中國(guó)誕生世界首例基因編輯嬰兒 附相關(guān)考點(diǎn)(7)
2018-11-27 14:05:05高中生學(xué)習(xí)
選修三
"基因工程"知識(shí)點(diǎn)
基因工程的概念 ：
基因工程是指按照人們的愿望，進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，通過(guò)體外DNA重組和轉(zhuǎn)基因技術(shù)，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。
基因工程是在DNA分子水平上進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工的，又叫做DNA重組技術(shù)。
基因工程的原理：基因重組
1.1DNA重組技術(shù)的基本工具
1.“分子手術(shù)刀”——限制性核酸內(nèi)切酶（限制酶）
（1）來(lái)源：主要是從原核生物中分離純化出來(lái)的。
（2）功能：能夠識(shí)別雙鏈DNA分子的某種特定的核苷酸序列，并且使每一條鏈中特定部位的兩個(gè)核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷開，因此具有專一性。
（3）方式：當(dāng)限制酶在它識(shí)別序列的中心軸線（圖中虛線）兩側(cè)將DNA的兩條鏈分別切開時(shí)，產(chǎn)生黏性末端，當(dāng)限制酶在它識(shí)別序列的中心軸線處切開時(shí)，產(chǎn)生平末端。
平末端
（4）結(jié)果：經(jīng)限制酶切割產(chǎn)生的DNA片段末端有兩種形式：黏性末端和平末端。
2.“分子縫合針”——DNA連接酶
兩種DNA連接酶（E·coliDNA連接酶和T4-DNA連接酶）的比較：
①相同點(diǎn)：都縫合磷酸二酯鍵。
②區(qū)別：E·coliDNA連接酶來(lái)源于大腸桿菌，只能將雙鏈DNA片段互補(bǔ)的黏性末端之間的磷酸二酯鍵連接起來(lái)；而T4DNA連接酶能縫合兩種末端，但連接平末端的之間的效率較低。
3.“分子運(yùn)輸車”——基因進(jìn)入受體細(xì)胞的載體
（1）常用的載體是質(zhì)粒，它是一種裸露的、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的、獨(dú)立于細(xì)菌染色體之外，并具有自我復(fù)制能力的雙鏈環(huán)狀DNA分子。
（2）載體具備的條件：
①能在受體細(xì)胞中復(fù)制并穩(wěn)定保存。
②具有一至多個(gè)限制酶切點(diǎn)，供外源DNA片段插入。
③具有標(biāo)記基因（如四環(huán)素抗性基因、氨芐青霉素抗性基因），供重組DNA的鑒定和選擇。
（3）其它載體：λ噬菌體的衍生物、動(dòng)植物病毒
1.2基因工程的基本操作程序
基因工程的基本操作程序主要包括四個(gè)步驟：目的基因的獲取、基因表達(dá)載體的構(gòu)建、將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞、目的基因的檢測(cè)與鑒定。
目的基因的獲取
1.目的基因是指： 編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因 。
2.從基因文庫(kù)中獲取目的基因
基因文庫(kù)：將含有某種生物不同基因的許多DNA片段，導(dǎo)入受體菌的群體中儲(chǔ)存，各個(gè)受體菌分別含有這種生物的不同的基因，稱為基因文庫(kù)。
基因組文庫(kù)：含有某種生物全部基因的基因文庫(kù)稱為基因組文庫(kù)。
部分基因文庫(kù)：含有一種生物的一部分基因的基因文庫(kù)稱為部分基因文庫(kù)，如cDNA文庫(kù)。
獲取目的基因需要的信息：基因的核苷酸序列；基因的功能；基因在染色體的位置；基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物mRNA；以及基因表達(dá)產(chǎn)物蛋白質(zhì)。
3.PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因
（1）PCR的含義：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)。
（2）目的：獲取大量的目的基因
（3）原理：DNA雙鏈復(fù)制
（4）過(guò)程：第一步：加熱至90～95℃，DNA解鏈為單鏈；
第二步：冷卻到55～60℃，引物與兩條單鏈DNA結(jié)合；
第三步：加熱至70～75℃，Taq酶從引物起始進(jìn)行互補(bǔ)鏈的合成。
（5）特點(diǎn)：指數(shù)(2n)形式擴(kuò)增
基因表達(dá)載體的構(gòu)建(核心)
1.目的：使目的基因在受體細(xì)胞中穩(wěn)定存在，并且可以遺傳至下一代，使目的基因能夠表達(dá)和發(fā)揮作用。
2.組成：目的基因＋啟動(dòng)子＋終止子＋標(biāo)記基因
（1）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，是RNA聚合酶識(shí)別和結(jié)合的部位，它能驅(qū)動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄出mRNA，最終獲得所需的蛋白質(zhì)。
（2）終止子：
是一段有特殊結(jié)構(gòu)的DNA片段 ，位于基因的尾端，是轉(zhuǎn)錄在需要的地方停下來(lái)。
（3）標(biāo)記基因的作用：
是為了鑒定受體細(xì)胞中是否含有目的基因，從而將含有目的基因的細(xì)胞篩選出來(lái)。如抗生素基因。
將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞
1.轉(zhuǎn)化的概念：
是目的基因進(jìn)入受體細(xì)胞內(nèi)，并且在受體細(xì)胞內(nèi)維持穩(wěn)定和表達(dá)的過(guò)程。
2.常用的轉(zhuǎn)化方法：
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，其次還有基因槍法和花粉管通道法等。
將目的基因?qū)雱?dòng)物細(xì)胞：
最常用的方法是顯微注射技術(shù)。方法的受體細(xì)胞多是受精卵。
將目的基因?qū)胛⑸锛?xì)胞：
最常用的原核細(xì)胞是 大腸桿菌 ，其轉(zhuǎn)化方法是：先用 Ca2+ 處理細(xì)胞，使其成為感受態(tài)細(xì)胞 ，再將 重組表達(dá)載體DNA分子 溶于緩沖液中與感受態(tài)細(xì)胞混合，在一定的溫度下促進(jìn)感受態(tài)細(xì)胞吸收DNA分子，完成轉(zhuǎn)化過(guò)程。
目的基因的檢測(cè)和表達(dá)
1.首先要檢測(cè)轉(zhuǎn)基因生物的染色體DNA上是否插入了目的基因，方法是采用DNA分子雜交(DNA-DNA)技術(shù)。
2.其次還要檢測(cè)目的基因是否轉(zhuǎn)錄出mRNA，方法是采用分子雜交(DNA-RNA)技術(shù)。
3.最后檢測(cè)目的基因是否翻譯成蛋白質(zhì)，方法是采用抗原—抗體雜交技術(shù)。
4.有時(shí)還需進(jìn)行個(gè)體生物學(xué)水平的鑒定。如生物抗蟲或抗病的鑒定等。
1.3基因工程的應(yīng)用
1.植物基因工程：抗蟲、抗病、抗逆轉(zhuǎn)基因植物，利用轉(zhuǎn)基因改良植物的品質(zhì)。
2.動(dòng)物基因工程：提高動(dòng)物生長(zhǎng)速度、改善畜產(chǎn)品品質(zhì)、用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)藥物。
3.基因治療：把正常的外源基因?qū)氩∪梭w內(nèi)，使該基因表達(dá)產(chǎn)物發(fā)揮作用。
4.基因診斷：又稱為DNA診斷，是采用基因檢測(cè)的方法來(lái)判斷患者是否出現(xiàn)了基因異常或攜帶病原體。
1.4蛋白質(zhì)工程的概念
1、基因工程在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)
2、概念：蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過(guò)基因修飾或基因合成，對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類的生產(chǎn)和生活的需求。
A 轉(zhuǎn)錄 B 翻譯
3、蛋白質(zhì)工程的基本途徑：從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→ 設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列→找到相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）
注意：目的基因只能用人工合成的方法
4、蛋白質(zhì)工程與基因工程區(qū)別
蛋白質(zhì)工程
基因工程
實(shí)質(zhì)
通過(guò)改造基因，以定向改造天然蛋白質(zhì)，甚至創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質(zhì)
將目的基因從供體轉(zhuǎn)移到受體細(xì)胞，并在受體細(xì)胞中表達(dá)
結(jié)果
合成自然界不存在的蛋白質(zhì)
只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)
聯(lián)系
蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出的第二代基因工程
"胚胎工程"相關(guān)知識(shí)點(diǎn)
生物技術(shù)的安全性和倫理問(wèn)題
基因編輯技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，一直面臨著倫理爭(zhēng)議，各國(guó)對(duì)其能不能應(yīng)用于人類胚胎的研究均持極為謹(jǐn)慎的態(tài)度。我國(guó)亦如此。2003年，原科學(xué)技術(shù)部和原衛(wèi)生部聯(lián)合印發(fā)《人胚胎干細(xì)胞研究倫理指導(dǎo)原則》，其中第六條規(guī)定：進(jìn)行人胚胎干細(xì)胞研究，必須遵守以下行為規(guī)范：
（一）利用體外受精、體細(xì)胞核移植、單性復(fù)制技術(shù)或遺傳修飾獲得的囊胚，其體外培養(yǎng)期限自受精或核移植開始不得超過(guò)14天。
（二）不得將前款中獲得的已用于研究的人囊胚植入人或任何其他動(dòng)物的生殖系統(tǒng)。
（三）不得將人的生殖細(xì)胞與其他物種的生殖細(xì)胞結(jié)合。不少科學(xué)家認(rèn)為，這一規(guī)定也適用于基因編輯技術(shù)——也就是說(shuō)，如果在我國(guó)深圳開展了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，那么相關(guān)人員和機(jī)構(gòu)已經(jīng)涉嫌違反我國(guó)的法律法規(guī)了。
生殖細(xì)胞不同于體細(xì)胞，其改變將會(huì)遺傳給后代。而我們對(duì)人類胚胎的發(fā)育了解、對(duì)人類基因組功能的了解等，都還處于非常基礎(chǔ)、極不全面的階段。在諸多影響皆不明確的情況下，對(duì)生殖細(xì)胞的基因編輯投入臨床被認(rèn)為是“不負(fù)責(zé)任的”。雖然絕大科學(xué)家都同意根據(jù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)生殖細(xì)胞編輯的臨床使用進(jìn)行定期評(píng)估，但截至目前，似乎并沒(méi)有出現(xiàn)能夠改變這一指導(dǎo)原則的科學(xué)突破。
