2021高考生物一轮复习第11单元现代生物科技专题第33讲基因工程包括PCR技术课件 102页

第33讲　基因工程(包括PCR技术) 考点一　基因工程的操作工具 1.基因工程的概念 操作环境 体外 操作对象 基因 操作水平 　 DNA分子水平      原理 　 基因重组      目的 人类需要的生物类型和产品 2.操作工具 (1)限制性核酸内切酶(限制酶) 来源 主要从 　 原核生物      中分离纯化而来 作用 识别双链DNA分子的某种 　 特定核苷酸      序列,使 　 每一条链中特定部位      的两个核苷酸之间的 　 磷酸二酯键      断裂 结果 产生 　 黏性      末端或 　 平      末端 常用类型 E · coli DNA连接酶 T 4 DNA连接酶 来源 　 大肠杆菌      T 4 噬菌体 功能 连接黏性末端 连接 　 黏性末端或平末端      ,后者效率低 结果 恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的 　 磷酸二酯键      (2)DNA连接酶 (3)载体 　　质粒:裸露的、结构简单、独立于细菌拟核DNA之外,有 　 自我复制      能力的很小的双链 　 环状      DNA。 作用 将目的基因运送至受体细胞 条件及目的 ①能自我复制 ②有一个至多个 　 限制酶      切割位点,供外源DNA插入其中 ③有 　 标记基因      供重组DNA的鉴定和选择 ④大小合适,便于操作 ⑤对受体细胞无害 种类 　 质粒      (常用)、λ噬菌体的衍生物 将外源基因载入大肠杆菌等受体细胞 　 动物病毒      将外源基因载入动物细胞 植物病毒 将外源基因载入植物细胞   1. DNA连接酶能将两碱基间通过氢键连接起来。   ( ✕ ) 2. E · coli DNA连接酶既可连接平末端,又可连接黏性末端。   ( ✕ ) 3. 载体质粒通常采用抗生素合成基因作为筛选标记基因。   ( ✕ ) 4. 每个重组质粒至少含一个限制酶识别位点。   ( √ ) 5. 限制性核酸内切酶、 DNA 连接酶和质粒是基因工程中常用的三种工具酶。 ( ✕ ) 6. 质粒是小型环状 DNA 分子 , 是基因工程常用的载体。   ( √ ) 7. 载体的作用是携带目的基因导入受体细胞中 , 使之稳定存在并表达。 ( √ ) 8. 外源 DNA 必须位于重组质粒的启动子和终止子之间才能进行复制。 ( ✕ )   　　完成下面DNA相关酶的比较的表格及相关问题: 名称 作用部位 作用底物 作用结果 限制酶 　　　　     DNA 将DNA切成两个或多个片段 DNA连接酶 　　　　     　　　　     将两个DNA片段连接为一个DNA分子 DNA聚合酶 磷酸二酯键 　　　　     以单链DNA为模板,将单个脱氧核苷酸依次连接到新生链末端 DNA(水解)酶 磷酸二酯键 DNA 　　　　　　　　　　　　　　　　　     解旋酶 　　　     DNA 将双链DNA分子局部解旋为单链,形成两条长链 　　　　     磷酸二酯键 核糖核苷酸 以单链DNA为模板,将单个核糖核苷酸依次连接到RNA链末端 (1)限制酶存在于原核生物的作用是 　　　　　　　　　　　　　　　　     　　　　　　     。 (2)限制酶不切割细菌本身DNA的原因是 　　　　　　　　　　　　　　     　　　　　　　　     。 (3)天然DNA分子可以直接做基因工程载体吗?为什么? 　　　　　　　　     　　　　　　　　　　     。 答案 　磷酸二酯键　磷酸二酯键　DNA片段　脱氧核苷酸　将DNA片段水 解为单个脱氧核苷酸　氢键　RNA聚合酶 (1)防止外来病原物的侵害,切割外源DNA,保护自身　(2)自身DNA不具有识 别切割序列,或识别序列被修饰　(3)一般不可以,需要改造才能具备载体的 条件   1.限制酶和DNA连接酶的关系   (1)限制酶和DNA连接酶的作用部位都是磷酸二酯键。 (2)限制酶不切割自身DNA的原因是原核生物中不存在该酶的识别序列或识 别序列已经被修饰。 (3) 在获取目的基因和切割载体时通常用同一种限制酶 , 以获得相同的黏性末 端 , 但如果用两种不同限制酶切割后形成的黏性末端相同 , 在 DNA 连接酶的 作用下目的基因与载体也可以连接起来。 (4)为了防止载体或目的基因的黏性末端自己连接即所谓“环化”,可用不同 的限制酶分别处理含目的基因的DNA和载体,使目的基因两侧及载体上各自 具有两个不同的黏性末端。 2.作为载体的条件及作用 条件 作用 稳定并能复制 目的基因稳定存在且数量可扩大 有一个或多个限制酶切割位点 可携带多个或多种外源基因 具有特殊的标记基因 便于重组DNA的鉴定和选择 1. (2018北京理综,5,6分)用 Xho Ⅰ和 Sal Ⅰ两种限制性核酸内切酶分别处理同一DNA片段,酶切位点及酶切产物分离结果如图。以下叙述不正确的是   (　 　)   图1　酶切位点图 图2　电泳结果示意图   考向一　限制性核酸内切酶、DNA连接酶等酶的作用 A.图1中两种酶识别的核苷酸序列不同 B.图2中酶切产物可用于构建重组DNA C.泳道①中是用 Sal Ⅰ处理得到的酶切产物 D.图中被酶切的DNA片段是单链DNA 答案    D　 图1中,两种限制性核酸内切酶的酶切位点不同,说明两种限制性 核酸内切酶识别的核苷酸序列不同,A正确。图2中,两种酶的酶切产物都为 DNA片段,都可用于构建重组DNA,B正确。结合图1的酶切位点图,判断两种 酶切DNA后得到的DNA片段数;再结合泳道①②电泳结果知,泳道①是用 Sal Ⅰ处理得到的酶切产物,C正确。能被限制性核酸内切酶酶切的DNA片段仍 为双链DNA,D错误。 2. 用限制酶 Eco RⅤ单独切割某普通质粒,可产生14 kb(1 kb即1 000个碱基对) 的长链,而同时用限制酶 Eco RⅤ、 Mbo Ⅰ联合切割该质粒,可得到三种长度的 DNA片段,见下图(其中*表示 Eco RⅤ限制酶切割后的一个黏性末端)。   若用 Mbo Ⅰ限制酶单独切割该普通质粒,则产生的DNA片段的长度为 (　 D 　) A.2.5和5.5　　　　B.2.5和6 C.5.5和8　　　　　D.6和8 答案    D　 依图示可知,该质粒上有1个 Eco RⅤ限制酶的切点、2个 Mbo Ⅰ限 制酶的切点,故用限制酶 Mbo Ⅰ单独切割该质粒时,将产生长度为6和8的两种 DNA片段,故D正确。 3. 图(a)中的三个DNA片段上依次表示出了 Eco RⅠ、 Bam HⅠ和 Sau 3AⅠ三种 限制性核酸内切酶的识别序列与切割位点,图(b)为某种表达载体的示意图 (载体上 Eco RⅠ、 Sau 3AⅠ的切点是唯一的)。   图(a) 图(b) 根据基因工程的有关知识,回答下列问题: (1)经 Bam HⅠ酶切后得到的目的基因可以与上述表达载体被 　　　     酶切 后的产物连接,理由是 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　     　     。 (2) 若某人利用图 (b) 所示的表达载体获得了甲、乙、丙三种含有目的基因的 重组子 , 如图 (c) 所示。这三种重组子中 , 不能在宿主细胞中表达目的基因的 有 　　　     , 不能表达的原因是 　　　　　　　　　　　　　　　　　　     　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　     。 图(c) (3)DNA连接酶是将两个DNA片段连接起来的酶,常见的有 　　　　　     和 　　　　　     ,其中既能连接黏性末端又能连接平口末端的是 　　　　         。 答案 　(1) Sau 3AⅠ　两种酶切割后产生的片段具有相同的黏性末端　(2) 甲、丙　甲中目的基因插入启动子的上游,丙中目的基因插入终止子的下游, 二者的目的基因均不能被转录　(3) E · coli DNA连接酶　T 4 DNA连接酶　T 4 DNA连接酶 解析 　(1)分析图(a)可知,限制酶 Sau 3AⅠ与 Bam HⅠ切割DNA后形成的黏性 末端相同,故经这两种酶切割得到的产物可以用DNA连接酶进行连接。(2)构 建基因表达载体时,为保证目的基因能在宿主细胞中成功表达,目的基因应插 入启动子和终止子之间,据此可判断甲、丙均不符合要求,目的基因均不能表 达。(3)常见的DNA连接酶有 E · coli DNA连接酶和T 4 DNA连接酶,其中T 4 DNA 连接酶既能连接黏性末端又能连接平末端。 题后悟道·方法 限制酶的选择技巧 (1)根据目的基因两端的限制酶切割位点确定限制酶的种类   ①应选择切割位点位于目的基因两端的限制酶,如图甲可选择 Pst Ⅰ。 ②不能选择切割位点位于目的基因内部的限制酶,如图甲不能选择 Sma Ⅰ。 ③为避免目的基因和质粒的自身环化和随意连接,也可使用不同的限制酶切 割目的基因和质粒,如图甲也可选择用 Pst Ⅰ和 Eco RⅠ两种限制酶(但要确保 质粒上也有这两种酶的切割位点)。 (2)根据质粒的特点确定限制酶的种类 ①所选限制酶要与切割目的基因的限制酶一致,以确保产生相同的黏性末 端。 ②质粒作为载体必须具备标记基因等,所以所选择的限制酶尽量不要破坏这 些结构,如图乙中限制酶 Sma Ⅰ会破坏标记基因;如果所选酶的切割位点不是 一个,则切割重组后可能丢失某些片段,若丢失的片段含复制起点区,则切割 重组后的片段进入受体细胞后不能自主复制。 考向二　考查载体的作用和特点分析 4. 为了增加菊花花色类型,研究者从其他植物中克隆出花色基因C(图1),拟将 其与质粒(图2)重组,再借助农杆菌导入菊花中。 下列操作与实验目的不符的是   (　 C 　) A.用限制性核酸内切酶 Eco RⅠ和连接酶构建重组质粒 B.用含C基因的农杆菌侵染菊花愈伤组织,将C基因导入细胞 C.在培养基中添加卡那霉素,筛选被转化的菊花细胞 D.用分子杂交方法检测C基因是否整合到菊花染色体上 答案    C　 用限制性核酸内切酶 Eco RⅠ处理目的基因和质粒,可以使目的基 因两侧和质粒产生相同的黏性末端,再用连接酶把切口连起来就能构建成重 组质粒,A正确;农杆菌转化法适用于双子叶植物或裸子植物,菊花属于双子叶 植物,故可用含C基因的农杆菌侵染菊花愈伤组织,将C基因导入细胞,B正确; 质粒中只有潮霉素抗性基因,被转化的菊花细胞只对潮霉素具有抗性,在培养 基中添加那霉素,不能筛选被转化的菊花细胞,C错误;检测目的基因是否整合 到受体细胞的染色体上,可采用DNA分子杂交技术,D正确。 5. (2019南京高三一模)质粒是细菌中的有机分子,下列对其描述,正确的是   (　 B 　) A.质粒完全水解后最多可产生4种化合物 B.质粒能够自主复制 C.质粒中含有两个游离的磷酸基团 D.质粒是基因工程的工具酶 答案    B　 质粒是一种具有自主复制能力的很小的双链环状DNA分子,不含 游离的磷酸基团,完全水解后最多可产生6种化合物:脱氧核糖、磷酸、4种含 氮碱基,A、C错误,B正确;质粒是基因工程的载体,不是工具酶,D错误。 6. 如图所示为pBR322质粒,其中 amp r (氨苄青霉素抗性基因)和 tet r (四环素抗性 基因)为标记基因,ori为复制原点,其他均为限制酶及其识别位点,并且每种限制酶都只有一个。pBR322质粒是基因工程较常用的运载体。回答下列相关问题: (1)制备重组质粒,需要限制酶和 　　　　　     酶。如制备重组质粒时,使用 Pvu Ⅰ切割该质粒,则检测目的基因是否导入受体细胞,需要在培养基中添加 　　　　　     。 (2)该质粒中的 Bam HⅠ识别的核苷酸序列及切割位点为—G ↓ GATCC—,而 Sau 3AⅠ识别的核苷酸序列只有4个碱基。若 Bam HⅠ和 Sau 3AⅠ分别切割 DNA所形成的DNA片段能拼接成一条DNA链,则Sau3AⅠ识别的核苷酸序列 及切割位点为 　　　　　　     。该拼接在一起的DNA片段,能否被BamH Ⅰ 识别? 　　　　　　　　     。 (3)与图示质粒相比,完整的重组质粒中还应有 　　　　　　　　　　　　     等三种特殊的DNA片段。将重组质粒导入动、植物细胞的方法分别为 　     　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　     ,如受体细胞为大 肠杆菌,则该菌经钙离子处理后,将具备 　　　　　     的特性。 答案 　(1)DNA连接　四环素 (2)— ↓ GATC—　不一定能　(3)启动子、终止子和目的基因　显微注射法, 农杆菌转化法、基因枪法、花粉管通道法　将外界DNA吸入细胞 题后悟道·归纳 全面理解基因工程中的载体 (1)应具备的条件 ①能在受体细菌中复制并稳定保存,可使目的基因稳定存在且数量可扩大。 ②具有一个至多个限制酶切割位点,可供外源DNA片段插入。 ③具有标记基因,可供重组DNA的鉴定和选择。 (2)与膜载体的区别 基因工程中的载体是DNA分子,能将目的基因导入受体细胞内,并利用它在 宿主细菌内对目的基因进行大量复制;膜载体是蛋白质,与膜的通透性有关。 考点二　基因工程的基本操作 1.目的基因的获取 (1)目的基因:主要指 　 编码蛋白质      的基因,也可以是一些具有调控作用的因子。 (2)获取方法 方法 前提 基因文库获取 从自然界已有的物种中分离 PCR技术扩增 有序列已知目的基因的核苷酸序列,以便合成引物 人工合成 基因比较小,核苷酸序列已知;用DNA合成仪 (3)基因组文库与cDNA文库比较 文库类型 cDNA文库 基因组文库 构建基因 文库的过程 某种生物发育的某个时期的mRNA 　       cDNA   受体菌群体 某种生物体内全部DNA 　       许多DNA片段   受体菌群体 文库大小 小 大 基因中启动子 无 有 基因中内含子 无 有 基因多少 某种生物的部分基因 某种生物的全部基因 物种间的基因交流 可以 部分基因可以 说明 基因文库的组建过程就包含基因工程的基本操作步骤。从基因文库中获取目的基因的优点是操作简便,缺点是工作量大,具有一定的盲目性 2.基因表达载体的构建(核心) (1)目的:使目的基因在受体细胞中 　 稳定存在      ,并可以遗传给下一代;使目 的基因能够 　 表达      和发挥作用。 (2)基因表达载体的构成: 3.将目的基因导入受体细胞 转化:目的基因进入受体细胞内,并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。 细胞类型 方法 过程 特点 植物细胞 农杆菌 转化法 将目的基因插入到Ti质粒的T-DNA上→导入农杆菌→侵染植物细胞→整合到受体细胞的染色体DNA上→表达 经济、有效,适用于双子叶植物和裸子植物 基因枪法 目的基因包裹在微小的金粉粒子或钨粉粒子表面→用基因枪高速射入受体细胞或组织中→目的基因表达 成本较高,是单子叶植物中常用的转化方法 花粉管 通道法 将含目的基因的溶液滴加在柱头上(或用含目的基因的溶液处理花粉粒)→花粉粒吸入目的基因→受粉→目的基因表达 简便、经济,我国科学家独创 细胞类型 方法 过程 特点 动物细胞 显微注 射法 基因表达载体 　　       受精卵 　　       新性状个体 最为有效的将目的基因导入动物细胞的方法 微生物 细胞 Ca 2+ 处理法 Ca 2+ 处理细胞→感受态细胞→重组表达载体与感受态细胞混合→感受态细胞吸收DNA分子 简便、经济、有效 续表 注意:①受体细胞为植物细胞时,受体细胞可以是体细胞和受精卵,因为 　 植物体细胞有全能性      。 ②原核生物常作为受体细胞的原因是 　 繁殖快、多为单细胞、遗传物质相 对较少      。 ③受体细胞为动物细胞时,受体细胞是受精卵,因为 　 高度分化的动物体细胞的全能性受到限制      。 ④Ca 2+ 处理法中,Ca 2+ 可以增加 　 微生物细胞壁的通透性      。 4.目的基因的检测和鉴定 (1)目的:目的基因导入受体细胞后,是否可以维持稳定和表达其遗传特性,只 有通过检测与鉴定才能知道。这是检验基因工程是否成功的重要一步。 (2)方法比较 探针:在含目的基因的DNA片段上用放射性同位素等做标记。   1. 为培育抗除草剂的作物新品种,导入抗除草剂基因时只能以受精卵为受 体。   ( ✕ ) 2. 抗虫基因即使成功地插入植物细胞染色体上也未必能正常表达。    ( √ ) 3. 检测目的基因是否成功表达可用抗原—抗体杂交技术。   ( √ ) 4. 应用 DNA 探针技术 , 可以检测转基因抗冻番茄植株中目的基因的存在及其 是否完全表达。   ( ✕ )   　　如图为抗虫棉的培育过程,据图回答下列问题: (1)该基因工程中的目的基因和载体分别是什么?一般情况下,为什么要用同 一种限制酶处理目的基因和载体? (2)该实例中,采用何种方法导入目的基因?为什么目的基因可以整合到染色 体的DNA上? (3)该实例中,检测目的基因是否成功表达的常见方法有哪两种? 答案 　(1)目的基因是Bt毒蛋白基因,载体是Ti质粒。用同一种限制酶处理目 的基因和载体,可以获得相同的黏性末端,便于构建基因表达载体。(2)采用 的方法是农杆菌转化法。由于Ti质粒上的T-DNA可转移到受体细胞且能整 合到受体细胞的染色体DNA上,而目的基因又插入到了T-DNA上,所以目的 基因可以整合到受体细胞的染色体DNA上。(3)抗原—抗体杂交法、用棉叶 饲喂棉铃虫。   基因工程操作过程中易出现的错误 (1)目的基因的插入位点不是随意的:基因表达需要启动子与终止子的调控, 所以目的基因应插入到启动子与终止子之间的部位。 (2)基因工程操作过程中只有第三步(将目的基因导入受体细胞)没有碱基互 补配对的现象:第一步存在逆转录法获得DNA,第二步存在黏性末端连接现 象,第四步存在检测分子水平杂交。 (3)农杆菌转化法原理:农杆菌易感染植物细胞,并将其Ti质粒上的T-DNA转 移并整合到受体细胞染色体的DNA上。 (4) 目的基因进入受体细胞内 , 并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程 , 称 为转化。转化的实质是目的基因整合到受体细胞染色体的基因组中。 (5) 标记基因的种类和作用 : 标记基因的作用 —— 筛选、检测目的基因是否导 入受体细胞,常见的标记基因有抗生素抗性基因、发光基因(表达产物为带颜 色的物质)等。 (6)受体细胞的选择:受体细胞常用植物受精卵或体细胞(经组织培养)、动物 受精卵(一般不用体细胞)、微生物(大肠杆菌、酵母菌)等。要合成糖蛋白、 有生物活性的胰岛素则必须用真核生物,如酵母菌(需内质网、高尔基体的加 工、分泌);一般不用支原体,原因是它营寄生生活,无细胞核,也没有内质网、 高尔基体等细胞器 , 不能合成蛋白质 ; 一定不能用哺乳动物成熟的红细胞 , 原 因是它无细胞核 , 也没有核糖体等细胞器 , 不能合成蛋白质。 (7) 还应注意的问题有 :① 基因表达载体中 , 启动子 (DNA 片段 ) ≠ 起始密码子 (RNA);终止子(DNA片段) ≠ 终止密码子(RNA);②基因表达载体的构建是最 核心、最关键的一步,在体外进行。 1. 甜蛋白是一种高甜度的特殊蛋白质。为了改善黄瓜的品质,科学家采用农 杆菌转化法将一种甜蛋白基因成功导入黄瓜细胞,得到了转基因植株。回答 下列问题: (1)用农杆菌感染时,应优先选用黄瓜 　　　　     (填“受伤的”或“完好 的”)叶片与含重组质粒的农杆菌共培养,选用这种叶片的理由是 　　　　     　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　     。 (2)若在转基因黄瓜中检测到这种甜蛋白,则表明该重组质粒中 　　　　　          已转移到植物细胞中且能够表达;用该转基因黄瓜的某一植株与一株非转 基因植株杂交,发现子代中含甜蛋白个体数与不含甜蛋白个体数之比为1∶1, 则说明甜蛋白基因已经整合到 　　　　　     (填“核基因组”“线粒体基因 组”或“叶绿体基因组”)中。 (3)假设某种转基因作物因为受到病毒感染而减产,若要以该转基因作物为材 料获得脱毒苗,应选用 　　　     作为外植体进行组织培养。 (4)通常,基因工程操作主要有4个步骤,即目的基因获取、重组表达载体的构 建、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定。因此,基因工程的 含义可概括为                 。 答案 　(1)受伤的　叶片伤口处的细胞释放出大量酚类物质,可吸引农杆菌移 向这些细胞 (2)甜蛋白基因　核基因组　(3)茎尖　(4)按照人们的愿望进行设计,并通过 体外重组和转基因等技术,赋予生物新的遗传特性,创造出符合人们需要的新 生物类型 解析 　(1)用农杆菌感染时,应优先选用黄瓜受伤的叶片与含重组质粒的农杆 菌共培养,理由是叶片伤口处的细胞释放出大量酚类物质,可吸引农杆菌移向 这些细胞。(2)若在转基因黄瓜中检测到这种甜蛋白,则表明该重组质粒中甜 蛋白基因已转移到植物细胞中且能够表达;用该转基因黄瓜的某一植株与一 株非转基因植株杂交,发现子代中含甜蛋白个体数与不含甜蛋白个体数之比 为1∶1,则说明甜蛋白基因已经整合到核基因组中。(3)假设某种转基因作物 因为受到病毒感染而减产,若要以该转基因作物为材料获得脱毒苗,应选用茎 尖作为外植体进行组织培养。(4)基因工程操作主要有4个步骤,即目的基因 获取、重组表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测 与鉴定。因此,基因工程的含义可概括为按照人们的愿望进行设计,并通过体 外重组和转基因等技术,赋予生物新的遗传特性,创造出符合人们需要的新生 物类型。 考点三　基因工程的应用和蛋白质工程 1.基因工程的应用 (1)植物基因工程:培育抗虫转基因植物、抗病转基因植物和抗逆转基因植 物;利用转基因改良植物的 　 品质      。 外源基因类型及举例 成果举例 抗虫转基 因植物 Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶 抑制剂基因、植物凝集素基因 抗虫水稻、抗虫棉、抗虫玉米 抗病转基 因植物 ①抗病毒基因:病毒外壳蛋白基因、病毒复制酶基因 ②抗真菌基因:几丁质酶基因、抗毒素合成基因 抗病毒烟草、抗病毒小麦、抗病毒番茄、抗病毒甜椒 抗逆转基 因植物 调节细胞渗透压基因、抗冻蛋白基因、抗除草剂基因 抗盐碱和抗干旱烟草、抗寒番茄、抗除草剂大豆和玉米 改良品质转 基因植物 提高必需氨基酸含量的蛋白质编码基因、控制番茄成熟的基因、与花青素代谢有关的基因 高赖氨酸玉米、耐储存番茄、新花色矮牵牛 (2)动物基因工程:提高动物 　 生长速度      ,从而提高产品产量;用于改善畜产品 品质;用转基因动物生产药物;用转基因动物作器官移植的 　 供体      等。 种类 目的基因 实例 提高生长速度的转基因动物 外源生长激素基因 转基因绵羊、转基因鲤鱼等 改善畜产品品质的转基因动物 肠乳糖酶基因 乳糖含量较少的乳汁 生产药物的转基因动物 药用蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件 乳腺生物反应器 作器官移植供体的转基因动物 抑制抗原决定基因表达的调节因子 无免疫排斥的转基因克隆猪 (3)基因工程药物 ①方式:利用基因工程培育“ 　 工程菌      ”来生产药品。 ②成果:利用“工程菌”可生产细胞因子、抗体、疫苗、激素等。 ③工程菌:使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系。 2.基因治疗 (1)概念:把正常基因导入病人体内,使该基因的表达产物发挥功能,从而达到 治疗疾病的目的。这是治疗遗传病最有效的手段。 (2)种类 ①体外基因治疗:培养某种病人细胞→体外基因转移→筛选成功转移的细胞 扩增培养→输入患者。 ②体内基因治疗:直接向人体组织细胞中转移基因的治疗方法。 3.蛋白质工程 (1)概念 项目 内容 崛起缘由 ①基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质 ②天然蛋白质不一定完全符合人类生产生活的需要 基础 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系 手段 基因修饰或基因合成 目的 对现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质,以满足人类生产生活的需要 原理 通过基因改造实现对蛋白质结构的设计改造 过程 预期的蛋白质功能→设计预期蛋白质结构→推测氨基酸序列→脱氧核苷酸序列(基因) (2)基本流程 4.基因工程和蛋白质工程比较 项目 蛋白质工程 基因工程 实质 定向改造或生产人类所需蛋白质 定向改造生物的遗传特性,以获得人类所需的生物类型或生物产品(基因的异体表达) 结果 生产自然界中没有的蛋白质 生产自然界中已有的蛋白质 联系 蛋白质工程是在基因工程的基础上延伸出来的第二代基因工程,因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质,需要通过基因修饰或基因合成实现,基因工程中所需酶也需要蛋白质工程进行修饰、改造以提高其功能 1. 将人的干扰素基因重组到质粒后导入大肠杆菌,获得能产生人干扰素的菌 株。   ( √ ) 2. 利用乳腺生物反应器能够获得一些重要的医药产品 , 如人的血清白蛋白 , 这 是因为将人的血清白蛋白基因导入了动物的乳腺细胞中。   ( ✕ ) 3. 由大肠杆菌工程菌获得人的干扰素后可直接应用。   ( ✕ ) 4. 蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质。   ( √ ) 5. 蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作 , 定向改变分子的 结构。   ( ✕ )   1.基因工程应用中的易错分析 (1)Bt毒蛋白基因编码的Bt毒蛋白并无毒性,进入昆虫消化道被分解成多肽后 才产生毒性。 (2)青霉素是诱变后的高产青霉菌产生的,不是通过基因工程改造的工程菌产 生的。 (3)动物基因工程主要是为了改善畜产品的品质,不是为了产生体型巨大的个体。 2. 蛋白质工程的操作过程 : 从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序 列→找到相对应的脱氧核苷酸序列 ( 基因 )→ 基因表达→产生需要的蛋白质。 考向一　考查基因工程的应用 1. 抗菌肽对治疗癌症有一定作用,如图表示抗菌肽的合成过程。下列相关说 法正确的是   (　 A 　) A.用PCR技术克隆目的基因不需要DNA解旋酶 B.基因表达载体包含起始密码子和终止密码子 C.用显微注射法导入基因表达载体 D.筛选菌种时用基因探针检测相关蛋白质 答案    A 　PCR技术中采用高温变性使DNA解旋,因此用PCR技术克隆目的 基因不需要DNA解旋酶,A正确;基因表达载体包含启动子和终止子,而起始 密码子和终止密码子在mRNA上,B错误;将基因表达载体导入酵母菌细胞时 应用感受态细胞法,C错误;筛选菌种时用基因探针检测相关基因或mRNA,不 能用基因探针检测蛋白质,D错误。 2. HIV属于逆转录病毒,是艾滋病的病原体。回答下列问题: (1)用基因工程方法制备HIV的某蛋白(目的蛋白)时,可先提取HIV中的 　     　     ,以其作为模板,在 　　　　　     的作用下合成 　　　     ,获取该目的蛋 白的基因,构建重组表达载体,随后导入受体细胞。 (2)从受体细胞中分离纯化出目的蛋白,该蛋白作为抗原注入机体后,刺激机 体产生的可与此蛋白结合的相应分泌蛋白是 　　　     ,该分泌蛋白可用于检 测受试者血清中的HIV,检测的原理是 　　　　　　　　　     。 (3)已知某种菌导致的肺炎在健康人群中罕见,但是在艾滋病患者中却多发。 引起这种现象的根本原因是HIV主要感染和破坏了患者的部分 　　　     细 胞,降低了患者免疫系统的防卫功能。 (4)人的免疫系统有 　　　　　     癌细胞的功能。艾滋病患者由于免疫功能 缺陷,易发生恶性肿瘤。 答案 　(1)RNA　逆转录酶　cDNA(或DNA)　(2)抗体　抗原、抗体特异性 结合　(3)T(或T淋巴)　(4)监控和清除 解析 　本题以HIV为题干背景,主要考查了逆转录病毒的遗传信息流动、人 体的免疫调节。(1)HIV属于逆转录病毒,要获取目的蛋白的基因,可先从HIV 中提取其RNA,再以其作为模板,在逆转录酶的作用下合成cDNA,此cDNA即 含有该目的蛋白的基因。(2)目的蛋白作为抗原注入机体后,可启动机体的体 液免疫,通过浆细胞产生抗体,而此抗体可与目的蛋白抗原结合。利用上述原 理可检测受试者血清中是否含有HIV。(3)HIV主要感染和破坏了艾滋病患 者的部分T细胞,降低了患者的体液免疫和细胞免疫功能。(4)人体的免疫系 统有监控和清除癌细胞的功能。 考向二　考查蛋白质工程的概念和过程 3. 某种微生物合成的蛋白酶与人体消化液中的蛋白酶的结构和功能很相似, 只是其热稳定性较差,进入人体后容易失效。现要将此酶开发成一种片剂,临 床治疗食物消化不良,最佳方案是       (　 A 　) A.替换此酶中的少数氨基酸,以改善其功能 B.将此酶与人蛋白酶进行拼接,形成新的蛋白酶 C.重新设计与创造一种蛋白酶 D.减少此酶在片剂中的含量 答案    A     要想使某种微生物合成的蛋白酶热稳定性有所提高,就要改变蛋 白质的结构,此类问题一般是对蛋白质中的个别氨基酸进行替换。 4. 已知生物体内有一种蛋白质(P),该蛋白质是一种转运蛋白,由305个氨基酸 组成。如果将P分子中第158位的丝氨酸变成亮氨酸,第240位的谷氨酰胺变 成苯丙氨酸,改变后的蛋白质(P 1 )不但保留P的功能,而且具有了酶的催化活 性。回答下列问题: (1)从上述资料可知,若要改变蛋白质的功能,可以考虑对蛋白质的 　　　     　　     进行改造。 (2)以P基因序列为基础,获得P 1 基因的途径有修饰      基因或合成 　　      基因。所获得的基因表达时是遵循中心法则的,中心法则的内容包括      的复制 ; 以及遗传信息在不同分子之间的流动 , 即 　　　　　 　　　　　　     。 (3)蛋白质工程也被称为第二代基因工程,其基本途径是从预期蛋白质功能出 发,通过 　　　　　　　　　     和 　　　　　　　　　     ,进而确定相对应的 脱氧核苷酸序列,据此获得基因,再经表达、纯化获得蛋白质,之后还需要对 蛋白质的生物 　　　     进行鉴定。 答案 　(1)氨基酸序列(或结构)(其他合理答案也可)　(2)P　P 1 　DNA和RNA (或遗传物质)　DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质(或转录、逆转 录、翻译)　(3)设计蛋白质的结构　推测氨基酸序列　功能 解析 　(1)蛋白质的功能与结构相关,若要改变蛋白质的功能,需要对其结构 进行改造。(2)确定目的基因的碱基序列后,可通过对现有基因进行改造或者 重新合成来获得目的基因。中心法则的内容包括DNA的复制、RNA的复 制、转录、逆转录和翻译。(3)蛋白质工程的基本途径是从预期蛋白质功能 出发,通过设计蛋白质的结构和推测氨基酸序列,进而确定相对应的脱氧核苷 酸序列。获得蛋白质之后要对蛋白质的生物功能进行鉴定。 考点四　PCR技术和DNA粗提取与鉴定 1.PCR技术 (1)PCR的含义:PCR是一项在 　 生物体外      复制特定DNA片段的核酸合成技术。 (2)目的:短时间内 　 大量扩增      目的基因。 (3)原理:DNA双链 　 复制      。 (4)前提:有一段 　 已知      目的基因的核苷酸序列作为PCR模板;引物 ; 　 热稳定      DNA聚合酶( Taq 酶);四种 　 脱氧核苷酸      。 (5)过程与结果 ①过程 ②结果:上述三步反应完成后,一个DNA分子就变成了 　 2      个DNA分子,随 着重复次数的增多,DNA分子就以 　 2 n      的形式增加。PCR的反应过程都是 在 　 DNA扩增仪      中完成的。 (6)DNA复制和PCR技术比较 项目 体内DNA复制 PCR技术 场所 主要在细胞核内 生物体外 酶 DNA聚合酶、解旋酶 热稳定DNA聚合酶( Taq 酶) 条件 模板、ATP、常温 模板、ATP、引物链、温度变化(90~95 ℃→55~60 ℃→70~75 ℃) 原料 四种脱氧核苷酸 四种脱氧核苷酸 特点 形成整个DNA分子,一个细胞周期只复制一次 短时间内形成含有大量目的基因的DNA片段 2.DNA的粗提取与鉴定 (1)原理 ①溶解度 DNA与蛋白质在不同浓度的 　 NaCl      溶液中溶解度不同。 DNA不溶于 　 酒精      。 ②DNA对酶、 　 高温      和 　 洗涤剂      的耐受性。 ③鉴定:DNA+ 　 二苯胺      试剂   　 蓝色      。 (2)操作流程 项目 2 mol/L NaCl溶液 0.14mol/L NaCl溶液 溶解规律 DNA 溶解 析出   蛋白质 部分发生盐析沉淀 溶解 NaCl溶液浓度从2 mol/L逐渐降低的过程中,溶解度逐渐增大 (3)DNA和蛋白质在不同NaCl溶液中溶解度的比较 (4)DNA的粗提取与鉴定中的“2、3、4”   加蒸馏 水2次 ①加到鸡血细胞液中,使血细胞吸水破裂 ②加到含DNA的2 mol/L的NaCl溶液中,使NaCl溶液的物质的量浓度下 降到0.14 mol/L,使DNA析出 用纱布 过滤3次 ①过滤血细胞破裂液,得到含细胞核物质的滤液 ②滤取0.14 mol/L的NaCl溶液中析出的DNA(黏稠物) ③过滤溶有DNA的2 mol/L的NaCl溶液 使用NaCl 溶液4次 ①加2 mol/L的NaCl溶液,溶解提取的细胞核物质 ②用0.14 mol/L的NaCl溶液使DNA析出 ③用2 mol/L的NaCl溶液,溶解滤取的DNA黏稠物 ④用2 mol/L的NaCl溶液,溶解丝状物用于鉴定DNA 1. 设计扩增目的基因的引物时不必考虑表达载体的序列。   ( ✕ ) 2. 用PCR方法扩增目的基因时不必知道基因的全部序列。( √ ) 3. PCR体系中一定要添加从受体细胞中提取的DNA聚合酶。   ( ✕ ) 4. 用不同浓度的NaCl溶液反复溶解与析出DNA可去除蛋白质。   ( √ ) 5. 提取DNA时,如果没有鸡血材料,可用猪血代替。   ( ✕ ) 6. 在 DNA 的粗提取与鉴定实验中 , 将丝状物溶解在 2 mol/L NaCl 溶液中 , 加入 二苯胺试剂即呈蓝色。   ( ✕ )   1.PCR技术中的易错分析 (1)本实验不能用哺乳动物成熟的红细胞作实验材料,原因是哺乳动物成熟的 红细胞无细胞核(无DNA)。可选用鸡血细胞作材料。 (2)加入洗涤剂后,动作要轻缓、柔和,否则容易产生大量的泡沫。加入酒精 和用玻璃棒搅拌时,动作要轻缓,以免加剧DNA分子的断裂,导致DNA分子不 能形成絮状沉淀。 (3)二苯胺试剂要现配现用,否则会影响鉴定的效果。 (4) 提取植物细胞的 DNA 时 , 加入的洗涤剂能溶解细胞膜 , 有利于 DNA 的释放 ; 加入食盐 ( 主要成分是 NaCl) 的目的是溶解 DNA 。 (5)在DNA进一步提纯时,选用冷却的95%的酒精的作用是溶解杂质和析出 DNA。 2.DNA的粗提取与鉴定中的易错分析 (1)DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同,在浓度为0.14 mol/L的NaCl溶 液中溶解度最低。 (2)DNA不溶于酒精溶液,但细胞中的某些蛋白质可溶于酒精,可利用冷却的 酒精对提取的DNA进行纯化。 (3)在沸水浴条件下,DNA遇二苯胺会被染成蓝色。 (4)哺乳动物成熟的红细胞不含细胞核,不能作为提取DNA的实验材料。若选 取肝脏细胞或植物细胞,则必须充分研磨。   考向一　考查PCR技术 1. PCR 是多聚酶链式反应的缩写 , 利用 PCR 技术可对目的基因进行扩增。请 根据下面 PCR 原理示意图回答有关问题 : (1)PCR的原理是 　　　　　　　　　　　　     。 (2)PCR技术使DNA解链是通过 　　　　　     实现的,DNA的这种解链现象 在一定条件下是 　　　　　     (填“可逆的”或“不可逆的”)。 (3)DNA解链后冷却的目的是      。 (4)当温度加热至70~75 ℃时,是 　　　　　　　　　     酶把单个脱氧核苷酸 通过 　　　　　     键连接到引物上。如此逐渐延伸形成互补链,进而使目的 基因加倍。 (5)通过重复循环过程,使目的基因以 　　　     形式扩增。 答案 　(1)DNA双链复制　(2)高温加热　可逆的　(3)让引物与互补DNA链 相结合　(4)热稳定DNA聚合　磷酸二酯　(5)指数 考向二　考查DNA的粗提取与鉴定 2.实验中对DNA进行鉴定时,做如下操作: 　　试管 序号　     A B 1 加2 mol/L的NaCl溶液5 mL 加2 mol/L的NaCl溶液5 mL 2 不加 加入提取的DNA丝状物并搅拌 3 加4 mL二苯胺,混匀 加4 mL二苯胺,混匀 4 沸水浴5分钟 沸水浴5分钟 实验现象             实验结论             (1)根据上图,完成表格空白处的实验内容。 (2)对于B试管,完成1、2、3的操作后溶液颜色如何变化? 　　　　　　　     　　　　　　     。 (3) 在沸水浴中加热的目的是 　　　　　　　　　     , 同时说明 DNA 对高温有 较强的 　　　　　　     。 (4)A 试管在实验中的作用是 　　　     。 (5)B 试管中溶液颜色的变化程度主要与 　　　　　　　　　　　　　　     　　　　　　　     有关。 答案 　(1)溶液不变蓝色　溶液逐渐变蓝色　DNA在沸水浴的情况下遇二苯 胺会被染成蓝色　(2)溶液颜色基本不变　(3)加快颜色反应速率　耐受性     (4)对照　(5)加入试管中的DNA(丝状物)的多少 解析     A、B两试管形成对照,B试管中含DNA丝状物,A试管中不含,起对照 作用,其他条件均完全相同。本实验强调反应条件是沸水浴加热5 min,这样 可加快颜色反应的速率,观察对比两试管的颜色时要等到冷却以后。 素养引领·情境命题 1. (2019北京理综,4,6分)甲、乙是严重危害某二倍体观赏植物的病害。研究 者先分别获得抗甲、乙的转基因植株,再将二者杂交后得到F 1 ,结合单倍体育 种技术,培育出同时抗甲、乙的植物新品种。以下对相关操作及结果的叙述, 错误的是   (　 D 　) A.将含有目的基因和标记基因的载体导入受体细胞 B.通过接种病原体对转基因的植株进行抗病性鉴定 C.调整培养基中植物激素比例获得F 1 花粉再生植株 D.经花粉离体培养获得的若干再生植株均为二倍体 答案    D　 基因工程中需将含有目的基因和标记基因的载体导入受体细胞, A正确;通过接种病原体,可在个体生物学水平上对转基因的植株进行抗病性 鉴定,B正确;在花粉离体培养过程中,生长素与细胞分裂素的比例影响脱分化 与再分化过程,调整培养基中生长素与细胞分裂素比例有利于获得F 1 花粉再 生植株,C正确;经花粉离体培养获得的若干再生植株均为单倍体,D错误。 2. (2019江苏,16,2分)下列生物技术操作对遗传物质的改造,不会遗传给子代 的是   (　 D 　) A.将胰岛素基因表达质粒转入大肠杆菌,筛选获得基因工程菌 B.将花青素代谢基因导入植物体细胞,经组培获得花色变异植株 C.将肠乳糖酶基因导入奶牛受精卵,培育出产低乳糖牛乳的奶牛 D.将腺苷酸脱氨酶基因转入淋巴细胞后回输患者,进行基因治疗 答案    D　 胰岛素基因表达质粒导入大肠杆菌,获得的工程菌可将胰岛素基 因遗传给子代,A不符合题意;B、C培育的转基因植物和转基因动物的每个细 胞均含有目的基因,后代可表现转基因性状,B、C不符合题意;将转入目的基 因的淋巴细胞回输患者体内后,患者的生殖细胞不含目的基因,故子代不表现 转基因性状,D符合题意。 3. (2019课标全国Ⅰ,38,15分)基因工程中可以通过PCR技术扩增目的基因。 回答下列问题。 (1)基因工程中所用的目的基因可以人工合成,也可以从基因文库中获得。基 因文库包括 　　　　　     和 　　　　　     。 (2)生物体细胞内的DNA复制开始时,解开DNA双链的酶是 　　　     。在体 外利用PCR技术扩增目的基因时,使反应体系中的模板DNA解链为单链的条 件是 　　　　　　　　     。上述两个解链过程的共同点是破坏了DNA双链 分子中的 　　　     。 (3)目前在PCR中使用 Taq 酶而不使用大肠杆菌DNA聚合酶的主要原因是      　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　     。 答案 　(1)基因组文库　cDNA文库 (2)解旋酶　加热至90~95 ℃　氢键 (3) Taq 酶热稳定性高,而大肠杆菌DNA聚合酶在高温下会失活 解析 　本题借助基因工程的相关知识,考查考生对生物学问题进行解释的能 力;通过PCR与体内DNA复制的比较,体现了科学思维中的分析与推断要素。 (1)基因文库包括基因组文库和cDNA文库。(2)体内DNA复制时,需用解旋酶 打开氢键使双链DNA解旋,而PCR扩增目的基因时,是借助高温加热至90~95 ℃使DNA变性解旋。(3)PCR体系中进行互补链的合成时,温度需控制在70~7 5 ℃,则应使用耐高温的DNA聚合酶,即 Taq 酶,而不能使用大肠杆菌DNA聚合 酶(高温下会失活)。 4. 利用基因工程技术生产羧酸酯酶(CarE)制剂,用于降解某种农药的残留,基 本流程如图。下列叙述正确的是   (　 D 　)   A.过程①的反应体系中需要加入逆转录酶和核糖核苷酸 B.过程②需使用限制酶和DNA聚合酶,是基因工程的核心步骤 C.过程③需要使用NaCl溶液制备感受态的大肠杆菌细胞 D.过程④可利用DNA分子杂交技术鉴定 CarE 基因是否成功导入受体细胞 答案    D　 过程①的反应体系中需要加入逆转录酶和脱氧核糖核苷酸来合 成cDNA,A选项错误;过程②需使用限制酶和DNA连接酶来构建表达载体,是 基因工程的核心步骤,B选项错误;过程③需要使用CaCl 2 溶液制备感受态的大 肠杆菌细胞,C选项错误。 5. 【不定项选择题】下列关于DNA重组技术基本工具的叙述,正确的是   (     AB 　) A.天然质粒需经过人工改造后才能作为载体 B.限制酶和DNA连接酶分别催化磷酸二酯键的水解和形成 C.不同限制酶切割DNA分子后产生的黏性末端不同 D.DNA连接酶能将单个脱氧核苷酸结合到引物上 答案    AB 　本题主要考查基因工程中基本工具的相关知识,意在考查科学 思维中的归纳、比较与运用。天然质粒不完全符合载体的要求,通常需经过 人工改造后才能作为载体,A正确;限制酶识别特定的核苷酸序列并在特定的 位点切割,使磷酸二酯键水解开来,DNA连接酶是通过形成磷酸二酯键将两 个DNA片段连接起来的,不能将单个脱氧核苷酸结合到某一DNA片段上,B正 确,D错误;不同限制酶切割DNA分子后产生的黏性末端有可能相同,C错误。 6. 某些糖尿病患者因胰岛B细胞被完全破坏,分泌胰岛素的功能丧失,需要通 过注射胰岛素来补充。目前,该类患者对胰岛素的需求量越来越大。回答下 列问题: (1)在利用基因工程大规模生产胰岛素时,将胰岛素合成基因与质粒重组后导 入大肠杆菌进行了表达。以上过程除了证明质粒可以作为载体外,还证明了 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　     。 (2)大肠杆菌常作为基因工程的受体菌,主要原因是 　　　　　　　　　　     　　     (写出一点即可)。基因工程中,不能将胰岛素合成基因直接导入大肠 杆菌,其原因是 　　　　　　　　　　　　　     。 (3)检测胰岛素合成基因是否导入受体菌时,常用 　　　　　　     作探针。 (4)胰岛素合成基因在大肠杆菌细胞内表达时,遗传信息的传递方向是 　　     　　　　　     。经检测,胰岛素合成基因的表达产物未能达到预期的生物活 性,导致这种差异的原因可能是表达产物未经 　　　　　　　     的加工。 答案 　(1)体外重组的质粒可以进入大肠杆菌,DNA是可转移的　(2)大肠杆 菌简单、遗传物质相对较少、繁殖速度快　胰岛素合成基因在大肠杆菌细 胞中不能稳定遗传和表达　(3)(放射性物质标记的)胰岛素合成基因(的一条 链)　(4)DNA→RNA→蛋白质　内质网、高尔基体 解析 　(1)在利用基因工程大规模生产胰岛素时,将胰岛素合成基因与质粒重 组后导入大肠杆菌进行了表达。以上过程除了证明质粒可以作为载体外,还 证明了体外重组的质粒可以进入大肠杆菌,DNA是可转移的。(2)由于原核生 物具有一些其他生物没有的特点:繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少 等,因此,早期的基因工程操作都用原核生物作为受体细胞,其中以大肠杆菌 应用最为广泛。基因工程中,不能将胰岛素合成基因直接导入大肠杆菌,胰岛 素合成基因是真核细胞具有的基因,而大肠杆菌属于原核细胞,胰岛素合成基 因在大肠杆菌细胞中不能稳定遗传和表达。(3)基因是有遗传效应的DNA片 段,检测胰岛素合成基因是否导入受体菌时,常用(放射性物质标记的)胰岛素 合成基因(的一条链)作探针。(4)基因的表达包括基因的转录和翻译,胰岛素 合成基因在大肠杆菌细胞内表达时,遗传信息的传递方向是DNA→RNA→蛋 白质。经检测,胰岛素合成基因的表达产物未能达到预期的生物活性,导致这 种差异的原因可能是大肠杆菌是原核生物,没有加工蛋白质所需要的内质网 和高尔基体。