江苏高三生物一轮复习：基因工程的应用（导学案）

第59讲基因工程的应用

【课标要求】1.举例说明基因工程在农牧、食品及医药等行业的广泛应用改善r人类的生活品质；2.

概述人们根据基因工程原理，进行蛋白质设计和改造，可以获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质；3.

举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造。

考点1基因工程的应用

考点透析

1.基因工程在农牧业方面的应用

分类导入目的基因转基因生物实例

转基因抗虫植物外源抗虫基因抗虫棉花、玉米等

转基因抗病植物某些病毒、真菌等的抗病基因抗病毒甜椒、番木瓜等

植物转基因抗除草剂植物降解或抵抗某种除颈的基因抗除草剂玉米、大豆等

富含某些必需氨基酸的蛋?质的基因富含赖氨酸的玉米

改良植物的品质

与植物花叠蜜代谢相关的基因颜色变异的矮牵牛

提高动物的生长速率外源生长激索的基因转生长激素基因的鲤鱼

动物

改善畜产品的品质肠乳糖酶的基因转肠乳糖酣基因的奶牛

解疑释惑

(1)转基因作物的优点

①减少化学杀虫剂的施用量，减少环境污染；

②增加作物产展；

③增加经济效益。

(2)转基因哺乳动物的培育过程

显微胚胎

外源注射b.妫曲培养早期移植代孕分娩转基因

基因"文柏即"胚胎"母体"哺乳动物

2.基因工程在医药卫生领域的应用

(1)微生物制药

药用蛋

白基因_重组导入微生物转基因提取药物

—"载袜"细应—"微生物*蛋白

载体」

(2)利用哺乳动物批最生产药物——乳腺(房)生物反应器

药用蛋白基因1显微

.正组注射早:期_乳汁中含有

乳腺中特异表达「藏一］胚胎胚胎药物蛋白

植

移

的基因的启动子咕/一人恤培养孕

分娩转基闪

-------------哺乳动物_I体*动物

(3)建立移植器官的工厂

①技术方法：利用基因工程技术对猪的器官进行改造，采用的方法是在器官供体的基因组中导入某种

调节因子,以抑制抗原决定基因的表达,或设法除去抗原决定基因,然后再结合克隆技术，培育出不会引

起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。

②对猪进行改造的两点理由：内脏构造、大小、血管分布与人的极为相似；与灵长类动物相比，猪体

内隐藏的、可导致人类疾病的病毒少。

3.基因工程在食品工业方面的应用

（1）技术方法：利用基因工程菌生产食品工业用醐、氨基酸和维生素等。例如将编码牛凝乳酶的基因导

入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中，再通过工业发酵生产凝乳酶。

（2）实例：淀粉酶、脂肪前、天冬氨酸和茉丙氨酸的大规模生产。

概念辨析

试管动物、克隆动物和转基因动物的比较

比较项目试管动物克隆动物转基因动物

染色体基因组中整合有外

用体外受精的方法获得的用人工方法（核移植或胚胎

含义源基因并能表达和稳定遗

动物分割）得到的无性繁殖系

传的一类动物

技术体外受精、早期胚胎培养、核移植技术、早期胚胎培养重组DNA分子技术、早期

基础胚胎移植（胚胎分割）、胚胎移植胚胎培养、胚胎移植

实例试管牛“多莉”羊转基因奶羊

良种雌性的良种雄性

人乳蛋白一

卵母细胞的精子黑面绵羊白面绵羊基因，体

11去核卵细胞乳腺细胞

卵母细胞精子体▼建）

体外培养外获能

、Z1（粮移植）或因友达榄体

体外受精乖构胚|（显微注射）

|（有丝分裂：

过程|（电刺激）羊受精卵

早期胚胎中•期胚胎1

|（胚胎移植）早-期胚胎

（胚胎移植：

|（任胎移植）

雌性受体另一头母绵羊的子宫

代孕羊

（提供子宫）1（妊娠、出生）

（妊娠）克隆绵羊“多莉”1

转基因肥羊

口种后代

有性生殖或保持原生殖方

生殖方式有性生殖无性生殖

式

核基因来自供核个体，质基

遗传遗传物质除了来自亲代外，

遗传物质来自两个供体因来自提供卵母细胞的个

物质还接受外源基因

体

充分发挥雌性优良个体的

加速家畜遗传改良进程、挽改良动物品质、制备生物反

意义繁殖潜力，缩短供体本身的

救濒危物种等应器等

繁殖周期

相同点三者均涉及早期胚胎培养、胚胎移植等技术.口移植所选胚胎一般是桑苣麻或囊环期的

胚胎(说明：若是鱼、蛙、鸟等非哺乳类动物则不需胚胎移植技术)

写思辨小练

1.判断下列说法的正误：

(1)农业害虫不会对转基因抗虫作物产生抗性。(X)

(2)乳腺生物反应器就是把药用蛋白基因导入动物的乳腺细胞中。(X)

提示：乳腺生物反应器是把药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起，

通过显微注射法导入哺乳动物的受精卵中.

(3)干扰素是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白，在临床上被广泛用于治疗病毒感染性疾病。(J)

2.科学家培育出•种转基因小鼠，其膀胱上皮细胞可以合成人的生长激素并分泌到尿液中。在研制膀

胱生物反应器时，应使药用蛋白基因在圈脱上皮细胞中特异性表达。它与乳腺生物反应器一样，具有收集

药用蛋白较容易,且有不会对动物造成伤害的优点;且相比之二，还能不受性别和年龄的限制。

典题说法

考向1基因工程的应用

圆(2024.江苏卷)为了高效纯化超氧化物歧化能(SOD),科研人员将ELP50片段插入pET—SOQ构建重

组质粒pET-SO。一七〃\)，以融合表达SOD-ELP50蛋白，过程如图1。其中，ELRo是由人工合成的DNA

片段，序列为：限制酶a识别序列一(GTTCCTGGTGTTGGC)5o-限制酶b识别序歹U，50为重复次数。请

回答下列问题：

(1)步骤①双酶切时，需使用的限制酶a和限制酶b分别是EcoR-I和”加dHL

(2)步骤②转化时，科研人员常用厘处理大肠杆菌，使细胞处于感受态；转化后的大肠杆菌采用含

有卡那霉素的培养基进行筛选。用PCR技术筛选成功导入pET-SOD-ELPso的大肠杆菌，应选用的一对

与物是S-F和P-R。

(3)步骤③大肠杆菌中RNA聚合酶与启动子结子,驱动转录，翻译SOD—ELP50蛋白。已知蛋白质中

氨基酸残基的平均相对分子质量约为0.11kDa,将表达的蛋白先进行凝胶电泳,然后用SOD抗体进行杂交,

显示的条带应是C(从图2的“A〜D”中选填)。

MABCD

图2

（4）步骤④为探寻高效纯化SOD-ELPso蛋白的方法，科研人员研究了温度、NaQ对SOD-ELP50蛋白

纯化效果的影响，部分结果如图3。

沉

淀

中

蛋

门

质

相

对

含

量

\

%

不加NaCl加NaCI不加NaCl加NaCI

2orloor

图3

（i）20℃时，加入NaCl后实验结果是SOD-ELPso组纯化蛋白数量更多（或SOD-ELPso溶液的蛋白

质量比SOD组高）。

（ii）100"C时，导致各组中所有蛋白都沉淀的原因是高温使蛋白变性。

（iii）据图分析，融合表达SOD-ELPso蛋白的优点有低温/20_℃下添加NaCl有利于SOD蛋白纯化，（杂

蛋白较少，）有利于酶活性的保持。

【解析】（1）目的基因应插入，官动子和终止子之间，结合题意可知，ELPso应插入S。。基因之后，由图

1可知，限制酶a和限制酶b分别是反«oRI、HindIIL（2）将目的基因导入细菌时常用CaCh处理细菌,

使其处于感受态。由图可知，重组DNA含有标记基因卡那霉素抗性基因，所以转化后的大肠杆菌采用含

有卡那霉素的培养基进行筛选八成功导入pET-SOO—E/.P50的大肠杆菌同时含有pET-SOO和E/.P50.

结合图示可知，选引物S—F和P-R可特异性对pET-SOD-ELP50进行扩增。（3）RNA聚合酸与启动子

结合后，启动转录。由图可知，ELPso为750bp,SOO为462bp,一共I2l2bp,则对应404个氨基酸，

其脱水缩合形成的蛋白质质量为404X0.11kDa^44kDa,电泳后应该为条带C。（4）（i）由图可知，20℃时,

较不加NaCL加入NaCl后纯化蛋白数量更多。（ii）100°C时，温度过高，导致蛋白质变性而沉淀。（iii）20C,

加入NaCl时，较SOD组，SOD-ELPso组沉淀中蛋白质相对含量:较高，说明低温下添加NaCl有利于SOD

蛋白纯化，杂蛋白较少，有利于能活性的保持。

雷斯（2024•南通二模）磷脂酸（PA）是调节植物生长发育和逆境响应的重要信使物质。为了解植物细胞

中PA的动态变化，研究人员用无缝克隆技术将高度专一的PA结合蛋臼(PABD)基因与绿色荧光蛋白(GFP)

基因融合，构建有效监测细胞PA变化的荧光探针，并测定拟南芥细胞内PA含量。无缝克隆技术连接DNA

片段的机理和构建荧光探针表达或体过程如图所示，请回答下列问题：

3;

-V

-

-•

核

①酸

醉

r5切

外

3，

5，

-5T'-•

②

•

一-

俺®

无缝连接机理

注：加尸为草胺瞬抗性基因：AZ〃，为卡那雷素抗性基因。

⑴无缝克隆时，T5核酸外切酶沿5'f3'的方向水解DNA,其目的是形成黏性末端,T5核酸外

切梅催化的最适温度为37℃,而过程①选择的温度为50℃,目的是降低酶活性，防止过度水解DNA(或

控制水解速度，或控制黏性末端合适氏度)。

(2)过程②两个片段退火后存在“缺口”的原因是过程①切割的长度大于同源序列长度(，确保同源序

列的高效碱基互补配对),过程③所需的万有DNA聚合醉和DNA连接酶。

(3)与传统的酶切再连法相比，无缝克降技术构建重组质粒的优点有返。

A.不受限制的切位点的限制

B.不会引入多余碱基

C.操作时间短，成功率高

D.有利于多个小片段(V50bp)连接

(4)PCR扩增PABD基因时需依据二8。基因一端的核苜酸序列和载体一端的核苜酸序列:或以BD基

因一端的核省酸序列和同源序列)设计引物Rio据图分析扩增目的片段的引物F1和R2对应于下表中的L

4o

15,-TCCGGACTCAGATCTCGAGC-37

25,-AGCTATAGTrCTAGATCTAGATTAACTAGTCTTAGTGGCGTC-3'

35'-TATCGATGGCGCCAGCTGAGGATGGTGAGCAAGGGCGA-3'

45;-GCTCGAGATCTGAGTCCGGACTTGTACAGCTCGTCCA-3'

(5)利用农杆菌花序侵染法转化拟南芥，将获得的种子(「)进行表面消毒，均匀铺在含有草胺瞬的MS

培养基上进行筛选和鉴定。「代自交获得的T2代幼苗的抗性表现和比例为抗草胺的：不抗草胺比=3：1,

说明T.为单位点插入的转基因株系。

(6)通过观测转基因拟南芥根尖细胞中绿色荧光点的分布(或绿色荧光，或荧光)，了解PA的动态变化。

【解析】本题是利用核酸外切酶的功能，通过控制酶切的时间和温度，获得特定长度的黏性末端。理

论上会出现4种情况：①切了部分同源序列，无法黏性末端互补；②正好切除了全部的同源序列，不同

DNA片段的黏性末端可以互补；③切除同源序列及其旁边的部分序列，黏性末端部分互补，但是互补后

仍留有缺口，需要DNA聚合酶催化延伸；④某•条DNA链全部切除，形成了脱氧核甘酸单链。本题大概

率是第③种，所以过程②出现了“缺口”，过程③补齐时需要DNA聚合酷。另外本题中应该通过控制温

度避免了第④种，其实也有小概率可能出现第②种。无缝克隆只要有同源臂序列就能连接，不需要考虑限

制酶切位点；拼接的同源臂序列是本身的，不额外添加碱基(序列)；且此法可同时拼接多个片段，在一个

体系中快速完成，阳性率高。待拼接片段太短会被外切酶水解掉，所以不利于小片段连接。由重组DNA

图可知,GFP基因和胆〃。基因进行连接,PCR扩增G"P基因时需根据Gb基因一端的核甘酸序列和必

基因一端的核甘酸序列设计引物R2,而设计引物F1仅需根据例8。基因一端的核甘酸序列，因此引物FI

的碱基序列比引物R2的碱基序列短，因此扩增目的片段的引物F1对应于表中的1。而引物R2的•部分

能与引物F1进行碱基互补配对，对比排查表中2、3、4序列，R2而应于表中的4c假设抗性基因用A表

示，则Ti代的结果如下图所示，因此T2代幼苗抗草胺瞬：不抗草胺瞬=3：1。

抗性II没有等位基A0

基因A］因用o表示___尸—R-~AO~

自交OIAOIOO

鹿理(2025•南通期初)基因L能够通过脱落酸信号途径调控大豆的逆境响应。利用基因工程技术编辑

基因L,可培育耐盐碱大豆品系。其基本过程是：在载体上的限制酶8皿1切点处插入大豆基因L的向导

DNA序列构建成重组载体，再将重组载体导入大豆细胞，其转录产物可引导编辑酶特异性结合基因L的

目标序列进行定点编辑，载体信息如下图1。请【可答下列问题：

BsaI的切位点5'VGTCTCN!3'

3,-CCAGAGNNNNN-5,

注：N代表任一碱基』

LB/RB:T-DNA的边界序列；Ka"卡那霉素抗性基除

加小氨节青霉素抗性基因

图1

(1)基因L的向导DNA序列经皿」(限制酶)切割后，形成左、右两侧黏性木端序列分别为5'-

ATTG-3Z、5'-AAAC-3Z的片段，与I酶切后的载体混合，经DNA连接酶作用形成重组载体。

(2)将重组载体导入通过呈处理的农杆菌，利用农杆菌的侵染性将重组载体导入大豆细胞，培养基中

添加卡那霉素(抗生素)进行筛选。

(3)步骤(2)筛选得到4株植株，为了鉴定基因编辑是否成功，以上述植株的DNA为模板，通过PCR

扩增基因L,完全酹切后电泳。基因L部分序列及酶切位点如图2所示，电泳结果如图3所示。

日如序妨I51A(nrGACT「rCGAT('('(；AATTCTTCTCCaAGdic('AQaCG-3'

突变序列5-AGTCGACTCTGGATCCGAAITCTTCTCCGAGqrCCAGGCG-3,

发制^识别序列.切制位点

8aMHI5'-G^ATCC-3/EcoRI5'-G^ATFC-3'SacI5'<iAGCl4>3'

3'-CCTAG(3-5,3'-CTTAAG-5r3,-CjTCGAG-5,

图2

用PCR技术扩增基因L时，所用引物越短，特异性越低（填“高”或“低”）。据图判断选用的限制能

是SacI,纯合突变植株是④（填序号）。除上述分子水平的检测外，可采用将上述大豆与普通大豆种植于盐

碱地，观察比较生长情况（方案）进行个体生物学水平鉴定。

（4）实验中获得I株基因L成功突变的纯合植株，该植株具有抗生素抗性，检测发现其体细胞中只有I

条染色体有T—DNA插入。用抗生素筛选这个植株的自交子代，其中突变位点纯合且对抗生素敏感的植株

所占比例为3,筛选出的敏感植株可用于后续的品种选育。

【解析】（1）题中交代载体是限制酹刚切割，所以用限制的8Ml切割大豆基因组DNA,以产生相

同的黏性末端。根据图1所示的信息及I酶切位点可知，经酶切后，形成的左、右两侧黏性末

端序列分别为5'—ATTG-3'、5'—AAAC—3'的片段。（2）根据图示信息可知，重组载体通过农杆菌

导入大豆细胞当中的片段包含了卡那霉素抗性基因，因此可以用含卡那霉素的培养基筛选到具有该抗生素

抗性的植株。（3）植株体内染色体上的L基因有3种情况：都是正常L基因；一个突变L基因，一个正常L

基因：两个突变L基因。根据图2可知，突变为位点在SacI的识别序列中，只能选用限制函SacI。由

于目标序列没有SacI切割位点，突变序列有，所以该酶酶切后，突变序列的电泳条带出现两条，目标序

列的条带是一条。根据图3结果可知，①③是杂合子，②是纯合正常植株，④是纯合突变植株。（4）由题意

可知，该植株产生的配子中，含T-DNA的配子比例为1/2,不含T-DNA的配子比例为1/2。由于T-

DNA上含有抗生素抗性基因，所以对抗生素敏感的植株不能含T-DNA,故该植株自交子代中突变位点

纯合且时抗生素敏感的植株所占比例为1/4。

深度指津

“无缝克隆”的机制复杂多样，不可格式化，要提高具体问题具体分析的能力、识图能力。注意分析

不司的“无缝连接”的差异与优劣势。

新视野V

融合基因与无缱克隆

1.融合基因

（1）基因工程中构建融合基因，可以实现两个或更多不同来源的DNA分子组合，置于同一套调控序列

控制之下进行表达。表达产物为融合蛋白。

（2）可分为四大类：①由报告基因和功能基因构成的融合基因。常用的报告基因有GFP（绿色荧光蛋白）

基因、GUS基因、LacZ基因等，主要目的是对功能基因进行示踪；②由信号肽或单体蛋白的序列与功能

基因构成的融合基因，其主要目的是利用信号肽或单体序列携带目的基因高效表达，从而提取纯化目的蛋

白；③功能基因与功能基因的融合，包括相同功能基因的融合(目的是增强基因的功能)和不同功能基因的

融合；④报告基因与抗药性基因的融合，用于构建融合载体，以利于插入大片段的cDNA或作为双功能标

记，

2.无缝克隆

⑴原理:使载体末端和引物末端具有15〜20个同源碱基，由此得到的PCR产物两端便分别带上了15〜

20个与载体序列同源性的碱基。通过相关酶试剂处理，同时除去载体与FI的DNA上同源片段的双链中的

一条链，这样载体和目的DNA两端就露出了能够互补配对的序列，依靠同源序列碱基间的配对能使载体

和目的DNA较为紧密地连在一起。

(2)优点：无缝克隆不需要任何限制性内切酶和连接酶，突破传统的双酶切后再连接，只需要一步重组

法，即可得到高效率克隆的重组或体。

考点2蛋白质工程的原理和应用

考点透析

知识1蛋白质工程的原理

i.对蛋白质工程的理解

基础蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系

手段通过改造或合成基因,来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质

目的获得满足人类的生产和生活需求的蛋白质

2.蛋白质工程崛起的缘山

(1)基因工程在原则上只能生育自然界中已存在的蛋白质o

(2)天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要,却不一定完全:符合人类生产和生活的需要.

3.蛋白质工程的基本思路

改造或

幽合成目的

A"基因

生物一

功能行使C

蛋白质氨基酸序列

(三维结构)多肽链mRNA

A.预期功能,B.转录,C.翻译。

知识2蛋白质工程的应用

1.在医药工业方面的应用，如研发速效胰岛素类似物,提岛•干扰素的保存期,改造抗体等。

2.在酶方面的应用：改进酶的性.能或开发新的工业用酶,如提高酶的催化活性、提高酶的稳定性等。

3.在农业方面：除了改造某些重要的睡，如参与调控光合作用的酹，还用于设计优良微生物农药等。

概念辨析

蛋白质工程和基因工程的比较

项目蛋白质工程基因工程

原理中心法则的逆推基因重组

获取目的基因f构建基因表达载

预期蛋白质功能一设计预期的蛋白质结构一推测.应有

过程体一将目的基因导入受体细胞一

的氨基酸序列f找到相对应的脱氧核甘酸序列(基因)

目的基因的检测与鉴定

定向改造生物的遗传特性，以获得

实质定向改造或生产人类所需蛋白质