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基因工程的基本操作程序 1. 教學(xué)目標(biāo) 1 知識(shí)目標(biāo) 嘗試分析某一轉(zhuǎn)基因生物的研制過(guò)程及基本操作程序 2 能力目標(biāo) 通過(guò)讓學(xué)生了解世界最前沿技術(shù),追蹤社會(huì)熱點(diǎn),提高學(xué)生收集處理信息能力,提高學(xué)生語(yǔ)言表達(dá)能力和信息交流能力,培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立動(dòng)手能力和合作態(tài)度。 3 情感態(tài)度與價(jià)值觀 ⑴通過(guò)對(duì)基因工程原理及基本操作程序的理解,掌握理論聯(lián)系實(shí)際的樸實(shí)觀念以及對(duì)當(dāng)今世界的前沿技術(shù)有更深刻的了解。 ⑵通過(guò)對(duì)四步基本操作程序的具體操作技術(shù)的學(xué)習(xí),增強(qiáng)學(xué)生愛(ài)科學(xué),學(xué)科學(xué)的情感和建設(shè)祖國(guó)的社會(huì)責(zé)任感,并且建立起知識(shí)創(chuàng)造價(jià)值,知識(shí)為人類服務(wù),使人類生活質(zhì)量更好的美好愿望。 2. 教學(xué)重點(diǎn)/難點(diǎn) 1 教學(xué)重點(diǎn) 基因工程基本操作程序的四個(gè)步驟 2 教學(xué)難點(diǎn) ⑴從基因文庫(kù)中獲取目的基因 ⑵利用PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因 3. 教學(xué)用具 4. 標(biāo)簽 教學(xué)過(guò)程 師:通過(guò)分析圖1-6我們知道基因工程的基本操作程序包括目的基因獲取、基因表達(dá)載體的構(gòu)建、將目的基因?qū)胧荏w、目的基因檢測(cè)與鑒定。 師:基因工程概念中的“更符合人們需要”的那個(gè)基因就是目的基因了,只有有了目的基因,我們才能賦予一種生物以另一種生物的遺傳特性,所以基因工程的基本操作的第一個(gè)環(huán)節(jié)就是目的基因的獲取。到底什么是目的基因呢? 師:目的基因主要是指編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因,如抗蟲(chóng)基因,抗旱基因。 師:怎樣才能獲得這些目的基因呢?獲取目的基因的方法有哪些呢? 學(xué)生閱讀書(shū)本討論. 師生歸納:(一)可從基因文庫(kù)中獲取目的基因。 師:通過(guò)討論分析我們已知什么是基因文庫(kù)了,那么基因文庫(kù)和基因組文庫(kù)有什么區(qū)別呢?可結(jié)合P10生物技術(shù)資料卡討論分析。 生:若一個(gè)基因文庫(kù)中包含了一種生物所有的基因,那么這種基因文庫(kù)就叫做基因組文庫(kù),若只包含了一種生物的一部分基因就叫做部分基因文庫(kù)。 師:怎樣從基因文庫(kù)中得到我們所要的目的基因呢? 師、生:可根據(jù)目的基因的有關(guān)信息來(lái)獲取目的基因,如根據(jù)基因的核苷酸序列,基因在染色體上的位置等特性來(lái)獲取目的基因。 師:除了從基因文庫(kù)中獲取目的基因,還可以利用PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因。 師:PCR是聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的縮寫(xiě),是一項(xiàng)在生物體外復(fù)制特定DNA片段的核酸合成技術(shù)。 師:同學(xué)們要認(rèn)真觀察多媒體演示過(guò)程并結(jié)合書(shū)本,學(xué)會(huì)描述擴(kuò)增的過(guò)程以及PCR的原理。 生:目的基因DNA受熱(加熱至90—950C)變性后解鏈為單鏈,然后在DNA聚合酶作用下延伸,如此重復(fù)循環(huán)。 師:PCR的原理是什么呢? 生:利用DNA雙鏈復(fù)制的原理,將基因的核苷酸序列不斷加以復(fù)制,使其數(shù)量呈指數(shù)方式增長(zhǎng)。 師: PCR擴(kuò)增過(guò)程所需前提的條件是什么?(教學(xué)過(guò)程中可先引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)DNA復(fù)制的過(guò)程) 生歸納:需要引物和已知的一段目的基因的核苷酸序列。 師生共同歸納:PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因過(guò)程: 目的基因DNA加熱至90—950C變性形成單鏈DNA——溫度降低至55—600C引物與互補(bǔ)DNA鏈結(jié)合——適當(dāng)升溫至70—750C,在DNA聚合酶作用下從引物起始進(jìn)行互補(bǔ)鏈的合成。 若基因比較小,核苷酸序列又已知,可通過(guò)DNA合成儀用化學(xué)方法直接人工合成。 師:作為基因工程表達(dá)載體,只需含目的基因就可以完成任務(wù)嗎?為什么要有“表達(dá)載體”的構(gòu)建這一步驟? 生:可使目的基因在受體細(xì)胞中穩(wěn)定存在,并且可以遺傳給下一代,同時(shí)使目的基因能夠表達(dá)和發(fā)揮作用。 師:一個(gè)基因表達(dá)載體有哪些結(jié)構(gòu)組成的呢? 師生共同歸納:基因表達(dá)載體的組成包括目的基因、啟動(dòng)子、終止子以及標(biāo)記基因等。 師:什么是啟動(dòng)子、終止子?它們的作用是什么呢? 生:啟動(dòng)子是一段有特殊結(jié)構(gòu)的DNA片段,位于基因的首端,它是RNA聚合酶識(shí)別和結(jié)合的部位,有了它才能驅(qū)動(dòng)基因,轉(zhuǎn)錄出mRNA最終獲得所需要的蛋白質(zhì)。終止子也是一段有特殊結(jié)構(gòu)的DNA片段,位于基因的尾端。 師:標(biāo)記基因的作用是什么呢? 生:鑒別受體細(xì)胞中是否含有目的基因從而把含目的基因細(xì)胞篩選出來(lái)。 師:基因表達(dá)載體構(gòu)建完成后,如何將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞呢? 師:根據(jù)受體細(xì)胞的不同,導(dǎo)入的方法也有所不同,將目的基因?qū)胫参锛?xì)胞采用最多的方法是農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法。下面以農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法為例。 師:農(nóng)桿菌有什么樣的特點(diǎn),使其可以幫助目的基因進(jìn)入受體細(xì)胞的呢? 生討論歸納:農(nóng)桿菌能在自然條件下感染雙子葉植物和裸子植物,當(dāng)植物受到損傷時(shí),傷口處的細(xì)胞會(huì)分泌大量的酚類化合物,吸引農(nóng)桿菌移向細(xì)胞。這時(shí)農(nóng)桿菌中的Ti質(zhì)粒上的T-DNA可轉(zhuǎn)移至受體細(xì)胞,并整合到受體細(xì)胞的染色體的DNA上。 師:根據(jù)農(nóng)桿菌的這個(gè)特點(diǎn),請(qǐng)同學(xué)們結(jié)合多媒體或掛圖,嘗試著描述農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法的導(dǎo)入過(guò)程。 師生共同歸納農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化的過(guò)程:目的基因插入Ti質(zhì)粒的T-DNA,構(gòu)建基因 師:除了上述方法,將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的方法還有基因槍法和花粉管通道法。 師:若受體細(xì)胞是動(dòng)物細(xì)胞,目的基因如何導(dǎo)入呢? 師:顯微注射技術(shù)是轉(zhuǎn)基因動(dòng)物中最多采用的方法,也是最為有效的一種方法。 師:具體過(guò)程如何呢? 生:提純含目的基因的表達(dá)載體—→從動(dòng)物提內(nèi)取出卵—→采用顯微注射儀進(jìn)行顯微注射—→再將注射了目的基因的受精卵移植到動(dòng)物子宮內(nèi)。 師:由于原核生物具有:繁殖快、多為單細(xì)胞、遺傳物質(zhì)相對(duì)較少的特點(diǎn),因此常作為基因工程的受體細(xì)胞。 師:什么是感受態(tài)細(xì)胞呢?目的基因?qū)胛⑸锛?xì)胞的具體過(guò)程是什么? 生:感受態(tài)細(xì)胞是用Ca2+處理細(xì)胞后,細(xì)胞處于一種能吸收周?chē)h(huán)境中DNA分子的生理狀態(tài)。 生:將感受態(tài)細(xì)胞與溶有基因表達(dá)的載體的緩沖液混合,并提供適宜的溫度就能使目的基因進(jìn)入細(xì)胞了。 師生歸納:目的基因?qū)胛⑸锏倪^(guò)程:用Ca2+處理細(xì)胞—→成為感受態(tài)細(xì)胞—→表達(dá)載體與感受態(tài)細(xì)胞混合—→定溫度條件感受態(tài)細(xì)胞吸收DNA分子,這樣目的基因進(jìn)入細(xì)胞了。 師:目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞后,是否可以穩(wěn)定維持和表達(dá)其遺傳特性,只有通過(guò)檢測(cè)與鑒定才知道。如何來(lái)檢測(cè)與鑒定呢? 師:首先要檢測(cè)基因生物染色體的DNA是否插入了目的基因。 師:如何檢測(cè)轉(zhuǎn)基因生物的DNA上是否導(dǎo)入了目的基因呢? 師:通常采用的方法是采用DNA分子雜交技術(shù)。具體過(guò)程是將轉(zhuǎn)基因生物的基因組DNA提取出來(lái),并將含有目的基因的DNA片段上用放射性同位素做上標(biāo)記制作探針,(為了保證目的基因通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)來(lái)檢測(cè),探針必須是單鏈)再將探針與基因組DNA雜交,若結(jié)果顯示出DNA雜交帶,就表明目的基因已經(jīng)插入染色體DNA。 師:目的基因?qū)肓耸荏w細(xì)胞后,就一定能表達(dá)嗎? 師:如何知道目的基因已經(jīng)發(fā)揮功能和作用呢? 師:可通過(guò)檢測(cè)是否轉(zhuǎn)錄出了mRNA,檢測(cè)方法還可采用分子雜交技術(shù),與上述方法的不同之處:這里的分子雜交是標(biāo)記的目的基因探針與從轉(zhuǎn)基因生物中提取出來(lái)的mRNA雜交,若結(jié)果顯示出有雜交帶,則表明目的基因轉(zhuǎn)錄出了mRNA。 師:檢測(cè)的內(nèi)容除了上述兩項(xiàng)外,還可檢測(cè)目的基因是否翻譯成蛋白質(zhì)。具體過(guò)程:從轉(zhuǎn)基因生物中提取出蛋白質(zhì)(抗原),用相應(yīng)的抗體進(jìn)行抗原抗體雜交,若有雜交帶出現(xiàn)則表明目的基因已經(jīng)形成蛋白質(zhì)產(chǎn)物。 師:除了分子檢測(cè)外,與時(shí)還需要進(jìn)行個(gè)體生物學(xué)水平的鑒定。 如何了解抗蟲(chóng)棉是否具有抗蟲(chóng)特性呢? 生:可讓蟲(chóng)食用棉花,觀察其存活情況。 師:對(duì)。一個(gè)抗蟲(chóng)或抗病基因?qū)胫参锛?xì)胞后,是否賦予了植物抗蟲(chóng)或抗病特性,需要作抗蟲(chóng)或抗病特性的接種實(shí)驗(yàn),以確定是否具有抗性以及抗性的程度。 師、生歸納小結(jié):基因工程的四個(gè)操作步驟,結(jié)合P15思考與探究:β—珠蛋白是動(dòng)物血紅蛋白的重要組成成分,當(dāng)它的成分異常時(shí),動(dòng)物可能患某種疾病,如鐮刀型細(xì)胞貧血癥,假如讓你用基因工程的方法使大腸桿菌生產(chǎn)出鼠的β—珠蛋白,想一想,應(yīng)該如何設(shè)計(jì)?