3.2 基因工程是一种重组DNA技术（解析版）

第二节基因工程是一种重组DNA技术1．如图表示利用基因工程技术生产人血清白蛋白的两条途径，下列有关叙述正确的是（）A．一个表达载体的组成包括目的基因、标记基因、启动子、终止子等 B．扩增目的基因时，利用耐高温的DNA连接酶从引物a和引物b起始进行互补链的合成 C．接受人血清白蛋白基因的绵羊受体细胞是乳腺细胞 D．为了大量生产人血清白蛋白，还必须将含目的基因的植物受体细胞培养成完整植株【解答】解：A、一个基因表达载体的组成包括目的基因、标记基因、启动子、终止子、复制原点等，A正确；B、扩增目的基因时，利用耐高温的DNA聚会酶从引物a和引物b的3′端进行互补链的合成，B错误；C、接受人血清白蛋白基因的绵羊受体细胞是受精卵，因为受精卵的全能性最高，C错误；D、为了大量生产人血清白蛋白，可将含目的基因的受体细胞培养至愈伤组织即可，无需培养为完整植株，D错误。故选：A。2．为利用链霉菌生产药物A，研究者构建重组DNA并导入链霉菌。重组DNA含启动子P、药物A基因和Neo基因（卡那霉素抗性基因）。培养和筛选过程如图所示。下列叙述不正确的是（）A．导入成功的链霉菌细胞内可能发生基因重组 B．诱变处理使培养液中的链霉菌产生不同突变 C．卡那霉素抗性强弱可反映药物A基因的表达量 D．生产药物A最适合选用培养基b上的菌株【解答】解：A、将重组DNA导入链霉菌细胞内，实现了基因重组，A正确；B、基因突变具有不定向性，因此诱变处理使培养液中的链霉菌产生不同突变，B正确；C、由于重组DNA含启动子P、药物A基因和Neo基因（卡那霉素抗性基因），因此卡那霉素抗性强弱可反映药物A基因的表达量，C正确；D、由图示分析可知，生产药物A最适合选用培养基d上的菌株，D错误。故选：D。3．研究人员利用农杆菌将外源基因A导入到水稻细胞中，然后通过植物组织培养技术获得了含有外源基因A的第一代水稻植株。图为重组Ti质粒示意图。下列叙述错误的是（）A．外源基因A必须整合在T﹣DNA片段内 B．培养水稻细胞时需添加潮霉素进行筛选 C．水稻的组织培养过程中需调整植物激素的比例 D．第一代水稻植株中存在不含外源基因A的细胞【解答】解：A、Ti质粒中只有T﹣DNA片段可以整合在受体细胞的染色体DNA中，故外源基因A必须整合在T﹣DNA片段内，A正确；B、质粒中的潮霉素抗性基因用于筛选导入重组质粒的农杆菌，由于Ti质粒中只有T﹣DNA片段可以整合在受体细胞的染色体DNA中，潮霉素抗性基因不在T﹣DNA片段内，故培养水稻细胞时不需要添加潮霉素进行筛选，B错误；C、水稻的组织培养过程中，诱导形成愈伤组织、诱导生芽和诱导生根所需的植物激素的比例都不同，因此水稻的组织培养过程中需调节植物激素的种类和比例，C正确；D、第一代水稻植株进行减数分裂时，同源染色体分离，产生的配子细胞可能不含有外源基因A，D正确。故选：B。4．挽救终末期心脏病患者需要心脏移植，但移植过程中会发生缺血再灌注损伤（IRI），导致心脏坏死。研究发现，IRI通过促进Caspase8等一系列凋亡基因的表达，导致细胞凋亡最终引起器官坏死。Caspase8基因合成的小干扰RNA（siRNA）可以使Caspase8基因沉默，有效抑制IRI所致的器官损伤，如图所示。下列说法错误的是（）A．重组质粒除了包含目的基因、标记基因外，还必须有启动子和终止子 B．细胞凋亡中会发生Casepase8DNA→Casepase8RNA→Casepase8蛋白的过程 C．基因沉默复合物，抑制基因表达的翻译过程，使Caspase8基因沉默 D．为提高器官成活率，供者应与受者的主要HLA（组织相容性抗原）完全一致【解答】解：A、重组质粒除了包含目的基因、标记基因外，还必须有启动子和终止子，调控基因的转录过程，A正确；B、凋亡基因Casepase8基因表达形成Casepase8蛋白质，导致细胞凋亡，B正确；C、基因沉默复合物作用于Casepase8mRNA，影响基因表达的翻译过程，C正确；D、研究表明，只要供者与受者的主要HLA有一半以上相同就可进器官移植，D错误。故选：D。5．如图为不同限制性核酸内切酶识别的序列及切割位置（箭头所指），下列叙述错误的是（）A．图示4种限制性核酸内切酶均不能够识别和切割RNA分子内的核苷酸序列 B．若DNA上的碱基随机排列，NotⅠ限制性核酸内切酶切割位点出现频率较其他三种限制性核酸内切酶高 C．酶切时使用两种限制酶同时处理是为了防止质粒和含目的基因的外源DNA片段自身环化 D．用酶BglⅡ切出的目的基因与酶BamHⅠ切割的质粒重组后，则不能再被这两种酶切开【解答】解：A、酶具有专一性，限制酶是专门切割DNA序列中一定部位的酶，所以图示4种限制性核酸内切酶均不能够识别和切割RNA分子内的核苷酸序列，A正确；B、由于NotI限制性核酸内切酶识别的序列比其他三种酶的序列长，若DNA上的碱基随机排列，NotI限制性核酸内切酶切割位点出现频率较其他三种限制性核酸内切酶低，B错误；C、两种不同的限制酶可产生不同的黏性末端，所以使用两种限制酶同时处理是为了防止质粒和含目的基因的外源DNA片段自身环化，C正确；D、用酶BglⅡ切出的目的基因与酶BamHⅠ切割的质粒重组后，重组DNA分子序列为，6个脱氧核苷酸对序列既不能被限制酶BglⅡ识别，也不能被BamHⅠ识别，所以不可能被这两种酶切开，D正确。故选：B。6．下列关于PCR扩增DNA片段及电泳鉴定的叙述，错误的是（）A．在凝胶中DNA分子的迁移速率主要和DNA分子的大小、构象等有关 B．耐高温的DNA聚合酶只能从引物的5′端开始连接脱氧核苷酸 C．作为引物的脱氧核苷酸序列必须不断的加进每一次的扩增当中 D．PCR扩增产物一般可通过琼脂糖凝胶电泳来进行鉴定【解答】解：A、DNA分子在凝胶中的迁移速率与凝胶的浓度、DNA分子的大小和构象有关，一般DNA分子越大，迁移速度越慢，A正确；B、耐高温的DNA聚合酶只能从引物的3'端开始连接脱氧核苷酸，B错误；C、引物与模板链结合从引物的3'端开始延伸出子链，引物不能循环利用，作为引物的脱氧核苷酸序列必须不断的加进每一次的扩增当中，C正确；D、不同大小的DNA片段在琼脂糖凝胶中的移动速率不同，PCR扩增产物一般可通过琼脂糖凝胶电泳来进行鉴定，D正确。故选：B。7．下列有关“DNA粗提取与鉴定”实验的叙述，正确的是（）A．新鲜猪血、菜花等动植物材料均可用于DNA的粗提取 B．DNA不溶于体积分数为95%的冷酒精而溶于2mol/L的NaCl溶液 C．在研磨植物细胞时加入研磨液是为了溶解细胞壁 D．溶有DNA的NaCl溶液中加入二苯胺试剂后即呈蓝色【解答】解：A、猪是哺乳动物，其红细胞没有细胞核，所以新鲜猪血不可用于DNA的粗提取，A错误；B、DNA不溶于体积分数为95%的冷酒精而溶于2mol/L的NaCl溶液，在0.14mol/L的NaCl溶液中溶解度最小，B正确；C、在研磨植物细胞时加入洗涤剂而不是研磨液，C错误；D、溶有DNA的NaCl溶液中加入二苯胺试剂，需沸水浴加热，冷却后才呈蓝色，D错误。故选：B。8．限制酶EcoRⅠ识别序列和切割位点为，用EcoRⅠ酶完全切割某生物基因组DNA，（仅）得到一个DNA片段，理论上该DNA片段能被识别并切割的序列平均长度（碱基对）约为（）A．16000 B．4000 C．250 D．16【解答】解：EcoRⅠ识别的特定核苷酸序列为6个碱基对，因此出现该特定序列的概率为4×4×4×4×4×4分之一，即4096分之一，因此理论上完全酶切后得到的DNA片段平均长度约为4000个碱基对。故选：B。9．转基因技术在现代农业育种中起着重要作用，其中转基因沉默现象不利于这项技术的应用，因此该现象是转基因工作者需要考虑的一个重要问题。在中国科学院华南植物园研究人员前期获得的多基因定点叠加的烟草材料中，有1/3存在转基因沉默现象，不能正常使用。如果能使目标基因在这些材料重新表达，将会提高这项技术的效率。相关叙述中正确的是（）A．正常的生物体细胞中的每个基因都会表达，不存在基因沉默现象 B．转基因技术利用了基因重组的原理 C．转基因技术中需要用到3种工具酶，即限制酶、DNA连接酶以及载体 D．目的基因必须位于重组质粒的启动子和终止子之间才能进行复制【解答】解：A、正常的生物体细胞中基因选择性表达，依然存在基因沉默现象，A错误；B、转基因技术是利用了现有基因的重新组合，属于基因重组的原理，B正确；C、转基因技术中需要用到2种工具酶，即限制酶与DNA连接酶，载体不是酶，C错误；D、目的基因必须位于重组质粒的启动子和终止子之间才能进行表达，D错误。故选：B。9．下列生物学实验中，对材料的选择不合理的是（）A．物质鉴定一般选择本身无色或色浅的材料 B．DNA粗提取需选择猪血等DNA含量高的材料 C．可选择植物花药观察减数分裂各时期的图像 D．选择胚胎或幼龄动物组织进行动物细胞培养【解答】解：A、物质鉴定实验中，材料本身不能干扰实验结果，所以一般选择本身无色或色浅的材料，A正确；B、猪血为哺乳动物成熟的红细胞，没有DNA，B错误；C、植物花药可以进行减数分裂的细胞多，故可以用来观察减数分裂各时期的图像，C正确；D、动物细胞培养时，一般选择胚胎或分化程度低的细胞，如幼龄动物组织，D正确。故选：B。10．GUS基因作为一种报告基因，编码β﹣葡萄糖苷酸酶，该酶可催化特定底物水解，产生蓝色化合物，借此用来观察转基因植物中外源基因的表达情况，鉴定转基因植株。下列说法错误的是（）A．GUS基因是有遗传效应的DNA片段，由多个核糖核苷酸构成 B．GUS基因编码β﹣葡萄糖苷酸酶合成的过程包括转录和翻译 C．应将GUS基因和外源基因融合后导入受体细胞以观察表达情况 D．蓝色的深浅可表示外源基因表达量的多少【解答】解：A、GUS基因是有遗传效应的DNA片段，DNA的基本单位是脱氧核苷酸，A错误；B、β﹣葡萄糖苷酸酶的本质是蛋白质，GUS基因编码β﹣葡萄糖苷酸酶合成的过程包括转录（以基因的一条链为模板合成RNA）和翻译（以mRNA为模板合成蛋白质），B正确；C、GUS基因作为一种报告基因，能够在适宜条件下产生蓝色物质，故GUS基因和外源基因融合后导入受体细胞，可通过蓝色的产生情况观察表达情况，C正确；D、GUS基因可编码β﹣葡萄糖苷酸酶，β﹣葡萄糖苷酸酶可催化特定底物水解，产生蓝色化合物，将GUS基因和外源基因融合后导入受体细胞，理论上蓝色的深浅可表示外源基因表达量的多少，D正确。故选：A。11.上清液中，利用上述原理可初步获得质粒DNA。用三种限制酶处理提取的产物，电泳结果如图所示。下列关于质粒的粗提取和鉴定的叙述不正确的是（）A．提取DNA时可加入酒精，使溶于酒精的蛋白质等物质溶解 B．将提取的DNA溶于2mol/LNaCl溶液后；可用二苯胺试剂进行鉴定 C．电泳鉴定DNA利用了DNA在电场中会向着它所带电荷相反的电极移动的原理 D．根据电泳结果，质粒上一定没有限制酶Ⅰ和Ⅱ的切割位点，而有限制酶Ⅲ的切割位点【解答】解：A、由于蛋白质可溶于酒精，而DNA在冷酒精中溶解度很低，所以在提取DNA时加入酒精，使溶于酒精的蛋白质等物质溶解，而让DNA析出，A正确；B、由于DNA在2mol/LNaCl溶液中溶解度较大，DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色，所以将提取的DNA溶于2mol/LNaCl溶液后，可用二苯胺试剂在沸水条件进行鉴定，B正确；C、DNA带负电，电泳鉴定DNA利用了DNA在电场中会向着它所带电荷相反的电极移动的原理，C正确；D、因为质粒的本质是环状的DNA，限制酶Ⅰ和Ⅱ处理后电泳只有一条条带，可能是该质粒上有一个切割位点，也可能没有切割位点，D错误。故选：D。12．下列与DNA粗提取和鉴定有关的叙述，正确的是（）A．预冷的酒精可使DNA更容易析出 B．DNA在2mol/L的NaCl溶液中溶解度较低 C．鉴定相提取的DNA时，对照组与实验组的区别是加不加二苯胺试剂 D．电泳鉴定DNA时应在凝胶载样缓冲液中加入二苯胺作为染料【解答】解：A、预冷酒精溶液的作用有：抑制核酸水解酶的活性，防止DNA降解；降低分子运动，易于形成沉淀使DNA析出等，A正确；B、DNA在不同浓度的NaCI溶液中溶解度不同，在2mol/L的NaCl溶液中溶解度较高，B错误；C、鉴定粗提取的DNA时，对照组中不加入DNA，只加入2mol/L的NaCl和二苯胺试剂，C错误；D、电泳鉴定DNA时，在凝胶载样缓冲液中加入的染料一般为溴化乙锭，二苯胺试剂使用时需要加热，不能作为电泳鉴定DNA的染料，D错误。故选：A。13．基因编辑是指将外源DNA片段导入到染色体DNA特定位点或删除基因内部特定片段，是一种对生物体基因组特定目标基因进行修饰的技术。如图是对某生物B基因进行基因编辑的过程，该过程中用sgRNA指引内切核酸酶Cas9结合到特定的靶位点。下列相关叙述错误的是（）A．sgRNA的全部碱基序列与靶基因序列完全互补 B．内切核酸酶Cas9可断裂核苷酸之间的磷酸二酯键 C．根据上述处理前后生物体的功能变化，可推测B基因的功能 D．使用该项基因编辑技术来预防人的某些疾病时需要审批【解答】解：A、观察题图sgRNA的部分碱基序列与靶基因序列互补，A错误；B、内切核酸酶Cas9可断裂核苷酸之间的磷酸二酯键，进而将基因某位点进行切割，B正确；C、破坏B基因后其控制的生物功能会变化，由此可推测B基因的功能，C正确；D、基因编辑技术存在一定的风险，一是基因组编辑技术本身存在着识别准确性等方面的问题；二是对人类基因进行“改造”时要严格遵守法律法规，不能违反人类的伦理道德，使用该项基因编辑技术来预防人的某些疾病时需要审批，D正确。故选：A。二．解答题（共3小题）1．为解决我国青霉素酰化酶产量较低的问题，科学家利用基因工程构建了一种青霉素酰化酶高产工程菌种，其构建过程如图所示。图中PGA表示青霉素酰化酶基因，小箭头所指分别为限制酶BamHⅠ、HindⅢ、EcoRⅤ、XhoⅠ的切割位点。回答下列问题。（1）利用PCR扩增目的基因时，需设计种引物。扩增后常采用法来鉴定PCR产物。（2）构建基因表达载体时，需选择的限制酶是。限制酶能够识别双链DNA分子的特定核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的断开。（3）在培养大肠杆菌时，培养基中会添加四环素，其目的是筛选出（填序号）。①未导入P质粒的大肠杆菌②导入P质粒的大肠杆菌③导入重组质粒的大肠杆菌（4）在发酵过程中，需要及时添加必需的营养组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等条件，原因是。【解答】解：（1）用PCR扩增某基因时，需要加入两种引物与目的基因两条链的3'端结合，使DNA聚合酶从引物的3'端开始连接脱氧核苷酸。PCR扩增的产物为DNA分子，不同的DNA片段在电泳时移动的速率不同，可以将PCR产物的电泳结果与标准DNA样品的电泳结果进行比对，从而鉴定PCR的产物，常采用琼脂糖凝胶电泳。（2）在目的基因的两侧含有BamHⅠ和XhoI的识别序列，且质粒上也存在BamHⅠ和XhoI的识别序列，质粒上的HindⅢ会破坏目的基因，EcoRⅠ在启动子和终止子之外，故需选择的限制酶是BamHⅠ和XhoI。限制酶切割的是核苷酸序列中特定部位的磷酸二酯键。（3）质粒中含有四环素抗性基因，故构建的重组质粒也含有四环素抗性基因，因此在培养大肠杆菌时，培养基中会添加四环素，其目的是筛选出导入P质粒的大肠杆菌和导入重组质粒的大肠杆菌。故选：②③。（4）由于环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成，因此，在发酵过程中，需要及时添加必需的营养组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等条件。故答案为：（1）2琼脂糖凝胶电泳（2）BamHⅠ和XhoI磷酸二酯键（3）②③（4）环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成2．当今社会发展倡导以绿色为核心的生态发展观，绿色农产品的生产是人们健康生活的源头。为降解农产品的农药（马拉硫磷）残留，科学家用基因工程技术生产了CarE（羧酸酯酶）制剂。生产过程如图：（1）①过程需要酶参与，经①②得到的CarE基因与从基因组文库中获得的基因相比缺少。（2）CarE基因与载体能够连接在一起的原因是，构建重组表达载体的目的是。（3）③过程常用原核生物作为受体细胞，其优点有，大肠杆菌细胞最常用的转化方法为用处理细胞，使细胞处于感受态。（4）CarE基因导入受体细胞后，检测目的基因是否发挥功能的第一步是，若需要从哺乳动物的乳汁中来提取CarE制剂，可将CarE基因与等调控组件重组在一起，导入哺乳动物的受精卵，使之发育成转基因动物。【解答】解：（1）①是以RNA为模板合成DNA，经①得到的CarE基因是由mRNA逆转录得到的，基因的启动子、终止子不转录，基因的内含子的转录部分在成熟mRNA中切除了，而基因组文库的基因是从DNA上直接剪切获取的，含有这些部分。（2）CarE基因与载体都是DNA的一部分，都是双螺旋结构、基本单位都相同，所以CarE基因与载体能够连接在一起。基因表达载体含有启动子、终止子，构建基因表达载体的目的是使CarE基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代，使目的基因可以表达和发挥作用。（3）③过程常用原核生物作为受体细胞，其优点有繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少；将目的基因导入大肠杆菌细胞最常用的转化方法是感受态细胞法，其具体步骤为先用Ca2+处理大肠杆菌细胞，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。（4）基因发挥功能需要表达，表达包括转录和翻译，检测目的基因是否发挥功能的第一步是检测CarE基因是否转录出mRNA。若需要从哺乳动物的乳汁中来提取CarE制剂，则要求CarE基因在乳腺细胞中表达，可将其与乳腺蛋白基因的启动子重组在一起。因为乳腺蛋白基因会在乳腺细胞中表达，将CarE基因与乳腺蛋白基因的启动子重组在一起，乳腺蛋白基因表达，CarE基因也会表达。故答案为：（1）逆转录启动子、内含子、终止子（2）DNA的化学组成和空间结构相同使CarE基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代，使目的基因可以表达和发挥作用（3）繁殖速度快，多为单细胞，遗传物质相对较少Ca2+（4）检测CarE基因是否转录出mRNA乳腺蛋白基因的启动子3．IKK激酶由IKKα、IKKβ和IKKγ三种亚基组成，该酶参与动物体内免疫细胞的分化。临床上发现某重症联合免疫缺陷（SCID）患儿IKKB基因编码区第1183位碱基T突变为C，导致ⅡKKβ上第395位酪氨酸被组氨酸代替。为研究该患儿发病机制，研究人员应用大引物PCR定点诱变技术培育出SClD模型小鼠，主要过程如下图1、2。分析回答：（1）在PCR反应体系中，需要加入引物和IKKB基因外，还需要加入、等。在图1获取突变基因过程中，需要以下3种引物：引物A：5′﹣CCCCAACCGGAAAGTGTCA﹣3′（下划线字母为突变碱基）引物B：5′﹣TAAGCTTCGAACATCCTA﹣3′（下划线部分为限制酶HindⅢ识别序列）引物C：5′﹣GTGAGCTCGCTGCCCCAA﹣3′（下划线部分为限制酶SacⅠ识别序列）则PCR1中使用的引物有，PCR2中使用的引物有和图中大引物的（填“①”或“②”）链。（2）图2模型鼠培育过程中杂合模型鼠（F0）的培育涉及了一系列现代生物技术，如表是其中的一些步骤，请根据题意完成表格内容。过程实验目的步骤要点导入a.处理突变基因与载体①b.构建重组载体利用DNA连接酶催化突变基因和载体连接C.导入目的基因②发育d.获取早期胚胎利用专用培养液培养受精卵，并检测其发育状况e.代孕获得小鼠③f.鉴定、筛选F0小鼠利用PCR鉴定基因，筛选出杂合鼠F0（3）根据图2杂交结果，可以确认突变基因已经较稳定地整合到小鼠细胞的染色体上，在遗传时遵循基因分离定律。研究人员对三种基因型小鼠胸腺淋巴细胞中组成IKK激酶的三种亚基进行提纯和电泳，结果如图3。请依据此结果提出SClD患者免疫缺陷图3胸腺淋巴细胞中IKK激酶的三种亚基含量。【解答】解：（1）在PCR反应体系中，需要加入引物和IKKB基因外，还需要加入Taq酶（耐高温DNA聚合酶）、4种脱氧核苷酸（原料）、缓冲液（维持pH）、Mg2+（激活DNA聚合酶）等；在图1获取突变基因过程中，分析题图可知，在PCR1