【生物】2021届一轮复习人教版基因工程教案（湖北专用） 15页

第34讲　基因工程 课程内容 核心素养——提考能 ‎1.简述基因工程的诞生 ‎2.简述基因工程的原理及技术(含PCR技术)‎ ‎3.举例说明基因工程的应用 ‎4.简述蛋白质工程 ‎5.实验：DNA的粗提取与鉴定。‎ 生命观念 基因的结构决定其功能 科学思维 建立基因工程的操作流程模型 科学探究 蛋白质工程的应用，DNA的粗提取与鉴定 社会责任 基因工程在生产实践中的应用，防止基因污染，保护环境 考点一　基因工程的基本工具及操作过程 ‎1.基因工程的概念 ‎2.基因工程的基本工具 ‎(1)限制酶 ‎(2)DNA连接酶 ‎①作用：将限制酶切割下来的DNA片段拼接成DNA分子。‎ ‎②类型 常用类型 E·coli DNA连接酶 T4 DNA连接酶 来源 大肠杆菌 T4噬菌体 功能 只“缝合”黏性末端 ‎“缝合”黏性末端和平末端 结果 恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键 ‎(3)载体 ‎①‎ ‎②其他载体：λ噬菌体衍生物、动植物病毒等。‎ ‎③载体的作用：携带外源DNA片段进入受体细胞。‎ ‎3.基因工程的基本操作程序 ‎1.基因组文库与cDNA文库的比较 文库类型 cDNA文库 基因组文库 构建基因文库的过程 ‎　　‎ ‎　　‎ 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.农杆菌转化法原理 植物受损伤时伤口处分泌物可吸引农杆菌→农杆菌中Ti质粒上的T－DNA可转移至受体细胞并整合到受体细胞染色体DNA上(若将目的基因插入到Ti质粒的T－DNA上，则目的基因将被一起带入)。‎ ‎3.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且致病；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。‎ ‎4.与DNA相关的五种酶的比较 名称 作用部位 作用结果 限制酶 磷酸二酯键 将DNA切成两个片段 DNA连接酶 磷酸二酯键 将两个DNA片段连接为一个DNA分子 DNA聚合酶 磷酯二酯键 将单个脱氧核苷酸依次连接到单链末端 DNA(水解)酶 磷酸二酯键 将DNA片段水解为单个脱氧核苷酸 解旋酶 碱基对之间的氢键 将双链DNA分子解旋为单链，形成两条长链 ‎1.(人教版选修三P4“寻根问底”)限制酶为何不切割自身DNA？‎ 提示　限制酶具有特异性，即一种限制酶一般只能识别一种特定的碱基序列，并在特定的位点上进行切割；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。‎ ‎2.(人教版选修三P11“内文”)基因工程操作步骤中都涉及到碱基互补配对吗？‎ 提示　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)没有碱基互补配对现象。第一步用PCR或人工合成法合成DNA过程中存在碱基互补配对，第二步黏性末端连接时存在碱基互补配对，第四步DNA分子杂交及基因表达时存在碱基互补配对。‎ ‎1.(人教版选修三P2“内文”)1944年，艾弗里等人通过不同类型肺炎双球菌的转化实验，不仅证明了生物的遗传物质是DNA，还证明了DNA可以从一种生物个体转移到另一种生物个体。艾弗里等人的工作可以说是基因工程的先导。‎ ‎2.(人教版选修三P12“生物技术资料卡”)基因枪法是利用压缩气体产生的动力，将包裹在金属颗粒表面的表达载体DNA打入受体细胞中，使目的基因与其整合并表达的方法。常用的金属颗粒有钨粉粒子和金粉粒子，这是单子叶植物中常用的一种基因转化方法，但是成本较高。‎ ‎1.(2018·全国卷Ⅰ，38)回答下列问题：‎ ‎(1)博耶(H.Boyer)和科恩(S.Cohen)将非洲爪蟾核糖体蛋白基因与质粒重组后导入大肠杆菌细胞中进行了表达。该研究除证明了质粒可以作为载体外，还证明了　　　　(答出两点即可)。‎ ‎(2)体外重组的质粒可通过Ca2＋参与的　　　　方法导入大肠杆菌细胞；而体外重组的噬菌体DNA通常需与　　　　组装成完整噬菌体后，才能通过侵染的方法将重组的噬菌体DNA导入宿主细胞。在细菌、心肌细胞、叶肉细胞中，可作为重组噬菌体宿主细胞的是　　　　。‎ ‎(3)真核生物基因(目的基因)在大肠杆菌细胞内表达时，表达出的蛋白质可能会被降解。为防止蛋白质被降解，在实验中应选用　　　　的大肠杆菌作为受体细胞，在蛋白质纯化的过程中应添加　　　　的抑制剂。‎ 解析　(1)两位科学家将非洲爪蟾核糖体蛋白基因与质粒重组后导入大肠杆菌细胞中并进行了表达，因此，该研究可以证明：质粒可以作为载体，真核细胞的基因在原核细胞中也可以表达(不同生物共用一套密码子)、体外重组的质粒可以进入受体细胞等。(2)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，将质粒导入大肠杆菌时，常用的转化方法是：首先用Ca2＋处理大肠杆菌细胞，使其成为感受态细胞。噬菌体DNA没有侵染能力，体外重组的噬菌体DNA通常需与外壳蛋白组装成完整噬菌体才能完成侵染过程。噬菌体多寄生在细菌中，但不能寄生在心肌细胞和叶肉细胞中。(3)若要使蛋白质不被降解，则大肠杆菌体内不能存在蛋白酶，因此，实验中应选用蛋白酶缺陷型的大肠杆菌作为受体细胞。同理，在蛋白质纯化过程中，也不能使蛋白质降解，因此，应添加蛋白酶抑制剂。‎ 答案　(1)体外重组的质粒可以进入受体细胞；真核生物基因可在原核细胞中表达　(2)转化　外壳蛋白(或答噬菌体蛋白)　细菌　(3)蛋白酶缺陷型　蛋白酶 ‎2.(2018·4月浙江选考节选)回答与基因工程和植物克隆有关的问题：‎ ‎(1)将含某抗虫基因的载体和含卡那霉素抗性基因的载体pBI121均用限制性核酸内切酶EcoRⅠ酶切，在切口处形成　　　　　　。选取含抗虫基因的DNA片段与切割后的pBI121用DNA连接酶连接，在两个片段相邻处形成　　　　　　‎ ‎，获得重组质粒。‎ ‎(2)已知用CaCl2处理细菌，会改变其某些生理状态。取CaCl2处理过的农杆菌与重组质粒在离心管内进行混合等操作，使重组质粒进入农杆菌，完成　　　　实验。在离心管中加入液体培养基，置于摇床慢速培养一段时间，其目的是_____________________________________________________________________，‎ 从而表达卡那霉素抗性基因，并大量增殖。‎ 解析　(1)构建重组质粒时限制性核酸内切酶EcoRⅠ剪切得到的是粘性末端，DNA连接酶连接两个DNA片段之间形成的是磷酸二酯键。‎ ‎(2)目的基因导入植物细胞常用农杆菌转化法。用Ca2＋处理细菌以增加细菌细胞壁的通透性，让其成为感受态细胞，以利于重组质粒导入。‎ 答案　(1)黏性末端　磷酸二酯键 ‎(2)转化　使CaCl2处理过的农杆菌恢复细胞的正常状态 考点二　基因工程的应用及蛋白质工程 ‎1.基因工程的应用 ‎(1)动物基因工程：用于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。‎ ‎(2)植物基因工程：培育抗虫转基因植物(如抗虫棉)、抗病转基因植物(如转基因烟草)和抗逆转基因植物(如抗寒番茄)；利用转基因改良植物的品质(如新花色矮牵牛)。‎ ‎2.基因诊断与基因治疗 ‎(1)基因诊断：又称为DNA诊断，是采用基因检测的方法来判断患者是否出现了基因异常或携带病原体。‎ ‎(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。‎ ‎②成果：将腺苷酸脱氨酶基因转入取自患者的淋巴细胞中，使淋巴细胞能产生腺苷酸脱氨酶，然后，再将这种淋巴细胞转入患者体内，从而治疗复合型免疫缺陷症。‎ ‎3.蛋白质工程 ‎(1)概念理解 ‎(2)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。其流程图如下：‎ ‎4.基因工程和蛋白质工程的比较 项目 基因工程 蛋白质工程 区别 操作环境(场所)‎ 生物体外 生物体外 操作核心 基因 基因 操作起点 目的基因 预期的蛋白质功能 基本过程 剪切→拼接→导入→表达 预期蛋白质功能→设计预期蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→推测对应的脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达蛋白质 实质 定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需要的生物类型或生物产品(基因的异体表达)‎ 定向改造或生产人类所需的蛋白质 结果 生产自然界已存在的蛋白质 可以创造出自然界不存在的蛋白质 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，必须通过基因修饰或基因合成实现 ‎1.(人教版选修三P26“旁栏小资料”)蛋白质工程中为什么通过对基因操作来实现对天然蛋白质的改造？‎ 提示　①蛋白质具有十分复杂的空间结构，基因的结构相对简单，容易改造；②改造后的基因可以遗传给下一代，被改造的蛋白质无法遗传。‎ ‎2.(人教版选修三P19“内文”拓展)将目的基因导入受体细胞时，能否仅把目的基因整合到线粒体DNA或叶绿体DNA上？为什么？‎ 提示　一般不能。如果仅把目的基因整合到线粒体DNA或叶绿体DNA上，由于细胞分裂可能导致目的基因丢失，无法稳定遗传。‎ ‎1.(2018·全国卷Ⅱ，38)某种荧光蛋白(GFP)在紫外光或蓝光激发下会发出绿色荧光，这一特性可用于检测细胞中目的基因的表达。某科研团队将某种病毒的外壳蛋白(L1)基因连接在GFP基因的5′末端，获得了L1－GFP融合基因(简称为甲)，并将其插入质粒P0，构建了真核表达载体P1，其部分结构和酶切位点的示意图如下，图中E1～E4四种限制酶产生的黏性末端各不相同。‎ 回答下列问题：‎ ‎(1)据图推断，该团队在将甲插入质粒P0时，使用了两种限制酶，这两种酶是　　　　。使用这两种酶进行酶切是为了保证　　　　，也是为了保证　　　　。‎ ‎(2)将P1转入体外培养的牛皮肤细胞后，若在该细胞中观察到了绿色荧光，则说明L1基因在牛的皮肤细胞中完成了　　　　和　　　　过程。‎ ‎(3)为了获得含有甲的牛，该团队需要做的工作包括：将能够产生绿色荧光细胞的　　　　移入牛的　　　　中、体外培养、胚胎移植等。‎ ‎(4)‎ 为了检测甲是否存在于克隆牛的不同组织细胞中，某同学用PCR方法进行鉴定，在鉴定时应分别以该牛不同组织细胞中的　　　　(填“mRNA”“总RNA”或“核DNA”)作为PCR模板。‎ 解析　(1)据图示信息分析：将L1－GFP融合基因(甲)插入质粒时使用酶E1和E4进行酶切，既能保证L1－GFP融合基因的完整，又能保证L1－GFP融合基因与载体的正确连接。(2)目的基因在受体细胞中的表达包括转录和翻译两个过程。‎ ‎(3)将体外培养的含有目的基因的动物体细胞核移入该动物的去核卵母细胞中，经过体外胚胎培养、胚胎移植等技术可获得转基因动物。(4)检测目的基因是否存在于克隆牛的不同组织细胞中，采用PCR技术鉴定时，应以该牛不同组织细胞中的核DNA作为PCR模板。‎ 答案　(1)E1和E4　甲的完整　甲与载体正确连接 ‎(2)转录　翻译 ‎(3)细胞核　去核卵母细胞 ‎(4)核DNA ‎2.(2019·太原市模拟)基因疗法所涉及的基因工程技术主要有三种，包括病毒载体，基因(编辑)和细胞改造。请回答：‎ ‎(1)第一种是将　　　　通过载体送入目标细胞让其发挥作用。该技术用来传递基因的载体多是病毒类载体，因为它们能　　　　　　　　　　　　　　　　。经过基因改造后，这些作为载体的病毒具有　　　　　　　　　　　　　　　　的特点。‎ ‎(2)第二种是直接通过基因(编辑)技术修复目标细胞的　　　　，基因(编辑)技术可以达到添加基因、消除基因或者　　　　　　的效果。‎ ‎(3)第三种则是从患者体内提取细胞，在体外进行修改然后再重新输回患者体内发挥作用。例如，对造血干细胞进行基因工程改造让其制造内源性的凝血因子，从理论上说能持续缓解血友病症状，而不需　　　　治疗。基因治疗进入了一个兼具安全性和有效性的时代。但你认为这个领域中的问题是_____________________‎ ‎_____________________________________________________________________。‎ 解析　(1)可以通过载体将目的基因导入受体细胞。病毒类载体能将目的基因转移到宿主细胞，且改造后的病毒载体对宿主无感染性无毒性，不会对宿主细胞造成伤害。(2)基因(编辑)‎ 技术可以修复目标细胞的缺陷基因，从而达到添加基因、消除基因或矫正缺陷基因的效果。(3)血友病患者缺少凝血因子，需要输入血小板或凝血酶等进行治疗，而基因工程可以改造造血干细胞的相关基因，使其能够产生正常凝血功能。基因治疗存在载体的遗传毒性、基因递送和编辑的效率较低等问题。‎ 答案　(1)目的基因　将基因整合进宿主的DNA分子　将目的基因转移到宿主细胞中且无毒性(或载体无法增殖或无感染性)‎ ‎(2)缺陷基因　矫正缺陷基因 ‎(3)输凝血酶(或输血小板或输凝血因子)　载体的遗传毒性(或者基因编辑的脱靶效应或者基因递送和编辑的效率低)‎ 考点三　PCR技术与DNA的粗提取与鉴定 ‎1.PCR技术 ‎(1)原理：DNA双链复制 ‎(2)条件：引物、DNA模板、Taq酶、四种脱氧核苷酸。‎ ‎(3)PCR反应过程 过程 说明 图解 变性 当温度上升到90 ℃以上时，双链DNA解聚为单链 复性 温度下降到50 ℃左右，两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合 延伸 ‎72 ℃左右时，Taq酶有最大活性，可使DNA新链由5′端向3′端延伸 ‎(4)结果： 上述三步反应完成后，一个DNA分子就变成了两个DNA分子 ，随着重复次数的增多，DNA分子就以2n的形式增加。PCR的反应过程都是在PCR扩增仪中完成的。‎ ‎(5)细胞内DNA复制与PCR技术的比较 细胞内DNA复制 PCR 不同点 解旋 在DNA解旋酶作用下，边解旋边复制 ‎90～95 ℃高温解旋，双链完全分开 酶 DNA解旋酶、DNA聚合酶 TaqDNA聚合酶 引物 RNA DNA或RNA 温度 体内温和条件 高温 相同点 ‎①需提供DNA复制的模板 ‎②四种脱氧核苷酸为原料 ‎③子链延伸的方向都是从5′端到3′端 ‎(6)PCR技术中的引物 ‎①含义：引物是一小段单链DNA或RNA分子。②作用：为DNA聚合酶提供合成的3′端起点。③种类：扩增一个DNA分子需要2种引物。④数目：引物数目等于新合成的DNA子链数目。⑤与DNA母链的关系：两种引物分别与DNA母链的3′端通过碱基互补配对结合。‎ ‎2.DNA的粗提取与鉴定 ‎(1)实验原理 ‎(2)操作流程 ‎(1)为什么加入蒸馏水能使鸡血细胞破裂？‎ 提示　蒸馏水对于鸡血细胞来说是一种低渗液体，水分可以大量进入血细胞内，使血细胞破裂，再加上搅拌的机械作用，就加速了鸡血细胞的破裂(细胞膜和核膜的破裂)，从而释放出DNA。‎ ‎(2)若用植物细胞提取DNA需加入洗涤剂和食盐，其作用是什么？‎ 提示　洗涤剂是一些离子去污剂，能溶解细胞膜，有利于DNA的释放；食盐的主要成分是NaCl，有利于DNA的溶解。‎ ‎(3)为什么反复地溶解与析出DNA，能够去除杂质？‎ 提示　用高盐浓度的溶液溶解DNA，能除去在高盐中不能溶解的杂质；用低盐浓度使DNA析出，能除去溶解在低盐溶液中的杂质。因此，通过反复溶解与析出DNA，就能够除去与DNA溶解度不同的多种杂质。‎ ‎1.图1、2分别为“DNA的粗提取与鉴定”实验中部分操作步骤示意图，下列叙述错误的是(　　)‎ A.图1、2中加入蒸馏水稀释的目的相同 B.图1中完成过滤之后保留滤液 C.图2中完成过滤之后弃去滤液 D.在图1鸡血细胞液中加入少许嫩肉粉有助于去除杂质 解析　A项错，图1、2‎ ‎ 中加入蒸馏水稀释的目的分别是破碎细胞获取含DNA的滤液；稀释NaCl溶液，析出DNA；B项对，图1 过滤之后保留滤液，因滤液中含DNA；C项对，图2过滤之后弃去滤液，因DNA已析出；D项对，嫩肉粉中的蛋白酶可对蛋白质进行水解。‎ 答案　A ‎2.请分析回答下列关于培育转基因小鼠的问题。‎ ‎(1)PCR技术利用了　　　　原理解决了打开DNA双链的问题，从一种Taq细菌中分离到　　　　，解决了DNA聚合酶失活的新问题。‎ ‎(2)利用PCR技术从基因文库中提取目的基因时，首先要根据目的基因的核苷酸序列设计并合成出　　　　。在第　　　　轮开始出现目的基因片段。‎ ‎(3)获取小鼠受精卵时，将雌鼠注射促性腺激素的目的是　　　　　　　　　　。‎ 然后从雌鼠　　　　中取出卵子，在一定条件下培养成熟；并从雄鼠附睾中取出精子，在一定条件下培养一段时间，目的是________________________________。‎ ‎(4)将外源基因导入小鼠受精卵后，外源基因会随机插入到小鼠受精卵DNA中。这种受精卵有的可发育成转基因小鼠，有的却死亡。请分析因外源基因插入导致受精卵死亡的最可能原因_______________________________________________。‎ 答案　(1)DNA的热变性　热稳定的DNA聚合酶(或Taq酶)‎ ‎(2)两种引物　三 ‎(3)促进排卵(或超数排卵)　输卵管　使精子获能 ‎(4)外源基因的插入使受精卵内生命活动必需的某些基因不能正常表达 澄清易错易混·强化科学思维 ‎[易错易混]‎ 易错点1　目的基因的插入不是“随意”的 点拨　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，若目的基因插入到启动子内部，启动子将失去原功能。‎ 易错点2　启动子≠起始密码子，终止子≠终止密码子，对标记基因作用不明确 点拨　(1)启动子：一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端。它是RNA聚合酶识别、结合的部位。‎ ‎(2)‎ 终止子：一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的尾端。作用是使转录过程停止。‎ ‎(3)起始密码子和终止密码子位于mRNA上，分别控制翻译过程的启动和终止。‎ ‎(4)标记基因：一般为抗生素抗性基因或荧光基因等，其作用是鉴别受体细胞中是否含有目的基因(目的基因是否导入成功)，从而将含目的基因的细胞筛选出来。‎ 易错点3　切取目的基因与切取载体时并非“只能”使用“同一种酶”‎ 点拨　(1)在获取目的基因和切割载体时通常用同种限制酶，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时，在DNA连接酶的作用下目的基因与载体也可以连接起来。‎ ‎(2)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目的基因和载体，使目的基因两侧及载体上具有两个不同的黏性末端。‎ 易错点4　基因工程并非可导致产生“新基因”或“新蛋白质”‎ 点拨　基因工程的实质是“基因重组”，它是将外源基因导入受体细胞，使该基因在受体细胞中表达——由于“外源基因”是自然界已存在的“现成”基因，故基因工程并未产生新基因，由此目的基因表达时也未产生新蛋白质，基因工程只不过是让受体细胞(或生物)“实现了外源基因的表达”。‎ ‎[规范答题]‎ 下表中列出了几种限制性核酸内切酶识别序列及其切割位点，图1、图2中箭头表示相关限制性核酸内切酶的酶切位点。请回答下列问题：‎ ‎(1)一个图1所示的质粒分子经SmaⅠ切割前后，分别含有几个游离的磷酸基团？　　　　。‎ ‎(2)组建理想的载体需要对天然的质粒进行改造，人工改造质粒时，要使目的基因能成功表达，还应插入　　　　。若对图中质粒进行改造，插入的SmaⅠ酶切位点越多，质粒的热稳定性越低还是越高？__________________________________。‎ ‎(3)用图中的质粒和外源DNA构建重组质粒，能否使用Sma Ⅰ切割？为什么？_____________________________________________________________________。‎ ‎(4)构建重组质粒时能否使用BamHⅠ和Hind Ⅲ两种限制酶同时处理质粒、外源DNA？　　　　 ，理由是______________________________________________。‎ ‎(5)重组质粒中抗生素抗性基因的作用是为了______________________________。‎ 答卷采样 错因分析 考虑问题不全面，没有认真分析题中的图示质粒。‎ 正确答案是：启动子和终止子。‎ 思维定势，理解错误，误认为构建重组质粒时只能使用同一种限制酶切割。‎ 正确答案是：能，可以阻止质粒和含目的基因的外源DNA片段自身环化。‎