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2019-2020年高中生物《基因工程的原理和技術》教案1 浙科版選修3 【教學目標】 知識與能力方面： 1．簡述基因工程的原理 2．描述基因工程基本步驟的幾個步驟 3．舉例說出篩選含有目的基因的受體細胞的原理 過程與方法方面： 運用基因工程的技術，提出解決某一實際問題的方案 情感態(tài)度、價值觀方面： 關注基因工程的發(fā)展，體會S、T、S三者之間的關系。 【教學重點】 基因工程的基本操作步驟 【教學難點】 從基因文庫中獲取目的基因 篩選含有目的基因的受體細胞 【教學方法】 講授法。 【教學課時】 1課時。 【教學過程】 導入新課）復習：基因工程的操作工具： 限制性核酸內切酶 DNA連接酶 運載體或載體） 提出問題）﹙先解決為什么要分五個步驟的問題，然后解決每一步驟的技術方法問題。﹚ 1．為什么要有“目的基因的獲取”這一步？ 學生活動）引導學生看本專題題圖中基因工程的概念：“基因工程是指按照人們的愿望，進行嚴格的設計，通過體外DNA重組和轉基因等技術，賦予生物以新的遺傳特性，創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產(chǎn)品?！笨梢哉f這既是概念，也是原理。這里所說的“更符合人們需要”，就是目的，那么更符合人們需要的那個基因就是目的基因了。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。 2．為什么要有“表達載體的構建”這一步？ 學生活動）思考：單獨的DNA片段──目的基因是不能穩(wěn)定遺傳的。課文中談到構建表達載體的目的是為了使目的基因在受體細胞中穩(wěn)定存在，并且可以遺傳給下一代，同時使目的基因能表達和發(fā)揮作用。 3.為什么要有“目的基因導入受體細胞”這一步？ 學生活動）思考討論：教材指出含有目的基因的表達載體只有進入受體細胞，并且維持穩(wěn)定和表達，才能實現(xiàn)一種生物的基因在另一種生物中的轉化。 4.為什么要有“篩選含有目的基因的受體細胞 學生活動）思考討論：這是因為目的基因是否真正插入受體細胞的DNA中，是否能夠在受體細胞中穩(wěn)定遺傳只有通過檢測、鑒定才能得知。 5.為什么要有“目的基因的表達”這一步？ 學生活動）思考討論：目的基因在受體細胞中的表達與否，決定了基因工程是否最終成功，必須進行鑒定，確定其是否表達。 學習過程： 一、目的基因的獲取 （問題引入）“目的基因的獲取”有什么方法呢？你能推測出由mRNA反轉錄形成cDNA的過程大致分為哪些步驟嗎？ （學生活動）學生思考討論。 （總結歸納） 1970年，特明H.M. Temin）和巴爾的摩D. Baltimore）證實了RNA病毒中含有一種能將RNA轉錄成DNA的酶，這種酶被稱為依賴RNA的DNA聚合酶，由于與中心法則中的從DNA到RNA的轉錄是反向的，所以稱為反轉錄酶reverse transcriptase）。 反轉錄酶既可以利用DNA又可以利用RNA作為模板合成與之互補的DNA鏈。像其他DNA聚合酶一樣，反轉錄酶也以5′→3′方向合成DNA的過程圖1-3）。 圖1-3 由mRNA反轉錄形成cDNA cDNA合成過程是：第一步，反轉錄酶以RNA為模板合成一條與RNA互補的DNA單鏈，形成RNA-DNA雜交分子。第二步，核酸酶H使RNA-DNA雜交分子中的RNA鏈降解，使之變成單鏈的DNA。第三步，以單鏈DNA為模板，在DNA聚合酶的作用下合成另一條互補的DNA鏈，形成雙鏈DNA分子。 1.PCR的擴增過程是怎樣的？ PCR擴增是獲取目的基因的一種非常有用的方法，也是進行分子鑒定和檢測的一種很靈敏的方法。PCR的擴增反應過程包括以下幾個主要過程。 第一步：將反應體系包括雙鏈模板、引物、耐高溫的DNA聚合酶、四種脫氧核糖核苷酸以及酶促反應所需的離子等）加熱至90～95 ℃，使雙鏈DNA模板兩條鏈之間的氫鍵打開，變成單鏈DNA，作為互補鏈聚合反應的模板。 第二步：將反應體系降溫至55～60 ℃，使兩種引物分別與模板DNA鏈3′端的互補序列互補配對，這個過程稱為復性。 第三步：將反應體系升溫至70～75 ℃，在耐高溫的DNA聚合酶催化作用下，將與模板互補的單個核苷酸加到引物所提供的3-OH上，使DNA鏈延伸，產(chǎn)生一條與模板鏈互補的DNA鏈。 上述三步反應完成后，一個DNA分子就變成了兩個DNA分子，隨著重復次數(shù)的增多，DNA分子就以2n的形式增加。PCR的反應過程都是在PCR擴增儀中完成的。 2.如何從基因文庫中找到所需要的基因？ 從基因文庫中找到目的基因是一件比較復雜的事情，要根據(jù)目的基因已有的某些信息來進行。下面介紹一種根據(jù)基因的部分核苷酸序列找到目的基因的方法。 第一步，通過PCR方法將目的基因已知的部分核苷酸序列擴增出來，進行放射性同位素標記也可以用別的標記方法進行，如生物素、熒光素等），即用標記了放射性同位素的目的DNA片段作為探針，與擴增出來的DNA雜交。 第二步，將基因文庫中的所有菌落轉移至硝酸纖維膜上也可以用其他類型的膜），然后，通過處理溶解消化掉細菌中的蛋白質，并使DNA固定在膜上。 第三步，按Southern雜交的方法進行雜交。 第四步，在X光底片上出現(xiàn)黑斑的菌落，這表明這個菌落中含有所需要的目的基因若選用別的標記方法，有陽性信號的菌落則含有所需要的目的基因）。 第五步，從該菌落中再提取目的基因。 二、形成重組DNA分子 （提出問題）1.作為基因工程表達載體，只需含有目的基因就可以完成任務嗎？為什么？ （學生活動）學生思考討論。 （總結歸納） 不可以。因為目的基因在表達載體中得到表達并發(fā)揮作用，還需要有其他控制元件，如啟動子、終止子和標記基因等。必須構建上述元件的主要理由是： 1） 生物之間進行基因交流，需使用啟動子和終止子才能比較有利于基因的表達；如通過cDNA文庫獲得的目的基因沒有啟動子，只將編碼序列導入受體生物中無法轉錄； 2）為了增強目的基因的表達水平，往往還要增加一些其他調控元件，如增強子等； 3）目的基因是否導入受體生物中需要有篩選標記； 4）有時需要確定目的基因表達的產(chǎn)物存在于細胞的什么部位，往往要加上可以標識存在部位的基因或做成目的基因與標識基因的融合基因），如綠色熒光蛋白基因等。 1.基因工程載體的構建需要考慮哪些方面的因素？道理何在？ 主要考慮以下幾方面的因素。 1）基因的特點：如果一個來自動物的目的基因含有內含子，就不能用于轉基因植物，因為動物中內含子的剪接系統(tǒng)與植物的不同，植物不能將動物基因的內含子剪切掉，只能用該基因的cDNA?；虻漠a(chǎn)物如果是一個糖蛋白，那么該基因在原核生物細菌中表達出來的蛋白就可能不具備天然狀態(tài)下的活性，因為糖蛋白上的糖鏈是在內質網(wǎng)和高爾基體上加上的，而細菌無這些細胞器。 2）要選擇強啟動子或組織特異性啟動子。啟動子有強有弱，選擇強啟動子可以增加轉錄活性，使基因產(chǎn)物量增多。如果希望基因在生物的某個組織表達，如只在植物種子中表達，就要選擇種子中特異表達的啟動子。 三、將目的基因導入受體細胞 （提出問題）1、不同的受體細胞導入方法相同嗎？2、導入是否意味著轉化？ （學生活動）學生思考討論。 （總結歸納） 轉化：目的基因進入受體細胞內，并且在受體細胞內維持穩(wěn)定和表達的過程。 ① 導入植物細胞：農(nóng)桿菌轉化法（表達載體導入農(nóng)桿菌，再讓農(nóng)桿菌感染植物細胞） 將目的基因導入受體細胞： 細菌 ↓氯化鈣 細胞壁的通透性增大 ↓ 重組質粒進入受體細胞 ↓ 目的基因隨受體細胞的繁殖而復制 ②導入動物細胞：顯微注射法（將基因表達載體提純，用顯微儀注射到受精卵中） ③導入微生物細胞：Ca2＋處理受體細胞成為感受態(tài)細胞，再進行混合。 提示：農(nóng)桿菌轉化法的原理是利用農(nóng)桿菌（胞內寄生菌）對植物的感染而把目的基因導入受體細胞。 四．篩選含有目的基因的受體細胞 （提出問題）1、篩選的目的是什么？2、篩選方法有哪些？ （學生活動）學生思考討論。 （總結歸納） 篩選是為了確定重組DNA是否導入受體細胞。篩選的方法有兩種。 ①檢測是否插入目的基因，利用DNA分子雜交技術，目的基因DNA一條鏈（作探針）與受體細胞中提取的DNA雜交，看是否有雜交帶。 ②檢測是否轉錄出了mRNA，利用DNA分子雜交技術，目的基因DNA一條鏈（作探針）與受體細胞中提取的mRNA雜交，看是否有雜交帶。 五、目的基因的表達 通過鑒定表達的蛋白產(chǎn)物或性狀來確定目的基因是否表達。 ①檢測目的基因是否翻譯成蛋白質。抗體與蛋白質進行抗原－抗體雜交，看是否有雜交帶。 ②還可以進行個體水平的鑒定，根據(jù)其性狀。 提示：①DNA分子雜交技術首先提取受體細胞中的DNA，然后高溫解成單鏈，再與同位素標記的DNA探針雜交；②抗原－抗體雜交所用到的抗體是用表達出的蛋白質注射動物進行免疫，產(chǎn)生相應的抗體，并提取出而來的。 3）要有選擇標記基因，如抗生素基因，以便選擇出真正的轉基因生物。 【板書設計】 1.2 基因工程的基本操作程序 一、目的基因的獲取 二、形成重組DNA分子 （基因工程的核心） 三、將目的基因導入受體細胞 四、篩選含有目的基因的受體細胞 五、目的基因的表達 【隨堂練習】 1．基因工程常用的受體細胞有（　 ） ①大腸桿菌 ②枯草桿菌 ③支原體 ④動植物細胞 A．①②③④ B．①②③ C．②③④ D．①②④ 2．基因工程的操作步驟：①使目的基因與運載體相結合，②將目的基因導入受體細胞，③檢測目的基因的表達是否符合特定性狀要求，④提取目的基因，正確的操作順序是（ ?。? 　　A．③②④① 　　B.②④①③ 　C．④①②③ 　D．③④①② 【布置作業(yè)】完成學案和作業(yè)本上內容。 【教學反思】因為基因工程對學生來說是比較抽象的，所以首先設置問題情景，利用生活中的的問題激發(fā)學生的學習興趣，使學生在思索中學習新知識。在教學中要注意讓抽象的語言在直觀的插圖中找到注釋，在實際動手中形成正確的認識。還要引導學生從基因工程的整體思考問題，解決問題。