（全國）2018版高考生物大一輪復(fù)習(xí) 第十二單元 現(xiàn)代生物科技專題 第42講 基因工程及其安全性學(xué)案

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1、 第42講　基因工程及其安全性 　1.基因工程的誕生(Ⅰ)　2.基因工程的原理及技術(shù)(含PCR技術(shù))(Ⅱ)　3.基因工程的應(yīng)用(Ⅱ) 4．蛋白質(zhì)工程(Ⅰ)　5.實(shí)驗(yàn)：DNA的粗提取與鑒定 　基因工程的操作工具 1．基因工程的概念理解 (1)供體：提供目的基因。 (2)操作環(huán)境：無菌。 (3)操作水平：DNA分子水平。 (4)原理：基因重組。 (5)受體：表達(dá)目的基因。 (6)本質(zhì)：性狀在受體生物體內(nèi)表達(dá)。 (7)優(yōu)點(diǎn)：克服遠(yuǎn)緣雜交不親和障礙，定向改造生物的遺傳性狀。 2．DNA重組技術(shù)的基本工具 (1)限制性核酸內(nèi)切酶(簡稱：限制酶) ①來源：主要是從原核生物

2、中分離純化出來的。 ②作用：識(shí)別雙鏈DNA分子的某種特定核苷酸序列，并使每條鏈中特定部位的兩個(gè)核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷開。 ③結(jié)果：產(chǎn)生黏性末端或平末端。 (2)DNA連接酶 項(xiàng)目 E·coli DNA連接酶 T4DNA連接酶 來源 大腸桿菌 T4噬菌體 功能 連接黏性末端 連接黏性末端和平末端 結(jié)果 恢復(fù)被限制酶切開的兩個(gè)核苷酸之間的磷酸二酯鍵 (3)載體 ①常用載體：質(zhì)粒 ②其他載體：λ噬菌體的衍生物、動(dòng)植物病毒等。 ③具備的條件 a．能在宿主細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定保存并大量復(fù)制。 b．有一個(gè)至多個(gè)限制酶切割位點(diǎn)，以便與外源基因連接。 c．具有特殊的標(biāo)記基因，

3、以便進(jìn)行篩選。 ④作用 a．作為運(yùn)載工具，將目的基因轉(zhuǎn)移到宿主細(xì)胞內(nèi)。 b．利用它在宿主細(xì)胞內(nèi)對目的基因進(jìn)行大量復(fù)制。 1．限制性核酸內(nèi)切酶(限制酶) (1)識(shí)別序列的特點(diǎn)：呈現(xiàn)堿基互補(bǔ)對稱。無論是奇數(shù)個(gè)堿基還是偶數(shù)個(gè)堿基，都可以找到一條中心軸線，如，以中心線為軸，兩側(cè)堿基互補(bǔ)對稱；以為軸，兩側(cè)堿基互補(bǔ)對稱。 (2)切割后末端的種類 (3)限制酶的選擇技巧 ①根據(jù)目的基因兩端的限制酶切割位點(diǎn)確定限制酶的種類 a．應(yīng)選擇切割位點(diǎn)位于目的基因兩端的限制酶，如圖甲可選擇PstⅠ。 b．不能選擇切割位點(diǎn)位于目的基因內(nèi)部的限制酶，如圖甲不能選擇SmaⅠ。 c．為避免

4、目的基因和質(zhì)粒的自身環(huán)化和隨意連接，也可使用不同的限制酶切割目的基因和質(zhì)粒，如圖甲也可選擇用PstⅠ和EcoRⅠ兩種限制酶(但要確保質(zhì)粒上也有這兩種酶的切割位點(diǎn))。 ②根據(jù)質(zhì)粒的特點(diǎn)確定限制酶的種類 a．所選限制酶要與切割目的基因的限制酶一致，以確保產(chǎn)生相同的黏性末端。 b．質(zhì)粒作為載體必須具備標(biāo)記基因等，所以所選擇的限制酶盡量不要破壞這些結(jié)構(gòu)，如圖乙中限制酶SmaⅠ會(huì)破壞標(biāo)記基因；如果所選酶的切割位點(diǎn)不只一個(gè)，則切割重組后可能丟失某些片段，若丟失的片段含復(fù)制起點(diǎn)區(qū)，則切割重組后的片段進(jìn)入受體細(xì)胞后不能自主復(fù)制。 2．限制酶和DNA連接酶的關(guān)系 (1)限制酶和DNA連接酶的作用部

5、位都是磷酸二酯鍵。 (2)限制酶不切割自身DNA的原因是原核生物中不存在該酶的識(shí)別序列或識(shí)別序列已經(jīng)被修飾。 (3)DNA連接酶起作用時(shí)，不需要模板。 3．載體上標(biāo)記基因的標(biāo)記原理 載體上的標(biāo)記基因一般是一些抗生素的抗性基因。目的基因要轉(zhuǎn)入的受體細(xì)胞沒有抵抗相關(guān)抗生素的能力。當(dāng)含有抗生素抗性基因的載體進(jìn)入受體細(xì)胞后，抗性基因在受體細(xì)胞內(nèi)表達(dá)，使受體細(xì)胞能夠抵抗相應(yīng)抗生素，所以在受體細(xì)胞的培養(yǎng)體系中加入該種抗生素就可以只保留轉(zhuǎn)入載體的受體細(xì)胞，原理如圖所示： 關(guān)于基因工程工具的幾個(gè)易錯(cuò)點(diǎn) (1)限制酶是一類酶，而不是一種酶。 (2)限制酶的成分為蛋白質(zhì)，其作用的發(fā)揮需要適宜

6、的理化條件，高溫、強(qiáng)酸或強(qiáng)堿均易使之變性失活。 (3)在切割目的基因和載體時(shí)要求用同一種限制酶，目的是產(chǎn)生相同的黏性末端或平末端。 (4)將一個(gè)基因從DNA分子上切割下來，需要切兩處，同時(shí)產(chǎn)生4個(gè)黏性末端或平末端。 (5)不同DNA分子用同一種限制酶切割產(chǎn)生的黏性末端都相同，同一個(gè)DNA分子用不同的限制酶切割，產(chǎn)生的黏性末端一般不相同。 (6)基因工程中的載體與細(xì)胞膜上物質(zhì)運(yùn)輸?shù)妮d體不同?；蚬こ痰妮d體是DNA分子，能將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞內(nèi)；膜載體是蛋白質(zhì)，與細(xì)胞膜的通透性有關(guān)。 (7)基因工程中有3種工具，但工具酶只有2種。 1．(2016·高考全國卷乙，40)某一質(zhì)粒載體

7、如圖所示，外源DNA插入到Ampr或Tetr中會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的基因失活(Ampr表示氨芐青霉素抗性基因，Tetr表示四環(huán)素抗性基因)。有人將此質(zhì)粒載體用BamH Ⅰ酶切后，與用BamH Ⅰ酶切獲得的目的基因混合，加入DNA連接酶進(jìn)行連接反應(yīng)，用得到的混合物直接轉(zhuǎn)化大腸桿菌。結(jié)果大腸桿菌有的未被轉(zhuǎn)化，有的被轉(zhuǎn)化。被轉(zhuǎn)化的大腸桿菌有三種，分別是含有環(huán)狀目的基因、含有質(zhì)粒載體、含有插入了目的基因的重組質(zhì)粒的大腸桿菌?；卮鹣铝袉栴}： (1)質(zhì)粒載體作為基因工程的工具，應(yīng)具備的基本條件有__________________________________(答出兩點(diǎn)即可)， 而作為基因表達(dá)載體，除滿足

8、上述基本條件外，還需具有啟動(dòng)子和終止子。 (2)如果用含有氨芐青霉素的培養(yǎng)基進(jìn)行篩選，在上述四種大腸桿菌細(xì)胞中，未被轉(zhuǎn)化的和僅含環(huán)狀目的基因的細(xì)胞是不能區(qū)分的，其原因是 ________________________________________________________________________ ____________________________；并且______________和______________________的細(xì)胞也是不能區(qū)分的，其原因是 ______________________________________________________

9、__________________。 在上述篩選的基礎(chǔ)上，若要篩選含有插入了目的基因的重組質(zhì)粒的大腸桿菌單菌落，還需使用含有____________的固體培養(yǎng)基。 (3)基因工程中，某些噬菌體經(jīng)改造后可以作為載體，其DNA復(fù)制所需的原料來自____________。 解析：(1)作為運(yùn)載體的質(zhì)粒上應(yīng)有一個(gè)至多個(gè)限制酶切割位點(diǎn)，在細(xì)胞中能夠自我復(fù)制，且含有特殊的標(biāo)記基因。(2)未被轉(zhuǎn)化的大腸桿菌和僅含環(huán)狀目的基因的大腸桿菌中均未導(dǎo)入質(zhì)粒載體，而質(zhì)粒上含有氨芐青霉素抗性基因，因此這樣的大腸桿菌在含有氨芐青霉素的培養(yǎng)基中不能生長。含有質(zhì)粒載體和含有插入了目的基因的重組質(zhì)粒的大腸桿菌中都含有氨

10、芐青霉素抗性基因，二者在含有氨芐青霉素的培養(yǎng)基中都能生長，因此無法區(qū)分二者。根據(jù)題圖，用BamH Ⅰ切割質(zhì)粒后將四環(huán)素抗性基因破壞，因此可將經(jīng)氨芐青霉素培養(yǎng)基篩選出的菌落置于含有四環(huán)素的培養(yǎng)基上再次篩選，能在含四環(huán)素培養(yǎng)基上生存的是含有質(zhì)粒載體的大腸桿菌，不能生存的是含有插入目的基因的重組質(zhì)粒的大腸桿菌。(3)噬菌體為病毒，經(jīng)改造后作為載體時(shí)，其DNA復(fù)制所需原料來自受體細(xì)胞。 答案：(1)能自我復(fù)制、具有標(biāo)記基因　(2)二者均不含有氨芐青霉素抗性基因，在該培養(yǎng)基上均不生長　含有質(zhì)粒載體　含有插入了目的基因的重組質(zhì)粒(或答含有重組質(zhì)粒)　二者均含有氨芐青霉素抗性基因，在該培養(yǎng)基上均能生長　四

11、環(huán)素　(3)受體細(xì)胞 2．(2016·高考全國卷丙，40)圖(a)中的三個(gè)DNA片段上依次表示出了EcoR Ⅰ、BamH Ⅰ和Sau3A Ⅰ三種限制性內(nèi)切酶的識(shí)別序列與切割位點(diǎn)，圖(b)為某種表達(dá)載體的示意圖(載體上的EcoR Ⅰ、Sau3A Ⅰ的切點(diǎn)是唯一的)。 根據(jù)基因工程的有關(guān)知識(shí)，回答下列問題： (1)經(jīng)BamH Ⅰ酶切后得到的目的基因可以與上述表達(dá)載體被____________酶切后的產(chǎn)物連接，理由是________________________________________。 (2)若某人利用圖(b)所示的表達(dá)載體獲得了甲、乙、丙三種含有目的基因的重組子，如圖(

12、c)所示。這三種重組子中，不能在宿主細(xì)胞中表達(dá)目的基因產(chǎn)物的有____________，不能表達(dá)的原因是 ________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________。 (3)DNA連接酶是將兩個(gè)DNA片段連接起來的酶，常見的有____________________和____________________，其中既能連接黏性末端又能連接平末端的是_______

13、_____。 解析：(1)由圖(a)可知，盡管BamH Ⅰ和Sau3A Ⅰ兩種限制酶的識(shí)別位點(diǎn)不相同，但兩種酶切割后產(chǎn)生的DNA片段具有相同的黏性末端，故被BamH Ⅰ酶切后得到的目的基因可以與圖(b)中表達(dá)載體被Sau3A Ⅰ酶切后的產(chǎn)物連接。(2)運(yùn)載體上的啟動(dòng)子和終止子具有調(diào)控目的基因表達(dá)的作用，由于甲和丙的目的基因分別插入在啟動(dòng)子的上游和終止子的下游，故這兩個(gè)運(yùn)載體上的目的基因都不能被轉(zhuǎn)錄和翻譯。(3)常見的DNA連接酶是E·coli DNA連接酶和T4DNA連接酶，但作用有所差別，T4DNA連接酶既能連接黏性末端，又能連接平末端，而E·coli DNA連接酶只能連接黏性末端。 答

14、案(1)Sau3A Ⅰ　兩種酶切割后產(chǎn)生的片段具有相同的黏性末端 (2)甲和丙　甲中目的基因插入在啟動(dòng)子的上游，丙中目的基因插入在終止子的下游，二者的目的基因均不能被轉(zhuǎn)錄 (3)E·coli DNA連接酶　T4DNA連接酶　T4DNA連接酶 　基因工程的基本操作程序 1．目的基因的獲取 (1)目的基因：主要指編碼蛋白質(zhì)的基因，也可以是一些具調(diào)控作用的因子。 (2)方法 2．基因表達(dá)載體的構(gòu)建——基因工程的核心 (1)目的：使目的基因在受體細(xì)胞中穩(wěn)定存在，并且可以遺傳給下一代，同時(shí)使目的基因能夠表達(dá)和發(fā)揮作用。 (2)基因表達(dá)載體的組成 (3)構(gòu)建過程 3．將目

15、的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 (1)植物：農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法、基因槍法、花粉管通道法。 (2)動(dòng)物：顯微注射技術(shù)。 (3)微生物：感受態(tài)細(xì)胞法。 4．目的基因的檢測與鑒定 (1)利用DNA分子雜交技術(shù)檢測目的基因的有無。 (2)利用分子雜交技術(shù)檢測目的基因的轉(zhuǎn)錄。 (3)利用抗原—抗體雜交檢測目的基因的翻譯。 (4)利用個(gè)體生物學(xué)水平的檢測鑒定重組性狀的表達(dá)。 1．基因組文庫與部分基因文庫 基因文 庫類型 基因組文庫 部分基因文庫 (cDNA文庫) 構(gòu)建基 因文庫 的過程 某種生物全部DNA ↓限制酶 許多DNA片段 與載體↓連接導(dǎo)入 受體菌群體 某種生物發(fā)育

16、的某個(gè) 時(shí)期的mRNA ↓反轉(zhuǎn)錄 cDNA 與載體↓連接導(dǎo)入 受體菌群體 2.PCR技術(shù) (1)原理：DNA復(fù)制。 (2)需要條件：模板DNA、引物、四種脫氧核苷酸、熱穩(wěn)定DNA聚合酶(Taq酶)。 (3)過程：DNA受熱變性解旋為單鏈、冷卻后引物與單鏈相應(yīng)互補(bǔ)序列結(jié)合，然后在熱穩(wěn)定的DNA聚合酶作用下延伸合成互補(bǔ)鏈。 3．將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 生物 種類 植物 動(dòng)物 微生物 常用 方法 農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法 顯微注射技術(shù) 感受態(tài)細(xì)胞法 主要 受體 細(xì)胞 體細(xì)胞 受精卵 原核細(xì)胞 轉(zhuǎn)化 過程 將目的基因插入到Ti質(zhì)粒的T-DNA上→轉(zhuǎn)入農(nóng)桿菌

17、→導(dǎo)入植物細(xì)胞→整合到受體細(xì)胞的染色體DNA上→表達(dá) 將含有目的基因的表達(dá)載體提純→取卵(受精卵)→顯微注射→受精卵發(fā)育→獲得具有新性狀的動(dòng)物 Ca2＋處理細(xì)胞→感受態(tài)細(xì)胞→重組表達(dá)載體DNA分子與感受態(tài)細(xì)胞混合→感受態(tài)細(xì)胞吸收DNA分子 4.目的基因檢測與鑒定的“四個(gè)層面” 基因工程操作過程中的幾個(gè)易錯(cuò)點(diǎn) (1)目的基因的插入位點(diǎn)不是隨意的：基因表達(dá)需要啟動(dòng)子與終止子的調(diào)控，所以目的基因應(yīng)插入到啟動(dòng)子與終止子之間的部位。 (2)基因工程操作過程中只有第三步(將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞)沒有堿基互補(bǔ)配對現(xiàn)象：第一步存在逆轉(zhuǎn)錄法獲得DNA，第二步存在黏性末端連接現(xiàn)象，第四步存在檢

18、測分子水平雜交。 (3)農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法原理：農(nóng)桿菌易感染植物細(xì)胞，并將其Ti質(zhì)粒上的TDNA轉(zhuǎn)移并整合到受體細(xì)胞染色體DNA上。 (4)轉(zhuǎn)化：目的基因進(jìn)入受體細(xì)胞內(nèi)，并且在受體細(xì)胞內(nèi)維持穩(wěn)定和表達(dá)的過程，稱為轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化的實(shí)質(zhì)是目的基因整合到受體細(xì)胞染色體基因組中。 (5)標(biāo)記基因的種類和作用：標(biāo)記基因的作用——篩選、檢測目的基因是否導(dǎo)入受體細(xì)胞，常見的有抗生素抗性基因、發(fā)光基因(表達(dá)產(chǎn)物為帶顏色的物質(zhì))等。 (6)受體細(xì)胞的選擇：受體細(xì)胞常用植物受精卵或體細(xì)胞(經(jīng)組織培養(yǎng))、動(dòng)物受精卵(一般不用體細(xì)胞)、微生物(大腸桿菌、酵母菌)等。要合成糖蛋白、有生物活性的胰島素則必須用真核生物酵母

19、菌(需內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體的加工、分泌)；一般不用支原體，原因是它營寄生生活；一定不能用哺乳動(dòng)物成熟的紅細(xì)胞，原因是它無細(xì)胞核，也沒有核糖體等細(xì)胞器，不能合成蛋白質(zhì)。 (7)還應(yīng)注意的問題有：①基因表達(dá)載體中，啟動(dòng)子(DNA片段)≠起始密碼子(RNA)；終止子(DNA片段)≠終止密碼子(RNA)。②基因表達(dá)載體的構(gòu)建是最核心、最關(guān)鍵的一步，在體外進(jìn)行。 1．(高考全國卷改編)根據(jù)基因工程的有關(guān)知識(shí)，回答下列問題： (1)限制性內(nèi)切酶切割DNA分子后產(chǎn)生的片段，其末端類型有__________和__________。 (2)質(zhì)粒運(yùn)載體用EcoRⅠ切割后產(chǎn)生的片段如下： 為使運(yùn)載體與

20、目的基因相連，含有目的基因的DNA除可用EcoRⅠ切割外，還可用另一種限制性內(nèi)切酶切割，該酶必須具有的特點(diǎn)是 __________________________________________________________________。 (3)按其來源不同，基因工程中所使用的DNA連接酶有兩類，即__________DNA連接酶和____DNA連接酶。 (4)反轉(zhuǎn)錄作用的模板是____________，產(chǎn)物是__________。若要在體外獲得大量反轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，常采用__________技術(shù)。 (5)基因工程中除質(zhì)粒外，__________和__________也可作為運(yùn)載體。

21、 (6)若用重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化大腸桿菌，一般情況下，不能直接用未處理的大腸桿菌作為受體細(xì)胞，原因是____________________________________________。 解析：限制性內(nèi)切酶切割DNA分子形成的末端通常有兩種，即黏性末端和平末端。為使運(yùn)載體和目的基因連接，二者必須具有相同的黏性末端，因而當(dāng)使用除EcoRⅠ之外的其他酶進(jìn)行切割時(shí)，應(yīng)該產(chǎn)生相同的黏性末端。DNA連接酶的來源有兩個(gè)：一是大腸桿菌，二是T4噬菌體。反轉(zhuǎn)錄是由RNA形成DNA的過程，獲得大量反轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物時(shí)常用PCR擴(kuò)增技術(shù)?；蚬こ坛Ｓ玫倪\(yùn)載體是質(zhì)粒，除此以外，噬菌體和動(dòng)植物病毒也可作為運(yùn)載體。如果用大腸桿菌

22、作受體細(xì)胞，必須用鈣離子處理，使其處于感受態(tài)(此狀態(tài)吸收外源DNA的能力增強(qiáng))。 答案：(1)黏性末端　平末端　(2)切割產(chǎn)生的DNA片段末端與EcoRⅠ切割產(chǎn)生的相同　(3)大腸桿菌　T4　(4)mRNA(或RNA)　cDNA(或DNA)　PCR　(5)噬菌體　動(dòng)植物病毒　(6)未處理的大腸桿菌吸收質(zhì)粒(外源DNA)的能力極弱 2．(2016·高考天津卷，7)人血清白蛋白(HSA) 具有重要的醫(yī)用價(jià)值，只能從人血漿中制備。下圖是以基因工程技術(shù)獲取重組HSA(rHSA)的兩條途徑。 (1)為獲取HSA基因，首先需采集人的血液，提取________合成總cDNA，然后以cDNA為模板，

23、采用PCR技術(shù)擴(kuò)增HSA基因。下圖中箭頭表示一條引物結(jié)合模板的位置及擴(kuò)增方向，請用箭頭在方框內(nèi)標(biāo)出另一條引物的位置及擴(kuò)增方向。 (2)啟動(dòng)子通常具有物種及組織特異性，構(gòu)建在水稻胚乳細(xì)胞內(nèi)特異表達(dá)rHSA的載體，需要選擇的啟動(dòng)子是________(填寫字母，單選)。 A．人血細(xì)胞啟動(dòng)子　　 B．水稻胚乳細(xì)胞啟動(dòng)子 C．大腸桿菌啟動(dòng)子　　　 D．農(nóng)桿菌啟動(dòng)子 (3)利用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化水稻受體細(xì)胞的過程中，需添加酚類物質(zhì)，其目的是 ______________________________________________________________。 (4)人體合成的初始HSA

24、多肽，需要經(jīng)過膜系統(tǒng)加工形成正確空間結(jié)構(gòu)才有活性。與途徑Ⅱ相比，選擇途徑Ⅰ獲取rHSA的優(yōu)勢是 __________________________________________________________。 (5)為證明rHSA具有醫(yī)用價(jià)值，須確認(rèn)rHSA與________的生物學(xué)功能一致。 解析：(1)cDNA是以mRNA為模板逆轉(zhuǎn)錄得到的，要合成總cDNA，需要采集人的血液，提取總RNA(或mRNA)。PCR擴(kuò)增目的基因時(shí)DNA的合成方向總是從子鏈的5′端向3′端延伸，兩條模板鏈指導(dǎo)合成的子鏈延伸方向相反。(2)啟動(dòng)子具有物種和組織的特異性，要構(gòu)建在水稻胚乳細(xì)胞內(nèi)特異表達(dá)rH

25、SA的載體，應(yīng)選擇水稻胚乳細(xì)胞的啟動(dòng)子。(3)自然條件下農(nóng)桿菌可感染雙子葉植物和裸子植物，而對大多數(shù)單子葉植物沒有感染能力，當(dāng)植物受損傷時(shí)，傷口處的細(xì)胞會(huì)分泌大量的酚類化合物，吸引農(nóng)桿菌移向這些細(xì)胞。水稻為單子葉植物，利用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化水稻受體細(xì)胞的過程中添加酚類物質(zhì)，可吸引農(nóng)桿菌移向水稻受體細(xì)胞，這時(shí)農(nóng)桿菌中的Ti質(zhì)粒上的T-DNA可轉(zhuǎn)移至受體細(xì)胞，并且整合到受體細(xì)胞染色體的DNA上。(4)大腸桿菌為原核生物，只有核糖體一種細(xì)胞器，不能對翻譯形成的肽鏈進(jìn)行加工修飾，水稻為真核生物，細(xì)胞內(nèi)具有生物膜系統(tǒng)，能對來自核糖體的初始rHSA多肽進(jìn)行高效加工。(5)HSA具有重要的醫(yī)用價(jià)值，要證明rHSA具

26、有醫(yī)用價(jià)值，須確認(rèn)rHSA與HSA的生物學(xué)功能一致。 答案：(1)總RNA(或mRNA) (2)B (3)吸引農(nóng)桿菌移向水稻受體細(xì)胞，有利于目的基因成功轉(zhuǎn)化 (4)水稻是真核生物，具有膜系統(tǒng)，能對初始rHSA多肽進(jìn)行高效加工 (5)HSA 　基因工程的應(yīng)用與蛋白質(zhì)工程 1．基因工程的應(yīng)用 (1)動(dòng)物基因工程：用于提高動(dòng)物生長速度從而提高產(chǎn)品產(chǎn)量；用于改善畜產(chǎn)品品質(zhì)；用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)藥物；用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物作器官移植的供體等。 (2)植物基因工程：培育抗蟲轉(zhuǎn)基因植物、抗病轉(zhuǎn)基因植物和抗逆轉(zhuǎn)基因植物；利用轉(zhuǎn)基因改良植物的品質(zhì)。 (3)比較基因治療與基因診斷 項(xiàng)目 原理

27、操作過程 進(jìn)展 基因 治療 基因表達(dá) 利用正常基因?qū)胗谢蛉毕莸募?xì)胞中，以表達(dá)出正常性狀來治療(疾病) 臨床實(shí)驗(yàn) 基因 診斷 堿基互補(bǔ)配對 制作特定DNA探針與病人樣品DNA混合，分析雜交帶情況 臨床應(yīng)用 2.蛋白質(zhì)工程 (1)流程圖 寫出流程圖中字母代表的含義： A．轉(zhuǎn)錄，B.翻譯，C.分子設(shè)計(jì)，D.多肽鏈，E.預(yù)期功能。 (2)結(jié)果：改造了現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造出新的蛋白質(zhì)。 (3)應(yīng)用：主要集中應(yīng)用于對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，改良生物性狀。 1．基因工程的應(yīng)用 (1)乳腺生物反應(yīng)器 ①優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)量高、質(zhì)量好、成本低、易提取等。 ②操作過程：獲取目

28、的基因→構(gòu)建基因表達(dá)載體→顯微注射導(dǎo)入哺乳動(dòng)物受精卵中→形成早期胚胎→將胚胎移植到受體動(dòng)物子宮內(nèi)→發(fā)育成轉(zhuǎn)基因動(dòng)物→在雌性個(gè)體中目的基因表達(dá)，從分泌的乳汁中提取所需蛋白質(zhì)。 (2)基因工程藥品 ①生產(chǎn)方式：利用基因工程培育“工程菌”來生產(chǎn)藥品。 a．“工程菌”：用基因工程的方法，得到使外源基因高效率表達(dá)的菌類細(xì)胞株系，如含有人胰島素基因的大腸桿菌菌株、含有抗蟲基因的土壤農(nóng)桿菌菌株等。 b．通過基因工程生產(chǎn)的藥品，從化學(xué)成分上分析都應(yīng)該是蛋白質(zhì)類。 ②成果：生產(chǎn)出細(xì)胞因子、抗體、疫苗、激素等。 2．蛋白質(zhì)工程與基因工程的比較 (1)區(qū)別 項(xiàng)目 蛋白質(zhì)工程 基因工程 過程

29、預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列 獲取目的基因→基因表達(dá)載體的構(gòu)建→將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞→目的基因的檢測與鑒定 實(shí)質(zhì) 定向改造或生產(chǎn)人類所需的蛋白質(zhì) 定向改造生物的遺傳特性，以獲得人類所需的生物類型和生物產(chǎn)品 結(jié)果 可生產(chǎn)自然界沒有的蛋白質(zhì) 只能生產(chǎn)自然界已有的蛋白質(zhì) (2)聯(lián)系 ①蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來的第二代基因工程。 ②基因工程中所利用的某些酶需要通過蛋白質(zhì)工程進(jìn)行修飾、改造。 有關(guān)基因工程應(yīng)用的四個(gè)易錯(cuò)點(diǎn) (1)動(dòng)物基因工程主要是為了改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)，而不是為了產(chǎn)生體型巨大的個(gè)體。

30、(2)Bt毒蛋白基因控制合成的Bt毒蛋白并無毒性，進(jìn)入昆蟲消化道被分解成多肽后產(chǎn)生毒性。 (3)青霉素是青霉菌產(chǎn)生的，不是通過基因工程產(chǎn)生的。 (4)并非所有個(gè)體都可作為乳腺生物反應(yīng)器。操作成功的應(yīng)該是雌性個(gè)體，個(gè)體本身的繁殖速度、泌乳量、蛋白含量等都是應(yīng)該考慮的因素。 命題1　基因工程的應(yīng)用 1．為了增加油菜種子的含油量，研究人員嘗試將酶D基因與位于葉綠體膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)肽基因相連，導(dǎo)入油菜細(xì)胞并獲得了轉(zhuǎn)基因油菜品種。 (1)研究人員依據(jù)基因的已知序列設(shè)計(jì)引物，采用________法從陸地棉基因文庫中獲取酶D基因，從擬南芥基因文庫中獲取轉(zhuǎn)運(yùn)肽基因。所含三種限制酶(ClaⅠ、SacⅠ

31、、XbaⅠ)的切點(diǎn)如圖所示，則用____________________酶處理兩個(gè)基因后，可得到____________端(填圖中字母)相連的融合基因。 (2)將上述融合基因插入如圖所示Ti質(zhì)粒的T－DNA中，構(gòu)建__________________并導(dǎo)入農(nóng)桿菌中。將獲得的農(nóng)桿菌接種在含________的固體平板上培養(yǎng)得到含融合基因的單菌落，再利用液體培養(yǎng)基振蕩培養(yǎng)，可以得到用于轉(zhuǎn)化的侵染液。 (3)剪取油菜的葉片放入侵染液中一段時(shí)間，此過程的目的是______________________，進(jìn)一步篩選后獲得轉(zhuǎn)基因油菜細(xì)胞，該細(xì)胞通過_________________________

32、_技術(shù)，可培育成轉(zhuǎn)基因油菜植株。 (4)用________________________法可檢測轉(zhuǎn)基因油菜植株中的融合基因是否成功表達(dá)。 答案：(1)PCR　ClaⅠ酶和DNA連接　A和D (2)基因表達(dá)載體(或重組質(zhì)粒)　四環(huán)素 (3)利用農(nóng)桿菌將融合基因?qū)胗筒思?xì)胞　植物組織培養(yǎng) (4)抗原—抗體雜交 命題2　蛋白質(zhì)工程 2．(2015·高考全國卷Ⅱ，40)已知生物體內(nèi)有一種蛋白質(zhì)(P)，該蛋白質(zhì)是一種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，由305個(gè)氨基酸組成。如果將P分子中158位的絲氨酸變成亮氨酸，240位的谷氨酰胺變成苯丙氨酸，改變后的蛋白質(zhì)(P1)不但保留P的功能，而且具有了酶的催

33、化活性。回答下列問題： (1)從上述資料可知，若要改變蛋白質(zhì)的功能，可以考慮對蛋白質(zhì)的________________進(jìn)行改造。 (2)以P基因序列為基礎(chǔ)，獲得P1基因的途徑有修飾________基因或合成________________基因。所獲得的基因表達(dá)時(shí)是遵循中心法則的，中心法則的全部內(nèi)容包括________________的復(fù)制，以及遺傳信息在不同分子之間的流動(dòng)，即： ________________________________________________________________________。 (3)蛋白質(zhì)工程也被稱為第二代基因工程，其基本途徑是從預(yù)期蛋

34、白質(zhì)功能出發(fā)，通過________________和________________，進(jìn)而確定相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列，據(jù)此獲得基因，再經(jīng)表達(dá)、純化獲得蛋白質(zhì)，之后還需要對蛋白質(zhì)的生物________進(jìn)行鑒定。 解析：(1)從題中所述資料可知，將P分子中158位的絲氨酸變成亮氨酸，240位的谷氨酰胺變成苯丙氨酸后，該蛋白質(zhì)的功能發(fā)生了改變，此過程是通過對構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸的排列順序進(jìn)行改造，進(jìn)而改變了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，從而改變了蛋白質(zhì)的功能。 (2)在蛋白質(zhì)工程中，目的基因可以以P基因序列為基礎(chǔ)，對生物體內(nèi)原有的P基因進(jìn)行修飾，也可以通過人工合成法合成新的P1基因。中心法則的內(nèi)容如圖所示：

35、 由圖可知，中心法則的全部內(nèi)容包括：DNA以自身為模板進(jìn)行的復(fù)制，DNA通過轉(zhuǎn)錄將遺傳信息傳遞給RNA，最后RNA通過翻譯將遺傳信息表達(dá)成蛋白質(zhì)；在某些病毒中RNA可自我復(fù)制(如煙草花葉病毒等)，在某些病毒中能以RNA為模板逆轉(zhuǎn)錄合成DNA(如HIV)，這是對中心法則的補(bǔ)充。 (3)蛋白質(zhì)工程的基本途徑是預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→合成DNA→表達(dá)出蛋白質(zhì)，經(jīng)過該過程得到的蛋白質(zhì)，需要對其生物功能進(jìn)行鑒定，以保證其發(fā)揮正常作用。 答案：(1)氨基酸序列(或結(jié)構(gòu))(其他合理答案也可) (2)P　P1　DNA和RNA(或遺傳物質(zhì))　DNA→RNA、RNA→DN

36、A、RNA→蛋白質(zhì)(或轉(zhuǎn)錄、逆轉(zhuǎn)錄、翻譯) (3)設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)　推測氨基酸序列　功能 課時(shí)作業(yè) 1．如圖是基因工程的基本操作流程，請據(jù)圖回答下列問題： (1)圖中A是________；在基因工程的基本操作過程中，②是____________________。 (2)在①②③④中，只有一個(gè)步驟無堿基互補(bǔ)配對，該步驟是________。 (3)受體細(xì)胞若是植物細(xì)胞，可選用________，還可選用________，然后用________________方法培養(yǎng)新個(gè)體。 (4)若受體細(xì)胞是工程菌，則合成“表達(dá)產(chǎn)物”必須經(jīng)過的兩個(gè)過程是________________。 解析：

37、(1)獲取目的基因后，與載體結(jié)合，進(jìn)行基因表達(dá)載體的構(gòu)建。(2)①獲取目的基因可用逆轉(zhuǎn)錄法，存在堿基互補(bǔ)配對，②基因表達(dá)載體的構(gòu)建存在黏性末端連接現(xiàn)象，④DNA的擴(kuò)增存在DNA復(fù)制現(xiàn)象。(3)受體細(xì)胞若是植物細(xì)胞可選用受精卵，還可選用體細(xì)胞，然后用植物組織培養(yǎng)的方法培養(yǎng)新個(gè)體。(4)蛋白質(zhì)的表達(dá)必須經(jīng)過轉(zhuǎn)錄和翻譯。 答案：(1)載體　基因表達(dá)載體的構(gòu)建 (2)③ (3)受精卵　體細(xì)胞　植物組織培養(yǎng) (4)轉(zhuǎn)錄和翻譯 2．(2016·高考江蘇卷，33)下表是幾種限制酶識(shí)別序列及其切割位點(diǎn)，圖1、圖2中標(biāo)注了相關(guān)限制酶的酶切位點(diǎn)，其中切割位點(diǎn)相同的酶不重復(fù)標(biāo)注。請回答下列問題： 限制酶

38、 BamH I Bcl I Sau3A I Hind Ⅲ 識(shí)別序列及 切割位點(diǎn) G↓GATC C C CTAG↑G T↓GATC A A CTAG↑T ↓GATC CTAG↑ A↓AGCT T T TCGA↑A (1)用圖中質(zhì)粒和目的基因構(gòu)建重組質(zhì)粒，應(yīng)選用________________兩種限制酶切割，酶切后的載體和目的基因片段，通過________酶作用后獲得重組質(zhì)粒。為了擴(kuò)增重組質(zhì)粒，需將其轉(zhuǎn)入處于________態(tài)的大腸桿菌。 (2)為了篩選出轉(zhuǎn)入了重組質(zhì)粒的大腸桿菌，應(yīng)在篩選平板培養(yǎng)基中添加________，平板上長出的菌落，常用PCR鑒定

39、，所用的引物組成為圖2中 ________________________________________________________________________。 (3)若BamHⅠ酶切的DNA末端與BclⅠ酶切的DNA末端連接，連接部位的6個(gè)堿基對序列為________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________， 對于該部位，這兩種酶______

40、__(填“都能”“都不能”或“只有一種能”)切開。 (4)若用Sau3AⅠ切圖1質(zhì)粒最多可能獲得________種大小不同的DNA片段。 解析：(1)由題圖可知，質(zhì)粒的兩個(gè)標(biāo)記基因中都含有BamHⅠ的切點(diǎn)，因此不能用BamHⅠ進(jìn)行切割，結(jié)合題干及表中信息可知也不能用Sau3AⅠ進(jìn)行切割，所以只能用質(zhì)粒和目的基因中都含有切點(diǎn)的BclⅠ和HindⅢ這兩種限制酶來切割目的基因和質(zhì)粒。酶切后的載體和目的基因片段，通過DNA連接酶作用后獲得重組質(zhì)粒。要將重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)入大腸桿菌，要先用CaCl2處理大腸桿菌，使其處于感受態(tài)。(2)重組質(zhì)粒中只含有四環(huán)素抗性基因這一個(gè)標(biāo)記基因，所以為了篩選出轉(zhuǎn)入了重組質(zhì)粒

41、的大腸桿菌，應(yīng)在篩選平板培養(yǎng)基中添加四環(huán)素，含有重組質(zhì)粒的大腸桿菌能在平板上長出菌落。要用PCR擴(kuò)增目的基因，所用的引物組成為圖2中引物甲和引物丙，因?yàn)閺膱D2中可以看出，引物甲與引物丙與模板鏈結(jié)合后能完成目的基因的復(fù)制。(3)BamHⅠ酶切的DNA末端是，BclⅠ酶切的DNA末端是，那么這兩個(gè)末端連接后的連接部位的6個(gè)堿基對序列為，由于連接以后的6個(gè)堿基對序列中沒有BamHⅠ和BclⅠ能識(shí)別的酶切位點(diǎn)，故對于該部位，BamHⅠ和BclⅠ都不能切開。(4)因?yàn)橘|(zhì)粒的BamHⅠ和BclⅠ識(shí)別序列中都有Sau3AⅠ的識(shí)別序列和切割位點(diǎn)，所以用Sau3AⅠ切圖1質(zhì)粒最多可能獲得7種大小不同的DNA片段

42、。Sau3AⅠ切點(diǎn)及得到的7種大小不同的DNA片段情況如下：①切點(diǎn)在1或2或3的位置可以得到1種大小的DNA分子；②切點(diǎn)在1和2的位置可以得到2種DNA分子；③切點(diǎn)在1和3的位置可以得到2種DNA分子；④切點(diǎn)在2和3的位置可以得到2種DNA分子，故最多可能獲得7種大小不同的DNA片段。 答案：(1)BclⅠ和Hind Ⅲ　DNA連接　感受 (2)四環(huán)素　引物甲和引物丙 (3)　都不能 (4)7 3．(2015·高考四川卷，9)將蘇云金桿菌Bt蛋白的基因?qū)朊藁?xì)胞中，可獲得抗棉鈴蟲的轉(zhuǎn)基因棉，其過程如下圖所示(注：農(nóng)桿菌中Ti質(zhì)粒上只有T-DNA片段能轉(zhuǎn)移到植物細(xì)胞中)。

43、(1)過程①需用同種________________酶對含Bt基因的DNA和Ti質(zhì)粒進(jìn)行酶切。為將過程②獲得的含重組質(zhì)粒的農(nóng)桿菌篩選出來，應(yīng)使用________培養(yǎng)基。 (2)過程③中將棉花細(xì)胞與農(nóng)桿菌混合后共同培養(yǎng)，旨在讓________進(jìn)入棉花細(xì)胞；除盡農(nóng)桿菌后，還須轉(zhuǎn)接到含卡那霉素的培養(yǎng)基上繼續(xù)培養(yǎng)，目的是 ________________________________________________________________________ __________________________________________________________________

44、______。 (3)若過程④僅獲得大量的根，則應(yīng)在培養(yǎng)基中增加________________以獲得芽；部分接種在無激素培養(yǎng)基上的芽也能長根，原因是______________________________________。 (4)檢驗(yàn)轉(zhuǎn)基因棉的抗蟲性狀，常用方法是__________________________________________________。種植轉(zhuǎn)基因抗蟲棉能減少________的使用，以減輕環(huán)境污染。 解析：(1)切割目的基因和載體應(yīng)使用同種限制性核酸內(nèi)切酶，篩選細(xì)菌應(yīng)使用選擇培養(yǎng)基。(2)農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法的原理是農(nóng)桿菌感染植物時(shí)，Ti質(zhì)粒上的T-DNA片段能夠

45、轉(zhuǎn)移并整合到植物細(xì)胞的染色體DNA上。因?yàn)門-DNA上具有卡那霉素抗性基因，所以可用含卡那霉素的培養(yǎng)基篩選出獲得T-DNA片段的植物細(xì)胞。(3)植物組織培養(yǎng)過程中，可加入激素調(diào)節(jié)植物細(xì)胞的脫分化和再分化。生長素用量比細(xì)胞分裂素用量比值高時(shí)，有利于根的分化、抑制芽的形成；比值低時(shí)，有利于芽的分化、抑制根的形成。幼嫩的芽頂端可以產(chǎn)生生長素并向基部運(yùn)輸，促進(jìn)根的分化，故芽在無激素的培養(yǎng)基中也可以生根。(4)在個(gè)體水平上檢測抗蟲棉時(shí)可在抗蟲棉上投放害蟲來判斷其是否具有抗蟲的性狀；抗蟲棉因具有抗蟲性狀，故可減少農(nóng)藥的使用，以減輕環(huán)境污染。 答案：(1)限制性核酸內(nèi)切　選擇　(2)T-DNA　篩選獲得T

46、-DNA片段的植物細(xì)胞　(3)細(xì)胞分裂素濃度　芽頂端合成的生長素向基部運(yùn)輸，促進(jìn)根的分化　(4)投放棉鈴蟲　農(nóng)藥 4．(2017·山東泰安模擬)設(shè)計(jì)并生產(chǎn)更加符合人類需要的蛋白質(zhì)具有極為廣闊的應(yīng)用前景。利用胚胎工程技術(shù)生產(chǎn)預(yù)期蛋白質(zhì)的流程如圖所示，請回答下列問題： (1)過程①～⑤所示的生物工程為 ________________________________________________________________________。 該工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過______的修飾或合成，對現(xiàn)有的________進(jìn)行改造，或制造出一種新

47、的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)生活的需求。 (2)若預(yù)期蛋白質(zhì)欲通過乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)，需在過程⑨之前，對精子進(jìn)行篩選，以保留含________染色體的精子并對精子進(jìn)行________處理。 (3)若過程⑥中的卵母細(xì)胞來自從屠宰場收集的卵巢，則在過程⑧之前，需進(jìn)行體外培養(yǎng)到________________期方能受精。為提高培育成功率，進(jìn)行⑩過程之前，要對供、受體動(dòng)物進(jìn)行________處理。 (4)用胚胎分割技術(shù)處理發(fā)育到________期或囊胚期的早期胚胎并進(jìn)行胚胎移植，可獲得同卵雙胎或多胎。 解析：(1)蛋白質(zhì)工程通過基因的修飾或合成，對現(xiàn)有的蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或制造出一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)生活的需求。(2)若通過乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)預(yù)期蛋白質(zhì)，需要獲得雌性個(gè)體，即使獲能的X精子與卵子受精。(3)體外獲得的卵子要培養(yǎng)到減數(shù)第二次分裂中期才可與獲能的精子受精。(4)利用胚胎分割技術(shù)將發(fā)育到桑椹胚期或囊胚期的早期胚胎進(jìn)行分割、移植，可獲得同卵雙胎或多胎。 答案：(1)蛋白質(zhì)工程　基因　蛋白質(zhì) (2)X　獲能 (3)減數(shù)第二次分裂中　同期發(fā)情 (4)桑椹胚 17