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选修3《现代生物科技专题》
专题1基因工程
1.1DNA重组技术的基本工具
1.基因工程又叫DNA重组技术，原理是基因重组。优点是可以打破物种界限，定向改造生物的性状。
2.不同生物的DNA能拼接的原因是DNA都是双螺旋结构、都由四种脱氧核苷酸组成。转基因能在受体细胞中表达是因为地球上的所有生物几乎共用同一套遗传密码子。
3."分子手术刀"是指限制性核酸内切酶，简称限制酶。在基因工程中用于切割目的基因和运载体。该酶主要从原核生物中获得。作用部位是两个核苷酸之间的磷酸二酯键。该酶识别的序列长度是4、5、6、8个核苷酸，切割的结果是产生平末端或黏性末端。
4."分子缝合针"是指DNA连接酶，作用是连接双链DNA片段。可以分为E·coliDNA连接酶和T4DNA连接酶两类，前者只能连接黏性末端，后者能连接黏性末端和平末端。作用部位是磷酸二酯键。DNA聚合酶的作用是将脱氧核苷酸聚合成DNA长链。
5."分子运输车"是指运载体，常用的运载体有质粒、λ噬菌体的衍生物、动植物病毒等。质粒是一种裸露的、结构简单、独立于细菌拟核DNA之外的，并具有自我复制能力的很小的双链环状DNA分子。作为载体的质粒应该具备的条件：①能在受体细胞中自我复制，稳定保存；②有一个或多个限制酶切点，便于插入目的基因；③具有某些标记基因，便于筛选；④必须是安全的，不会对受体细胞有害。
1.2基因工程的基本操作程序
1.基因工程的基本操作程序主要包括四个步骤：①获取目的基因；②构建表达载体（核心）；③导入受体细胞；④目的基因检测与鉴定。
哪做供卵试管好-供卵试管的亲身经历2.目的基因主要是编码蛋白质的基因，如，与生物抗逆性相关的基因、与优良品质相关的基因。获得方法有：①从基因文库中获取目的基因；②利用PCR技术扩增目的基因；③用化学方法直接人工合成。
3.将含有某种生物不同基因的许多DNA片段，导入受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因，称为基因文库。若包含了一种生物的所有基因，这种基因文库叫做基因组文库；若只包含了一种生物的一部分基因，这种基因文库叫做部分基因文库，如cDNA文库。可以根据目的基因的有关信息，如基因的核苷酸序列、基因的功能等特性从基因文库中获取目的基因。（基因库是一个种群中所有个体所含有的全部基因）。
4.PCR的中文名称是多聚酶链式反应，原理是DNA复制。应用的前提是要有一段已知目的基因的核苷酸序列，以便根据这一序列合成引物。需要的条件：热稳定DNA聚合酶（Taq酶）、模板、4种脱氧核苷酸、2种引物。大致过程经过变性→复性→延伸3个步骤。扩增的结果是目的基因呈指数形式扩增（约为2n，其中n为扩增循环次数）。
5.基因比较小，核苷酸序列已知，可以通过DNA合成仪用化学方法直接人工合成。
6.一个完整的基因表达载体应该包括启动子、终止子、目的基因和标记基因。启动子是一段有特殊结构的DNA片段，是RNA聚合酶识别和结合的部位，能驱动基因转录出mRNA。终止子也是一段有特殊结构的DNA片段，使转录在所需要的地方停下来。标记基因的作用是便于重组载体的鉴定和选择。（起始密码子是指mRNA上的3个碱基，作为翻译的起点；终止密码子是翻译的终点）
7.目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过客中，称为转化。转化植物细胞常用的方法：①农杆菌转化法：适用于双子叶植物、裸子植物和少数单子叶植物，比较经济有效。②基因枪法：适用于单子叶植物，但成本较高。③花粉管通道法：适用于被子植物，比较简便经济。
8.转化动物细胞一般用显微注射法，常用受精卵作为受体细胞。
9.转化微生物细胞一般受用感受态法：用Ca2+（一般用CaCl2溶液）处理微生物，使细胞处于一种能吸收周围环境中的DNA分子的生理状态。选用大肠杆菌作为受体是因为其繁殖快、为单细胞、遗传物质相对较少。
10.目的基因能否在受体细胞中稳定遗传的关键是转基因生物的DNA上是否插入了目的基因。检测方法是DNA分子杂交，通常选用单链的DNA作为探针。检测目的基因是否转录出mRNA的方法是DNA-RNA分子杂交。检测目的基因是否翻译成蛋白质的方法是抗原-抗体杂交。
11.除了分子水平的检测，有时还要进行个体水平的检测，例如，转基因抗虫棉还需要做抗虫实验。
1.3基因工程的应用
1.植物基因工程的应用实例有：①抗虫；②抗病；③抗逆；④改良品质。
2.动物基因工程的应用实例有：①提高生长速度；②改良品质；③生产药物；④作器官供体。
3.基因工程获得的药物有：胰岛素、白细胞介素、干扰素、乙肝疫苗等。（干扰素是白细胞产生的一种糖蛋白）。
4.基因治疗是把正常人的基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的，这是治疗遗传病的最有效的手段。分为两类：①体外基因治疗：在体外完成转基因再输入患者体内；②体内基因治疗：直接向人体组织细胞中转移基因。
1.4蛋白质工程的崛起
1.蛋白质工程崛起的缘由是：基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，这些天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。
2.蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计。它的基因途径是：从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）。蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程。应用实例：速效型胰岛素、蛋白质电子原件等。
专题2细胞工程
2.1植物细胞工程
1.细胞工程是指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，通过细胞水平或细胞器水平上的操作，按照人的意愿改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学技术。根据操作对象不同，可以分为植物细胞工程和动物细胞工程。
2.脱分化是已经分化的细胞失去其特有的结构和功能而转变成未分化细胞的过程。愈伤组织细胞特点：细胞排列疏松而无规则，高度液泡化的呈无定形状态的薄壁细胞。
3.植物组织培养就是在无菌和人工控制条件下，将离体的植物器官、组织、细胞，培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其产生愈伤组织、丛芽，最终形成完整的植株。大致过程：外植体经脱分化形成愈伤组织，愈伤组织再分化形成胚状体或丛芽，再经生长成为完整植株。基本原理是植物细胞的全能性。
4.细胞的全能性是指已经分化的细胞仍然具有发育成完整个体的潜能。理论上具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞都具有全能性。未离体的组织细胞不能表现全能性的原因是基因进行了选择性表达。
5."胡萝卜组织培养"要无菌操作的目的是防止杂菌与培养物争夺营养，杂菌产生的有害物质会导致培养物死亡。切取胡萝卜块时强调要切取含有形成层部分，原因是这部分容易诱导形成愈伤组织。
6.植物组织培养的基本条件有离体、无菌、一定的营养、温度、pH、光照等。
7.植物组织培养的培养基一般含有无机营养成分、有机营养成分、激素（生长素和细胞分裂素）、琼脂四部分。还要注意控制好温度、pH、光照（诱导愈伤组织一般要避光）等。
8.植物体细胞杂交就是将不同种的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新的植物体的技术。基本原理是细胞膜的流动性和植物细胞的全能性。属于染色体（数目）变异。优点是可以克服远缘杂交不亲和的障碍。实例有白菜-甘蓝、胡萝卜-羊角芹等。
9.原生质体是指去掉细胞壁的植物细胞。获得方法是用纤维素酶和果胶酶处理。去壁时应该在等渗或高渗溶液中进行，防止原生质体吸水涨破。诱导融合的方法一般有两类：①物理方法：离心、振动、电击等；②化学方法：用聚乙二醇作为诱导剂。诱导成功的标志是杂种细胞再生细胞壁（可通过观察杂种细胞是否会吸水涨破来判断成功与否）。
10.微型繁殖采用的是植物组织培养技术，优点有高效性、可以保持亲本的优良特性。
11.作物脱毒一般选用植物的茎尖进行组织培养，原因是该部分可能不带病毒。（抗毒苗是通过基因工程获得的）。
12.人工种子是以植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料，经过人工薄膜包装得到的种子。人工种皮一般含有适量养分、无机盐、有机碳源、农药、抗生素、有益菌、植物生长调节剂等。人工种子的优点有①可以完全保持优良品种的遗传特性；②不受季节、气候和地域限制；③可以方便地贮藏和运输。
13.单倍体育种的2个关键步骤：①花药离体培养（获得单倍体）；②人工诱导染色体加倍（使单倍体可育）。其原理是染色体（数目）变异。优点是可以明显缩短育种年限（一般得到是纯合体）。
14.在作物育种中，可以对植物的愈伤组织进行化学或物理的诱变处理，促使其发生突变，再通过分化形成植物，从这些植物中筛选出高抗、高产、优质的突变体，就可以培育成新品种。
15.细胞产物的获得一般需要将外植体培养到愈伤组织阶段即可，不需要培养成植株。实例有人参皂甙、紫草素等。
2.2动物细胞工程
1.动物细胞培养是从动物机体取出相关的组织，将它分散成单个细胞，然后，放在适宜的培养基中，让这些细胞生长和增殖。基本原理是细胞增殖。
2.将成块动物组织分散成单个细胞的方法是用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理。目的是解除细胞间的接触抑制，还有利于细胞从培养液中获得营养物质。
3.悬液中分散的细胞很快会贴附在瓶壁上，称为细胞贴壁。这要求培养瓶或培养皿的内表面光滑、无毒，易于贴附。
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4.当贴壁细胞分裂生长到表面相互接触时，细胞就会停止分裂增殖，这种现象称为细胞的接触抑制。解除方法是用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理。癌细胞没有接触抑制，是由癌细胞表面糖蛋白减少所致。
5.人们通常将动物组织消化后的初次培养称为原代培养，分瓶继续培养称为传代培养。一般来说，细胞在传到10~50代左右时，增殖会逐渐缓慢，以至于完全停止，部分细胞的细胞核型可能会发生变化。目前使用的或冷冻保存的正常细胞通常为10代以内，以保持细胞正常的二倍体核型。
6.动物细胞培养的条件：①无菌、无毒的环境：培养液和培养用具进行无菌处理、培养液中添加一定量的抗生素、定期更换培养液。②营养：糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素等，特别要加入血清、血浆等一些天然成分。③温度和pH：哺乳动物多以36.5±0.5℃为宜，pH为7.2~7.4。④气体环境：95%空气+5%CO2（CO2的主要作用是维持培养液的pH）。
7.动物细胞培养的应用实例：①获得生物制品：如病毒疫苗、干扰素等；②检测有毒物质；③用于生理、病理、药理研究。
8.动物核移植是将动物的一个细胞的细胞核，移入一个已经去掉细胞核的卵母细胞中，使其重组并发育成一个新的胚胎，这个新的胚胎最终发育为动物个体。分为胚胎细胞核移植和体细胞核移植两种类型。由于动物胚胎细胞分化程序低，恢复全能性相对容易。基本原理是动物细胞核的全能性。克隆动物属于无性繁殖，优点是可以保持供体亲本的优良特性。克隆动物并不是对体细胞供体动物100%的复制，因为核外还有少量DNA，另外，后代个体的表现还受环境影响。
9.动物体细胞核移植：供体细胞一般选用传代10代以内的，是因为10代以内的细胞一般能保持正常的二倍体核型。一般选择幼龄动物的、分化程度低的组织细胞作为供体更易于培养。受体细胞一般选择MII期的卵母细胞（因为MII期卵母细胞核的位置靠近第一极体，用微型吸管可一并吸出细胞核与第一极体；卵母细胞中含有核全能性表达所需的营养物质）。
10.体细胞核移植技术的应用实例：加速家畜遗传改良进程、保护濒危物种、作为生物反应器、作为器官移植供体等。存在的问题有：成功率仍然比较低，克隆动物还存在健康问题。
11.动物细胞融合也称细胞杂交，是指两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程。基本原理是细胞膜的流动性。优点是突破了有性杂交方法的局限，使远缘杂交成为可能。诱导融合常用的诱导因素有聚乙二醇（PEG）、灭活的病毒、电激等。
12.单克隆抗体制备过程中小鼠需作免疫处理，目的是让其体内形成相应的效应B细胞。细胞两两融合的结果有3种：B-B、瘤-瘤、杂交瘤。需要两次筛选：第一次筛选是为了获得杂交瘤细胞，第二次筛选是为了获得能产生单一性抗体的杂交瘤细胞。
13.杂交瘤细胞的特点是既能产生抗体又能无限增殖。单克隆抗体的优点是特异性强、灵敏度高、并可能大量制备。具体应用有：①作为诊断试剂：如"早早孕诊断试剂盒"，具有准确、高效、简易、快速的优点。②用于治疗疾病和运载药物：如"生物导弹"，借助单克隆抗体的导向作用。
专题3胚胎工程
3.1体内受精和早期胚胎发育
1.胚胎工程是指对动物早期胚胎或配子所进行的多种显微操作和处理技术，如体外受精、胚胎移植、胚胎分割、胚胎干细胞培养等技术。
2.哺乳动物精子的发生场所是睾丸，雄性动物生殖细胞的增殖时期是从初情期（相当于人的青春期）开始直到生殖机能衰退。精子的发生过程大体经过3个阶段：①第一阶段：精原细胞经过数次有丝分裂，产生大量的精原细胞，部分形成初级精母细胞；②第二阶段：初级精母细胞连续进行两次细胞分裂形成精细胞；③第三阶段：精细胞变形成为精子。细胞核变为精子头的主要部分，高尔基体发育为头部的顶体，中心体演变为精子的尾，线粒体聚集在尾的基部形成线粒体鞘，细胞内的其他物质浓缩为球状叫做原生质滴。
3.卵子的发生是在雌性动物的卵巢内完成的。卵原细胞从动物的胚胎性别分化以后（胎儿期），即开始通过有丝分裂增殖。减数第一次分裂是在雌性动物排卵前后完成的，减数第二次分裂是在精子和卵子结合的过程中完成的。两次分裂是不连续的。
4.一个卵泡中能形成一个成熟的卵子。排卵是指卵子从卵泡中排出。刚排出的卵不是成熟的卵子，它在母体的输卵管内与精子受精。
5.受精是精子与卵子结合形成合子（即受精卵）的过程，它包括受精前的准备阶段和受精阶段。自然条件下，受精是在雌性输卵管内完成的。
6.受精前精子要获能，卵子要达到减数第二次分裂的中期。
7.防止多精入卵的两道屏障：①透明带反应：在精子触及卵黄膜的瞬间，会产生阻止后来的精子进入透明带的生理反应；②卵细胞膜反应：精子入卵后，卵细胞膜会立即发生一种生理反应，拒绝其他精子再进入卵内。受精作用的实质是精子的核与卵细胞的核相融合的过程。完成的标志是在卵黄膜和透明带的间隙可以观察到两个极体（第一极体一般不再继续分裂）。
