1_27-专题二十七　基因工程和生物技术的安全性与伦理问题.pptx

高考生物,新高考专用,专题二十七基因工程和生物技术的安全性与伦理问题,考点一基因工程(重组DNA技术),一、基因工程的基本工具1.限制酶(限制性内切核酸酶),知识拓展原核生物的限制酶不切割自身DNA的原因:原核生物中不存在该酶的识别序列或识别序列已经被修饰。,2.DNA连接酶,知识归纳与DNA相关的酶的比较,3.载体1)条件注意:标记基因便于重组DNA分子的筛选。2)种类:质粒(最常用)、噬菌体、动植物病毒等。3)作用:携带外源DNA片段进入受体细胞。4)特点:可在受体细胞中自我复制或整合到受体DNA上,随受体DNA同步复制。,二、基因工程的基本操作程序1.目的基因的筛选与获取1)目的基因:主要指能编码蛋白质的基因,如Bt抗虫蛋白基因等。2)筛选:从已知结构、功能清晰的基因中筛选是较为有效的方法之一。3)获取目的基因,知识拓展基因组文库和cDNA文库,4)PCR扩增目的基因,知识拓展引物设计(1)设计引物的原因:DNA聚合酶不能从头开始合成DNA,只能从引物的3端延伸DNA链。(2)引物设计原则设计两种引物,分别与DNA的两条链上的碱基互补配对:DNA是两条反向平行的双链,用两种引物才能确保DNA两条链同时被扩增。两种引物分别位于待扩增部位的两端(3端),且延伸方向相反,以确保目的片段全部被复制。,5335注意:可以在引物的5端添加酶切位点等修饰,3端不可以。,两种引物碱基序列不能互补。如图,应选择引物B、C扩增目的基因。,疑难突破思考引物结合位置不在模板链端部时,第几次循环才能出现双链等长的目标DNA片段?提示第三次循环(如图)。,2.基因表达载体的构建(核心工作)1)目的:使目的基因在受体细胞中稳定存在,并可遗传给下一代。2)基因表达载体的构成,3)构建过程,易混易错启动子和起始密码子启动子是DNA片段,启动转录过程,位于DNA上,与RNA聚合酶结合;起始密码子是RNA片段,是翻译的起始位点,位于mRNA上。,3.将目的基因导入受体细胞1)植物细胞(体细胞):农杆菌转化法、花粉管通道法。2)动物细胞(受精卵):显微注射法。3)原核细胞:常用Ca2+处理原核细胞,使之处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态,然后将重组的基因表达载体导入细胞。,疑难突破农杆菌细胞内含有Ti质粒,当农杆菌侵染植物细胞后,能将Ti质粒上的T-DNA转移到被侵染的细胞,并且将其整合到该细胞的染色体DNA上。,4.目的基因的检测与鉴定1)分子水平2)个体生物学水平:抗性实验。,疑难突破思考如果n个个体进行了转基因,其中n1个成功插入目的基因,n2个成功转录出mRNA,n3个成功表达出对应蛋白,n4个成功在个体水平表现出性状,那么这几个数字间的大小关系是什么?提示n1n2n3n4。基因控制蛋白质的合成需要经过转录和翻译的过程,且成功插入目的基因的个体,基因不一定能成功转录;若已成功转录出mRNA的个体,其翻译过程也不一定能顺利进行;若翻译过程顺利进行,成功表达出对应蛋白,由于还存在与环境的相互作用等情况,因此所控制的性状也不一定出现。,考点训练(请判断下列说法是否正确),1.DNA连接酶催化目的基因片段与质粒载体片段之间形成磷酸二酯键。()2.PCR中的每次循环一般都可分为变性、复性、延伸三步。()3.在PCR中使用的酶是解旋酶和Taq DNA聚合酶,其中后者的热稳定性较高。()4.外源DNA必须位于重组质粒的启动子和终止子之间才能进行复制。()5.启动子与DNA聚合酶结合,启动复制过程。(),答案1.2.3.在PCR中不需要解旋酶,通过高温(90 以上)使DNA分子解旋。4.外源DNA必须位于重组质粒的启动子和终止子之间才能进行转录。5.启动子是DNA片段,启动转录过程,与RNA聚合酶结合。,考点二基因工程的应用与蛋白质工程,一、基因工程的应用1.农牧业方面1)转基因植物:培育转基因抗虫植物、转基因抗病植物和转基因抗除草剂植物;改良植物的品质(如提高植物营养价值等)。2)转基因动物:提高动物的生长速率、改善畜产品的品质。,2.医药卫生领域1)对微生物或动植物的细胞进行基因改造,使它们能够生产药物,如利用乳腺生物反应器和基因工程菌获得重要医药产品。2)培育转基因克隆猪器官,解决人类器官移植供体器官不足和免疫排斥问题。3.食品工业方面:利用基因工程菌生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。,二、蛋白质工程1.概念,2.基本思路:从预期的蛋白质功能出发设计预期的蛋白质结构推测应有的氨基酸序列找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因获得所需要的蛋白质。,疑难突破思考蛋白质工程中为什么通过对基因操作来实现对天然蛋白质的改造?提示蛋白质一般具有十分复杂的空间结构,基因的结构相对简单容易改造;改造后的基因可以遗传给下一代,而直接改造蛋白质无法遗传。,考点训练(请判断下列说法是否正确),1.基因工程技术已被广泛用于改良动植物品质、提高作物和畜产品的产量等方面。()2.利用乳腺生物反应器生产人的血清白蛋白之前,需先将人的血清白蛋白基因导入乳腺细胞。()3.蛋白质工程可以合成自然界中不存在的蛋白质。()4.蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作的。()5.膀胱生物反应器制作时需将目的基因导入雌性受精卵。(),答案1.2.对于动物来说,应该用哺乳动物的受精卵作为受体细胞,而不能直接将基因导入乳腺细胞。3.4.蛋白质工程是在分子水平上对基因直接进行操作的。5.膀胱生物反应器对动物性别没有要求。,考点三DNA的粗提取与鉴定,1.实验原理,2.操作流程,考点训练(请判断下列说法是否正确),1.分离和提取DNA时,可选用猪血。()2.高浓度如2 mol/L的盐溶液可溶解DNA,并能除去在高盐溶液中不能溶解的杂质。()3.将溶有DNA的2 mol/L的NaCl溶液中加入二苯胺试剂,溶液会变蓝。(),答案1.猪等哺乳动物的成熟红细胞不含细胞核,猪血中DNA含量低,不易提取DNA。2.3.用二苯胺试剂鉴定DNA时,需要沸水浴。,考点四生物技术的安全性与伦理问题,一、转基因产品的安全性1.对转基因产品安全性争论的原因1)原本是自然造就的生命形式被人为改造后出现了全新特征。2)人们具有不同的价值观取向。人们所生活的国家或社会,政治制度、意识形态、宗教信仰、经济发展水平、历史背景、传统文化和伦理道德观念等的差异,决定了人们对转基因技术会有不同的见解。,2.理性看待转基因技术1)转基因作为一项技术本身是中性的,由这项技术研发出来的产品需要经过一系列的安全性评价,符合相应标准后才能上市。2)我国政策:研究上要大胆,坚持自主创新;推广上要慎重,做到确保安全;管理上要严格,坚持依法监管。,二、克隆技术引发的伦理问题1.生殖性克隆与治疗性克隆,2.我国禁止生殖性克隆人,不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人实验;主张对治疗性克隆进行有效监控和严格审查。,3.试管婴儿和设计试管婴儿1)试管婴儿过程:;设计试管婴儿过程:。后者比前者多了遗传学诊断过程,可避免存在某些缺陷的婴儿出生。2)相同点:试管婴儿与设计试管婴儿都要通过体外受精(有性生殖),并进行体外早期胚胎培养和胚胎移植。3)目的:试管婴儿技术主要是解决不孕夫妇的生育问题;设计试管婴儿技术主要用于治疗白血病、贫血症等。4)国家政策及伦理问题:设计试管婴儿需要经过国家有关部门的严格审批,不宜推广,并且要严防滥用。“设计完美婴儿”的想法与尊重自然、尊重生命的理念相冲突。,知识拓展基因组编辑,1.被编辑的细胞所需三种组分(1)人工合成的短链RNA:作为向导,与目的基因中希望被编辑的DNA序列结合。(2)核酸酶,如Cas9。特性:核酸酶可与短链RNA结合。作用:将与向导RNA结合的DNA切割下来。(3)模板DNA:合成正常的DNA,替换致病基因。,2.实例:美籍华裔生物学家张锋利用CRISPR/Cas9对哺乳动物细胞成功进行编辑。3.CRISPR/Cas9基因编辑技术工作过程(1)构建向导RNA,其中一段序列须和目标DNA相匹配。(2)将向导RNA附着在通用的“DNA切割蛋白”Cas9上,创建CRISPR工具。(3)将CRISPR工具引入目标细胞,向导RNA会找到与其匹配的DNA序列。(4)Cas9将DNA双链从某个位点剪断,从而使基因失活,或者再向切口处插入一个经过修饰的DNA片段。,三、禁止生物武器1.种类:致病菌类(如炭疽杆菌)、病毒类(如天花病毒)和生化毒剂类(如肉毒杆菌毒素)等。2.生物武器的特点:致病能力强、攻击范围广。3.传播途径:可直接或通过食物、生活必需品和带菌昆虫等散布,经由呼吸道、消化道和皮肤等侵入人、畜体内。4.我国的态度:三不一反对,即在任何情况下不发展、不生产、不储存生物武器,并反对生物武器及其技术和设备的扩散。,考点训练(请判断下列说法是否正确),1.种植转基因植物有可能因基因扩散而影响野生植物的基因多样性。()2.转入抗除草剂基因的植物,可能通过其花药传入环境中。()3.转基因作为一项技术本身是中性的,不可能存在安全性问题。()4.“设计试管婴儿”与“试管婴儿”相同。()5.生物武器可通过吸入、食用、接触、被带菌昆虫叮咬等途径侵入人体。(),答案1.2.3.虽然转基因作为一项技术本身是中性的,但由其生产的产品是否安全不得而知,还需要经过一系列的安全性评价才能确定。4.“设计试管婴儿”与“试管婴儿”不完全相同,前者胚胎移植前需对胚胎进行遗传学诊断。5.,提升限制酶的选择和标记基因筛选原理,1.限制酶的选择原则,图甲,图乙Ti质粒,1)选择在质粒和目的基因所在片段都有切割位点的限制酶。2)不能选在目的基因、启动子、终止子、复制原点等处有切割位点的限制酶,防止破坏这些元件。3)标记基因有多个时,至少保留一个标记基因。4)若用Ti质粒,目的基因必须插入T-DNA序列。5)为避免目的基因和质粒的自身环化、随意连接,可使用两种限制酶同时切割目的基因和质粒。综合图甲、图乙可知:最宜选用BamH和EcoR进行双酶切。,疑难突破假设切割目的基因的限制酶为Xba 和Sac,根据Ti质粒的T-DNA片段选择限制酶,图中甲、乙、丁Ti质粒均不宜选取,而丙Ti质粒宜选取。,2.载体上标记基因的筛选原理1)载体上的标记基因一般是一些抗生素的抗性基因,如氨苄青霉素抗性基因(AmpR)。2)目的基因要转入的受体细胞没有抵抗相应抗生素的能力。3)当含有抗生素抗性基因的载体进入受体细胞并表达后,使受体细胞能够抵抗相应抗生素,在受体细胞的培养体系中加入该种抗生素就可筛选转入载体的受体细胞(倘若在选择培养基中不能存活,则表明无携带抗性基因的载体转入,当然不会有“目的基因”转入。能存活的细胞应含该载体,且载体上的抗性基因表达),原理如图所示:,创新PCR定点突变技术,例PCR定点突变技术是最常用的基因定点突变技术,通过设计含有非特异性配对碱基的引物,再通过PCR将突变位点引入产物中。PCR定点突变技术可以分为重叠延伸PCR、大引物PCR等,重叠延伸PCR是发展最早的PCR定点突变技术。如图为重叠延伸PCR的技术流程,其中引物2和3的突起处代表与模板链不能互补的突变位点,而这两条引物有部分碱基(包括突变位点)是可以互补的。,基础设问(1)PCR技术中,需要什么酶来催化?(2)如何判断获得的丙DNA定点突变是否成功?(3)经过几次PCR1能获得产物甲DNA?创新设问(4)图中此技术需要使用几种引物?PCR1、PCR2、PCR4所需引物分别是什么?通过以上问题可以归纳出什么结论?(5)若和单链可以部分区段杂交,则对引物有何要求?PCR3需要引物吗?(6)PCR3是否可以用和进行扩增?原因是什么?,解题思路(1)PCR仪中设置的温度较高,需使用耐高温的DNA聚合酶(Taq DNA聚合酶)。(2)可通过DNA测序来检验定点突变是否成功。(3)可知经过2次PCR1才能获得产物甲DNA。(4)图中此技术需使用4种引物;PCR1所需引物为引物1和引物2,PCR2所需引物为引物3和引物4,PCR4所需引物为引物2和引物3。由于引物最终会成为扩增产物的一部分,因此引物的结合位置、引物的碱基序列差异会直接导致扩增出的产物不同。(5)一开始设计引物时,引物2和引物3需要能够互补配对,从而使和单链可以部分区段杂交。PCR3无需引物,或者说在扩增过程中,和互为引物和模板。(6)PCR3不能用和进行扩增。因为PCR技术扩增方向是从子链的53(即DNA聚合酶需从3羟基端添加游离的脱氧核苷酸)。,