高考生物一轮复习 31基因工程课件 教科版选修3.ppt

第1讲基因工程 基因工程的诞生 基因工程的原理和技术 基因工程的应用 知识点一工具酶的发现和基因工程的诞生1 基因工程的诞生 1 概念 把一种生物的 细胞核 染色体脱氧核糖核酸等 到另外一种生物的细胞中去 并使这种遗传物质所带的遗传信息在受体细胞中 遗传物质 移 表达 2 核心 构建 3 诞生时间 20世纪70年代 4 理论基础 是生物遗传物质的发现 dna双螺旋结构的确立以及遗传信息传递方式的认定 5 技术保障 dna连接酶和质粒载体的发现和运用 重组dna分子 dna 限制性核酸内切酶 2 基因工程的工具 1 限制性核酸内切酶 来源 主要是从 如细菌 中分离纯化出来的 功能 切开每条链中两个脱氧核苷酸之间的 特点 具有专一性 表现在以下两个方面 识别dna分子中 使每一条链中特定位点的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开 作用结果 经限制性核酸内切酶切割产生的dna片段末端通常形成具有末端碱基互补的 微生物 磷酸二酯键 某种特定的核苷酸序列 粘性末端 2 dna连接酶功能 将具有的2个dna片段连接起来 3 载体 最常用的载体 质粒实质 是能够的双链环状dna分子 是一种特殊的遗传物质 在细菌中以独立于染色体之外的方式存在 其他载体 植物病毒和动物病毒等 末端碱基互补 自主复制 噬菌体 思考1 基因工程的工具的化学本质都是蛋白质 对吗 提示 不对 基因工程的工具包括工具酶 限制性内切酶 dna连接酶 和运载体 前者的化学本质是蛋白质 后者则包括质粒 噬菌体 动植物病毒等 知识点二基因工程的原理和技术1 基因工程的原理 1 基本原理 让人们感兴趣的基因 即目的基因 在中稳定和高效地表达 2 基本要素 工具酶 和宿主细胞等 3 基本程序 获得目的基因 的形成 重组dna导入受体细胞 筛选含有目的基因的受体细胞和目的基因的等 宿主细胞 目的基因 载体 重组dna 表达 聚合酶链式反应 相同的 基因文库 3 将重组dna分子导入受体细胞常用的受体细胞 大肠杆菌 枯草杆菌 和动植物细胞等 4 筛选含有目的基因的受体细胞 筛选原因 并不是所有的细胞都接纳了 因此 需筛选含的受体细胞 筛选方法举例 质粒上有抗生素如四环素的抗性基因 所以含有这种重组质粒的受体细胞就能够在有的培养基中生长 而没有接纳重组质粒的细胞在这种培养基中 这样就能筛选出含有重组dna分子的受体细胞 酵母菌 重组dna分子 目的基因 四环素 不能生长 5 目的基因的表达目的基因在中表达 产生人们需要的功能物质 思考2 基因文库是否直接保管相应的基因 提示 不是 基因文库中的基因保存在受体菌中 宿主细胞 外源基因 省时 省力 较短 远缘亲本难以杂交 2 基因工程与疾病治疗 1 基因工程药物如通过生产治疗糖尿病 通过酵母菌生产乙肝疫菌等 2 基因治疗指的是向目标细胞中引入的基因 以基因的缺陷 达到治疗的目的 大肠杆菌 胰岛素 正常功能 纠正或补偿 3 基因工程与生态环境保护 1 利用转基因植物生产聚羟基烷酯 用于合成的新型塑料 2 改造分解石油的细菌 提高其的能力 3 利用转基因微生物吸收环境中的 降解有毒化合物和处理 可降解 分解石油 重金属 工业废水 质粒载体质粒是细菌拟核dna外的环状dna小分子 可在细菌间转移 质粒是常用的转基因载体 病毒载体病毒很适合用于基因治疗 病毒的蛋白质外壳内能容纳多达7500个碱基的dna片段 当病毒侵染宿主细胞并在细胞内增殖时 也将重组dna带入到细胞中 病毒已经多次用于基因治疗的临床实验 这种方法存在的问题是宿主对病毒的免疫反应 判断正误 1 限制性核酸内切酶能够识别和切割rna分子 2 限制性核酸内切酶处理dna分子后 dna分子被切割成两个具有相同粘性末端的dna片段 3 dna连接酶是将具有末端碱基互补的2个dna片段连接在一起 4 质粒是基因工程的载体 最常用的质粒是土壤农杆菌的质粒 显微注射法dna可以通过显微注射法转入动物细胞中 下图所示的是目的基因的多份拷贝正通过玻璃微型吸管注射到受精卵中 基因枪法这种方法是利用压缩气体产生的动力将包裹在金属颗粒表面的外源dna打入生物组织中 判断正误 1 若目的基因的序列是已知的 我们常从基因文库中获得目的基因 若目的基因序列是未知的 常用化学方法合成目的基因 2 转抗虫基因植物基因的表达 可导致植物与害虫间相互选择而使昆虫群体抗性基因频率改变 3 对转基因生物进行抗虫或抗病的接种实验属个体生物学水平的鉴定 4 导入的目的基因的表达需要调控序列的调控 因此在插入目的基因的部位之前需有启动子 之后需有终止子 目的基因的检测和表达 基因工程的概念及操作工具 高考地位 5年4考 2012 课标卷 40 2010 浙江理综 2 典例1 2012 课标 40 根据基因工程的有关知识 回答下列问题 1 限制性内切酶切割dna分子后产生的片段 其末端类型有 和 2 质粒载体用ecori切割后产生的片段如下 aattc gg cttaa为使载体与目的基因相连 含有目的基因的dna除可用ecori切割外 还可用另一种限制性内切酶切割 该酶必须具有的特点是 3 按其来源不同 基因工程中所使用的dna连接酶有两类 即 dna连接酶和 dna连接酶 4 反转录作用的模板是 产物是 若要在体外获得大量反转录产物 常采用 技术 5 基因工程中除质粒外 和 也可作为载体 6 若用重组质粒转化大肠杆菌 一般情况下 不能直接用未处理的大肠杆菌作为受体细胞 原因是 解析此题考查基因工程应用的相关知识 1 dna分子经限制酶切割产生的dna片段末端通常有粘性末端和平末端两种类型 2 为使载体与目的基因相连 应使二者被切割后产生的末端相同 故用另一种限制酶切割产生的末端必须与ecor 切割产生的末端相同 3 根据酶的来源不同 dna连接酶分为e colidna连接酶和t4噬菌体dna连接酶 4 以rna为模板 合成dna的过程称为逆转录 若要体外获得大量dna分子 可以使用pcr技术 5 在基因工程中 通常利用质粒作为载体 另外噬菌体和动植物病毒也可作为载体 6 大肠杆菌作为受体细胞时 常用ca2 处理 使之成为能吸收周围环境中dna分子的感受态细胞 答案 1 粘性末端平末端 2 切割产生的dna片段末端与ecori切割产生的相同 3 大肠杆菌t4噬菌体 4 mrna 或rna cdna 或dna pcr 5 噬菌体动植物病毒 6 未处理的大肠杆菌吸收质粒 外源dna 的能力极弱 本考点在高考中常以选择题形式呈现 考查内容多为基因工程操作工具的类型及作用 题目难度较小 1 基因工程的基本原理和理论基础概括 如下图 若题目强调 目的基因 的表达过程 则只包括 转录和翻译 两个过程 不包括目的基因的复制 2 基因工程的操作工具 1 限制性核酸内切酶 来源 主要是从原核生物中分离纯化出来的 化学本质 蛋白质 作用 将dna片段中目的基因的两端切断 获得两端带有黏性末端的目的基因 用同种限制酶将质粒切开 留出与目的基因两端相同的黏性末端 便于目的基因与质粒结合 如下图所示 提醒 切割的化学键为磷酸二酯键 在切割目的基因和载体时要求用同一种限制酶 目的是产生相同的粘性末端 将一个基因从dna分子上切割下来 需要切两处 同时产生4个粘性末端 2 dna连接酶 dna连接酶的作用两种来源不同的dna用相同的限制性核酸内切酶切割 形成相同的粘性末端 dna连接酶能催化磷酸与脱氧核糖之间化学键的形成 将两dna末端的缝隙 缝合 起来 如图 3 载体的种类及作用 载体应具备的特征a 能在宿主细胞内稳定保存并大量复制 b 有1个或多个限制性核酸内切酶切点 以便与外源基因连接 c 具有某些标记基因 以便进行筛选 载体的种类a 细菌质粒 最常用大肠杆菌质粒 b 噬菌体和某些动植物病毒 一般来说天然的载体往往不能满足人们的所有要求 因此人们根据不同目的和需求 对某些天然的载体进行人工改建 作用一是用它作为运载工具 将目的基因送到宿主细胞中去 二是利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量复制 1 认识 黏性末端 与 平末端 当限制酶在它识别序列的中轴线两侧将dna的两条链分别切开时 产生的是黏性末端 而当限制酶在它识别序列的中轴线处切开时 产生的则是平末端 2 关注基因工程的 一 二 一 训练1 2013 浙江温州八校联考 下列关于生物工程中常见的几种酶的叙述 正确的是 a dna连接酶可把目的基因与载体的粘性末端的碱基黏合 形成重组dnab 限制性核酸内切酶将一个dna分子片段切成两个片段需消耗两个水分子c taq酶是用pcr仪对dna分子扩增过程中常用的一种耐高温的dna连接酶d 纤维素酶和果胶酶处理植物细胞获得原生质体 便于植物杂交育种 解析dna连接酶连接的是磷酸二酯键 dna分子是双链 因此切割dna分子时需要两分子的水 taq酶是热稳定dna聚合酶 是连接单个脱氧核苷酸 不是dna连接酶 植物杂交育种是借助有性生殖实现 纤维素酶和果胶酶处理植物细胞获得原生质体应用于细胞工程 答案b 训练2 2013 温州测试 下列关于基因工程的叙述中 正确的是 a dna连接酶和rna聚合酶催化生成的化学键相同b dna连接酶对 缝合 序列不进行特异性识别 无专一性催化特点c 受体细菌若能表达质粒载体上抗性基因 即表明重组质粒成功导入d 培育转基因油菜 需对受体细胞进行氯化钙处理 解析dna连接酶和rna聚合酶催化生成的化学键都是磷酸二酯键 故a项正确 酶具有专一性的特点 对于有黏性末端的dna片段 dna连接酶只识别连接含有相同黏性末端的dna片段 故b项错误 有些受体细菌体内本身就含有与质粒上相同的抗性基因 故抗性基因的表达不能作为成功导入的标志 故c项错误 用氯化钙处理大肠杆菌 可增加大肠杆菌细胞壁的通透性 利于重组质粒的导入 对于植物细胞而言 氯化钙不起作用 故d项错误 答案a 1 限制酶的选择 以产生相同粘性末端为原则 欲构建重组质粒常用同一种限制性核酸内切酶切割目的基因和质粒 以保证目的基因结构的完整性和切割后质粒与目的基因能进行连接 然而 若两种限制酶切割后产生的粘性末端相同时 也可分别使用不同酶切割目的基因与质粒 而且使用不同酶切割的独特优势是可防止目的基因自身 环化 2 导入的目的基因的表达需要调控序列的调控 因此在插入目的基因的部位之前需有启动子 之后需有终止子 注 启动子 起始密码 终止子 终止密码 基因工程的操作步骤 高考地位 5年8考 2012 福建理综 32 2012 浙江理综 6 典例2 2012 福建理综 32 肺细胞中的let 7基因表达减弱 癌基因ras表达增强 会引发肺癌 研究人员利用基因工程技术将let 7基因导入肺癌细胞实现表达 发现肺癌细胞的增殖受到抑制 该基因工程技术基本流程如图1 图1图2 请回答有关问题 1 进行过程 时 需用 酶切开载体以插入let 7基因 2 进行过程 时 需用 酶处理贴附在培养皿壁上的细胞 以利于传代培养 3 研究发现 let 7基因能影响癌基因ras的表达 其影响机理如图2 据图分析 可从细胞中提取 进行分子杂交 以直接检测let 7基因是否转录 肺癌细胞增殖受到抑制 可能是由于细胞中 rasmrna ras蛋白 含量减少引起的 解析此题考查基因工程应用的相关知识 1 构建基因表达载体时 需要用同种限制酶切割目的基因和载体 使之产生相同的粘性末端 2 动物细胞培养时 常用胰蛋白酶处理贴壁的细胞 使之相互分离 以利于传代培养 3 检验目的基因是否表达 常用分子杂交法 从被导入目的基因的细胞内提取rna 与目的基因单链杂交 如果出现杂交带 说明目的基因已转录 由图2知 当let 7基因转录出来的mirna与癌基因ras转录出的mrna杂交时 就会抑制ras蛋白的产生 故肺癌细胞增殖受到抑制 可能是由于细胞中ras蛋白含量减少引起的 答案 1 限制性核酸内切 或限制 2 胰蛋白 3 rnaras蛋白 基因工程操作程序是近年高考热点与焦点之一 题目常结合具体实例着重考查 操作过程 五步曲 操作成败的关键 目的基因的检测与鉴定等 2 形成重组dna分子 最核心步骤 1 基因表达载体的组成 目的基因 启动子 终止子 标记基因 基因表达载体模式图 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 结合的部位启动dna的转录 终止子 一段有特殊结构的dna短片段 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 2 重组dna分子的构建方法 3 将重组dna分子导入受体细胞 在实际应用中还有 检测是否插入目的基因 利用dna分子杂交技术 目的基因dna一条链 作探针 与受体细胞中提取的dna杂交 看是否有杂交带 检测是否转录出了mrna 利用核酸分子杂交技术 目的基因dna一条链 作探针 与受体细胞中提取的mrna杂交 看是否有杂交带 5 目的基因的表达 看到目的性状或分离到目的基因表达产物 1 检测目的基因是否翻译成蛋白质 方法是从转基因生物中提取蛋白质 用相应的抗体进行抗原 抗体杂交 2 个体生物学水平的鉴定 如转基因抗虫植物是否出现抗虫性状 基因工程操作 必记要点 1 只有第三步将目的基因导入受体细胞不需碱基互补配对 其余几个步骤都涉及碱基互补配对 2 原核生物繁殖快 多为单细胞 遗传物质相对较少 有利于目的基因的复制与表达 因此常采用大肠杆菌等原核生物作为受体细胞 3 植物细胞的全能性较高 可经植物组织培养过程发育成完整植物体 因此受体细胞可以是受精卵也可以是体细胞 动物基因工程中的受体细胞一般是受精卵 训练3 2013 浙江宁波期末 27 ch1l基因是蓝细菌拟核dna上控制叶绿素合成的基因 为研究该基因对叶绿素合成的控制 需要构建该种生物缺失ch1l基因的变异株细胞 技术路线如图所示 对此描述错误的是 a ch1l基因的基本组成单位是脱氧核苷酸b 过程中使用的限制性核酸内切酶的作用是将dna分子的磷酸二酯键打开c 过程都要使用dna聚合酶d 若操作成功 可用含红霉素的培养基筛选出该变异株解析 过程都要使用限制性核酸内切酶和dna连接酶 而不用dna聚合酶 答案c 训练4 2013 山东潍坊一模 36 如图为培育转基因抗虫棉的技术流程 请据图回答问题 1 质粒上标记基因的作用是 2 过程 是 这是基因工程的核心步骤 其目的是 3 过程 采用最多的方法是 检测抗虫基因是否整合到棉花细胞dna分子上的方法是 4 过程的培养基除含有必需的营养物质 琼脂外 还需要添加 过程的实质是 5 经检测抗虫棉细胞染色体上含有一个抗虫基因 该植株自交得到f1 其中全部的抗虫植株再自交一次 后代中抗虫植株占总数的 解析构建基因表达载体是基因工程的核心步骤 目的是使目的基因在受体细胞中能够稳定存在 并且可以遗传给下一代 同时使目的基因能够表达和发挥作用 一个基因表达载体上必须具有标记基因 以便于检测目的基因是否导入受体细胞 过程 是把目的基因导入受体细胞的过程 受体细胞为植物细胞时常用农杆菌转化法 常用dna分子杂交技术检测目的基因是否整合到受体细胞dna分子上 基因工程的应用 高考地位 5年6考 2012 海南单科 31 2011 山东理综 35 典例3 2012 海南单科 31 已知甲种农作物因受到乙种昆虫危害而减产 乙种昆虫食用某种原核生物分泌的丙种蛋白质后死亡 因此 可将丙种蛋白质基因转入到甲种农作物体内 使甲种农作物获得抗乙种昆虫危害的能力 回答下列问题 1 为了获得丙种蛋白质的基因 在已知丙种蛋白质氨基酸序列的基础上 推测出丙种蛋白质的 序列 据此可利用 方法合成目的基因 获得丙中蛋白质的基因还可用 和 方法 2 在利用上述丙种蛋白质基因和质粒载体构建重组质粒的过程中 常需要使用 酶和 酶 3 将含有重组质粒的农杆菌与甲种农作物的愈伤组织共培养 筛选出含有丙种蛋白质的愈伤组织 由该愈伤组织培养成的再生植株可抵抗 的危害 4 若用含有重组质粒的农杆菌直接感染甲种农作物植株叶片伤口 则该植株的种子 填 含有 或 不含 丙种蛋白质基因 解析本题考查抗虫作物培育过程的相关知识 1 获取目的基因的方法主要有基因文库获取法 pcr技术扩增法和人工化学合成法三种 已知丙种蛋白质氨基酸序列 可通过推测丙种蛋白质的基因序列 然后利用化学方法人工合成丙种蛋白质基因 2 在构建重组质粒的过程中 需要使用限制性核酸内切酶和dna连接酶 前者能识别特定的核苷酸序列 使每条链特定部位的核苷酸之间的磷酸二酯键断开 使其形成黏性末端 被喻为 分子手术刀 后者能将两个带有相同黏性末端的dna片段连接起来 被称为 分子针线 3 将含有重组质粒的农杆菌与甲种农作物的组织共培养 可筛选出含有丙种蛋白质的愈伤组织 而后培养出含有丙种蛋白质的抗乙种昆虫的植株 4 若只用重组质粒感染甲种农作物叶片伤口 可在叶片组织中筛选出含丙种蛋白质的细胞 由于该重组质粒感染的是体细胞 故该植株的种子中不含有丙种蛋白质 答案 1 基因化学基因文库pcr 其他合理答案也可 2 限制dna连接 3 乙种昆虫 4 不含 基因工程是当前生命科学研究的热点和前沿之一 基因诊断 基因治疗 基因产品在人们生活中的出现日渐频繁 对人们的影响也日渐增大 是社会关注的焦点和热点 预计2014年高考还主要以简答题的方式出现 1 基因工程的应用 见下表 2 基因工程的应用实例 1 抗虫棉的培育过程 2 动物反应器 外源基因 药用蛋白基因 表达条件 药用蛋白基因 乳腺蛋白基因 膀胱内表达相应基因 启动子 受体生物 牛 羊等 方法 显微注射法 注 分为乳腺反应器和膀胱反应器 前者受性别 只能是雌性 和年龄 哺乳期 限制 优点可以不用提取服用 后者提取后服用 但不受性别和年龄的限制 乳腺生物反应器与微生物生产药物的比较 比乳腺生物反应器更具优势的为膀胱生物反应器 其最主要的优势是摆脱了动物性别及生长发育时期的制约 训练5 2013 杭州西湖高中期中模拟 北京大学陈章良教授于90年代成功地把固氮基因整合到小麦的dna分子中 并成功表达 该项技术属于 a 转基因技术b 分子杂交c 细胞杂交d 杂交育种解析把亲缘关系比较远的一种生物的基因转到另一种生物体内用到的技术为转基因技术 答案a 训练6 2013 浙江温州十校期中联考 第三代疫苗 dna疫苗是指将编码抗原蛋白的基因插入到适宜的质粒中得到的重组dna分子 将其导入人体内 在人体细胞内表达的产物可直接诱导机体免疫应答 且可持续一段时间 下列有关dna疫苗的叙述 正确的是 a 表达产物是抗体b 基本组成单位是脱氧核苷酸c 是经改造后的乙肝病毒d 生产过程不需要dna连接酶和限制性核酸内切酶 解析dna疫苗的表达产物是抗原蛋白 不是抗体 a错误 dna疫苗的基本组成单位是脱氧核苷酸 b正确 dna疫苗的制取过程中 需要使用限制性核酸内切酶切割质粒及目的基因 再使用dna连接酶使目的基因与质粒连接形成重组dna分子 不是改造后的乙肝病毒 c d错误 答案b 学习笔记 易混点1混淆基因工程的 工具 与 工具酶 点拨 基因工程中有3种工具 包括载体 但工具酶只有2种 限制酶和dna连接酶 工具酶的本质为蛋白质 载体的本质为小型dna分子 但不一定是环状 最常见的载体为质粒 动植物病毒等也可作为载体 规避2个易混点和1个易失分点 易混点2混淆几种常见酶点拨几种易混淆酶的比较 易失分点不熟悉标记基因的种类和作用点拨标记基因的作用在于筛选 检测目的基因是否导入受体细胞 常见的有抗生素抗性基因 发光基因 表达产物为带颜色的物质 等 纠错演练1 2013 绍兴调研改编 下列关于重组dna分子构建的相关叙述 不正确的是 a 需要限制酶和dna连接酶 运载体等三种工具酶b 除质粒外 入噬菌体及动植物病毒也可作为运载体c 抗生素抗性基因可作为标记基因d 启动子位于目的基因的首端 解析重组dna分子是目的基因与载体结合 在此过程中需要用同一种限制酶切割目的基因与载体 用dna连接酶将相同的末端连接起来 运载体不属工具酶 重组dna分子包括启动子 目的基因 终止子和标记基因 其中启动子位于基因首端使转录开始 终止子在目的基因之后 答案a 2 2013 金丽衢十二校联考 如图为转基因抗病香蕉的培育过程示意图 其中pst sma ecor 等为相应限制性内切酶的切点 同时质粒中含有卡那霉素的抗性基因 kanr 以下有关培育过程的说法正确的是 a 过程为脱分化 细胞数目不变b 过程需要激素支持以及二氧化碳培养箱c 在含抗病基因的dna和质粒中 均只含有1个pst 限制酶的识别序列d 用含卡那霉素的培养基培养香蕉组织块时 导入普通质粒的组织细胞也能存活 解析脱分化过程细胞数目增多 过程需要激素 如细胞分裂素和生长素 支持 但不需要二氧化碳培养箱 由图示可知 要获得重组质粒 需要同时用pst 限制酶和ecor 限制酶切割质粒和抗病基因 但不能确定含抗病基因的dna和质粒只含有一个pst 限制酶识别序列 普通质粒中含卡那霉素抗性基因 所以 导入普通质粒的组织细胞可在含卡那霉素的培养基中存活 答案d 1 2012 浙江理综 6 天然的玫瑰没有蓝色花 这是由于缺少控制蓝色色素合成的基因b 而开蓝色花的矮牵牛中存在序列已知的基因b 现用基因工程技术培育蓝玫瑰 下列操作正确的是 基因工程的工具及操作程序 a 提取矮牵牛蓝色花的mrna 经逆转录获得互补的dna 再扩增基因bb 利用限制性核酸内切酶从开蓝色花矮牵牛的基因文库中获取基因bc 利用dna聚合酶将基因b与质粒连接后导入玫瑰细胞d 将基因b直接导入大肠杆菌 然后感染并转入玫瑰细胞 解析获取目的基因b 可先提取矮牵牛蓝色花的mrna 经逆转录获得互补的dna 再经pcr技术扩增 a正确 基因文库构建时是将目的基因与载体连接起来 形成重组载体 再导入受体菌中储存和扩增 提取目的基因时不需使用限制酶 b错误 连接目的基因与质粒的酶是dna连接酶 c错误 将目的基因导入植物细胞 常用农杆菌转化法 不使用大肠杆菌 d错误 答案a 2 2011 四川理综