3.1 DNA重组技术的基本工具 课件 2025—2026学年高二下学期生物人教版选择性必修3

该高中生物学课件聚焦重组DNA技术基本工具，以2025年全球首例六基因编辑猪肝移植案例导入，通过驱动问题引导学生探究hTBM基因获取与拼接，以DNA结构和表达原理为基础，构建限制酶、DNA连接酶、载体的工具知识体系，结合小组模拟切割拼接活动搭建学习支架。 其亮点在于以真实医学案例创设情境，通过小组合作使用剪刀魔术贴模拟限制酶切割、DNA连接等探究实践活动，培养科学思维与动手能力，融入态度责任教育，帮助学生理解技术逻辑，教师可直接利用结构化活动设计提升教学效率。

第三章 基因工程 第一节 重组DNA技术的基本工具 ——以全球首例基因编辑猪肝移植为例 分析人源hTBM基因如何转入猪细胞 1 全球首例六基因编辑猪肝移植（2025） 全球首例六基因编辑猪肝移植（2025） ▍案例资料：医学史上的里程碑 2025年，全球首例基因编辑猪肝（敲除3个猪源基因：GGTA1、CMAH、β4GalNT2，转入3个人源基因:hCD46、hCD55、hTBM）移植在人体获得成功。猪肝在脑死亡患者体内存活10天，不仅成功分泌胆汁、合成白蛋白，更关键的是未发生免疫排斥反应，且未检测到PERV病毒，为解决器官短缺危机带来了新希望。 核心驱动问题： 科学家如何精准获得人源hTBM基因？ 如何将人源hTBM基因“拼接”到猪的细胞中？ 今天，我们将化身“分子工程师”，深入基因编辑的微观世界，探索这一生命科学奇迹背后的技术逻辑。 基因编辑猪的诞生 猪细胞 猪 基因编辑猪 (能产生人血栓调节蛋白，改善异种移植中常见的凝血功能) hTBM基因 提取 人cDNA库 在培育基因编辑猪时，既要在体外对含有所需基因的DNA分子“切割”、改造和“拼接”；又要将重组DNA分子导入猪细胞内，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”。 分子手术刀 分子缝合针 分子运输车 步骤： PPT模板下载：www.1ppt.com/moban/ 行业PPT模板：www.1ppt.com/hangye/ 节日PPT模板：www.1ppt.com/jieri/ PPT素材下载：www.1ppt.com/sucai/ PPT背景图片：www.1ppt.com/beijing/ PPT图表下载：www.1ppt.com/tubiao/ 优秀PPT下载：www.1ppt.com/xiazai/ PPT教程： www.1ppt.com/powerpoint/ Word教程： www.1ppt.com/word/ Excel教程：www.1ppt.com/excel/ 资料下载：www.1ppt.com/ziliao/ PPT课件下载：www.1ppt.com/kejian/ 范文下载：www.1ppt.com/fanwen/ 试卷下载：www.1ppt.com/shiti/ 教案下载：www.1ppt.com/jiaoan/ 字体下载：www.1ppt.com/ziti/ 4 1.为什么人源hTBM基因和猪细胞基因能拼接起来？（拼接的基础） ①DNA分子的基本组成单位相同，都是4种脱氧核苷酸； ②空间结构相同，都是规则的双螺旋结构。 ③都遵循碱基互补配对原则。 DNA立体结构 DNA平面结构 CH2 H OH H H H H 碱基 磷酸 5’ 4’ 3’ 2’ 1’ 脱氧 核糖 基因编辑猪的诞生 5 2.为什么人源hTBM基因可以在猪细胞基细胞内表达？ （表达的基础） ①基因是控制生物性状的独立遗传单位。 相同的遗传信息在不同生物体内表达出相同的蛋白质，同一蛋白质在不同细胞中的功能相同。 ③生物界共用一套遗传密码。 DNA RNA 蛋白质 转录 翻译 复制 ②基因的表达过程相同：中心法则。 基因编辑猪的诞生 遗传信息的传递都遵循中心法则 6 一、分子手术刀——限制性内切核酸酶（限制酶） 阅读教材P71内容，思考以下问题： 1、限制酶的来源？ 2、限制酶的作用？ 3、推测为什么细菌细胞中存在限制酶？而限制酶不切割细菌本身呢？ 一、分子手术刀——限制性内切核酸酶（限制酶） 来源 主要是从原核生物中分离纯化来的 T G C G T A C G C A 5′ 5′ 磷酸二酯键 思考：推测为什么细菌细胞中存在限制酶？而限制酶不切割细菌本身呢？ 限制酶是原核生物的一种防御工具，用来切割侵入细胞的外源DNA（如噬菌体），以保证自身安全。 作用 ①能够识别双链DNA分子的特定核苷酸序列 ②断开每一条链中特定部位的磷酸二酯键。 3′ 3′ 酶的专一性 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。 归纳限制酶识别序列特征 EcoRⅠ 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：大肠杆菌(Escherichia coli)R菌株中分离出第一种限制酶EcoR I最常用的限制酶之一。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 归纳限制酶识别序列特征 5′ 3′ 5′ 3′ C G C G C G C G C G C G SamⅠ EcoRⅠ C T 5′ 3′ 5′ 3′ T A G C A G A T T A ②每一种限制酶都有各自特定识别的序列。 ①大多数限制酶的识别序列由6个核苷酸组成；也有少数限制酶的识别序列由4个、8个或其他数量的核苷酸组成。 回文序列 ③中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的。 思考：这些限制酶识别的特定序列有何特点？ 黏性末端 黏性末端 平末端 DNA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。 切口处是平整的，这样的切口叫平末端。 归纳限制酶识别序列特征 EcoRⅠ SamⅠ 阅读教材的P71文字及图3-3，分析如果用EcoRⅠ和SamⅠ来切割DNA序列会产生怎样的切割末端呢？ 11 思考1：限制酶能切开RNA分子的磷酸二酯键吗？ 思考2：推断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？ 归纳限制酶识别序列特征 不能。 酶具有专一性，限制酶只能识别并切开双链DNA分子 2 2 2 2 EcoRⅠ 黏性末端 活动一：小组合作，DNA序列上找出限制酶的识别序列，模拟用1种或2种限制酶切割DNA，获取人源hTBM基因 一、分子手术刀——限制性内切核酸酶（限制酶） 工具包1：DNA序列纸（含hTBM基因）、限制酶（剪刀）、魔术贴、粘板 活动一：小组合作，DNA序列上找出限制酶的识别序列，模拟用1种或2种限制酶切割DNA，获取人源hTBM基因 一、分子手术刀——限制性内切核酸酶（限制酶） 工具包1：DNA序列纸（含hTBM基因）、限制酶（剪刀）、魔术贴、粘板 对比切割得到的hTBM基因末端 一、分子手术刀——限制性内切核酸酶（限制酶） 一、分子手术刀——限制性内切核酸酶（限制酶） 1、同种限制酶切割产生的黏性末端是否相同？ 2、不同限制酶切割产生的黏性末端是否一定不同？ 相同。 酶具有专一性，识别的序列相同 （比如BamHⅠ、BglⅡ） 同尾酶：识别的靶序列不同，但是酶切后形成的黏性末端相同 二、分子运输车——基因进入受体细胞的载体 质粒 将外源基因送入受体细胞, 在受体细胞内对目的基因进行大量复制 作用 动植物病毒 噬菌体 种类 质粒是一种裸露的、结构简单、独立于真核细胞细胞核或原核细胞拟核DNA之外，并具有自我复制能力的环状双链DNA分子。 拟核 质粒 大肠杆菌 氨苄青霉素抗性基因 目的基因 复制原点 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。 二、分子运输车——基因进入受体细胞的载体 1：载体要与外源DNA片段连接，需要具备什么条件？ 2：要使携带的外源DNA片段在受体细胞中稳定存在，载体需要具备什么条件？ 载体需要具有一个至多个限制酶切割位点，供外源DNA片段插入其中。 载体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，这样它携带的外源DNA片段才能在受体细胞中稳定存在，不至于丢失。 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？ 载体需要具有特殊的标记基因，便于重组DNA分子的筛选。 阅读教材的P72-73页，思考以下问题： 重组DNA分子 注：质粒载体的转录起始到转录结束的碱基序列段中含有EcoRⅠ、Bgl II、BamHⅠ的识别序列 活动二：小组合作，根据活动一得到的人源基因末端选用限制酶模拟切割质粒载体 工具包2：所获得的hTBM基因片段、质粒、剪刀（限制酶）、魔术贴、粘板 两个DNA片段要具有互补的黏性末端才能连接起来。 DNA连接酶→磷酸二酯键 DNA连接酶→磷酸二酯键 三、分子缝合针——DNA连接酶 采用EcoRⅠ切割的得到的人源hBTM基因和质粒进行连接 20 种类 来源 大肠杆菌 T4噬菌体 作用 差别 E.coli DNA连接酶 T4 DNA连接酶 连接平末端效率低 连接平末端的效率高 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。且都能连接黏性末端和平末端。 三、分子缝合针——DNA连接酶 重组DNA分子 注：质粒载体的转录起始到转录结束的碱基序列段中含有EcoRⅠ、Bgl II、BamHⅠ的识别序列 活动二：小组合作，根据活动一得到的人源基因末端选用限制酶模拟切割质粒载体 工具包2：所获得的hTBM基因片段、质粒、剪刀（限制酶）、魔术贴、粘板 活动三：小组合作，模拟将人源hTBM基因插入载体中 材料：所获得的hTBM基因片段、质粒、DNA连接酶、魔术贴、粘板 重组DNA分子 5’ 3’ 5’ 3’ 提示：根据碱基互补配对原则将末端碱基序列进行拼接 注：质粒载体的转录起始到转录结束的碱基序列段中含有EcoRⅠ、Bgl II、BamHⅠ的识别序列 重组DNA分子 分析构建重组DNA分子过程中可能会出现的问题： 1.出现人源基因、切割载体的自身环化 2.出现反向连接 活动三：小组合作，模拟将人源hTBM基因插入载体中 标记基因进行筛选重组DNA分子 绿色荧光蛋白基因 目的基因 问题：若标记基因为绿色荧光蛋白基因如何筛选出导入了重组DNA分子的受体细胞？ 通过荧光显微镜分选表达绿色荧光猪细胞。 思考：能观察到发绿色荧光的细胞中一定含有目的基因吗？ 猪细胞 获取人源目的基因→ 双酶切处理→ 拼接重组载体→ 运入猪体细胞→筛选阳性细胞→体细胞核移植克隆→培育基因编辑猪→临床器官移植。 总结培育基因编辑猪的流程 基因工程：按照人们的愿望，通过转基因等技术赋予生物新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。从技术操作层面看，由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，因此又叫做DNA重组技术。 限制酶 DNA连接酶 载体 氨苄青霉素抗性基因 目的基因 LacZ基因表达产生的酶能够分解X-gal产生蓝色物质，从而使菌落呈蓝色；否则菌落呈白色。 问题：如何在含X-gal和氨苄青霉素的固体培养基上筛选出导入了重组DNA分子的细胞？ lacZ基因 标记基因进行筛选重组DNA分子 挑选选择培养基上的白色菌落。 基因工程操作中，真正被用作载体的质粒，都是天然质粒的基础上进行人工改造的。 图甲 ①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； ②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（1）只用EcoRⅠ或（2）BamHⅠ和EcoRⅠ或（3）Bgl II和EcoRⅠ或（4）Bgl II和BamHⅠ 1、根据目的基因两端的限制酶切割位点确定限制酶的种类 2、根据质粒的特点确定限制酶的种类 图乙 ①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，如图乙不能选择BamHⅠ ②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 方案一： 只用EcoRⅠ切割目的基因和质粒 方案二： 同时用EcoRⅠ和Bgl II切割目的基因和质粒 限制酶的选择技巧 EcoRⅠ EcoRⅠ BamHⅠ Bgl II EcoRⅠ BamHⅠ BamHⅠ SmaⅠ Bgl II hTBM基因 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) 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 28 限制酶 作用部位： 种类 E.coli DNA连接酶 运载 工具 条件 ③ 有一个至多个限制酶切割位点 质粒、噬菌体、动植物病毒 DNA连 接酶 作用部位： 切开DNA分子的磷酸二酯键 来源： 主要存在于原核生物中 特点： 具有专一性（能识别双链DNA分子的特定核苷酸序列） T4 DNA连接酶 ① 对受体细胞无害 ② 能自我复制或整合到宿主DNA上。 ④ 常有特殊的标记基因 种类： 磷酸二酯键 作用结果： 产生黏性末端或平末端 小结 29 素养升华 “从基因剪刀、缝合针到运输车，我们不仅学会了 DNA 重组的技术工具，更看到了中国科学家用科技守护生命的责任与担当。基因工程不是冰冷的分子操作，而是温暖的生命关怀。希望大家未来既能掌握科学本领，也能坚守向善初心，用生物技术守护人类健康、助力国家发展！” 30 作业： 课时作业（12）A组 $