1、1.3 基因工程的应用概念认知自主学习一、植物基因工程的成果1.植物基因工程的应用领域:(1)提高农作物的_。(2)改良_。(3)利用植物_等。抗逆能力农作物的品质生产药物2.抗虫转基因植物:(1)方法:从某些生物中分离出具有_,将其导入作物中。(2)目的基因:主要是_、_抑制剂基因、_ 抑制剂基因、植物凝集素基因等。(3)成果:转基因抗虫棉、转基因抗虫水稻等。(4)意义:减少_的使用,降低生产成本,减少环境污染,降低对人体健康的危害。杀虫活性的基因Bt毒蛋白基因蛋白酶淀粉酶化学农药3.抗病转基因植物:(1)方法:将_导入植物中。(2)目的基因。抗病毒基因:病毒_基因和病毒的复制酶基因。抗真菌
2、基因:_基因和抗毒素合成基因。(3)成果:抗烟草花叶病毒的转基因烟草,抗病毒的转基因小麦、甜椒、番茄等。(4)意义:能获得用常规育种方法很难培育出的_。抗病基因外壳蛋白几丁质酶抗病毒新品种4.抗逆转基因植物:5.利用转基因改良植物的品质:富含_的转基因玉米、转基因延熟番茄、开变异花的转基因矮牵牛。作物种类目的基因抗盐碱、抗干旱作物调节细胞渗透压基因耐寒作物鱼的抗冻蛋白基因抗除草剂作物抗除草剂基因赖氨酸二、动物基因工程的应用应用基因来源或处理成 果提高动物的生长速度外源_基因转基因绵羊、转基因鲤鱼改善畜产品的品质_基因转基因牛分泌的乳汁中,乳糖含量_用转基因动物生产药物_基因+_生物反应器或乳房
3、生物反应器用转基因动物作_的供体抑制抗原决定基因的表达或设法除去_结合_,培育出没有_的转基因克隆猪器官生长激素肠乳糖酶降低药用蛋白乳腺蛋白基因的启动子乳腺抗原决定基因克隆技术免疫排斥反应器官移植三、基因工程药物1.来源:_。2.成果:细胞因子、_、_、激素等。3.作用:预防和治疗人类肿瘤、心血管疾病、传染病、_、类风湿等疾病。转基因工程菌抗体疫苗糖尿病四、基因治疗1.概念:把_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.方法:(1)体外基因治疗:从病人体内获得_,进行培养,在_完成_,筛选出成功转移的细胞_,最后重新_。(2)体内基因治疗:直接向人体组织细胞中_。正
4、常基因某种细胞体外基因转移扩增培养输入患者体内转移基因3.成果:将腺苷酸脱氨酶基因转入患者的_中,治疗复合型免疫缺陷症。4.现状:(1)处于初期临床试验阶段。(2)存在着技术、伦理道德、安全性等方面的诸多困难。淋巴细胞【易错辨析】1.目的基因只能来源于微生物。()【分析】目的基因既可以来源于细菌等微生物,也可来源于高等的植物、动物等生物。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。()【分析】利用乳腺生物反应器能够获得一些重要的医药产品,是将目的基因导入动物的受精卵而不是乳腺细胞。3.来自苏云金芽孢杆菌的Bt毒蛋白基因
5、只能应用于棉花。()【分析】Bt毒蛋白能杀死多种有害昆虫,而对哺乳动物无害,因而广泛用于多种转基因植物,如棉花、水稻等。4.转基因生物的目的基因来自不同的物种,可见,基因工程可以打破物种间的生殖隔离。()5.由大肠杆菌工程菌获得人的干扰素后可直接应用。()【分析】大肠杆菌是原核生物,没有内质网、高尔基体,无法对分泌蛋白进行加工修饰,合成的干扰素无生物活性,需要进一步加工,不能直接应用。能力形成合作探究一、基因工程的应用1.转基因植物生产过程图解(以抗虫棉生产过程为例):2.转基因动物生产过程图解(以转基因牛生产过程为例):3.转基因微生物生产过程图解(以可生产干扰素的酵母菌的培育过程为例):【
6、易错提醒】转基因作物中的目的基因的两点提醒(1)目的基因并非都来自微生物:目的基因都是来自其他生物的能表现出优良性状的外源基因,并不都是来自细菌、病毒等微生物,如抗冻蛋白基因来自鱼类。(2)注意“抗虫”和“抗病”的区别,二者可以分别通过害虫接种和病毒接种来进行个体水平的检测。【选修对接必修】对接必修2:基因的表达(1)目的基因对性状的控制:有的目的基因通过控制_的合成,直接控制生物的某种性状,这反映了基因与性状的直接关系;有的目的基因通过控制_的合成来控制代谢,进而控制生物的性状,这体现的是基因和性状的_关系。(2)生物的表现型=_+环境。基因与基因、基因与基因产物、基因与环境之间_,精细地调
7、控着生物体的性状。蛋白质酶间接基因型相互作用【素养案例】为增加油菜种子的含油量,研究人员尝试将从陆地棉基因库中获取的酶D基因与位于拟南芥叶绿体膜上的转运肽基因相连,导入油菜细胞并获得转基因油菜品种。酶D基因、转运肽基因所含三种限制酶(Cla、Sac、Xba)的切点如图甲所示。请回答下列问题。(1)用限制酶_和_酶处理两个基因后,可得到A、D端相连的目的基因。(2)将上述目的基因插入如图乙所示质粒的_中,构建_,然后将其导入农杆菌中。(3)利用_法将目的基因导入油菜叶片中,并通过筛选获得转基因油菜细胞,通过_技术可培育成转基因油菜植株。(4)用_技术可检测转基因油菜的染色体DNA上是否插入了目的
8、基因,用_技术可检测转基因油菜植株中的目的基因是否翻译成蛋白质。【解题关键】(1)限制酶能够识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列,并且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开。(2)同种限制酶切割能够产生相同的黏性末端,便于质粒和目的基因连接。【解析】(1)用限制酶Cla处理两个基因后,可露出相同的黏性末端,再用DNA连接酶连接,可得到A、D端相连的目的基因。(2)因为土壤农杆菌Ti质粒的T-DNA能够转移并整合到植物细胞的染色体DNA上,故要将上述目的基因插入图中Ti质粒的T-DNA中,构建基因表达载体即重组质粒,然后将其导入农杆菌中。(3)利用农杆菌转化法将目的基因导入油菜
9、叶片中,并通过筛选获得转基因油菜细胞,通过植物组织培养技术可培育成转基因油菜植株。(4)用DNA分子杂交技术可检测转基因油菜的染色体DNA上是否插入了目的基因,用抗原-抗体杂交技术可检测转基因油菜植株中的目的基因是否翻译成蛋白质。答案:(1)Cla DNA 连接(2)T-DNA 基因表达载体(3)农杆菌转化 植物组织培养(4)DNA 分子杂交 抗原-抗体杂交【误区警示】(1)忽略图中关键信息:对图示三种限制酶的识别序列与切割位点认识不清,进而无法判断“剪切”产生的目的基因和载体的末端是否能够“缝合”。(2)不清楚分子水平上的检测方法:检测转基因生物染色体的DNA是否插入目的基因DNA分子杂交技
10、术;检测目的基因是否转录出了mRNA分子杂交技术;检测目的基因是否翻译成蛋白质抗原-抗体杂交技术。【跟踪小练】1.基因疫苗是指将编码外源抗原的基因与质粒重组,构建出基因表达载体,导入人或动物细胞后利用宿主细胞的蛋白质合成系统合成外源抗原蛋白,并诱导机体产生对该抗原的免疫应答,以达到预防和治疗疾病的目的。可见,基因疫苗是一种()A.重组质粒 B.外源抗原的DNA 片段C.外源抗原蛋白质D.减毒或灭活的病原体【解析】选A。从基因疫苗的制备过程可以看出,基因疫苗是目的基因与质粒重组后的结果,即重组质粒。2.“胰岛素A、B链分别表达法”是生产胰岛素的方法之一。图1是该方法所用的基因表达载体,图2表示利
11、用大肠杆菌作为工程菌生产人胰岛素的基本流程(融合蛋白A、B分别表示-半乳糖苷酶与胰岛素A、B链融合的蛋白)。请回答下列问题:(1)图1基因表达载体中没有标注出来的基本结构是_。(2)图1中启动子是_酶识别和结合的部位,有了它才能启动目的基因的表达;氨苄青霉素抗性基因的作用是_。(3)溴化氰能切断肽链中甲硫氨酸羧基端的肽键,用溴化氰处理相应的融合蛋白能获得完整的A链或B链,且-半乳糖苷酶被切成多个肽段,推测这是因为_。【解析】(1)根据题意和图示分析可以知道:图1基因表达载体中已包含目的基因、启动子和标记基因,所以没有标注出来的基本结构是终止子。(2)图1中启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位,
12、有了它才能启动目的基因的表达即转录过程;氨苄青霉素抗性基因的作用是作为标记基因,将含有重组质粒的大肠杆菌筛选出来。(3)溴化氰能切断肽链中甲硫氨酸羧基端的肽键,因为-半乳糖苷酶中含有多个甲硫氨酸,而胰岛素的A、B链中不含甲硫氨酸,所以用溴化氰处理相应的融合蛋白能获得完整的A链或B链,且-半乳糖苷酶被切成多个肽段。答案:(1)终止子(2)RNA聚合 作为标记基因,将含有重组质粒的大肠杆菌筛选出来(3)-半乳糖苷酶中含多个甲硫氨酸,而胰岛素A、B链中不含甲硫氨酸二、乳腺生物反应器与基因治疗1.乳腺生物反应器:(1)操作过程:(2)乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别:比较内容乳腺生物反应器工程菌含
13、义指让外源基因在哺乳动物的乳腺中特异性表达,利用动物的乳腺组织生产药物蛋白指用基因工程的方法,使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系受体基因结构与人类基因结构差异动物基因结构与人类的基因结构基本相同细菌和酵母菌的基因结构与人类有较大差异基因表达合成的药物蛋白与天然蛋白质相同细菌合成的药物蛋白可能没有活性受体细胞动物受精卵微生物细胞目的基因导入方式显微注射法感受态细胞法(3)乳腺生物反应器的特点:活性高,成本低,易提纯,产量高。2.基因治疗:(1)实质:正常基因表达掩盖病变基因的表达,达到治疗疾病的目的。(2)过程。以治疗复合型免疫缺陷症为例:(3)治疗途径的异同点:比较体外基因治疗体内基因治疗不
14、同点操作复杂,但效果较为可靠方法较简单,但效果难以控制相同点都是将外源基因导入靶细胞,以纠正缺陷基因,目前两种方法都处于初期临床试验阶段(4)基因诊断与基因治疗的比较:项 目方 法备 注基因诊断制作相应探针,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,达到治疗疾病的目的仅处于初期的临床试验阶段【易错提醒】基因治疗时正常基因没有改变病变基因的表达途径在基因治疗的过程中,正常基因、病变基因都可以表达,只是正常基因的表达掩盖了病变基因控制的性状,使病人表现正常,最终达到治疗疾病的目的。【选修对接必修】对接必修3:免疫调节(1)吞噬细胞
15、既参与非特异性免疫,又参与_免疫;T淋巴细胞既参与体液免疫,又参与_免疫。(2)免疫预防与免疫治疗的区别:项目时间注射的物质目的免疫预防病原体感染前的预防_(经处理的抗原)激发机体自身免疫反应,产生抗体和记忆细胞免疫治疗病原体感染后的治疗_等直接清除病原体或产生的毒素,使患者恢复健康特异性细胞疫苗抗体、淋巴因子、血清【素养案例】据报道,研究人员提取了重症联合免疫缺陷患儿的骨髓,插入目的基因拷贝,将修饰的细胞重新输回患者体内。最终结果令人惊叹:经过治疗,16名患儿中有14名免疫系统得到了修复,还有很多基本治愈,这是基因治疗成功的典型案例。理论上,基因治疗可以治愈很多人类遗传疾病。但科研人员实施安
16、全有效的基因治疗却并非易事,他们面临许多挑战,首先要明确患病的遗传基础,其次要寻找合适的载体作用于机体的发病组织,同时还要能避免意外的后果。根据以上材料,回答下列问题:(1)基因治疗属于_(生物技术)的应用范畴,这种技术的变异原理是_。(2)基因治疗常选用逆转录病毒作为目的基因载体,但需敲除病毒的包装蛋白基因,原因是_。(3)构建基因表达载体后,可直接将其转入患者体内受体细胞,也可在体外_,形成重组细胞,经体外培养后再输入患者体内。体外培养重组细胞的条件包括_。(4)从遗传物质变化和免疫调节角度看,基因治疗可能导致的意外后果分别是_。【解题关键】基因治疗利用的原理是基因重组,成功的关键在于将目
17、的基因整合到人体的染色体DNA上并能够表达。【解析】(1)基因治疗属于基因工程的应用范畴,原理是基因重组。(2)基因治疗过程中,获得目的基因后,需构建基因表达载体,以保证目的基因在受体细胞内顺利表达并发挥作用。以病毒作为基因的载体,需使目的基因高效转移并有效表达,而其不断繁殖的特性必须消除。敲除病毒的包装蛋白基因,就是不让病毒合成相应蛋白进行繁殖。(3)基因表达载体构建后,可通过两种途径发挥作用:一是直接将表达载体导入患者体内的受体细胞,二是在体外将基因表达载体导入受体细胞,形成重组细胞,在体外进行细胞培养后输入患者体内。体外细胞培养时要提供的条件包括:无菌、无毒的环境,营养,适宜的温度和pH
18、,气体环境。(4)基因治疗可能导致的意外后果包括:基因表达载体整合时引起相关基因突变或细胞癌变,重组细胞输入患者体内时有可能引发机体产生免疫排斥反应和并发症。答案:(1)基因工程 基因重组(2)防止病毒合成包装蛋白进行繁殖(3)将基因表达载体导入受体细胞 无菌、无毒的环境,营养,适宜的温度和pH,气体环境(4)细胞癌变(或基因突变)、免疫排斥(并发症)【误区警示】(1)目的基因需要构建表达载体后才可导入受体细胞,不可直接将目的基因导入。(2)基因治疗常选用逆转录病毒作为目的基因载体,便于将目的基因整合到受体细胞染色体DNA上。(3)病毒作载体时,为防止病毒合成包装蛋白进行繁殖,务必敲除其包装蛋
19、白基因。【跟踪小练】1.动物乳腺生物反应器是一项利用转基因动物的乳腺代替传统的生物发酵,进行大规模生产可供治疗人类疾病或用于保健的活性蛋白质的现代生物技术。目前科学家已在牛和羊等动物的乳腺生物反应器中表达出了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素等重要药品。大致过程如图所示:下列有关说法,错误的是()A.通过形成的重组质粒除了具有人的药用蛋白基因之外,还要有启动子、终止子和标记基因B.通常采用农杆菌转化法C.在转基因母牛的乳腺细胞中人的药用蛋白基因才会得以表达,因此可以从乳汁中提取药物D.该技术生产药物的优点是产量高、质量好、易提取【解析】选B。要让药用蛋白基因在乳腺细胞内表达并分泌含药物的乳汁,重组
20、质粒上必须具有人的药用蛋白基因、启动子和终止子等调控组件,A项正确;转基因动物通常利用的受体细胞是受精卵,采用显微注射技术,B项错误;只有转基因母牛到达泌乳期,乳腺细胞才会表达相应的药用蛋白基因,乳汁中才会含有药物,C项正确;从乳汁里提取药物,优点突出,使动物本身成为“批量生产药物的工厂”,D项正确。2.(2021广东适应性测试节选)CRISPR/Cas9基因编辑技术可以按照人们的意愿精准剪切、改变任意靶基因的遗传信息,对该研究有突出贡献的科学家被授予2020年诺贝尔化学奖。我国科学家领衔的团队利用CRISPR/Cas9等技术,将人的亨廷顿舞蹈病致病基因(HTT基因)第1外显子(其中含150个
21、CAG三核苷酸重复序列)“敲入”猪基因组内,获得了人-猪“镶嵌”HTT基因,利用胚胎工程技术成功地构建了亨廷顿舞蹈病的动物模型。回答下列问题:(1)PCR 技术是获得人HTT基因常用的方法,制备PCR反应体系时,向缓冲溶液中分别加入人HTT基因模板、4种脱氧核糖核苷酸及_等,最后补足H2O。(2)CRISPR/Cas9基因编辑技术中,SgRNA 是根据靶基因设计的引导RNA,准确引导Cas9切割与SgRNA配对的靶基因DNA序列,由此可见,Cas9 在功能上属于_酶。与CRISPR/Cas9相比,限制酶的特性决定了其具有_的局限性。(3)在实验过程中,为确认实验猪细胞基因组内是否含有人-猪“镶
22、嵌”HTT基因,常用的检测手段包括PCR技术及_。【解析】(1)根据DNA复制的条件:模板、原料、酶、能量,题目中已经加入了模板和原料,PCR中的能量由外界控制温度来供给,还缺热稳定DNA聚合酶(即Taq酶)和引导子链延伸的引物。(2)根据题意,SgRNA可准确引导Cas9切割与SgRNA配对的靶基因DNA序列,这与限制酶的特性相符,所以Cas9在功能上属于限制酶;SgRNA可以根据靶基因设计多种序列引导Cas9在相应基因结合序列位置切割,但一般意义上的限制酶只能识别和切割DNA分子的某一种特定核苷酸序列,相对来说限制酶存在局限。(3)DNA分子杂交技术中可根据放射性标记基因探针与目的基因的杂
23、交带显示情况,来检测实验猪细胞基因组内是否插入了HTT基因。答案:(1)引物、Taq酶(2)限制性核酸内切 只能识别一种特定的碱基序列(3)DNA分子杂交技术【补偿训练】人类基因治疗报道,在美国佛罗里达大学基因治疗中心接受基因治疗的三名遗传性失明患者都重新获得了一定的视力,并且没有严重的副作用。基因治疗是指()A.把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中,达到治疗疾病的目的B.对有缺陷的细胞进行检测、修复,从而使其恢复正常,达到治疗疾病的目的C.运用人工诱变方法,使有基因缺陷的细胞发生基因突变,从而恢复正常D.运用基因工程技术,把有缺陷的基因切除,达到治疗疾病的目的【解析】选A。基因治疗只是将正常的外源基因导入病人体内,使该基因的表达产物发挥功能,从而达到治疗疾病的目的,而细胞中的缺陷基因并未修复,和正常基因同时存在,基因治疗也不是切除病变基因或诱发其突变,因而B、C、D的说法都不符合基因治疗的概念。
