2020高考生物基因工程专题复习讲义

2020高考生物基因工程专题复习讲义同学们，基因工程作为现代生物技术的核心，不仅深刻改变了我们对生命世界的认知，也在医药、农业、环保等领域展现出巨大的应用潜力。在高考中，这部分内容既是重点也是难点，需要我们深入理解其原理、掌握关键技术步骤，并能联系实际分析其应用与影响。本讲义将带领大家系统梳理基因工程的核心知识，希望能为大家的复习提供有力的支持。一、基因工程的概念与核心基因工程，又称为基因拼接技术或DNA重组技术。通俗地说，就是按照人们的意愿，把一种生物的某种基因提取出来，加以修饰改造，然后放到另一种生物的细胞里，定向地改造生物的遗传性状。其核心在于“定向改造”，这是与传统育种技术最本质的区别。基因工程的主要过程包括：目的基因的获取、基因表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定。这四个步骤环环相扣，缺一不可。二、基因工程的工具酶与运载体基因工程之所以能够实现，离不开一系列“分子工具”的巧妙运用。（一）“分子手术刀”——限制性核酸内切酶（限制酶）*来源：主要从原核生物中分离纯化得到。*作用：能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，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。*特点：具有专一性（特异性）。即一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子。*结果：产生黏性末端或平末端。黏性末端因其具有互补的单链区域，在DNA连接酶的作用下更容易连接。（二）“分子缝合针”——DNA连接酶*作用：将两个双链DNA片段“缝合”起来，恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。*种类：常用的有E·coliDNA连接酶和T4DNA连接酶。它们在连接对象上略有差异，例如T4DNA连接酶还可以连接平末端（效率较低）。*与DNA聚合酶的区别：DNA连接酶连接的是两个DNA片段，而DNA聚合酶是将单个脱氧核苷酸连接到已有的DNA片段上，形成新的DNA链，并且需要模板。（三）“分子运输车”——运载体*作用：将目的基因送入受体细胞。*必备条件：1.能在受体细胞中稳定保存并复制，使目的基因得以延续。2.具有一个或多个限制酶切点，以便目的基因插入。3.具有某些标记基因，便于对含有目的基因的受体细胞进行筛选（如抗生素抗性基因、荧光标记基因等）。4.对受体细胞无害。*常用种类：质粒（最常用，是一种裸露的、结构简单、独立于细菌拟核DNA之外，并具有自我复制能力的很小的双链环状DNA分子）、λ噬菌体的衍生物、动植物病毒等。三、基因工程的基本操作程序这是基因工程的核心内容，需要我们细致掌握每一个环节的原理和关键技术。（一）目的基因的获取目的基因主要是指编码蛋白质的结构基因，也可以是一些具有调控作用的因子。获取方法主要有：1.从基因文库中获取：将含有某种生物不同基因的许多DNA片段，导入受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因，称为基因文库。从中可以筛选出所需的目的基因。2.利用PCR技术扩增目的基因：*原理：DNA半保留复制。*条件：已知目的基因的核苷酸序列（以便设计引物）、DNA模板、四种脱氧核苷酸、热稳定DNA聚合酶（Taq酶）、一对引物等。*过程：变性（高温使DNA双链解开）、复性（低温使引物与模板链结合）、延伸（中温下Taq酶催化子链合成）。如此循环往复，目的基因数量呈指数增长。3.人工合成：如果目的基因的序列已知，且比较小，可以通过DNA合成仪直接人工合成。（二）基因表达载体的构建——核心步骤将目的基因与运载体结合，形成重组DNA分子。这一步的目的是使目的基因在受体细胞中能够稳定存在，并且可以遗传给下一代，同时能够表达和发挥作用。*组成：除了目的基因外，一个基因表达载体还必须包含启动子、终止子、标记基因等。*启动子：位于基因的首端，是RNA聚合酶识别和结合的部位，驱动基因转录出mRNA。*终止子：位于基因的尾端，使转录在所需要的地方停止。*标记基因：用于鉴定受体细胞是否含有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出来。*构建过程：用同一种（或能产生相同末端的）限制酶切割目的基因和运载体，使其产生相同的黏性末端（或平末端），然后再用DNA连接酶将两者连接起来，形成重组DNA分子。（三）将目的基因导入受体细胞这一步的关键是选择合适的导入方法，不同类型的受体细胞常用的方法不同。*植物细胞：农杆菌转化法（最常用，利用农杆菌Ti质粒上的T-DNA可转移至受体细胞并整合到受体细胞染色体DNA上的特点）、基因枪法、花粉管通道法。*动物细胞：显微注射技术（将基因表达载体提纯后，注入受精卵中）。*微生物细胞：感受态细胞法（如用钙离子处理大肠杆菌，使其成为感受态细胞，易于吸收周围环境中的DNA分子）。（四）目的基因的检测与鉴定目的基因导入受体细胞后，是否可以稳定维持和表达其遗传特性，需要通过检测与鉴定来确定。这是一个层层递进的过程。1.分子水平的检测：*检测目的基因是否导入受体细胞：常用DNA分子杂交技术（用放射性同位素标记的含有目的基因的DNA片段作为探针，与受体细胞的基因组DNA杂交）。*检测目的基因是否转录出mRNA：分子杂交技术（用标记的目的基因作探针，与受体细胞的mRNA杂交）。*检测目的基因是否翻译成蛋白质：抗原-抗体杂交技术（从受体细胞中提取蛋白质，用相应的抗体进行检测）。2.个体水平的鉴定：例如，抗虫或抗病的基因导入植物细胞后，需要做抗虫或抗病的接种实验，观察植物是否表现出相应的抗性。四、基因工程的应用与发展前景基因工程在农业、医药、工业、环境保护等方面都有广泛的应用。*农业上：培育抗虫、抗病、抗逆（抗除草剂、抗盐碱等）的转基因作物；改良作物品质（如黄金大米）。*医药上：生产基因工程药物（如胰岛素、干扰素、生长激素等）；进行基因诊断（如DNA探针技术）；开展基因治疗（将正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的）。*其他方面：如环境监测、净化污染等。基因工程的发展日新月异，为解决人类面临的粮食、健康、能源、环境等重大问题带来了前所未有的机遇，但同时也引发了一些关于生物安全性、伦理道德等方面的讨论。我们在学习和应用这项技术时，应始终保持审慎和负责的态度。五、复习建议基因工程专题知识点密集，概念抽象，技术流程复杂。复习时，建议同学们：1.构建知识网络：将零散的知识点串联起来，理解各部分之间的内在联系，例如工具酶与操作步骤的对应关系。2.重视核心概念和原理：对限制酶、DNA连接酶、运载体、PCR技术、基因表达载体的构建等核心内容要深刻理解，而非死记硬背。3.关注图形图表：基因工程中涉及较多的示意图，如限制酶切割示意图、DNA连接示意图、基因表达载体结构示意图、PCR过程示意图等，要能看懂并理解其含义。4.结合实际应用：了解基因工程在生产生活中的具体应用案例，有助于加深对理论知识的理解，并能认识到其重要价值。5