2017-2018学年高中生物第章基因工程第节基因工程的应用及产业化前景同步备课教学案.docx

第3节基因工程的应用及产业化前景目标导读1.阅读教材P8386内容，了解动植物基因工程成果。2.分析教材P8691图文，简述基因治疗和基因芯片。重难点击1.动植物基因工程成果。2.基因治疗和基因芯片。方式一基因工程自20世纪70年代兴起后，在短短的几十年间，得到了飞速的发展，目前已经成为生物科学的核心技术。基因工程在实际应用领域农牧业、工业、环境、能源和医疗卫生等方面，也展示出美好的前景。我们今天就一起来分享一下它的成果吧！方式二胰岛素是治疗糖尿病的特效药。一般临床上使用的胰岛素主要从猪、牛等家畜的胰腺中提取，每100 kg胰腺只能提取45 g胰岛素。用该方法生产的胰岛素产量低，价格昂贵，远不能满足社会需要。1979年，科学家将动物体内的胰岛素基因与大肠杆菌DNA分子重组，并在大肠杆菌内实现了表达。1982年，美国一家基因公司用基因工程方法生产的胰岛素投入市场，售价降低了30%50%。可以看出利用转基因微生物生产药物与传统的制药相比的优越性：无需大型装置和大面积厂房就可以生产出大量药品、降低生产成本，减少生产人员和管理人员，而且可以解决传统制药中原料来源不足的问题。基因工程取得了哪些丰硕成果，还有哪些进展，让我们一起来学习吧。一、动植物基因工程成果1植物基因工程成果(1)突破了传统杂交育种的局限性传统杂交育种的不足：育种周期长，易丢失优良基因。转基因植物的实例a抗病植物：如抗病毒的烟草和马铃薯是导入了抗病毒基因。b抗虫植物：抗虫玉米和抗虫棉花是把苏云金杆菌体内的一种编码毒素蛋白的基因导入玉米和棉花，减少了喷洒农药造成的污染。c优质植物：把编码赖氨酸的基因转入小麦基因组，培育出了富含赖氨酸的小麦。转基因技术的优点：克服了远源种及种间杂交不育或不能杂交的障碍，使得生物界存在的抗病虫害基因、优良的品质基因等都可以重组到植物染色体上，从而培育出优良的品种，同时还缩短了育种周期。(2)开辟了生产疫苗的新途径：科学家培育出一种可以生产乙肝疫苗的转基因胡萝卜，通过生吃或榨汁食用就可以达到接种疫苗的效果。2动物基因工程成果(1)改良畜禽经济性状的新思路快速生长动物：通过转基因技术，使受体动物合成某些必需的氨基酸，或改变动物的生长调节系统，进而促进动物生长、提高饲料的利用率。如把人的生长激素基因导入猪的受精卵得到的转基因猪生长速度和饲料利用效率显著提高。抗病动物：将抗病基因导入动物体内，提高动物的抗病能力。(2)动物生物反应器为医药事业开辟了新途径乳腺生物反应器的优势a乳腺是外分泌器官，乳汁不会影响转基因动物本身的生理代谢反应。b从乳汁中获取的基因产物，不但产量高，易提纯，而且表达的蛋白质经过充分的修饰加工，具有稳定的生物活性。动物生物反应器生产的药物1抗胰蛋白酶、凝血因子、生长激素等。知识提炼基因工程育种和传统杂交育种的比较项目杂交育种基因工程育种原理基因重组异源DNA(基因)重组处理方法杂交自交筛选。先通过两个具有不同优良性状的纯种杂交得到F1，然后再将F1自交，人工筛选获取所需品种提取重组导入筛选表达。即目的基因的获得基因表达载体的构建目的基因的导入目的基因的检测与表达产物的测定优点操作简便可以按照人的意愿改造生物，克服远缘杂交不亲和的障碍，目的性强，科技含量高缺点育种时间长技术复杂、操作繁琐应用生物工程技术可获得人们需要的生物新品种或新产品。请据图回答下列问题：1在培育转人生长激素基因牛的过程中，过程需要的工具酶有哪些？过程常用的方法是什么？答案限制性内切酶、DNA连接酶；显微注射技术。2该转基因牛的所有细胞中都有人的生长激素基因吗？为什么？答案都有。因为该转基因牛的所有细胞都来自受精卵的有丝分裂。3要使转人生长激素基因牛可通过分泌的乳汁来生产人生长激素，在基因表达载体中，应如何设计？答案在人生长激素基因的上游连接上专一在乳腺细胞中表达的蛋白质基因的启动子。4抗虫棉的培育过程中，受体细胞一定也是受精卵吗？答案不一定。也可以是体细胞。5抗虫棉培育成功后，其效果会不会持久不变？答案不会，棉铃虫也会对其产生抗性。1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合成人的生长激素并分泌到尿液中。请回答下列问题：(1)将人的生长激素基因导入小鼠受体细胞，常用的方法是_。(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。答案(1)显微注射法(2)受精卵(或早期胚胎)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中表达(3)分子杂交检测(4)膀胱上皮解析在基因工程中，若受体细胞是动物细胞，常采用显微注射的方法导入目的基因。若要使小鼠膀胱上皮细胞合成人的生长激素，在进行基因转移时，当作受体细胞的通常是受精卵，其原因是受精卵具有全能性，可使外源基因在相应组织细胞中得到表达。检测目的基因是否插入到受体细胞的基因组，通常采用的是DNA分子杂交技术。二、基因治疗和基因芯片1基因治疗(1)基本原理：将健康和正常的基因通过某种载体导入人体细胞中有缺损或有变异基因的部位，并使目的基因在机体内有效表达，达到防治疾病的目的。(2)操作程序：目的基因的选择和制备运载体的选择靶细胞的选择目的基因进入靶细胞的方式外源基因表达的检测。(3)治疗对象：血友病、严重贫血、关节炎、心血管病、癌症、甚至艾滋病等疑难顽症。(4)存在的问题目的基因的安全性问题a应确认目的基因进入人体后不会产生有害的遗传变异。b目的基因的表达应有一定的可控性。运载体问题运载体优点不足脂质体导入效率低，无靶向性病毒逆转录病毒安全；针对增殖的细胞导入效率非常低腺病毒导入效率高；可以对生殖细胞进行导入，便于治疗遗传病与代谢病引起严重的免疫反应致病多基因问题：对多基因遗传病难以收到较好的疗效。2基因芯片(1)制作过程将多个DNA片段粘在玻璃上，将每一个DNA片段的序列信息和所粘贴的位置贮存到计算机里。(2)工作原理：分子杂交技术。待测DNA样品荧光标记与基因芯片进行分子杂交信号输入计算机统计分析检测出待测样品的DNA序列。(3)优点：一次可以检测大量的基因。(4)基因芯片的用途监测基因表达的变化、分析基因序列、寻找新的基因和新的药物分子。研究基因的功能以及生物体在进化、发育、遗传等过程中的规律。复合型免疫缺陷症是一种遗传疾病，患者由于腺苷脱氨酶基因出现缺陷，造成体内缺乏腺苷脱氨酶；而腺苷脱氨酶是人体免疫系统发挥正常功能作用所必需的，因此，患者不能抵抗病原微生物的威胁。下图是用基因治疗的方法治疗该病的过程图，请分析下列问题：1治疗该病可不可以将正常人的免疫细胞直接输入患者体内？答案不行。会发生排斥反应，输入的细胞无法存活。2研究人员将腺苷脱氨酶基因转入患者的什么细胞？为什么不能转入其他的体细胞？答案淋巴细胞。腺苷脱氨酶是人体免疫系统发挥正常功能所必需的，淋巴细胞中具有这种酶才能产生免疫物质。3经基因治疗的患者体内是否还存在缺陷基因？答案存在。基因治疗只是导入正常基因，并没有去除缺陷基因。4怎样鉴定该患者是否治疗成功？答案鉴定患者产生抗体的能力是否明显改善，免疫能力是否明显提高。知识拓展体外基因治疗和体内基因治疗的比较 途径比较体外基因治疗体内基因治疗不同点方法从患者体内获得某种细胞细胞培养体外完成基因转移筛选、细胞扩增输入体内外源基因载体携带体内相应组织细胞特点操作复杂，但效果可靠方法较简单，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临床试验阶段2基因治疗是指()A用DNA探针修复缺陷基因B用DNA探针检测疾病C将正常基因导入有基因缺陷的细胞中D将外源基因导入受体细胞答案C解析基因治疗是指将人的正常基因或有治疗作用的基因通过一定方式导入病人的靶细胞，以纠正基因的缺陷，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病目的的生物医学新技术。3下列关于基因芯片的应用的叙述，错误的是()A对药物进行基因芯片检测B只能对细胞分化的基因表达情况进行分析C通过对正常和疾病状态下基因表达情况的研究可以寻找和发现新基因D研究生物体在进化、发育和遗传过程中的规律答案B解析基因芯片可以用于监测基因表达的变化、分析基因序列、寻找新的基因和新的药物分子，还可以用来研究基因的功能以及生物体在进化、发育、遗传等过程中的规律。1能够使植物体表达动物蛋白的育种方法是()A单倍体育种 B杂交育种C基因工程育种 D多倍体育种答案C解析要让动物蛋白在植物体内表达，必须将控制动物蛋白合成的相关基因导入植物细胞中并让其表达，因此需要通过基因工程技术才能实现。2抗病毒转基因植物成功表达后，以下说法正确的是()A抗病毒转基因植物可以抵抗所有病毒B抗病毒转基因植物对病毒的抗性具有局限性或特异性C抗病毒转基因植物可以抗害虫D抗病毒转基因植物可以稳定遗传，不会变异答案B解析抗病毒转基因植物只能抵抗某些病毒，不是所有病毒，不可以抗虫，抗病毒基因和植物体其他基因一样存在基因突变的可能。3科学家已能运用基因工程技术，让羊合成并由乳腺分泌抗体，下列相关叙述中，正确的是()该技术将导致定向变异DNA连接酶把目的基因与运载体黏性末端的碱基对连接起来蛋白质中的氨基酸序列可为合成目的基因提供资料受精卵是理想的受体A BC D答案B4治疗复合型免疫缺陷症、白化病、囊性纤维化病等人类遗传病的根本途径是()A口服化学药物B注射化学药物C利用辐射或药物诱发致病基因突变D采用基因治疗法纠正或弥补缺陷基因带来的影响答案D解析治疗遗传病的根本途径是基因治疗。5如图所示为人体正常红细胞和镰刀型细胞贫血症患者红细胞形态及镰刀型细胞贫血症的基因治疗过程，请回答以下问题：(1)_图细胞为镰刀型细胞贫血症的红细胞，这种病是由于_造成的。(2)写出以下结构或物质的名称：A_；D._。(3)写出以下过程的操作内容：_；用携带正常基因的运载体(病毒)侵染造血干细胞；_；_。(4)该方法属于_(填“体内”或“体外”)基因治疗，其特点是_。答案(1)乙基因突变(2)合成血红蛋白的正常基因(目的基因)造血干细胞(3)将正常基因导入到运载体中将基因表达载体(携带正常基因)导入到造血干细胞染色体上将经过改造的造血干细胞输入到患者骨髓中产生正常的血细胞(4)体外操作复杂但效果较为可靠解析(1)由于基因突变使红细胞在形态上呈镰刀状而易破碎，如图乙。(2)在基因治疗过程中，A为目的基因，可以与运载体结合后导入受体细胞中，D作为受体细胞，应为具有持续分裂能力的造血干细胞。(3)基因治疗过程应有四个步骤；其中为将基因表达载体导入受体细胞D的染色体上，为将具有正常功能的造血干细胞转移至体内，由此可知，此过程为体外基因治疗。课时作业基础过关1若利用基因工程技术培育能固氮的水稻新品种，其在环境保护上的重要意义是()A减少氮肥使用量，降低生产成本B减少氮肥生产量，节约能源C避免使用氮肥过多引起的环境污染D改良土壤的群落结构答案C解析农业生产中大量使用氮肥容易造成水体富营养化，引起淡水“水华”、海洋“赤潮”现象，造成环境污染。利用基因工程技术培育能固氮的水稻新品种，可减少氮肥施用量，避免水体富营养化，保护环境。2运用现代生物技术的育种方法，将抗菜青虫的Bt毒蛋白基因转移到优质油菜里，培育出抗虫的转基因油菜品种。根据以上信息，下列叙述正确的是()ABt毒蛋白基因的化学成分是蛋白质BBt毒蛋白基因中会有菜青虫的遗传物质C转基因抗虫油菜能产生杀虫蛋白是由于具有Bt毒蛋白基因D转基因抗虫油菜产生的杀虫蛋白是无机物答案C解析转基因油菜抗虫性状的出现，是通过转基因技术导入的外源Bt毒蛋白基因在油菜体内表达的缘故。Bt毒蛋白基因为双链的DNA片段，来自原核生物，其中不含有菜青虫的遗传物质。Bt毒蛋白基因表达产生的蛋白质是高分子有机化合物。3动物乳腺反应器是指()A利用微生物发酵原理生产乳汁代用品的发酵罐B通过细胞培养技术培养动物乳腺细胞获得其细胞产物的培养设备C乳汁中含有表达产物的转基因哺乳动物D安装在哺乳动物乳腺中的监测仪器，用于研究乳汁中某些物质的生成途径答案C4基因治疗是把健康的外源基因导入()A患者的所有细胞中B患者的某些功能细胞中C患者的DNA分子中D以上均不正确答案B解析基因治疗是向目标细胞(患者的某些功能细胞)中引入正常功能的基因，以纠正或补偿基因的缺陷，达到治疗目的。而不是把健康的外源基因导入所有的细胞或DNA分子中。5上海医学遗传研究所成功培育出第一头携带白蛋白的转基因牛，他们还研究出一种可大大提高基因表达水平的新方法，使转基因动物乳汁中的药物蛋白含量提高30多倍。“转基因动物”是指()A提供基因的动物B基因组中增加外源基因的动物C能产生白蛋白的动物D能表达基因信息的动物答案B解析转基因生物是指利用基因工程技术导入外源基因培育出的能够将新性状稳定地遗传给后代的基因工程生物。转基因动物是指基因中增加了外源基因的动物，如题目中的转基因牛携带有外源的白蛋白基因。6由南开大学研发的“乙肝病毒基因诊断芯片”是具有450个点的基因芯片，记录着429种肝炎病毒基因类型，每个点分别对应一段病毒基因序列，可以检测出患者的病毒类型和变异情况。下列有关基因芯片的叙述错误的是()A该芯片含有429段基因序列B原理是DNA分子杂交技术CDNA探针是待测样品D一次可以检测大量的基因答案A能力提升7番茄营养丰富，是人们喜爱的蔬菜。普通番茄细胞中含有多聚半乳糖醛酸酶的控制基因，控制细胞产生多聚半乳糖醛酸酶，该酶能破坏细胞壁，使番茄软化，不耐贮藏。科学家通过基因工程将一种抗多聚半乳糖醛酸酶的基因导入番茄细胞，获得了抗软化番茄。下列关于培育抗软化番茄的叙述，错误的是()A运载工具是质粒B受体细胞是番茄细胞C目的基因为多聚半乳糖醛酸酶基因D目的基因的表达延缓了细胞的软化答案C解析抗软化番茄的培育是以质粒作为运载体，将目的基因(抗多聚半乳糖醛酸酶基因)与质粒结合形成重组DNA，利用含重组DNA的土壤农杆菌去感染普通番茄，目的基因进入普通番茄细胞中的染色体DNA上，从而使多聚半乳糖醛酸酶基因不能表达。8科学家运用基因工程技术，将人凝血因子基因导入山羊的DNA中，培育出羊乳腺生物反应器，使羊乳汁中含有人凝血因子。以下有关叙述，正确的是()A可用显微注射技术将含有人凝血因子基因的重组DNA分子导入羊的受精卵中B在该转基因羊中，人凝血因子存在于乳腺细胞，而不存在于其他细胞C人凝血因子基因开始转录后，DNA聚合酶以DNA分子的一条链为模板合成mRNAD科学家将人凝血因子基因与乳腺蛋白基因重组在一起，从而使人凝血因子基因只在乳腺细胞中特异性表达答案A解析将目的基因导入动物细胞最有效的方法是显微注射法，因此可用显微注射技术将含有人凝血因子基因的重组DNA分子导入羊的受精卵，A正确；在该转基因羊中，人凝血因子存在于所有细胞中，但只在乳腺细胞中表达，B错误；人凝血因子基因开始转录后，RNA聚合酶以DNA分子的一条链为模板合成mRNA，C错误；科学家将人凝血因子基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，从而使人凝血因子基因只在乳腺细胞中特异表达，D错误。91996年10月，在上海奉新动物实验场成功培育出5只整合了人凝血因子基因的转基因羊(3只公羊A1、A2、A3,2只母羊B1、B2)，其中母羊B1于次年产下小羊羔进入了泌乳期。下列各项，哪些可能含有人活性凝血因子蛋白()母羊B1的乳汁中喂养转基因羊乳汁的其他小羊细胞中公羊A1的体细胞中母羊B1产下的小羊羔身体中A BC D答案C解析培育出的5头转基因羊都能产生人凝血因子，但喂养了转基因羊乳汁的小羊细胞内没有人凝血因子，因为凝血因子属于蛋白质，在羊的消化道内被分解成了氨基酸，故排除项。10腺苷脱氨酶(ADA)基因缺陷症是一种免疫缺陷病，对患者采用基因治疗的方法是：取出患者的淋巴细胞，进行体外培养时转入正常ADA基因，再将这些淋巴细胞注射入患者体内，使其免疫功能增强，能正常生活。下列有关叙述中，不正确的是()A正常ADA基因替换了患者的缺陷基因B正常ADA基因通过控制ADA的合成来影响免疫功能C淋巴细胞需在体外扩增后再注射入患者体内D腺苷脱氨酶(ADA)基因缺陷症属于先天性免疫缺陷病答案A解析基因治疗是将正常的基因导入到有基因缺陷的细胞中，正常的ADA基因可以控制合成正常的ADA来影响免疫功能；为获得大量含ADA正常基因的淋巴细胞，需在体外扩增后再注入患者体内；腺苷脱氨酶(ADA)基因缺陷症属于先天性免疫缺陷病。11利用基因工程生产蛋白质类药物，经历了三个发展阶段。第一阶段：将人的基因转入细菌细胞；第二阶段：将人的基因转入小鼠等动物的细胞。前两个阶段都是进行细胞培养，提取药物。第三阶段：将人的基因转入高等动物体，饲养这些动物，从乳汁、尿液等中提取药物。请回答下列问题：(1)将人的基因转入异种生物的细胞或个体内，能够产生药物蛋白的原理是基因能控制_(以遗传信息图示表示)过程。(2)为了获得更多的目的基因，可以用_技术使目的基因在生物体外大量扩增。(3)由于重组DNA分子成功导入受体细胞的频率_，所以在转化后通常需要进行_操作。(4)利用转基因牛、羊乳汁提取药物工艺简单，甚至可以直接饮用治病。如果将药物蛋白基因移到动物如牛、羊的膀胱上皮细胞中，利用转基因牛、羊尿液生产提取药物比乳汁提取药物的更大优越性在于：处于不同发育时期的_(填性别)动物都可以产生药物。答案(1)DNARNA蛋白质(性状)(2)PCR(聚合酶链式反应)(3)低筛选(4)雌、雄性解析基因工程成功的标志是合成相应的蛋白质，表达出相应的性状；在实验室中可以通过PCR技术对目的基因进行扩增；目前条件下，基因工程的成功率还是比较低的，所以要进行逐步地筛选；在选择基因表达生物时，要注意方便与可行性。121990年科学家们对一位缺乏腺苷脱氨酶基因而患先天性体液免疫缺陷病的美国女孩进行基因治疗，其方法是首先将患者的白细胞取出作体外培养，然后用逆转录病毒将正常腺苷脱氨酶基因转入人工培养的白细胞中，再将这些转基因白细胞回输到患者的体内，经过多次治疗，患者的免疫功能趋于正常。据材料回答下列问题：(1)基因治疗是把健康的_导入有_的细胞中，以达到治疗疾病的目的。(2)在基因治疗过程中，逆转录病毒的作用相当于基因工程中基因操作工具中的_，此基因工程中的目的基因是_，目的基因的受体细胞是_。(3)将转基因白细胞多次回输到患者体内后，免疫能力趋于正常是由于白细胞中能合成_。(4)如图中甲所示的方法是从_的DNA中直接分离出基因，图乙所示的方法是用_的方法人工合成基因。答案(1)外源基因基因缺陷(或变异基因)(2)运载体(或基因的运输工具)腺苷脱氨酶基因白细胞(3)腺苷脱氨酶(4)供体细胞反转录解析第(4)小题中图甲表示用限制性内切酶将供体细胞的DNA切成许多片段，然后将片段通过运载体转入到不同的受体细胞，从中找到目的基因。图乙表示用目的基因转录成的信使RNA为模板，反转录成互补的单链DNA，再合成双链DNA，从而获得目的基因。13阅读材料，回答有关问题。材料可能成为世界首例实现商品化的转基因动物诞生于武汉的能快速生长的转基因鲤鱼，可能成为世界上第一种走出实验室，实现商品化的转基因动物。转基因鲤鱼有两种。一种是带有草鱼生长激素基因的转基因鲤鱼F1，和普通鲤鱼不同的是，它的背部高高隆起，肌肉十分发达。另一种是具有草鱼生长激素基因的转基因三倍体鲤鱼“吉鲤”，它长得酷似鲤鱼，除了有两套鲤鱼染色体外，还多了一套鲫鱼的染色体。基因改造在它们身上显示出巨大威力。据测算，饲养转基因鲤鱼F1和吉鲤，经济效益比普通鲤鱼可分别提高12.6%和52.11%。不过专家们也指出：尽管转基因产品带来的农业利益十分诱人，但不能不考虑其潜在的危险性，如果把抗药性基因、产生毒素的基因、致癌基因也导入到与人类有关的生物中，或实验室中培养的实验微生物中，如果它们逃逸出去，将是一场灾难。即使不是这样，某些基因拼接出来的生物，其性状也很难推测，它们的出现对地球生态系统是何种影响，也难以预料。因此，必须慎重对待。最引人注目的是，吉鲤都是不能生育的。也就是说，不用担心它在推广过程中与其他动物杂交引起生态危害。在中试基地，专家对转基因鱼进行了严密的食品消费安全性试验。转基因鱼有望走上大众餐桌。(1)文中的“转基因鲤鱼”是指遗传物质中转入了_基因的鲤鱼。该基因最可能与鲤鱼的_结合在一起，成为鲤鱼_的一部分。(2)转基因鲤鱼F1可能是指_。A用含有草鱼生长激素基因的饲料喂养的鲤鱼B转基因鲤鱼与普通鲤鱼的杂交第一代C转基因鲤鱼与草鱼的杂交第一代D转基因鲤鱼与鲫鱼的杂交第一代(3)从报道中可知，转基因鲤鱼F1，它的背部高高隆起，肌肉十分发达，这种变异属于生物三种可遗传变异类型中的_。“吉鲤”属于生物三种可遗传变异类型中的_。“吉鲤”体内的草鱼生长激素是在细胞的_(细胞器)上合成的。(4)培养不育的吉鲤，目的是为了避免_。答案(1)草鱼生长激素DNA基因组(2)B(3)基因重组染色体变异核糖体(4)生态危害解析从材料中可知，转基因鲤鱼带有草鱼的生长