高中生物：基因工程與蛋白質工程

　　一、基因工程

　　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重組和轉基因技術，賦予生物以新的遺傳特性，創造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產品。基因工程是在DNA分子水平上進行設計和施工的，又叫做DNA重組技術。

　　（一）基因工程的基本工具：

　　1.“分子手術刀”——限制性核酸內切酶（限制酶）

　　（1）來源：主要是從原核生物中分離純化出來的。

　　（2）功能：能夠識別雙鏈DNA分子的某種特定的核苷酸序列，并且使每一條鏈     中特定部位的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷開，因此具有專一性。

　　（3）結果：經限制酶切割產生的DNA片段末端通常有兩種形式：黏性末端和平末端。

　　2.“分子縫合針”——DNA連接酶

　　（1）兩種DNA連接酶（E？coliDNA連接酶和T4-DNA連接酶）的比較：

　　①相同點：都縫合磷酸二酯鍵。

　　②區別：E？coliDNA連接酶來源于T4噬菌體，只能將雙鏈DNA片段互補的黏性末端之間的磷酸二酯鍵連接起來；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。

　　（2）與DNA聚合酶作用的異同： DNA聚合酶只能將單個核苷酸加到已有的核苷酸片段的末端，形成磷酸二酯鍵。DNA連接酶是連接兩個DNA片段的末端，形成磷酸二酯鍵。

　　3.“分子運輸車”——載體

　　（1）載體具備的條件：①能在受體細胞中復制并穩定保存。

　　②具有一至多個限制酶切點，供外源DNA片段插入。

　　③具有標記基因，供重組DNA的鑒定和選擇。

　　（2）最常用的載體是--質粒，它是一種裸露的、結構簡單的、獨立于細菌染色體之外，并具有自我復制能力的雙鏈環狀DNA分子。

　　（3）其它載體：噬菌體的衍生物、動植物病毒

　　（二）基因工程的基本操作程序

　　第一步：目的基因的獲取

　　1.目的基因是指：編碼蛋白質的結構基因。

　　2.原核基因采取直接分離獲得，真核基因是人工合成。人工合成目的基因的常用方法有反轉錄法和化學合成法。

　　3.PCR技術擴增目的基因

　　（1）原理：DNA雙鏈復制

　　（2）過程：第一步：加熱至90～95 ℃DNA解鏈；第二步：冷卻到55～60 ℃，引物結合到互補DNA鏈；第三步：加熱至70～75 ℃，熱穩定DNA聚合酶從引物起始互補鏈的合成。

　　第二步：基因表達載體的構建

　　1.目的：使目的基因在受體細胞中穩定存在，并且可以遺傳至下一代，使目的基因能夠表達和發揮作用。

　　2.組成：目的基因＋啟動子＋終止子＋標記基因

　　（1）啟動子：是一段有特殊結構的DNA片段，位于基因的首端，是RNA聚合酶識別和結合的部位，能驅動基因轉錄出mRNA，最終獲得所需的蛋白質。

　　（2）終止子：也是一段有特殊結構的DNA片段，位于基因的尾端。

　　（3）標記基因的作用：鑒定受體細胞中是否含有目的基因，從而將含有目的基因的細胞篩選出來。常用的標記基因是抗生素基因。

　　第三步：將目的基因導入受體細胞

　　1.轉化：目的基因進入受體細胞內，并且在受體細胞內維持穩定和表達的過程。

　　2.常用的轉化方法：

　　將目的基因導入植物細胞：采用最多的方法是農桿菌轉化法，其次還有基因槍法和花粉管通道法等。

　　將目的基因導入動物細胞：最常用的方法是顯微注射技術。此方法的受體細胞多是受精卵。

　　將目的基因導入微生物細胞：原核生物作為受體細胞的原因是繁殖快、多為單細胞、遺傳物質相對較少，最常用的原核細胞是大腸桿菌，其轉化方法是：先用 Ca2+處理細胞，使其成為感受態細胞，再將重組表達載體DNA分子溶于緩沖液中與感受態細胞混合，在一定的溫度下促進感受態細胞吸收DNA分子，完成轉化過程。

　　3.重組細胞導入受體細胞后，篩選含有基因表達載體受體細胞的依據是標記基因是否表達。

　　第四步：目的基因的檢測和表達

　　1.首先要檢測轉基因生物的染色體DNA上是否插入了目的基因，方法是采用DNA分子雜交技術。

　　2.其次還要檢測目的基因是否轉錄出了mRNA，方法是采用用標記的目的基因作探針與 mRNA雜交。

　　3.最后檢測目的基因是否翻譯成蛋白質，方法是從轉基因生物中提取蛋白質，用相應的抗體進行抗原－抗體雜交。

　　4.有時還需進行個體生物學水平的鑒定。如轉基因抗蟲植物是否出現抗蟲性狀。

　　（三）基因工程的應用

　　1.植物基因工程：抗蟲、抗病、抗逆轉基因植物，利用轉基因改良植物的品質。

　　2.動物基因工程：提高動物生長速度、改善畜產品品質、用轉基因動物生產藥物。

　　3.基因治療：把正常的外源基因導入病人體內，使該基因表達產物發揮作用。

　　二、蛋白質工程的概念

　　蛋白質工程是指以蛋白質分子的結構規律及其生物功能的關系作為基礎，通過基因修飾或基因合成，對現有蛋白質進行改造，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類的生產和生活的需求。（基因工程在原則上只能生產自然界已存在的蛋白質）

　　1.蛋白質工程的基本原理：它可以根據人的需求來設計蛋白質的結構，又稱為第二代的基因工程。

　　2.基本途徑：從預期的蛋白質功能出發，設計預期的蛋白質結構，推測應有的氨基酸序列，找到相對應的脫氧核苷酸序列（基因）是蛋白質工程特有的途徑；以下按照基因工程的一般步驟進行。（注意：目的基因只能用人工合成的方法）

　　3.設計中的困難：如何推測非編碼區以及內含子的脫氧核苷酸序列。