人教版选修三《基因工程》专题核心概念分析

于江欢

【摘要】“基因工程”不仅在现代生物专题中占有重要地位，在高考命题中也是一大热点，并且近年来也有考点加深的趋势。因此，下面对基因工程中几组重要的基本概念进行具体分析。

【关键词】基因工程 限制酶 DNA连接酶 运载体

一、基因工程概述

基因工程：基因工程又叫基因拼接技术或DNA重组技术，它是指在生物体外，用分离纯化或人工合成的外源基因插入到载体分子中，成为重组DNA，再导入宿主细胞内，进行扩增和表达，产生出人类所需要的基因产物或定向地创造生物的新性状，使之稳定地遗传给子代的一种现代生物技术。

基因工程的操作程序包括：（1）目的基因的获取：通过一定的方法得到需要进行操作的目的DNA，常用的方法有化学合成法，基因组文库法和cDNA文库法。基因组文库是指某种生物全部基因组的信息，以DNA片段的形式与载体连接起来导入受体细胞中贮存。cDNA文库只包含了某种生物的部分基因，用生物某一特定發育时期的mRNA反转录产生的DNA片段与载体连接后贮存到受体细胞中。（2）基因表达载体的构建：目的基因与载体分子在体外进行连接反应，形成重组体，通过限制性内切酶对含有目标片段的DNA和载体进行切割后，通过DNA连接酶进行连接，完成基因重组过程。另外，一个基因表达载体的组成，除了目的基因外，还必须有启动子、终止子和标记基因。启动子和终止子都是基因的非编码区的一段特殊的DNA序列，分别位于编码区的上游和下游，负责调控基因的转录。（3）将目的基因导入受体细胞：将人工重组后的DNA分子导入能进行正常复制的宿主细胞，从而随着宿主细胞的分裂而进行复制。而并不是所有的细胞都可以作为受体细胞，受体细胞必须是能摄取外源DNA并使其稳定维持的细胞，受体细胞大致应符合以下几个基本条件：便于重组DNA分子的导入和稳定存在、便于重组体的筛选、易于扩大培养或发酵生长，遗传稳定性高、安全性高和无致病性等。常用的受体细胞有大肠杆菌、枯草杆菌、酵母菌细胞、植物细胞还有动物细胞，尤其是小鼠L细胞、HeLa细胞等。（4）目的基因的检测与鉴定：在目的基因导入受体细胞后，并非所有的受体细胞都能被导入重组DNA分子，一般仅有很少重组子能进入受体细胞，并且导入后的目的基因是否可以稳定维持和表达其遗传特性，这就需要对重组子也就是目的基因进行检测与鉴定。根据载体类型、受体细胞种类等不同，重组子的筛选一般包括以下几种方法：遗传表型直接筛选法、依赖于重组子结构特征分析筛选法、核酸分子杂交检测法、免疫化学检测法等。

二、基因工程中几组重要的基本概念

1.限制性核酸内切酶

限制性核酸内切酶：限制酶是一类能识别双链DNA分子中某种特定核苷酸序列的DNA水解酶，以内切方式水解DNA产生5-P和3-OH末端。根据限制酶在它识别序列的中心轴线处的切割位置不同，切割后的DNA分子产生的DNA片段末端有两种形式——黏性末端或平末端。

2.DNA连接酶

DNA连接酶：DNA连接酶可以将两种被同种限制酶切割的不同来源的DNA片段“缝合”起来，催化DNA中相邻的5-P和3-OH间形成磷酸二酯键，形成重组DNA分子。根据酶的来源不同，DNA连接酶可分为两类：一类是大肠杆菌DNA连接酶，一类是噬菌体T4DNA连接酶。这两类酶除了来源不同，在功能上也有区别，大肠杆菌DNA连接酶一般只能连接黏性末端，而噬菌体T4 DNA连接酶既可连接黏性末端也可连接平末端。另外，大肠杆菌DNA连接酶利用NAD+作能源，而噬菌体T4 DNA连接酶利用ATP作能源。

3.运载体

运载体：将外源基因送入细胞中的“分子运输车”就是载体，在基因工程中最常用的载体就是质粒，另外还有λ噬菌体、动植物病毒等。作为基因工程操作的运载体有两个作用：一是作为运载工具，将目的基因导入宿主细胞中;二是目的基因，通过载体在宿主细胞内进行大量复制。因此，运载体一般都要具有以下4个特点：（1）有多种限制性内切酶酶切位点，以便外源基因可以插入其中;（2）载体上要有遗传标记基因，以指示载体或重组DNA分子是否进入宿主细胞，如四环素抗性基因等;（3）所用载体要能在宿主细胞内复制并稳定存在;（4）最好具有较小的分子量和较高的拷贝数，以便于制备。

4.PCR（聚合酶链式反应）技术

PCR（聚合酶链式反应）技术：PCR反应是模仿细胞内发生的DNA复制过程，在体外由酶催化合成特异性DNA片段，以DNA互补链聚合反应为基础。PCR反应由变性--退火--延伸三个基本反应步骤构成：（1）模板DNA的变性：模板DNA经加热至94℃左右一定时间后，使模板DNA双链或经PCR扩增形成的双链DNA解离，使之成为单链，以便它与引物结合，为下轮反应做准备;（2）模板DNA与引物的退火（复性） ：模板DNA经加热变性成单链后，温度降至55℃左右，引物与模板DNA单链的互补序列配对结合;（3）引物的延伸：DNA模板--引物结合物在TaqDNA聚合酶的作用下，以dNTP为反应原料，靶序列为模板，按碱基配对与半保留复制原理，合成一条新的与模板DNA链互补的半保留复制链，重复循环以上这三过程，就可获得更多的“半保留复制链”，而且这种新链又可成为下次循环的模板。每完成一个循环需2～4分钟，2～3小时就能将待扩增的目的基因扩增放大几百万倍。

5.转化

转化：是指重组DNA分子进入受体细胞，并且在受体细胞内稳定维持和表达的过程。根据受体细胞的不同，可以选择不同的转化方法。各种转化方法的比较见表1。

6.蛋白质工程

蛋白质工程：蛋白质工程就是根据蛋白质的精细结构和生物活力的作用机制之间的关系，利用基因工程的手段，按照人类自身的需要，对现有的蛋白质进行改造，甚至于创造新的、自然界本不存在的、具有优良特性的蛋白质分子。

另外，在人教版高中生物必修2中包含一些基因工程的相关内容，因此，学习选修中的相关内容时，专业概念术语就比较多，学生在一些相近概念容易混淆，如限制性内切酶、DNA连接酶和DNA聚合酶，基因组文库和cDNA文库，磷酸二酯键和氢键、PCR技术与DNA复制，等等。

下面笔者以DNA连接酶和DNA聚合酶的区别进行一下列表对比如下（表2）。

由于基因工程相关内容抽象难懂，并且基因工程的操作技术又比较微观，因此，即使学生们喜欢学习基因工程的内容，在真正学习起来也会觉得晦涩难懂，所以广大一线教师要想教好这一专题内容，第一步就是让学生掌握好以上这些核心概念。