高中生物人教选修三学案12 基因工程的基本操作程序 学案.docx
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高中生物人教选修三学案12基因工程的基本操作程序学案
1.2 基因工程的基本操作程序
1.掌握目的基因获取的常见方法。
(难点) 2.学会基因表达载体构建的方法和要求。
(重、难点) 3.理解目的基因导入受体细胞的具体过程。
(重点) 4.掌握目的基因检测与鉴定的具体操作。
一、目的基因的获取(阅读教材P8~P11)
.目的基因:
主要是指编码蛋白质的基因,也可以是一些具有调控作用的因子。
.目的基因的获取方法
(1)从基因文库中获取
①基因文库:
将含有某种生物不同基因的许多DNA片段,导入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的基因,称为基因文库。
②种类
③提取依据:
基因的核苷酸序列、基因的功能、基因在染色体上的位置、基因的转录产物mRNA,以及基因的表达产物蛋白质等特性。
(2)利用PCR技术扩增目的基因
①PCR的含义:
是一项在生物体外复制特定DNA片段的核酸合成技术。
②目的:
短时间内大量扩增目的基因。
③原理:
DNA双链复制。
④过程
第一步:
加热至90~95℃,DNA解链;
第二步:
冷却至55~60℃,引物结合到互补DNA链;
第三步:
加热至70~75℃,热稳定DNA聚合酶(Taq酶)从引物起始进行互补链的合成。
如此重复循环多次。
⑤特点:
指数形式扩增。
(3)人工合成
如果目的基因较小,核苷酸序列又已知,可通过DNA合成仪用化学方法人工合成。
二、基因表达载体的构建(阅读教材P11)
1.构建基因表达载体的目的
(1)使目的基因在受体细胞中稳定存在,并且可以遗传给下一代。
(2)使目的基因能够表达和发挥作用。
2.基因表达载体的组成
基因表达载体的组成
两子启动和终止;目的基因在中间;标记基因来筛选。
3.基因表达载体的功能:
通过基因表达载体将目的基因导入受体细胞。
三、将目的基因导入受体细胞(阅读教材P11~P13)
.转化的概念:
目的基因进入受体细胞内,并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。
.将目的基因导入植物细胞
(1)农杆菌转化法:
将目的基因导入双子叶植物和裸子植物。
(2)基因枪法:
将目的基因导入单子叶植物常用的方法。
(3)花粉管通道法:
我国科学家独创的一种方法。
将目的基因导入动物细胞
(1)方法:
显微注射法。
(2)常用受体细胞:
受精卵。
4.将目的基因导入微生物细胞
(1)方法
①用Ca2+处理细胞,使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态(这种细胞称为感受态细胞)。
②感受态细胞吸收重组表达载体DNA分子。
(2)受体细胞:
原核细胞(使用最广泛的是大肠杆菌细胞)。
(3)原核生物的特点:
繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少等。
四、目的基因的检测与鉴定(阅读教材P13~P15)
分子水平检测
(1)检测转基因生物的DNA上是否插入了目的基因。
方法:
DNA分子杂交技术。
(2)检测目的基因是否转录出mRNA。
方法:
分子杂交技术。
(3)检测目的基因是否翻译成蛋白质。
方法:
抗原—抗体杂交技术。
个体生物学水平鉴定:
抗虫、抗病、抗逆性状的有无及程度。
连一连
判一判
(1)所有的目的基因都可从基因文库中直接获得。
(×)
(2)基因工程操作程序的核心步骤是目的基因的获取。
(×)
分析:
核心步骤为基因表达载体的构建。
(3)标记基因的作用是为了鉴别受体细胞中是否含有目的基因,从而将含有目的基因的细胞筛选出来。
(√)
(4)目的基因导入双子叶植物一般采用农杆菌转化法。
(√)
(5)基因工程常用的受体细胞都是动植物的体细胞。
(×)
(6)(2018·西宁高二期末)基因工程是否成功需进行个体生物学水平上的鉴定。
(√)
目的基因的获取
探究1 目的基因获取的方法
结合下面过程,探究获取目的基因的方法:
类型
(1)
(2)
(3)
(4)
过程
获取方法
基因组文库
部分基因文库(如cDNA文库)
PCR技术扩增
人工合成
探究2 比较PCR技术与DNA复制的不同点
项目
DNA复制
PCR技术
解旋方式
解旋酶催化
DNA在高温作用下变性解旋
场所
细胞内(主要在细胞核内)
细胞外(主要在扩增仪内)
酶
解旋酶、普通的DNA聚合酶等
耐热的DNA聚合酶(Taq酶)
温度条件
细胞内温和条件
需控制温度,在较高温度下进行
合成的对象
DNA分子
DNA片段或基因
四种获取目的基因方法的比较
方法
基因文库的构建
PCR技术扩增
人工合成
基因组文库
部分基因文库
(如cDNA文库)
优点
操作简单
专一性强
可在短时间内大量扩增目的基因
专一性强,可产生自然界中不存在的新基因
缺点
工作量大、盲目性大、专一性差
操作过程较麻烦,技术要求过高
需要严格控制温度、技术要求高
适用范围小
突破1 目的基因的获取方法
1.下列有关获取目的基因方法的叙述,错误的是( )
A.直接分离目的基因的方法的优点是操作简便,缺点是工作量大,具有一定的盲目性
B.由于真核细胞的基因含有不表达的DNA片段,一般使用人工合成的方法
C.目前人工合成基因的方法主要有两种,分别是反转录法和化学合成法
D.PCR技术的原理是DNA复制,需要RNA聚合酶催化DNA合成
解析:
选D。
PCR技术的原理是DNA分子的复制,需要耐高温的DNA聚合酶催化DNA合成,并以脱氧核苷酸等为原料。
2.(2018·湖北黄冈高二期中)如图表示基因工程中获取水稻某目的基因的不同方法。
下列相关叙述中正确的是( )
A.三种方法都需要酶并均在体外进行
B.①②③碱基对的排列顺序均相同
C.三种方法均属于人工合成法
D.方法a不遵循中心法则
解析:
选A。
这三种方法都是在体外进行的,且都用到酶(方法a需要逆转录酶和DNA聚合酶;方法b需要限制酶;方法c需要DNA聚合酶),A正确;通过方法a得到的目的基因不含有内含子,通过方法c得到的目的基因的碱基序列可能有多种,因此①②③碱基对的排列顺序不都相同,B错误;图示a和c属于人工合成法,而b是从供体细胞的DNA中直接分离目的基因的方法,C错误;方法a遵循中心法则,D错误。
认清基因组文库法与逆转录法获取目的基因的不同
(1)酶:
前者需要限制酶;后者需要逆转录酶。
(2)原料:
前者不需要原料;后者需要脱氧核苷酸。
(3)结构:
前者基因中含有启动子,能转录;后者基因中没有启动子,只将编码序列导入受体细胞,故无法进行转录。
突破2 PCR扩增过程
3.(2018·广州高二检测)以下为形成cDNA(图中的单链DNA)过程和PCR扩增过程示意图。
据图分析,下列说法正确的是( )
A.催化①过程的酶是RNA聚合酶
B.④过程发生的变化是引物与单链DNA结合
C.催化②⑤过程的酶都是DNA聚合酶,都能耐高温
D.如果RNA单链中A与U之和占该链碱基含量的40%,则一个双链DNA中,A与U之和也占该DNA碱基含量的40%
解析:
选B。
由题意可知,①②③④⑤分别表示逆转录、DNA的复制、DNA解链、引物结合到互补DNA链及互补链的合成,B对;①过程由逆转录酶催化完成,A错;催化②⑤过程的酶都是DNA聚合酶,过程⑤是在70~75℃的高温条件下进行的,只有该过程中的酶需耐高温,C错;在DNA分子中有T无U,D错。
基因表达载体的构建和目的基因的导入
探究1 基因表达载体的组成及构建
(1)结合基因表达载体模式图分析其组成
①基因表达载体的组成:
[a]启动子+[b]终止子+[c]标记基因+[d]复制原点+[e]目的基因。
②目的基因的表达需要调控序列,因而用作载体的质粒,在目的基因插入部位之前需要有启动子,之后需要有终止子。
③鉴别目的基因是否导入受体细胞中需要有筛选标记——标记基因。
(2)结合构建过程分析
图中①为同一种限制酶,②为DNA连接酶。
探究2 目的基因导入受体细胞
(1)农杆菌转化法的分析
①由图示可知,目的基因插入到Ti质粒的TDNA上形成基因表达载体。
②基因表达载体(重组质粒)导入农杆菌细胞时,要用Ca2+处理农杆菌细胞,使其处于感受态,利于重组质粒的导入。
③由导入目的基因的受体细胞培育到完整的植株要用到植物组织培养技术。
(2)目的基因在受体细胞中的位置不同会引起遗传上的差别
①图中b会使目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达,原因是在进行细胞减数分裂时,细胞核上的DNA经复制后平均分配到两个子细胞中,保证了亲子代遗传性状的稳定性。
②图中a细胞减数分裂时,细胞质是不均分的,子细胞不一定含有目的基因。
怎样操作可促进单子叶植物受农杆菌的感染?
提示:
可在单子叶植物受损处加涂酚类物质来吸引更多的农杆菌感染。
1.基因表达载体的组成
2.不同受体细胞的常用导入方法
生物种类
植物细胞
动物细胞
微生物细胞
常用方法
农杆菌转化法
显微注射法
Ca2+处理法
受体细胞
体细胞
受精卵
原核细胞
转化过程
目的基因插入Ti质粒的TDNA上→导入植物细胞→整合到受体细胞的DNA中→表达
目的基因表达载体提纯→取卵(受精卵)→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的动物
Ca2+处理细胞→感受态细胞→表达载体与感受态细胞混合→感受态细胞吸收DNA分子
交汇点1 启动子、终止子和起始密码子、终止密码子
(1)启动子、终止子是基因表达载体上的具有特殊结构的____________片段。
(2)起始密码子、终止密码子是____________上的三个相邻碱基。
交汇点2 复制原点和启动子
(1)复制原点位于载体的开始端,驱动载体的________,若复制原点被破坏,则重组载体将不能得以复制。
(2)启动子则位于某基因的首端,负责驱动该基因的________。
答案:
交汇点1
(1)DNA
(2)mRNA
交汇点2
(1)自我复制
(2)转录
突破1 基因表达载体的构建
1.(2018·河北黄骅中学高二期中)如图是利用基因工程技术培育转基因植物,生产可食用疫苗的部分过程示意图,其中PstⅠ、SmaⅠ、EcoRⅠ、ApaⅠ为四种限制性核酸内切酶。
下列说法错误的是( )
A.图示过程是基因工程的核心步骤
B.表达载体构建时需要用到限制酶SmaⅠ
C.抗卡那霉素基因的存在有利于将含有抗原基因的细胞筛选出来
D.除图示组成外,表达载体中还应该含有启动子和终止子等结构
解析:
选B。
图示过程为基因表达载体的构建过程,是基因工程中的核心步骤。
构建过程中需要将目的基因完整切割下来,此时要用到限制酶PstⅠ、EcoRⅠ。
抗卡那霉素基因是标记基因,目的是便于鉴定和筛选含有目的基因的细胞。
基因表达载体包括复制原点、启动子、目的基因、终止子和标记基因等。
突破2 将目的基因导入受体细胞
2.将目的基因导入玉米茎尖分生区细胞和小鼠受精卵,分别应采用的方法是( )
A.显微注射法、农杆菌转化法
B.基因枪法、花粉管通道法
C.农杆菌转化法、显微注射法
D.基因枪法、显微注射法
解析:
选D。
玉米是单子叶植物,对单子叶植物来说,将目的基因导入受体细胞常用的方法是基因枪法;对于动物细胞来说,常用的方法是显微注射法。
3.下列关于目的基因导入受体细胞的叙述,不正确的是( )
A.利用基因枪法将目的基因导入植物细胞的方法比较经济、有效
B.显微注射技术是转基因动物中采用最多的方法
C.大肠杆菌最常用的转化方法是:
使细胞的生理状态发生改变
D.农杆菌转化法是将目的基因导入植物细胞最常用的方法
解析:
选A。
将目的基
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