第一节 工具酶的发现和基因工程的诞生

第一章 基因工程

转让人胰岛素基因的大肠杆菌

细菌和人是差异非常大的两种生物 , 通过某种生物技术 , 细菌能够合成人体的胰岛素，这个过程这样进行的呢？

这可不是普通的细菌，它是嫁接了人胰岛素基因的工程菌，能大量合成人胰岛素。

从大肠杆菌说起从大肠杆菌说起

一、基因工程的概念 基因工程是指按照人们的愿望，

进行严格的设计，通过体外 DNA 重组和转基因技术，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。基因工程是在 DNA 分子水平上进行设计和施工的，又叫做 DNA 重组技术。

基因工程的别名基因工程的别名

操作环境操作环境

操作对象操作对象

操作水平操作水平

基本过程基本过程实质（原理）实质（原理）

结果结果

基因拼接技术或基因拼接技术或 DNADNA 重组技重组技术术生物体外生物体外

基因基因

DNADNA 分子水平分子水平

定向地改造生物的遗传性状，产生定向地改造生物的遗传性状，产生人类需要的基因产物人类需要的基因产物

基因重组基因重组

首只转基因猴诞生，人类未来忧喜参半

http://hiphotos.baidu.com/cofeesharpy/pic/item/f443363f0cecefd17c1e7133.jpg

• 基因工程诞生的理论基础 :

DNA 是生物遗传物质的发现

DNA 双螺旋结构的确立

遗传信息传递方式的认定

基因工程的基本工具

• 准确切割 DNA 的工具（“分子手术刀”）—— 限制性核酸内切酶• DNA 片段的连接工具（“分子缝合针”）——DNA 连接酶• 基因转移工具（“分子运输车”）—— 基因进入受体细胞的载体

　　基因的大小以纳米计算，要对它进行剪切、拼接等操作，没有非常精细的工具是不行的。进行基因操作最少需要以下三种工具：

• 基因的剪刀——限制性内切酶（简称限制酶）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，故名限制性核酸内切酶。

特点：特异性。

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即两个核苷酸之间 ( 磷酸二酯键 ) 切开 DNA 分子。

二、限制性核酸内切酶——“分子手术刀”

• 基因的剪刀——限制性核酸内切酶（简称限制基因的剪刀——限制性核酸内切酶（简称限制酶）酶） 大肠杆菌大肠杆菌 (E.coli)(E.coli) 的一种限制酶的一种限制酶能识别能识别GAATTCGAATTC 序列序列，并在，并在 GG 和和 AA 之间切开。之间切开。

限制酶限制酶

• 基因的剪刀——限制性内切酶（简称限制酶）基因的剪刀——限制性内切酶（简称限制酶）限制限制

酶酶

重播

• 什么叫黏性末端？什么叫黏性末端？ 被限制酶切开的被限制酶切开的 DNADNA 两条单链的切两条单链的切口，带有几个口，带有几个伸出的核苷酸伸出的核苷酸，他们之间正，他们之间正好好互补配对互补配对，这样的切口叫，这样的切口叫黏性末端黏性末端。。

限制性核酸内切酶的切割方式错切 -- 黏性末端

平切 -- 平末端

• 三、基因的针线——三、基因的针线—— DNADNA 连接酶连接酶

DNADNA 连接酶连接酶可把黏性末端可把黏性末端之间的缝隙“缝之间的缝隙“缝合”合”起来，即把梯子两边扶手的断口连接起来，起来，即把梯子两边扶手的断口连接起来，这样一个重组的这样一个重组的 DNADNA 分子就形成了。分子就形成了。

磷酸二酯键磷酸二酯键

DNA 聚合酶与 DNA 连接酶是同一种酶的不同名称吗 ?

相同 区别

DNA聚合酶DNA连接酶

形成磷酸二酯键

只能将单个核苷酸连接到核酸片段上 ;以一条 DNA 链为模板 , 形成互补的 DNA 链。

将两个 DNA 片段连接形成磷酸二脂键；将 DNA 双链上的两个缺口同时连接起来，不需要模板。

• 外源基因外源基因 (( 如抗虫基因如抗虫基因 )) 怎样才能导入受体怎样才能导入受体细胞细胞 (( 如棉花细胞如棉花细胞 )) ？？

导入过程需要运输工具——导入过程需要运输工具——运载体运载体。。

• 运载体的作用有哪些？运载体的作用有哪些？作用一作用一：作为运载工具，将外源基因：作为运载工具，将外源基因 (( 抗虫基因抗虫基因 ))转移转移到受体细胞到受体细胞 (( 棉花细胞棉花细胞 )) 中去。中去。

作用二作用二：利用运载体在受体细胞：利用运载体在受体细胞 (( 棉花细胞棉花细胞 )) 内，内，对外源基因对外源基因 (( 抗虫基因抗虫基因 )) 进行进行大量复制大量复制。。

• 四、基因的运载工具——运载体：四、基因的运载工具——运载体：

• 基因的运载工具——运载体：基因的运载工具——运载体：常用的运载体主要有两类：常用的运载体主要有两类： 11 ）细菌细胞质的）细菌细胞质的质粒质粒 22 ））噬菌体噬菌体或某些或某些动植物病毒动植物病毒

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

• 大肠杆菌的质粒：大肠杆菌的质粒：

最常用的质粒最常用的质粒是是大肠杆大肠杆菌的质粒菌的质粒，其中常含有，其中常含有抗药抗药基因基因，如四环素的标记基因。，如四环素的标记基因。

质粒的质粒的存在与否对宿主细存在与否对宿主细胞生存没有决定性作用，但胞生存没有决定性作用，但复制只能在宿主细胞内成复制只能在宿主细胞内成。。

质粒－－－－最常用的载体

标记基因，便于进行检测。

　　载体必须同时满足四个条件：①能与目的基因结合；②能进入受体细胞并在受体细胞内复制并表达；③具有标记基因，便于进行筛选；④对受体细胞无害。　　科学家发现大肠杆菌、枯草杆菌等的质粒能同时满足以上四个条件。

（能自主复制的双链环状 DNA 分子）

注意：真正用作运载体的质粒都是人工改造过的。

同一种限制性核酸内切酶

猿猴病毒SV40的 DNA

R噬菌体的 DNA

DNA 连接酶

重组 DNA 分子

1972 年 ,美国斯坦福大学的科学家合成第一个人工 DNA 重组产物

同一种限制性核酸内切酶

大肠杆菌的含四环素

抗性基因的质粒

大肠杆菌的含卡那霉素

抗性基因的质粒

DNA 连接酶

重组质粒

1973 年 ,美国斯坦福大学的科学家 ,第一个基因工程的诞生

大肠杆菌

( 抗四环素和卡那霉素 )

实验设计 :已知标记基因有抗四环素基因和抗氨苄青霉素的基因 , 现探讨某细菌的质粒中有无标记基因或标记基因是什么 ?请设计实验、预期实验结果，并得出相应的实验结论

对照组：不添加抗生素

实验组 1：添加一定浓度的四环素

实验组 2：添加一定浓度的氨苄青霉素

实验组 3：添加一定浓度的四环素和氨苄青霉素

对照组 实验组 1 实验组 2 实验组 3 结 论预期一 + + + +

预期二 + + — —

预期三 + — + —

预期四 + — — —

既含有抗四环素基因也含有抗氨苄青霉素基因

只含有抗四环素基因

只含有抗氨苄青霉素基因

既不含有抗四环素基因也不含有抗氨苄青霉素基因

1 、在基因工程中，切割运载体和含有目的基因的 DNA 片段，需使用（ ）Ａ．同种限制酶 B. 两种限制酶Ｃ．同种连接酶 D. 两种连接酶

练习

Ａ

2 、不属于质粒被选为基因运载体的理由是

A 、能复制 （ ）

B 、有多个限制酶切点

C 、具有标记基因

D 、它是环状 DNA

D

练习练习

3 、以下是四种不同限制酶切割形成的 DNA 片段：

你能用 DNA 连接酶将它们连接起来吗？ 　　 ______ 和 ______ 能连接形成重组 DNA ； 　　 ______ 和 ______ 能连接形成重组 DNA ； 　　 ______ 和 ______ 能连接形成重组 DNA ； 　　 ______ 和 ______ 能连接形成重组 DNA 。

细菌和人是差异非常大的两种生物 , 通过基因重组后 , 细菌能够合成人体的胰岛素，这说明了什么？

人和细菌共用一套遗传密码

人和细菌遗传物质 (DNA) 的结构和化学组成相同

人体胰岛素的 DNA mRNA 人的胰岛素

从大肠杆菌说起从大肠杆菌说起干扰素：

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