（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：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．有一個至多個限制酶切割位點(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)識別序列的特點(diǎn)：呈現(xiàn)堿基互補(bǔ)對稱。無論是奇數(shù)個堿基還是偶數(shù)個堿基，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會破壞標(biāo)記基因；如果所選酶的切割位點(diǎn)不只一個，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別序列或識別序列已經(jīng)被修飾。 (3)DNA連接酶起作用時，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易錯點(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)將一個基因從DNA分子上切割下來，需要切兩處，同時產(chǎn)生4個黏性末端或平末端。 (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。回答下列問題： (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)有一個至多個限制酶切割位點(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，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，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子的上游和終止子的下游，故這兩個運(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 時期的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“四個層面” 基因工程操作過程中的幾個易錯點(diǎn) (1)目的基因的插入位點(diǎn)不是隨意的：基因表達(dá)需要啟動子與終止子的調(diào)控，所以目的基因應(yīng)插入到啟動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，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，應(yīng)該產(chǎn)生相同的黏性末端。DNA連接酶的來源有兩個：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，需要選擇的啟動子是________(填寫字母，單選)。 A．人血細(xì)胞啟動子　　 B．水稻胚乳細(xì)胞啟動子 C．大腸桿菌啟動子　　　 D．農(nóng)桿菌啟動子 (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，傷口處的細(xì)胞會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)用價值，要證明rHSA具

26、有醫(yī)用價值，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)動物基因工程：用于提高動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)基因動物生產(chǎn)藥物；用轉(zhuǎn)基因動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 項目 原理

27、操作過程 進(jìn)展 基因 治療 基因表達(dá) 利用正?；?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 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，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)入哺乳動物受精卵中→形成早期胚胎→將胚胎移植到受體動物子宮內(nèi)→發(fā)育成轉(zhuǎn)基因動物→在雌性個體中目的基因表達(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)用的四個易錯點(diǎn) (1)動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)該是雌性個體，個體本身的繁殖速度、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，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)計蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)　推測氨基酸序列　功能 課時作業(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，因為從圖2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，那么這兩個末端連接后的連接部位的6個堿基對序列為，由于連接以后的6個堿基對序列中沒有BamHⅠ和BclⅠ能識別的酶切位點(diǎn)，故對于該部位，BamHⅠ和BclⅠ都不能切開。(4)因為質(zhì)粒的BamHⅠ和BclⅠ識別序列中都有Sau3AⅠ的識別序列和切割位點(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，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。因為T-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，有利于根的分化、抑制芽的形成；比值低時，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)在個體水平上檢測抗蟲棉時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