基因工程思维导图

基因工程 (Gene Engineering) 思维导图
基因工程 (Gene Engineering / DNA Recombination Technology)
一、 定义

• 在体外对DNA分子进行切割、连接，然后导入宿主细胞，实现基因的改造和表达的技术。
  二、 核心原理
• DNA双螺旋结构
• 碱基互补配对原则
• 基因表达（转录、翻译）
• 遗传密码的通用性
  三、 基本工具 ("分子剪刀"、"分子针线"、"分子运输车")

• 1. 酶:
• 限制性核酸内切酶 (限制酶):
• 特点：识别特定DNA序列并切割。
• 作用：切割目的基因和载体。
• DNA连接酶:
• 类型：E.coli DNA连接酶、T4 DNA连接酶。
• 作用：连接目的基因和载体，形成重组DNA分子。
• 逆转录酶:
• 作用：以mRNA为模板合成cDNA（目的基因）。
• Taq聚合酶 (耐高温DNA聚合酶):
• 特点：耐高温 (70-75^\circ C 活性最高)。
• 作用：用于PCR技术扩增DNA。
• 2. 载体:
• 目的：将目的基因导入受体细胞。
• 常用类型：质粒、噬菌体衍生物、动植物病毒。
• 条件：
• 复制起点 (ori)：保证在宿主细胞内复制。
• 标记基因：便于筛选含有目的基因的细胞（如抗生素抗性基因）。
• 多个限制酶切点：便于目的基因插入。
• 大小适中。
• 3. 目的基因:
• 定义：需要研究或改造的基因片段。
  四、 PCR技术 (聚合酶链式反应)
• 1. 原理:
• 体外模拟DNA复制过程，指数级扩增特定DNA片段 。
• 2. 反应体系:
• 模板DNA
• 一对引物 (决定扩增区域)
• 四种脱氧核苷酸 (dNTP)
• Taq聚合酶
• 缓冲液 (含 Mg^{2+} 等)
• 3. 步骤:
• 变性 (Denaturation): 90-95^\circ C，DNA双链解开 。
• 退火 (Annealing): 50-65^\circ C，引物与模板结合 。
• 延伸 (Extension): 70-75^\circ C，Taq酶合成新链 。
• (重复循环)
• 4. 应用:
• 快速获取目的基因 。
• 基因诊断、法医鉴定等 。
  五、 基本操作程序
• 1. 获取目的基因:
• 从基因文库获取。
• 利用PCR技术扩增。
• 逆转录法 (cDNA)。
• 化学方法人工合成。
• 2. 基因表达载体的构建 (核心步骤):
• 用同种限制酶切割目的基因和载体。
• 用DNA连接酶将目的基因与载体连接成重组DNA分子。
• 3. 将目的基因导入受体细胞:
• 微生物细胞：转化法 (感受态细胞法，如 Ca^{2+} 处理)。
• 植物细胞：农杆菌转化法、基因枪法、花粉管通道法。
• 动物细胞：显微注射法。
• 4. 目的基因的检测与鉴定:
• 分子水平检测:
• DNA分子杂交：检测是否导入成功。
• 分子杂交 (RNA)：检测是否转录出mRNA。
• 抗原-抗体杂交：检测是否翻译成蛋白质。
• 个体水平鉴定:
• 观察转基因生物是否表现出目标性状。
• 筛选方法:
• 利用标记基因筛选。
• 核酸探针筛选 。
  六、 工程应用
• 1. 医药领域:
• 生产基因工程药物：胰岛素、干扰素、疫苗等 。
• 基因治疗：将健康基因导入有缺陷的细胞 。
• 2. 农业领域:
• 培育转基因植物：抗虫棉、耐储存番茄等 。
• 培育转基因动物：快速生长的鱼等 。
• 3. 环保领域:
• 利用工程菌降解污染物 (如超级细菌) 。
• 4. 基础研究:
• 研究基因功能。
  七、 知识细节
• 限制酶具有特异性。
• 连接酶连接的是磷酸二酯键。
• PCR引物是单链DNA或RNA。
• 农杆菌转化法常用于双子叶植物。
• 显微注射法常用于动物受精卵。
  蛋白质工程 (Protein Engineering) 思维导图
  蛋白质工程 (Protein Engineering)
  一、 定义

• 以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系为基础，通过基因修饰或合成，对现有蛋白质进行改造或创造新蛋白质的技术 。
• 被认为是第二代基因工程 。
  二、 核心原理
• 蛋白质结构决定其功能。
• 基因的碱基序列决定蛋白质的氨基酸序列，进而决定其结构和功能。
• 通过改变基因来改变蛋白质。
  三、 与基因工程的关系
• 蛋白质工程的前提是掌握蛋白质结构与功能的关系。
• 蛋白质工程的手段依赖于基因工程（对基因进行定点改造或合成）。
• 蛋白质工程的目标是获得特定功能的蛋白质分子。
• 基因工程是蛋白质工程的基础和延伸 。
  四、 基本流程

• 1. 预期蛋白质功能: 确定改造或创造的目标。
• 2. 设计蛋白质结构: 根据功能需求，设计预期的蛋白质空间结构。
• 3. 推导氨基酸序列: 从设计的结构推导出对应的氨基酸序列。
• 4. 改造/合成基因: 根据氨基酸序列，利用基因工程技术改造现有基因或人工合成新基因。
• 5. 表达与检测: 将改造后的基因导入工程细胞表达，获得蛋白质，并检测其功能是否符合预期。
     五、 工程目标与应用
• 1. 改造现有蛋白质:
• 提高酶的活性或稳定性。
• 改变酶的底物特异性。
• 增强药物蛋白的疗效。
• 降低药物蛋白的副作用或免疫原性。
• 2. 创造自然界不存在的新蛋白质:
• 具有全新功能的蛋白质分子。
  六、 知识细节
• 这是一个多学科交叉领域，涉及结构生物学、分子生物学、生物化学、计算机模拟等。
• 高中阶段侧重理解其概念、目标、流程及其与基因工程的关系，不深入复杂的结构设计 。
• 本质是在实验室中加速或模拟蛋白质的进化过程 。
  胚胎工程 (Embryo Engineering) 思维导图
  胚胎工程 (Embryo Engineering)
  一、 定义

• 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 。
  二、 核心原理与基础知识
• 动物有性生殖过程（配子形成、受精）。
• 早期胚胎发育阶段：受精卵 → 卵裂 → 桑椹胚 → 囊胚 。
• 细胞的全能性（在早期胚胎中程度较高）。
  三、 关键技术

• 1. 体外受精 (IVF):
• 过程：卵母细胞采集与成熟、精子获取与获能、体外受精 。
• 条件：模拟体内环境的培养液。
• 2. 胚胎的早期培养:
• 目的：将受精卵或早期胚胎培养至适宜移植的阶段（桑椹胚或囊胚）。
• 条件：特定的发育培养液。
• 3. 胚胎移植:
• 定义：将早期胚胎移植到同种、生理状态相同的代孕母体子宫内继续发育。
• 关键：供体和受体同期发情处理（保证相同的生理环境）。
• 4. 胚胎分割:
• 对象：桑椹胚或囊胚。
• 技术：显微操作技术，均匀分割。
• 注意：分割囊胚时需均等分割内细胞团（将来发育成胎儿主体）。
• 结果：获得遗传物质相同的多个后代（克隆的一种方式）。
• 5. 核移植技术 (克隆):
• 主要指：体细胞核移植 (SCNT) 。
• 过程：
• 获取体细胞核。
• 获取去核的卵母细胞。
• 将体细胞核注入去核卵母细胞，构建重组胚胎。
• 早期胚胎培养。
• 胚胎移植。
• 结果：获得与供核个体遗传性状基本相同的后代。
  四、 工程应用
• 1. 优良家畜繁殖:
• 通过胚胎移植、胚胎分割快速扩大优良品种数量。
• 2. 生产转基因动物:
• IVF和胚胎移植是常用辅助技术（如将经基因修饰的受精卵移植）。
• 3. 保护濒危物种:
• 利用胚胎工程技术保存和繁殖。
• 4. 医学应用:
• 治疗不孕不育 (IVF，俗称“试管婴儿”)。
• 干细胞研究相关（如治疗性克隆）。
  五、 知识细节
• 胚胎移植的受体只需提供子宫环境，不影响后代遗传性状。
• 胚胎分割属于无性繁殖。
• 体细胞核移植获得的克隆动物，其遗传物质主要来自供核的体细胞，但线粒体DNA来自去核卵母细胞。
• 胚胎干细胞 (ES细胞) 主要来自早期胚胎（如囊胚的内细胞团）。
  希望这些思维导图能帮助您更好地理解和梳理这三个现代生物科技专题的核心内容。