2023届 二轮复习 基因工程 学案

第17讲基因工程1.科学家利用苏云金杆菌的“杀虫基因”转到棉花里，让棉花产生Bt抗虫蛋白抵抗虫害。检测Bt基因是否插入到棉花的DNA上。请简要写出该方法的实验过程，并对结果进行分析。(选择性必修3P76“从社会中来”)________________________________________________________________________________________________________________________________________________提示：将转基因的棉花的基因组DNA提取出来，将含Bt基因的DNA片段进行PCR技术扩增，并将扩增出的基因片段进行电泳鉴定。若仅出现一条条带，表明目的基因已插入到受体细胞的DNA中。2．构建基因表达载体时，为避免DNA片段和载体自身环化及基因表达载体等的任意拼接，应采取何种措施？(选择性必修3P80“文字信息”)________________________________________________________________________________________________________________________________________________提示：采用不同的限制酶切割，产生不同的末端。3.干扰素是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白，临床上被广泛用于治疗病毒感染性疾病。利用大肠杆菌可构建干扰素工程菌，该工程菌不能生产有活性的干扰素，请解释其原因。(选择性必修3P90“资料卡”)________________________________________________________________________________________________________________________________________________提示：大肠杆菌为原核生物，无内质网和高尔基体，不具备加工干扰素的能力。4.转基因植物所携带的目的基因可能传递给非转基因植物，造成基因污染。如果将目的基因导入叶绿体DNA中，就可以有效避免基因污染，原因是什么？(选择性必修3P102“相关信息”)________________________________________________________________________________________________________________________________________________提示：叶绿体基因不会通过花粉传给下一代。5.治疗性克隆获得的组织器官在移植时一般不会出现排异反应，其根本原因是什么？(选择性必修3P54“文字信息”)________________________________________________________________________________________________________________________________________________提示：治疗性克隆获得的组织和器官的绝大多数遗传物质和患者相同。1.有时为了满足应用需要，会在运载体中人工构建诱导型启动子，其目的是什么？答案：当诱导物存在时，可以激活或抑制目的基因的表达。2．做粗提取DNA的实验时，常选用鸡血细胞、猪肝细胞以及新鲜的洋葱、菜花作为实验材料，而不选用猪血细胞，原因是什么？________________________________________________________________________________________________________________________________________________答案：鸡血、猪肝以及洋葱、菜花的细胞中含有细胞核，而且以上材料容易获得，而哺乳动物成熟的红细胞中没有细胞核和细胞器。考点一基因工程(2022·广东卷)“绿水逶迤去，青山相向开”大力发展低碳经济已成为全社会的共识。基于某些梭菌的特殊代谢能力，有研究者以某些工业废气(含CO2等一碳温室气体，多来自高污染排放企业)为原料，通过厌氧发酵生产丙酮，构建一种生产高附加值化工产品的新技术。回答下列问题：(1)研究者针对每个需要扩增的酶基因(如图)设计一对________，利用PCR技术，在优化反应条件后扩增得到目标酶基因。(2)研究者构建了一种表达载体pMTL80k，用于在梭菌中建立多基因组合表达库，经筛选后提高丙酮的合成量。该载体包括了启动子、终止子及抗生素抗性基因等，其中抗生素抗性基因的作用是________________________，终止子的作用是____________________________。(3)培养过程中发现重组梭菌大量表达上述酶蛋白时，出现了生长迟缓的现象，推测其原因可能是________________________________，此外丙酮的积累会伤害细胞，需要进一步优化菌株和工艺才能扩大应用规模。(4)这种生产高附加值化工产品的新技术，实现了________________，体现了循环经济特点。从“碳中和”的角度看，该技术的优势在于________________________________，具有广泛的应用前景和良好的社会效益。解析：(1)利用PCR技术扩增目标酶基因，首先需要根据目标酶基因两端的碱基序列设计一对引物，引物与模板链结合后，Taq酶才能从引物的3′端延伸子链。(2)基因表达载体中，抗生素抗性基因作为标记基因，可用于筛选含有基因表达载体的受体细胞，终止子可终止转录，使转录在需要的地方停下来。(3)重组梭菌大量表达上述酶蛋白时，在这些酶蛋白的作用下，二氧化碳等气体大量用于合成丙酮，而不是用于重组梭菌的生长，所以会导致生长迟缓。(4)根据题意可知，这种生产高附加值化工产品的新技术，以高污染企业排放的二氧化碳等一碳温室气体为原料，实现了废物的资源化，体现了循环经济特点。从“碳中和”的角度看，该技术生产丙酮的过程不仅不排放二氧化碳，而且还可以消耗工业废气中的二氧化碳，有利于减缓温室效应，并实现较高的经济效益，所以具有广泛的应用前景和良好的社会效益。答案：(1)引物(2)作为标记基因，筛选含有基因表达载体的受体细胞终止转录，使转录在需要的地方停下来(3)二氧化碳等气体用于大量合成丙酮，而不是用于重组梭菌的生长(4)废物的资源化不仅不排放二氧化碳，而且还可以消耗工业废气中的二氧化碳1．图解基因工程的三种工具2．图解基因工程的操作步骤3．图解PCR相关知识4．PCR扩增图解5．图解蛋白质工程特别提醒基因工程操作的四个易错点(1)目的基因的插入位点不是随意的，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。(2)基因工程操作过程中只有第三步(将目的基因导入受体细胞)没有碱基互补配对现象。(3)农杆菌转化法原理：农杆菌易感染植物细胞，并将其Ti质粒上的TDNA转移并整合到受体细胞的染色体DNA上。(4)启动子≠起始密码子，终止子≠终止密码子；启动子和终止子位于DNA片段上，分别控制转录过程的启动和终止；起始密码子和终止密码子位于mRNA上，分别控制翻译过程的启动和终止。题点一：围绕基因工程的操作工具，考查理解能力1．(2022·广东广州一模)下列有关DNA聚合酶和DNA连接酶的叙述错误的是()A．二者的合成需要核糖体的参与B．二者在酵母菌的细胞核和细胞质中均发挥作用C．二者在大肠杆菌的拟核和线粒体均有分布D．二者所催化的反应要消耗细胞代谢产生的能量答案：C题点二：通过基因工程的操作过程，考查综合应用能力2．(2022·广东模拟预测)人体内的tPA蛋白能高效降解由纤维蛋白凝聚而成的血栓，是心梗和脑血栓的急救药。通过基因工程技术可以大量制备基因工程药物tPA。(1)研究人员采用PCR技术可以获得大量tPA基因，PCR的原理是________________。此外，大量获得tPA基因的方法还有__________________________________(答出1种)。(2)高质量的DNA模板是成功扩增目的基因的前提条件之一，在制备DNA模板时，可以用高温处理的方法去除其中的蛋白质，原因是______________________________________。(3)研究表明，为心梗患者注射大量tPA会诱发颅内出血，其原因在于tPA与纤维蛋白结合的特异性不高，若将tPA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸，能显著降低出血副作用。据此，先对天然的tPA基因进行序列改造，然后再采取传统的基因工程方法表达该改造后的基因，可制造出性能优异的改良tPA蛋白。(注：如图表示相关的目的基因、载体及限制酶。pCLY11为质粒，新霉素为抗生素。)请回答下列问题：①以上制造出性能优异的改良tPA蛋白的过程被称为__________。已知人tPA基因第84位半胱氨酸的模板链碱基序列为ACA，而丝氨酸的密码子为UCU，因此改造后的基因决定第84位丝氨酸的模板链的碱基序列应设计为__________。②如图所示，需选用限制酶XmaⅠ和________切开质粒pCLY11，才能与tPA改良基因高效连接。与单一酶酶切相比，本操作采用的双酶切方法的优点是________________________________________________________________________。③将连接好的DNA分子导入大肠杆菌，含tPA改良基因重组DNA分子的细胞应具有的性状是________A．新霉素抗性且呈蓝色B．新霉素敏感且呈蓝色C．新霉素抗性且呈白色D．新霉素敏感且呈白色解析：(1)PCR是指体外合成DNA的技术，其原理是DNA双链复制。对于基因比较小，核苷酸序列已知，也可以直接使用DNA合成仪用化学方法直接人工合成，此外还可从基因文库中直接获取。(2)根据蛋白质在高温条件下会变性失活，而DNA虽然在高温时会变性，但在低温时又会复性的特征，在制备DNA模板时，可以用高温处理的方法去除其中的蛋白质，从而获得较纯净的DNA模板。(3)①天然的tPA基因控制tPA蛋白的合成，改良tPA蛋白需要对天然的tPA基因进行序列改造，然后用改造的基因作为目的基因让其表达，从而实现对天然蛋白质的改造，题中性能优异的改良tPA蛋白的过程被称为蛋白质工程，已知人tPA基因第84位半胱氨酸的模板链碱基序列为ACA，而丝氨酸的密码子为UCU，根据碱基互补配对原则可推测，改造后的基因决定第84位丝氨酸的模板链的碱基序列应设计为AGA。②目的基因两端的黏性末端图中已经给出，观察各限制酶的识别序列可知，限制酶XmaⅠ和BglⅡ切割产生的粘性末端能与目的基因的黏性末端碱基互补，要想把目的基因与质粒pCLY11(运载体)拼接起来需要得到相同的黏性末端，因此质粒pCLY11(运载体)也需要限制酶Xma和BglⅡ切割；基因工程中最核心的一个环节为基因表达载体的构建，其的是让目的基因在受体细胞中稳定存在并且遗传给下一代，同时使目的基因能够表达和发挥作用，这里用两种不同的限制酶切割质粒的目的是为了使其呈现两种不同的黏性末端分别与目的基因的两个黏性末端连接，这样可以保证目的基因和质粒的正向连接，同时也可避免目的基因和质粒的自身环化。③结合图示可知，限制酶XmaⅠ和BglⅡ会破坏质粒pCLY11上的mLacZ，但不会破坏neor(新霉素抗性基因)，导入重组质粒的大肠杆菌具有新霉素抗性，但由于mLacZ基因被破坏，因而菌落呈现白色，而导入pCLY11质粒的大肠杆菌，既有新霉素抗性，且mLacZ基因也能正常表达，因而菌落呈现蓝色。当然这里作为受体细胞的大肠杆菌应该不具有pCLY11质粒，据此可将成功导入目的基因的大肠杆菌筛选出来。答案：(1)DNA半保留复制(DNA双链复制)(化学方法)人工合成、从基因文库中获取(2)蛋白质在高温条件下会变性失活，而DNA虽然在高温时会变性，但在低温时又会复性(3)蛋白质工程AGABglⅡ防止质粒载体(和目的基因)自身环化C考点二DNA的粗提取与鉴定、DNA片段的扩增及电泳鉴定(2022·山东卷)关于“DNA的粗提取与鉴定”实验，下列说法错误的是()A．过滤液沉淀过程在4℃冰箱中进行是为了防止DNA降解B．离心研磨液是为了加速DNA的沉淀C．在一定温度下，DNA遇二苯胺试剂呈现蓝色D．粗提取的DNA中可能含有蛋白质解析：低温时DNA酶的活性较低，过滤液沉淀过程在4℃冰箱中进行是为了防止DNA降解，A正确；离心研磨液是为了使细胞碎片沉淀，B错误；在沸水浴条件下，DNA遇二苯胺试剂呈现蓝色，C正确；细胞中的某些蛋白质可以溶解于酒精，可能有蛋白质不溶于酒精，在95%的冷酒精中与DNA一块儿析出，故粗提取的DNA中可能含有蛋白质，D正确。答案：B1．DNA粗提取与鉴定原理和实验流程(1)原理①DNA在不同浓度的NaCl溶液中的溶解度不同，其中在物质的量浓度为0.14mol/L时最低。②DNA不溶于冷却的酒精，但是细胞中的一些有机物如某些蛋白质则溶于冷却的酒精，可以用冷却的酒精提纯。③DNA遇二苯胺(沸水浴)会被染成蓝色，因此，二苯胺可用来鉴定DNA分子。(2)实验流程实验材料的选取→破碎细胞，获取含DNA的滤液→去除滤液中的杂质→DNA的析出与鉴定。(3)注意事项①实验材料的选取：凡是含有DNA的生物材料都可以考虑，但是使用DNA含量相对较高的生物组织，成功的可能性更大。②提取和分离DNA用塑料离心管的原因：细胞破碎后释放出的DNA，容易被玻璃容器吸附；由于细胞内DNA的含量本来就比较少，再被玻璃容器吸附去一部分，提取到的DNA就会更少。2．DNA片段的扩增(1)原理：利用PCR在体外扩增DNA分子。(2)实验用具：PCR仪、微量离心管、微量移液器。(3)实验步骤。①移液：按配方用微量移液器向微量离心管中依次加入各组分；②离心：使反应液集中在微量离心管的底部。③反应：设置好PCR仪的循环程序，将装有反应液的微量离心管放入PCR仪中进行反应。3．DNA片段的电泳鉴定(1)原理①DNA分子中的可解离基团，在一定的pH条件下会带上正电荷或负电荷。②在电场的作用下，这些带电分子会向着与其所带电荷相反的电极移动。③在凝胶中DNA分子的迁移速率与凝胶的浓度、DNA分子的大小和构象等有关。④凝胶中的DNA分子通过染色，在波长为300nm的紫外灯下被检测出来。(2)实验步骤①制胶：提前将模具和梳子准备好，用电泳缓冲液配制琼脂糖溶液，在沸水浴或微波炉内加热至琼脂糖熔化，稍冷却后加入适量的核酸染料混匀，倒入模具，并插入梳子。②形成加样孔：待凝胶溶液完全凝固，小心拔出梳子，取出凝胶放入电泳槽内。③上样eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(Ⅰ.将电泳缓冲液加入电泳槽中，电泳缓,冲液没过凝胶1mm为宜,Ⅱ.将扩增得到的PCR产物与凝胶载样,缓冲液（内含指示剂）混合,Ⅲ.用微量移液器将混合液缓慢注入凝,胶的加样孔内，留一个加样孔加入,指示分子大小的标准参照物))④电泳：接通电源，设定电压，待指示剂前沿迁移接近凝胶边缘时，停止电泳。⑤拍照：取出凝胶，置于紫外灯下观察和照相。特别提醒PCR实验操作的四点提醒(1)为避免外源DNA等因素的污染，所用仪器、缓冲液、蒸馏水等使用前必须进行高压灭菌处理。(2)缓冲液和酶应分装成小份，并在－20℃条件下储存。