1、第十单元 现代生物科技专题 第 39 课时 基因工程与转基因的安全性 和生物武器 考点 112 基因工程的概念及工具 1基因工程的概念理解(1)操作环境：体外关键步骤“基因表达载体的构建”的环境。(2)优点 与杂交育种相比：克服了远缘杂交不亲和的障碍。与诱变育种相比：定向改造生物性状。(3)操作水平：分子水平。(4)原理：基因重组。突破考点提炼方法。(5)本质：甲(供体：提供目的基因)乙(受体：表达目的基因)，即基因未变，合成蛋白质未变，只是合成场所的转移。2基因工程的基本原理和理论基础概括如下图 提醒 若题目强调“目的基因”的表达过程，则只包括“转 录和翻译”两个过程，不包括目的基因的复制。
2、导入3操作工具(1)限制性核酸内切酶“分子手术刀”来源：主要是从原核生物中分离纯化出来的。化学本质：蛋白质。催化作用，所以可重复利用可用于目的基因的切割和载体的切割作用特点：特异性，即限制酶可识别特定的脱氧核苷酸序列，切割特定位点。切割方式错位切：产生两个相同的黏性末端平切：形成平末端作用提醒 切割的化学键为磷酸二酯键。在切割目的基因和载体时要求用同一种限制酶，目的是产生相同的黏性末端。将一个基因从 DNA 分子上切割下来，需要切两处，同时产生 4 个黏性末端。不同 DNA 分子用同一种限制酶切割产生的黏性末端都相同，同一个 DNA 分子用不同的限制酶切割，产生的黏性末端一般不相同。(2)DN
3、A 连接酶“分子缝合针”常用 类型 Ecoli DNA 连接酶 T4 DNA 连接酶 来源 大肠杆菌 T4噬菌体 功能 连接黏性末端 连接黏性末端或平末端 结果 恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键 拓展提升 DNA 连接酶与 DNA 聚合酶的比较 DNA连接酶DNA聚合酶作用实质都是催化两个脱氧核苷酸之间形成磷酸二酯键是否需模板不需要需要连接DNA链双链单链作用过程在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键将单个核苷酸加到已存在的核酸片段的3端的羟基上，形成磷酸二酯键作用结果将两个DNA片段连接成重组DNA分子合成新的DNA分子(3)基因进入受体细胞的载体“分子运输车”最常用载体：质粒（其本
4、质是小型环状 DNA，不是 细胞器）类型 其他载体：入噬菌体的衍生物、动植物病毒等 功能：将目的基因导入受体细胞。应具备条件a能在宿主细胞内稳定保存并大量复制；b有一个至多个限制酶的切割位点，以便于与外源基因连接；c有特殊的遗传标记基因，供重组 DNA 的检测和鉴定。提醒 一般来说，天然载体往往不能满足人类的所有要求，因此人们根据不同的目的和需要，对某些天然的载体进行人工改造。常见的标记基因有抗生素抗性基因、产生特定颜色的表达产物基因、发光基因等。作为载体必须具有一个至多个限制酶切点，而且每种酶的切点最好只有一个。因为某种限制酶只能识别单一切点，若载体上有一个以上的酶切点，则切割重组后可能丢失
5、某些片段，若丢失的片段含复制起点区，则进入受体细胞后便不能自主复制。一个载体若只有某种限制酶的一个切点，则酶切后既能把环打开接纳外源 DNA 片段，又不会丢失自己的片段。注意与细胞膜上载体的区别，两者的化学本质和作用都不相同。质粒能自我复制，既可在自身细胞、受体细胞内，也可在体外。对位训练 1(2010全国理综，5)下列叙述符合基因工程概念的 是 ()AB 淋巴细胞与肿瘤细胞融合，杂交瘤细胞中含有 B 淋巴细胞中的抗体基因 B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 C用紫外线照射青霉菌，使其 DNA 发生改变，通过筛选获得青霉素高产菌株 D自然界中天然存在的噬菌体自
6、行感染细菌后其 DNA整合到细菌 DNA 上 答案 B解析 A 选项所述内容属于细胞工程；C 选项属于诱变育种；D 选项属于噬菌体浸染细菌；B 选项中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，符合基因工程的概念和特点。2(2010浙江理综，2)在用基因工程技术构建抗除草剂的转基因烟草过程中，如下操作错误的是 ()A用限制性核酸内切酶切割烟草花叶病毒的核酸 B用 DNA 连接酶连接经切割的抗除草剂基因和载体 C将重组 DNA 分子导入烟草原生质体 D用含除草剂的培养基筛选转基因烟草细胞 解析 用基因工程技术构建抗除草剂的转基因烟草过程中，用同种限制性内切酶分别切割烟草的
7、运载体和抗除草剂的基因，因限制性核酸内切酶切割的是 DNA，而烟草花叶病毒的遗传物质为 RNA。构建基因的表达载体完成后将其导入烟草细胞内，最后还需要将其放入含除草剂的培养基中进行筛选，选出抗除草剂的细胞进行植物组织培养。答案 A考点 113 基因工程的基本操作程序 1基因工程的图解(1)抗虫棉的培育过程 (2)基因工程技术生产凝乳酶的过程 2基因工程的操作程序分析(1)目的基因的获取途径从自然界中已有的物种中分离出来，如从基因组文库或 cDNA 文库中获取。提醒 cDNA 文库只含某种生物的部分基因，相当于地方图书馆；基因组文库含该种生物的全部基因，相当于国家图书馆。人工合成目的基因：常用的
8、方法有化学合成法和反转录法。化学合成法：蛋白质 氨基酸序列RNA 碱基序列 DNA 碱基序列用4 种脱氧核苷酸人工合成目的基因分析推测推测反转录法：分离出供体细胞 mRNA 单链 DNA合成目的基因PCR 扩增技术与 DNA 复制的比较PCR 技术DNA 复制原理DNA 复制(碱基互补配对)原料四种游离的脱氧核苷酸相同点条件模板、ATP、酶、原料、引物解旋方式DNA 在高温下变性解旋解旋酶催化场所体外复制(PCR 扩增仪)主要在细胞核内酶热稳定的 DNA 聚合酶(Taq酶)细胞内含有的 DNA 聚合酶不同点结果在短时间内形成大量的DNA 片段形成整个 DNA 分子逆转录酶DNA聚合酶(2)基因
9、表达载体的构建最核心步骤基因表达载体的组成：启动子、目的基因、终止子以及标记基因等。提醒 与载体相比较，增加启动子、目的基因和终止子三个基因片段，其功能各不相同。启动子(DNA 片段)起始密码子(RNA)；终止子(DNA 片段)终止密码子(RNA)。基因表达载体的构建方法 提醒 该过程把三种工具(两种工具酶一种载体)全用上了，是最核心、最关键的一步，在体外进行。(3)将目的基因导入受体细胞细胞类型常用方法受体细胞转化过程植物细胞农杆菌转化法体细胞将目的基因插入Ti质粒的TDNA上转入农杆菌导入植物细胞整合到受体细胞的DNA上动物细胞显微注射技术受精卵将含有目的基因的表达载体提纯取卵获得受精卵显
10、微注射早期胚胎培养胚胎移植发育成为具有新性状的动物微生物细胞Ca2+处理增大细胞壁通透性原核细胞或酵母菌用Ca 处理细胞感受态细胞重组表达载体DNA分子与感受态细胞混合感受态细胞吸收2+提醒 唯一不涉及到碱基互补配对的操作步骤。微生物作受体细胞主要原因是个体微小，代谢旺盛，繁殖速度快，获得目的基因产物多。植物细胞还可用基因枪法和花粉管通道法。(4)目的基因的检测和鉴定 对位训练 3如图是利用基因工程技术生产人胰岛素的操作过程，请据图作答。(1)图中基因工程的基本过程可以概括为“四步曲”：_；_；_；_。(2)能否利用人的皮肤细胞来完成过程？为什么？_。(3)过程必需的酶是_酶，过程必需的酶是_
11、酶。(4)若 A 中共有 a 个碱基对，其中鸟嘌呤有 b 个，则过程连续进行 4 次，至少需提供胸腺嘧啶_个。(5)在利用 A、B 获得 C 的过程中，必须用_酶切割 A 和 B，使它们产生_，再加入_才可形成 C。(6)为使过程更易进行，可用_(药剂)处理 D。解析(1)基因工程的操作程序是获取目的基因、构建基因表达载体、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定。(2)图中过程是从细胞中获取相应的 mRNA，由于基因的选择性表达，人的皮肤细胞中的胰岛素基因不表达、不转录，因此不能形成胰岛素 mRNA。(3)从 mRNADNA 是逆转录的过程，需要逆转录酶。过程DNA 分子的扩增需用解旋酶
12、将双链 DNA 分解为单链。(4)一个 DNA 分子中的鸟嘌呤(b 个)和胸腺嘧啶之和占碱基总数(2a 个)的一半，所以一个 DNA 分子片段中胸腺嘧啶数为(ab)个。连续复制 4 次，共产生 DNA 分子 2416 个，由于半保留复制，故需要提供的胸腺嘧啶数量为(ab)(161)15(ab)。(5)构建基因表达载体时需将目的基因与运载体用同一种限制酶切割，产生相同的黏性末端，才可以在 DNA 连接酶的作用下连接形成基因表达载体。(6)将目的基因导入细菌，常用Ca2处理细菌细胞，使其变为感受态细胞，可吸收含目的基因的运载体进入细菌细胞内。答案(1)获取目的基因 构建基因表达载体 将目的基因导入
13、受体细胞 目的基因的检测与鉴定(2)不能，皮肤细胞中的胰岛素基因未表达(或未转录)，不含有转录胰岛素基因的mRNA(3)逆转录 解旋(4)15(ab)(5)同一种限制酶 相同的黏性末端 DNA 连接酶(6)CaCl2 考点 114 基因工程的应用与转基因生物的安全性及生物武器 1基因工程的应用(1)抗虫棉的培育 目的基因：Bt 毒蛋白基因 原理：抗虫：Bt 毒蛋白水解成多肽与肠上皮细胞结合，形成穿孔，细胞肿胀裂解致死；两种抑制剂分别抑制相应酶活性，影响消化；植物凝集素为糖蛋白，与肠黏膜结合，影响营养物质的吸收和利用 注：毒性来自 Bt 毒蛋白水解后的多肽。受体细胞 受精卵正常发育体细胞组织培养
14、 方法：花粉管通道法(也可用农杆菌转化法或基因枪法)注：抗虫但不抗病毒、细菌、真菌等；培育抗虫作物的优点：减少环境污染、降低生产成本；不同抗虫基因作用机理不同；Bt 毒蛋白基因来自苏云金芽孢杆菌。(2)动物反应器 外源基因：药用蛋白基因 表达条件：药用蛋白基因乳腺蛋白基因(膀胱内表达相应基因)启动子 受体生物牛羊等 方法：显微注射法 注：分为乳腺反应器和膀胱反应器，前者受性别(只能)和年龄(哺乳期)限制，优点可以不用提取服用；后者提取后服用，但不受性别和年龄的限制。(3)基因检测和基因治疗的比较 基因检测 制作相应探针，利用 DNA 分子杂交原理，快速、准确检测人类某种疾病；制作探针三要求：标
15、记同位素或荧光；单链；序列与待测基因相同 临床应用阶段 基因 治疗 把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，可分为体外基因治疗和体内基因治疗两种方法 仅处于实验阶段，仍有许多问题和困难制约该技术的开展，所以该技术并未在临床开展 误区警示 动物基因工程主要为了改善畜产品的品质，而不是为了产生体型巨大的个体。基因治疗目前只是处于初期的临床试验阶段，在临床上未开展、未实现这方面的治疗。DNA 分子制作探针进行检测时应检测单链，即将双链 DNA 分子打开。青霉素是青霉菌产生的，不是通过基因工程生产的。原核生物基因(如抗虫基因)可做为真核生物(棉花)的目的基因。2转基因生物的安全性(1)转基因生物与食物
16、安全 反方：反对“实质性等同”、担心出现滞后效应、出现新的过敏原、营养成分改变等。正方：有安全性评价、科学家负责的态度、无实例无证据说明转基因食物有问题、支持“实质性等同”等。(2)转基因生物与生物安全对生物多样性的影响 反方：扩散到种植区之外变成野生种类、成为入侵的外来物种、重组出有害的病原体、成为超级杂草、有可能造成“基因污染”等。正方：生命力有限、存在生殖隔离、花粉传播距离有限、花粉存活时间有限等。(3)转基因生物与环境安全对生态系统稳定性的影响 反方：打破自然物种原有界限、二次污染、重组出有害的病原微生物、毒蛋白等可能通过食物链进入人体等。正方：不改变生物原有的分类地位、减少农药使用、
17、保护农田土壤环境等。特别提醒 转基因生物存在安全性的原因(1)目前对基因的结构、调控机制及基因间的相互作用了解有限。(2)目的基因往往是异种生物的基因。(3)外源基因插入宿主基因组的部位往往是随机的。3生物武器(1)种类 种类 举例 致病菌 鼠疫菌、霍乱弧菌、伤寒杆菌、炭疽杆菌、痢疾杆菌 病毒 天花病毒、动物痘病毒等 基因重组的致病菌、生化毒剂 如肉毒杆菌毒素可以阻滞神经末梢释放乙酰胆碱，从而引起肌肉麻痹。只要有 0.01 mg的肉毒杆菌毒素就可以使人死亡(2)特点 传染性强；污染面广，危害时间长；难以防治；具有一定的潜伏期；受自然条件影响大。(3)传播途径 经食物和水传播；空气传播；接触传播
18、；虫媒传播；病原体直接传播。对位训练 4下列关于基因工程的应用，错误的是 ()A基因治疗需要将正常基因导入有基因缺陷的细胞 B基因诊断的基本原理是 DNA 分子杂交 C一种基因探针只能检测水体中的一种病毒 D原核基因不能用来进行真核生物的遗传改良 答案 D 解析 基因治疗是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。基因诊断是用放射性同位素、荧光分子等标记的 DNA 分子作探针，利用 DNA 分子杂交原理，鉴定被检测标本上的遗传信息，达到检测疾病或水体中病毒的目的，因此一种基因探针只能检测相应的遗传信息。在基因工程中，由于 DNA 分子规则的双螺旋结构在所有 D
19、NA 分子中相同，因此，可以在任何不同 DNA 分子之间进行操作。5生物武器的危害有传染性强的特点，针对这一特点，下列哪些是防护生物武器的无效措施 ()A提前接种和个人防护 B发现病人，立即报告，及时隔离 C注意切断传播途径 D只注意环境消毒，不注意动植物灭菌 D考点 115 蛋白质工程 1概念 蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。2蛋白质工程与基因工程的比较 项目 蛋白质工程 基因工程 过程 预期蛋白质功能设计预期的蛋白质结构推测应有的氨基酸序列推测相对应的脱氧核苷
20、酸序列合成 DNA表达出蛋白质 获取目的基因构建基因表达载体将目的基因导入受体细胞目的基因的检测与鉴定 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 区别 结果 生产自然界没有的蛋白质 一般是生产自然界已有的蛋白质 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，必须通过基因修饰或基因合成实现 拓展延伸 蛋白质组计划和人类基因组计划的比较 蛋白质组计划 基因组计划 启动时间 2001 年成立组织 1990 年正式启动 主要内容“肝脏蛋白质”和“血浆蛋白质”的研究 测定人类基因组 24 条染
21、色体上全部 DNA 序列 参加国家 16 个国家，80 多个实验室 6 个国家，中国是唯一的发展中国家 我国承担任务 牵头执行“人类肝脏蛋白质组计划”承担 1%的测序工作 意义 揭示并确认肝脏(血浆)蛋白质为重大疾病预防、诊断、治疗以及新药研发提供科学基础；推动支持蛋白质工程 遗传病的诊断和治疗；揭示基因表达的机理 对位训练 6下列关于蛋白质工程应用的叙述，不正确的是()A蛋白质工程可以改造酶的结构，提高酶的热稳定性 B通过蛋白质工程可以改变蛋白质的活性 C利用蛋白质工程可以在大肠杆菌细胞中得到人的胰岛素 D蛋白质工程可以对胰岛素进行改造和修饰，合成速效型胰岛素制剂 C基因工程的综合应用 考纲
22、能力 知识灵活运用能力考题 (2010天津理综，7)下图是培育表达人乳铁蛋白的乳腺生物反应器的技术路线。图中 tetR 表示四环素抗性基因，ampR 表示氨苄青霉素抗性基因，BamH、Hind、Sma直线所示为三种限制酶的酶切位点。考题链接据图回答：(1)图 中 将 人 乳 铁 蛋 白 基 因 插 入 载 体，需 用_限制酶同时酶切载体和人乳铁蛋白基因。筛选含有重组载体的大肠杆菌首先需要在含_的培养基上进行。(2)能使人乳铁蛋白基因在乳腺细胞中特异性表达的调控序列是_(填字母代号)。A启动子 BtetR C复制原点 DampR (3)过程可采用的操作方法是_(填字母代号)。A农杆菌转化 B大肠
23、杆菌转化 C显微注射 D细胞整合(4)过程采用的生物技术是_。(5)对早期胚胎进行切割，经过程可获得多个新个体。这利用了细胞的_性。(6)为检测人乳铁蛋白是否成功表达，可采用_(填字母代号)技术。A核酸分子杂交 B基因序列分析 C抗原抗体杂交 DPCR 解析(1)在将目的基因插入运载体构建表达载体时，为了避免目的基因的随意插入，应在目的基因与运载体上同时形成两种相同的黏性末端，即目的基因的一端与运载体一端是同一种黏性末端，而目的基因的另一端与运载体的另一端是同一种黏性末端，因此要用两种限制酶同时切割目的基因与运载体，根据题目所给图中可知，在目的基因与运载体都有 BamH与 Hind的酶切位点，
24、因此用这两种酶。(2)能使目的基因在乳腺细胞中正常表达的调控序列应是启动子，B、D 只是标记基因，而复制原点是表达载体复制的起点。(3)由图可知，过程是将重组载体导入动物细胞受精卵的过程，此过程应用到的技术是显微注射法，而农杆菌转化法与大肠杆菌转化法主要应用于植物细胞。(4)过程是将早期胚胎移入受体母牛的过程，因此应用到的技术是胚胎移植技术。(5)由于早期胚胎的细胞具有较高的全能性，对早期胚胎进行切割以后，每一部分都可能发育成一个个体；检测目的基因是否表达，是看个体细胞是否是在目的基因的控制下合成了目的产物，因此应用抗原抗体反应，看是否出现杂交带，如出现杂交带，则目的基因正常表达了。(6)而核
25、酸分子杂交与测定 DNA 序列只是能够证明目的基因已导入到受体细胞中，而不能证明是否转录与翻译；PCR 扩增是为了得到大量目的基因而应用到的技术。答案(1)Hind和 BamH 氨苄青霉素(2)A(3)C (4)胚胎移植技术(5)全能(6)C 典例 (2009浙江卷，3)下列关于基因工程的叙述，错误的是 ()A目的基因和受体细胞均可来自动、植物或微生物 B限制性核酸内切酶和 DNA 连接酶是两类常用的工具酶 C人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性 D载体上的抗性基因有利于筛选含重组 DNA 的细胞和促进目的基因的表达 易错警示 对基因工程中易错点辨析不清 错因分析 对标记基因的作
26、用模糊不清 解析 基因工程中目的基因和受体细胞均可来自动物、植物或微生物；常用的工具酶是限制性核酸内切酶和 DNA 连接酶；人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性，只有经过一定的物质激活以后，才有生物活性；载体上的抗性基因主要是有利于筛选含重组 DNA 的细胞，不能促进目的基因的表达，所以 D 错误。答案 D 纠错笔记 基因工程中有 3 种工具，但工具酶只有 2 种。工具酶本质为蛋白质，载体本质为小型 DNA 分子，但不一定是环状。标记基因的作用筛选、检测目的基因是否导入受体细胞，常见的有抗生素抗性基因、发光基因，表达产物为带颜色物质等。受体细胞中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。一般不用支原体，原因是它营寄生生活；一定不能用哺乳动物成熟红细胞，原因是它无细胞核，不能合成蛋白质。返回
