資源簡介

《普通高中課程標準實驗教科書　生物3　選修　
現代生物科技專題　教師教學用書》
致教師
專題1　基因工程
　　1.1　DNA重組技術的基本工具
　　1.2　基因工程的基本操作程序
　　1.3　基因工程的應用
　　1.4　蛋白質工程的崛起
　　前沿動態
　　DNA重組技術的基本工具　教學案例
專題2　細胞工程
　　2.1　植物細胞工程
　　2.2　動物細胞工程
　　前沿動態
　　動物細胞融合與單克隆抗體　教學案例
專題3　胚胎工程
　　3.1　體內受精和早期胚胎發育
　　3.2　體外受精和早期胚胎培養
　　3.3　胚胎工程的應用及前景
　　前沿動態
　　胚胎移植　教學案例
專題4　生物技術的安全性和倫理問題
　　4.1　轉基因生物的安全性
　　4.2　生物技術的倫理問題
　　4.3　禁止生物武器
　　轉基因生物的安全性　教學案例
　　轉基因生物的安全性　教學設計
專題5　生態工程
　　5.1　生態工程的基本原理
　　5.2　生態工程的實例和發展前景
　　前沿動態
　　教學案例
致教師
新的普通高中課程方案規定的培養目標、課程結構、課程內容、課程的實施與評價，都在實驗之中，需要課程工作者、教材編著者、校長和教師，還有莘莘學子的共同努力，其中，教師的辛勤耕耘，更是實驗成功的關鍵。
《普通高中課程方案（實驗）》就課程內容的選擇提出了三個原則：時代性、基礎性和選擇性。根據這些原則，《普通高中生物課程標準（實驗）》在課程設計思路中指出：“選修模塊是為了滿足學生多樣化的需要而設計的，有助于拓展學生的生物科技視野、增進學生對生物科技與社會關系的理解、提高學生的實踐和探究能力。”在介紹“選修3：現代生物科技專題”時，進一步指出：“以專題形式介紹了現代生物科學技術一些重要領域的研究熱點、發展趨勢和應用前景，以開拓學生的視野、增強學生的科技意識，為學生進一步學習生物科學類專業奠定基礎。”這是一些頗為講究的規定性話語，特別是具體到本模塊，起著教學定位的作用，大家可以細細體味。大致地說，是廣闊性與有限性的統一；是基礎性與發展性的統一，我們將在后面的介紹中進一步展開。
以下將分三個方面和老師們交流，這三個方面依次是：學生學習本模塊的意義和價值；本模塊教學內容的設計思路和呈現方式；本模塊的教學建議。
一、學習本模塊的意義和價值
《普通高中生物課程標準（實驗）》中，對本模塊的意義和價值，作了如下簡明的概括。
“自20世紀50年代以來，生物科學在微觀和宏觀兩方面都迅速發展，并產生了現代生物技術產業，深刻影響人類社會的生活、生產和發展。本模塊以專題的形式著重介紹現代生物科學和技術中一些重要領域的研究熱點、發展趨勢和應用前景，以開拓學生視野，增強科技意識，激發學生探索生命奧秘和熱愛生物科學的情感，為進一步學習現代生物學奠定基礎。”
本教材就是按照生物課程標準這一要求和具體內容標準、活動建議來編寫的，是進一步具體地來體現其意義和價值的。
1.引導學生與時俱進
培養并樹立與時俱進的觀念，是此次高中課程改革中一個突出的特點，如選擇課程內容的三原則，時代性放在了首位，它既體現在必修內容之中，更體現在選修內容之中。教育要創新，要培養創新型人才，在科學教育中，首先要讓學生深切感受到現代科學技術是在創造和革新中不斷前進的，而且比人類歷史上的任何時期發展的速度都快，影響人類的生活更為深刻。20世紀50年代以來，生物科學技術的迅猛發展，最具有代表性。教材呈現的基因工程、細胞工程和胚胎工程，基本上是在微觀方面反映生物科學技術的與時俱進，而生態工程和生物技術的安全性和倫理問題，則更多地反映了在宏觀方面的與時俱進。培養并樹立與時俱進的觀念，不僅是學習本課程的需要，也是學生步入社會取得成功的需要，是對以學生發展為本的教育理念的追求。
2.正確認識科學與技術的互動
科學與技術，如同兩個互動的車輪，它們的協調和飛速運轉，是現代社會發展的重要特征。19世紀中葉，馬克思首先作出了“生產力中也包括科學”，“社會勞動生產力首先是科學的力量”的精辟論斷。隨后，科學通過技術的發明和應用，其規模和速度與日俱增，科學與技術的緊密結合，成為現代經濟發展最主要的驅動力。鄧小平同志及時指出：“科學技術是第一生產力”。本模塊的教材，既重視基本的科學原理，又重視了原理如何轉化為技術，技術又如何推動科學的新發展。科學的技術化，技術的科學化，滲透在教材內容的選擇、組織安排之中。我國的科學教育，其弱點之一是對技術教育重視不夠。這有長期的閉關自守的封建統治，鄙薄技術，貶之謂“奇技淫巧”的歷史原因，更因為中國遲遲未進入大規模的工業化時代。歷史已經掀開了嶄新的篇章，我國的生物技術、信息技術、航天技術、新能源技術、新材料技術等，正在推動經濟的發展，迎頭趕上國際水平；而其中生物技術的發展幾乎和國際同步。今日的生物科學教育，理應更重視生物技術教育。在此次課程內容改革中，技術已升格為八大學習領域之一。本模塊教材的內容，把技術放在了重要位置，甚至包括了若干重要的科研或生產的工藝流程，這對大多數教師都有再學習的必要。對于學生來說，并非要求他們具體掌握和應用，但通過對這些內容的了解，會較深切地體會到技術的重要性，樹立科學與技術互動的觀念。
3.關注科學技術的社會應用，增強社會責任感
教育的本質是促使人的社會化，為社會的發展培養人才。當代科學技術的發展，除了科學技術內在的矛盾運動促使其前進外，更來自于社會發展的需求。生活水平的提高，生產和經濟活動的發展，健康的增進和疾病的防治，環境的保護和治理，國家防御能力的提高等諸多因素，都極大地促進了生物科學技術的發展，并催生著許多新領域的開拓。本模塊的教材，并非僅介紹純粹的生物科學技術，而是緊密地結合著社會生活、生產和發展的現實需求來引導學生的學習，這不僅能較好地喚起學生的學習興趣，更重要的是培養學生對社會問題的關注，以及對生物科學技術在社會應用中正負兩方面影響的認識，增強學生的社會責任感。如基因工程、細胞工程、胚胎工程，不僅是生物科學技術的熱點，也是社會關注的熱點。緊隨其后，生物技術的安全性和倫理問題的教學，更是直指科學技術的社會責任問題，而生態工程則是為了經濟和社會的可持續發展產生的綜合科學技術，是一項宏大的國民工程。熱愛社會主義祖國，有為民族振興和社會進步作出貢獻的志向與愿望，對自己的行為負責，具有社會責任感，是我們的課程貫徹始終的教育目標。
4.深化熱愛生物科學技術的情感，發展探究能力
高中生物課程標準共設置了三個選修模塊，分別適應不同的學生群體的需求。本模塊明確地指出“為學生進一步學習生物科學類專業奠定基礎”。因此，可以估測，在學校選課指導機構的指導下，選修本模塊學生的絕大多數，將是有志于學習生命科學基礎類和應用類專業的學生。一般地說，他們喜愛生物科學，對與其相關的專業和職業有一定的了解，有較好的數、理、化等相關學科的基礎及科學探究能力。本模塊教材編撰的廣度、深度等也據此而定位，否則，學習會有許多困難。對于這部分學生來說，在對生物科學的興趣、認知和探究能力上，具有較好的基礎，需要深化和發展。熱愛生物科學技術情感的深化，應該是從感受、認同轉向內化的水平。生物課程標準曾指出：內化（或領悟）水平是“具有穩定的態度、一致行為和個性化的價值觀念等”。接近或達到這個水平，對學生來說，至關重要。而專業的選擇，若搖擺不定，在選課制度下，將貽誤時機。發展探究能力，則是另一種情況。鑒于教學內容的現代性和中學的實驗設備條件，以及并非專業學習，實際操作的實驗探究不可能很多等，發展探究能力將比較多地集中在學習資料的收集分析、撰寫專題綜述、口頭交流、討論或辯論等方面，并輔以適量的、可行的調查或實踐活動。但決不可因此就輕視發展探究能力，上述這些探究活動，恰恰是高年級的、有明確志愿傾向的學生能夠做和樂于做的活動。
上述四方面的學習本模塊的意義和價值，主要是針對本模塊的特殊性而言，高中生物課程標準提及的課程的總目標的方方面面，都應在本模塊教材的教學中予以貫徹。
二、教學內容的設計思路和呈現方式
1.設計思路
教學內容的設計思路的惟一依據是高中生物課程標準中本模塊的具體內容標準和活動建議。其中有若干重要方面是必須遵循的。它們是：
●以學習專題方式來呈現。即基因工程、克隆技術（本教材改為細胞工程，內容標準不變）、胚胎工程、生物技術的安全性和倫理問題、生態工程。盡管前四個專題存在互相聯系與滲透的關系，但仍各自作為獨立的專題來學習。
●具體內容標準規定的學習目標（用行為動詞表述）應予遵循。五個專題合起來，具體內容標準為17項。其中“簡述”為8項；“舉例說出”為6項；“關注”為2項；“討論”為1項。也即在知識性目標上以了解水平為主；在情感性目標上以經歷（感受）水平為主；技能性目標體現在活動建議中，主要是參觀、調查、資料收集、交流討論、專題綜述等。所以這樣規定，是因為內容均屬現代生物科技的前沿，已經很深了，宜實事求是、量力而行。
●活動建議部分，只能加強，不應削弱。防止本模塊的學習成了聽專題報告，學生缺乏動手動腦積極參與的機會。
因此，教學內容的設計思路，是在貫徹高中生物課程標準上述三方面的原則要求下，突出以下各點：
（1）確保教學內容的科學性
現代生物科技專題的內容，都是當前發展非常迅速的領域，既新且專，實例層出不窮，有時缺乏權威的鑒別，科學和技術的新概念多，又多在形成之中，各家不一，歧義頗多。作為教學內容，不易把握好分寸。為做到基本原理準確，實例可靠，技術方法相對全面，最好的辦法是請各領域的資深專家撰稿。現在呈現在我們面前的實驗教材，各個專題分別是由專門從事該領域研究工作的專家撰寫的。基因工程是由中國農業大學的敖光明教授執筆；胚胎工程是由中國農業大學的張忠誠教授揮毫；生物技術的安全性和倫理問題是由北京大學的高崇明教授撰寫；生態工程則由中國農業大學程序教授領銜；細胞工程分別由河北師范大學和中國農業大學的年輕專家編撰。上述諸位各是該方面的專門學者，應能保證內容的科學性、先進性。高中生物課程標準在提及本模塊的教學建議時，曾指出“本模塊的教學以專題講座和學生討論為主”，若非專家，恐難主持“專題講座”，“專題”，在某種意義上說，也是專家之題。
（2）斟酌教學內容的適用性
教學內容能否適于高中教學使用，必須由專家把關，但不能苛求專家熟悉中學生及他們的學習特點。中學的課程資源狀況，師資狀況，對專家來說，也較朦朧。為使教學內容有較好的適用性，我們選請了若干位優秀中學教師，一對一地和專家共同切磋。書稿之敲定，經歷的過程是專家──中學教師──專家，再由編輯會議統成。鑒于我國地域遼闊，教育發展水平參差不齊，教學內容適用性的“度”，甚難把握，尚須各地教師增減、調整。
（3）體現教學內容的有序性
這里的有序性，主要指符合學生認知過程的有序性。由于教材以專題形式呈現，似不可能在各專題間尋求其系統和有序，主要體現于每一專題中各內容的安排符合學生的認知規律。又由于每一專題，有各自的科學技術發展過程的特點，或對于學生要求的側重點不同，各專題的“序”，不可能有一個統一程式，只能是依矛盾的特殊性來處理。如基因工程，何謂轉基因或DNA重組？并不需要一開始就下什么定義，首先要有相應的“工具”才行，事實上基因工程成為可能，也是由“工具”的突破開始的。而細胞工程則是從植物的微繁技術的應用和動物的人造皮膚的實踐開始；生態工程則是從長江洪水和石油農業的實際問題開始，這都符合學生的認知始于感性的原則。胚胎工程與上述均不同，鑒于必修內容中基本上缺少動物胚胎發育的基礎知識，因此從體內受精和早期胚胎發育的基本生物學過程和原理進入。生物技術的安全性和倫理問題，已見諸于各種傳媒以及法律法規的介入，教學內容直接以“論壇”的方式，引導學生進入。上述，只是舉其大者，在各專題教學內容內部的有序安排，老師們自可一目了然。
（4）創設學生主動參與學習的機會
高中生物課程標準指出：“本模塊的教學以專題講座和學生討論為主”。這是考慮到本模塊的新和專，通常條件下，學生不可能親歷實驗和探究，這就要求在有很大限制的條件下，仍能盡可能地創設學生主動參與學習的機會。本教材首先是努力解決可讀性問題，因為閱讀是基本的自學方式。為使學生可讀，教材在通俗、有層次、有豐富的實例方面下了功夫。其二是盡可能設計了一些實驗、模擬實驗（或制作）、資料收集、社會調查、實踐活動、參與決策等活動。其三是加強討論、思考和探究、辯論、撰寫專題綜述等較高層次的學習活動，有條件的學校，還可參與某些分子水平的實驗。總之，我們不希望本模塊的學習，變為聽專家演講、教師講解的單一教學模式，教材為多樣化的教學策略和學習活動的實現，提供了一定的空間。
2.呈現方式
（1）每個專題都有切合專題內容、引發學習興趣、概括內容主旨及與人類生活關系的彩色題圖，力求使學生燃起求知欲望，留下深刻印象。
（2）本模塊的緒言與另兩個選修模塊不同，題為：《生物科技創造美好未來》的前言，是由領導和組織我國有關基因組測序工作的著名專家之一楊煥明教授撰寫，并親筆署名的。給學生生物科學技術歷史的凝重感和生物科學技術工作者的社會責任感以感染，而“生命是數據的”的提示，更洋溢著時代氣息。這對未來將從事生物科學類專業學習的學生來說，增添了更多的理性思考。
（3）每個專題的起始，都列有《科技探索之路》的專題。它們依次是：
《基礎理論和技術的發展催生了基因工程》
《細胞工程的發展歷程》
《胚胎工程的建立》
《生物技術引發的社會爭論》
《生態工程的興起》
它們大多以編年史的方式，簡述了各領域的發明、發現和學者的貢獻，以加深學生對科學歷史和本質的認識，以及對科學、技術與社會關系的理解。
（4）每個專題均備有豐富的實例，技術是科學原理和方法、工藝的結合，產品是其最終結晶。實例中又特別突出我國生物科學技術的成果。使理論和實踐相結合，使今日的學習和為國家興旺發達的社會責任感相結合。
（5）技術很大程度上是實際操作。教材呈現和學生學習上會有許多困難。鑒于此，教材就技術層面上的問題有許多簡化：一是較多地采用圖解式的技術流程，使之簡約、清晰；二是較復雜而精細的技術，附有專欄《生物技術資料卡》，或文或圖，以拓展學生的視野，并避免加重負擔。
（6）為方便學生參與和發展思維能力，教材的正文中插有《討論》的專欄，旁欄中也設有《？》《尋根問底》《求異思維》《異想天開》《小知識》等欄目。既有利于學習內容的理解，也望能鍛煉學生的思維。
（7）為使學習的成果能及時鞏固，并有所發展和提高，本教材強化了總結性的活動，在專題或分專題后分別設置了如下的欄目：
《思考與探究》，設在分專題之后，相當于作業，及時鞏固和提高；
《拓展視野》，設在分專題或專題之后，體現科學技術無止境；
《專題小結》，設在各專題之結束，融知識、技能、觀念于一體，有一個概括的認識；
《進展追蹤》，設在各專題之結束，列有追蹤內容的提示，是學生撰寫綜述報告的參考。通過追蹤，可發展學生多方面的能力，并感受科學技術永不停止的步伐；
《網站鏈接》，提示若干網站和網頁，為學生的進一步學習提供幫助；
《參考書目》，列有可資參考的若干書籍，其中包括撰寫各專題的專家的著述，讀來更有親切感；
（8）和其他模塊的教材一樣，注意圖文并茂，搭配得當。本模塊以圖解和照片為主，其中有一部分照片彌足珍貴，系作者或相關科研和生產單位提供。
（9）呈現方式的圖解概括如下。
三、 本模塊的教學建議
這本教師教學用書，每個專題都設有“教材分析”，每一個分專題都設有“教學目標”、“教學重點和難點”、“教學策略”和“教學案例”等具體的教學建議，因此，在這里，僅就若干具有普遍意義的方面，給老師們一些提示。
1.結合本模塊的實際，貫徹課程理念和目標
本模塊只是高中生物課程六個模塊之一，局部應該體現整體的要求。課程理念的四個方面：提高生物科學素養，面向全體學生，倡導探究性學習和注重與現實生活的聯系都應體現。盡管是《現代生物科技專題》，仍不是專業教育，而是在這一個方面強化生物科學素養，因此，不可要求太多太高，仍要面向選修學生的總體水平，只要重視與現實生活的聯系和調動學生的探究興趣，學來不應很困難。
知識、情感態度與價值觀、能力三維度的課程目標，由于知識的新而專，情感態度與價值觀、能力的要求也“水漲船高”。而由于這些專題與社會生活、生產、發展的緊密聯系，使情感態度與價值觀的要求上升到更為重要的位置，反過來，這又會促進知識、能力目標的達成，教學應該把握好這一契機，提高學生學習的積極性，從而達到較好的教學效果。
2.重視基本的生物科學技術概念的教學
現代生物科學技術揭示了一些新的原理、原則和規律，逐步建立了一系列的新概念。雖然，本模塊并非生物科技的專業教育，但選修學生的大多數，是有志于生物科學類專業學習的。為了選擇相關職業，為報效社會作準備，對新的生物科技概念的了解，對他們是重要的，也是能接受的。不應把本模塊的教學變成泛泛的科普，或資料的搜集瀏覽。教學的過程固然要通俗易懂，學習的過程需要博覽廣記，但作為一門課程的學習，沒有對基本概念（不論是科學的還是技術的）的理解和把握，將影響進一步的學習和發展。
3.落實生物科學技術的歷史和社會功能的教育
幾乎每一個現代生物科技專題都展示了科學的創新，推動了技術的發展，技術的進步又催生科學的新進展，從而更廣闊、更深入地影響社會生產、生活，乃至于倫理道德和價值觀念。現代生物科技雖然只有50多年的歷史，卻甚為輝煌，且集中展現了科學、技術、社會的互動。應該通過多種方式的教學活動，讓學生領悟科學技術是第一生產力，熱愛科學技術；關注科學技術的社會功能；嘗試應用生物科學技術，參與個人和社會事務的決策；對生物科學技術可能帶來的負面影響，抱有社會責任感。這是對本模塊教學的較高要求，應該是統率各堂課具體教學內容的靈魂。
4.切實組織好討論、辯論、綜述等學習活動
由于不可能安排較多的實驗、探究等學習活動，除少量的調查、實踐等活動外，經常的是討論交流，甚或辯論，還有查找并分析資料，撰寫綜述報告等。這些學習活動，切不可放任自流，需要精心安排與組織，一是要有時間保障；二是要提供豐富的背景資料或創設討論的情景；三是每次活動不宜雷同，從內容到形式要有新意；四是強化評價的引導和激勵作用，也就是說要精選若干活動進行過程性評價，促進學生重視這些活動，并取得較好的成果。
5.充分利用活的課程資源和信息技術
這里說的“活”，就是學生實際生活中的鮮活事例。廣闊的農村、牧區，就種植著轉基因作物；進行著植物的組培；實施著人工授精、胚胎移植；有些地方正進行著生態重建或生態農業。大中城市的近郊，也有許多設施種植或養殖。至于商品市場轉基因的食品、藥物逐漸在投放。而大眾傳媒幾乎天天有涉及現代生物科技進展和應用的報道。所有這些，教師要做有心人，將其納入到教學活動的設計和實施中去，現代生物科技不是“象牙之塔”，而是現實生活。在面向現實生活的同時，還要登臨信息高速路，利用網絡資源進行教學，這有利于現代信息素養的培養。
6.指導學生練習撰寫綜述報告
練習撰寫綜述報告，是本模塊的重要學習活動，也是難度較高的練習，需要教師切實的指導，謹建議如下。
（1）對于每一個學生來說，在本模塊學習過程中至少要寫1~2篇綜述報告。要求是：既要做，又不可負擔過重。
（2）每一個學生的選題可以隨學習的進程，分期分批地確定。這就使學生在內容的選擇和時間的安排上有一定的自由度，也使教師的指導工作，不至于過分集中而負擔過重。
（3）綜述報告不應該是復述教材的基本內容，而是在學習相關內容后，在其中某一方面的進一步拓展或引申，這才有鍛煉學生學習能力的意義。
（4）綜述報告的撰寫方式應有基本的要求，如有明確的主題（題目不可太大），對主題的意義和價值的簡述，層次清晰的內容、結論或討論，主要參考文獻或資料來源等。如果是以調查為基礎的綜述報告，則需要有調查方法和數據的處理等內容。
（5）應根據學生的實際水平，對綜述報告定出切實可行的評價標準，并和學生交流。綜述報告的成績應成為學習本模塊總成績的組成部分。
（6）學生之間可以通過學術報告會、墻報展示或編印成冊等方式，進行交流。
7.本冊教師教學用書中需要說明的問題
本模塊的教師教學用書中第1專題基因工程，在分析教學內容的特點時，考慮到這既是起始專題，內容也較深，為使教師教學時便于駕馭，作了概括性描述：“折射創新與發展的光輝”，“體現‘科學、技術、社會（STS）’教育思想”，“體現‘簡約、形象、誘思’原則。這個概括也適用于其他專題。為避免重復，其他各專題的教學內容特點均采取分節介紹的方式。
尊敬的老師們，上述介紹和建議，僅供參考。這是一門新課程，教科書和教師教學用書需要教學實踐的豐富和檢驗，期待著您的補充、批評和指正。
專題1 基因工程
20世紀70年代誕生的基因工程，已經成為生命科學中最具活力的前沿領域之一。在必修課中已經學習過關于基因工程的基礎知識，本專題在必修課基礎上，引導學生深入了解基因工程的基本原理和技術流程，了解基因工程在農業、醫療、環境保護等方面的廣泛應用及其發展前景，以拓展學生的科技視野，提高他們對生物科學技術的興趣。
本專題教材分析
一、 教學目的要求
知識方面
1.簡述基礎理論研究和技術進步催生了基因工程。
2.簡述基因工程的原理及技術。
3.舉例說出基因工程的應用。
4.簡述蛋白質工程。
情感態度與價值觀方面
1. 關注基因工程的發展。
2. 認同基因工程的應用促進生產力的提高。
能力方面
1.運用所學DNA重組技術的知識，模擬制作重組DNA模型。
2.嘗試運用基因工程原理，提出解決某一實際問題的方案。
3.通過討論、進展追蹤等活動，提高收集資料、處理資料、撰寫專題綜述報告的能力。
基因工程屬于生物科技前沿的內容，這一專題的教學，首先要考慮基礎性。高中階段的教學不是培養專家，而是要全面提高學生的科學素養，因此，著力點應瞄準對學生的發展起根本作用的知識、能力、思想情感上。忽視了這一點，而一味追求知識的深和透，就會本末倒置，影響學生的全面發展。
本專題教學的另一個重要原則就是要在學生原有的知識、經驗基礎上提升。違背了漸進性，易使學生認為“基因工程難學”而產生“危乎高哉”的想法，望而卻步。緊密聯系學生已有的經驗、生活閱歷，盡量緊密聯系必修課中的基礎知識，一步步引領學生登上這一科技前沿的舞臺，學生們才會心馳神往地投入到學習中來。
在學習本專題內容時，不能忽視知識與能力、情感態度與價值觀的有機結合。情感態度與價值觀是學習的動力，要利用國際上重大科技成果的素材，開闊學生的視野，增強他們奮發圖強的緊迫感；利用國內重大科技成果的素材，培養他們自強不息的民族精神，從而喚起他們學習的積極性。
二、 教學內容的結構和特點
（一）教學內容的特點
本專題的內容由題圖、《科技探索之路》和四節內容構成。
題圖為學習者創設了一個意境。沃森和克里克對DNA雙螺旋結構的重大發現和隨后的技術創新孕育了基因工程。在復制的DNA雙螺旋結構上展示的轉基因工程菌、牛、羊、魚、番茄、甜椒、牽牛等，代表了基因工程在三個重要方面的研究成果：轉基因微生物、轉基因動物和轉基因植物。在上述畫面的基礎上，點出基因工程的主題：“基因工程是按照人們的愿望，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。”此題圖不僅寓意深刻，且十分生動。
《科技探索之路──基礎理論和技術的發展催生了基因工程》是正文的前奏曲。沒有基礎理論的研究成果，沒有技術方面的創新發明，基因工程不可能誕生，也不可能迅速崛起。其內容分兩部分：一部分介紹基礎理論研究成果，一部分介紹在技術層面上發明的各種操作手段。編者精選這些最重要的成果，其目的是使學生從科技史實中，感悟創新是科學技術發展的不竭動力。
專題1基因工程本專題參考學時為7課時，其中第一節《DNA重組技術的基本工具》2課時；第二節《基因工程的基本操作程序》2課時；第三節《基因工程的應用》2課時；第四節《蛋白質工程的崛起》1課時。
對本專題的特點分析如下。
1.縱觀全章內容──折射創新與發展的光輝
縱觀本章科技探索之路和四節內容，鮮明揭示出理論創新、技術進步是促進基因工程問世和迅猛發展的主導因素。例如，在《科技探索之路》中，有關基礎理論研究，相關操作工具的發現，催生了基因工程。在《基因工程的基本操作程序》中，PCR基因擴增技術的發明，又將基因工程提升到一個新階段。由于基因導入方法的不斷創新和完善，使基因工程技術在微生物、植物、動物領域碩果累累。在《基因工程的應用》中，不僅可以看到轉基因技術在微生物、植物、動物中的應用，而且看到這項技術已經發展到基因工程藥物治療、基因治療等醫藥衛生領域。在《蛋白質工程的崛起》中，描述基因工程雖然碩果累累，但仍滿足不了日益發展的生活、生產的更多要求，從而崛起了第二代基因工程──蛋白質工程。基因工程從誕生到現在，時間雖短，但包括的內容已折射出人類不斷開拓創新、不斷尋求發展的精神光輝。
2.透視字里行間──體現“科學、技術、社會（STS）”教育思想
在科技探索之路──《基礎理論和技術的發展催生了基因工程》中，以精選的史實，說明了科學和技術的關系。在《DNA重組技術的基本工具》中，“工欲善其事，必先利其器”又一次說明科學和技術是一對孿生兄弟。在《基因工程的基本操作程序》中，目的基因獲取等一系列步驟，把社會需求、基礎理論和先進技術融合在一起。在《基因工程的應用》中，社會的需求推動著科學技術的迅猛發展；基因工程的迅猛發展，促進了社會的不斷進步。而《蛋白質工程的崛起》一節說明，社會的更高需求召喚著科學、技術的再創新──第二代基因工程的崛起。
3.感悟呈現方式──體現“簡約、形象、誘思”原則
由于基因工程內容上的“高”與“新”，處理不好，會提高學習難度，令學生視高科技為畏途，致使教學流于形式，為此，教材的編寫采用簡化手法，化復雜為簡約。在科技探索之路中，摘其基礎理論和技術創新中主要內容呈現給學生，在《DNA重組技術的基本工具》中摘其基本工具介紹給學生。在《基因工程的基本操作程序》和《基因工程的應用》中，呈現主干，割舍枝杈，將非主干內容以資料卡、拓展視野等方法呈現，做到有主有次。
對于基因工程，學生接觸得少，為此，教學內容的另一種呈現方式是形象化。在文字描述感到抽象時，課文中都配以插圖，力爭圖文并茂。對課文中難以理解的名詞、概念，通過打比方，使其“形象化”。例如，基因文庫中把基因組文庫比作國家圖書館，而把cDNA文庫比作某市圖書館，這樣便于學生理解和掌握。
“簡約”和“形象”不是為了降低學生智力參與的力度，恰恰相反，“簡約”給學生留有了思維的時間和空間。“形象”為學生左右腦協同思考創設了情境。為此，在本章教學內容中，結合圖文，都提出了一些相應的問題，誘導學生思考，從而把學習的注意力，從簡單的死記硬背引導到分析、批判、創新等有利于學生終身發展的能力上來。例如，在模擬制作中，通過提出問題，引導學生進一步思考特定限制酶的功能、DNA連接酶的作用位點。又如，在學習限制酶時，提出“限制酶在原核生物中的作用”的問題，是為學生創設一個問題情境，從而為深入理解限制酶在生物體中的作用打開思路。
（二）教學內容的結構
科技探索之路──基礎理論和技術的發展催生了基因工程
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三、 與學生經驗的聯系
報刊、雜志、廣播、電視等媒體都有基因工程技術的介紹。高中學生已經或多或少了解一些基因工程的內容，知道人的生長激素基因可在鯉魚中表達，使鯉魚生長迅速；知道寒冷水域中魚的抗寒基因可在植物中表達，從而培育出抗寒性能高的植物……由于基因工程的誕生，實現了在微生物、動物、植物之間的基因交流，人類以前不能實現的種種奇思妙想將變為現實。在現實生活中，轉基因生物也來到了人們的身邊：超市中擺放著轉基因大豆榨出的油；大田里種植了轉基因的抗蟲棉；藥品商店出售著轉基因微生物生產的胰島素……可以說，以上內容都是學生學習新知識可聯系的經驗。
還有一些必修課中學習過的知識可作為學習新知識的鋪墊。
在學習限制酶與DNA連接酶時，可與必修本中有關DNA結構的知識緊密聯系。有了DNA結構的基礎知識，才能較好地理解這兩種酶的功能。
在學習目的基因檢測時，可與必修本中DNA指導蛋白質合成的過程聯系。這樣學生才能理解，為什么要在三個層次上檢測：①檢測轉基因生物是否插入了目的基因；②檢測目的基因是否轉錄出mRNA；③檢測目的基因是否翻譯成蛋白質。
在學習基因組文庫時，可聯系必修本中人類基因組計劃的內容，從而獲得一些感性認識。而在學習cDNA文庫時，建議聯系DNA轉錄的有關知識：獲得mRNA后，以它為模板，反轉錄則可獲一條DNA單鏈，再以單鏈為模板合成雙鏈DNA。
在學習PCR擴增技術時，可聯系必修本中的DNA復制的內容。
在學習基因工程的應用一節時，應鼓勵學生主動聯系當地生產、生活中的具體事例，引導學生思考用基因工程的方法解決實際問題。
四、 與其他專題的聯系
本專題多數內容都與其他專題有緊密的聯系。關于轉基因生物，在學習技術知識的基礎上應引導學生主動學習《生物技術的安全性和倫理問題》專題。《胚胎工程》中有關胚胎移植技術的內容，可使學生對培育轉基因動物有更加透徹的理解。《細胞工程》中介紹植物細胞培養技術，是目的基因導入植物細胞、培育轉基因植物的重要環節。另外，學習本專題內容時，建議密切關注《生態工程》專題中呈現的生態環境問題，思考利用基因工程的方法，解決生態環境問題中常規技術難以解決的問題。
　　1.1　DNA重組技術的基本工具
一、 教學目標
1.簡述DNA重組技術所需三種基本工具的作用。
2.認同基因工程的誕生和發展離不開理論研究和技術創新。
二、 教學重點和難點
1.教學重點
DNA重組技術所需的三種基本工具的作用。
2.教學難點
基因工程載體需要具備的條件。
三、 教學策略
1.設置問題情境，引導學生在思索中學習新知識。
本節內容主要是介紹DNA重組技術的三種基本工具及其作用。如果我們采用直白、平淡的方式介紹，不利于調動學生學習的積極性，也不利于學生科學素養的全面提高。應當通過創設情境，提出問題，誘導學生積極參與教學活動，開啟他們思想的閘門。
限制酶──“分子手術刀”，主要是介紹限制酶的作用，切割后產生的結果。可在進入這部分內容學習時，設置學生關心的問題“限制酶從哪里尋找”，誘導學生聯想從前學過的內容──噬菌體侵染細菌的實驗，進而認識細菌等單細胞生物容易受到自然界外源DNA的入侵。那么這類原核生物之所以長期進化而不絕滅，有何保護機制？進而誘導學生產生“可能是有什么酶來切割外源DNA，而使之失效，達到保護自身的目的”。這樣就將書中直白的“這類酶主要是從原核生物中分離純化出來”的寫法，變成了一個自主探索的思想活動。
DNA連接酶──DNA片段的“分子縫合針”，寫得比較簡潔。我們可以從原有的知識出發，誘發學生思考，達到辨析、明理的作用。要想連接被切割開的DNA，學生根據從前學過的知識，第一反應就想到“DNA聚合酶”。學生這種想法的產生是很自然的。但實際上并不能用這種酶進行DNA片段的連接。應引領學生分析DNA聚合酶與DNA連接酶的不同作用，從而達到更深層次認識DNA連接酶的目的。
基因進入受體細胞的載體──“分子運輸車”的學習內容，提到作為載體必需的四個條件。教學不能僅僅著眼于讓學生記住這幾個條件，而應該通過誘導思索，明確為什么要有這四個條件才能充當載體。
2.讓抽象的語言在直觀的插圖中找到注釋，在實際動手中形成正確認識。
語言文字具有抽象、概括的特點；插圖等信息媒體，具有形象、直觀的特點，容易被感知和理解，但抽象、概括功能差。要想真正理解本節語言文字中的含義，教師必須將抽象的語言文字與形象的插圖等非語言信息媒體有機地結合起來，做到優勢互補。這樣學生一時琢磨不透的抽象語言，就能在具體、直觀的插圖中找到注解。
抽象的黏性末端、平末端的敘述以及磷酸二酯鍵的部位，與直觀的插圖協同運用，可使學生準確地理解切割或連接部位，理解“黏性”的內涵。DNA連接酶是“縫合”磷酸二酯鍵的，在重組DNA過程中到底體現在何處，結合插圖會易于理解。緊密結合質粒載體結構的模式圖教學，也將使學生對構建載體條件的有關內容變得容易理解。
在模擬制作DNA重組模型時，單純動手剪紙板只能算是手工勞動，而模擬制作是富含科學內涵的動手過程。當拿來剪刀時，首先意識到這是一把EcoRI的特異剪刀，應去尋找G —A—A—T—T—C的堿基序列，然后從G和A之間剪開。當拿來不干膠時，意識到只能黏連磷酸二酯鍵處，而不能去黏連堿基對處。當出現模擬制作失誤時，也要想想，這在真實情況下可能是什么原因所致。
3.引導學生從基因工程的整體思考問題，解決本節教學難點。
本節的難點是對載體必須具備條件的分析。要想解決這個問題，就事論事的做法不能奏效。只有將這局部的內容整合到整個基因工程的設計過程中才能理解。例如，我們選用從霍亂弧菌中的質粒來做載體，結合基因工程的實際目的來想：誰敢用它來做受體細胞的載體？顯然人們對分離出的基因產物運用后果有顧慮，從而認清載體必須對細胞無害。當然這里主要考慮載體不能有害于受體細胞，影響其生命活動的正常進行。
又如，載體上沒有標記基因，我們用肉眼又看不到載體是否真正進入，那么如何鑒定？因此只有真正想到實際工作中這方面的困難，才會明白預先為什么要選具備標記基因的載體。
再如，沒有一個和多個切割位點，就不能進行DNA的重組。重組DNA不能復制，就可能丟失。所以教師要引導學生，將一個個的問題置于整體過程中考慮，這樣才能理解局部的做法是為了實現整體的目標。
四、答案與提示
（一）思考與探究
1.限制酶在DNA的任何部位都能將DNA切開嗎？以下是四種不同限制酶切割形成的DNA片段：
(1) …CTGCA??? (2) …AC??? (3) GC…
??? …G??????????? …TG??????? CG…
（4） …G????? (5)????G…? (6) …GC
????? …CTTAA???? ACGTC…????? …CG
(7) GT…???????(8)AATTC…
????CA…????????????? G…
你是否能用DNA連接酶將它們連接起來？
答：
2和7能連接形成…ACGT…
?????????????…TGCA…；
4和8能連接形成…GAATTC…
???????????? …CTTAAG…；
3和6能連接形成…GCGC…
???????????? …CGCG…；
1和5能連接形成…CTGCAG…
???????????? …GACGTC…。
2.聯系你已有的知識，想一想，為什么細菌中限制酶不剪切細菌本身的DNA？
提示：迄今為止，基因工程中使用的限制酶絕大部分都是從細菌或霉菌中提取出來的，它們各自可以識別和切斷DNA上特定的堿基序列。細菌中限制酶之所以不切斷自身DNA，是因為微生物在長期的進化過程中形成了一套完善的防御機制，對于外源入侵的DNA可以降解掉。生物在長期演化過程中，含有某種限制酶的細胞，其DNA分子中或者不具備這種限制酶的識別切割序列，或者通過甲基化酶將甲基轉移到所識別序列的堿基上，使限制酶不能將其切開。這樣，盡管細菌中含有某種限制酶也不會使自身的DNA被切斷，并且可以防止外源DNA的入侵（本題不要求學生回答的完全，教師可參考教師用書中的提示，根據學生的具體情況，給予指導。上述原則也應適用于其他章節中有關問題的回答。）。
3.天然的DNA分子可以直接用做基因工程載體嗎？為什么？
提示：基因工程中作為載體使用的DNA分子很多都是質粒（plasmid），即獨立于細菌擬核處染色體DNA之外的一種可以自我復制、雙鏈閉環的裸露的DNA分子。是否任何質粒都可以作為基因工程載體使用呢？其實不然，作為基因工程使用的載體必需滿足以下條件。
（1） 載體DNA必需有一個或多個限制酶的切割位點，以便目的基因可以插入到載體上去。這些供目的基因插入的限制酶的切點所處的位置，還必須是在質粒本身需要的基因片段之外，這樣才不至于因目的基因的插入而失活。
（2） 載體DNA必需具備自我復制的能力，或整合到受體染色體DNA上隨染色體DNA的復制而同步復制。
（3） 載體DNA必需帶有標記基因，以便重組后進行重組子的篩選。
（4） 載體DNA必需是安全的，不會對受體細胞有害，或不能進入到除受體細胞外的其他生物細胞中去。
（5） 載體DNA分子大小應適合，以便提取和在體外進行操作，太大就不便操作。
實際上自然存在的質粒DNA分子并不完全具備上述條件，都要進行人工改造后才能用于基因工程操作。
4.網上查詢：DNA連接酶有連接單鏈DNA的本領嗎？
提示：迄今為止，所發現的DNA連接酶都不具有連接單鏈DNA的能力，至于原因，現在還不清楚，也許將來會發現可以連接單鏈DNA的酶。
（二）尋根問底
1.根據你所掌握的知識，你能分析出限制酶存在于原核生物中的作用是什么嗎？
提示：原核生物容易受到自然界外源DNA的入侵，但是，生物在長期的進化過程中形成了一套完善的防御機制，以防止外來病原物的侵害。限制酶就是細菌的一種防御性工具，當外源DNA侵入時，會利用限制酶將外源DNA切割掉，以保證自身的安全。所以，限制酶在原核生物中主要起到切割外源DNA、使之失效，從而達到保護自身的目的。
2. DNA連接酶與DNA聚合酶是一回事嗎？為什么？
答：不是一回事。基因工程中所用的連接酶有兩種：一種是從大腸桿菌中分離得到的，稱之為E·coli連接酶。另一種是從T4噬菌體中分離得到，稱為T4連接酶。這兩種連接酶催化反應基本相同，都是連接雙鏈DNA的缺口（nick），而不能連接單鏈DNA。DNA連接酶和DNA聚合酶都是形成磷酸二酯鍵（在相鄰核苷酸的3位碳原子上的羥基與5位碳原子上所連磷酸基團的羥基之間形成），那么，二者的差別主要表現在什么地方呢？
（1）DNA聚合酶只能將單個核苷酸加到已有的核酸片段的3′末端的羥基上，形成磷酸二酯鍵；而DNA連接酶是在兩個DNA片段之間形成磷酸二酯鍵，不是在單個核苷酸與DNA片段之間形成磷酸二酯鍵。
（2）DNA聚合酶是以一條DNA鏈為模板，將單個核苷酸通過磷酸二酯鍵形成一條與模板鏈互補的DNA鏈；而DNA連接酶是將DNA雙鏈上的兩個缺口同時連接起來。因此DNA連接酶不需要模板。
此外，二者雖然都是由蛋白質構成的酶，但組成和性質各不相同。
（三）模擬制作討論題
1. 你模擬插入的DNA片段能稱得上一個基因嗎？
提示：不能。因為一般基因有上千個堿基對。
2. 如果你操作失誤，堿基不能配對。可能是什么原因造成的？
提示：可能是剪切位點或連接位點選得不對（也可能是其他原因）。
（四）旁欄思考題
想一想，具備什么條件才能充當“分子運輸車”？
提示：能自我復制、有一個或多個切割位點、有標記基因位點及對受體細胞無害等。
五、 知識拓展
1.限制酶所識別的序列有什么特點？
限制酶所識別的序列，無論是6個堿基還是4個堿基，都可以找到一條中心軸線（圖1-1），中軸線兩側的雙鏈DNA上的堿基是反向對稱重復排列的。
圖1-1 限制酶識別序列的中心軸線
2.限制酶在DNA的任何部位都能將DNA切開嗎？
任何一種限制酶都只識別和切斷特定的核苷酸序列，這是由限制酶的性質所決定的。
3.DNA連接酶連接的是什么部位？
DNA連接酶是將一段DNA片段3′端的羥基與另一DNA片段5′端磷酸基團上的羥基連接起來形成酯鍵，而不是連接互補堿基之間的氫鍵。
4.什么叫磷酸二酯鍵？
3,5磷酸二酯鍵是核酸中核苷酸的連接方式，組成了核酸的一級結構。在核酸中一個核苷酸核糖上第3位的羥基與下一個核苷酸核糖上第5位的磷酸羥基脫水縮合成酯鍵，該酯鍵稱3,5磷酸二酯鍵。若干個核苷酸間以3′,5′磷酸二酯鍵（圖1-2）連接成的多核苷酸鏈為核酸。在鏈的一端的一個核苷酸，其核糖上第5位連接的磷酸只有一個酯鍵，稱此核苷酸為DNA鏈的5′磷酸末端或5′端。另一端核苷酸上第3位的羥基是自由的，所以此核苷酸稱為3′羥基末端或3′端。鏈內的核苷酸第5位上的磷酸已形成二酯鍵，第3位上的羥基也已參與二酯鍵的形成，故稱核苷酸殘基。
圖1-2 DNA上的磷酸二酯鍵
　　1.2　基因工程的基本操作程序
一、 教學目標
1.簡述基因工程原理及基本操作程序。
2.嘗試設計某一轉基因生物的研制過程。
二、 教學重點和難點
1.教學重點
基因工程基本操作程序的四個步驟。
2.教學難點
（1）從基因文庫中獲取目的基因。
（2）利用PCR技術擴增目的基因。
三、 教學策略
本節是《基因工程》專題的核心，上承《DNA重組技術的基本工具》一節，下接《基因工程的應用》。本節教學難點多，學生學習有一定的困難，因此建議采取化整為零、各個擊破的教學策略。
1.加強預習環節，先解決為什么要分四個步驟的問題，然后解決每一步驟的技術方法問題。
為了突破難點及培養自學能力，在上節課結束時，可布置學生預習本節內容。在上新課時，首先解決基因工程的基本操作程序為什么要分四個步驟，即分析每一步驟的必要性。
為什么要有“目的基因的獲取”這一步？建議引導學生看本專題題圖中基因工程的概念：“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重組和轉基因等技術，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。”可以說這既是概念，也是原理。這里所說的“更符合人們需要”，就是目的，那么更符合人們需要的那個基因就是目的基因了。有了目的基因，我們才能賦予一種生物以另一種生物的遺傳特性。
為什么要有“表達載體的構建”這一步？單獨的DNA片段──目的基因是不能穩定遺傳的。課文中談到構建表達載體的目的是為了使目的基因在受體細胞中穩定存在，并且可以遺傳給下一代，同時使目的基因能表達和發揮作用。
為什么要有“目的基因導入受體細胞”這一步？教材指出含有目的基因的表達載體只有進入受體細胞，并且維持穩定和表達，才能實現一種生物的基因在另一種生物中的轉化。
為什么要有“目的基因的檢測與鑒定”這一步？這是因為目的基因是否真正插入受體細胞的DNA中，是否能夠在受體細胞中穩定遺傳和正確表達，只有通過檢測、鑒定才能得知。
在解決上述為什么基因工程操作程序分四個步驟的基礎上，進入每一程序的有關技術和方法的學習。
2.加強教學媒體的運用，解決每一程序中的技術難點。
在各個操作程序中都有一些技術和方法層面上的難點不好理解，成為學生學習過程的攔路虎。形象化是解決這一難題的好辦法。例如，在目的基因獲取的常用方法中有“從基因文庫中獲得目的基因”的說法。盡管課文中運用了比喻的方法，但語言文字仍顯抽象。教師應盡可能在教學中編制軟件、繪制投影片或利用掛圖來解決這一難點。讓學生了解有了基因文庫，就可隨時從中提取所需要的目的基因，引入受體細胞使之表達。而有關PCR擴增技術，則可結合書中插圖，明示出文字中概括出的變性、退火、延伸、多次重復等四個過程。
又如，在學習基因表達載體的構建方法時，可結合插圖，說明插入必要的元件──目的基因、啟動子、終止子和標記基因的位置及其作用。
再如，學習目的基因導入方法時，可借用目的基因導入植物細胞的方法──農桿菌轉化法以及相關的圖，講清具體方法。攻破一點后，再擴展到其他導入方法。
3.通過設計某一轉基因生物，將基因工程的操作程序有機地串聯起來。
本節學習的基因工程的基本操作程序和方法是對轉基因植物、動物、微生物的概括。如果在本課將要結束時，做個練習，帶領學生結合設計某一轉基因生物的具體過程，可將基因工程操作程序有機地串起來，從而加深對這一程序的認識。例如，煙草是人類健康的“殺手”。如果讓它生產出人類需要的藥物蛋白，應如何操作？通過這一實例引導學生結合目的基因從何而來，表達載體如何構建，如何導入煙草，如何檢測藥物蛋白產生與否等問題加以設計。可加深學生對基因工程原理的理解。不同學生會有不同的方法，讓學生通過相互比較，相互借鑒，達到相互學習的目的。學生在課下還可查閱《科學》雜志等參考讀物，了解科學家成功的做法。
四、 答案和提示
（一）思考與探究
1.作為基因工程表達載體，只需含有目的基因就可以完成任務嗎？為什么？
答：不可以。因為目的基因在表達載體中得到表達并發揮作用，還需要有其他控制元件，如啟動子、終止子和標記基因等。必須構建上述元件的主要理由是：
（1） 生物之間進行基因交流，只有使用受體生物自身基因的啟動子才能比較有利于基因的表達；
（2） 通過cDNA文庫獲得的目的基因沒有啟動子，只將編碼序列導入受體生物中無法轉錄；
（3） 目的基因是否導入受體生物中需要有篩選標記；
（4） 為了增強目的基因的表達水平，往往還要增加一些其他調控元件，如增強子等；
（5） 有時需要確定目的基因表達的產物存在于細胞的什么部位，往往要加上可以標識存在部位的基因（或做成目的基因與標識基因的融合基因），如綠色熒光蛋白基因等。
2.根據農桿菌可將目的基因導入雙子葉植物的機理，你能分析出農桿菌不能將目的基因導入單子葉植物的原因嗎？若想將一個抗病基因導入單子葉植物，如小麥，從理論上說，你應該如何做？
提示：農桿菌可分為根瘤農桿菌和發根農桿菌，在植物基因工程中以根瘤農桿菌的Ti質粒介導的遺傳轉化最多。根瘤農桿菌廣泛存在于雙子葉植物中。據不完全統計，約有93屬643種雙子葉植物對根瘤農桿菌敏感。裸子植物對該菌也敏感。當這些植物被該菌侵染后會誘發腫瘤。近年來，也有報道該菌對單子葉植物也有侵染能力。
根瘤農桿菌侵染植物是一個非常復雜的過程。根瘤農桿菌具有趨化性，即植物的受傷組織會產生一些糖類和酚類物質吸引根瘤農桿菌向受傷組織集中。研究證明，主要酚類誘導物為乙酰丁香酮和羧基乙酰丁香酮，這些物質主要在雙子葉植物細胞壁中合成，通常不存在于單子葉植物中，這也是單子葉植物不易被根瘤農桿菌侵染的原因。近年來還發現一些中性糖，如L-阿拉伯糖、D-木糖等也有誘導作用。酚類物質和糖類物質既可以作為根瘤農桿菌的趨化物，又可以作為農桿菌中Ti質粒上Vir區（毒性區）基因的誘導物，使Vir區基因活化，導致T-DNA的加工和轉移，從而侵染植物細胞。
需要注意的是農桿菌中不同的菌株，侵染能力有差別，在基因工程中需要加以選擇使用。利用農桿菌侵染單子葉植物進行遺傳轉化時，是需要加上述酚類物質的，同時單子葉植物種類不同，農桿菌侵染進行遺傳轉化的效果也有很大差異。
如果想將一個抗病毒基因轉入小麥，也可以用農桿菌，但要注意兩點：①要選擇合適的農桿菌菌株，因為不是所有的農桿菌菌株都可以侵染單子葉植物；②要加趨化和誘導的物質，一般為乙酰丁香酮等，目的是使農桿菌向植物組織的受傷部位靠攏（趨化性）和激活農桿菌的Vir區（誘導）的基因，使T-DNA轉移并插入到染色體DNA上。
3.利用大腸桿菌可以生產出人的胰島素，聯系前面有關細胞器功能的知識，結合基因工程操作程序的基本思路，思考一下，若要生產人的糖蛋白，可以用大腸桿菌嗎？
提示：有些蛋白質肽鏈上有共價結合的糖鏈，這些糖鏈是在內質網和高爾基復合體上加工完成的，內質網和高爾基復合體存在于真核細胞中，大腸桿菌不存在這兩種細胞器，因此，在大腸桿菌中生產這種糖蛋白是不可能的。
4.β-珠蛋白是動物血紅蛋白的重要組成成分。當它的成分異常時，動物有可能患某種疾病，如鐮刀形細胞貧血癥。假如讓你用基因工程的方法，使大腸桿菌生產出鼠的β-珠蛋白，想一想，應如何進行設計？
提示：基本操作如下：
（1）從小鼠中克隆出β-珠蛋白基因的編碼序列（cDNA）。
（2）將cDNA前接上在大腸桿菌中可以適用的啟動子，另外加上抗四環素的基因，構建成一個表達載體。
（3）將表達載體導入無四環素抗性的大腸桿菌中，然后在含有四環素的培養基上培養大腸桿菌。如果表達載體未進入大腸桿菌中，大腸桿菌會因不含有抗四環素基因而死掉；如果培養基上長出大腸桿菌菌落，則表明β-珠蛋白基因已進入其中。
（4）培養進入了β-珠蛋白基因的大腸桿菌，收集菌體，破碎后從中提取β-珠蛋白。
（二）求異思維
你能推測出由mRNA反轉錄形成cDNA的過程大致分為哪些步驟嗎？
提示：1970年，特明（H.M. Temin）和巴爾的摩（D. Baltimore）證實了RNA病毒中含有一種能將RNA轉錄成DNA的酶，這種酶被稱為依賴RNA的DNA聚合酶，由于與中心法則中的從DNA到RNA的轉錄是反向的，所以稱為反轉錄酶（reverse transcriptase）。
反轉錄酶既可以利用DNA又可以利用RNA作為模板合成與之互補的DNA鏈。像其他DNA聚合酶一樣，反轉錄酶也以5′→3′方向合成DNA（圖1-3）。
圖1-3 由mRNA反轉錄形成cDNA的過程
cDNA合成過程是：第一步，反轉錄酶以RNA為模板合成一條與RNA互補的DNA單鏈，形成RNA-DNA雜交分子。第二步，核酸酶H使RNA-DNA雜交分子中的RNA鏈降解，使之變成單鏈的DNA。第三步，以單鏈DNA為模板，在DNA聚合酶的作用下合成另一條互補的DNA鏈，形成雙鏈DNA分子。
（三）尋根問底
1.為什么要構建基因文庫？直接從含有目的基因的生物體內提取不行嗎？
提示：構建基因文庫是獲取目的基因的方法之一，并不是惟一的方式。如果所需要的目的基因序列已知，就可以通過PCR方式從含有該基因的生物的DNA中，直接獲得，也可以通過反轉錄，用PCR方式從mRNA中獲得，不一定要構建基因文庫。但如果所需要的目的基因的序列完全不知，或只知道目的基因序列的一段，或想從一種生物體內獲得許多基因，或者想知道這種生物與另一種生物之間有多少基因不同，或者想知道一種生物在個體發育的不同階段表達的基因有什么不同，或者想得到一種生物的全基因組序列，往往就需要構建基因文庫。
2.將目的基因直接導入受體細胞不是更簡便嗎？如果這么做，結果會怎樣？
提示：有人采用總DNA注射法進行遺傳轉化，即將一個生物中的總DNA提取出來，通過注射或花粉管通道法導入受體植物，沒有進行表達載體的構建，這種方法針對性差，完全靠運氣，也無法確定什么基因導入了受體植物。此法目前爭議頗多，嚴格來講不算基因工程。
五、 知識拓展
1.PCR的擴增過程是怎樣的？
PCR擴增是獲取目的基因的一種非常有用的方法，也是進行分子鑒定和檢測的一種很靈敏的方法。PCR的擴增反應過程包括以下幾個主要過程。
第一步：將反應體系（包括雙鏈模板、引物、耐高溫的DNA聚合酶、四種脫氧核糖核苷酸以及酶促反應所需的離子等）加熱至90～95 ℃，使雙鏈DNA模板兩條鏈之間的氫鍵打開，變成單鏈DNA，作為互補鏈聚合反應的模板。
第二步：將反應體系降溫至55～60 ℃，使兩種引物分別與模板DNA鏈3′端的互補序列互補配對，這個過程稱為復性。
第三步：將反應體系升溫至70～75 ℃，在耐高溫的DNA聚合酶催化作用下，將與模板互補的單個核苷酸加到引物所提供的3-OH上，使DNA鏈延伸，產生一條與模板鏈互補的DNA鏈。
上述三步反應完成后，一個DNA分子就變成了兩個DNA分子，隨著重復次數的增多，DNA分子就以2n的形式增加。PCR的反應過程都是在PCR擴增儀中完成的。
2.如何從基因文庫中找到所需要的基因？
從基因文庫中找到目的基因是一件比較復雜的事情，要根據目的基因已有的某些信息來進行。下面介紹一種根據基因的部分核苷酸序列找到目的基因的方法。
第一步，通過PCR方法將目的基因已知的部分核苷酸序列擴增出來，進行放射性同位素標記（也可以用別的標記方法進行，如生物素、熒光素等），即用標記了放射性同位素的目的DNA片段作為探針，與擴增出來的DNA雜交。
第二步，將基因文庫中的所有菌落轉移至硝酸纖維膜上（也可以用其他類型的膜），然后，通過處理溶解消化掉細菌中的蛋白質，并使DNA固定在膜上。
第三步，按Southern雜交的方法進行雜交。
第四步，在X光底片上出現黑斑的菌落，這表明這個菌落中含有所需要的目的基因（若選用別的標記方法，有陽性信號的菌落則含有所需要的目的基因）。
第五步，從該菌落中再提取目的基因。
3.基因工程載體的構建需要考慮哪些方面的因素？道理何在？
主要考慮以下幾方面的因素。
（1）基因的特點：如果一個來自動物的目的基因含有內含子，就不能用于轉基因植物，因為動物中內含子的剪接系統與植物的不同，植物不能將動物基因的內含子剪切掉，只能用該基因的cDNA。基因的產物如果是一個糖蛋白，那么該基因在原核生物細菌中表達出來的蛋白就可能不具備天然狀態下的活性，因為糖蛋白上的糖鏈是在內質網和高爾基體上加上的，而細菌無這些細胞器。
（2）要選擇強啟動子或組織特異性啟動子。啟動子有強有弱，選擇強啟動子可以增加轉錄活性，使基因產物量增多。如果希望基因在生物的某個組織表達，如只在植物種子中表達，就要選擇種子中特異表達的啟動子。
（3）要有選擇標記基因，如抗生素基因，以便選擇出真正的轉基因生物。
4.什么是分子雜交技術的顯示帶？
分子雜交技術是基因工程中使用頻率很高的一項技術，主要用于檢測和鑒定，可以分為核酸分子之間的雜交和蛋白質分子之間的雜交。常用的技術有：
Southern雜交──DNA和DNA分子之間的雜交。目的基因是否整合到受體生物的染色體DNA中，這在真核生物中是目的基因可否穩定存在和遺傳的關鍵。如何證明這一點，就需要通過Southern雜交技術。基本做法是：第一步，將受體生物DNA提取出來，經過適當的酶切后，走瓊脂糖凝膠電泳，將不同大小的片段分開；第二步，將凝膠上的DNA片段轉移到硝酸纖維素膜上；第三步，用標記了放射性同位素（或生物素）的目的DNA片段作為探針與硝酸纖維素膜上的DNA進行雜交；第四步，將X光底片壓在硝酸纖維素膜上，在暗處使底片感光；第五步，將X光底片沖洗，如果在底片上出現黑色條帶，則表明受體植物染色體DNA上有目的基因。
Northern雜交──DNA和RNA分子之間的雜交。它是檢測目的基因是否轉錄出mRNA的方法，具體做法與Southern雜交相同，只是第一步從受體植物中提取的是mRNA而不是DNA，雜交帶的顯現也與Southern雜交相同。
Western雜交──蛋白質分子（抗原—抗體）之間的雜交。它是檢測目的基因是否表達出蛋白質的一種方法。具體做法是：第一步，將目的基因在大腸桿菌中表達出蛋白質；第二步，將表達出的蛋白質注射動物進行免疫，產生相應的抗體，并提取出抗體（一抗）；第三步，從轉基因生物中提取蛋白質，走凝膠電泳；第四步，將凝膠中的蛋白轉移到硝酸纖維素膜上；第五步，將抗體（一抗）與硝酸纖維素膜上的蛋白雜交，這時抗體（一抗）與目的基因表達的蛋白（抗原）會特異結合。由于這種抗原—抗體的結合顯示不出條帶，所以加入一種稱為二抗的抗體，它可以與一抗結合，二抗抗體上帶有特殊的標記。如果目的基因表達出了蛋白質，則結果為陽性。
　1.3　基因工程的應用
　一、 教學目標
1.舉例說出基因工程應用及取得的豐碩成果。
2.關注基因工程的進展。
3.認同基因工程的應用促進生產力的提高。
二、教學重點和難點
1.教學重點
基因工程在農業和醫療等方面的應用。
2.教學難點
基因治療。
三、教學策略
1.加強收集信息和處理信息環節的指導。
基因工程的應用是基因工程基本操作程序的一個必然結果。如果本節只作為成果的學習，那么就顯得思維力度不足了。為此，建議加強指導學生收集和處理信息這一環節。具體做法如下：
無論是學習轉基因植物方面的應用，還是學習轉基因動物方面的應用，乃至轉基因工程菌生產藥物方面的應用，首先必須尋找目的基因。教師可利用表1-1，指導學生整理課本中提供的信息，填寫此表。這樣做既可以調動學生學習的積極性，也增強了他們分析和處理信息的能力。
表1-1 轉基因生物與目的基因的關系
轉基因生物
目的基因
目的基因從何來
抗蟲棉
Bt毒蛋白基因
蘇云金芽孢桿菌
抗真菌立枯絲核菌的煙草
幾丁質酶基因和抗毒素合成基因
??
抗鹽堿和干旱作物
調節細胞滲透壓的基因
???
耐寒的番茄
抗凍蛋白基因
魚
抗除草劑大豆
抗除草劑基因
?
增強甜味的水果
降低乳糖的奶牛
?
甜味基因
腸乳糖酶基因
?
生產胰島素的工程菌
人胰島素基因
人
指導學生提高處理信息的能力，還可以體現在對教材內容的重組上。例如，我們可以解決當前世界上存在的重大問題作為主題，如以解決“糧食”、“環境污染”、“能源危機”、“攻克不治之癥”等問題作為主題，讓學生將課文中的知識或學生知道的課外的基因工程應用方面的知識進行重組。這樣的活動不僅培養了學生處理信息的能力，還會使學生感悟到肩負的社會責任，從而激發用科學技術報效祖國的志向。
2.課文中的一些難點，建議采用小組討論，師生共同歸納的方法學習。
課文中有幾處是學生學習感興趣的知識，但文字說明不多，學生學習有一定難度。例如 “什么叫乳腺生物反應器”、 “什么叫工程菌”、 “什么是基因治療” 等。教師可創設問題情境，讓學生討論，加深用已有知識認識新事物的能力。學生想不到的地方，可由師生共同歸納。例如，學習乳腺生物反應器時，學生提出“給我們講講乳腺生物反應器究竟是怎么回事”。這時教師可提出以下問題，讓學生討論。
（1）用動物乳腺作為反應器，生產高價值的蛋白質（如教材中列舉的血清白蛋白、抗凝血酶等）比工廠化生產的優越之處有哪些？
（2）用基因工程技術實現動物乳腺生物反應器的操作過程是怎樣的？
第一個問題，既可以解決乳腺生物反應器的優越性問題，而且顯示了社會需求是乳腺生物反應器這一創新成果產生的動力。學生在充分討論和發表觀點的基礎上，師生共同歸納出乳腺生物反應器的優點：①產量高；②質量好；③成本低；④易提取。
第二個問題，用基因工程技術實現動物乳腺生物反應器的操作過程與轉基因動物操作過程相同。而不同之處可由教師提出：為了將目標產品在奶中形成，需要使用乳腺組織中特異表達的啟動子，要在編碼目的蛋白質的基因序列前加上乳腺組織中特異表達的啟動子構建成表達載體。
操作過程大致歸納為：獲取目的基因（例如血清白蛋白基因）→構建基因表達載體（在血清白蛋白基因前加特異表達的啟動子）→顯微注射導入哺乳動物受精卵中→形成胚胎→將胚胎送入母體動物→發育成轉基因動物（只有在產下的雌性個體中，轉入的基因才能表達）。
關于工程菌的學習，也可結合基因工程操作程序，予以說明，并結合微生物生長和代謝的特點，說明工程菌生產藥物的優越性。
關于基因治療，可結合課文中的具體實例，歸納出大致治療過程。至于是否采用討論方式，可根據課堂時間而定。如果時間緊，也可采用教師引導學習的方法。
四、 答案和提示
思考與探究
根據所學內容，試概括寫出基因工程解決了哪些生活、生產中難以解決的問題。
提示：基因工程可以生產人類需要的藥物，如胰島素、干擾素等。我們吃的某些食品如番茄、大豆等也可以是基因工程產品。農業生產中的抗蟲棉、抗病毒煙草、抗除草劑大豆等都已進入商品化生產，上述產品有些是常規方法難以生產的或者生產成本過高。
五、 知識拓展
1.利用微生物生產藥物的優越性何在?
所謂利用微生物生產蛋白質類藥物，是指將人們需要的某種蛋白質的編碼基因，構建成表達載體后導入微生物，然后利用微生物發酵來生產蛋白質類藥物。與傳統的制藥相比有以下優越性：
（1）利用活細胞作為表達系統，表達效率高，無需大型裝置和大面積廠房就可以生產出大量藥品。
（2）可以解決傳統制藥中原料來源的不足。例如，胰島素是治療糖尿病患者的藥物，一名糖尿病患者每年需用的胰島素需要從40頭牛或50頭豬的胰臟中才能提取到。1978年科學家用2 000 L大腸桿菌發酵液得到100 g胰島素，相當于從1 000 kg豬胰臟中提取的量。又如，生長素是治療侏儒癥患者的藥物，治療一名侏儒癥患者每年需要從80具尸體的腦下垂體中提取生長素。利用基因工程菌發酵生產就不需要從動物或人體上獲取原料。
（3）降低生產成本，減少生產人員和管理人員。
2.在抗病毒轉基因植物中，為什么使用病毒外殼蛋白基因可以抗病毒侵染？
關于病毒外殼蛋白（coat protein，CP）基因導入植物后的抗病毒機理，目前有幾種假說。一種假說認為：CP基因在植物細胞內表達積累后，當入侵的病毒裸露核酸進入植物細胞后，會立即被這些外殼蛋白重新包裹，從而阻止病毒核酸分子的復制和翻譯。另一種假說認為：植物細胞內積累的病毒外殼蛋白會抑制病毒脫除外殼，使病毒核酸分子不能釋放出來。然而最近的研究表明，如果將病毒的外殼蛋白的AUG起始密碼缺失，使之不能被翻譯，或者將外殼蛋白基因變成反義RNA基因，整合到植物細胞染色體上，轉基因植物則有很好的抗性。因此，有人認為抗性機理不是外殼蛋白在起作用，而是CP基因轉錄出RNA后，與入侵病毒RNA之間的相互作用起到了抗性作用。
利用CP介導的抗病毒性還存在一些問題：①轉基因植物對病毒的抗性有局限性，僅限于特定的病毒（被使用CP基因的病毒）或密切相關的病毒；②轉基因植物大多數只是發病延緩，一般為兩周，并非根治；③潛在著植物表達的外殼蛋白包被與另一種病毒形成新的雜合病毒的危險。
1.4　蛋白質工程的崛起
　　一、 教學目標
1.舉例說出蛋白質工程崛起的緣由。
2.簡述蛋白質工程的原理。
3.嘗試運用逆向思維分析和解決問題。
二、 教學重點和難點
1.教學重點
（1）為什么要開展蛋白質工程的研究？
（2）蛋白質工程的原理。
2.教學難點
蛋白質工程的原理。
三、 教學策略
1.建議采用“問題—探究—新問題—再探究”的教學模式。
本節內容是基因工程的延伸和發展。由于蛋白質工程剛剛起步，學習內容較少。如何學得充實，又讓學生悟出些終身學習的道理，建議采用“問題—探究—新問題—再探究”的教學模式。
新課一開始，可以帶領學生回憶原有知識：要想讓一種生物的性狀在另一種生物中表達，在種內可以用常規雜交育種的辦法實現，但要使有生殖隔離的種間生物實現基因交流，就顯得力不從心了。基因工程的誕生，為克服這一遠緣雜交的障礙問題，帶來了新的希望。于是取得了豐碩成果：大腸桿菌為人類生產出了胰島素，牛的乳腺生物反應器為人類制造出了蛋白質類藥物，煙草植物體內含有了某種藥物蛋白……至此，人們也只是實現了世界上現有基因在轉基因生物中的表達。但一個新問題出現了，生物產生的天然蛋白質是在長期進化過程中形成的，它的結構、性能不能完全滿足人類生產和生活的需要。為了加深這一點的認識，可調動學生從書中找實例（干擾素例子、工業用酶的例子）加以佐證。于是要對現有蛋白質進行改造，制造出目前從天然蛋白質中找不到的蛋白質。這樣人們又開始了新一輪的探索，蛋白質工程應運而生了。
2.建議加強與已有知識的聯系，用逆向思維的方法解決新問題。
學生在必修課中已學習過中心法則及蛋白質具有復雜的空間結構等知識。中心法則告訴我們遺傳信息的流動方向如圖1-4所示。
圖1-4 遺傳信息的流動方向
這是學習新知識的基礎。既然蛋白質的功能是由DNA決定的，那么要制造出新的蛋白質，就要改造DNA。所以蛋白質工程的原理應該是中心法則的逆推。結合課本中插圖，可以較明確地說明這一點。
還有兩點教學建議需要說明。第一，蛋白質工程的誕生是有其理論與技術條件支撐的，正如課本中開頭描述的，它是隨著分子生物學、晶體學以及計算機技術的迅猛發展而誕生的，也與基因組學、蛋白質組學、生物信息學的發展等因素有關（本書“前沿動態”中有簡要介紹）。第二，說明蛋白質工程目前的現狀：成功的例子不多，主要是因為蛋白質發揮其功能需要依賴于正確的空間結構，而科學家目前對大多數蛋白質的空間結構了解很少。這樣學習，可以使學生認識到科學探索之路的漫長、艱辛和永無止境。
四、 答案和提示
（一）思考與探究
1.蛋白質工程是應怎樣的需求而崛起的？
提示（供教師在教學中參考）：蛋白質工程的崛起主要是工業生產和基礎理論研究的需要。而結構生物學對大量蛋白質分子的精確立體結構及其復雜的生物功能的分析結果，為設計改造天然蛋白質提供了藍圖。分子遺傳學的以定點突變為中心的基因操作技術為蛋白質工程提供了手段。
在已研究過的幾千種酶中，只有極少數可以應用于工業生產，絕大多數酶都不能應用于工業生產，這些酶雖然在自然狀態下有活性，但在工業生產中沒有活性或活性很低。這是因為工業生產中每一步的反應體系中常常會有酸、堿或有機溶劑存在，反應溫度較高，在這種條件下，大多數酶會很快變性失活。提高蛋白質的穩定性是工業生產中一個非常重要的課題。一般來說，提高蛋白質的穩定性包括：延長酶的半衰期，提高酶的熱穩定性，延長藥用蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性喪失等。
下面舉一個如何通過蛋白質工程來提高重組β-干擾素專一活性和穩定性的例子。干擾素是一種抗病毒、抗腫瘤的藥物。將人的干擾素的cDNA在大腸桿菌中進行表達，產生的干擾素的抗病毒活性為106 U/mg，只相當于天然產品的十分之一，雖然在大腸桿菌中合成的β-干擾素量很多，但多數是以無活性的二聚體形式存在。為什么會這樣？如何改變這種狀況？研究發現，β-干擾素蛋白質中有3個半胱氨酸（第17位、31位和141位），推測可能是有一個或幾個半胱氨酸形成了不正確的二硫鍵。研究人員將第17位的半胱氨酸，通過基因定點突變改變成絲氨酸，結果使大腸桿菌中生產的β-干擾素的抗病性活性提高到108 U/mg，并且比天然β-干擾素的貯存穩定性高很多。
在基礎理論研究方面，蛋白質工程是研究多種蛋白質的結構和功能、蛋白質折疊、蛋白質分子設計等一系列分子生物學基本問題的一種新型的、強有力的手段。通過對蛋白質工程的研究，可以深入地揭示生命現象的本質和生命活動的規律。
2.蛋白質工程操作程序的基本思路與基因工程有什么不同？
答：基因工程是遵循中心法則，從DNA→mRNA→蛋白質→折疊產生功能，基本上是生產出自然界已有的蛋白質。蛋白質工程是按照以下思路進行的：確定蛋白質的功能→蛋白質應有的高級結構→蛋白質應具備的折疊狀態→應有的氨基酸序列→應有的堿基排列，可以創造自然界不存在的蛋白質。
3.你知道酶工程嗎？絕大多數酶都是蛋白質，酶工程與蛋白質工程有什么區別？
提示：酶工程就是指將酶所具有的生物催化作用，借助工程學的手段，應用于生產、生活、醫療診斷和環境保護等方面的一門科學技術。概括地說，酶工程是由酶制劑的生產和應用兩方面組成的。酶工程的應用主要集中于食品工業、輕工業以及醫藥工業中。α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖異構酶這三個酶連續作用于淀粉，就可以代替蔗糖生產出高果糖漿；蛋白酶用于皮革脫毛膠以及洗滌劑工業；固定化酶還可以治療先天性缺酶病或是器官缺損引起的某些功能的衰竭等。至于我們日常生活中所見到的加酶洗衣粉、嫩肉粉等，就更是酶工程最直接的體現了。通常所說的酶工程是用工程菌生產酶制劑，而沒有經過由酶的功能來設計酶的分子結構，然后由酶的分子結構來確定相應基因的堿基序列等步驟。因此，酶工程的重點在于對已存酶的合理充分利用，而蛋白質工程的重點則在于對已存在的蛋白質分子的改造。當然，隨著蛋白質工程的發展，其成果也會應用到酶工程中，使酶工程成為蛋白質工程的一部分。
（二）正文中討論題
某多肽鏈的一段氨基酸序列是：…—丙氨酸—色氨酸—賴氨酸—甲硫氨酸—苯丙氨酸—…
討論： （1） 怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請把相應的堿基序列寫出來。
（2） 確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因（DNA）？
答：（1）每種氨基酸都有對應的三聯密碼子，只要查一下遺傳密碼子表，就可以將上述氨基酸序列的編碼序列查出來。但是由于上述氨基酸序列中有幾個氨基酸是由多個三聯密碼子編碼，因此其堿基排列組合起來就比較復雜，至少可以排列出16種，可以讓學生根據學過的排列組合知識自己排列一下。首先應該根據三聯密碼子推出mRNA序列為GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C），再根據堿基互補配對規律推出脫氧核苷酸序列：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）TACAAA（或G）。
（2）確定目的基因的堿基序列后，就可以根據人類的需要改造它，通過人工合成的方法或從基因庫中獲取。
（三）異想天開
能不能根據人類需要的蛋白質的結構，設計相應的基因，導入合適的細菌中，讓細菌生產人類所需要的蛋白質食品呢？
提示：理論上講可以，但目前還沒有真正成功的例子。一些報道利用細菌生產人類需要的蛋白質往往都是自然界已經存在的蛋白質，并非完全是人工設計出來而自然不存在的蛋白質。主要原因是蛋白質的高級結構非常復雜，人類對蛋白質的高級結構和在生物體內如何行使功能知之甚少，很難設計出一個嶄新而又具有生命功能作用的蛋白質，而且一個嶄新的蛋白質會帶來什么危害也是人們所擔心的。
（四）旁欄思考題
1.你知道人類蛋白質組計劃嗎？它與蛋白質工程有什么關系？我國科學家承擔了什么任務？
提示：人類蛋白質組計劃是繼人類基因組計劃之后，生命科學乃至自然科學領域一項重大的科學命題。2001年，國際人類蛋白質組組織宣告成立。之后，該組織正式提出啟動了兩項重大國際合作行動：一項是由中國科學家牽頭執行的“人類肝臟蛋白質組計劃”；另一項是以美國科學家牽頭執行的“人類血漿蛋白質組計劃”，由此拉開了人類蛋白質組計劃的帷幕。
“人類肝臟蛋白質組計劃”是國際上第一個人類組織／器官的蛋白質組計劃，由我國賀福初院士牽頭，這是中國科學家第一次領銜的重大國際科研協作計劃，總部設在北京，目前有16個國家和地區的80多個實驗室報名參加。它的科學目標是揭示并確認肝臟的蛋白質，為重大肝病預防、診斷、治療和新藥研發的突破提供重要的科學基礎。
人類蛋白質組計劃的深入研究將是對蛋白質工程的有力推動和理論支持。
2.對天然蛋白質進行改造，你認為應該直接對蛋白質分子進行操作，還是通過對基因的操作來實現？
答：毫無疑問應該從對基因的操作來實現對天然蛋白質改造，主要原因如下：
（1）任何一種天然蛋白質都是由基因編碼的，改造了基因即對蛋白質進行了改造，而且改造過的蛋白質可以遺傳下去。如果對蛋白質直接改造，即使改造成功，被改造過的蛋白質分子還是無法遺傳的。
（2）對基因進行改造比對蛋白質直接改造要容易操作，難度要小得多。
前沿動態
1.動物乳腺生物反應器
1987年美國科學家戈登（Gordon）等人首次在小鼠的奶中生產出一種醫用蛋白──tPA（組織型纖溶酶原激活物），展示了用動物乳腺生產高附加值產品的可能性。利用動物乳腺生產高價值產品的方式稱為動物乳腺反應器。
為什么要用動物乳腺作為反應器生產高價值的蛋白質產品呢？這是因為動物乳房是一種高度分化的專門化腺體，合成蛋白質的能力非常強，尤其是一些經過長期的遺傳改良，專門產奶的乳用動物品種，蛋白質合成能力更是驚人。一頭優質奶牛，一年可產奶10 000 kg。即便是一只奶山羊，一年也可產奶2 000 kg。
動物乳腺生物反應器歸納起來有四大優點：①產量高，且易收獲目標產品，可以隨乳汁分泌而排出動物體外；②目標產品的質量好。動物乳腺組織不僅具有按遺傳信息流向合成蛋白質的能力，而且具備一整套對蛋白進行修飾和加工的能力，如糖基化、羧化、磷酸化以及分子組裝等，而微生物和植物系統都不具備這種全面的蛋白質后加工能力；③產品成本低；④從奶牛中提取產品，操作比較簡單。
正因為利用動物乳腺生物反應器生產高附加值的產品有上述優點，目前利用動物乳腺生物反應器生產醫用蛋白質已成為一種風險投資產業，受到科學家、商界和醫藥界的高度重視。目前瞄準的目標醫藥產品有：①血液蛋白質，如表1-2所示，這些血液蛋白質有巨大的經濟效益，其中利用奶牛生產的凝血酶Ⅲ已通過第三期臨床實驗，即將投放市場。②第二代醫用蛋白質，主要有抗體、降鈣素、人的生長激素、胰島素等藥物蛋白，乳白蛋白、乳鐵蛋白等營養蛋白，疫苗，組織修復物等。③生產“人源化牛奶”，即用成人的乳蛋白基因替代牛的乳蛋白基因，使牛奶變成像人奶的一種基因工程奶。
表1-2 一些醫用蛋白質的需求情況
　　　　　　　　第8因子　第9因子　C蛋白　凝血酶Ⅲ　抗胰蛋白酶　血纖蛋白原　白蛋白
市場需求量　　　304 g　　4 kg　　10 kg　21 kg　　　5 t　　　　150 kg　　　315 t單價（美元/g）　290萬　　4萬　　　1萬　　7 000　　　500　　　　1 000　　　3.50總價值（億美元）8.82　　1.60　　　1.00　 1.50　　　2.50　　　　1.50　　　11.20
動物乳腺生物反應器的做法與轉基因動物的操作是相同的，只是為了將目標產品在乳汁中形成，需要使用乳腺組織中特異表達的啟動子，即在目標產品蛋白質編碼框的前面加上乳腺組織中特異表達的啟動子等，構建成表達載體后通過注射導入受精卵中，再將其送入母體動物內，發育成動物個體，這個轉基因動物就會在奶中產生所需要的目標產品。
2.基因沉默
轉基因植物和轉基因動物中往往會遇到這樣的情況，外源基因存在于生物體內，并未丟失或損傷，但該基因不表達或表達量極低，這種現象稱為基因沉默（gene silence）。這是基因工程中遇到的一個影響實際應用的重要問題。一般認為基因沉默有三種情況：位置效應的基因沉默、轉錄水平的基因沉默和轉錄后水平的基因沉默。如果外源基因整合到甲基化程度高、轉錄活性低的異染色質上，一般不能表達，這種現象稱為位置效應產生的基因沉默。如果外源基因的啟動子產生甲基化，或者外源基因異染色質化都會使外源基因不能轉錄，產生轉錄水平上的基因沉默。如果外源基因可以轉錄出mRNA，但mRNA不能積累，或被降解，或被相應的RNA或蛋白質封閉，使之不能翻譯出蛋白質，稱為轉錄后水平的基因沉默。
如何避免基因沉默呢？這是科學家一直在努力解決的問題之一。目前主要的對策是在構建表達載體時，應可能避免外源基因與內源序列同源性過高，或者選擇甲基化酶活性低的受體細胞，或選擇外源基因在生物體內為單拷貝的轉基因生物。
3.無抗性選擇標記基因的策略
當前轉基因植物中大部分都是使用了抗生素抗性基因作為選擇標記基因，由于擔心這樣做會對人類健康和環境帶來負面影響，因此，科學工作者正在想辦法消除轉基因植物中的抗性基因。基本的做法有兩種：一是將抗性選擇標記基因和目的基因分別構建在兩個不同的表達載體上，用這兩種載體同時轉化受體細胞，通過篩選和分子檢測找到同時含有抗性篩選標記基因和目的基因的植株，通過自交，在F1代分離時，由于抗性篩選標記基因和目的基因不是在一個表達載體上，它們整合到受體細胞染色體DNA上時不在同一個位點上，兩者相距較遠，不會連鎖，因此分離時可以將二者分開，分別存在于不同的植株中，這樣就可以得到含有目的基因而不含抗性篩選標記基因的植株。二是采用位點專一性重組系統，通過重組酶的作用將抗性篩選標記基因從轉基因植株的DNA中切除掉。
4.當前生命科學中的幾個前沿研究領域
基因組學　基因組學是闡明各種生物基因組DNA中堿基對的排列順序，破譯相關的遺傳信息的學科。目前除人類基因組的測序工作已完成外，水稻基因組、擬南芥基因組、雞基因組等也已完成，這些工作的相繼完成為揭示生命奧秘提供了基本的資料。
功能基因組學　基因組測序工作的完成只是為人類從基因水平認識生命本質，提供了基本的資料。功能基因組學就是要揭示每個基因在生命活動中的具體功能，為勾畫整個生命藍圖，充分利用基因資料打下基礎。發現新的功能基因和新的基因功能的確定，從而獲得知識產權，已成為當前生命領域世界各國競相爭奪的“制高點”。
結構基因組學　結構基因組學是繼人類基因組計劃之后又一個大的科學熱點，是在生物的整體水平測定出全部蛋白質分子的三維結構，以及蛋白質之間、蛋白質與核酸之間、蛋白質與多糖之間、蛋白質和核酸以及多糖之間的精細三維結構，獲得這些蛋白質在整個生命活動中的三維結構全息圖，即單個蛋白質的三維結構，以及蛋白質與其他生物大分子結合后的復合體的三維結構狀態與生命活動的關系，從而在生命整體水平上理解生命的原理。結構基因組學的研究進展，將對人類疾病機理的闡明、疾病的防治有重要意義。
蛋白質組學　蛋白質組學是獨立于基因組學發展的一門新興的前沿學科。它是研究一個完整的生物體（或細胞等）所表達的所有蛋白質的特征，包括蛋白質的表達水平，翻譯后的修飾，蛋白質之間的相互作用等，從蛋白質水平上全面認識生物體的生理活動和病理過程。
生物信息學　生物信息學是綜合運用生物學、信息學、數學以及計算機科學等諸多學科的理論和方法，處理和分析大規模復雜的生物信息的交叉學科。從浩瀚的生物信息數據中找出某些規律和共同點，從而揭示生命的奧秘和利用對人類有用的生物信息。
參考書目和網站
參考書目
1.現代分子生物學。朱玉賢，李毅編著，北京：高等教育出版社，1997年。
2.生命的禮贊。敖光明主編，北京：科學普及出版社，2000年。
3.蛋白質工程。王大成主編，北京：化學工業出版社，2002年。
4.基因工程。路德如，陳永清主編，北京：化學工業出版社，2002年。
5.植物基因工程。王關林，方宏筠主編，北京：科學出版社，2002年。
6.中國生物技術發展報告。中華人民共和國科學技術部農村與社會發展司中國生物技術發展中心編著，北京：中國農業出版社，2003年。
網站
1.http://www.37c.com.cn
2.http://www.wcums.edu.cn
3.http://www.bioon.com
　　DNA重組技術的基本工具　教學案例
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教學過程
教學內容
?教學手段和方法
預期目標
1.創設情境，引入對基因重組技術工具的學習。
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2.學習 “分子手術刀”──限制酶。
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3.學習“分子縫合針”──DNA連接酶。
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4.學習“分子運輸車”──基因進入受體細胞的載體。
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5.布置作業。
　　師：1973年轉基因微生物──轉基因大腸桿菌問世；1980年第一個轉基因動物──轉基因小鼠誕生；1983年第一例轉基因植物──轉基因煙草出現，實現了一種生物的某些性狀在另一種生物中的表達。
同學們，性狀的表達與我們從前學過的什么過程有關？
生：與基因控制蛋白質的合成有關。
師：假若這是一個DNA上的能指導合成某種藥物蛋白的基因（老師用手指出紙條上的該區段），而這是一條煙草的DNA（老師拿出另一紙條）。同學們分析，要實現藥物基因在煙草中的表達，提前要做哪些關鍵工作？
生：1. 要將藥物基因切割下來；
2. 要將藥物基因整合到煙草的DNA上。
師：同學們說得對！但還應該實際考慮問題，這兩條紙帶所代表的DNA是在同一個細胞中嗎？
生：不是。
師：所以這里就存在一個基因轉移的實際問題，誰能具體說一下？
生：就是如何將控制合成藥物的基因轉入煙草細胞的問題。
師：同學們思考的問題，正是科學家們思考的問題。剛才我們所探討的工作，都是在分子水平上進行的，切割也好，連接也好，轉移也好，無一例外。中國有句俗語叫“沒有金剛鉆兒，不攬瓷器活兒”。科學家們在實施基因工程之前，苦苦求索，終于找到了實施基因工程的三種“金剛鉆兒”，使基因工程的設想成為了現實。這三種“金剛鉆兒”，一是準確切割DNA的工具，“分子手術刀”──限制酶；二是DNA片段的連接工具，“分子縫合針”──DNA連接酶；三是基因轉移工具，“分子運輸車”──基因進入受體細胞的載體。下面我們就來學習這方面的內容。
師：在進入對限制酶的學習時，你們可能最關心的是這種工具酶到哪里去尋找。我們不妨從以往學過的知識談起，引起思考。自然界中有各種生物，它們所處的環境不是真空。一些生物的DNA可能進入另一種生物的細胞中。這種可能，同學們可用什么實例來說明？
生：噬菌體侵染細菌的實驗。
師：那么現今存在的生物為什么沒有在長期的進化過程中被外源DNA的入侵而絕滅，仍能保持一種穩定狀態呢？
生：生物體有的有免疫系統，如動物；有的有保護作用的組織、器官，如植物。
師：那么作為單細胞的生物來講，怎么會有那么復雜的結構和系統？它如何來抵抗入侵的外源DNA，保護自身呢？
生：只有讓外來的DNA失效，才能保護自身。
師：那么怎樣才能讓DNA失效？
生：用DNA酶，因為在必修課本中學過。
師：用DNA酶，那么生物自身的DNA不也要失效了嗎？
生：一種特殊的酶，能切割外來的DNA，而對自身不切割。
師：根據你們的分析可知，這種酶可能是一種不同于DNA酶的、我們還沒有認識的酶。我們討論至此，同學們是否有了從哪里獲得這種酶的意向？
生：到單細胞的生物中去找。
師：科學家的基本意向也和同學們一樣。單細胞生物比多細胞生物更容易受到外源DNA的侵入。在長期的進化過程中，使其必須有處理外源DNA的酶。科學家們經過不懈的努力，終于從原核生物中分離純化出這種酶，叫做限制酶。迄今已從近300種微生物中分離出4 000種限制酶。這種酶與我們以前知道的DNA酶的作用是不同的。請同學們看書，學習限制酶特有的作用。
師：書中告訴我們這種特殊的酶有什么作用？
生：它們能夠識別雙鏈DNA分子的某種特定核苷酸序列，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。
師：以上這句話，說出了兩層意思。一是識別特定核苷酸序列。請同學們看圖，EcoRI只能識別GAATTC的核苷酸序列，SmaI只識別CCCGGG的核苷酸序列。第二層意思是從特定部位的兩個核苷酸之間切開。請同學們看圖，EcoRI就從G和A之間切開，SmaI就從C和G之間切開。
師：剛才我們提到科學家們已經分離出4 000多種限制酶。由于酶的不同，它們識別的特定核苷酸序列也不同，這樣就為我們切割DNA提供了多種特定的“手術刀”。但它們切割DNA后形成的末端有兩種可能，請同學看圖回答。
生：一種形成黏性末端，一種形成平末端。
師：那么這兩種末端是如何形成的呢？請從書中找到答案。
生：限制酶在它識別序列的中心位置兩側將DNA兩條單鏈分割開，就形成黏性末端，而從識別序列的中心位置切開就產生平末端。
師：切斷的DNA片段要與受體細胞的DNA連接，同學們根據以往學習的經驗，能說出用什么酶嗎？
生：用DNA復制中的DNA聚合酶。
師：同學們想到用DNA聚合酶是很正常的，但是現在我們學習的這種連接與DNA復制中的連接有所不同。請看書后議論，由同學來回答。
生：DNA連接酶是將雙鏈的DNA片段連接起來，而DNA聚合酶則是將一個個脫氧核苷酸連接起來。
師：同學們說得對，但還不深刻。比如剛才說DNA連接酶是將雙鏈的DNA片段連接起來，就是說DNA連接酶是同時連接雙鏈的切口，而DNA聚合酶只是在單鏈上將一個個脫氧核苷酸連接起來。相同之處都是通過形成磷酸二酯鍵來連接的。請同學們在圖中正確指出其位置。
師：開始時，我們學習了限制酶切割后有兩種不同的結果，一種產生黏性末端，一種產生平末端。那么恢復它們的連接，所用DNA連接酶是

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