配对结合率 ？ 加入过量引物，引物与模板间碰撞结合的机会远远高于模板互补链间的碰撞机会。 5 ′- -3 ′ -5 ′ 3 ′- 延伸 5 ′- -3 ′ -5 ′ 3 ′- 5 ′- -3 ′ -5 ′ 3 ′- 3. 延伸：当温度上升到______左右时，溶液中的4种脱氧核苷酸在耐高温的______________________的作用下，根据碱基互补配对原则合成新的DNA链。 DNA聚合酶(Taq酶) 72℃ Taq酶 Taq酶 5′ 3′ 3′ 5′ 5 ′ 3 ′ 3 ′ 5 ′ 5′ 3′ 3′ 5′ 5′ 3′ 3′ 5′ 5′ 3′ 3′ 5′ 5′ 3′ 3′ 5′ 5′ 3′ 3′ 5′ 5′ 3′ 3′ 5′ 5′ 3′ 3′ 5′ 5′ 3′ 3′ 5′ 5′ 3′ 3′ 5′ 5′ 3′ 3′ 5′ 5′ 3′ 3′ 5′ 5′ 3′ 3′ 5′ 5′ 3′ 3′ 5′ 4.每一轮循环的产物作为下轮反应的模板，经过变性、复性和延伸三步产生循环产物。 PCR扩增过程中引物、原料要源源不断的加入 5’ 5’ 高温变性 低温复性 中温延伸 95℃，双链DNA解聚为单链 温度下降到50℃左右，两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合。 温度上升到72℃左右，Taq酶从引物的3 ′端开始合成子链。 感谢观看! 2019人教版·生物·选择性必修3 24 EVCapture4.1.9软件录制 Lavf57.25.100 本视频由湖南一唯信息科技开发的EV录屏软件录制，www.ieway.cn Lavf57.83.100 Lavf58.45.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $