北京专用2019版高考生物一轮复习第33讲基因工程课件.ppt

第33讲基因工程,突破1基因工程的操作工具,突破2基因工程的操作步骤,总纲目录,突破3基因工程的应用及蛋白质工程,一、基因工程的概念理解1.供体:提供目的基因的个体。,2.操作环境:无菌。,3.操作水平:DNA分子水平。,5.受体:表达目的基因的个体。,4.原理:基因重组。,6.本质:基因在受体生物体内表达。7.优点:克服远缘杂交不亲和的障碍,定向改造生物的遗传性状。,二、DNA重组技术的基本工具,1.限制性核酸内切酶(简称:限制酶)(1)来源:主要是从原核生物中分离纯化出来的。(2)作用:识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列并使每条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。(3)结果:产生黏性末端或平末端。,2.DNA连接酶,3.载体(1)种类:质粒、噬菌体的衍生物、动植物病毒等。(2)质粒特点,三、基因工程的操作程序,四、基因工程的应用,2.目标:根据人们对蛋白质功能的特定需求,对蛋白质的结构进行分子设计。,1.崛起缘由:天然蛋白质不一定完全符合人类生产和生活的需要。,五、蛋白质工程,4.设计流程: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相对应的脱氧核苷酸序列(基因)。,3.操作手段:基因修饰或基因合成。,1.转基因成果(1)工程菌DNA重组微生物。(2)基因制药。(3)转基因动物生物反应器。(4)转基因农作物。,六、转基因生物的安全性,2.安全性问题(1)食物安全:滞后效应(产生毒性蛋白质)、新的过敏原、营养成分改变。(2)生物安全:生物入侵,破坏生物多样性。(3)环境安全:破坏生态系统的稳定性和人类的生活环境。,3.理性看待转基因技术(1)需要正确的社会舆论导向,趋利避害,不能因噎废食。(2)制定符合本国利益的政策和法规,最大限度地保证转基因技术和产品的安全性。七、禁止生物武器,1.种类:病菌、病毒、生化毒剂及经过基因重组的致病菌。,2.我国政府态度:任何情况下不发展、不生产、不储存生物武器,并反对生物武器及其技术和设备的扩散。,1.胰岛素基因表达载体中的胰岛素基因可通过人肝细胞mRNA反转录获得。(),3.可利用DNA分子杂交技术鉴定目的基因是否已导入受体细胞。(),2.重组Ti质粒的构建需要限制性核酸内切酶和DNA聚合酶参与。(),4.在应用农杆菌侵染植物叶片获得转基因植株的常规实验步骤中,不需要用选择培养基筛选导入目的基因的细胞。(),5.外源DNA必须位于重组质粒的启动子和终止子之间才能进行复制。(),6.将大肠杆菌的质粒连接上人生长激素的基因后,大肠杆菌获得的能产生人生长激素的变异可以遗传。(),8.若要从植物甲中获得耐旱基因,可首先建立该植物的基因组文库,再从中筛选出所需的耐旱基因。(),7.表达载体的复制和胰岛素基因的表达均启动于复制原(起)点。(),10.基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质,而蛋白质工程则可对现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质。(),9.重组质粒与探针能进行分子杂交是因为DNA分子脱氧核糖和磷酸交替连接。(),突破1基因工程的操作工具,1.确定限制酶的种类(1)根据目的基因两端的限制酶切点确定限制酶的种类应选择切点位于目的基因两端的限制酶,如图甲可选择Pst。不能选择切点位于目的基因内部的限制酶,如图甲不能选择Sma。,2.限制酶与DNA连接酶的关系易混辨析(1)限制酶切割位点所处的位置必须是在所需的标记基因之外,这样才能保证标记基因的完整性,有利于目的基因的检测。(2)为使目的基因与载体形成相同的末端连接,通常使用同一种限制酶将二者切割,但如果不同的限制酶切割DNA分子所产生的末端也存在互补关系时,则两末端也可连接。(3)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。(4)限制酶是一类酶,而不是一种酶。(5)DNA连接酶起作用时,不需要模板。,1.下列有关基因表达载体的叙述,不正确的是()A.具有复制原点,使目的基因能在受体细胞内扩增B.具有启动子,使DNA聚合酶识别并开始转录C.具有标记基因,有利于目的基因的检测D.具有目的基因,以实现产生特定的基因产物,考向1以基础判断的形式,考查对基本工具的理解,B,答案B基因表达载体具有复制原点、启动子、目的基因、终止子和标记基因,复制原点使目的基因能在受体细胞内扩增。启动子是RNA聚合酶识别并结合的位点。标记基因可用于鉴别受体细胞中是否含有目的基因。目的基因表达可合成特定的基因产物。,考向2以实例分析或图示分析的形式,考查对基本工具的理解2.图甲、乙中的箭头表示三种限制性核酸内切酶的酶切位点,Ampr表示氨苄青霉素抗性基因,Ner表示新霉素抗性基因。下列叙述正确的是(),A.图甲中的质粒用BamH切割后,含有4个游离的磷酸基团B.在构建重组质粒时,可用Pst和BamH切割质粒和外源DNAC.用Pst和Hind酶切,加入DNA连接酶后可得到1种符合要求的重组质粒D.导入目的基因的大肠杆菌可在含氨苄青霉素的培养基中生长,答案C图甲中的质粒只有一个BamH切割位点,用BamH切割后形成一个直链DNA,含有2个游离的磷酸基团,A错误;BamH切割位点在目的基因上,不能用该酶切割外源DNA,B错误;用Pst和Hind酶切质粒形成两个片段,用Pst和Hind酶能将外源DNA切成4段,只有含目的基因的片段通过DNA连接酶与含标记基因的质粒连接形成的重组质粒符合要求,故C正确;Pst会破坏氨苄青霉素抗性基因Ampr,所以导入目的基因的大肠杆菌不能在含氨苄青霉素的培养基中生长,D错误。,3.(2016课标全国)某一质粒载体如图所示,外源DNA插入到Ampr或Tetr中会导致相应的基因失活(Ampr表示氨苄青霉素抗性基因,Tetr表示四环素抗性基因)。有人将此质粒载体用BamH酶切后,与用BamH酶切获得的目的基因混合,加入DNA连接酶进行连接反应,用得到的混合物直接转化大肠杆菌。结果大肠杆菌有的未被转化,有的被转化。被转化的大肠杆菌有三种,分别是含有环状目的基因、含有质粒载体、含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌。回答下列问题:,(1)质粒载体作为基因工程的工具,应具备的基本条件有(答出两点即可),而作为基因表达载体,除满足上述基本条件外,还需具有启动子和终止子。(2)如果用含有氨苄青霉素的培养基进行筛选,在上述四种大肠杆菌细胞中,未被转化的和仅含环状目的基因的细胞是不能区分的,其原因是;并且和的细胞也是不能区分的,其原因是。在上述筛选的基础上,若要筛选含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌单菌落,还需使用含有的固体培养基。(3)基因工程中,某些噬菌体经改造后可以作为载体,其DNA复制所需的原料来自于。,答案(1)能自我复制、具有标记基因(2)二者均不含有氨苄青霉素抗性基因,在该培养基上均不生长含有质粒载体含有插入了目的基因的重组质粒(或答含有重组质粒)二者均含有氨苄青霉素抗性基因,在该培养基上均能生长四环素(3)受体细胞解析(1)质粒作为载体应具备的基本条件有:能自我复制、具有标记基因、含有一至多个限制酶切割位点等。(2)由题意可知,未被转化的和仅含环状目的基因的细胞中均不含有氨苄青霉素抗性基因,所以在含有氨苄青霉素的培养基上均不能生长。质粒载体上含有氨苄青霉素抗性基因和四环素抗性基因,插入了目的基因的重组质粒中仅含有氨苄青霉素抗性基因,所以含有质粒载体和含有插入了目的基因的重组质粒的,细胞均能在含有氨苄青霉素的培养基上生长,但前者可以在含有四环素的培养基上生长而后者不能,所以可用含有四环素的培养基,筛选出含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌单菌落。(3)噬菌体属于病毒,病毒增殖过程中所需的原料、酶等均来自于受体细胞。,突破2基因工程的操作步骤,1.目的基因的获取(1)直接分离(2)人工合成,2.基因表达载体的构建(1)基因表达载体的组成及作用:(2)构建过程:,3.将目的基因导入受体细胞,4.目的基因的检测与鉴定,易混辨析目的基因的插入点不是随意的:基因表达需要启动子与终止子的调控,所以目的基因应插入启动子与终止子之间的部位。,1.(2017北京理综)为了增加菊花花色类型,研究者从其他植物中克隆出花色基因C(图1),拟将其与质粒(图2)重组,再借助农杆菌导入菊花中。,考向以基础判断或流程图分析的形式,考查基因工程的操作程序,下列操作与实验目的不符的是()A.用限制性核酸内切酶EcoR和连接酶构建重组质粒B.用含C基因的农杆菌侵染菊花愈伤组织,将C基因导入细胞C.在培养基中添加卡那霉素,筛选被转化的菊花细胞D.用分子杂交方法检测C基因是否整合到菊花染色体上,答案C本题主要考查基因工程的相关知识。由于C基因两端及质粒上均存在限制酶EcoR的酶切位点,因此,可采用限制酶EcoR和DNA连接酶构建重组质粒;用含C基因的农杆菌侵染菊花愈伤组织(即农杆菌转化法),可以将C基因导入细胞;由于质粒上存在潮霉素抗性基因(标记基因),因此,可以在培养基中添加潮霉素,筛选被转化的菊花细胞,C符合题意;可用分子杂交方法检测C基因是否整合到菊花染色体上。,2.(2017课标全国)真核生物基因中通常有内含子,而原核生物基因中没有,原核生物没有真核生物所具有的切除内含子对应的RNA序列的机制。已知在人体中基因A(有内含子)可以表达出某种特定蛋白(简称蛋白A)。回答下列问题:(1)某同学从人的基因组文库中获得了基因A,以大肠杆菌作为受体细胞却未得到蛋白A,其原因是。(2)若用家蚕作为表达基因A的受体,在噬菌体和昆虫病毒两种载体中,不选用作为载体,其原因是。,(3)若要高效地获得蛋白A,可选用大肠杆菌作为受体。因为与家蚕相比,大肠杆菌具有(答出两点即可)等优点。(4)若要检测基因A是否翻译出蛋白A,可用的检测物质是(填“蛋白A的基因”或“蛋白A的抗体”)。(5)艾弗里等人的肺炎双球菌转化实验为证明DNA是遗传物质做出了重要贡献,也可以说是基因工程的先导,如果说他们的工作为基因工程理论的建立提供了启示,那么,这一启示是。,答案(1)基因A有内含子,在大肠杆菌中,其初始转录产物中与内含子对应的RNA序列不能被切除,无法表达出蛋白A(2)噬菌体噬菌体的宿主是细菌,而不是家蚕(3)繁殖快、容易培养(4)蛋白A的抗体(5)DNA可以从一种生物个体转移到另一种生物个体解析本题主要考查基因工程的相关知识。(1)从人的基因组文库中获得的基因A中含有内含子,而大肠杆菌属于原核生物,故大肠杆菌不能切除基因A初始转录产物中与内含子对应的RNA序列,故基因A在大肠杆菌中无法表达出蛋白A。(2)由于病毒对宿主细胞的感染具有特异性,噬菌体只能寄生在细菌细胞中,不能感染家蚕细胞,故应选用可感染家蚕,的昆虫病毒作为载体。(3)与真核生物相比,大肠杆菌等原核生物具有繁殖快、容易培养、遗传物质相对较少等优点。(4)检测基因A是否翻译出蛋白A,一般用抗原抗体杂交的方法,即用蛋白A的抗体与从细胞中提取的蛋白质进行杂交,观察是否出现杂交带。(5)肺炎双球菌转化实验的实质是S型菌的DNA进入R型菌体内,并可在R型菌体内完成表达,这证明了DNA可以从一种生物个体转移到另一种生物个体,为基因工程奠定了基础。,突破3基因工程的应用及蛋白质工程,1.抗虫棉的培育(1)目的基因:Bt毒蛋白基因。(2)抗虫原理:Bt毒蛋白水解成多肽与肠上皮细胞结合,会导致细胞膜穿孔,细胞肿胀破裂,最后造成害虫死亡。注:Bt毒蛋白基因来自苏云金芽孢杆菌。(3)受体细胞(4)方法:花粉管通道法(也可用农杆菌转化法或基因枪法)。,2.动物反应器(1)外源基因:药用蛋白基因。(2)表达条件:药用蛋白基因+乳腺蛋白基因(膀胱内表达的相应基因)+启动子。(3)受体生物牛、羊等。(4)方法:显微注射法。(5)种类:乳腺反应器和膀胱反应器。前者受动物性别(只能是雌性)和年龄(哺乳期)限制,优点是不用提取可直接服用;后者需提取后服用,但不受动物性别和年龄的限制。,3.基因检测和基因治疗的比较,4.蛋白质工程(1)蛋白质工程崛起的缘由:基因工程只能生产出天然蛋白质,蛋白质工程是为了生产出符合人类生产和生活需要的蛋白质。(2)实质:根据蛋白质分子的结构规律及其与生物功能之间的关系,通过基因修饰或基因合成,以定向改造天然蛋白质,甚至创造自然界不存在的、具有优良特性的蛋白质。(3)基本原理:(4)应用,5.蛋白质工程与基因工程的比较,1.(2017课标全国)几丁质是许多真菌细胞壁的重要成分,几丁质酶可催化几丁质水解。通过基因工程将几丁质酶基因转入植物体内,可增强其抗真菌病的能力。回答下列问题:(1)在进行基因工程操作时,若要从植物体中提取几丁质酶的mRNA,常选用嫩叶而不选用老叶作为实验材料,原因是。提取RNA时,提取液中需添加RNA酶抑制剂,其目的是。(2)以mRNA为材料可以获得cDNA,其原理是。,考向1以实例分析的形式,考查基因工程的应用,(3)若要使目的基因在受体细胞中表达,需要通过质粒载体而不能直接将目的基因导入受体细胞,原因是(答出两点即可)。(4)当几丁质酶基因和质粒载体连接时,DNA连接酶催化形成的化学键是。(5)若获得的转基因植株(几丁质酶基因已经整合到植物的基因组中)抗真菌病的能力没有提高,根据中心法则分析,其可能的原因是。,答案(1)嫩叶组织细胞易破碎防止RNA降解(2)在逆转录酶的作用下,以mRNA为模板按照碱基互补配对的原则可以合成cDNA(3)目的基因无复制原点;目的基因无表达所需启动子(4)磷酸二酯键(5)目的基因的转录或翻译异常解析本题考查基因工程的相关知识。(1)由于嫩叶组织细胞比老叶细胞易破碎,所以适于作为提取几丁质酶的mRNA的实验材料。由于植物组织中存在的RNA酶能将RNA分解,所以实验过程中要添加RNA酶抑制剂以降低RNA酶的活性,保护提取的RNA不被分解。(2)以mRNA为材料获得cDNA的过程为逆转录,即以mRNA为模板、以4种脱氧核糖核苷酸为原料,在逆转录酶的催化下,遵循碱基互补配对原则,合成cDNA的过程。(3)由于目的基因无复制原点,也无基因表达所需的启动子和,终止子,所以需与质粒构建重组质粒后再导入受体细胞。(4)DNA连接酶可以催化两个DNA片段的黏性末端或平末端连接形成磷酸二酯键。(5)几丁质酶基因已经整合到植物的基因组中,但是植株抗真菌病的能力没有提高,从中心法则角度分析,可能是转基因植株细胞中几丁质酶基因不能转录或不能进行翻译导致的。,2.(2018北京海淀期末)抗生素耐药性是微生物的一种自然进化过程。现在我们使用的抗生素大多来自放线菌(一种与细菌细胞结构类似的原核生物)。研究发现,病原细菌的耐药基因往往是通过图1所示机理获得的。图1,(1)病原细菌通过接合方式将自己质粒上的一段DNA序列a转移到放线菌细胞中,放线菌的抗生素耐药基因“跳跃”至病原细菌的DNA序列上,与病原细菌的DNA发生,形成b。(2)放线菌裂解死亡后,b会释放到环境中。病原细菌从周围环境中吸收b,这一过程称为细菌的。(3)病原细菌将吸收的b整合到自己的上,从而获得抗生素耐药性。序列a在耐药基因转移过程中所起的作用是。(4)病原细菌产生抗生素耐药性的主要机理如图2所示。据图可知,病原细菌产生耐药性的途径有。,图2(5)研究发现,由于抗生素的大量生产和滥用,导致人类肠道中病原细菌的耐药性不断增强,从进化的角度分析细菌耐药性增强的原因是。,(6)由于抗生素在医疗以及养殖业中的大量使用,环境中出现了大量抗性污染热点区,抗性基因可以通过多种直接或间接的传播途径最终进入水体和土壤。请你提出一项应对抗生素耐药性蔓延的措施:。,答案(1)DNA(基因)重组(2)转化(3)拟核基因载体(4)通过(特异性或多重耐药)外排泵将抗生素排出细胞,降低胞内抗生素浓度而表现出抗性;通过对抗生素靶位点的修饰,使抗生素无法与之结合而表现出抗性;通过抗生素失活酶使抗生素降解,失去功能(5)抗生素对病原细菌的选择作用,导致病原细菌中耐药基因频率增大(6)管理或减少抗生素的生产、使用及向自然环境的排放;监测医院、养殖场等周围环境中细菌的抗生素耐药性;研制新型替代药物;加强抗生素耐药性相关的基础与应用研究,消除和缓解耐药性的发生和传播;加强科普宣传,提高公众的认识,避免抗生素滥用解析(1)由题干可知,放线菌中的抗生素耐药基因“跳跃”至病原细菌的DNA序列上,类似于基因工程中将目的基因和载体相结合的过程,原理是基因重组。(2)病原细菌从周围环境中吸收b,这一过程类似于基因工程中将目的基因导入受体细胞,称之为目的基因的转化。(3)病原细菌属于原核细胞,没有染色体,只能将吸收的b整合到自己的拟核DNA上,从而获得抗生素耐药性。可见,序列a在耐药基因转移过程中作为载体。(4)由图2可知,病原细菌产生耐药性的途径有:细菌细胞膜上有特异性外排泵和多重耐药外排泵,可以把进入细菌内的抗生素通过外排泵排出细胞,降低胞内抗生素浓度而表现出抗性;细菌细胞内含有抗生素靶位点修饰酶,通过对抗生素靶位点的修饰,使抗生素无法与之结合而表现出抗性;细菌细胞内含有抗生素失活酶,通过抗生素失活酶使抗生素降解,失去功能。(5)进化的实质是种群基因频率的改变,抗生素对病原细菌的选择作用,导致病原细菌中耐药基因频率增大。(6)对应抗生素,耐药性蔓延的措施可以有:管理或减少抗生素的生产、使用及向自然环境的排放;监测医院、养殖场等周围环境中细菌的抗生素耐药性;研制新型替代药物;加强抗生素耐药性相关的基础与应用研究,消除和缓解耐药性的发生和传播;加强科普宣传,提高公众的认识,避免抗生素滥用。,考向2以实例分析的形式,考查蛋白质工程及其应用3.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(1)胰岛B细胞胰岛A细胞(2)DNA