复习二轮复习微专题三基因工程和蛋白质工程学案（鲁湘冀辽）

微专题三基因工程和蛋白质工程1．基因工程的基本工具提醒：若用不同的限制酶切割出不同的黏性末端，则能使基因和载体定向连接，避免自身环化和反向连接，提高连接的有效性。2．理解掌握基因工程的操作步骤(1)目的基因的筛选与获取提醒：从cDNA文库获取的目的基因不含启动子和终止子。(2)基因表达载体的构建——重组质粒的构建提醒：①启动子和终止子启动子(DNA片段)≠起始密码子(位于mRNA上)；终止子(DNA片段)≠终止密码子(位于mRNA上)。②目的基因插入位置：启动子与终止子之间。(3)将目的基因导入受体细胞(4)目的基因的检测与鉴定提醒：PCR不仅可用于获取和扩增目的基因，还能用于检测受体细胞中是否含有目的基因或受体细胞中的目的基因是否转录出mRNA。3．蛋白质工程1．设计引物是PCR技术关键步骤之一。某同学设计的两组引物(只标注了部分碱基序列)都不合理(如图)，请分别说明理由。提示：第1组引物Ⅰ和引物Ⅱ局部发生碱基互补配对而失效；第2组引物Ⅰ′自身折叠后会出现局部碱基互补配对而失效。2．(科学思维)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。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。3．(科学思维)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？提示：叶绿体基因不会通过花粉传给下一代。蛋白质工程的原理和操作1.(2021·辽宁高考)腈水合酶(N0)广泛应用于环境保护和医药原料生产等领域，但不耐高温。利用蛋白质工程技术在N0的α和β亚基之间加入一段连接肽，可获得热稳定的融合型腈水合酶(N1)。下列有关叙述错误的是()A．N1与N0氨基酸序列的差异是影响其热稳定性的原因之一B．加入连接肽需要通过改造基因实现C．获得N1的过程需要进行转录和翻译D．检测N1的活性时先将N1与底物充分混合，再置于高温环境解析：D在N0的α和β亚基之间加入一段连接肽，可获得热稳定的融合型腈水合酶(N1)，则N1与N0氨基酸序列有所不同，这可能是影响其热稳定性的原因之一，A正确；蛋白质工程的作用对象是基因，即加入连接肽需要通过改造基因实现，B正确；N1为蛋白质，蛋白质的合成需要经过转录和翻译两个过程，C正确；酶具有高效性，检测N1的活性时需先将其置于高温环境，再与底物充分混合，D错误。2．(多选)(2022·菏泽模拟)枯草杆菌蛋白酶能催化蛋白质水解为氨基酸，在有机溶剂中也能催化多肽的合成。这些碱性蛋白酶具有重要的应用价值，被广泛应用于洗涤剂、制革及丝绸工业。1987年福什特通过将枯草杆菌蛋白酶分子表面的Asp(99)和Glu(156)改成Lys，而导致了活性中心His(64)质子pKa从7下降到6，使酶在pH＝6时的活力提高10倍。下列说法正确的是()A．完成氨基酸的替换需要通过改造基因实现B．该成果体现了蛋白质工程在培育新物种方面具有独特的优势C．经蛋白质工程改造后的枯草杆菌蛋白酶活性提高这一性状可遗传D．蛋白质工程最终要达到的目的是获取编码蛋白质的基因序列信息解析：AC氨基酸的排列顺序是由基因决定的，因此完成氨基酸的替换需要通过改造基因实现，A正确；该成果培育了新品种，而不是新物种，B错误；经蛋白质工程改造后的枯草杆菌蛋白酶的基因发生了改变，因此经蛋白质工程改造后的枯草杆菌蛋白酶活性提高这一性状可以遗传，C正确；蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终要达到的目的是改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求，D错误。基因工程的操作工具和操作程序3.(2022·湖北模拟)为了获得抗蚜虫棉花新品种，研究人员将雪花莲凝集素基因(GNA)和尾穗苋凝集素基因(ACA)与载体(pBI121)结合，然后导入棉花细胞。下列操作与实验目的不符的是()A．用限制酶BsaBⅠ和DNA连接酶处理两种基因可获得GNA-ACA融合基因B．与只用KpnⅠ相比，KpnⅠ和XhoⅠ处理融合基因和载体可保证基因转录方向正确C．将棉花细胞接种在含卡那霉素的培养基上可筛选出转化成功的受体细胞D．用PCR技术可检测GNA和ACA基因是否导入棉花细胞中解析：C雪花莲凝集素基因(GNA)和尾穗苋凝集素基因(ACA)均有BsaBⅠ酶切位点，所以用限制酶BsaBⅠ和DNA连接酶处理两种基因可获得GNA-ACA融合基因，A正确；图中质粒与ACA-GNA上都含有KpnⅠ和XhoⅠ的酶切位点，与只用KpnⅠ相比，KpnⅠ和XhoⅠ处理融合基因和载体可保证基因转录方向正确，B正确；由于重组质粒含有卡那霉素的抗性基因，故将棉花细胞接种在含卡那霉素的培养基上可筛选出转基因细胞，C错误；根据GNA-ACA融合基因的两端序列设计合适的引物，可以利用PCR技术检测GNA和ACA基因是否导入棉花细胞中，D正确。4．(2022·昌平区二模)乳酸菌是乳酸的传统生产菌，但耐酸能力较差，影响产量。酿酒酵母耐酸能力较强，但不产生乳酸。研究者将乳酸菌内催化乳酸生成的乳酸脱氢酶基因(LDH)导入酿酒酵母，获得能产生乳酸的酵母工程菌株。如图为通过双酶切构建重组质粒的过程。GTG为原核生物偏好的编码起始密码子的序列，ATG为真核生物偏好的编码起始密码子的序列。相关叙述不正确的是()A．引物1的5′端序列应包含BamHⅠ的识别序列B．引物1的5′端序列应考虑将GTG改为ATGC．重组质粒以不能合成尿嘧啶的酵母菌株为受体D．酵母工程菌培育成功的标志是产生乳酸脱氢酶解析：D设计引物1的5′端序列，应考虑将编码起始密码子的序列由原核生物偏好的GTG转变为真核生物偏好的ATG，以便目的基因在酵母细胞中更好的表达；同时能通过双酶切以正确方向插入质粒，需要包含BamHⅠ的识别序列，A、B正确；结合题意可知，本过程中重组质粒以不能合成尿嘧啶的酵母菌株为受体，然后接种到缺乏尿嘧啶的选择培养基上，不能合成尿嘧啶的酿酒酵母菌株不能生存，导入重组质粒的酿酒酵母菌株因为获得了尿嘧啶合成酶基因而可以正常生存，从而起到筛选作用，C正确；结合题意可知，酵母工程菌培育成功的标志是产生乳酸，D错误。结合生产、生活实践，考查基因工程的应用5.(2022·菏泽一模)普通棉花中含β-甘露糖苷酶基因(GhMnaA2)，能在纤维细胞中特异性表达，产生的β-甘露糖苷酶催化半纤维素降解，棉纤维长度变短。科研人员通过构建反义GhMnaA2基因表达载体，利用农杆菌转化法导入棉花细胞，成功获得转基因棉花品种，具体过程如图：(1)基因表达载体除图示组成外，还有复制原点、________________等(答两个)。①②过程中所用的限制酶分别是________________、________。(2)PCR技术扩增β-甘露糖苷酶基因(GhMnaA2)的原理是________________，该过程需要根据GhMnaA2基因设计________种引物，为保证GhMnaA2插入到质粒2中，需在引物的________端添加限制酶识别序列。(3)③过程中用酶切法可鉴定正、反义基因表达载体。用SmaⅠ酶和NotⅠ酶切割正义基因表达载体获得0.1kb、3.75kb、5.25kb、8.6kb四种长度的DNA片段，则用NotⅠ酶切割反义基因表达载体获得DNA片段的长度应是________和________。(4)导入细胞内的反义GhMnaA2能阻止β-甘露糖甘酶合成，使棉纤维更长的原理是________________________________________________________。(5)为什么不能用GhMnaA2探针进行DNA分子杂交来鉴定基因表达载体是否导入棉花细胞？________________________________________________________________________________________________________________________________________________。解析：(1)基因表达载体除了图示组成(启动子)外，还应包括复制原点、终止子、标记基因；构建基因表达载体的目的是使目的基因稳定存在并且可以遗传给下一代，使目的基因能够表达和发挥作用。结合分析可知，①和②过程中所用的限制性内切核酸酶分别是HindⅢ和BamHⅠ、SmaⅠ。(2)PCR技术扩增目的基因的原理是DNA半保留复制；该过程需要根据目的基因(GhMnaA2)两端部分核苷酸序列设计引物；DNA聚合酶只能使新合成的DNA子链从5′→3′方向延伸，为保证GhMnaA2能插入到质粒2中，还需要在引物的5′端添加限制酶识别序列。(3)③过程中，用SmaⅠ酶和NotⅠ酶切割正义基因表达载体获得0.1kb、3.75kb、5.25kb、8.6kb四种长度的DNA片段，则用NotⅠ酶切割反义基因表达载体获得DNA片段的长度应是0.1kb＋5.25kb＝5.35kb、3.75kb＋8.6kb＝12.35kb。(4)由于反义GhMnaA2转录的mRNA能与棉花细胞内的GhMnaA2转录的mRNA互补配对，从而抑制基因的表达(翻译)，故导入细胞内的反义GhMnaA2能阻止β-甘露糖甘酶合成，使棉纤维更长。(5)因为棉花细胞中本来就有GhMnaA2，不管是否导入基因表达载体都能与GhMnaA2探针发生碱基互补配对，故不能用GhMnaA2探针进行DNA分子杂交来鉴定基因表达载体是否导入棉花细胞。答案：(1)终止子、标记基因HindⅢ和BamHⅠSmaⅠ(2)DNA半保留复制25′(3)5.35kb12.35kb(4)由于反义GhMnaA2转录的mRNA能与棉花细胞内的GhMnaA2转录的mRNA互补配对，从而抑制基因的表达(翻译)，故导入细胞内的反义GhMnaA2能阻止β-甘露糖甘酶合成，使棉纤维更长(5)因为棉花细胞中本来就有GhMnaA2，不管是否导入都能与该探针发生碱基互补配对，故不能用GhMnaA2探针进行DNA分子杂交来鉴定基因表达载体是否导入棉花细胞1．(2022·房山区二模)大肠杆菌的质粒(环状DNA)是基因工程的常用载体，结构如图。下列叙述正确的是()A．①②③共同组成核糖核苷酸B．质粒中的碱基遵循碱基互补配对原则C．DNA连接酶会使化学键④重新连接D．若某种限制酶在质粒上只有一个酶切位点，则质粒被切为两个片段解析：B①②③共同组成DNA的基本单位——脱氧核苷酸，A错误；质粒中的碱基遵循碱基互补配对原则，A与T配对，G与C配对，B正确；DNA连接酶使DNA片段重新连接，该过程形成磷酸二酯键，磷酸二酯键是由磷酸基团与3号碳原子相连，图中的④不属于磷酸二酯键，C错误；限制酶识别特定序列并在特定位点切割，环状质粒上若只有一个限制酶切割位点，则质粒被切割为1个完整的DNA链状片段，D错误。2．(2022·辽宁模拟)干扰素在体外保存非常困难。干扰素由166个氨基酸组成，如果将其分子上第17位的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在70℃的条件下可以保存半年。若利用蛋白质工程的原理和方法生产新型干扰素，A．用DNA合成仪合成新的干扰素基因B．利用基因定点突变技术改造干扰素基因C．直接改造mRNA，进行密码子的替换D．生产正常干扰素，再进行氨基酸的替换解析：B由题意可知，干扰素分子的改变只需要一个氨基酸的替换，不必合成新基因，改造基因比较容易，A错误；由分析可知，蛋白质工程的目的是改造蛋白质，但其方法是通过改造或合成基因来实现的，B正确；若直接改造mRNA，可获得改造后的蛋白质，但不能遗传不能复制，C错误；干扰素属于糖蛋白，若直接对其进行氨基酸的替换，可能会导致干扰素的结构和功能丧失，D错误。3．(2022·湖北模拟)植物害虫侵害植物时会诱导植物产生一种防御性化合物甲。BtP基因是植物中特有的基因，其编码的蛋白质可化学修饰化合物甲，从而消除这种化合物对植物的毒性。科学家发现粉虱基因组中也存在类似的BtP基因序列，从而使粉虱能够危害多达600种植物。通过转基因技术可使番茄产生特异性抑制粉虱的BtP基因表达的RNA分子，使粉虱食用该转基因番茄后死亡。下列相关叙述正确的是()A．粉虱基因组的BtP基因在进化过程中一定不是来自植物体B．粉虱诱导该转基因番茄产生的防御性化合物甲会显著增多C．该转基因番茄产生的抵御粉虱的RNA分子可抵御所有害虫侵害D．大量种植该转基因番茄可使粉虱群体的抗性基因的频率增加解析：D据题干信息“BtP基因是植物中特有的基因”及“粉虱基因组中也存在类似的BtP基因序列”可推测，粉虱基因组的BtP基因在进化过程中可能来自植物体，A错误；结合题意可知，化合物甲是害虫侵害植物时诱导植物产生的一种防御性物质，而粉虱诱导该转基因番茄的机制是使番茄产生特异性抑制粉虱的BtP基因表达的RNA分子，对于化合物甲的含量无影响，B错误；结合题意“转基因技术可使番茄产生特异性抑制粉虱的BtP基因表达的RNA分子”可知，该RNA分子是特异性抑制粉虱的BtP基因表达，进而可以抵御粉虱入侵，但不能抵御所有害虫侵害，C错误；烟粉虱食用该转基因番茄后会死亡，大量种植转基因番茄，对烟粉虱起到了选择作用，具有抗性的烟粉虱会被选择并保留下来，进而使粉虱群体的抗性基因的频率增加，D正确。4．(2022·海南模拟)PCR是聚合酶链式反应的缩写，如图表示PCR的过程，下列相关叙述错误的是()A．反应体系中需加入耐高温的DNA聚合酶，该酶在B过程起作用B．引物a和引物b的长度应适宜，且相互之间不能发生碱基互补配对C．PCR是体外进行的DNA扩增，PCR扩增遵循DNA半保留复制原则D．A过程通过高温破坏DNA分子中的氢键，使双链DNA解聚为单链解析：A反应体系中需加入耐高温的DNA聚合酶，该酶的作用是催化合成DNA子链，在C过程中起作用，A错误；引物是一小段能与DNA母链的一段碱基序列互补配对的短单链核酸，用于PCR的引物长度通常为20～30个核苷酸，且引物之间不能发生碱基互补配对，B正确；PCR是体外进行DNA扩增的技术，根据图示可知，PCR扩增遵循DNA半保留复制原则，C正确；A过程为DNA变性过程，该过程通过高温破坏DNA分子中的氢键，当温度上升到90℃以上时，双链DNA解聚为单链，D5．(多选)科学家从某细菌中提取抗烟草花叶病毒基因并转入烟草，培育成转基因抗病毒烟草。如图是转基因抗病毒烟草的部分培育过程，含目的基因的外源DNA和质粒上的箭头表示相关限制酶的切割位点。图中各个限制酶切割后均获得黏性末端，下列有关说法正确的是()A．为了防止目的基因与质粒反向连接应使用限制酶EcoRⅠ和HindⅢ切割B．图中限制酶均能在它们识别序列的中心轴线处切割DNA分子C．图中所使用的质粒是农杆菌的Ti质粒D．通过烟草花叶病毒的侵染实验可以检测转基因烟草是否培育成功解析：ACD为了防止目的基因的外源DNA片段和质粒自身环化和反向连接，应选用EcoRⅠ和HindⅢ酶对外源DNA和质粒进行切割，这样使目的基因两端的黏性末端不同，可以防止反向连接，A正确；限制酶沿识别序列的中心轴线处切割DNA分子后产生的一般是平末端，若不在中心轴线处切割DNA分子则产生黏性末端，B错误；重组质粒能够导入农杆菌进行增殖，所以图中所使用的质粒是农杆菌的Ti质粒，C正确；在个体水平上进行目的基因的检测与鉴定，可以进行抗病鉴定，所以通过烟草花叶病毒的侵染实验可以检测转基因烟草是否培育成功，D正确。6．(2022·连云港模拟)人乳铁蛋白(hLF)对细菌、真菌和病毒等都有抑制作用。研究人员开展人乳铁蛋白基因乳腺特异性表达载体构建及转染研究，主要流程如下图。图中AseⅠ、NheⅠ、SalⅠ、BamHⅠ代表相关限制酶切割位点，neor为新霉素抗性基因，BLG基因为B乳球蛋白基因，GFP基因为绿色荧光蛋白基因。请回答下列问题。(1)过程①中，不能从人肌肉细胞中提取RNA用于RT-PCR，是因为________________________。荧光RT-PCR技术所用的试剂盒中通常都应该含有________________、TaqDNA聚合酶、荧光标记的核酸探针、引物、dNTP、缓冲体系。(2)在RT-PCR过程中，加入的引物需在________端添加________________两种限制酶的识别序列，便于hLF基因插入pEB中。利用RT-PCR技术获取的目的基因________(填“能”或“不能”)在物种之间交流；该技术还可用于对某些微量RNA病毒的检测，可提高检测的灵敏度，原因是________________________________。(3)过程②中，hLF基因插入到BLG基因之后的目的是___________________________；该过程中，两个基因共用的调控元件是BLG基因的________________。(4)pEBL质粒导入受体细胞的方法是________________，依据的主要原理是____________________。(5)将转染后的山羊乳腺上皮细胞先置于含新霉素的培养液中培养，再利用荧光显微镜观察山羊乳腺上皮细胞中____________________，以筛选出转染成功的细胞。该过程____________(填“能”或“不能”)区分普通质粒或重组质粒。解析：(1)由于人肌肉细胞中没有人乳铁蛋白相应的mRNA(即hLF基因在人肌肉细胞中不转录或表达)，因此①过程中不能从人肌肉细胞中提取RNA用于RT-PCR，由于荧光RT-PCR技术首先需要逆转录过程合成DNA，而后进行扩增，因此该技术所用的试剂盒中通常都应该含有逆转录酶、TaqDNA聚合酶、荧光标记的核酸探针、引物、dNTP、缓冲体系。(2)过程②中，BLG基因在复制原点之后终