2018版高中生物 第1章 基因工程 1.2 基因工程的基本操作程序?qū)W案 新人教版選修3.doc

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1．2　基因工程的基本操作程序 1．掌握目的基因獲取的常見方法。(難點(diǎn)) 2．學(xué)會(huì)基因表達(dá)載體構(gòu)建的方法和要求。(重點(diǎn)) 3．理解目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的方法。(重點(diǎn)) 4．掌握目的基因檢測(cè)與鑒定的具體操作。(重、難點(diǎn)) 　目 的 基 因 的 獲 取 1．目的基因 (1)主要是指編碼蛋白質(zhì)的基因。 (2)一些具有調(diào)控作用的因子。 2．獲取方法 (1)從基因文庫中獲取 ①基因組文庫：含有一種生物所有的基因。 ②部分基因文庫：含有一種生物的一部分基因，如cDNA文庫。 (2)利用PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因 ①含義：是一項(xiàng)在生物體外復(fù)制特定DNA片段的核酸合成技術(shù)。 ②原理：DNA雙鏈復(fù)制。 ③條件：引物、DNA模板、Taq酶、四種脫氧核苷酸。 ④過程。 a．目的基因DNA受熱變性后解鏈為單鏈(90～95 ℃)。 b．引物與單鏈相應(yīng)互補(bǔ)序列結(jié)合(55～60 ℃)。 c．在DNA聚合酶作用下進(jìn)行延伸(70～75 ℃)。 d．重復(fù)循環(huán)多次。 ⑤結(jié)果：每次循環(huán)后目的基因的量增加一倍，即成指數(shù)形式擴(kuò)增(約為2n)。 (3)人工合成法 ①條件：基因比較小，核苷酸序列已知。 ②方法：通過DNA合成儀用化學(xué)方法直接人工合成。 探討：基因組文庫和部分基因文庫有什么區(qū)別？ 提示：基因組文庫包含一種生物的全部基因，部分基因文庫只包含一種生物的一部分基因。 探討：PCR過程中需要解旋酶嗎？所需要的DNA聚合酶應(yīng)具有什么特點(diǎn)？ 提示：PCR過程中，DNA雙鏈解開是在高溫下完成的，不需要解旋酶；由于PCR過程溫度較高，所以需要能耐高溫的DNA聚合酶。 探討：什么樣的基因適合用DNA合成儀直接人工合成？ 提示：基因比較小，且核苷酸序列已知。 1．目的基因獲取方法的選擇 (1)如果不知道目的基因的核苷酸序列，可以通過構(gòu)建基因文庫的方法，即通過用受體菌儲(chǔ)存并擴(kuò)增目的基因后，從基因文庫中去獲取目的基因。 (2)如果知道目的基因的核苷酸序列，而且基因比較小，可以通過DNA合成儀利用化學(xué)方法人工合成。 (3)如果只知道擴(kuò)增目的基因的兩端的核苷酸序列，而且基因又比較大，則可以通過PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因。 2．目的基因獲取過程的比較 (1)基因組文庫： 供體生物→全部DNA→DNA片段→受體菌群→目的基因 (2)cDNA文庫： 供體生物→mRNA→cDNA→受體菌群→目的基因 (3)PCR技術(shù)： 目的基因→大量目的基因 (4)人工合成： →→→ 3．PCR技術(shù)與DNA復(fù)制的比較 比較項(xiàng)目 DNA復(fù)制 PCR技術(shù) 區(qū) 別 解旋方式 解旋酶催化 DNA在高溫下變性解旋 場(chǎng)所 細(xì)胞內(nèi)(主要在細(xì)胞核內(nèi)) 細(xì)胞外(主要在PCR擴(kuò)增儀中) 酶 解旋酶、DNA聚合酶 耐熱的DNA聚合酶 溫度 細(xì)胞內(nèi)溫和條件 控制溫度，需55 ℃～95 ℃高溫 結(jié)果 合成DNA分子 合成DNA片段或基因 聯(lián)系 (1)模板：均需要脫氧核苷酸雙鏈作為模板 (2)原料：均為四種脫氧核苷酸 (3)酶：均需DNA聚合酶 (4)引物：都需要引物，使DNA聚合酶從引物的3′端開始連接脫氧核苷酸 1．下列獲取目的基因的方法中需要模板的是(　　) ①從基因文庫中獲取目的基因?、诶肞CR技術(shù)擴(kuò)增目的基因　③反轉(zhuǎn)錄法?、芡ㄟ^DNA合成儀利用化學(xué)方法人工合成DNA A．①②③④　 B．①②③ C．②③④ D．②③ 【解析】　PCR技術(shù)利用的是DNA雙鏈復(fù)制原理，即將DNA雙鏈之間的氫鍵打開，變成單鏈DNA，作為聚合反應(yīng)的模板。反轉(zhuǎn)錄法是以目的基因轉(zhuǎn)錄成的信使RNA為模板，在反轉(zhuǎn)錄酶的作用下，先反轉(zhuǎn)錄形成互補(bǔ)的單鏈DNA，再合成雙鏈DNA。①④則均不需要模板。 【答案】　D 2．下列關(guān)于cDNA文庫和基因組文庫的說法中，不正確的是 (　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：72240004】 A．cDNA文庫中的DNA來源于mRNA的反轉(zhuǎn)錄過程 B．如果某種生物的cDNA文庫中的某個(gè)基因與該生物的基因組文庫中的某個(gè)基因控制的性狀相同，則這兩個(gè)基因的結(jié)構(gòu)也完全相同 C．cDNA文庫中的基因都沒有啟動(dòng)子 D．一種生物的cDNA文庫可以有許多個(gè)，但基因組文庫只有一個(gè) 【解析】　由于基因轉(zhuǎn)錄時(shí)只有編碼區(qū)段才能轉(zhuǎn)錄，所以以mRNA反轉(zhuǎn)錄成的DNA就只有外顯子區(qū)段，而缺少內(nèi)含子和啟動(dòng)子等非編碼區(qū)段，和原來的基因結(jié)構(gòu)不相同。 【答案】　B 基 因 表 達(dá) 載 體 的 構(gòu) 建 與 轉(zhuǎn) 化 (一)基因表達(dá)載體的構(gòu)建——核心 1．基因表達(dá)載 體的組成 2．基因表達(dá)載體的功能 (1)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。 (2)使目的基因表達(dá)和發(fā)揮作用。 (二)將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 1．轉(zhuǎn)化含義：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。 2．轉(zhuǎn)化方法 (1)導(dǎo)入植物細(xì)胞 ①最常用方法 農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法：雙子葉植物或裸子植物。 ②其他方法 a．基因槍法：單子葉植物。 b．花粉管通道法。 (2)導(dǎo)入動(dòng)物細(xì)胞 ①常用方法：顯微注射技術(shù)。 ②常用受體細(xì)胞：受精卵。 (3)導(dǎo)入微生物細(xì)胞 ①方法 a．用Ca2＋處理細(xì)胞，使細(xì)胞處于一種能吸收周圍環(huán)境中DNA分子的生理狀態(tài)(這種細(xì)胞稱為感受態(tài)細(xì)胞)。 b．感受態(tài)細(xì)胞吸收重組表達(dá)載體DNA分子。 ②受體細(xì)胞：原核細(xì)胞(使用最廣泛的是大腸桿菌)。 ③原核生物的特點(diǎn)：繁殖快、多為單細(xì)胞、遺傳物質(zhì)相對(duì)較少等。 探討：用于構(gòu)建基因表達(dá)載體的質(zhì)粒為什么必須具有啟動(dòng)子和終止子？啟動(dòng)子和終止子與起始密碼和終止密碼是一回事嗎？ 提示：導(dǎo)入到受體細(xì)胞的目的基因的表達(dá)需要調(diào)控序列，因此在插入目的基因的部位之前需有啟動(dòng)子，之后需有終止子。不是一回事，啟動(dòng)子和終止子都在DNA上，在遺傳信息轉(zhuǎn)錄時(shí)起作用。啟動(dòng)子是啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的開始，終止子是DNA分子上決定轉(zhuǎn)錄停止的一段DNA序列，其組成單位都是脫氧核苷酸。而起始密碼子和終止密碼子都是mRNA上三個(gè)相鄰堿基。起始密碼子決定翻譯的開始，終止密碼子決定翻譯的停止。 探討：農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法利用了農(nóng)桿菌的什么特性？ 提示：農(nóng)桿菌中的Ti質(zhì)粒上的TDNA(可轉(zhuǎn)移的DNA)可轉(zhuǎn)移至受體細(xì)胞，并且整合到受體細(xì)胞的染色體DNA上。 探討：植物基因工程常用的受體細(xì)胞為什么可以是體細(xì)胞，而動(dòng)物基因工程一般只用受精卵？ 提示：植物體細(xì)胞的全能性較高，可經(jīng)植物組織培養(yǎng)過程形成完整植物體，因此受體細(xì)胞可以是體細(xì)胞；動(dòng)物體細(xì)胞的全能性受到嚴(yán)格限制，因此動(dòng)物基因工程中的受體細(xì)胞一般只用受精卵。 1．基因表達(dá)載體的構(gòu)建過程 將切下的目的基因片段插入質(zhì)粒的切口處，再加入適量DNA連接酶，形成一個(gè)重組DNA分子(重組質(zhì)粒)。構(gòu)建過程如下圖所示： 2．將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的方法比較 生物類型 植物 動(dòng)物 微生物 受體 細(xì)胞 體細(xì)胞 受精卵 原核細(xì)胞 常用 方法 農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法、基因槍法、花粉管通道法 顯微注射技術(shù) 感受態(tài)細(xì)胞法 轉(zhuǎn)化 過程 以農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法為例： 將目的基因插入Ti質(zhì)粒的TDNA上 ↓ 轉(zhuǎn)入農(nóng)桿菌中 ↓ 導(dǎo)入植物細(xì)胞 ↓ 整合到受體細(xì)胞的DNA上 提取含目的基 因的表達(dá)載體 ↓ 顯微注射 ↓ 受精卵發(fā)育 ↓ 具有新性 狀的個(gè)體 Ca2＋處理細(xì)胞 ↓ 感受態(tài)細(xì)胞 ↓ 基因表達(dá)載體與 感受態(tài)細(xì)胞混合 ↓ 感受態(tài)細(xì)胞 吸收DNA分子 1．下列關(guān)于基因表達(dá)載體構(gòu)建的相關(guān)敘述，不正確的是(　　) A．需要限制酶和DNA連接酶 B．必須在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行 C．抗生素抗性基因可作為標(biāo)記基因 D．啟動(dòng)子位于目的基因的首端 【解析】　基因表達(dá)載體的構(gòu)建是指目的基因與載體結(jié)合，在此過程中需用同一種限制酶切割目的基因與載體，用DNA連接酶將相同的末端連接起來；基因表達(dá)載體的構(gòu)建是在細(xì)胞外進(jìn)行的；基因表達(dá)載體包括啟動(dòng)子(位于基因首端使轉(zhuǎn)錄開始)、終止子、目的基因和標(biāo)記基因(鑒別受體細(xì)胞中是否含有目的基因，如抗生素抗性基因)。 【答案】　B 2．采用基因工程的方法培育抗蟲棉，下列導(dǎo)入目的基因的做法正確的是 (　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：72240005】 ①將毒素蛋白注射到棉受精卵中 ②將編碼毒素蛋白的DNA序列，注射到棉受精卵中 ③將編碼毒素蛋白的DNA序列，與質(zhì)粒重組，導(dǎo)入細(xì)菌，用該細(xì)菌感染棉的體細(xì)胞，再進(jìn)行組織培養(yǎng) ④將編碼毒素蛋白的DNA序列，與細(xì)菌質(zhì)粒重組，注射到棉的子房并進(jìn)入受精卵 A．①②　 B．②③ C．③④ D．①④ 【解析】　本題以抗蟲棉培育為材料背景，主要考查基因操作中的第三步——將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞。導(dǎo)入目的基因必須選擇恰當(dāng)?shù)妮d體，以保證導(dǎo)入目的基因不被受體細(xì)胞降解，并成功地實(shí)現(xiàn)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯。 【答案】　C 　目 的 基 因 的 檢 測(cè) 與 鑒 定 1．分子水平檢測(cè) (1)檢測(cè)轉(zhuǎn)基因生物DNA上是否插入了目的基因。 方法：DNA分子雜交技術(shù)。 (2)檢測(cè)目的基因是否轉(zhuǎn)錄出mRNA。 方法：分子雜交技術(shù)。 (3)檢測(cè)目的基因是否翻譯成蛋白質(zhì)。 方法：抗原—抗體雜交技術(shù)。 2．個(gè)體水平鑒定 包括抗蟲、抗病的接種實(shí)驗(yàn)，以確定是否有抗性及抗性程度?；蚬こ坍a(chǎn)品需要與天然產(chǎn)品活性進(jìn)行比較等。 探討：目的基因能否在真核生物中穩(wěn)定遺傳的關(guān)鍵是什么？如何檢測(cè)？ 提示：目的基因是否插入受體細(xì)胞的染色體DNA上，這是其能否在真核生物中穩(wěn)定遺傳的關(guān)鍵。檢測(cè)方法是采用DNA分子雜交技術(shù)。 探討：什么是基因探針？如何檢測(cè)目的基因是否開始發(fā)揮功能？ 提示：基因探針是用放射性同位素標(biāo)記的目的基因的單鏈DNA片段。從轉(zhuǎn)基因生物中提取mRNA，用標(biāo)記的目的基因作探針，與mRNA雜交，如果顯示出雜交帶，則表明目的基因轉(zhuǎn)錄出了mRNA，意味著目的基因開始發(fā)揮功能。 探討：檢測(cè)棉花中導(dǎo)入的抗蟲基因是否表達(dá)的最簡便的方法是什么？ 提示：用葉片飼養(yǎng)棉鈴蟲，觀察棉鈴蟲是否死亡。 目的基因的檢測(cè)與鑒定在不同方面的比較 類型 步驟 檢測(cè)內(nèi)容 方法 結(jié)果顯示 分子 檢測(cè) 　　 導(dǎo)入 檢測(cè) 目的基因是否導(dǎo)入受體細(xì)胞 DNA分子雜交技術(shù)(DNA和DNA之間) 是否成功顯示出雜交帶 表達(dá) 檢測(cè) 目的基因是否轉(zhuǎn)錄出mRNA 核酸分子雜交技術(shù)(DNA和mRNA之間) 是否成功顯示出雜交帶　　 目的基因是否翻譯出蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)分子雜交(抗原和抗體之間) 是否成功顯示出雜交帶　　 個(gè)體生物 學(xué)水平的 鑒定　　 ①確定是否具有抗性及抗性程度 ②基因工程產(chǎn)品與天然產(chǎn)品的活性是否相同 ①抗蟲或抗病的接種實(shí)驗(yàn) ②基因工程產(chǎn)品與天然產(chǎn)品活性的比較 是否賦予了預(yù)期抗性或蛋白質(zhì)活性 1． DNA探針是利用放射性同位素等標(biāo)記的特定DNA片段。當(dāng)DNA探針與待測(cè)的非標(biāo)記單鏈DNA(或RNA)按堿基順序互補(bǔ)結(jié)合時(shí)，形成標(biāo)記DNA—DNA(或標(biāo)記DNA—RNA)的雙鏈雜交分子，可檢測(cè)雜交反應(yīng)結(jié)果。用某人的胰島素基因制成DNA探針，能與之形成雜交分子的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：72240006】 ①該人胰島A細(xì)胞中的DNA　②該人胰島B細(xì)胞中的mRNA?、墼撊艘葝uA細(xì)胞中的mRNA?、茉撊烁渭?xì)胞中的DNA A．①③④　 B．①②③ C．①②④ D．②③④ 【解析】　DNA單鏈能與其互補(bǔ)鏈及其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA分子互補(bǔ)配對(duì)而形成雜交分子；人體細(xì)胞中都有胰島素基因，但此基因只有在胰島B細(xì)胞中才能得到表達(dá)。 【答案】　C 2．轉(zhuǎn)基因抗蟲棉培育過程中要對(duì)Bt基因?qū)胧荏w細(xì)胞后是否可以穩(wěn)定維持和表達(dá)進(jìn)行檢測(cè)與鑒定，其中利用到堿基互補(bǔ)配對(duì)原則的有(　　) ①檢測(cè)棉花的DNA上是否插入了Bt基因?、跈z測(cè)Bt基因是否在棉花細(xì)胞轉(zhuǎn)錄出mRNA?、蹤z測(cè)Bt基因是否在棉花細(xì)胞翻譯成蛋白質(zhì)?、軝z測(cè)Bt基因是否賦予了棉花抗蟲特性 A．①② B．①③ C．②③ D．②④ 【解析】　檢測(cè)棉花的DNA上是否插入了Bt基因和檢測(cè)Bt基因是否在棉花細(xì)胞轉(zhuǎn)錄出mRNA都是用標(biāo)記的目的基因作探針進(jìn)行分子雜交，因此都要進(jìn)行堿基互補(bǔ)配對(duì)；檢測(cè)Bt基因是否在棉花細(xì)胞中翻譯成蛋白質(zhì)需進(jìn)行抗原—抗體雜交，檢測(cè)Bt基因是否賦予了棉花抗蟲特性需要做抗蟲接種實(shí)驗(yàn)，這兩項(xiàng)技術(shù)都沒有涉及堿基互補(bǔ)配對(duì)原則。 【答案】　A 1．基因工程的基本操作程序有：①使目的基因與運(yùn)載體相結(jié)合；②將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞；③檢測(cè)目的基因的表達(dá)是否符合特定性狀要求；④提取目的基因。正確的操作順序是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：72240007】 A．③②④① B．②④①③ C．④①②③ D．③④①② 【解析】　基因工程的主要操作步驟順序是：目的基因的獲取→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(cè)與鑒定。 【答案】　C 2．下列不屬于獲取目的基因的方法是(　　) A．利用DNA連接酶復(fù)制目的基因 B．反轉(zhuǎn)錄法 C．從基因文庫中獲取目的基因 D．利用PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因 【解析】　本題考查目的基因的獲取方法及DNA聚合酶和DNA連接酶的區(qū)別。對(duì)目的基因(DNA片段)進(jìn)行復(fù)制需利用DNA聚合酶而不是DNA連接酶。 【答案】　A 3．下列關(guān)于基因表達(dá)載體的構(gòu)建描述錯(cuò)誤的是(　　) A．基因表達(dá)載體的構(gòu)建是基因工程的核心 B．基因表達(dá)載體的構(gòu)建包括目的基因、啟動(dòng)子、終止子、標(biāo)記基因等部分 C．目的基因主要是指編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因 D．構(gòu)建的基因表達(dá)載體都是相同的 【解析】　基因表達(dá)載體的構(gòu)建是基因工程的第二步，也是基因工程的核心；一個(gè)基因表達(dá)載體的組成除目的基因外還必須具有啟動(dòng)子、終止子、標(biāo)記基因等部分；目的基因主要是指編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因；由于受體細(xì)胞不同，基因表達(dá)載體的構(gòu)建也會(huì)有差別，不可能都是相同的。 【答案】　D 4．1957年，生物學(xué)家了解到，病毒感染的細(xì)胞能產(chǎn)生一種因子，這種因子能作用于其他細(xì)胞，干擾病毒的復(fù)制，故將其命名為干擾素；從1987年開始，用基因工程方法生產(chǎn)的干擾素進(jìn)入了工業(yè)化生產(chǎn)，并且大量投放市場(chǎng)。 (1)若已知干擾素的氨基酸序列，則獲取目的基因的較簡單方法是__________________________________________________________________； 目的基因還可以從____________________文庫獲取，而從cDNA文庫中不一定能得到，原因是__________________________________________________ _______________________________________________________________。 (2)用限制酶處理質(zhì)粒和目的基因后，用________酶處理，可形成基因表達(dá)載體，該載體的化學(xué)本質(zhì)是________。 (3)轉(zhuǎn)基因技術(shù)是否成功，需要對(duì)受體細(xì)胞進(jìn)行分子水平的檢測(cè)，首先是檢測(cè)受體細(xì)胞____________上是否插入了目的基因，這是目的基因能否在真核生物中穩(wěn)定遺傳的關(guān)鍵。檢測(cè)方法是采用_________________________________。 最后還要檢測(cè)目的基因是否翻譯成了相應(yīng)的蛋白質(zhì)，利用的技術(shù)是______________。 【解析】　(1)若已知干擾素的氨基酸序列，則可以通過反轉(zhuǎn)錄法獲得目的基因；cDNA文庫是部分基因文庫，因?yàn)閏DNA是由生物發(fā)育的某個(gè)時(shí)期的mRNA反轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的，所以cDNA中不一定有目的基因，最好從基因組文庫中獲取。(2)用限制酶處理載體和目的基因后，將目的基因與載體連接，需要使用DNA連接酶處理，基因與載體的化學(xué)本質(zhì)是相同的，都是DNA。(3)檢測(cè)目的基因使用DNA分子雜交技術(shù)；檢測(cè)蛋白質(zhì)采用的是抗原—抗體雜交技術(shù)。 【答案】　(1)人工合成法　基因組　cDNA是由生物發(fā)育的某個(gè)時(shí)期的mRNA反轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的(其他合理答案也可) (2)DNA連接　DNA　(3)染色體的DNA　DNA分子雜交技術(shù)　抗原—抗體雜交技術(shù) 課堂小結(jié)： 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 核心回扣 1.基因工程的基本操作程序有：①目的基因的獲??；②基因表達(dá)載體的構(gòu)建；③將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞；④目的基因的檢測(cè)與鑒定。 2.目的基因是指編碼蛋白質(zhì)的基因和具有調(diào)控作用的因子。其獲取方法有：①從基因文庫中獲取；②利用PCR技術(shù)獲?。虎廴斯ず铣?。 3.基因表達(dá)載體由目的基因、啟動(dòng)子、終止子和標(biāo)記基因組成。 4.將目的基因?qū)胫参锛?xì)胞的方法有：①農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法；②基因槍法；③花粉管通道法。 5.將目的基因?qū)雱?dòng)物細(xì)胞常用的方法是顯微注射法。 6.目的基因的檢測(cè)方法有DNA分子雜交技術(shù)、分子雜交技術(shù)和抗原—抗體雜交技術(shù)。有時(shí)還需進(jìn)行個(gè)體生物學(xué)水平的鑒定。