人教版選修三《基因工程》專題核心概念分析

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(秦皇島市撫寧區第一中學)

一、基因工程概述

基因工程：基因工程又叫基因拼接技術或DNA重組技術，它是指在生物體外，用分離純化或人工合成的外源基因插入到載體分子中，成為重組DNA，再導入宿主細胞內，進行擴增和表達，產生出人類所需要的基因產物或定向地創造生物的新性狀，使之穩定地遺傳給子代的一種現代生物技術。

基因工程的操作程序包括：(1)目的基因的獲取：通過一定的方法得到需要進行操作的目的DNA，常用的方法有化學合成法，基因組文庫法和cDNA文庫法。基因組文庫是指某種生物全部基因組的信息，以DNA片段的形式與載體連接起來導入受體細胞中貯存。cDNA文庫只包含了某種生物的部分基因，用生物某一特定發育時期的mRNA反轉錄產生的DNA片段與載體連接后貯存到受體細胞中。(2)基因表達載體的構建：目的基因與載體分子在體外進行連接反應，形成重組體，通過限制性內切酶對含有目標片段的DNA和載體進行切割后，通過DNA連接酶進行連接，完成基因重組過程。另外，一個基因表達載體的組成，除了目的基因外，還必須有啟動子、終止子和標記基因。啟動子和終止子都是基因的非編碼區的一段特殊的DNA序列，分別位于編碼區的上游和下游，負責調控基因的轉錄。(3)將目的基因導入受體細胞：將人工重組后的DNA分子導入能進行正常復制的宿主細胞，從而隨著宿主細胞的分裂而進行復制。而并不是所有的細胞都可以作為受體細胞，受體細胞必須是能攝取外源DNA并使其穩定維持的細胞，受體細胞大致應符合以下幾個基本條件：便于重組DNA分子的導入和穩定存在、便于重組體的篩選、易于擴大培養或發酵生長，遺傳穩定性高、安全性高和無致病性等。常用的受體細胞有大腸桿菌、枯草桿菌、酵母菌細胞、植物細胞還有動物細胞，尤其是小鼠L細胞、HeLa細胞等。(4)目的基因的檢測與鑒定：在目的基因導入受體細胞后，并非所有的受體細胞都能被導入重組DNA分子，一般僅有很少重組子能進入受體細胞，并且導入后的目的基因是否可以穩定維持和表達其遺傳特性，這就需要對重組子也就是目的基因進行檢測與鑒定。根據載體類型、受體細胞種類等不同，重組子的篩選一般包括以下幾種方法：遺傳表型直接篩選法、依賴于重組子結構特征分析篩選法、核酸分子雜交檢測法、免疫化學檢測法等。

二、基因工程中幾組重要的基本概念

1.限制性核酸內切酶

限制性核酸內切酶：限制酶是一類能識別雙鏈DNA分子中某種特定核苷酸序列的DNA水解酶，以內切方式水解DNA產生5’-P和3’-OH末端。根據限制酶在它識別序列的中心軸線處的切割位置不同，切割后的DNA分子產生的DNA片段末端有兩種形式——黏性末端或平末端。

2.DNA連接酶

DNA連接酶：DNA連接酶可以將兩種被同種限制酶切割的不同來源的DNA片段“縫合”起來，催化DNA中相鄰的5’-P和3’-OH間形成磷酸二酯鍵，形成重組DNA分子。根據酶的來源不同，DNA連接酶可分為兩類：一類是大腸桿菌DNA連接酶，一類是噬菌體T4DNA連接酶。這兩類酶除了來源不同，在功能上也有區別，大腸桿菌DNA連接酶一般只能連接黏性末端，而噬菌體T4 DNA連接酶既可連接黏性末端也可連接平末端。另外，大腸桿菌DNA連接酶利用NAD+作能源，而噬菌體T4 DNA連接酶利用ATP作能源。

3.運載體

運載體：將外源基因送入細胞中的“分子運輸車”就是載體，在基因工程中最常用的載體就是質粒，另外還有λ噬菌體、動植物病毒等。作為基因工程操作的運載體有兩個作用：一是作為運載工具，將目的基因導入宿主細胞中；二是目的基因，通過載體在宿主細胞內進行大量復制。因此，運載體一般都要具有以下4個特點：(1)有多種限制性內切酶酶切位點，以便外源基因可以插入其中；(2)載體上要有遺傳標記基因，以指示載體或重組DNA分子是否進入宿主細胞，如四環素抗性基因等；(3)所用載體要能在宿主細胞內復制并穩定存在；(4)最好具有較小的分子量和較高的拷貝數，以便于制備。

4.PCR(聚合酶鏈式反應)技術

PCR(聚合酶鏈式反應)技術：PCR反應是模仿細胞內發生的DNA復制過程，在體外由酶催化合成特異性DNA片段，以DNA互補鏈聚合反應為基礎。PCR反應由變性--退火--延伸三個基本反應步驟構成：(1)模板DNA的變性：模板DNA經加熱至94℃左右一定時間后，使模板DNA雙鏈或經PCR擴增形成的雙鏈DNA解離，使之成為單鏈，以便它與引物結合，為下輪反應做準備；(2)模板DNA與引物的退火(復性) ：模板DNA經加熱變性成單鏈后，溫度降至55℃左右，引物與模板DNA單鏈的互補序列配對結合；(3)引物的延伸：DNA模板--引物結合物在TaqDNA聚合酶的作用下，以dNTP為反應原料，靶序列為模板，按堿基配對與半保留復制原理，合成一條新的與模板DNA鏈互補的半保留復制鏈，重復循環以上這三過程，就可獲得更多的“半保留復制鏈”，而且這種新鏈又可成為下次循環的模板。每完成一個循環需2～4分鐘，2～3小時就能將待擴增的目的基因擴增放大幾百萬倍。

5.轉化

轉化：是指重組DNA分子進入受體細胞，并且在受體細胞內穩定維持和表達的過程。根據受體細胞的不同，可以選擇不同的轉化方法。各種轉化方法的比較見表1。

6.蛋白質工程

蛋白質工程：蛋白質工程就是根據蛋白質的精細結構和生物活力的作用機制之間的關系，利用基因工程的手段，按照人類自身的需要，對現有的蛋白質進行改造，甚至于創造新的、自然界本不存在的、具有優良特性的蛋白質分子。

另外，在人教版高中生物必修2中包含一些基因工程的相關內容，因此，學習選修中的相關內容時，專業概念術語就比較多，學生在一些相近概念容易混淆，如限制性內切酶、DNA連接酶和DNA聚合酶，基因組文庫和cDNA文庫，磷酸二酯鍵和氫鍵、PCR技術與DNA復制，等等。

下面筆者以DNA連接酶和DNA聚合酶的區別進行一下列表對比如下(表2)。

由于基因工程相關內容抽象難懂，并且基因工程的操作技術又比較微觀，因此，即使學生們喜歡學習基因工程的內容，在真正學習起來也會覺得晦澀難懂，所以廣大一線教師要想教好這一專題內容，第一步就是讓學生掌握好以上這些核心概念。