1、DNA重组技术的基本工具(20分钟50分)1.(12分)(2018北京高二检测)酵母菌的维生素、蛋白质含量高,可用于生产食品和药品等。科学家将大麦细胞中的LTP1基因植入啤酒酵母菌中,获得的啤酒酵母菌可产生LTP1蛋白,并酿出泡沫丰富的啤酒。基本的操作过程如图:(1)该技术定向改变了酵母菌的性状,其遗传学原理是_。该技术又称为_或_。(2)本操作中为了将LTP1基因导入酵母菌细胞内,所用的载体是_。(3)要使载体与LTP1基因连接,首先应使用_进行切割。(4)切割完成后,利用_将载体与LTP1基因连接。【解题指南】解答本题的关键是掌握基因工程的四个步骤,确定图中a、b、c代表的物质或步骤名称。
2、【解析】分析题图,图示表示将LTP1基因植入啤酒酵母菌中,使其产生LTP1蛋白,酿出泡沫丰富的啤酒的过程。图中a为获取目的基因的过程,b为质粒,c为基因表达载体(重组质粒)。(1)图示技术称为转基因技术、DNA重组技术或基因拼接技术,它实现了不同物种之间的基因重组,能定向地改造某种生物的性状。(2)图中的载体为质粒。(3)要使目的基因与载体连接,需用同一种限制酶切割载体和含目的基因的DNA分子,使它们具有相同的黏性末端。(4)当用限制酶切割以后,可采用DNA连接酶将载体与目的基因连接,连接后得到的DNA分子称为重组DNA分子。答案:(1)基因重组基因拼接技术DNA重组技术(2)质粒(3)限制性
3、核酸内切酶(4)DNA连接酶【补偿训练】下图为某基因工程中利用的质粒简图,小箭头所指分别为限制酶EcoR、BamH的酶切位点,Ampr为青霉素(抗生素)抗性基因,Tetr为四环素(抗生素)抗性基因,P为启动子,T为终止子,ori为复制原点。已知目的基因的两端分别有包括EcoR、BamH在内的多种酶的酶切位点。据图回答下列问题:(1)在基因工程中常用的工具有三种:一是用作切取DNA分子的_;二是将目的基因与载体拼接的_;三是作为载体的质粒。(2)将含有目的基因的DNA与经特定的酶切后的载体(质粒)进行拼接形成重组DNA,理论上讲,重组DNA可能有“_”“_”“_”三种,其中有效的(所需要的)重组
4、DNA是_。因此需要对这些拼接产物进行分离提纯。(3)利用图示的质粒拼接形成的三种拼接产物(重组DNA)与无任何抗药性的原核宿主细胞接种到含四环素的培养基中,能生长的原核宿主细胞所含有的拼接产物(重组DNA)是_。 【解析】(1)在基因工程中常用的工具有三种:一是用于切取DNA分子的限制性核酸内切酶(限制酶),二是将目的基因与载体连接的DNA连接酶,三是作为载体的质粒。(2)用同一种限制酶将含有目的基因的DNA和质粒分别切开,产生的黏性末端相同,进行拼接形成的重组DNA,理论上讲,可能有目的基因目的基因、目的基因载体和载体载体三种。其中人们所需要的重组DNA是目的基因载体。(3)由图可以看出两
5、种限制酶的酶切位点都在四环素抗性基因中,两种限制酶都能破坏四环素抗性基因,因此用该质粒拼接形成的三种拼接产物(重组DNA)与无任何抗药性的原核宿主细胞接种到含四环素的培养基中,能生长的原核宿主细胞所含有的拼接产物应是载体载体(仍有四环素抗性基因)。答案:(1)限制酶(限制性核酸内切酶)DNA连接酶(2)目的基因目的基因目的基因载体载体载体目的基因载体(3)载体载体2.(18分)通过DNA重组技术使原有基因得以改造的动物称为转基因动物。运用这一技术可以使羊奶中含有人体蛋白质,下图表示了这一技术的基本过程,在该技术中所用的基因“剪刀”能识别的序列和切点是GGATCC,请回答下列问题。(1)从羊染色
6、体中“剪下”羊蛋白质基因的酶是_。人体蛋白质基因“插入”后连接在羊体细胞染色体中时需要的酶是_。 (2)请补全质粒被切割形成黏性末端的过程图。 (3)人体蛋白质基因之所以能“插入”羊的染色体内,原因是_,“插入”时用的工具是_,其种类有_。【解题指南】解答本题有两个关键点:(1)需要对限制酶识别序列在DNA分子上的具体存在状况充分了解。(2)要明确基因工程中不同生物的DNA之所以能够重组,原因是不同生物的DNA组成、结构是相同的。【解析】基因工程所用的工具酶是限制酶和DNA连接酶,不同生物的基因之所以能整合在一起,是因为基因的组成、碱基配对方式和空间结构是相同的。将目的基因导入受体细胞,离不开
7、载体的协助,基因工程中使用的载体除质粒外,还有动植物病毒、噬菌体的衍生物等。答案:(1)限制酶DNA连接酶 (3)基因的组成、碱基配对方式和空间结构是相同的 载体 质粒、动植物病毒、噬菌体的衍生物等【补偿训练】 (2018上海高二检测)利用大肠杆菌作为工程菌生产人胰岛素,图甲中的三个DNA片段表示EcoR、BamH和Sau3A三种限制性内切酶的识别序列与切割位点,图乙为质粒示意图(载体上的EcoR、Sau3A的切点是唯一的)。(1)质粒载体作为基因工程的工具,应具备的基本条件有_ _。(2)可以从下列哪些人体细胞中获取生产人胰岛素的目的基因_(多选)。A.消化道黏膜上皮细胞B.胰岛A细胞C.胰
8、岛B细胞D.造血干细胞(3)经BamH酶切割得到的目的基因可以与图乙被_酶切后的产物连接,理由是_。(4)已知图乙所示质粒经EcoR和Sau3A联合酶切后形成2.0 kb和4.2 kb(1 kb=1 000对碱基)两种DNA片段。若将0.8 kb的单个基因插在质粒的Sau3A位点处,所形成的重组质粒用EcoR和Sau3A联合酶切后,能形成的DNA片段分别为_kb。A.2.82.02.2B.1.82.02.2C.4.01.81.0D.2.00.84.2【解题指南】本题考查质粒特点的识记、限制酶作用特点等。据图分析,图甲中三种限制酶的识别和切割位点不同,但是BamH和Sau3A切割后形成的黏性末端
9、相同,可以用DNA连接酶连接。【解析】(1)质粒作为载体,应具备的基本条件有:能自我复制、具有标记基因、能启动外源目的基因的转录和翻译、含有多个酶切位点等。(2)消化道黏膜上皮细胞、胰岛A细胞、胰岛B细胞、造血干细胞都是由受精卵增殖分化而来的,遗传物质不变,都可以提取出人胰岛素基因。 (3)分析图解可知,限制酶Sau3A和BamH酶切割后形成的黏性末端相同,因此经BamH 酶切割得到的目的基因可以与图乙被Sau3A酶切后的产物连接。(4)若将0.8 kb的单个基因插在质粒的Sau3A 位点处,所形成的重组质粒中含有2个Sau3A切割位点和1个EcoR切割位点,因此重组质粒用EcoR和Sau3A
10、联合酶切后,能形成的DNA片段分别为4.2 kb、0.8 kb、2.0kb。答案:(1)能自我复制、具有标记基因、能启动外源目的基因的转录和翻译、含有多个酶切位点(2)A、B、C、D(3)Sau3ASau3A与BamH切割后形成的黏性末端相同(4)D3.(20分)图1表示含有目的基因D的DNA片段长度(bp即碱基对)和部分碱基序列,图2表示一种质粒的结构和部分碱基序列。现有Msp、BamH、Mbo、Sma 4种限制性核酸内切酶切割的碱基序列和酶切位点分别为CCGG、GGATCC、GATC、CCCGGG。请回答下列问题: (1)图1的一条脱氧核苷酸链中相邻两个碱基之间依次由_连接。(2)若用限制
11、酶Sma完全切割图1中DNA片段,产生的末端是_末端,其产物长度为_。(3)若图1中虚线方框内的碱基对被T-A碱基对替换,那么基因D就突变为基因d。从杂合子分离出图1及其对应的DNA片段,用限制酶Sma完全切割,产物中共有_种不同DNA片段。(4)若将图2中质粒和目的基因D通过同种限制酶处理后进行拼接,形成重组质粒,那么应选用的限制酶是_。在导入重组质粒后,为了筛选出含重组质粒的大肠杆菌,一般需要用添加_的培养基进行培养。经检测,部分含有重组质粒的大肠杆菌菌株中目的基因D不能正确表达,其最可能的原因是_。【解析】(1)DNA单链中相邻两个碱基之间通过“-脱氧核糖-磷酸-脱氧核糖-”连接。(2)
12、Sma识别的序列为CCCGGG,切割后会产生平末端;图1所示的DNA分子中含有两个Sma的识别位点,第一个识别位点在左端534bp序列向右3个碱基对的位置;第二个识别位点在右端658bp序列向左3个碱基对的位置,从这两个位点切割后产生的DNA片段长度分别为537bp、790bp和661bp。(3)在杂合子体内含有基因D和基因d,基因D的序列中含有两个Sma识别位点,经过Sma完全切割会产生537bp、790bp和661bp 3种不同长度的片段,基因d的序列中含有一个Sma识别位点,经过切割后会产生1 327bp和 661bp两种长度的片段,因此,从杂合子中分离到该基因的DNA片段经过切割后会产
13、生4种不同长度的片段。(4)能够获取目的基因并切开质粒的限制酶有识别序列为GGATCC的BamH和识别序列为GATC的Mbo,若使用Mbo 会同时破坏质粒中的抗生素A抗性基因和抗生素B抗性基因,所以要用BamH 来切割目的基因和质粒,切割后保留了完整的抗生素B抗性基因,便于筛选出含有重组质粒的大肠杆菌。因为目的基因和载体是用同种限制酶切割的,目的基因两端的末端和质粒切割后的两个末端都能进行互补,可能出现目的基因反向连接在载体上的情况,导致基因D不能正确表达。答案:(1)脱氧核糖、磷酸、脱氧核糖 (2)平537bp、790bp、661bp(3)4(4)BamH抗生素B同种限制酶切割形成的末端相同,部分目的基因D与质粒反向连接