1、第十单元 现代生物科技专题专题二十五基因工程备考方向导航考点1基因工程的基本工具与操作程序1.2020山东,25,11分水稻胚乳中含直链淀粉和支链淀粉,直链淀粉所占比例越小糯性越强。科研人员将能表达出基因编辑系统的DNA序列转入水稻,实现了对直链淀粉合成酶基因(Wx基因)启动子序列的定点编辑,从而获得了3个突变品系。(1)将能表达出基因编辑系统的DNA序列插入Ti质粒构建重组载体时,所需的酶是,重组载体进入水稻细胞并在细胞内维持稳定和表达的过程称为 。(2)根据启动子的作用推测,Wx基因启动子序列的改变影响了,从而改变了Wx基因的转录水平。与野生型水稻相比,3个突变品系中Wx基因控制合成的直链
2、淀粉合成酶的氨基酸序列(填“发生”或“不发生”)改变,原因是 。(3)为检测启动子变化对Wx基因表达的影响,科研人员需要检测Wx基因转录产生的mRNA(Wx mRNA)的量。检测时分别提取各品系胚乳中的总RNA,经过程获得总cDNA。通过PCR技术可在总cDNA中专一性地扩增出Wx基因的cDNA,原因是 。(4)各品系Wx mRNA量的检测结果如图所示,据图推测糯性最强的品系为,原因是 。2.2020天津,16节选,6分型糖尿病是因免疫系统将自身胰岛素作为抗原识别而引起的自身免疫病。小肠黏膜长期少量吸收胰岛素抗原,能诱导免疫系统识别该抗原后应答减弱,从而缓解症状。科研人员利用型糖尿病模型小鼠进
3、行动物实验,使乳酸菌在小鼠肠道内持续产生人胰岛素抗原,为此构建重组表达载体,技术路线如下。据图回答:(1)为使人胰岛素在乳酸菌中高效表达,需改造其编码序列。下图是改造前后人胰岛素B链编码序列的起始30个核苷酸序列。据图分析, 转录形成的mRNA中, 该段序列所对应的片段内存在碱基替换的密码子数有个。(2) 在人胰岛素A、B肽链编码序列间引入一段短肽编码序列,确保等比例表达A、B肽链。下列有关分析正确的是(多选)。A.引入短肽编码序列不能含终止子序列B.引入短肽编码序列不能含终止密码子编码序列C.引入短肽不能改变A链氨基酸序列D.引入短肽不能改变原人胰岛素抗原性(3)在重组表达载体中, Sac和
4、Xba限制酶仅有图示的酶切位点。用这两种酶充分酶切重组表达载体,可形成种DNA片段。3.2019全国卷,38,15分基因工程中可以通过PCR技术扩增目的基因。回答下列问题。(1)基因工程中所用的目的基因可以人工合成,也可以从基因文库中获得。基因文库包括和。(2)生物体细胞内的DNA复制开始时,解开DNA双链的酶是。在体外利用PCR技术扩增目的基因时,使反应体系中的模板DNA解链为单链的条件是。上述两个解链过程的共同点是破坏了DNA双链分子中的。(3)目前在PCR反应中使用Taq酶而不使用大肠杆菌DNA聚合酶的主要原因是 。考点2基因工程的应用与蛋白质工程4.2019海南,31,15分人的T细胞
5、可以产生某种具有临床价值的蛋白质(Y),该蛋白质由一条多肽链组成。目前可以利用现代生物技术生产Y。回答下列问题。(1)若要获得Y的基因,可从人的T细胞中提取作为模板,在催化下合成cDNA,再利用技术在体外扩增获得大量Y的基因。(2)将目的基因导入植物细胞常用的方法是农杆菌转化法。若将上述所得Y的基因插入农杆菌Ti质粒上的中,得到含目的基因的重组Ti质粒,则可用农杆菌转化法将该基因导入某种植物的叶肉细胞中。若该叶肉细胞经培养、筛选等得到了能稳定表达Y的愈伤组织,则说明Y的基因已经 。(3)天然的Y通常需要在低温条件下保存。假设将Y的第6位氨基酸甲改变为氨基酸乙可提高其热稳定性,若要根据蛋白质工程
6、的原理对Y进行改造以提高其热稳定性,具体思路是 。拓展变式1.2019天津理综,9,12分B基因存在于水稻基因组中,其仅在体细胞(2n)和精子中正常表达,但在卵细胞中不转录。为研究B基因表达对卵细胞的影响,设计了如下实验。据图回答:(1)B基因在水稻卵细胞中不转录,推测其可能的原因是卵细胞中(单选)。A.含B基因的染色体缺失B.DNA聚合酶失活C.B基因发生基因突变D.B基因的启动子无法启动转录(2)从水稻体细胞或中提取总RNA,构建文库,进而获得B基因编码蛋白的序列。将该序列与Luc基因(表达的荧光素酶能催化荧光素产生荧光)连接成融合基因(表达的蛋白质能保留两种蛋白质各自的功能),然后构建重
7、组表达载体。(3)在过程、转化筛选时,过程中T-DNA整合到受体细胞染色体DNA上,过程在培养基中应加入卡那霉素。(4)获得转基因植株过程中,以下鉴定筛选方式正确的是(多选)。A.将随机断裂的B基因片段制备成探针进行DNA分子杂交B.以Luc基因为模板设计探针进行DNA分子杂交C.以B基因编码蛋白的序列为模板设计探针与从卵细胞提取的mRNA杂交D.检测加入荧光素的卵细胞中是否发出荧光(5)从转基因植株未成熟种子中分离出胚,观察到细胞内仅含一个染色体组,判定该胚是由未受精的卵细胞发育形成的,而一般情况下水稻卵细胞在未受精时不进行发育,由此表明。2.2017江苏,33,8分金属硫蛋白(MT)是一类
8、广泛存在的金属结合蛋白,某研究小组计划通过多聚酶链式反应(PCR)扩增获得目的基因,构建转基因工程菌,用于重金属废水的净化处理。 PCR扩增过程示意图如下,请回答下列问题:(1)从高表达MT蛋白的生物组织中提取mRNA,通过获得用于PCR扩增。(2)设计一对与MT基因两端序列互补配对的引物(引物1和引物2),为方便构建重组质粒,在引物中需要增加适当的位点。 设计引物时需要避免引物之间形成,而造成引物自连。(3)图中步骤1代表,步骤2代表退火,步骤3代表延伸,这三个步骤组成一轮循环。(4)PCR 扩增时,退火温度的设定是成败的关键。 退火温度过高会破坏的碱基配对。 退火温度的设定与引物长度、碱基
9、组成有关,长度相同但的引物需要设定更高的退火温度。(5)如果PCR反应得不到任何扩增产物,则可以采取的改进措施有(填序号:升高退火温度降低退火温度重新设计引物)。3.2018海南,31,15分甜蛋白是一种高甜度的特殊蛋白质。为了改善黄瓜的品质,科学家采用农杆菌转化法将一种甜蛋白基因成功导入黄瓜细胞,得到了转基因植株。回答下列问题:(1)用农杆菌感染时,应优先选用黄瓜(填“受伤的”或“完好的”)叶片与含重组质粒的农杆菌共培养,选用这种叶片的理由是 。(2)若在转基因黄瓜中检测到这种甜蛋白,则表明该重组质粒中已转移到植物细胞中且能够表达;用该转基因黄瓜的某一植株与一株非转基因植株杂交,发现子代中含
10、甜蛋白个体数与不含甜蛋白个体数之比为1:1,则说明甜蛋白基因已经整合到(填“核基因组”“线粒体基因组”或“叶绿体基因组”)中。(3)假设某种转基因作物因为受到病毒感染而减产,若要以该转基因作物为材料获得脱毒苗,应选用作为外植体进行组织培养。(4)通常,基因工程操作主要有4个步骤,即目的基因获取、重组表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定。因此,基因工程的含义可概括为 。4.海南高考,31,15分在体内,人胰岛素基因表达可合成出一条称为前胰岛素原的肽链,此肽链在内质网中经酶甲切割掉氨基端一段短肽后成为胰岛素原,进入高尔基体的胰岛素原经酶乙切割去除中间片段C后,产生A、B两条
11、肽链,再经酶丙作用生成由51个氨基酸残基组成的胰岛素。目前,利用基因工程技术可大量生产胰岛素。回答下列问题:(1)人体内合成前胰岛素原的细胞是,合成胰高血糖素的细胞是。(2)可根据胰岛素原的氨基酸序列,设计并合成编码胰岛素原的序列,用该序列与质粒表达载体构建胰岛素原基因重组表达载体,再经过细菌转化、筛选及鉴定,即可建立能稳定合成的基因工程菌。(3)用胰岛素原抗体检测该工程菌的培养物时,培养液无抗原抗体反应,菌体有抗原抗体反应,则用该工程菌进行工业发酵时,应从中分离、纯化胰岛素原。胰岛素原经酶处理便可转变为胰岛素。答案专题二十五基因工程备考方向导航1.(除标明外,每空1分)(1)限制性核酸内切酶
12、和DNA连接酶转化(2)RNA聚合酶与启动子的识别和结合不发生编码直链淀粉合成酶的碱基序列中不含启动子(3)逆转录(或:反转录)引物是根据Wx基因的一段已知序列设计合成的(或:引物能与Wx基因的cDNA特异性结合,2分)(4)品系3品系3的Wx mRNA最少,控制合成的直链淀粉合成酶最少,直链淀粉合成量最少,糯性最强(2分)【解析】(1)限制性核酸内切酶能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列,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;DNA连接酶能将DNA片段拼接起来。将能表达出基因编辑系统的DNA序列插入Ti质粒构建重组载体时,需要限制性核酸内切酶和DNA连接酶的参与。转
13、化是指目的基因进入受体细胞内,并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。(2)启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位,能驱动基因转录出mRNA。Wx基因启动子序列的改变影响了RNA聚合酶与启动子的识别和结合,从而改变了Wx基因的转录水平,使直链淀粉合成酶基因的表达量改变。根据题干信息可知,基因编辑系统是对启动子序列进行定点编辑,由于编码直链淀粉合成酶的碱基序列中不含启动子,所以与野生型水稻相比,3个突变品系中Wx基因控制合成的直链淀粉合成酶的氨基酸序列没有发生变化。(3)用提取的各品系胚乳中的总RNA合成总cDNA的过程为逆转录,需要逆转录酶的参与。由于引物能与Wx基因的cDNA特异性结合,故通过P
14、CR技术可在总cDNA中专一性地扩增出Wx基因的cDNA。(4)mRNA是蛋白质合成的直接模板,根据题图分析可知,4个品系中品系3的Wx mRNA量最低,控制合成的直链淀粉合成酶最少,直链淀粉合成量最少,糯性最强。2.(每空2分)(1)6(2)ABCD(3)3【解析】(1)密码子为mRNA上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基,对应DNA编码序列上三个相邻的碱基;由图可以看出,与改造前的单链相比,改造后的单链第6、15、16、18、21、24、30位(从左往右数)碱基发生了改变,相应发生碱基替换的密码子分别为第2、5、6、7、8、10位(从左往右数,其中第6位密码子改变了两个碱基),共6个。(2)要
15、确保等比例表达A、B肽链,控制合成两条肽链的DNA只有一个终止子序列,且转录形成的mRNA只能有一个终止密码子。为了保证生成的人胰岛素的正常功能,引入的短肽不能改变A链氨基酸序列,不能改变原人胰岛素抗原性。(3)由图可以看出,重组表达载体中有两个Sac识别序列、一个Xba识别序列;Sac和Xba在该环状DNA上有三个酶切位点,用这两种酶充分酶切后可得到3种 DNA片段。3.(除标明外,每空2分)(1)基因组文库cDNA文库(2)解旋酶加热至9095 (3分)氢键(3)Taq酶热稳定性高,而大肠杆菌DNA聚合酶在高温下会失活(4分)【解析】(1)基因文库包括基因组文库和cDNA文库。(2)生物体
16、细胞内DNA复制开始时是利用解旋酶进行解旋的,而在体外利用PCR技术扩增目的基因时,则是通过加热至9095 进行解旋的,二者都破坏了碱基对之间的氢键。(3)在PCR过程中,要加热至9095 ,所以使用热稳定性高的Taq酶,而不使用在高温下会失活的大肠杆菌DNA聚合酶。4.(除标明外,每空2分)(1) mRNA逆转录酶PCR(2)T-DNA整合到叶肉细胞染色体DNA上(3分)(3)找到第6位氨基酸甲的碱基所在的基因位置,参照密码子表,将第6位氨基酸甲的碱基替换为氨基酸乙的碱基(4分)【解析】(1)由题意可知,Y是人的T细胞产生的蛋白质。若要获得Y的基因,可从人的T细胞中提取mRNA作为模板,在逆
17、转录酶催化下合成cDNA,再利用PCR技术在体外扩增获得大量Y的基因。(2)将外源基因导入植物体内常用农杆菌转化法,该方法先将目的基因插入到农杆菌Ti质粒的T-DNA上,然后通过农杆菌的转化作用,使目的基因进入植物细胞并插入到植物细胞的染色体DNA上。(3)蛋白质工程的基本途径是:预期蛋白质的功能设计预期蛋白质的结构推测应有的氨基酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列。若要根据蛋白质工程的原理对Y进行改造以提高其热稳定性,需找到第6位氨基酸甲的碱基所在的基因位置,参照密码子表,将第6位氨基酸甲的碱基替换为氨基酸乙的碱基。1.(除标明外,每空2分)(1)D(2)精子cDNA(3)(1分)(1分)(4)
18、BCD(5)B基因表达能使卵细胞不经受精直接发育成胚【解析】(1)启动子是一段有特殊结构的DNA片段,是RNA聚合酶识别和结合的部位,能驱动基因转录出mRNA。B基因存在于水稻基因组中,其仅在体细胞和精子中正常表达,但在卵细胞中不转录,推测最可能的原因是卵细胞中B基因的启动子无法启动转录,D符合题意。(2)B基因在体细胞和精子中正常表达,说明在水稻的体细胞和精子中有B基因转录而来的mRNA。从水稻体细胞或精子中提取总RNA,逆转录产生多种互补DNA片段,与载体连接后储存在一个受体菌群中,这个受体菌群体就叫作水稻的cDNA文库。(3)过程是指含有目的基因的重组Ti质粒转入农杆菌,过程是指将含有重
19、组Ti质粒的农杆菌导入植物细胞,并且整合到受体细胞染色体DNA上。为了检测含有目的基因的重组Ti质粒是否转入农杆菌,过程需在培养基中加入卡那霉素。(4)DNA分子杂交是将转基因生物的基因组DNA提取出来,在含有目的基因的DNA片段上用放射性同位素等作标记,以此作为探针,将探针与基因组DNA杂交,看是否出现杂交带。将随机断裂的B基因片段制备成探针进行DNA分子杂交,不能用于筛选含目的基因的转基因植株,因为B基因本来就存在于水稻基因组中,A项错误;B-Luc融合基因中含有水稻B基因编码蛋白的序列和Luc基因,而Luc基因是完全的外来基因,因此,以Luc基因为模板设计探针进行DNA分子杂交可达到实验
20、目的,B项正确;转基因植株卵细胞中的B基因能够转录出mRNA,因此以B基因编码蛋白的序列为模板设计探针与从卵细胞提取的mRNA杂交可达到实验目的,C项正确;Luc基因表达的荧光素酶能催化荧光素产生荧光,因此检测加入荧光素的卵细胞中是否发出荧光,可以达到实验目的,D项正确。(5)一般情况下水稻卵细胞在未受精时不进行发育,而在转基因植株中能发现由未受精的卵细胞发育形成的胚,说明B基因表达能使卵细胞不经受精直接发育成胚。2.(每空1分)(1)逆转录cDNA(2)限制性核酸内切酶碱基互补配对(3)变性(4)引物与模板G、C含量高(5) 【解析】(1)PCR技术可在体外对DNA进行扩增,模板可以是mRN
21、A经过逆转录获得的cDNA。(2)设计一对与MT基因两端序列互补配对的引物(引物1 和引物2)时,需在引物中增加适当的限制性核酸内切酶的识别序列,便于目的基因与质粒的连接。为了避免引物自连,设计引物时需要避免引物之间形成碱基互补配对。(3)根据PCR的过程可知,图中步骤1为变性,步骤2为退火(复性),步骤3为延伸,这三个步骤构成一个循环。(4)退火温度的设定与引物长度、碱基组成有关,过高的退火温度会破坏引物与模板的碱基配对。因G、C之间的氢键数多于A、T之间的氢键数,故G、C含量高的引物需要设定更高的退火温度。(5)如果PCR 反应得不到任何扩增产物,可能的原因是退火温度过高使扩增效率降低,也
22、可能是未按照目的基因两端的核苷酸序列来设计引物,因此可以采取的措施是降低退火温度、重新设计引物等。3.(1)受伤的(2分)叶片伤口处的细胞释放出大量酚类物质,可吸引农杆菌移向这些细胞(3分)(2)甜蛋白基因(2分)核基因组(2分)(3)茎尖(3分)(4)按照人们的愿望进行设计,并通过体外重组和转基因等技术,赋予生物新的遗传特性,创造出符合人们需要的新生物类型(3分)【解析】(1)当植物体受到损伤时,伤口处的细胞会分泌大量的酚类化合物,吸引农杆菌移向这些细胞,因此用农杆菌感染时,优先选用黄瓜受伤的叶片。(2)若在转基因黄瓜中检测到这种甜蛋白,说明目的基因(甜蛋白基因)在受体细胞中已经完成表达;若
23、甜蛋白基因整合到线粒体基因组或叶绿体基因组中,在遗传时遵循母系遗传,不会出现固定的分离比,子代中含甜蛋白个体数与不含甜蛋白个体数之比为1:1,则说明甜蛋白基因已经整合到核基因组中。(4)基因工程是指按照人们的愿望,进行严格的设计,并通过体外DNA重组和转基因等技术,赋予生物新的遗传特性,从而创造出符合人们需要的新生物类型和生物产品。4.(每空3分)(1)胰岛B细胞胰岛A细胞(2)DNA胰岛素原(3)菌体【解析】(1)由题意可知,前胰岛素原在细胞内经加工后成为胰岛素,人体合成胰岛素的细胞是胰岛B细胞,故前胰岛素原是在胰岛B细胞中合成的;合成胰高血糖素的细胞是胰岛A细胞。(2)根据胰岛素原的氨基酸序列,可设计并合成编码胰岛素原的DNA序列(即目的基因);用该序列与质粒表达载体构建胰岛素原基因重组表达载体,再经过细菌转化、筛选及鉴定,即可建立能稳定合成胰岛素原的基因工程菌。(3)根据题意,培养液无抗原抗体反应,菌体有抗原抗体反应,说明胰岛素原在菌体内部,所以用该工程菌进行工业发酵时,应从菌体中分离、纯化胰岛素原,经酶处理便可转变为胰岛素。
