第二节 基因工程及其应用

能发光的水母 请您欣赏 不能发光的热带斑马鱼 设想 能否能否让热带鱼也能发光?

普通热带斑马鱼是不发荧光的 能发荧光的热带斑马鱼

请您欣赏 超级小鼠与超级鱼

请您欣赏 抗虫害的玉米 能产生人胰岛素的大肠杆菌 抗虫棉

从大肠杆菌说起－－胰岛素 胰岛素 每100kg 猪或牛的胰腺中提取 4~5g胰岛素 1979年，利用大肠杆菌的DNA分子重组，2000L培养液提取100g ， 相当于2吨猪胰腺中提取的量

从大肠杆菌说起－－干扰素 干扰素 一千克纯的干扰素价值可达440亿美元。 传统生产方法：血液中提出白细胞，然后用病毒去感染它，这时会产生干扰素，1个细胞最多生产100~1000个干扰素分子 基因工程：改造的大肠杆菌发酵生产：一天内便可生产20万个干扰素分子。1KG培养物中可以得到20~40mg干扰素

思考： 1、为什么能把一种生物的基因“嫁接”到另一种生物上？ 2、推测这种“嫁接”怎样能实现？ 3、这种“嫁接”对品种的改良有什么意义？

提示：此节“问题探讨”以基因工程菌的实例，希望大家思考基因工程的原理。 如不同生物的DNA在结构上的统一性、几乎所有的生物都共用一套遗传密码等。

阅读教材 P102，解决以下问题： 什么叫基因工程? 基因工程的基本操作步骤有哪些? 归纳出科学家实施基因工程的总体思路。

一、基因工程原理 基因工程又叫做基因拼接技术或DNA重组技术。 通俗地说，就是按照人们的意愿，把一种生物的个别基因复制出来，加以修饰改造，然后放到另一种生物的细胞里，定向地改造生物的遗传性状（目的）。

定向地改造生物的遗传性状，获得人类所需要的品种。 原 理： 基因重组 操作水平： DNA分子水平 结 果： 定向地改造生物的遗传性状，获得人类所需要的品种。 供体细胞 目的基因 受体细胞 获得新性状

你认为上述培育转基因大肠杆菌的关键步骤有哪些？ 实例展示： 培育转基因大肠杆菌的简要过程 普通大肠杆菌 (不能分泌胰岛素) 人体组织细胞 提取 与运载体DNA拼接 导入 胰岛素基因 大肠杆菌(含胰岛素基因) 转基因大肠杆菌 (能分泌胰岛素) 你认为上述培育转基因大肠杆菌的关键步骤有哪些？

培育转基因大肠杆菌的关键步骤 胰岛素基因导入受体(大肠杆菌)细胞 胰岛素基因从人体细胞内提取出来 胰岛素基因与运载体DNA连接 1.ONE 胰岛素基因从人体细胞内提取出来 2.TWO 胰岛素基因与运载体DNA连接 3.THREE 胰岛素基因导入受体(大肠杆菌)细胞 基因的“剪刀” 基因的“针线” 基因的运载体

（一）基因操作的工具 基因的剪刀—限制性内切酶（简称限制酶） 限制酶是在生物体(主要是微生物)内的一种酶，能将外来的DNA切断，由于这种切割作用是在DNA分子内部进行的，故名限制性内切酶。 特点：专一性。 即一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并且能在特定的切点上切割DNA分子。

大肠杆菌(EcoRI)的一种限制酶能识别GAATTC序列，并在G和A之间切开。

练习使用EcoRI 剪切目的基因 黏性末端 CTTCATG AATTCCCTAA GAAGTACTTAA GGGATT GGCATCTTAA AATTCCGTAG CTTCATG AATTCCCTAA GAAGTACTTAA GGGATT 黏性末端 GGCATCTTAA AATTCCGTAG 目的基因

什么叫黏性末端？ 被限制酶切开的DNA两条单链的切口，带有几个伸出的核苷酸，他们之间正好互补配对，这样的切口叫黏性末端。

（二）基因操作的工具 基因的针线——DNA连接酶 磷酸二酯键 DNA连接酶可把黏性末端之间的缝隙“缝合”起来，即把梯子两边扶手的断口连接起来，这样一个重组的DNA分子就形成了。

使用DNA连接酶制作重组DNA分子 重组DNA分子 GGCATCTTAA AATTCCGTAG CTTCATG AATTCCCTAA 甲片段 CTTCATG AATTCCCTAA GAAGTACTTAA GGGATT 乙片段 GGCATCTTAA AATTCCGTAG 重组DNA分子

外源基因(如抗虫基因)怎样才能导入受体细胞(如棉花细胞)？ （二）基因操作的工具 外源基因(如抗虫基因)怎样才能导入受体细胞(如棉花细胞)？ 导入过程需要运输工具——运载体。 运载体的作用有哪些？ 作用一：作为运载工具，将外源基因(抗虫基因)转移到受体细胞(棉花细胞)中去。 作用二：利用运载体在受体细胞(棉花细胞)内，对外源基因(抗虫基因)进行大量复制。

基因的运载工具——运载体： 常用的运载体主要有两类： 1）细菌细胞质的质粒 2）噬菌体或某些动植物病毒

质粒： 质粒是染色体外能够进行自主复制的遗传单位，包括真核生物的细胞器和细菌细胞中核区外的DNA分子。现在习惯上用来专指细菌、酵母菌和放线菌等生物中核以外的DNA分子。 质粒是基因工程最常用的运载体。 绝大多数细菌质粒都是闭合环状DNA分子。有的一个细菌中有一个，有的一个细菌中有多个。

？ 运载体应该具有什么特点呢? 大肠杆菌的质粒 最常用的质粒是大肠杆菌的质粒，其中常含有抗药基因，如四环素的标记基因。 质粒的存在与否对宿主细胞生存没有决定性作用，但复制只能在宿主细胞内成。

restriction endonuclease DNA linking-enzyme restriction endonuclease 胰岛素基因 运载体 1.能够在宿主细胞内复制并稳定保存； 2.具有多个限制酶切点以便与外源基因相连； 3.具有标记基因，便于进行筛选．

（三）基因操作的基本步骤 四个基本步骤： 1）提取目的基因 2）目的基因与运载体结合 3）将目的基因导入受体细胞 4）目的基因的检测和表达

如苏云金芽孢杆菌的抗虫基因，还有植物的抗病（抗病毒、抗细菌）基因、种子贮藏蛋白的基因，以及人的胰岛素基因、干扰素基因等。 （三）基因操作的基本步骤 目的基因 目的基因是人们所需要转移或改造的基因。 如苏云金芽孢杆菌的抗虫基因，还有植物的抗病（抗病毒、抗细菌）基因、种子贮藏蛋白的基因，以及人的胰岛素基因、干扰素基因等。 直接分离基因 人工合成基因 目的基因的提取方法

（三）基因操作的基本步骤 目的基因与运载体重组 1）用一定的限制酶切割质粒，使其出现一个切口，露出黏性末端。 2）用同一种限制酶切断目的基因，使其产生相同的黏性末端。 3）将切下的目的基因片段插入质粒的切口处，再加入适量DNA连接酶，形成了一个重组DNA分子（重组质粒） 目的基因与运载体的结合过程，实际上是不同来源的基因重组的过程。

（三）基因操作的基本步骤 目的基因导入受体细胞 常用的受体细胞： 有大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母菌和动植物细胞等。 将目的基因导入受体细胞的原理 借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。

（三）基因操作的基本步骤 目的基因的检测和表达 四环素 抗性基因 氨苄青霉 素抗性基因

（三）基因操作的基本步骤 受体细胞摄入DNA分子后就说明目的基因完成了表达吗？ 不能，受体细胞必须表现出特定的性状，才能说明目的基因完成了表达。 若不能表达，要对抗虫基因再进行修饰。

生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼(中国) 乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷) 二、基因工程的应用 1、基因工程与作物育种 　　运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的农作物及畜、禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的动、植物。 生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼(中国) 乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷)

将细菌的抗虫、抗病毒、抗除草剂、抗盐碱、抗干旱、抗高温等抗性基因转移到作物体内，将从根本上改变作物的特性。如转基因抗虫棉。 基因工程在农业上的应用 培育抗逆性品种 将细菌的抗虫、抗病毒、抗除草剂、抗盐碱、抗干旱、抗高温等抗性基因转移到作物体内，将从根本上改变作物的特性。如转基因抗虫棉。 抗虫基因作物的意义： 减少农药的用量，降低了生产的成本，减少了农药对环境的污染。

转黄瓜抗青枯病基因的甜椒 转鱼抗寒基因的番茄 转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯 不会引起过敏的转基因大豆

转基因龙胆花色奇异 转基因蓝猪耳改变花色 转基因牵牛花改变了花色

A：紫外光照射下的转绿色荧光蛋白的 Eustoma (Lisianthus) 花。 B：转没有绿色荧光蛋白的空质粒的花，

目的性强、克服远源杂交不亲和性、育种周期短 2002年，中国转基因棉花达到150万公顷，已经占到棉花产量的1／3. 我国大豆食用油近七成是“转基因”产品 与杂交育种、诱变育种相比较，基因工程育种的优点有哪些？ 目的性强、克服远源杂交不亲和性、育种周期短

将人的生长激素基因和牛的生长素基因分别注射到小白鼠受精卵中，得到的“超级小鼠”。 基因工程在畜牧业的应用 繁殖具有抗病能力、高产仔率、高产奶率和高质量的皮毛等优良品质的转基因动物（如奶牛）。 该过程的重要步骤是重组DNA转移到动物受精卵中。 将人的生长激素基因和牛的生长素基因分别注射到小白鼠受精卵中，得到的“超级小鼠”。

导入人基因具特殊用途的猪和小鼠 特殊动物 图为2001年12月底出生的5只可爱的转基因克隆小猪。据培育者英国PPL医疗公司称，这些转基因小猪将为研究和“生产”适用于人体移植手术使用的动物器官提供巨大的帮助。

2、基因工程与药物研制 用基因工程的方法生产胰岛素、干扰素、白细胞介素、凝血因子、以及预防乙肝、霍乱、伤寒、疟疾等的疫苗。 提高生产产量、降低生产成本。 我国生产的部分基因 工程疫苗和药物

1、微生物基因工程： 2、细胞基因工程： 3、转基因动物： 即把目的基因导入大肠杆菌等菌中，通过微生物表达目的基因的产物。 即用哺乳动物细胞株表达目的产物 即将目的基因直接导入鼠、兔、羊和猪体内，使目的基因在哺乳动物体内表达，从儿获得目的产物

产品名称 菌株或细胞 应用 人胰岛素 大肠杆菌 人生长激素 表皮生长因子 白细胞介素-2 a—干扰素 酵母菌 乙型肝炎疫苗 溶血栓剂 哺乳动物 细胞 治疗糖尿病 治疗生长缺陷症 治疗烫伤、胃溃疡 治疗某些癌症 治疗癌症或病毒感染 预防病毒性肝炎 治疗心血管病 （心脏病）

　　胰岛素是治疗糖尿病的特效药，长期以来只能依靠从猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。 　　将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素！大规模工业化生产不但解决了这种比黄金还贵的药品产量问题，还使其价格降低了30%-50%!

　　干扰素治疗病毒感染简直是“万能灵药”！过去从人血中提取，300L血才提取1mg！其“珍贵”程度自不用多说。 　　人造血液、白细胞介素、乙肝疫苗等通过基因工程实现工业化生产，均为解除人类的病苦，提高人类的健康水平发挥了重大的作用。 人造血液及其生产

1t水中只有10个病毒也能被DNA探针检测出来 3、基因工程与环境保护 ⑴ 环境监测： 　　基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。 1t水中只有10个病毒也能被DNA探针检测出来

　　利用基因工程培育的“指示生物”能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。

⑵ 环境污染治理： 基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。 ⑵ 环境污染治理： 　　基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。 　　通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程培育成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。

2006年3月14日绿色和平组织发布消息,称亨氏营养米粉含有转Bt基因抗虫水稻成分。 那么转基因食品到底安全吗？什么样的转基因食品才能上市？如何面对市场上的转基因食品呢？ 

三、转基因生物与转基因食品的安全性 两种观点 不安全：证据 安全：证据 你们的观点？

安全观点： 1、转基因食品与非转基因食品的构成是一样的； 2、减少农药使用、减少环境污染； 3、节省生产成本，降低粮食售价； 4、增加食品营养、提高食品产量等。

不安全观点： 1、可能产生抗除草剂的超级杂草； 2、可能使疾病的散播跨越物种障碍； 3、可能损害农作物的生物多样性； 4、认为创造新物种，可能干扰生态系统的稳定性； 5、可能产生新毒素和新过敏源。

练 习 （1）要将目的基因与运载体连接起来，在基因操作中应选用 A、只需DNA连接酶 B、同一种限制酶和DNA连接酶 C、只需限制酶 练 习 （1）要将目的基因与运载体连接起来，在基因操作中应选用 A、只需DNA连接酶 B、同一种限制酶和DNA连接酶 C、只需限制酶 D、不同的限制酶和DNA连接酶 （2）下列各项中，说明目的基因完成了表达的是 A、棉珠中含有杀虫蛋白基因 B、大肠杆菌中具有胰岛素基因 C、酵母菌中产生了干扰素 D、抗病毒基因导入土豆细胞中

（3）有关基因工程的叙述正确的是 A、限制酶只在获得目的基因时才用 B、重组质粒的形成在细胞内完成 C、质粒都可作为运载体 D、蛋白质的结构可为合成目的基因提供资料 （4）有关基因工程的叙述中，错误的是 A、DNA连接酶将黏性末端的碱基对连接起来 B、 限制性内切酶用于目的基因的获得 C、目的基因须由运载体导入受体细胞 D、人工合成目的基因不用限制性内切酶

（5）要使目的基因与对应的载体重组，所需的两种酶是 ①限制酶　 ②连接酶　 ③解旋酶 ④还原酶 Ａ、①② Ｂ、③④ Ｃ、①④ Ｄ、②③ （6）实施基因工程的第一步的一种方法是把所需的基因从供体细胞内分离出来，这要利用限制性内切酶。一种限制性内切酶能识别ＤＮＡ分子的ＧＡＡＴＴＣ顺序，切点在Ｇ和Ａ之间，这是利用了酶的 Ａ、高效性　　　Ｂ、专一性　　　 Ｃ、多样性　　　Ｄ、催化活性易受外界影响

（7）基因工程的正确操作步骤是 ①使目的基因与运载体结合 ②将目的基因导入受体细胞 ③检测目的基因的表达是否符合特定性状要求 ④提取目的基因 Ａ、③②④① Ｂ、②④①③ Ｃ、④①②③ Ｄ、③④①② （8）不属于基因工程方法生产的药物是 A、干扰素 B、白细胞介素 C、青霉素 D、乙肝疫苗

（9）采用基因工程的方法培育抗虫棉，下列导入目的基因的作法正确的是 ①将毒素蛋白注射到棉受精卵中　　 ② 将编码毒素蛋白的ＤＮＡ序列，注射到棉受精卵中　 ③将编码毒素蛋白的ＤＮＡ序列，与质粒重组，导入细菌，用该细菌感染棉的体细胞，在进行组织培养 ④将编码毒素蛋白的ＤＮＡ序列，与细菌质粒重组，注射到棉的子房并进入受精卵中 Ａ、① ② Ｂ、② ③ Ｃ、③ ④ Ｄ、④ ① 　　

（10）转基因动物是指 A、提供基因的动物 B、基因组中增加外源基因的动物 C、能产生白蛋白的动物 D、能表达基因信息的动物 （11）在基因操作的基本步骤中，不进行碱基互补配对的 A、人工合成目的基因 B、目的基因与运载体结合 C、将目的基因导入受体细胞 D、目的基因的检测和表达

（12）下列各项中，与基因工程无关的是 A、选择“工程菌”生产胰岛素 B、培育转基因抗虫棉 C、人工诱导多倍体 D、利用DNA探针检测应用水是否含有病毒 （13）基因工程中常采用细菌、酵母菌等微生物作为受体细胞，原因是 A、结构简单、操作方便 B、繁殖速度快 C、遗传物质含量少 D、性状稳定，变异少

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