【高中生物】选修3 《现代生物科技专题》专题1 基因工程

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。

二、基因

1.“分子手术刀”——限制性核酸内切酶（限制酶）

（1）来源：主要来源于原核生物

（2）功能：能够识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列，并且使两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开，因此具有专一性。

（3）结果：产生黏性末端或平末端。

2.“分子缝合针”——DNA连接酶

(1)种类（根据来源）：E·coliDNA连接酶和T₄ DNA连接酶

(2)作用：将切下来的DNA片段拼接成新的DNA分子，形成磷酸二酯键。

（3）E·coliDNA连接酶和T₄DNA连接酶的区别：

E·coliDNA连接酶只能将双链DNA片段互补的黏性末端之间的磷酸二酯键连接起来；

T₄DNA连接酶能缝合两种末端，但连接平末端的之间的效率较低。

(4)DNA连接酶与DNA聚合酶作用的异同:­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

DNA聚合酶只能将单个核苷酸加到已有的核苷酸片段的末端，形成磷酸二酯键。

DNA连接酶是连接两个DNA片段的末端，形成磷酸二酯键。

3.“分子运输车”——基因进入受体细胞的载体

（1）载体具备的条件：①能在受体细胞中复制并稳定保存；

②具有一至多个限制酶切割位点，供外源DNA片段插入；

③具有标记基因，供重组DNA的鉴定和选择。

（2）最常用的载体是­­质粒,它是一种裸露的、结构简单的、独立于细菌拟核DNA之外，并具有自我复制能力的环状DNA分子。

（3）其它载体：λ噬菌体的衍生物、动植物病毒

三、基因工程的基本操作程序

第一步：目的基因的获取

1.目的基因是指：编码蛋白质的结构基因或一些具有调控作用的因子。

2.目的基因的获取方法：

①从基因文库中获取：基因组文库和部分基因文库（如cDNA文库）

      ②利用PCR扩增技术扩增目的基因     

③化学方法人工合成

3．PCR技术扩增目的基因

（1）原理：DNA双链复制    

（2）过程：变性（90～95℃）：DNA解链、

复性（55～60℃）：引物结合到互补DNA链

延伸（70～75℃）：热稳定DNA聚合酶从引物起始互补链的合成

第二步：基因表达载体的构建（基因工程的核心）

1.构成：目的基因＋启动子＋终止子＋标记基因+复制原点

（1）启动子：是一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端，是RNA聚合酶识别和结合的部位，能启动基因转录出mRNA，最终获得所需的蛋白质。

（2）终止子：也是一段有特殊结构的DNA片段 ，位于基因的尾端，终止基因的转录。

（3）标记基因：一段特殊的基因序列，主要是为了鉴定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，常用的标记基因是抗生素抗性基因。

2.构建基因表达载体的目的：

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；使目的基因能够表达和发挥作用。

第三步：将目的基因导入受体细胞

1.转化：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。

2.常用的转化方法：

①植物细胞：农杆菌转化法（最常用）、基因枪法和花粉管通道法等，受体细胞一般是植物体细胞

②动物细胞：显微注射技术，受体细胞多是受精卵

③微生物细胞：早期的基因工程都用原核细胞作为受体细胞，其中以大肠杆菌最为广泛。转化时往往先用Ca²⁺  处理细胞，使其成为感受态细胞，

第四步：目的基因的检测和表达

①检测转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因——DNA分子杂交技术

②检测目的基因是否转录出了mRNA——分子杂交技术

③检测目的基因是否翻译成蛋白质——抗原－抗体杂交

④有时还需进行个体生物学水平的鉴定，如转基因抗虫植物是否出现抗虫性状。

四、基因工程的应用

1.植物基因工程的应用

植物基因工程技术主要用于提高农作物的抗逆能力（如抗除草剂、抗虫、抗病、抗干旱和抗盐碱等）以及改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面。

⑴提高抗逆性：①常用抗虫基因：用于抗虫（杀虫）的基因主要是Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等。

②常用抗病基因：抗病毒基因——病毒外壳蛋白基因和病毒的复制酶基因

抗真菌基因——几丁质酶基因和抗毒素合成基因

③其他抗逆基因：如抗盐碱和干旱的调节细胞渗透压基因、抗冻基因、抗除草剂基因等等。

⑵改良植物品质

⑶生产药物：如人胰岛素、人生长激素、人脑激素、α－干扰素、乙肝疫苗等基因工程药物已实现商品化。

⒉动物基因工程的应用：用于提高动物生长速度；用于改善畜产品的品质；用转基因动物做器官移植的供体。

⒊基因治疗

⑴概念：把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的，是治疗遗传病的最有效的手段。

⑵方法：体外基因治疗和体内基因治疗

①体外基因治疗：先从病人体内获得某种相关细胞，进行培养，然后在体外完成基因转移，再筛选成功转移的细胞扩增培养，最后重新输入患者体内。

②体内基因治疗：直接向人体组织细胞中转移基因的治疗方法叫做体内基因治疗。

五、蛋白质工程

1.实质：根据蛋白质的结构与功能之间的关系，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造或创造自然界不存在的蛋白质。

2.基本原理：预期蛋白质功能→设计预期蛋白质的结构→推测应有的氨基酸序列→找到对应的脱氧核苷酸序列→合成具有预期功能的蛋白质

3.蛋白质工程与基因工程区别