选修三知识点(基因工程)-教师版

1、专题1 基因工程基因工程的概念基因工程是指按照人们的愿望，进行严格的设计，通过体外DNA重组和转基因技术，赋予生物以新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，又叫做DNA重组技术。（一）基因工程的基本工具1.“分子手术刀”限制性核酸内切酶（限制酶）（1）来源：主要是从原核生物中分离纯化出来的。（2）功能：能够识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开，因此具有专一性。（3）结果：经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式：黏性末端和平末端。2.“分子缝合针”DNA连接酶(

2、1)两种DNA连接酶（EcoliDNA连接酶和T4-DNA连接酶）的比较：相同点：都缝合磷酸二酯键。区别：EcoliDNA连接酶来源于大肠杆菌，只能将双链DNA片段互补的黏性末端之间的磷酸二酯键连接起来；而T4DNA连接酶来源于T4DNA，能缝合两种末端，但连接平末端的之间的效率较低。(2)与DNA聚合酶作用的异同:DNA聚合酶只能将单个核苷酸加到已有的核苷酸片段的末端，形成磷酸二酯键。DNA连接酶是连接两个DNA片段的末端，形成磷酸二酯键。3.“分子运输车”载体（1）载体具备的条件：能在受体细胞中复制并稳定保存。具有一至多个限制酶切点，供外源DNA片段插入。具有标记基因，供重组DNA的鉴定和

3、选择。 = 4 * GB3 对宿主细胞无害（2）最常用的载体是质粒,它是一种裸露的、结构简单的、独立于细菌拟核DNA之外，并具有自我复制能力的双链环状DNA分子。（3）其它载体： 噬菌体的衍生物、动植物病毒(二)基因工程的基本操作程序抗虫棉的培育过程基因工程技术生产凝乳酶的过程第一步：目的基因的获取1.目的基因是指： 编码蛋白质的基因 。2.从基因文库获取目的基因（1）将含有某种生物不同基因的许多DNA片段，导入受体菌群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同基因，称为基因文库。（2）如果基因文库包含了一种生物所有的基因，这种基因文库称为基因组文库。（3） 如果基因文库只包含了一种生物的一部

4、分基因，这种基因文库称为部分基因文库，如cDNA文库。（4）建立基因文库，便于随时获取目的基因.3.PCR技术扩增目的基因（1）PCR是多聚酶链式反应的缩写。（2）PCR技术扩增目的基因的前提是，要有一段已知的目的基因的核苷酸序列，以便根据这一序列合成引物。（3）原理：DNA双链复制（4）过程：第一步：加热至9095DNA解链；第二步：冷却到5560，引物结合到互补DNA链；第三步：加热至7075，热稳定DNA聚合酶从引物起始互补链的合成。4.如果基因比较小，核苷酸序列又已知，也可以通过DNA合成仪用化学方法直接人工合成。5.PCR扩增技术与DNA复制的比较 PCR技术DNA复制相同点原理DN

5、A复制(碱基互补配对)原料四种游离的脱氧核苷酸条方式件模板、ATP、酶、原料、引物不同点解旋DNA在高温下变性解旋解旋酶催化场所体外复制(PCR扩增仪)主要在细胞核内酶热稳定的DNA聚合酶(Taq酶)细胞内含有的DNA聚合酶结果在短时间内形成大量的DNA片段形成整个DNA分子第二步：基因表达载体的构建基因工程的核心1.目的：使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传至下一代，使目的基因能够表达和发挥作用。2.组成：目的基因启动子终止子标记基因（1）启动子：是一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端，是RNA聚合酶识别和结合的部位，能驱动基因转录出mRNA，最终获得所需的蛋白质。（2）终止子

6、：也是一段有特殊结构的DNA片段 ，位于基因的尾端。（3）标记基因的作用：是为了鉴定受体细胞中是否含有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出来。常用的标记基因是抗性基因。第三步：将目的基因导入受体细胞_1.转化的概念：是目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。2.常用的转化方法：（1）将目的基因导入植物细胞：采用最多的方法是 农杆菌转化法，其次还有 基因枪法和 花粉管通道法等。农杆菌转化法适用于双子叶植物和裸子植物，而对大多数单子叶植物没有感染能力。农杆菌转化法利用的是农杆菌能将Ti质粒上的TDNA转移到受体细胞，并且整合到受体细胞染色体的DNA上的特点（2）将目的基因

7、导入动物细胞：最常用的方法是 显微注射技术。此方法的受体细胞多是 受精卵。（3）将目的基因导入微生物细胞：原核生物作为受体细胞的原因是 繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少 ，最常用的原核细胞是 大肠杆菌 ，其转化方法是：先用 Ca2+ 处理细胞，使其成为 感受态细胞 ，再将 重组表达载体DNA分子 溶于缓冲液中与感受态细胞混合，在一定的温度下促进感受态细胞吸收DNA分子，完成转化过程。3.重组细胞导入受体细胞后，筛选含有基因表达载体受体细胞的依据是标记基因是否表达。第四步：目的基因的检测和表达1.首先要检测 转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因，方法是采用 DNA分子杂交技术，工具是

8、DNA探针。2.其次还要检测 目的基因是否转录出了mRNA，方法是采用 用标记的目的基因作探针与 mRNA杂交。3.最后检测 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。4.有时还需进行 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。（三）基因工程的应用1.植物基因工程：（1）抗虫、抗病、抗逆转基因植物，（2）利用转基因改良植物的品质。2.动物基因工程：（1）提高动物生长速度、（2）改善畜产品品质、 （3）用转基因动物生产药物。转基因动物通过分泌乳汁来生产所需的的药物，因而称为乳腺生物反应器或乳房生物反应器。（4）用转基因动物做器官移

9、植的供体3.基因治疗：把正常的外源基因导入病人体内，使该基因表达产物发挥作用。基因治疗分为体外基因治疗和体内基因治疗。（四）蛋白质工程的概念蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。（基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质）转录 翻译 练习1.家蚕细胞具有高效表达外源基因的能力。将人干扰素基因导入家蚕细胞并大规模培养，可提取干扰素用于制药。(1)进行转基因操作前，需用_酶短时处理幼蚕组织，以便获得单个细胞。(2)为使干扰素基因在家蚕细胞中高效表达，需要把来自cDNA文库

10、的干扰素基因片段正确插入表达载体的_和_之间。(3)采用PCR技术可验证干扰素基因是否已经导入家蚕细胞。该PCR反应体系的主要成分应包含：扩增缓冲液(含Mg2)、水、4种脱氧核糖核苷酸、模板DNA、_和_。(4)利用生物反应器培养家蚕细胞时，贴壁生长的细胞会产生接触抑制。通常将多孔的中空薄壁小玻璃珠放入反应器中，这样可以_，增加培养的细胞数量，也有利于空气交换。答案：(1)胰蛋白(或胶原蛋白)(2)启动子终止子(3)对干扰素基因特异的DNA引物对Taq DNA聚合酶(4)扩大细胞贴壁生长的附着面积2请回答基因工程方面的有关问题：(1)利用PCR技术扩增目的基因，其原理与细胞内DNA复制类似(如

11、下图所示)。图中引物为单链DNA片段，它是子链合成延伸的基础。 从理论上推测，第四轮循环产物中含有引物A的DNA片段所占的比例为。在第轮循环产物中开始出现两条脱氧核苷酸链等长的DNA片段。 (2)设计引物是PCR技术关的键步骤之一。某同学设计的两组引物(只标注了部分碱基序列)都不合理(如下图)，请分别说明理由。第1组： _；第2组： _。(3)PCR反应体系中含有热稳定DNA聚合酶，下面的表达式不能正确反映DNA聚合酶的功能，这是因为_。答案：(1)15/16三(2)引物和引物局部发生碱基互补配对而失效引物自身折叠后会出现局部碱基互补配对而失效(3)DNA聚合酶只能将单个脱氧核苷酸连续结合到双

12、链DNA片段的引物链上3回答有关基因工程的问题：(1)构建基因工程表达载体时，用不同类型的限制酶切割DNA后，可能产生黏性末端，也可能产生_末端。若要在限制酶切割目的基因和质粒后使其直接进行连接，则应选择能使二者产生_(相同、不同)黏性末端的限制酶。(2)利用大肠杆菌生产人胰岛素时，构建的表达载体含有人胰岛素基因及其启动子等，其中启动子的作用是_。在用表达载体转化大肠杆菌时，常用_处理大肠杆菌，以利于表达载体进入；为了检测胰岛素基因是否转录出了mRNA，可用标记的胰岛素基因片段作探针与mRNA杂交，该杂交技术称为_。为了检测胰岛素基因转录的mRNA是否翻译成_，常用抗原抗体杂交技术。(3)如果

13、要将某目的基因通过农杆菌转化法导入植物细胞，先要将目的基因插入农杆菌T i质粒的_中，然后用该农杆菌感染植物细胞，通过DNA重组将目的基因插入植物细胞的_上。答案：(1)平口相同(2)RNA聚合酶识别和结合的位点，有了它才能驱动基因转录出mRNA，最终获得所需要的蛋白质CaCl2溶液(或Ca2)DNA分子杂交技术人胰岛素(3)TDNA染色体的DNA4降钙素是一种多肽类激素，临床上用于治疗骨质疏松症等。人的降钙素活性很低，半衰期较短。某科研机构为了研发一种活性高、半衰期长的新型降钙素，从预期新型降钙素的功能出发，推测相应的脱氧核苷酸序列，并人工合成了两条72个碱基的DNA单链，两条链通过18个碱

14、基对形成部分双链DNA片段，再利用Klenow 酶补平，获得双链DNA，过程如图。在此过程中发现，合成较长的核苷酸单链易产生缺失碱基的现象。分析回答下列问题：(1)Klenow酶是一种酶，合成的双链DNA有个碱基对。(2)获得的双链DNA经EcoR(识别序列和切割位点GAATTC)和BamH(识别序列和切割位点GGATCC)双酶切后插入到大肠杆菌质粒中，筛选含重组质粒的大肠杆菌并进行DNA测序验证。大肠杆菌是理想的受体细胞，这是因为它_。设计EcoR和BamH双酶切的目的是_。要进行重组质粒的鉴定和选择，需要大肠杆菌质粒中含有。(3)经DNA测序表明，最初获得的多个重组质粒，均未发现完全正确的

15、基因序列，最可能的原因是。(4)上述制备该新型降钙素运用的现代生物工程技术是。答案：(1)DNA聚合126(2)繁殖快、单细胞、遗传物质相对较少保证目的基因和载体的定向连接(或防止目的基因和载体在酶切后产生的末端发生任意连接)标记基因(3)合成的核苷酸单链仍较长，产生缺失碱基的现象 (4)蛋白质工程5应用生物工程技术获得人们需要的生物新品种或新产品，是生物科学技术转化为生产力的重要体现。请据图回答下列问题：(1)在培育转基因牛的过程中，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乳汁来生产人生长激素，在基因表达载体中，人生长激素基因的首端必须含有_，它是_识别和结合点部位

16、。过程培养到桑椹胚或囊胚阶段，可以采用_技术，培育出多头相同的转基因牛犊。(3)PrG基因的产物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，将目的基因导入棉花受体细胞采用最多的方法是_法。过程中的受体细胞如果采用愈伤组织细胞，与采用叶肉细胞相比较，其优点是_，过程采用的技术是_。答案：(1)限制性核酸内切酶、DNA连接酶显微注射法(2)启动子RNA聚合酶胚胎分割移植(3)浆既能无限增殖又能产生特定抗体(4)农杆菌转化全能性高植物组织培养6如图是某种动物蛋白质工程的示意图，请分析回答：(1)目前蛋白质工程中难度最大的是图中编号_所示的过程，实现过程的依据