6.2 基因工程及其应用 1 ．你知道为什么能把人的基因“嫁接”到细菌上吗？你能 推测出，这种基因的“嫁接”是怎么实现的吗？你能举出一 些类似的、与你的生活关系很密切的例子吗？ 提示：此节“问题探讨”以基因工 程菌的实例，引导学生思考基因工 程的原理。为启发学生思考，教师 可引导学生回忆前面学过的遗传学 知识，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。 问题 探讨 01 PART 基因工程的原理 ● 基因工程的基本工具 ● 基因工程的操作程序 基因工程的原 基因工程的原理理 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，把一种生物的某种基因提取出来，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。 基因工程是在 DNA 上进行的分子水平的设计施工，需要有专门的工具。 “基因剪刀”、“基因针线”和“基因的运载体”是基因工程最基本的工具。 基因工程的工 基因工程的原理具 基因的“剪刀” 基因的“剪刀”指的是限制性核酸内切酶（以下简称限制酶）。 一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割 DNA 分子 ，断裂磷酸二酯键。 G A A T T C EcoRI 限制酶 例如，大肠杆菌中的一 C T T A AG 种叫做 EcoRI 的限制酶，能够 专一识别 GAATTC 的序列， 并在 G 和 A 之间将这段序列 G A A T T C 切开。 C T T A A 黏性末端 G 黏性末端 基因工程的工 基因工程的原理具 基因的“剪刀” 基因的“剪刀”指的是限制性核酸内切酶（以下简称限制酶）。 一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割 DNA 分子 ，断裂磷酸二酯键。 C C C G GG SmaI 限制酶 例如，粘质沙雷氏菌中 GG GC CC 的一种叫做 SmaI 的限制酶， 能够专一识别 CCCGGG 的序 列，并在 C 和 G 之间将这段 C C C C C C 序列切开。 G G G G G G 平末端 平末端 基因工程的工 基因工程的原理具 1 ．如果把两种来源不同的 DNA 用同一种限制酶来切割，会怎样呢？ G A A T T C EcoRI 限制 G A A T T C C T T A AG C T T A AG EcoRI 限制酶 酶 G A A T T C G A A T T C C T T A A 黏性末端 G C T T A A 黏性末端 G 黏性末端 黏性末端 会产生相同的黏性末 端 基因工程的工 基因工程的原理具 基因的“针线”两种来源不同的 DNA 用同种限制酶切割后，末端可以相互 黏合，但是，这种黏合只能使互补的碱基连接起来，脱氧核糖和磷酸交替连接而 构成的 DNA 骨架上的缺口，需要靠 DNA 连接酶来“缝合”，形成磷酸二酯键。 例如，根据酶的来源不同，可以将这些酶分为两类：一类是从大肠杆菌中 分离得到的，称为 E∙coli DNA 连接酶；另一类从 T4 噬菌体中分离出来的，称为 T4DNA 连接酶。 E∙coli DNA 连接酶—黏性末端 T4DNA 连接酶—黏性末端或平末端 基因工程的工 基因工程的原理具 例如： E∙coli DNA 连接酶—黏性末端 G A A T T C G A A T T C C T T A AG C T T A AG EcoRI 切此位点 双链断开 G A A T T C C T T A A G G C T T A A A A T T C G 不同来源的 DNA 片段结合 E∙coli DNA 连接酶 G A AT TC C T T A AG 基因工程的工 基因工程的原理具 DNA 基因的运载体要将外源基因送 入受体细胞，还需要有专门的运输工 具，这就是运载体。目前常用的运载 体有质粒、噬菌体和动植物病毒等。 质粒存在于许多细菌以及酵母菌等生 物的细胞中，是拟核或细胞核外能够 自主复制的很小的环状 DNA 分子。 大肠杆 菌细胞 质粒 抗生素 抗性基因 控制质粒 DNA 转 移的基因 基因工程的程 基因工程的原理序 基因工程的操作一般要经历如 下图所示的四个步骤： 提取目的基因 （一） 目的基因与运载体结合 （二） （三） 将目的基因导入受体细胞 （四） 目的基因的检测与鉴定 02 PART 基因工程的应用 ● 基因工程与作物育种 ● 基因工程与药物研制 基因工程的应 基因工程的应用用 1993 年，中国农业科学院的科学家成功地培育出了抗棉铃虫的转基因抗虫棉 ，抗虫的基因来自苏云金杆菌。苏云金杆菌形成的伴胞晶体是一种毒性很强的蛋 白质晶体，能使棉铃虫等鳞翅目害虫瘫痪致死。 作物育种 基因工程的应用 抗虫棉的培育过程 将（重组质粒） 目的基因导入棉 花受体细胞 插入新基因 的 DNA DNA 连接酶连接 农杆菌 T-DNA Ti 质粒 同种限制酶切割 重组质粒 棉花细胞 抗虫棉植株 苏云金杆菌 植物的组织培养 毒蛋白（ BT ）基因 药物研制 基因工程的应用 1978 年，科学家将人体内能够产 生胰岛素的基因与大肠杆菌的 DNA 分 子重组，并且在大肠杆菌内获得成功的 表达。 用基因工程方法生产的药物还有 干扰素、白细胞介素、溶血栓剂、凝血 因子，以及预防乙肝、霍乱、伤寒、疟 疾的疫苗，等等。 03 PART 转基因生物 和转基因食品的安全 性 ● 转基因生物和转基因食品的安全性 食品的安全性 转基因生物和转基因 一种观点 转基因生物和转基因食品不安 全，要严格控制 1. 一个简陋的小实验室，就能把艾滋病病 毒与感冒病毒组装到一起，使艾滋病病毒 像感冒一样，大范围地传播。 2.1999 年 5 月 20 日的《自然》杂志报导： 帝王蝶的幼虫在吃了某种转基因玉米的花 粉沾染过的牛奶草叶子后，近一半的个体 死亡，幸存的也不能正常发育。 某些公司曾利用基因工程技术让细菌生产 牛的生长激素（ BST ），然后定期给奶牛 注射 BST ，使奶牛分泌更多的乳汁。但是 ，注射 BST 的奶牛，乳房感染更为频繁， 必须用抗生素治疗，结果导致乳汁中含有 抗生素。 ...... 另一种观点 转基因生物和转基因食品 是安全的，应该大范围推广 1. 转基因食品的构成与非转基因食品一样 ，都是由氨基酸、蛋白质和碳水化合物等 物质组成的，从理论上分析是安全的。 2. 对转入了苏云金杆菌基因的西红柿进行 毒性分析表明，这种转基因西红柿对人体 健康没有影响。 3. 转基因作物能使贫穷国家的亿万人口摆 脱饥饿，同时还能减少使用农药引起的环 境污染。 4. 对于一种转基因食品，只要不能证明它 不安全，就应该视为安全。否则就可能因 为无休止的争论，而耽误了科学技术发展 的时机。 ...... 1 ．你认为应该如何对待转基因生物和转基因食品的 安全性问题？ 思考与讨论 提示： a ．趋利避害 , 而不 能因咽废食 b ．建立相应的法 规 , 如 1993 年制定的《基因工 程安全管理办法》和 2002 年 颁布的《农业转基因生物标识 管理办法》 04 课后练习 PART ● 课后练习 一、基础题 1 ．简述基因工程操作的几个步骤。 提示：基因工程的操作通常包括以下 4 步： (1) 获得目的基因 ( 外源基 因 ) ； (2) 目的基因与运载体结合，形成重组 DNA 分子； (3) 将重组 DNA 分子导人受体细胞； (4) 目的基因的检测与表达。 2 ．假如用限制性内切酶 EcoRI 处理以下的 DNA 序列，会产生几个片段？请先 写出下面的 DNA 序列的互补链，然后标出酶切位点。 ATCTCGAGACTGATTGGCCTTAAGCTCGAGATGACCATGGCCAGGCTCGAGCTGATGA ATCTCGAGACTGATTGGCCTTAAGCTCGAGATGACCATGGCCAGGCTCGAGCTGATGA TAGAGCTCTGACTAACCGGAATTCGAGCTCTACTGGTACCGGTCCGAGCTCGACTACT 课后练习