1、选修三 现代生物科技专题 一、基因工程诞生的理论基础及概念二、DNA重组技术的基本工具三、基因工程的基本操作程序四、基因工程的应用和蛋白质工程的崛起基因工程的工具1与DNA分子相关的酶(1)几种酶的比较(2)限制酶与DNA连接酶的关系限制酶不切割自身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。DNA连接酶起作用时不需要模板。2载体(1)作用作为运载工具，将目的基因转移到宿主细胞内。利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量复制。(2)具备的条件能在宿主细胞内稳定保存并大量复制。有多个限制酶切割位点，以便与外源基因连接。具有特殊的标记基因，以便进行筛选。(3)种类质粒：一种裸露
2、的、结构简单、独立于细菌拟核DNA之外，能够自我复制的很小的双链环状DNA分子。噬菌体的衍生物。动植物病毒。知识拓展(1)获取目的基因和切割载体时使用同一种限制酶，目的是产生相同的黏性末端。(2)获取一个目的基因需限制酶剪切两次，共产生4个黏性末端或平末端。(3)限制酶切割位点的选择必须保证标记基因的完整性，以便于检测。1下图为一种限制酶切割DNA分子示意图。请回答问题：(1)这种限制酶的切点是_，形成_个_末端，特点是_。(2)从题干中可知限制性核酸内切酶识别序列的特点是_。(3)如果G发生突变，可能发生_答案：(1)G和A之间 2 黏性 碱基序列互补(2)只能识别某种特定的核苷酸序列(3)
3、限制酶不能识别切割位点基因工程基本操作程序1目的基因的获取(1)直接分离：从自然界已有的物种中分离，如从基因文库中获取。(2)人工合成目的基因的常用方法已知核苷酸序列的较小基因，直接利用DNA合成仪用化学方法合成，不需要模板。以RNA为模板，在逆转录酶作用下人工合成。(3)PCR技术与DNA复制的比较2.基因表达载体的构建(1)目的：使目的基因在受体细胞中稳定存在，并可以遗传给下一代，并使目的基因能够表达和发挥作用。(2)基因表达载体的组成：目的基因启动子终止子标记基因。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。终止子：一段有特殊结构的DNA短片段，
4、位于基因的尾端。作用是使转录过程停止。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)。(3)基因表达载体的构建方法知识拓展(1)切割质粒和目的基因的限制酶必须是同一种酶，以获得相同的黏性末端，利于重组质粒的构建。(2)插入的目的基因只是结构基因部分，其表达需要调控序列，因而用作载体的质粒的插入部位前须有启动子，后须有终止子。3将目的基因导入受体细胞(1)目的：目的基因进入受体细胞内并在受体细胞内维持稳定和表达的过程。(2)将目的基因导入受体细胞(3)转化实质：目的基因整合到受体细胞染色体基因组中。4目的基因的检测与鉴定知识拓展(1)只
5、有第三步将目的基因导入受体细胞不需碱基互补配对，其余三个步骤都涉及碱基互补配对。(2)工具酶只有两种：限制酶在操作程序1、2中用到且要求用同一种，目的是产生相同的黏性末端；DNA连接酶只在操作程序2中用到。2科学家通过基因工程方法，将苏云金芽孢杆菌的Bt毒蛋白基因转入普通棉株细胞内，并成功实现了表达，从而培育出了能抗棉铃虫的棉花植株抗虫棉。其过程大致如图所示：(1)基因工程的操作程序主要包括的四个步骤是_、_、_、_ 。(2)Ti质粒是农杆菌中的一种质粒，其上有TDNA，把目的基因插入Ti质粒的TDNA中是利用TDNA的_特点。(3)Bt毒蛋白基因转入普通棉株细胞内并成功实现表达的过程，在基因
6、工程中称为_。(4)将目的基因导入受体细胞的方法有很多种，该题中涉及的是_。(5)目的基因能否在棉株体内稳定维持和表达其遗传特性的关键是_，这需要通过检测才能知道，检测采用的方法是_。解析：解答本题需注意基因操作的四个步骤和相关的操作技术以及基因载体应具备的条件。答案：(1)目的基因的获取 基因表达载体的构建 将目的基因导入受体细胞 目的基因的检测与鉴定(2)可转移至受体细胞并且整合到受体细胞染色体DNA上(3)转化(4)农杆菌转化法(5)目的基因是否插入了受体生物细胞的染色体DNA上 DNA分子杂交技术1乳腺生物反应器与微生物生产的比较2.基因治疗知识拓展(1)乳腺生物反应器受生物性别的限制
7、，若从动物尿液中提取目的基因产物则不受性别限制。(2)基因治疗是治疗人类遗传病的根本方法，但由于尚未全面了解基因调控机制和疾病的分子机理，基因治疗只处于初期的临床试验阶段。3蛋白质工程(1)概念：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)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找到对应的脱氧核苷酸序列。(3)蛋白质工程与基因工程比较3继哺乳动物乳腺生物反应器研发成功后，膀胱生物反应器的研究也取得了一定进展。最近，科学家培育出一种转基因小鼠，其膀胱上皮细胞可以
8、合成人的生长激素并分泌到尿液中。请回答：(1)将人的生长激素基因导入小鼠受体细胞，常用方法是_。(2)进行基因转移时，通常要将外源基因转入_中，原因是_。(3)通常采用_技术检测外源基因是否插入了小鼠的基因组。(4)在研制膀胱生物反应器时，应使外源基因在小鼠的_细胞中特异表达。(5)为使外源基因在后代长期保持，可将转基因小鼠体细胞的_转入_细胞中构成重组细胞，使其发育成与供体具有相同性状的个体。该技术称为_。解析：转基因生物反应器是指利用转基因活体动物的某种能够高效表达外源基因的器官或组织来进行工业化生产活性功能蛋白的技术，该技术的第一步就是导入外源基因，对于动物细胞来说，常采用的方法是显微注
9、射法。显微注射法的优点是导入的外源基因片段可长达50 kb，且无需载体，外源基因在宿主染色体上的整合率相对较高。小鼠的膀胱上皮细胞属于体细胞，可采用核移植的方法，培育出能长期合成人生长激素的个体来。答案：(1)显微注射(2)受精卵(或早期胚胎细胞)受精卵(或早期胚胎细胞)具有全能性，可使外源基因在相应组织细胞表达(3)DNA分子杂交(核酸探针)(4)膀胱上皮(5)细胞核 去核的卵 核移植(或克隆)1实验原理(1)DNA 在不同浓度氯化钠溶液中的溶解度不同，其变化曲线为：(2)DNA 不溶于酒精溶液，但细胞中的其他某些物质可以溶于酒精溶液，据此可提取含杂质较少的 DNA。(3)DNA二苯胺沸水浴
10、蓝色(用于 DNA 的鉴定)。DNA的粗提取与鉴定2实验流程4关于“DNA的粗提取与鉴定”的实验装置如图：(1)实验材料选用鸡血细胞液，而不用鸡全血。主要原因是鸡血细胞液中_含量较高。(2)在上图A所示的实验步骤中加蒸馏水20 mL的目的是_通过图B所示的步骤取得滤液，再在滤液中加入2 molL1 NaCl溶液的目的是_，图C所示实验中加蒸馏水的目的是_。(3)为鉴定实验所得丝状物的主要成分是DNA，可滴加_溶液，结果丝状物被染成绿色。解析：(1)鸡血细胞中含较多的DNA，而血浆中不含DNA，因此实验材料应用鸡血细胞液而不用鸡全血。(2)要明确区别两次加蒸馏水的目的，第一次目的是让鸡血细胞吸水
11、涨破，放出DNA，第二次加蒸馏水是为了降低NaCl溶液的浓度，使溶解于2 molL1NaCl溶液中的DNA析出。(3)本题考查DNA的鉴定，可以加二苯胺沸水浴变蓝色，也可加甲基绿使DNA变绿色，本题干无沸水浴这一条件，且结果是丝状物变绿色，所以使用的试剂为甲基绿。答案：(1)DNA(2)使血细胞吸水涨破，放出DNA使滤液中的DNA溶于盐溶液 使DNA析出(3)甲基绿5(2010年高考江苏卷)某生物兴趣小组开展DNA粗提取的相关探究活动，具体步骤如下：材料处理：称取新鲜的花菜、辣椒和蒜黄各2份，每份10 g。剪碎后分成两组，一组置于20、另一组置于20 条件下保存24 h。DNA粗提取：第一步：
12、将上述材料分别放入研钵中，各加入15 mL研磨液，充分研磨。用两层纱布过滤，取滤液备用。第二步：先向6只小烧杯中分别注入10 mL滤液，再加入20 mL体积分数为95%的冷酒精溶液，然后用玻璃棒缓缓地向一个方向搅拌，使絮状物缠绕在玻璃棒上。第三步：取6支试管，分别加入等量的2 mol/L NaCl溶液溶解上述絮状物。DNA检测：在上述试管中各加入4 mL二苯胺试剂，混合均匀后，置于沸水中加热5 min，待试管冷却后比较溶液的颜色深浅，结果如下表：分析上述实验过程，回答下列问题：(1)该探究性实验课题名称是_。(2)第二步中“缓缓地”搅拌，这是为了减少_。(3)根据实验结果，得出结论并分析。结论
13、1：与20 相比，相同实验材料在20 条件下保存，DNA的提取量较多。结论2：_。针对结论1，请提出合理的解释：_。(4)氯仿密度大于水，能使蛋白质变性沉淀，与水和DNA均不相溶，且对DNA影响极小。为了进一步提高DNA纯度，依据氯仿的特性，在DNA粗提取第三步的基础上继续操作的步骤是：_，然后用体积分数为95%的冷酒精溶液使DNA析出。解析：根据步骤中选择了不同的材料，在不同条件下的处理，可判断出本实验的目的是探究不同材料和不同条件对DNA提取量的影响，是DNA粗提取与鉴定实验的应用；缓缓搅拌能够有效防止因DNA断裂而影响实验结果；结论可以从表格得到的提取量得出，低温下获得的DNA含量较多是
14、因为低温抑制了相关酶的活性，使DNA降解速度减慢；依据氯仿的特性，可以在第三步获得的溶液中加入等量氯仿，静置并吸取蛋白质含量较少的DNA上清液，获得纯度更高的DNA。答案：(1)探究不同材料和不同保存温度对DNA提取量的影响(2)DNA断裂(3)等质量的不同实验材料，在相同的保存温度下，从蒜黄提取的DNA量最多 低温抑制了相关酶的活性，DNA降解速度慢(4)将第三步获得的溶液与等量的氯仿充分混和，静置一段时间，吸取上清液基因工程有关概念的辨析(2009年高考浙江理综)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
15、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【解析】人胰岛素原基因中有内含子存在，因此在大肠杆菌中表达后无生物活性。载体上的抗性基因有利于筛选含重组DNA的细胞，但由于它和目的基因是相互独立的，并不能促进目的基因的表达。【答案】D基因工程的基本技术(2010年高考天津理综)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。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
16、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大肠杆菌转化C显微注射D细胞融合(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)基因表达载体的构建过程中，将目的基因导入受体细胞之前，要用同一种限制性内切酶切割目的基因和
17、载体。从图中可以看出，在目的基因和载体中都有Hind和BamH 限制酶的切割位点，因此要用Hind和BamH 限制酶同时切割载体和人乳铁蛋白基因；载体切割后四环素抗性基因被破坏，因此筛选时要在含氨苄青霉素的培养基上进行。(2)启动子是一段有特殊序列的DNA片段，位于目的基因的首段，它是RNA聚合酶识别和结合的部位，在启动子存在时才能驱动基因转录出mRNA，最终获得所需要的蛋白质。(3)将目的基因导入植物细胞常用的方法是农杆菌转化法，将目的基因导入动物细胞常用的方法是显微注射技术。(4)过程是将早期胚胎移入受体母牛体内，用到的技术是胚胎移植技术。(5)胚胎分割是利用机械方法将早期胚胎等分，经移植
18、后获得同卵双胎或多胎的技术，可以看做动物无性繁殖或克隆的方法，利用了细胞的全能性。(6)检测目的基因是否翻译成蛋白质，需要用相应的抗体进行抗原抗体杂交，其他三项技术检测的对象都是核酸。【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(2010年高考上海卷)分析有关基因表达的资料，回答问题。取同种生物的不同类型细胞，检测其基因表达，结果如图。(1)现欲研究基因1和基因7连接后形成的新基因的功能，导入质粒前，用限制酶切割的正确位置是_。基因工程的应用(2)如图是表达新基因用的质粒的示意图，若要将新基因插入到质粒上的A处，则切割基因时可用的限制酶是_
19、。AHind BEcoRCEcoB DPst(3)新基因与质粒重组后的DNA分子导入受体细胞的概率很小，因此需进行_，才能确定受体细胞已含有目的基因。(4)在已确定含有目的基因的受体细胞中，若质粒的抗青霉素基因缺失了两个碱基，将这样的受体细胞接种到含有青霉素的培养中，该细胞中可能出现的结果是_(多选)。A抗青霉素基因不能转录B基因1和7没有表达C基因1和7不能连接D质粒上的酶切位置发生改变【解析】(1)由题意知，基因1和基因7连接形成新基因，新基因作为一个整体，因此，切割时，不应切在基因1和基因7的中间。(2)若将新基因插入到质粒A处，应用限制酶在A处切割。选项中，所选择的酶只有EcoB。(3
20、)目的基因导入受体细胞后，是否可以稳定维持和表达，只有通过检测与鉴定才能知道。若新基因已导入，受体细胞产生了新基因表达的物质，经选择培养基培养后，可筛选出含有新基因的细胞。若新基因未导入，或导入但未表达，受体细胞未产生新基因表达的物质，细胞在选择培养基中无法生长。(4)分析题意知，受体细胞中已确定含有目的基因，故抗青霉素基因缺失两个碱基不影响新基因(目的基因)的连接与导入。抗青霉素基因缺失两个碱基后，质粒的碱基序列有了变化，可能会影响到酶切位点的变化，且重组质粒的碱基序列也有了变化，可能会影响到目的基因的表达。【答案】(1)B(2)C(3)筛选(4)BD1下列有关基因工程中限制酶的描述，错误的
21、是()A一种限制性内切酶只能识别一种特定的脱氧核苷酸序列B限制性内切酶的活性受温度影响C限制性内切酶能识别和切割RNAD限制性内切酶可从原核生物中提取解析：考查限制酶的来源和作用特点。限制酶主要存在于微生物中，具有一般酶的特点：高效性、专一性(限制酶只能切割DNA)、受环境影响等。答案：C2(2011年滨州模拟)科学家运用转基因技术，将苏云金芽孢杆菌的抗虫基因DXT转移到大白菜细胞中，培育出抗虫效果很好的优质大白菜，减少了农药的使用量，减轻了农药对环境的污染。下列说法正确的是()ADXT基因的编码区由内含子和外显子组成BDXT基因在大白菜细胞中没有表达C该技术所用的工具酶是限制酶、连接酶D限制
22、酶的切口一定是GAATTC碱基序列解析：DXT基因属于原核基因，其编码区是连续的，故A错；限制酶的种类不同，其切口也不同，故D错；抗虫效果明显，说明DXT基因已经正常表达，B错误。答案：C3科学家培养的转基因绵羊乳腺细胞能够合成并分泌抗胰蛋白酶，这是动物乳房作为生物反应器研究的重大进展。下列与合成并分泌抗胰蛋白酶无关的是()A核糖体上遗传信息的翻译B分裂间期细胞产生了两组中心粒C内质网膜与高尔基体膜联系D绵羊基因与抗胰蛋白酶基因重组解析：要使绵羊的乳腺细胞分泌抗胰蛋白酶，首先要将抗胰蛋白酶基因导入绵羊细胞中，并与绵羊基因进行重组，然后转录出mRNA，在核糖体上翻译出抗胰蛋白酶，由于此酶是分泌蛋
23、白，所以要经内质网和高尔基体进行加工，再排出细胞外，进行此过程的细胞不发生细胞分裂，故与分裂间期细胞产生了两组中心粒并无关联。答案：B4科学家将干扰素基因进行定点突变导入大肠杆菌表达，使干扰素第十七位的半胱氨酸改变成丝氨酸，结果大大提高了干扰素的抗病活性，并且提高了储存稳定性。该生物技术为()A基因工程 B蛋白质工程C基因突变D细胞工程解析：基因工程是通过对基因的操作，将符合人们需要的目的基因导入适宜的生物体，使其高效表达，从中提取所需的基因控制合成的蛋白质，或表现某种性状，蛋白质产品仍然为天然存在的蛋白质，而蛋白质工程却是对控制蛋白质合成的基因进行改造，从而实现对其编码的蛋白质的改变，所得到
24、的已不是天然的蛋白质。题目中的操作中涉及的基因显然不再是原来的基因，其合成的干扰素也不是天然干扰素，而是经过改造的，是人类所需优质的蛋白质，因而整个过程利用的生物技术应为蛋白质工程。答案：B5(2011年衡阳联考)基因工程有广阔的应用前景。回答下列各题：(1)获取目的基因后，短期内要得到大量目的目的基因，可利用_扩增。(2)构建基因表达载体的过程要使用的工具酶有_。(3)受体种类不同，导入方法不同。选育优良动物，目的基因导入的常用方法是_；选育优良植物，目的基因导入采用最多的方法是_。目的基因进入动植物细胞并且在受体细胞维持稳定和表达的过程，称为_。(4)检测目的基因在转基因生物中是否翻译成蛋
25、白质，方法是从转基因生物的体细胞中提取蛋白质，用相应的抗体进行_杂交，看是否有杂交带。解析：短期内要得到大量的基因可利用PCR技术扩增；构建基因表达载体需要切割目的基因和运载体，还需要将目的基因和运载体连接起来，培育转基因动物用显微注射法，目的基因导入植物常用农杆菌转化法；检测是否翻译成蛋白质应用抗原抗体杂交法。答案：(1)PCR技术(2)限制性核酸内切酶和DNA连接酶(3)显微注射法 农杆菌转化法 转化(4)抗原抗体6(2008年高考山东理综)为扩大可耕地面积，增加粮食产量，黄河三角洲等盐碱地的开发利用备受关注。我国科学家应用耐盐基因培育出了耐盐水稻新品系。(1)获得耐盐基因后，构建重组DN
26、A分子所用的限制性核酸内切酶作用于图中的_处，DNA连接酶作用于_处。(填“a”或“b”)(2)将重组DNA分子导入水稻受体细胞的常用方法有农杆菌转化法和_法。(3)由导入目的基因的水稻细胞培养成植株需要利用_技术，该技术的核心是_和_。(4)为了确定耐盐转基因水稻是否培育成功，既要用放射性同位素标记的_作探针进行分子杂交检测，又要用_方法从个体水平鉴定水稻植株的耐盐性。解析：限制酶可水解DNA分子中特定位点的两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键，DNA连接酶可催化两个脱氧核苷酸分子之间磷酸二酯键的形成；运用农杆菌转化法、基因枪法或花粉管通道法将目的基因导入受体细胞之后，还需利用植物组织培养技术将受体细胞培养成植株。答案：(1)a a(2)基因枪(花粉管通道)(3)植物组织培养 脱分化(去分化)再分化(4)耐盐基因(目的基因)一定浓度盐水浇灌(移栽到盐碱地中)