2019_2020学年高中生物第四章遗传的分子基础第四节基因突变和基因重组第2课时基因工程及其应用学案苏教版.docx

第2课时基因工程及其应用1.基因工程的基本原理。(重、难点)2.基因工程的应用。(难点)一、阅读教材P90第三段P92完成基因工程的原理1概念：基因工程，又叫做DNA重组技术，是把在一个生物体内分离得到或人工合成的目的基因导入另一个生物的细胞，定向地使后者获得新的遗传性状或表达所需产物的技术。基因工程最基本的工具：限制性核酸内切酶、DNA连接酶、载体等。基因工程操作的基本步骤：提取目的基因、选择基因工程的运载体、目的基因与运载体结合、导入目的基因、检测与鉴定目的基因、目的基因表达。二、阅读教材P92完成基因工程的应用(1)生产特殊蛋白质，如胰岛素、乙肝疫苗等。(2)动植物的遗传改良，如转基因抗虫棉。(3)人类基因治疗。 判一判(1)基因工程的原理是基因突变。()(2)基因工程能够定向的改变生物的性状。()(3)所有的限制酶都只能识别同一种特定的核苷酸序列。()(4)基因工程中的运载体只有质粒。()(5)只要目的基因进入了受体细胞就能成功实现表达。()(6)转基因生物和转基因食品都是不安全的。() 填一填结合下图，探究以下问题：(1)过程需要限制性核酸内切酶，过程需要DNA连接酶。(2)限制性核酸内切酶的作用特点是识别特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子，形成2个黏性末端。基因工程的操作工具重组DNA技术是在DNA分子水平上设计和施工的，需要分子的“剪刀”和“针线”等工具。观察下图并回答下列问题，理解基因工程基本工具。(1)图甲中大肠杆菌的一种叫做EcoR的限制性核酸内切酶，能够专一识别GAATTC的核苷酸序列，并在G和A之间将这段序列切开。(2)从图甲到图乙变化过程得出：限制性核酸内切酶切割DNA分子后形成的黏性末端是可以通过碱基互补配对连接起来的，但是脱氧核糖和磷酸之间的缺口要靠DNA连接酶进行连接。(3)目的基因导入过程需要运载体，常用质粒(如图)、噬菌体或动植物病毒等。质粒是拟核或细胞核外环状的DNA分子，是基因工程最常用的运载体。上面通常含有的抗性基因可以作为标志基因用于目的基因是否导入受体细胞的检测依据。基因工程的基本工具(1)基因的“剪刀”限制性核酸内切酶(简称限制酶)存在：主要存在于微生物中，种类有200多种。作用与特性：一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切点切割DNA分子，也就是说限制酶具有专一性和特异性。作用结果：一般产生黏性末端(碱基能互补配对)。a限制酶切割的是脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键，而不是碱基之间的氢键。b目的基因的两端都具有黏性末端。c限制酶切割目的基因不一定都产生黏性末端，也可能产生整齐的平口末端。(2)基因的“针线”DNA连接酶催化对象：两个具有相同黏性末端的DNA片段。催化位置：脱氧核糖与磷酸之间的缺口。催化结果：形成重组DNA。(3)基因的“运输工具”运载体作用：作为运载工具将目的基因转移到宿主细胞中；利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量复制。需要具备的条件：能够在宿主细胞中复制并稳定地保存；具备多个限制酶切点，以便与外源基因连接；具有某些标记基因便于进行筛选。常见的种类：质粒、噬菌体和动植物病毒等。质粒是一种相对分子质量较小、独立于染色体之外的环状DNA(一般有100200 kb，kb为千碱基对)，存在于许多细菌和酵母菌等生物中。 突破1基因工程中工具酶1结合如图判断，有关基因工程中工具酶的功能的叙述，正确的是()A切断a处的酶简称内切酶，被称为基因的“剪刀”B连接a处的酶为DNA聚合酶，被称为基因的“针线”CRNA聚合酶可通过识别基因中的特定碱基序列与DNA分子结合DDNA连接酶的作用点是b处解析：选C。切断a处的是被称为基因的“剪刀”的限制性核酸内切酶，应简称为限制酶而不是内切酶，A项错误；连接a处的被称为基因的“针线”的是DNA连接酶，不是DNA聚合酶，B项错误；b处为碱基对内的氢键，切断b处的是解旋酶，但b处的连接是通过碱基互补配对实现的，DNA连接酶的作用点是a处而非b处，D项错误。根据作用部位判断与DNA分子有关的酶(1)断开氢键的酶：解旋酶。(2)断开(相邻核苷酸之间的)磷酸二酯键的酶：若结果生成若干DNA片段，可判定为限制酶；若生成其基本单位核苷酸，可判定为DNA水解酶。(3)生成(相邻核苷酸之间的)磷酸二酯键的酶：若将两个DNA片段连接在一起，可判定为DNA连接酶；若作用于DNA复制的过程中，或将游离的脱氧核苷酸连接到DNA链上，可判定为DNA聚合酶。 突破2基因工程运载体2下列有关基因工程中运载体的说法，正确的是()A在进行基因工程的操作中，作为运载体的质粒都是天然质粒B所有的质粒都可以作为基因工程的运载体C质粒是一种独立于细菌拟核DNA外的链状DNA分子D作为运载体的质粒DNA分子上应有对重组DNA分子进行鉴定和选择的标记基因解析：选D。作为运载体的质粒，都是经过修饰的质粒；并不是所有质粒都能作为运载体，能作为运载体的质粒必须具备一定的条件；质粒是环状DNA分子。运载体的4个认识误区(1)基因工程的三种工具中有两种是工具酶，运载体实质是一种核酸，“工具”不同于“工具酶”。(2)连接酶连接的是相同的黏性末端，所以让运载体运载目的基因时，必须要用提取目的基因的同一种限制酶切割运载体，以便获得相同的黏性末端。(3)DNA连接酶连接时不仅会连接目的基因和运载体，也有可能把运载体的两个黏性末端又重新连接起来，甚至将目的基因首尾相接形成环状DNA分子。(4)一般来说，天然运载体往往不能满足上述要求，因此需要根据不同的目的和需要，对运载体进行人工改造。 基因工程的过程阅读教材，完成下表基因工程的一般过程。步骤操作说明提取目的基因从生物细胞内直接分离或人工合成目的基因目的基因与运载体结合使用同一种限制性核酸内切酶切割目的基因和运载体；用DNA连接酶连接目的基因和运载体；目的基因和运载体形成重组DNA分子导入目的基因借鉴细菌或病毒侵染细胞的方法，将目的基因导入大肠杆菌、酵母菌和动植物细胞检测与鉴定目的基因在选择性培养基上筛选出含有重组DNA分子的受体细胞目的基因表达检测目的基因在受体细胞中是否表达(产生蛋白质)基因重组与基因工程的比较基因重组基因工程不同点原理减数分裂时，非同源染色体上的非等位基因的自由组合或同源染色体上的非姐妹染色单体交叉互换把一种生物的某种基因作为整体移接到另一种生物体的细胞内，属于基因重组重组方式同一物种的不同基因不同物种的不同基因变异大小小大意义生物变异的来源之一，对生物进化有重要意义使人类有可能按照自己的意愿，直接定向改变生物的遗传性状，培育出新品种相同点实现不同基因的重新组合，使生物产生变异1关于基因工程的叙述，正确的是()A限制性核酸内切酶和DNA连接酶的作用部位相同，都是氢键B作为运载体的质粒DNA分子属于核基因C通过基因工程制备转基因植物，可以选叶肉细胞作为基因工程的受体细胞D人体胰岛素基因通过基因工程技术转入大肠杆菌以后，传递和表达不再遵循中心法则解析：选C。限制性核酸内切酶和DNA连接酶的作用部位都是磷酸二酯键，A错误。基因工程中常用的载体是质粒，质粒存在于细菌和真菌细胞中，是一种独立于拟核DNA外而自主复制的环状DNA分子，所以质粒不属于核基因，B错误。植物体细胞具有全能性，所以可以选择叶肉细胞作为基因工程的受体细胞，C正确。人的胰岛素基因在大肠杆菌体内表达时，遗传信息的传递和表达仍遵循中心法则，D错误。2如图是将人的生长激素基因导入细菌B细胞内制备“工程菌”的示意图。已知细菌B细胞内不含质粒A，也不含质粒A上的基因。判断下列说法正确的是()A将重组质粒导入细菌B常用的方法是显微注射法B能在含有氨苄青霉素的培养基上生长的只是导入了质粒A的细菌C能在含有四环素的培养基上生长的只是导入了重组质粒的细菌D目的基因成功表达的标志是工程菌能产生出人的生长激素解析：选D。将重组质粒导入微生物细胞常用钙离子处理法，A错误；质粒A与生长激素基因结合时，抗四环素基因被破坏，而抗氨苄青霉素基因正常，所以能在含有氨苄青霉素的培养基上生长的是导入了质粒A的细菌或含重组质粒的细菌，而能在含有四环素的培养基上生长的只是导入了质粒A的细菌，B、C错误；工程菌如能产生人的生长激素，说明目的基因(人生长激素基因)在工程菌中成功表达，D正确。目的基因导入细胞的位置与受体细胞类型(1)将目的基因导入到受体细胞，可能是存在于细胞质中，也可能整合到细胞核DNA上，由于在分裂过程中细胞核中遗传物质是平均分配的，所以可以稳定遗传。而存在于细胞质中时，由于细胞质是随机分配的，所以子细胞中不一定有目的基因，因而不能稳定遗传。(2)若受体细胞是植物细胞，则取体细胞即可，因为其全能性较高，若受体细胞是动物细胞时，一般用受精卵作为受体细胞，因为一般体细胞全能性较难表现。 核心知识小结网络构建关键语句1.基因工程的原理是基因重组。2.基因工程的操作工具有限制酶、DNA连接酶和运载体。3.限制性核酸内切酶具有特异性，能识别特定的核苷酸序列，并在特定位点上切割DNA分子。4.DNA连接酶的作用是将目的基因和运载体连接成重组DNA分子。5.常用的运载体有质粒、噬菌体和动植物病毒等。6.基因工程的四个步骤是：提取目的基因、目的基因与运载体结合、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定。随堂检测 知识点一基因工程的基本工具1基因工程中用来修饰改造生物基因的工具是()A限制酶和连接酶B限制酶和水解酶C限制酶和运载体 D连接酶和运载体解析：选A。基因工程的工具是限制酶、DNA连接酶和运载体，其中限制酶和DNA连接酶用于修饰和改造基因。2质粒是基因工程中最常用的运载体，它的主要特点是()能自主复制不能自主复制结构很小蛋白质 环状RNA环状DNA能“友好”地“借居”A BC D解析：选C。基因工程中运载体的作用是与目的基因结合，将目的基因导入受体细胞，并能在受体细胞中稳定存在，通过自身的复制扩增目的基因。 知识点二基因工程的过程3如图所示为一项重要生物技术的关键步骤，X是获得外源基因并能够表达的细胞。下列有关说法不正确的是()AX是能合成胰岛素的细菌细胞B质粒具有多个标记基因和多个限制酶切点C外源基因与运载体的重组只需要DNA连接酶D该细菌的性状被定向改造解析：选C。根据图示，重组质粒导入的是细菌细胞，所以X是能合成胰岛素的细菌细胞。质粒作为运载体需要有多个限制酶切点以便转运多种目的基因，同时具有标记基因以便检测目的基因是否导入受体细胞内。基因与运载体的重组需要限制酶和DNA连接酶。基因工程的特点是能够定向改造生物的性状。4人们试图利用基因工程的方法，用乙种生物生产甲种生物的一种蛋白质。生产流程是：甲生物的蛋白质mRNA目的基因与质粒DNA重组导入乙细胞获得甲生物的蛋白质，下列说法正确的是()A过程需要的酶是逆转录酶，原料是A、U、G、CB要用限制酶切断质粒DNA，目的基因导入乙细胞后一定会表达甲生物的蛋白质C质粒一般存在于原核生物细菌中，真核生物酵母菌也具有D过程用的原料和工具中不含有A、U、G、C解析：选C。生产流程中过程是逆转录，利用逆转录酶合成DNA片段，需要的原料是分别含A、T、G、C的脱氧核苷酸，A项错误；是目的基因与质粒DNA重组，需要用同种限制酶分别切割质粒DNA和含目的基因的DNA分子，再用DNA连接酶将目的基因与质粒连接在一起。目的基因导入乙细胞后不一定会表达甲生物的蛋白质，需要进一步检测才能确定，B项错误；质粒一般存在于原核生物细菌中，真核生物酵母菌也具有，C项正确；过程是基因的表达过程，原料中含有A、U、G、C，D项错误。 知识点三基因工程的安全性5下列关于转基因生物安全性的叙述中，错误的是()A我国已经对转基因食品和转基因农产品强制实施了产品标识制度B国际上大多数国家都在转基因食品标签上警示性注明可能的危害C开展风险评估、预警跟踪和风险管理是保障转基因生物安全的前提D目前对转基因生物安全性的争论主要集中在食用安全性和环境安全性上解析：选B。我国农业部颁布了农业转基因生物标识管理办法，要求对转基因生物产品及其加工品加贴标注，以方便消费者自主选择。但国际上并非大多数国家都在转基因食品标签上警示性注明可能的危害，A项正确、B项错误；目前对转基因生物安全性的争论主要集中在转基因食物的安全性和转基因生物对环境安全的影响上，但这些通过风险评估、预警跟踪和风险管理等都是可以解决的，C、D两项正确。6内皮素(ET)是一种多肽，主要通过与靶细胞膜上的ET受体(ETA)结合而发挥生物学效应。科研人员通过构建表达载体，实现ETA基因在大肠杆菌细胞中的高效表达，其过程如下图所示，图中SNAP基因是一种荧光蛋白基因，限制酶Apa的识别序列为CCCGGG,GGGCCC，限制酶Xho的识别序列为。请据图分析回答：(1)进行过程时，需要加入缓冲液、引物和_酶等。完成过程的目的是_。(2)过程和中，限制酶Xho切割DNA，使_键断开，形成的黏性末端是_。(3)将SNAP基因与ETA基因结合构成融合基因，其目的是有利于检测_。解析：(1)过程是以mRNA为模板通过逆转录过程合成cDNA，所以需要加入缓冲液、引物、dNTP和逆转录酶等。完成过程的目的是获取目的基因(ETA基因)。(2)过程和中，利用限制酶Xho切割DNA以获取目的基因，限制酶Xho切割使DNA的磷酸二酯键断开，形成的黏性末端是。(3)将SNAP基因与ETA基因结合构成融合基因，其目的是有利于检测ETA基因能否表达及表达量。答案：(1)反转录(逆转录)获取目的基因ETA基因(2)磷酸二酯(3)ETA基因能否表达及表达量课时作业一、选择题1下列关于限制酶和DNA连接酶的理解，正确的是()A其化学本质都是蛋白质BDNA连接酶可以恢复DNA分子中的氢键C它们不能被反复使用D在基因工程操作中可以用DNA聚合酶代替DNA连接酶解析：选A。限制酶与DNA连接酶的化学本质都是蛋白质，A正确；DNA连接酶连接的是两个DNA片段间相邻两个核苷酸间的磷酸二酯键，B错误；酶在化学反应前后其数量、性质、功能均不发生改变，因此可以反复利用，C错误；DNA聚合酶只能连接单个核苷酸，不能催化两个DNA片段连接，不能替代DNA连接酶，D错误。2运用现代生物技术的育种方法，将抗菜青虫的Bt基因转移到优质油菜中，培育出转基因抗虫的油菜品种，这一品种在生长过程中能产生特异的杀虫蛋白，对菜青虫有显著抗性，能大大减轻菜青虫对油菜的危害，提高油菜产量，减少农药使用。据以上信息，下列叙述正确的是()ABt基因的化学成分是蛋白质BBt基因中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其具有Bt基因D转基因抗虫油菜产生的杀虫蛋白是无机物解析：选C。转基因油菜之所以具有抗虫特性，是因为Bt基因经过转录、翻译合成了杀虫蛋白，也就是Bt基因整合到了油菜DNA上，并成功实现表达。3下列有关基因工程的叙述，正确的是()ADNA重组技术所用的工具酶是限制酶、DNA连接酶和运载体B载体质粒通常采用抗生素合成基因作为筛选的标记基因C选用细菌作为重组质粒的受体细胞是因为细菌繁殖快D目的基因只要进入受体细胞就能实现表达解析：选C。基因工程操作中的工具酶是限制酶、DNA连接酶，运载体是基因的运载工具，而不是工具酶。载体质粒通常采用抗生素抗性基因作为筛选的标记基因。目的基因进入受体细胞后，只有受体细胞表现出特定的性状，才说明目的基因成功表达，基因工程的目的是让目的基因完成表达，生产出目的基因的表达产物。4如图是基因工程主要技术环节的一个基本步骤，这一步骤需用到的工具是()ADNA连接酶和解旋酶BDNA聚合酶和限制性核酸内切酶C限制性核酸内切酶和DNA连接酶DDNA聚合酶和RNA聚合酶解析：选C。目的基因和运载体结合需基因“剪刀”限制性核酸内切酶和基因“针线”DNA连接酶。此过程不涉及DNA复制，不需要DNA聚合酶和解旋酶。5利用基因工程技术可使大肠杆菌合成人的蛋白质。下列叙述不正确的是()A常用相同的限制性内切酶处理目的基因和质粒BDNA连接酶和RNA聚合酶是重组质粒形成过程必需的工具酶C可用含抗生素的培养基检测大肠杆菌中是否导入了重组质粒D导入大肠杆菌的目的基因不一定能成功表达解析：选B。切割目的基因和质粒用的是相同的限制酶，A正确；重组质粒形成过程必需的工具酶是DNA连接酶和限制酶，B错误；重组质粒上存在抗生素的抗性基因，可用含有抗生素的培养基检测大肠杆菌中是否导入了重组质粒，C正确；导入大肠杆菌的目的基因不一定能表达，D正确。6在用基因工程技术构建抗除草剂的转基因烟草过程中，下列操作错误的是()A用限制性核酸内切酶切割烟草花叶病毒的核酸B用DNA连接酶连接经切割的抗除草剂基因和载体C将重组DNA分子导入烟草受精卵D用含除草剂的培养基筛选转基因烟草细胞解析：选A。烟草花叶病毒的遗传物质是RNA，不能用限制性核酸内切酶切割，A错误；DNA连接酶可以连接具有相同黏性末端的目的基因和载体，B正确；受体细胞可以是受精卵和体细胞，也可以是去除细胞壁的原生质体，C正确；目的基因为抗除草剂基因，所以未成功导入目的基因的细胞不具有抗除草剂的能力，筛选时应该用含除草剂的培养基筛选转基因细胞，D正确。7中国新闻网报道，阿根廷科学家近日培育出了世界上第一头携带有两个人类基因的牛，因此有望生产出和人类母乳极其类似的奶制品。下列叙述正确的是()该技术将导致定向变异DNA连接酶将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解析：选D。转基因导致的变异属于定向变异。DNA连接酶连接起来的是目的基因和运载体黏性末端的磷酸和脱氧核糖之间的磷酸二酯键，而不是碱基对之间的氢键。8某农业研究所将苏云金芽孢杆菌的抗虫基因(Bt)导入棉花细胞，筛选出Bt基因成功整合到染色体上的抗虫植株，假定Bt基因都能正常表达。某些抗虫植株体细胞含两个Bt基因，这两个基因在染色体上的整合情况有下图所示的三种类型，黑点表示Bt基因的整合位点。让这些含两个Bt基因抗虫的植株自交，正常情况下后代不可能出现含四个抗虫基因的个体是()A甲 B乙C丙 D甲、乙、丙解析：选A。甲的两个Bt基因位于一对同源染色体上，减数分裂时，同源染色体分离，每一个生殖细胞中只有一个Bt基因，所以不可能出现含四个抗虫基因的个体。乙、丙均可能产生含两个Bt基因的生殖细胞，则有可能出现含四个抗虫基因的个体。9草甘膦是一种可以杀灭多种植物(包括农作物)的除草剂。草甘膦杀死植物的原理在于能够破坏植物叶绿体或质体中的EPSPS合成酶。通过转基因的方法，让农作物产生更多的EPSPS酶，就能抵抗草甘膦，从而让农作物不被草甘膦杀死。下列有关抗草甘膦转基因大豆的培育分析正确的是()A可通过喷洒草甘膦来检验转基因大豆是否培育成功B只能以大豆受精卵细胞作为基因工程的受体细胞C在转基因操作过程中一定要用同一种限制性核酸内切酶D只要EPSPS合成酶基因进入大豆细胞，大豆就会表现出抗草甘膦性状解析：选A。从个体水平上鉴定转基因大豆是否培育成功时，可通过喷洒草甘膦后观察转基因大豆的存活情况来检测，A正确；也可以用大豆的体细胞作为基因工程的受体细胞，再采用植物组织培养技术将受体细胞培育成转基因植株，B错误；在转基因操作过程中往往用同一种限制性核酸内切酶，但也可以用不同的限制酶切割，C错误；只有EPSPS合成酶基因进入大豆细胞并在大豆细胞中成功表达，大豆才会表现出抗草甘膦性状，D错误。10下列关于基因重组的说法，不正确的是()A减数第一次分裂后期，非同源染色体上非等位基因的自由组合属于基因重组B受精作用过程中配子的自由组合属于基因重组C我国科学家培育抗虫棉，利用的原理是基因重组D将活的R菌与加热杀死的S菌混合，部分R菌转化为S菌属于基因重组解析：选B。基因重组分为两类，减数第一次分裂后期，非同源染色体上非等位基因的自由组合；四分体时期同源染色体上的等位基因随非姐妹染色单体的交换而交换，A正确；受精作用过程中配子的自由组合不属于基因重组，B错误；基因工程培育抗虫棉将抗虫基因与棉花的染色体DNA整合在一起，属于基因重组，C正确；加热杀死的S型细菌的DNA进入活的R型细菌内，使R型细菌与S型细菌的基因发生重组，D正确。11在基因工程中，可依据受体细胞的类型及其生理特性来选择合适的载体，既能高效地携带目的基因进入受体细胞，又能方便地进行检测。已知有以下几类含有不同标记基因的质粒，不可做为侵入大肠杆菌的载体的是(已知青霉素可杀死大肠杆菌，四环素不能杀死大肠杆菌)()解析：选B。A质粒携带目的基因是否进入大肠杆菌，可用含有青霉素的培养基培养大肠杆菌，如果大肠杆菌不死亡，说明这些大肠杆菌已含有了A质粒上的标记基因表达出的性状，进一步说明目的基因已被携带进入大肠杆菌细胞内，故A项不符合题意；B质粒上的抗四环素标记基因对大肠杆菌无影响，所以不能用于对目的基因是否进入大肠杆菌的检测，即该载体不可作为侵入大肠杆菌的载体，B项符合题意；C和D质粒上的标记基因均可明显指示目的基因是否进入大肠杆菌细胞内，故C、D项均不符合题意。12人的糖蛋白必须经内质网和高尔基体进一步加工合成，通过转基因技术，可以使人的糖蛋白基因得以表达的受体细胞是()A大肠杆菌 B酵母菌CT4噬菌体 D质粒DNA解析：选B。人的糖蛋白必须经内质网和高尔基体进一步加工合成，故受体细胞内应有内质网和高尔基体，题干中只有酵母菌符合此条件。二、非选择题13下图是三种因相应结构发生变化而产生变异的示意图，请据图回答下列问题：(1)过程_能在光学显微镜下观察到；图中过程的变异类型为_。(2)猫叫综合征的变异类型与上述过程_相同，图中过程的变异类型为_。(3)青霉素高产菌株的获得所依据的原理与过程_相同。解析：据图分析可知，表示基因突变，属于染色体结构变异，属于基因工程中的基因重组。 (1)过程能在光学显微镜下观察到，图中过程的变异类型为基因突变。(2)猫叫综合征属于染色体结构的变异，与上述过程相同，图中过程的变异类型为基因重组。(3)青霉素高产菌株的获得所依据的原理是基因突变，与基因突变相同。答案：(1)基因突变(2)基因重组(3)14 1979年，科学家将鼠体内的能够产生胰岛素的基因与大肠杆菌的DNA分子重组，并且在大肠杆菌中发现了胰岛素的前体物质胰岛素原。如下图所示，请