生物学新技术与人类基因组计划

生物学新技术与人类基因组计划生物学新技术与人类基因组计划 【学习指导】 1了解基因工程等生物新技术所依据的生物学原理和基本操作过程。 2了解人类基因组计划的最新进展，展望生物科学的美好未来。 【专题讲座】 人类基因组计划：由美国科学家于 1985 年率先提出，旨在阐明人类基因组所包含 的 30 亿个碱基对的序列，发现所有人类基因并弄清楚其在染色体上的位置，破译人类 全部遗传信息，从而最终弄清每一种基因所表达的蛋白质及其作用。人体大约有 30%40%的基因与人类疾患有关，其中有上千个基因又与肿瘤有关。因此，能图解这 些基因就成为现代生物学的最重要的内容之一。 人类基因组计划的基本历程： 1990 年 10 月，国际人类基因组计划启动。 1998 年 5 月，美国一批科学家成立私营塞莱拉遗传公司，与国际人类基因组计划 展开竞争。 1999 年 9 月，中国加入国际人类基因组计划，是继美、英、日、德、法之后的第 六个国际人类基因组计划参与国，也是参与这一计划的唯一的发展中国家。 1999 年间月，国际人类基因组计划联合研究小组完整地破译出人体第 22 对染色体 的遗传信息。 2000 年 4 月，中国科学家完成 1%的人类基因组的工作框架图。 2000 年 6 月 26 日，国际人类基因组计划联合研究小组与塞莱拉遗传公司同时公布 人类基因组工作草图。 2001 年 12 月，科学家联合公布了人类基因组图谱及对该图谱的初步分析结果。中 国科学家完成了其中 11%的工作。分析结果表明人类基因有 61%与果蝇的基因同源， 43%与线虫的基因同源，46%与酵母菌的基因同源。人类第 17 号染色体上的全部基因 几乎都可以在老鼠的 11 号染色体上找到。人类基因的数目大约在 3 万4 万之间，而 不是此前科学家们普遍认为的 10 万个。科学家们认为人类基因如此之“少” ，可能与 人类基因的高效性有关，每一种人类基因可能指导合成 3 种以上的蛋白质。 现代生物学技术及生物工程；是以重组 DNA 技术和细胞融合技术为基础，包括基 因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程等四大体系组成的高新技术。与信息、新材料 和新能源技术并列成为影响国计民生的四大科学技术支柱，是 21 世纪高新技术产业的 先导。现重点介绍基因工程。 基因工程的历史回顾： 1973 年，美国科学家科恩把两个不同的质粒间个为抗四环素质粒，另 1 个是抗链 霉素质粒） ，拼接在一起组成嵌合质粒，此质粒导人大肠杆菌后，能在其中复制并表达 双亲质粒的遗传信息。 1974 年，通过基因工程技术已达到可使真核生物的基因（蛙的基因）在原核生物 中（大肠杆菌）复制与表达的水平。 2 1977 年，科学家用人工方法合成了人的基因，通过嵌合质粒转入大肠杆菌中， “生 产”出了具有生物活性的人脑激素生长激素释放抑制素（一种蛋白质） 。 1978 年，科学家将人工合成的人的胰岛素基因转人大肠杆菌中，产生具有生物活 性的人胰岛素。 1982 年，用克隆的方法得到的大鼠生长激素基因，连接上调控信号后注入小鼠的 受精卵中，将此受精卵植入小鼠子宫内，培育出了体重加倍的“超级小鼠” 。1983 年， 实现了异种高等植物间的基因的转移与表达。 1987 年，美国科学家通过转基因技术，培育出了具有抗虫能力的番茄；萤火虫的 荧光基因在烟草植物细胞中得到了表达，轰动一时。 1993 年，进入大田栽培的转基因植物超过 1 千种，许多转基因作物进入商业耕作 阶段。 1996 年，中国科学家培育出了 5 头转基因羊，其乳汁中含有人凝血因子蛋白。 2000 年，全球生物技术产值已达 3400 亿美元，预计 10 年之内可达到 30000 亿美 元，成为第二大高新技术产业。 基因工程的操作过程： 1制备所需要的基因（目的基因） 。可采用从生物的 DNA 分子上“剪切”或者人 工合成等方法得到。 2体外重组 DNA。选择目的基因所适合的运载工具基因载体如质粒、病毒 等，然后在生物体外使目的基因的 DNA 片断与载体的 DNA 结合起来，形成杂合子。 3基因转移即将重组的 DNA 杂合分子，自选定的生物受体细胞中转移，让重组 的 DNA 杂合分子在受体中的主复制、转录、翻译得以表达。也可用基因枪法、激光微 束穿孔法，显微注射法等方法直接将目的基因转入受体细胞（如受精卵细胞） 。 4筛选。找出已转化细胞或个体，即检测外源 DNA 所携带的遗传信息是否得到 了表达。 【综合例析】 例题 1：阅读下列短文：干扰素是人或动物细胞受到病原微生物的诱导刺激后产生 的蛋白质，它作用于邻近的细胞，能使之产生一类能干扰和抑制病原微生物的复制， 使自身免受伤害的蛋白质。干扰素不具有特异性，能用于病毒性疾病及恶性肿瘤的治 疗。干扰素过去只能从人的血液中提取，每 30 万毫升人血才能提取互毫克，因而价格 十分昂贵。科学家们把能产生干扰素的人细胞与鼠细胞融合成人一鼠杂种细胞，这种 杂种细胞在培养液中能进行分裂，也能合成干扰素，但随着分裂的进行，杂种子细胞 会逐步“丢失”人细胞染色体。如果丢失了人的某条染色体后，杂种细胞便不再产生 干扰素，或者杂种细胞中除了鼠的全套染色体外只剩下一条人的染色体仍能产生干扰 素，那么即可将干扰素基因定位于该染色体上。通过这种方法，科学家们知道了控制 干扰素合成的基因定位于人的第 5 号染色体上。科学家们利用特殊的“剪刀”限 制性核酸内切酶将其剪下，插到适当的载体上，再将这种重组体导人大肠杆菌或酵母 菌，进行培养后就可以获得大量与人细胞所产生的一样的干扰素。利用这种基因工程 的方法产生干扰素，每公斤微生物培养物可得到 2040mg。价格可望下降到只有原来 3 的 1/150。图示如下： 据以上叙述，结合你学过的生物知识，回答下列问题： （1）下列有关干扰素的叙述，不正确的是 A 干扰素不能直接对病原微生物起抑制作用 B 由于干扰素不具有特异性故能治疗所有恶性肿瘤 C 产生干扰素的细胞是被病原微生物侵袭过的细胞 D 人及其它动物能产生干扰素来保护邻近细胞的事实说明了生物体是一个统一的 整体 （2）文中所指的“载体”名称是 ，由 提供。 （3）医学上干扰素一般制成 （针剂、口服的药丸） ，保存的条件是 ，其理由是 。 （4）知道了干扰素的氨基酸排列顺序，也可以人工合成干扰素基因，简述其合成 原理： 。 （5）大肠杆菌等微生物是基因工程最早的突破口和最常用的实验材料，这是因为： 大肠杆菌结构 ，容易从体内取出和导入 ； 大肠杆菌繁殖 ，产量大，成本低。 （6）大肠杆菌（基因工程菌）生产人干扰素的原理是：“目的基因”与大肠杆菌 的 DNA 分子结合，并在大肠杆菌分裂时随大肠杆菌的 DNA 一起复制，形成带有“目 的基因”的新大肠杆菌菌株，使大肠杆菌在“目的基因”的控制下合成相应蛋白质 4 人的干扰素。 图中的大肠杆菌 b 不同于大肠杆菌 a 的特点是 b 含有 ，这种变异属于可 遗传变异类型中的 。 “目的基因”能在大肠杆菌内表达其功能，说明人和大肠杆菌共用一套 ，也说明人和大肠杆菌之间有一定的 。 【参考答案】 （1）答案是 B。干扰素只对由 DNA 病毒或 RNA 病毒引发的恶性肿瘤有疗效，许 多恶性病毒是自身细胞基因突变造成的。 （2）质粒，大肠杆菌 （3）针剂，低温避光。干扰素是蛋白质，如制成口服药丸会在胃肠中被水解成氨 基酸。高温、强光下保存会使蛋白质结构变性，失去生理活性。 （4）根据干扰素的氨基酸排列顺序和遗传密码表，确定信使 RNA 上的碱基序列， 然后根据碱基互补配对的原则确定 RNA 的碱基对排列顺序，以此为蓝图合成干扰素基 因。 （5）简单，基因（DNA 片段） 速度快 （6）目的基因，基因重组 密码子，亲缘关系 要学会从题干中找出相关背景知识，类似于语文、英语考题中的阅读理解题型， 如本题的第一小题即如此。 【综合训练】 1据报道，英国乡村植物种类急剧减少，已有数十种草本植物绝灭，使生物多样 性受到严重威胁。其原因是农民大量使用化肥，使土壤中含氮量太高，导致大部分野 花在生存竞争中败下阵去，取而代之的是疯长的荨麻。 （1）氮是植物生长的三要素之一，许多野花、野草在氮过多的土壤中却生长不良 甚至造成物种绝灭，其根本原因是 。 （2）短文中所指的“生物多样性”指的是： 。 生物体与无机环境之间氮的循环途径是：固氮细菌将大气中的氮进行生物固氮， 成为硝酸盐进入土壤，被植物吸收，成为植物体内的有机成分；植食动物摄食后，又 成为动物的有机成分。 （3）氮构成生物体的有机成分是： 和 。 生活在豆科植物根部的根瘤菌；能将大气中游离态氮经固氨酶的作用生成氨的化 合物，以利于植物的利用，而豆科植物为根瘤菌提供营养物质。 （4）根瘤菌和豆科植物的关系在生物学上称为 。根瘤菌之所以能进行固氮 作用，是因为它有独特的固氮菌，而根本原因是它具有独特的 。 （5）科学家们正试图将固氮基因重组到稻、麦等经济作物的细胞中，建立“植物 的小化肥厂” ，让植物本身根据所需直接固氮，这样就可以免施氮肥，不会造成土壤污 染。如果这种重组能实现的话，那么固氮基因最终实现表达的遗传信息转移的途径是 5 。 （6）这种生物固氮和工业合成氨来比较，它是在 、 条件下进行的， 从而节省了大量的器材、设备和 。 2阅读短文：2000 年 6 月 26 日，由美、英、日、法、德和中国科学家联合组成 的国际科研组织宣布：人类基因组草图已绘就。这张草图的绘就，是科学界的重要里 程碑。 “人类基因组计划”的目标是：为人类基因组的 30 亿个碱基对精确测序，识别 各个基因在染色体上的位置及各 DNA 片段的功能，弄清每种基因所控制合成的蛋白质 及其作用。 人类基因组约合 510 万个基因，而迄今仅 1/10 被克隆和确定。如人类第 22 号染 色体上定位 679 个基因，其中 55%是新发现的。这些基因主要与人类的先天性心脏病、 免疫功能低下和多种恶性肿瘤等有关。此外还发现第 22 号染色体上约有 160 个基因与 鼠的基因有相似的碱基顺序。科学家宣称：“基因是未来医学的基础” ，他们希望尽快 找出各种致病基因，开发出新药并及时加以治疗。估计那些由基因突变引起的癌症、 糖尿病、心血管疾病、肥胖症、由病毒引发的艾滋病等疾病能在 20 年之内被科技彻底 打败。 也许在不久的将来，每个人都会拥有一张带有个人基因资料的“基因智能晶片” ， 就诊时医生只要将此品片插入电脑，屏幕上就会显示病人在何种情况下容易受到哪些 病毒的入侵，哪些药物会引起过敏反应，这样医生就可以针对病人的基因模式对症下 药。当然，许多药物可能是由基因工程方法生产的具有生物活性和专一性，而又没有 任何副作用的蛋白质类药物。 根据上述材料回答下列问题： （1） “人类基因组草图巴绘就”指的是 A 人类杂色体上的所有基因都已精确定位 B 人类染色体上的碱基对排列顺序已确定 C 人类所有与遗传疾病有关的基因都已在染色体上定位 D 只弄清人类基因组包含 30 亿个碱基对 （2）科学家们发现人与鼠的某些基因间有相似的碱基顺序，这从 水平上证 明了人与鼠存在着 ，两者具有 。 （3） “人类基因组计划”需要测定人类的 24 条染色体的基因和碱基顺序。指出是 哪 24 条染色体？为什么不是测定 23 条染色体或 46 条染色体？ （4）在上述 24 条染色体中，估计基因的碱基对数目不超过全部 DNA 碱基对的 10%。试问平均每个基因最多含多少个碱基对？ （5）你认为完成“人类基因组计划”有哪些意义？ 3下图为爱滋病病毒 （HIV）侵染人体淋巴细胞及 其繁殖过程的示意图。请据图 分析（提示：HIV 是一种球形 病毒，外有蛋白质组成的外壳， 6 内有两条 RNA。 ） （1）图中 3 表示病毒正在侵入淋巴细胞，进入淋巴细胞的是病毒的 。 图示全过程可以证明：l 和 9 具有相同的结构和功能，这一事实说明 。 （2）图中 4 至 5 的过程在生物学上称为 过程。图中 6 至 7 是形成病毒蛋 白质的过程，该过程需要经过 和 两步。图中 6 至 8 的过程中，6 的腺嘌呤 是与 8 的 互补配对。 （3）目前科学家研制出治疗爱滋病的药物是用来阻止 4 至 5 过程的进行，其原理 是该药物能抑制 的活性。 【参考答案】 1 （1）土壤养分不平衡，引起“喜氮”植物疯长，导致其它草本植物得不到阳光 与空间，因而死亡。 （2）遗传多样性，物种多样性，生态系统多样性 （3）蛋白质、核酸 （4）共生；固氨酶基因 （5）DNA 片断（固氨酶基因）m