基因工程操作的主要步骤
课 题：基因工程操作的主要步骤
学习重点：理解植物组织培养技术的基本原理和方法步骤；
单克隆抗体及其应用。
学习过程：
导言：
现代生物工程技术是一项发展迅速、功效神奇的，高新技术，为解决人类面临的粮食、资源与能源，环境与健康等重大问题开辟了新的途径，蕴藏着巨大的经济潜力和社会效益。近代生物工程的核心实质上是基因工程，具体地说，基因工程就是把—种生物的主要遗传物质DNA分子的片段提取出来，在体外进行切割，彼此搭配，重新“缝合”，再引入到另一种生物的活细胞内，使两者的遗传物质结合起来，以改变其遗传结构，创造新物种或新品种。基因工程是目前社会普遍关注的热点，而且与中学学习密切相关。
1.基因工程操作的主要步骤
(1)目的基因的制备：目的基因就是基因工程所要转移的基因或人工合成所需基因。分离目的基因首先要确定目的基因在组织中的DNA分子上的位置.然后运用有切割作用的限制内切酶切割DNA分子而获得。
(2)重组DNA：在体外条件下，把目的基因与某一载体连接在—起，形成杂种DNA分子。目前采用的载体主要是细菌质粒、某些噬菌体和病毒。现在流行的转基因技术是在生物自身基因组中插入外源基因，完成 DNA重组。
(3)重组DNA的表达：重组得到的DNA杂种分子，在合适条件下复制增殖并使日的基因在载体组织中通过控制蛋白质的合成而得以表达，从而体现目的基因原来控制的性状。
2人类基因组计划（HGP）
每个人类体细胞中的细胞核中包含分别来自父本和母本的两套染色体。基因组就是每套染色体上的全部基因，基因组包括全部遗传特征。人类基因组计划 (HGP)的目标就是绘制四张图，每张图均涉及人类一套染色体的常染色体和性染色体。具体情况如下：两张·
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图的染色体排列都标明人类全部大约10万个基因的位置(其中一张图用遗传单位表示基因间的距离；另一张图用棱苷酸数目表示基因间的距离)；一张图显示染色体上全部DNA约30亿个碱基对的排列顺序，还有一张是基因转录图。
(1)合成的该胰岛素含有51个氨基酸，由二条肽链组成，那么决定它的合成的基因至少应合有碱基——个，若核苷酸的平均分子量为300，则与胰岛素分子对应的mRNA的分子量应为__________________；若氨基酸的平均分子量为90，该胰岛素的分子量约为_________________。
(2)不同生物间基因移植成功，说明生物共有_____套_________________，从进化的角度看，这些生物具有_________________。
(3)某个DNA分子被“嫁接”上或“切割”掉某个基因，实际并不影响遗传信息的表达功能。这说明 ________________
(4)该工程应用于实践，将给农业、医药等诸多领域带来革命，目前已取得了许多成就，请你列举你所知道的或你所设想应用该工程的三个具体实例：_________________
解析：
(1)根据基因(DNA)上的碱基数：mRNA碱基数：氨基酸数=6:3:1，所以，该基因中至少应含有碱基数306个；该mRNA的分子量为51×3×300=459000。根据肽键数=基酸数-肽链数，所以合成该胰岛素时，形成的肽键数等于失去的水分子数：51-2=49；则胰胰岛素的分子量为5l×90-49×18=3708。
(2)胰岛素基因移植人大肠杆菌，并在大肠杆菌体内得以表达产生了胰岛素，说明生物中的遗传密码都是一样的。从进化论的角度看，这也说明这些生物有着共同的原始祖先。
（3）因为基因是遗传效应的DNA片段。
(4)将抗病毒基因嫁接到水稻体中，形成抗病毒水稻新品种；将人的血型基因移人猪体内，培育人血的猪；将干扰素基因移入细菌体内，培育出能产生干扰素的细菌。
例2：随着料学技术的发展，化学农药的产量和品种逐年增加。但害虫的抗药性也不断增强，对农作物危害仍然很严重，如近年来，棉铃虫在我国大面积爆发成灾，造成经济损失每年达100亿元以上，针对这一情况，江苏农科院开展“转基因抗虫棉”的科技攻关研究，成功地将抗虫基因导入棉花细胞中，得到的棉花新品种批准正式启动。目前参加计划的有美、英、日、德，法、中六田的科学家。2000年6月26日已公布了人类基因组草图，整个计划预计于2003年全部完成。
3.基因工程是把双刃剑
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基因工程具有重要的实践意义。(1)在农业上，利用基因工程进行特异基因的转移，培育高产、优质、抗病的沈良植物新品种，如通过转基因创造抗病、抗虫、抗旱、抗除草剂、抗污染的植物新类型，通过固氮基因的转移，解决肥料问题等。(2)在工业上，基因工程在抗生素工业中已初步显示出巨大潜力，把产生抗生素的遗传基因移植到发酵时间短，又易于培养的某些细菌细胞中，必将大大提高抗生素的产量。如果家蚕产生丝蛋白的遗传物质转移到细菌中，使细菌合成丝蛋白，则将在发酵罐中获得蚕丝，使整个蚕丝生产工业化。 (3)在医药上胰岛素的基因工程早已获得成功。基因药物已成为世界市场上最大宗的生物技术产品。(4) 1990年美国利用转基因技术将正常酶导人基因缺陷组.织得以表达，首例基因治疗成功。1991年我国基因疗法治疗血友病成功。(5)转基因动物为人类器官移植提供广泛的前景等。(6)对研究生物进化有重要意义等。
然而，基因工程也会给人类带来严重的灾难。如基因工程可以制造超级细菌、超级杂草等，战争狂人、恐怖主义者可制造出难以制服的病原体、生物毒剂即生物武器，进行讹诈和大规模毁灭人类的生物战争；转基因动植物的出现引发物种入侵，有可能破坏原有的生态平衡，对原有物种产生威胁；还有转基因食品安全问题；人类基因组计划的研究引发新的伦理、社会、哲学方面的思考等，
4.解题技巧剖析
例1：1978年美国科学家利用工程技术，将人类胰岛基因拼接到大肠杆菌的DNA分子中，然后通过大肠杆菌的繁殖，生户出了人类胰岛素。请回答：
(1)上迷人类胰岛素的合成是在二处进行的，其决定氨基酸排列顺序的mRNA的模板是由____________基对棉铃虫的毒杀效果高达80%以上。请回答下列问题：
(1)害虫抗药性的增强是_________的结果。
(2)“转基固抗虫棉”抗害虫的遗传信息传递过程可以表示为______________。
(3)该项科技成果在环境保护上的重要作用是
_________________________________
(4)科学家们预言，此种“转基因抗虫棉”独立种植若干代以后，也将出现不抗虫的植株，此现象来源于____________________________________________。
解析：(1)农药对害虫抗药性的变异进行定向的选择，使抗药性强的个体生存下来，经过逐代积累，使害虫的抗药性得以增强。
(2)基因是生物性状的内在控制因素，基因对生物性状的控制可通过中心法则来体现：
DNA(基因)→RNA→蛋白质
(3)该项科技成果在环境保护上的重要作用是减少农药对环境的污染，保护生态平衡
(4)此种“转基因抗虫棉”独立
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种植若干代以后，也将出现不抗虫的植株，说明基因发生了变化，此现象来源于基因突变。
例3：1999年启动的人类基因组计划(HGP)，历经艰辛和竞争，在2000年6月26日宣布；人类基因组计划草图已经绘就，所公布的人类基因组草图包含人体 90%以上的碱基对的位置信息。HGP的目标是：为人类基因组的30亿个碱基对精确测序，识别各个基因在染色体上的位置及各DNA片段的功能，弄清每种基因所控制合成的蛋白质及其作用。
人类基因组蕴含着人类生老病死的绝大多数遗传信息，读出它将为认识人类进化、种族血缘、寿命衰老、疾病诊断和治疗等现象找到金钥匙。
科学家宣称；“基因是未来医学的基础”他们希望尽快找出致病基因，开发出药物并及时加以治疗。目前科学家已能对确定的基因进行治疗和开展其他工作。如血友病是由于患者血液内缺少一种称为凝血因Ⅷ而导致的出血性疾病，严重时可致患者死亡。这是一种遗传病，病根就在于基因缺陷，以美国为例，全美凝血因子ⅷ的年需要量为120g。过去这120 g凝血因子Ⅷ需要,1.20×106L血浆中提取，以每人献血120ml计，就需要600万名献血者提供血浆才能满足。但目前这样的病人只要通过喝一种牛奶就能达到治疗的效果。
根据上迷材料回答下列问题：
(1)“人类基因组计划”需要测定人类的24条染色体的基因和碱基序列。指出是哪34条染色体?为什么不是测定23条染色体或46条?
(2)可以治疗血友病的牛奶是怎样获得的?
(3)彻底治疗血友病的办法是什么?
(4)你认为完成“人类基因组计划”有什么重要意义?
解析：(1)主要从人类体细胞染色体组成上来考虑；人的体细胞中含有2个染色体组，共23对(即46条)染色体，其中22对常染色体与1对性染色体，人类的性染色体为XY型，由于Y染色体很短，与X染色体有同源部分，也有不同源部分，所以X染色体与Y染色体具有不同的基因，其碱基顺序不同。则测定的是22条常染色体阳x、Y两条性染色体。原因是X与Y染色体具有不同的基因和碱基顺序，而同源染色体之间相同位置上定位的基因相同或为等位基因，无需再测。
(2)利用基因工程，从人身上得到产生凝血因子Ⅷ(一种蛋白质)的基因，然后通过转基因技术，使奶牛带有人体的这—基因，并能使奶牛在产奶时产生凝血因子Ⅷ。
(3)进行基因治疗，即对血友病患者的不正常基因(致病基因)进行“修补”，使其成为正常的基因。
(4)要从“人类基因组计划”
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对生命科学研究、对入类医疗卫生工作、对社会经济的发展等多方面去考虑，分析这项研究工作的意义。例如：在医药卫生上，对人类疾病的诊断和治疗意义重大，基因组研究在基因诊断、基因治疗、器官移植、遗传病的早期诊断和治疗上将发挥作用。此外，在药物合成的研制上，将会出现新的基因药品。因此研究的意义是：①有利于疾病的诊断和治疗：⑦有利于研究生物的进化；③有利于研究基因表达的调控机制。
例4：阅读下列信息，回答有关问题；
信息一：正在此间进行的联合国有关基因工程的谈判今天终于达成一项名为(联合国生物安全性议定书)的协议。这项协议对范围广泛的一系列食品、动物饲料和药物作出规定。协定规定的主要内容有：
(一)出口商品和进口商品在进行基因改性的生物活体(包括植物种于、动物甚至微生物)出口贸易时，必须达成明确的协议。
(二)要求买卖双方至少要提供某些证明，并根据类似于世界贸易组织内部协定的文件制订各方的义务。
(三)要求出口商声明货物中是否包含任何基因改性成分，但无需加以具体说明。
(四)协议旨在防止环境受到破环。
信息二：据估计：在1999年全世界在3.99×107hm2的农田种植了基因工程作物。
(1)你怎样理解基因工程的内涵?
(2)谈谈你对信息一第四项内容的初步理解并单一例说明。
(3)从生物工程技术发展趋势看，信息二说明了什么？
解析：本题通过对有关媒体消息的介绍，涉及对基因工程概念、原理、发展趋势以及基因工程产品与生物、环境安全性的关系的初步理解
(1)工程是将某一特定的基因，通过载体或其他手段送人受体细胞，使它们在受体细胞中繁殖并表达的一种遗传操作。
(2)首先是环境安全性的问题、转基因植物是否会影响到生物的多样性问题、是否会改变与之相关的物种如害虫的进化速度等问题、超级杂草是否会诞生。其次是食品安全性问题，在转基因植物里是否含有过敏源，是否会对食用者造成伤害，是否会造成肠道微生物的菌群失衡等。
(3)未来农业的发展主要靠基因工程。通过基因工程技术培育的优质、高产、抗逆性好的优良作物品种在新的世纪获得大面积推广，从而大幅度提高农作物产量和质量。
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