1、基因工程(30分钟100分)1.(16分)获得目的基因。该方法的操作过程如图所示,请回答下列相关问题:(1)图中加热处理的目的是获得_,利用PCR技术对DNA分子进行扩增时,需要的条件有_(至少写出三点)。(2)一个mRNA分子上可以相继结合多个核糖体(即多聚核糖体的存在),其意义是_。(3)mRNA与单链DNA分子杂交的原理是_;分子杂交形成游离的凸环3、5、7的原因之一是DNA中含有_,这些非编码DNA片段被转录后在mRNA加工过程中会被剪切掉。与DNA复制相比,DNA与mRNA分子杂交特有的碱基配对类型是_。(4)在基因工程中,构建的表达载体除应含有复制原点、目的基因以及标记基因之外,必
2、须含有_和启动子,其中启动子的作用是_。【解析】(1)图中对DNA片段加热处理是为了破坏氢键,获得DNA单链,利用PCR技术对DNA分子进行扩增时,需要模板DNA,四种游离的脱氧核苷酸作原料,两种引物,耐高温的DNA聚合酶等。(2)一个mRNA分子上可以相继结合多个核糖体,每个核糖体可以单独合成一条肽链,这样少量的mRNA就可以迅速合成大量的蛋白质。(3)从多聚核糖体上获得的mRNA与单链DNA分子之间根据碱基互补配对实现杂交;由于DNA中含有内含子序列,mRNA上无内含子对应的序列,故分子杂交会形成游离的凸环3、5、7。与DNA复制(A-T、T-A、C-G、G-C)相比,DNA与mRNA分子
3、杂交(A-U、T-A、C-G、G-C)特有的碱基配对类型是A-U。(4)基因表达载体中启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位,驱动基因转录。答案:(1)DNA单链热稳定DNA聚合酶(或Taq酶)、引物、原料、加热(2)少量的mRNA就可以迅速合成大量的蛋白质(3)遵循碱基互补配对原则内含子AU(4)终止子RNA聚合酶识别和结合的部位,驱动基因转录2.(18分)(2019大同模拟)根据基因工程的有关知识,回答下列问题:(1)限制性核酸内切酶切割DNA分子后产生的片段,其末端类型有_和_。 (2)质粒载体用EcoR切割后产生的片段如下:为使载体与目的基因相连,含有目的基因的DNA除可用EcoR切割外
4、,还可用另一种限制性核酸内切酶切割,该酶必须具有的特点是_。 (3)按其来源不同,基因工程中所使用的DNA连接酶有两类,即_DNA连接酶和_DNA连接酶。 (4)反转录作用的模板是_,产物是_。若要在体外获得大量反转录产物,常采用_技术。 (5)基因工程中除质粒外,_和_也可作为载体。 (6)若用重组质粒转化大肠杆菌,一般情况下,不能直接用未处理的大肠杆菌作为受体细胞,原因是_。 【解析】(1)限制性核酸内切酶可以将DNA分子切成两种类型的末端,平末端和黏性末端。(2)为使两种不同酶切割之后能够相连接,所产生的黏性末端必须相同。(3)Ecoli DNA连接酶可以连接黏性末端,T4DNA连接酶可
5、以连接两种末端。(4)反转录是以mRNA为模板逆转录先合成单链DNA,再合成双链DNA,常利用PCR技术进行大量扩增。(5)基因工程中可以选用质粒、噬菌体的衍生物及动植物病毒做载体。(6)当受体细胞是细菌时,为了增大导入的成功率,常用Ca2+处理,得到感受态细胞,此时细胞壁和细胞膜的通透性增大,容易吸收重组质粒。答案:(1)平末端黏性末端(2)切割产生的DNA片段末端与EcoR 切割产生的相同(3)T4Ecoli(4)mRNA单链DNAPCR(多聚酶链式反应)(5)动植物病毒噬菌体的衍生物(6)未处理的大肠杆菌吸收质粒(外源DNA)的能力极弱3.(16分)(2020唐山模拟)某植物细胞中含有抗
6、烟草花叶病毒(TMV)基因,可以合成一种抗TMV蛋白,使叶片对TMV具有抗感染性。烟草是重要的经济作物,由于TMV的感染会导致大幅度减产。研究人员利用转基因技术培育出了抗TMV的烟草,主要流程如图所示:(1)对受体细胞来说,目的基因也可以叫_。(2)过程涉及_酶。(3)过程的操作环境是_。(4)将重组Ti质粒导入上述受体细胞时_(填“要”或“不要”)使用钙离子处理以增加细胞壁的通透性。(5)上述卡那霉素的作用是_。上述培养基叫_(按功能划分)培养基。(6)基因工程除了在农业上可以获得抗逆性的农作物外,在环境保护方面也展现出诱人的前景,请列举出一个例子_。【解析】(1)对受体细胞来说,目的基因来
7、自异种生物,也可以叫外源基因。(2)过程表示以RNA为模板合成DNA的反转录过程,涉及逆转录酶。(3)过程属于目的基因的获取,其操作环境是生物体外。(4)通过过程将重组Ti质粒导入的受体细胞是烟草体细胞,此过程不要使用钙离子处理细胞。(5)由图示信息“在含有卡那霉素的培养基上培养”可知,卡那霉素的作用是筛选出含重组质粒的受体细胞,而该培养基叫选择培养基。(6)基因工程在环境保护方面的应用有:分解泄漏石油;降解有毒有害的化合物;吸收环境中的重金属;处理工业废水等。答案:(1)外源基因(2)逆转录(3)生物体外(4)不要(5)筛选出含重组质粒的受体细胞选择(6)分解泄漏石油;降解有毒有害的化合物;
8、处理工业废水等4.(8分)在DNA的粗提取与鉴定实验中,为得到含DNA的黏稠物,某同学进行了如下操作,最后所得含DNA的黏稠物极少,导致下一步实验无法进行,请指出该同学实验操作中的三处错误并改正。在新鲜的家鸽血中加入适量的柠檬酸钠,经离心后,除去血浆,留下血细胞备用。取510 mL血细胞放入50 mL的烧杯中,并立即注入20 mL物质的量浓度为0.015 mol/L的NaCl溶液,快速搅拌5 min后经滤纸过滤,取其滤液。滤液中加入40 mL物质的量浓度为2 mol/L的NaCl溶液,并用玻璃棒沿一个方向搅拌1 min。向上述溶液中缓缓加入蒸馏水,同时用玻璃棒沿一个方向不停地轻轻搅拌,直到溶液
9、中出现丝状物为止,再进行过滤,得到含DNA的黏稠物。(1)_;(2)_;(3)_。【解析】红细胞的破裂需在清水中进行,搅拌时应轻轻地沿一个方向不停地均匀搅拌;第一次过滤,是除去细胞碎片,DNA在滤液中,因此不能用滤纸过滤;丝状物出现时才刚刚开始析出DNA,应让DNA完全析出。答案:(1)第步中“并立即注入20 mL物质的量浓度为0.015 mol/L的NaCl溶液,快速搅拌”应改为“缓慢贴壁加入蒸馏水,并轻轻地沿一个方向不停地均匀搅拌”(2)第步中的“滤纸”应改为“纱布”(3)第步中“直到溶液中出现丝状物为止”应改为“直到溶液中丝状物不再增加为止”5.(12分)(2020马鞍山模拟)胰岛素可以
10、用于治疗糖尿病,但是胰岛素被注射到人体后,会堆积在皮下,并要经过较长的时间才能进入血液中,而进入血液的胰岛素又容易被分解,因此,治疗效果受到影响。如图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程,请据图回答有关问题:(1)构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键,图中构建新的胰岛素模型的主要依据是_。(2)人工合成的DNA与_结合后,被转移到_中才能得到准确表达。(3)若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素,需用到的生物工程有_、_和发酵工程。(4)图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是什么?_。【解析】(1)蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求,对蛋白质结构进行分子设计,因此,图中构建
11、新的胰岛素模型的依据是预期胰岛素,即速效胰岛素的功能。(2)人工合成的目的基因与载体结合后,被导入受体细胞中才能得以表达。(3)利用蛋白质工程生产自然界中原本不存在的蛋白质,需对原有的胰岛素进行改造,根据新的胰岛素中氨基酸的序列推测出其基因中的脱氧核苷酸序列,人工合成新的胰岛素基因,得到目的基因,改造好的目的基因需通过基因工程导入受体细胞获得工程菌,再利用工程菌进行发酵,从而获取大量产品,因此该过程涉及蛋白质工程、基因工程和发酵工程。(4)由新的蛋白质模型到构建新的基因,其基本设计思路是根据新的蛋白质中的氨基酸序列,推测出基因中的脱氧核苷酸序列,然后用DNA合成仪直接合成新的基因。答案:(1)
12、蛋白质的预期功能(2)载体大肠杆菌等受体细胞(3)蛋白质工程基因工程(4)根据新的胰岛素中氨基酸的序列,推测出其脱氧核苷酸序列,然后利用DNA合成仪来合成新的胰岛素基因1.(15分)在庆祝中华人民共和国成立70周年之际,袁隆平院士荣获了国家最高荣誉“共和国勋章”,袁隆平是杂交水稻研究的开创者。在育种杂交过程中,水稻、小麦、油菜等植物是两性花,并且花很小,去雄的难度很大,利用雄性不育系生产杂种一代是较为经济、有效的方法。我国育种工作者运用基因工程将烟草TA29花药绒毡层特异启动子驱动下的核糖核酸酶Barnase基因导入芥菜细胞中获得了雄性不育植株。请分析下图回答相关问题:(1)步骤中,利用PCR
13、技术扩增Barnase基因时,设计引物序列的主要依据是_,科研人员还在两种引物的一端分别加上了_序列以便于后续的剪切和连接。(2)步骤所构建的基因表达载体中的启动子是_识别和结合的位点,标记基因的作用是_。(3)步骤中将表达载体导入农杆菌时所采用的方法为_法,用土壤农杆菌侵染芥菜的愈伤组织细胞是利用了Ti质粒上的T-DNA_特性将目的基因整合到芥菜细胞的染色体DNA上。(4)步骤中,科研人员提取愈伤组织细胞的RNA后,先通过_获得DNA,再进行PCR扩增,若最终未能检测出Barnase基因,其可能原因是_。【解析】本题主要考查了基因工程的相关知识。(1)步骤中,利用PCR技术扩增Barnase
14、基因时,设计引物序列的主要依据是Barnase基因两端的部分核苷酸序列;由于需要用EcoR、BamH两种限制酶切割目的基因和质粒,因此科研人员在两种引物的一端分别加上了GAATTC和GGATCC序列,以便于后续的剪切和连接。(2)启动子是位于目的基因上游调节目的基因转录的一段DNA分子,是RNA聚合酶识别和结合的位点。构建基因表达载体时的标记基因的作用是鉴别受体细胞中是否含有目的基因,从而将含有目的基因的细胞筛选出来。(3)将基因表达载体导入农杆菌时采用感受态细胞法,即用Ca2+处理微生物细胞,使其成为感受态细胞,在一定温度下促进感受态细胞吸收DNA分子也叫Ca2+处理法。农杆菌转化法的原理是
15、利用农杆菌的Ti质粒上的TDNA能转移至受体细胞,并整合到受体细胞的染色体DNA上。(4)由RNA获得DNA采用的方法是反转录,最终未能检测出Barnase基因,可能是因为Barnase基因未能导入芥菜愈伤组织细胞或导入芥菜愈伤组织细胞的Barnase基因未能转录。答案:(1)Barnase基因两端的部分核苷酸序列GAATTC和GGATCC(两段碱基序列的顺序可以颠倒)(2)RNA聚合酶鉴别受体细胞中是否含有目的基因,从而将含有目的基因的细胞筛选出来 (3)感受态细胞(Ca2+处理)能转移至受体细胞(4)反转录Barnase基因未能导入芥菜愈伤组织细胞(或导入芥菜愈伤组织细胞的Barnase基
16、因未能转录)2.(15分)(2020龙岩模拟)科学工作者将某种海蜇的DNA分子上一段长度为5 170个碱基对的片段绿色荧光蛋白基因,转入夹竹桃细胞中,培育出一种夜间发光的夹竹桃。培育过程如图所示,回答有关问题。(1)构建图中的重组Ti质粒,还需用到的基因工程基本工具是_。作为受体农杆菌应_,以方便筛选已导入重组Ti质粒的受体农杆菌。在将重组Ti质粒转入农杆菌之前,先要用Ca2+处理农杆菌,其目的是使其成为_细胞。(2)图中将绿色荧光蛋白基因导入夹竹桃细胞的方法称为_。转基因夹竹桃幼苗对青霉素_(填“具有”或“不具有”)抗性,原因是_。(3)绿色荧光蛋白基因含有_,因此在农杆菌细胞中不能正常表达
17、,而在夹竹桃细胞中能正常表达。(4)夹竹桃转入了该5 170个碱基对的DNA片段后能发光,也可以说明基因的本质是_。【解析】(1)构建重组Ti质粒时需要用限制酶切割质粒并用DNA连接酶将含有相同黏性末端的目的基因和质粒连接在一起。由于Ti质粒上含有抗青霉素基因,故作为受体农杆菌应不含抗青霉素基因(或对青霉素敏感),以便根据质粒上的标记基因筛选导入重组质粒的农杆菌。在将重组Ti质粒转入农杆菌之前,先要用Ca2+处理农杆菌,其目的是使其成为感受态细胞,易于吸收周围环境中的外源DNA分子。(2)图中将绿色荧光蛋白基因导入夹竹桃细胞的方法称为农杆菌转化法。根据图示可知,目的基因插在了Ti质粒上的T-D
18、NA片段,由于T-DNA可转移至受体细胞并且整合到受体细胞的染色体DNA上,所以插入在T-DNA中的目的基因被导入夹竹桃细胞,并整合到了夹竹桃细胞染色体DNA上,而抗青霉素基因没有进入夹竹桃细胞,故转基因夹竹桃幼苗对青霉素不具有抗性。(3)绿色荧光蛋白基因来自真核生物,含有内含子,转录后需要将内含子转录的部分在细胞核内进行剪切,而农杆菌为原核生物,不具备该剪切功能,因此在农杆菌细胞中不能正常表达,而在夹竹桃细胞中能正常表达。(4)夹竹桃转入了该5 170个碱基对的DNA片段后能发光,可以说明基因的本质是有遗传效应的DNA片段。答案:(1)限制性核酸内切酶(或限制酶)、DNA连接酶不含有抗青霉素基因(或对青霉素敏感)感受态(2)农杆菌转化法不具有农杆菌(或重组Ti质粒)中只有T-DNA才能进入夹竹桃细胞,而抗青霉素基因没有进入夹竹桃细胞(3)内含子(4)有遗传效应的DNA片段