2027届高三生物一轮复习课件：第10单元　第40讲　第二课时　基因工程的应用及蛋白质工程

第40讲第二课时基因工程的应用及蛋白质工程课标要求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了人类的生活品质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、生产目标蛋白的过程命题趋势1.基因工程的应用:联实际、析价值2.蛋白质工程的原理与流程:明思路、辨差异——蛋白质工程的流程与本质、蛋白质工程与基因工程的关系3.常考情境:药物生产(如胰岛素、干扰素)、农业生产(如抗虫棉、抗除草剂作物)、环境保护(如降解污染物的工程菌)、疾病治疗(如基因治疗、CAR-T技术)考点一考点二目录索引

高考真题•演练考点一基因工程的应用必备知识•精读教材1.基因工程在农牧业方面的应用

抗虫功能的基因抗病基因降解或抵抗蛋白质编码基因花青素代谢相关的基因外源生长激素基因乳糖酶基因乳汁2.基因工程在医药卫生领域的应用

基因改造特异表达的基因的启动子显微注射受精卵调控基因表达的DNA序列抗原决定基因克隆免疫排斥3.基因工程在食品工业方面的应用

基因工程菌牛凝乳酶的基因基因工程菌关键能力•练透考法1.(2026·河南周口模拟)如图所示过程为利用优良雌性荷斯坦奶牛体细胞经一系列操作培育能生产人血清白蛋白的乳腺生物反应器的过程。下列叙述正确的是(

)A.可将人血清白蛋白基因通过显微注射技术直接导入荷斯坦奶牛的细胞中B.一般使用胰蛋白酶长时间处理,以充分分散荷斯坦奶牛的组织细胞C.该过程需要在胚胎移植前对胚胎进行性别鉴定,选择雌性胚胎进行移植D.作为乳腺生物反应器的牛,其各种体细胞(成熟红细胞除外)中均可检测到人血清白蛋白基因D解析

目的基因难以独立在受体细胞中稳定存在、遗传和发挥作用,因而需将其与特定的载体构建成基因表达载体后再注射到受体细胞中,A项错误。胰蛋白酶处理动物组织的时间不宜过长,否则细胞结构与活性会受损,B项错误。由于移植所用胚胎来自核移植技术,而细胞核供体取自雌性荷斯坦奶牛,故移植前不需要对胚胎进行性别鉴定,C项错误。重组细胞中携带人血清白蛋白基因,由其发育所得的个体各种体细胞(哺乳动物成熟红细胞除外)中均应含有该目的基因,D项正确。2.(2026·江苏南通模拟)某科研团队通过转基因获得了一种大肠杆菌(工程菌),可作为监测残留在生物组织或环境中的四环素水平的“报警器”,其监测原理如下图所示,天然大肠杆菌不含有图中所示基因。下列有关说法正确的是(

)

A.启动子1、2是DNA聚合酶识别和结合的位点,启动基因的转录过程B.转基因工程菌中TetR基因的表达是GFP基因表达的前提条件C.转基因工程菌中的GFP基因表达产物还需要经过内质网等细胞器的加工D.当环境中存在四环素时,大肠杆菌可在一定条件下发出绿色荧光D解析

启动子是RNA聚合酶识别和结合的位点,启动基因的转录过程,而不是DNA聚合酶,DNA聚合酶参与DNA的复制过程,A项错误。由题图可知,TetR基因表达产生的TetR蛋白会抑制GFP基因的表达,所以TetR基因的表达不是GFP基因表达的前提条件,B项错误。大肠杆菌是原核生物,原核生物没有内质网等复杂的细胞器,C项错误。从图中可以看出,当环境中存在四环素时,四环素与TetR蛋白结合,使得TetR蛋白对GFP基因的抑制作用被解除,从而使GFP基因能够表达,大肠杆菌可在一定条件下发出绿色荧光,D项正确。3.(2026·广东模拟)CRISPR/Cas9技术在遗传病治疗中展现出巨大潜力。镰状细胞贫血是因β-珠蛋白基因(HBB)发生点突变所致,患者红细胞呈镰刀状。科学家计划利用CRISPR/Cas9技术治疗该疾病,流程大致为:设计靶向突变HBB基因的单链向导RNA(sgRNA),引导Cas9蛋白切割突变序列,同时导入正常HBB基因片段作为修复模板,最终使细胞表达正常β-珠蛋白。下列叙述错误的是(

)A.若sgRNA与某正常基因序列存在部分碱基互补,可能导致Cas9错误切割该基因(脱靶效应)B.Cas9切割突变HBB基因后,细胞可利用导入的正常基因片段进行修复,但该过程易受细胞内酶的影响,导致修复片段降解C.构建重组表达载体时,需包含sgRNA基因、Cas9基因和正常HBB基因模板,无需添加启动子,需添加特定的标记基因D.不同患者的HBB基因突变位点可能存在差异,因此需根据患者具体突变序列设计特异性sgRNAC解析

sgRNA通过碱基互补配对引导Cas9切割特定DNA序列,若与正常基因部分互补,可能引发脱靶效应,导致错误切割,A项正确。Cas9切割突变HBB基因后,细胞可利用导入的正常基因片段作为修复模板进行修复,但外源模板可能被细胞内核酸酶降解,影响修复效率,B项正确。基因表达载体需启动子驱动sgRNA基因和Cas9基因的转录,需要添加启动子,标记基因用于筛选成功转化的细胞,C项错误。不同患者的HBB基因突变位点不同,需设计特异性sgRNA靶向对应突变序列,D项正确。【题后拓展】

CRISPR/Cas9基因编辑技术能对基因进行定点编辑,其原理是由一条单链向导RNA(sgRNA)引导核酸内切酶Cas9到一个特定的基因位点进行切割(如图)。CRISPR复合体中的sgRNA的主要功能是与靶向基因(目的基因)上特定的碱基序列互补,从而定向引导Cas9蛋白与靶向基因结合,并在特定位点切割DNA。CRISPR/Cas9基因编辑技术培育转基因生物,与传统的基因工程相比,其明显优点是避免了因目的基因随机插入宿主细胞DNA引起的生物安全性问题。CRISPR/Cas9基因编辑技术在基因治疗、基因水平进行动植物的育种、研究基因的功能等方面有广阔的应用前景。考点二蛋白质工程的原理和应用必备知识•精读教材1.蛋白质工程的基本原理(1)蛋白质工程的概念蛋白质分子的结构规律以满足人类生产和生活的需求(2)基本思路从预期的

出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的

→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成

→获得所需要的蛋白质

蛋白质功能氨基酸序列新的基因2.蛋白质工程的应用

酶工业用酶参与调控光合作用的酶蛋白质的结构关键能力•练透考法1.(2026·山东日照模拟)苏云金杆菌产生的Bt抗虫蛋白具有杀虫能力,科研人员改造Bt抗虫蛋白基因(Bt基因),成功培育出转基因抗虫棉。目的基因改造过程如图所示(数字表示基因序列中对应的核苷酸序号)。注:F1~F3、R1~R3表示引物;T-DNA-LB表示左边界;T-DNA-RB表示右边界;Ori表示复制原点;KanR表示卡那霉素抗性基因;HygBR表示潮霉素B抗性基因;p35s表示启动子。下列说法错误的是(

)A.该过程属于蛋白质工程,可以生产出自然界原本不存在的蛋白质B.人工合成基因序列决定的氨基酸序列不变体现了密码子的简并C.可用含卡那霉素和潮霉素B的培养基筛选转化的棉花愈伤组织细胞D.若要利用PCR鉴定转基因植株,可以选用的引物是F3和R2C解析

蛋白质工程能生产出自然界不存在的蛋白质,由题图可知,通过改造Bt基因从而生成的蛋白质是自然界不存在的,属于蛋白质工程,A项正确。密码子具有简并的特点,即一种氨基酸对应一种至多种密码子;人工合成基因序列决定的氨基酸序列不变体现了密码子的简并,B项正确。T-DNA能够携带目的基因整合到宿主细胞的染色体DNA上,由题图可知,T-DNA区域仅有潮霉素B抗性基因,故可用含潮霉素B的培养基筛选转化的棉花愈伤组织细胞,C项错误。由题图可知,拼接的DNA含有F3和R2互补的序列,若要利用PCR鉴定转基因植株,可以选用的引物是F3和R2,D项正确。2.(2026·江苏南通模拟)通过蛋白质工程将胰岛素B链第28位脯氨酸替换为天冬氨酸,研制成的“门冬胰岛素”具有快速吸收的特点,极大改善了糖尿病患者的血糖控制灵活性。下列叙述错误的是(

)A.该过程一般不可通过对天然胰岛素的氨基酸进行直接替换完成B.若使用大肠杆菌作为受体细胞,直接产生的胰岛素可能不具有生物活性C.根据中心法则可推断出“门冬胰岛素”的唯一脱氧核苷酸序列D.“门冬胰岛素”的最终获得还需经过基因工程,并验证产品的功能C解析

蛋白质工程通过改造基因来实现对蛋白质结构的改造,直接替换蛋白质中的氨基酸在技术上不可行,A项正确。大肠杆菌缺乏内质网和高尔基体,无法对胰岛素进行加工,直接产生的胰岛素无生物活性,B项正确。中心法则无法确定唯一DNA序列,因不同密码子可能对应同一氨基酸(密码子的简并),C项错误。蛋白质工程需通过基因工程表达改造后的基因,并验证产物功能,D项正确。高考真题•演练1.(2024·重庆卷)大豆是重要的粮油作物,提高大豆产量是我国农业领域的重要任务。我国研究人员发现,基因S在大豆品种DN(种子较大)中的表达量高于品种TL(种子较小),然后克隆了该基因(两品种中基因S序列无差异)及其上游的启动子序列,并开展相关研究。注:箭头表示酶的切割位置。

(1)基因S启动子的基本组成单位是

。

(2)通过基因工程方法,将DN克隆的“启动子D+基因S”序列导入无基因S的优质大豆品种YZ。根据题图所示信息(不考虑未标明序列)判断,构建重组表达载体时,为保证目标序列的完整性,不宜使用的限制酶是

;此外,不宜同时选用酶SpeⅠ和XbaⅠ,原因是______________________________________________________________________________________。

(3)为验证“启动子D+基因S”是否连接在表达载体上,可用限制酶对重组表达载体酶切后进行电泳。电泳时,对照样品除指示分子大小的标准参照物外,还应有

。经验证的重组表达载体需转入农杆菌,检测转入是否成功的技术是

。

脱氧核糖核苷酸(脱氧核苷酸)EcoRⅠ

酶切后形成的片段黏性末端相同,易发生自身环化;不能保证目标片段与载体正向连接(反向连接)酶切后的空载体片段,“启动子D+基因S”片段PCR(4)用检测后的农杆菌转化品种YZ所得再生植株YZ-1的种子变大。同时将从TL克隆的“启动子T+基因S”序列成功导入YZ,所得再生植株YZ-2的种子也变大,但小于YZ-1。综合分析,大豆品种DN较TL种子大的原因是

。

品种DN的基因S上游启动子效应比TL强,使得基因S表达量更高,种子更大解析

(1)启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位,用于启动DNA的转录,是一段DNA片段,其基本组成单位是四种脱氧核糖核苷酸。(2)由题图可知,“启动子D+基因S”的DNA序列上存在EcoRⅠ的识别序列,若使用限制酶EcoRⅠ,会使目的基因被破坏;根据图中限制酶的识别序列可知,SpeⅠ和XbaⅠ切割产生的黏性末端相同,若用这两种限制酶切割,形成的DNA片段在构建基因表达载体时容易发生自身环化,以及无法保证目的基因片段与载体片段正向连接,影响目的基因在受体细胞中的表达。(3)DNA电泳可以分离不同大小的DNA片段,用限制酶对重组表达载体酶切,酶切后的产物不仅有“启动子D+基因S”片段,还有酶切后的空载体片段,因此电泳时,对照样品除指示分子大小的标准参照物外,还应有酶切后的空载体片段和“启动子D+基因S”片段;在分子水平上检测目的基因是否转入成功,可通过PCR等技术检测受体细胞的DNA上是否插入目的基因或目的基因是否转录出mRNA。(4)由题意可知,再生植株YZ-1导入的目的基因为取自品种DN的“启动子D+基因S”序列,再生植株YZ-2导入的目的基因为取自品种TL的“启动子T+基因S”序列,结合题干信息“两品种中基因S序列无差异”可推测:品种DN的基因S上游的启动子D的效应强于品种TL的启动子T,启动子D使基因S表达量更高,因而种子更大。2.(2024·河北卷)新城疫病毒可引起家禽急性败血性传染病,我国科学家将该病毒相关基因改造为r2HN,使其在水稻胚乳特异表达,制备获得r2HN疫苗,并对其免疫效果进行了检测。回答下列问题。(1)实验所用载体的部分结构及其限制酶识别位点如图1所示。其中GtP为启动子,若使r2HN仅在水稻胚乳表达,GtP应为________________________

启动子。Nos为终止子,其作用为_______________。r2HN基因内部不含载体的限制酶识别位点。因此,可选择限制酶

和

对r2HN基因与载体进行酶切,用于表达载体的构建。

图1水稻胚乳中特异表达的基因的终止转录过程HindⅢ

EcoRⅠ

(2)利用

方法将r2HN基因导入水稻愈伤组织。为检测r2HN表达情况,可通过PCR技术检测

,通过

技术检测是否翻译出r2HN蛋白。

(3)获得转基因植株后,通常选择单一位点插入目的基因的植株进行研究。此类植株自交一代后,r2HN纯合子植株的占比为

。选择纯合子进行后续研究的原因是

。

农杆菌转化r2HN基因是否转录出了mRNA

抗原—抗体杂交1/4遗传性状稳定(4)制备r2HN疫苗后,为研究其免疫效果,对实验组鸡进行接种,对照组注射疫苗溶剂。检测两组鸡体内抗新城疫病毒抗体水平和特异应答的CD8+T细胞(细胞毒性T细胞)水平,结果如图2所示。据此分析,获得的r2HN疫苗能够成功激活鸡的

免疫和

免疫。

图2(5)利用水稻作为生物反应器生产r2HN疫苗的优点是

。(答出两点即可)