基因工程的应用和蛋白质工程的崛起

基因工程的应用和蛋白质工程的崛起,一、基因工程的应用1植物基因工程的成果提高农作物的能力、改良农作物的品质、利用植物生产等。(1)抗虫转基因植物方法：将导入植物体，使其具有抗虫性。,抗逆,药物,杀虫基因,成果：各种抗虫作物，如抗虫水稻、抗虫棉、抗虫玉米等。意义：减少，降低生产成本，减少环境污染。主要杀虫基因：、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等。,农药用量,Bt毒蛋白基因,(2)抗病转基因植物方法：将导入植物体中，使其具有抗病特性。成果：多种抗病作物，如抗病的烟草、小麦、甜椒、番茄等。意义：提高作物抗病力，增产。主要抗病基因：抗病毒的和病毒的复制酶基因；抗真菌的基因和抗毒素合成基因。,抗病基因,病毒外壳蛋白基因,几丁质酶,(3)抗逆转基因植物方法：将基因导入植物体，获得抗逆作物。成果：多种抗逆植物，如抗盐碱和干旱的烟草、抗寒番茄、抗除草剂大豆和玉米等。意义：提高作物抗逆能力，稳定高产。主要抗逆基因：抗盐碱、抗干旱的基因、耐寒的基因、抗除草剂基因。,抗逆,渗透压调节,抗冻蛋白,(4)利用转基因改良植物的品质方法：将优良性状基因导入植物体，获得。成果：含量较高的玉米、耐储存番茄、新花色的矮牵牛。意义：改良植物的某些品种。主要优良性状基因：的蛋白质编码基因、控制番茄果实成熟的基因、与植物花青素代谢有关的基因。,优,良品质植物,赖氨酸,提高必需氨基酸含量,2动物基因工程的成果(1)提高动物的生长速度生长基因：外源基因。成果：转基因绵羊、转基因鲤鱼。(2)改善畜产品的品质优良基因：肠基因。成果：转基因牛乳汁中含量少。,生长激素,乳糖酶,乳糖,(3)转基因动物生产药物基因来源：药用蛋白基因乳腺蛋白基因的。成果：乳腺生物反应器。(4)转基因动物作器官移植的供体器官供体：抑制或除去。成果：利用培育没有免疫排斥反应的猪器官。,启动子,抗原决定基因,克隆技术,3基因工程药物(1)来源：转基因。(2)成果：、抗体、疫苗、激素等。(3)作用：预防和治疗人类肿瘤、心血管疾病、遗传病、各种传染病、类风湿等疾病。,工程菌,淋巴因子,糖尿病,4基因治疗(1)特点：把导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的。(2)成果：将腺苷酸脱氨酶基因导入患者的，治疗复合型免疫缺陷症。(3)方法：分为体外基因治疗法和基因治疗法。,正常基因,体内,淋巴细胞,二、蛋白质工程1蛋白质工程的崛起(1)实质：将一种生物的转移到另一种生物体内，后者产生它本不能产生的蛋白质，从而产生新性状。(2)目的：生产符合人们生活需要的、并非自然界已存在的。,基因,蛋白质,(3)实例：天冬氨酸激酶和的活性受细胞内的影响，当赖氨酸浓度达到一定量时会抑制这两种酶的活性，改变两种酶的特性后，玉米游离赖氨酸含量提高。,二氢吡啶二羧酸合成酶,赖氨酸浓度,2蛋白质工程原理(1)目的：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质结构进行分子设计。(2)原理：。(3)过程：预期蛋白质功能设计结构推测应有的氨基酸序列找到对应的序列(基因)。3蛋白质工程进展前景广阔，但目前成功的例子不多。,基因改造,预期的蛋白质,脱氧核苷酸,考点一基因工程应用,提醒：动物基因工程主要为了改善畜产品的品质,而不是为了产生体型巨大的个体。基因治疗目前只是处于初期的临床试验阶段,在临床上未开展、未实现这方面的治疗。DNA分子制作探针进行检测时应检测单链,即将双链DNA分子打开。Bt毒蛋白基因产生Bt毒蛋白并无毒性,进入昆虫消化道被分解成多肽后产生毒性。青霉素是青霉菌产生的,不是通过基因工程生产的。原核生物基因(如抗虫基因)可做为真核生物(棉花)的目的基因。,考点二蛋白质工程,蛋白质工程与基因工程的比较,【易误警示】(1)二者都属于分子水平上的操作。(2)蛋白质工程的本质是通过改造基因进而形成自然界不存在的蛋白质，所以被形象地称为第二代基因工程。(3)对基因进行改造后，编码的蛋白质可以遗传下去，而直接改造蛋白质却不能遗传。,拓展延伸蛋白质组计划和人类基因组计划的比较,解题思路探究思维误区警示1.对乳腺(膀胱)反应器与微生物生产基因产品混肴不清乳腺生物反应器与微生物生产的比较,类型,项目,提醒：乳腺生物反应器受生物性别和年龄的限制,若从动物尿液中提取目的基因产物则不受性别和年龄限制。,2.对“基因诊断”和“基因治疗”概念及应用辩析不清(1)基因诊断基因诊断是用放射性同位素(如32P)、荧光分子等标记的DNA分子做探针,利用DNA分子杂交原理,鉴定被检测标本上的遗传信息,达到检测疾病的目的。(2)基因治疗的原理及实例原理：把健康动物的正常基因导入含有缺陷基因的受体细胞中,存在基因缺陷的病人细胞中既含有缺陷基因,又含有通过基因工程导入的正常基因,在病人体内两种基因都能表达,正常基因的表达产物掩盖了缺陷基因的表达产物,从而治愈了有基因缺陷的疾病。,镰刀型细胞贫血症基因治疗过程,【易误警示】基因治疗是治疗人类遗传病的根本方法，但由于尚未全面了解基因调控机制和疾病的分子机理，基因治疗只处于初期的临床试验阶段。,纠正训练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：(1)将人的生长激素基因导入小鼠受体细胞中,常用方法是。(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。,解析转基因生物反应器是指利用转基因活体动物的某种能够高效表达外源基因的器官或组织来进行工业化生产活性功能蛋白的技术,该技术的第一步就是导入外源基因,对于动物细胞来说,常采用的方法是显微注射法。显微注射法的优点是导入的外源基因片段可长达50kb,且无需载体,外源基因在宿主染色体上的整合率相对较高。答案(1)显微注射(2)受精卵(或早期胚胎细胞)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)DNA分子杂交(核酸探针)(4)膀胱上皮,2.下列关于基因工程应用的叙述,错误的是()A.基因治疗需要将正常基因导入有基因缺陷的细胞B.基因诊断的基本原理是DNA分子杂交C.一种基因探针只能检测水体中的一种病毒D.原核基因不能用来进行真核生物的遗传改良解析基因治疗是把正常基因导入病人体内,使该基因的表达产物发挥功能,从而达到治疗疾病的目的。基因诊断是用放射性同位素、荧光分子等标记的DNA分子作探针,利用DNA分子杂交原理,鉴定,被检测标本上的遗传信息,达到检测疾病或水体中病毒的目的,因此一种基因探针只能检测相应的遗传信息。在基因工程中,由于DNA分子规则的双螺旋结构在所有DNA分子中相同,因此,可以在任何不同DNA分子之间进行操作。答案D,知识综合应用重点提示通过“基因工程和蛋白质工程综合”的考查,提升“把握所学知识的要点和知识之间内在的联系”的能力。典例分析(2009广东卷,39)(1)饲料加工过程温度较高,要求植酸酶具有较好的高温稳定性。利用蛋白质工程技术对其进行改造时,首先必须了解植酸酶的,然后改变植酸酶的,从而得到新的植酸酶。,(2)培育转植酸酶基因的大豆,可提高其作为饲料原料时磷的利用率。将植酸酶基因导入大豆细胞常用的方法是。请简述获得转基因植株的完整过程：。(3)为了提高猪对饲料中磷的利用率,科学家将带有植酸酶基因的重组质粒通过转入猪的受精卵中。该受精卵培养至一定时期可通过方法,从而一次得到多个转基因猪个体。(4)若这些转基因动、植物进入生态环境中,对生态环境有何影响？,解析(1)蛋白质工程首先要根据已有蛋白质,从预期的蛋白质功能出发,设计预期的蛋白质结构,推测应有的氨基酸序列,找到相应的脱氧核苷酸序列,合成目的基因,再通过基因工程产生转基因生物。(2)将目的基因导入植物细胞的方法有：农杆菌转化法、基因枪法和花粉管通道法,其中有80%的转基因植物都是通过农杆菌转化法产生的。(3)动物细胞核的全能性受细胞质的抑制,故目的基因需注入到受精卵中,再将注射了目的基因的受精卵移植到雌性动物的输卵管或子宫内,使其发育成具有新性状的动物。(4)转基因生物可造成基因污染等不良影响。,答案(1)分子结构及预期功能基因(2)农杆菌浸染法首先将目的基因与质粒组合,构建基因表达载体,将含目的基因的表达载体导入植物细胞,通过植物组织培养获得表现新性状的植物(3)显微注射法胚胎分割(4)转基因生物及其产品对生物多样性、生态环境可能产生的影响主要表现在以下几个方面：转基因生物打破了物种的原有界限,改变了物质循环和能量流动,对生态系统的稳定性造成破坏;重组DNA与微生物杂交,可能出现对动、植物和人类,有害的病原微生物;增加目标害虫的抗性和进化速度;转基因植物通过传粉进行基因转移,导致超级杂草出现;转基因植物的花粉如含有有毒蛋白或过敏蛋白,通过蜜蜂的采集,很可能进入蜜蜂中,再经过食物链的传递,最后有可能进入其他动物和人体内。,1.在植物基因工程中,获取目的基因后,用农杆菌中的Ti质粒作为载体,把目的基因重组入Ti质粒上的T-DNA片段中,再将重组的T-DNA导入植物细胞中,经植物组织培养得到转基因植物。(1)科学家在进行上述实验操作时,要用同一种分别切割质粒和目的基因,质粒的黏性末端与目的基因DNA片段的黏性末端的“缝合”需要的帮助。(2)将携带抗除草剂基因的重组Ti质粒导入二倍体油菜细胞,经培养、筛选获得一株有抗除草剂特性,的转基因植株。经分析,该植株含有一个携带目的基因的T-DNA片段,因此可以把它看作是杂合子。理论上,在该转基因植株自交后的F1代中,仍具有抗除草剂特性的植株占总数的,原因是。(3)种植上述转基因油菜,它所携带的目的基因可以通过花粉传递给近缘物种,造成“基因污染”。如果把目的基因导入叶绿体DNA中,就可以避免“基因污染”,原因是。,解析(1)基因工程操作时,要用同一种限制性核酸内切酶切割质粒和目的基因,质粒的黏性末端与目的基因DNA片段的黏性末端的“缝合”需要DNA连接酶的帮助。(2)由“把它看作是杂合子”,可以判断抗除草剂基因为显性,杂合子自交后代显性性状占3/4。(3)因为花粉中几乎没有细胞质,所以叶绿体DNA不会通过花粉传递。答案(1)限制性核酸内切酶DNA连接酶(2)3/4雌、雄配子各有1/2含抗除草剂基因的可能,受精时,雌、雄配子随机结合(3)花粉中几乎没有细胞质,叶绿体DNA不会通过花粉传递,2.科学家通过基因工程,成功培育出能抗棉铃虫的棉花植株抗虫棉,其过程大致如下图所示：(1)细菌的基因之所以能在棉花细胞内表达,产生抗性,其原因是。,(2)上述过程中,将目的基因导入棉花细胞内使用的方法是,这种导入方法较经济、有效。目的基因能否在棉株体内稳定维持和表达其遗传特性的关键是目的基因是否插入到受体细胞染色体DNA上,这需要通过检测才能知道,检测采用的最好方法是。(3)上述基因工程中的核心步骤是,其目的是使目的基因在受体细胞中稳定存在,并且可以给下一代,同时,使目的基因能够表达和发挥作用。,(4)利用基因工程技术培育抗虫棉,与诱变育种和杂交育种方法相比,具有和等突出的优点,但是目前基因工程仍不能取代杂交育种和诱变育种。与基因工程技术相比,杂交育种和诱变育种方法主要具有的优点。答案(1)它们共用一套遗传密码(2)农杆菌转化法DNA分子杂交技术(3)基因表达载体的构建遗传(4)目的性强克服远缘杂交不亲和性(或能有效地打破物种的生殖隔离界限)操作简便易行,3.应用生物工程技术能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,过程需要的工具酶是,过程常用的方法是。(2)转基因牛可通过分泌的乳汁来生产人生长激素,则说明基因工程能够突破自然界的。在基因表达载体中,人生长激素基因的前端必须有。过程培养到一定阶段,可以采用技术,培育出多头完全相同的转基因牛犊。(3)prG能激发细胞不断分裂,通过基因工程导入该,调控基因来制备单克隆抗体,最可能是细胞,代表的细胞具有的特点。(4)在抗虫棉培育过程中,进行过程最常用的方法是。解析基因工程中用到的工具有限制酶、DNA连接酶和载体。基因工程的步骤为第一步为提取目的基因;第二步为目的基因的整合,形成重组质粒或重组DNA;第三步导入宿主细胞;第四步检测与表达。在将目的基因导入受体细胞时,在细胞工程中常用显微注射技术来实现。受体细胞是植物细胞时,常用农杆菌转化法。而在得到目的细胞之后可,进一步培育成个体或者进行胚胎分割移植得到多个个体。在动物细胞工程中,细胞融合是获得单克隆抗体的前提,得到的细胞既能无限增殖又能产生特异性抗体。基因工程能否成功的标志是基因能否成功表达,即能否进行转录和翻译。所以基因要表达必须要有启动子的启动。答案(1)限制酶、DNA连接酶显微注射法(2)生殖隔离启动子胚胎分割移植(胚胎分割和胚胎移植)(3)浆既能无限增殖又能产生特异性抗体(4)农杆菌转化法,4.2007年11月20日,日本学者ShinyaYamanaka和美国学者JamesThomson分别在细胞和科学杂志上发表重量级论文,他们用逆转录病毒为“分子运输车”,用“化学剪刀”和“化学浆糊”将四个不同作用的关键基因转入体细胞内,令其与原有基因发生重组,然后让体细胞重新返回到“生命原点”,变成一个多功能的干细胞,具有胚胎干细胞的特性。得知此消息后,“多利羊之父”IanWilmut随即宣布放弃用体细胞核移植技术研究胚胎干细胞,他认为此种新方法才是今后治疗疑难病症的关键。,(1)传统的细胞核移植技术,如多利羊的培育过程中,用到的受体细胞是。(2)让体细胞回到“生命原点”,帮助其恢复,类似于植物组织培养中的过程。(3)在基因工程中,被用作“分子运输车”的除了病毒外,还有,后者的形状呈,化学本质是。文中提到的“化学剪刀”和“化学浆糊”分别是指。,(4)下列四条DNA分子,彼此间能够粘连起来拼接成新的DNA分子的一组是()A.B.C.D.(5)异种生物的基因能拼接在一起,是因为它们的分子都具有结构。在细菌细胞内能够表达出人的蛋白,一方面是因为基因能控制,另一方面是因为所有的生物。,解析体细胞核移植技术是把体细胞细胞核移入去核卵细胞(减数第二次分裂中期的次级卵母细胞)。“生命原点”是指个体发育的起点,正常情况下,个体发育的起点是受精卵,其全能性最高,体细胞返回到“生命原点”是恢复其全能性,类似于脱分化过程。基因工程常用的载体有质粒、动植物病毒、噬菌体的衍生物等。质粒是环状的DNA分子。基因工程中的“剪刀”是限制性核酸内切酶,“浆糊”是DNA连接酶。由于DNA分子规则的双螺旋结构,所以异种生物的基因能拼接起来;基因在不同的受体细胞内能表达是因为基因能控制蛋,白质合成,在蛋白质合成过程中,所有生物共用一套密码子。图示的4个DNA片段中,只有和的碱基之间能通过碱基互补配对粘连起来。答案(1)去核卵细胞(2)全能性脱分化(3)质粒环状DNA限制性核酸内切酶(限制酶)和DNA连接酶(4)D(5)双螺旋蛋白质的合成共用一套密码子,5.2008年诺贝尔化学奖授予了三位在研究绿色荧光蛋白(GFP)方面做出突出贡献的科学家。绿色荧光蛋白能在蓝光或紫外光的激发下发出荧光,这样借助GFP发出的荧光就可以跟踪蛋白质在细胞内部的移动情况,帮助推断蛋白质的功能。下图为我国首例绿色荧光蛋白(GFP)转基因克隆猪的培育过程示意图,据图回答：,(1)图中通过过程、形成重组质粒,需要限制酶切取目的基因、切割质粒。限制酶的识别序列和切点是GGATCC,限制酶的识别序列和切点是GATC。在质粒上有酶的一个切点,在目的基因的两侧各有1个酶的切点。请画出质粒被限制酶切割后所形成的黏性末端。在DNA连接酶的作用下,上述两种不同限制酶切割后形成的黏性末端能否连接起来?。理由是。(2)过程将重组质粒导入猪胎儿成纤维细胞时,采用最多也最有效的方法是。,(3)如果将切取的GFP基因与抑制小猪抗原表达的基因一起构建到载体上,GFP基因可以作为基因表达载体上的标记基因,其作用是。获得的转基因克隆猪,可以解决的医学难题是可以避免。(4)目前科学家们通过蛋白质工程制造出了蓝色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等,采用蛋白质工程技术制造出蓝色荧光蛋白过程的正确顺序是(用数字表示)。推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和基因的核苷,酸序列蓝色荧光蛋白的功能分析和结构设计蓝色荧光蛋白基因的修饰(合成)表达出蓝色荧光蛋白解析限制性核酸内切酶识别特定的核苷酸序列,并在特定的切割位点切割,产生黏性末端。限制酶和切割后产生的黏性末端相同,即均产生GATC序列,因此可以用DNA连接酶连接起来。目的基因导入动物细胞最常用、最有效的方法是显微注射法。标记基因可以检测目的基因是否导入受体细胞。用转基因克隆猪进行器官移植等医学难题,可以避免发生免疫排斥反应。,答案(1)(只写出切割后形成的的部分即可)GGATCCGGATCCCCTAGGCCTAGG可以连接因为由两种不同限制酶切割后形成的黏性末端是相同的(或是可以互补的)(2)显微注射技术(3)鉴定受体细胞中是否含有目的基因发生免疫排斥反应(4),6.下图是利用基因工程技术生产人胰岛素的操作过程示意图,请据图作答。(1)判断某人患糖尿病的主要方法有。(2)能否利用人的皮肤细胞来完成过程？,为什么？。,(3)为使过程更易进行,可用处理D的细胞。D细胞一般选用大肠杆菌或枯草杆菌的原因是。(4)下图AD段表示质粒的某片段,若B表示启动子,为使目的基因直接表达,目的基因C插入的最佳位点是图中的处(填数字序号)。,(5)根治糖尿病的最佳方法是。(6)基因工程其他方面的应用,如被用于培育转胰蛋白酶抑制剂基因的蔬菜,但若对该蔬菜处理不当,可能给人体带来的负面影响是。解析(1)糖尿病患者空腹时的血糖浓度持续高于1.61.8g/L,且尿液中含有糖。(2)胰岛素基因的表达只在胰岛B细胞内,人皮肤细胞内虽有胰岛素基因,但不表达。(3)过程是将目的基因导入大肠杆菌中,可用Ca2+处理受体细胞,使之处于感受态。大肠杆菌、枯草杆菌繁殖速度快,目的基因表达迅速,故作受体细胞。(4)启动子位于基因的首,端,以驱动基因转录出mRNA。(5)通过基因治疗可根治糖尿病。(6)转胰蛋白酶抑制剂基因的表达产物胰蛋白酶抑制剂可能会抑制人胰蛋白酶活性,