高中生物专项练习：基因工程的原理和技术

第6课时基因工程的原理和技术

【课标要求】1.概述基因工程是在遗传学、微生物学、生物化学和分子生物学等学科基础上发

展而来的。2.阐明DNA重组技术的实现需要利用限制性内切核酸酶、DNA连接酶和载体三

种基本工具。3.阐明基因工程的基本操作程序主要包括获取目的基因、构建重:组DNA分子、

将重组DNA分子导入受体细胞和检测目的基因及其表达产物等步骤。4.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。5.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。6.活动：DNA的

粗提取和鉴定。7.PCR扩坞DNA片段及凝胶电泳鉴定。

考点一基因工程的工具

■梳理归纳夯实必备知识

1.基因工程的建立

基因工程是指有意识地把一个人们

基因工程所需要的基因转入另一个生物体中,

的定义使后者获得新的遗传性状或衣达所

需要产物的技术

多个实验证明DNA是遗传物质

“中心法则”阐明了遗传信息的传递

和表达机制

遗传密码的破译,为基因在不同福

发展历程物细胞内进行表达的设想奠定了理

论基础

工具酶、载体的发现实现了对DNA

分子的剪切、连接和复制

转基因技术得以实现

2.限制酶、DNA连接酶与载体

、识别特定的核甘酸序列并催

制

限市叶化特定部位的两个核件酸之

切

内-----间的磷酸：酯键水解

酸

(酶

留生）-产生黏性东端或平木端

基

因

工「麻向_将2个DNA分子的双链通过

叱曳厂磷酸二酯键分别连接起来

程DNA

的连接酶cE.coliDNA连接酶：连接黏性

基

本I也为T4DNA连接施：既能连接黏性

工I末端也能连接平末端

具

)［种类）-质粒、噬曲体、动值物病盛等

能自主复制；有一种或多种

需具备

一限制制的识别序列；有•筛选

的条件作用的标记基因

【归纳总结】比较DNA连接酶和DNA聚合酶

种类DNA聚合酶DNA连接酶

催化单个脱氧核甘酸加到已

催化两个DNA片段之间形成磷酸二

作用实质有脱氧核甘酸片段上，形成磷

酣键

酸二酯键

不同点催化形成与模板链互补的催化具有互补黏性末端或平末端的

作用结果DNA链，形成新的双链DNADNA片段连接起来，形成重组DNA

分子分子

模板需要不需要

相同点①化学本质都是蛋白质；②W中是催化形成磷酸二酯键

【提醒】（1）限制酶的选择方法

PstISniaIPstI

Ii,i

Sma\抗病基因EcoRl

甲

根据目的基因两端的限制酶切点确定限制酶的种类。

①应选择切点位于目的基因两端的限制酶，如图甲可选杼八丫IO

②不能选择切点位于目的去因内部的限制酶，如图甲不能选择S〃0IO

③为避免目的基因和质粒的自身环化和随意连接，也可使用不同的限制酶切割目的基因和质

粒，如图甲也可选择用PsfI和EcoR1两种限制酶，但要确保质粒（如图乙）上也有这两种

酶的切点。

（2）标记基因的筛选原理

载体上的标记基因一般是某种抗生素的抗性基因，而受体细胞没有抵抗该抗生素的能力。将

含有某抗生素抗性基因的载体导入受体细胞，抗性基因在受体细胞内表达，受体细胞对该抗

生素产生抗性。在含有该抗生素的培养基上，能够生存的是被导入了载体的受体细胞(如下图

所示)。

在含有兼节

进入受青霉素的培

体细胞I养以上培养

含有兼节青霉素只有含有栽体，并且

栽体上的抗性基因

抗性基因的我体大肠杆菌中

成功表达的大肠杆

(如质粒)有的有栽体

进入,有的没菌才能存活并增殖

有栽体进入

3.DNA的粗提取与鉴定

(1)实验原理

(3)DNA与蛋白质在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同

项目溶解规律2mol/LNaCl溶液0.14mol/LNaCl溶液

DNA溶解度

DNA溶解析出

1

C0.14

MaCl浓度(mol/L)

NaCl溶液物质的量浓度从2

蛋白质mol/L逐渐降低的过程中，蛋部分发生盐析沉淀溶解

白质溶解度逐渐增大

■考向突破强化关键能力

考向一基因工程的工具

1.图甲、乙中的箭头表示三种限制性内切核酸酶的酶切位点，（加“表示氨苇青霉素抗性基

因，〃6户表示新霉素抗性基因。若想将图乙所示目的基因导入图甲所示质粒中，下列叙述正

确的是（）

PstI，加d【n目的基因

十tII.外源DNA

t,t

BaniWIPstI

乙

A.图甲中的质粒用〃汨I切割后，含有4个游离的璘酸基团

B.在构建重组质粒时，可用Ps/I和&"〃HI切割质粒和外源DNA

C.用R/I和”勿dHI酶切，加入DNA连接酶后可得到1种符合要求的重组质粒

D.导入目的基因的大肠杆菌可在含氨苇青霉素的培养基中生长

答案C

解析环状质粒被限制酶切割后会出现2个游离的磷酸基团；如果用I切割外源DNA

后，会破坏目的基因；用RfI和〃山dlH切割外源DNA后，可得到两个能与质粒连接的

DNA片段，但只有目的基因未被破坏的片段才符合要求：导入目的基因的大肠杆菌，其重组

质粒中〃〃”•已被破坏，故不可能在含氨羊青霉素的培养基中生长。

2.据图所示，下列有关酶功能的叙述，不正确的是（）

A.限制性内切核酸睡可以切断a处

B.DNA聚合酶可以连接a处

C.解旋酶可以使b处解开

D.DNA连接附可以连接c处

答案D

解析限制性内切核酸酶切割DNA片段的磷酸二酯键，A正确；DNA聚合酶将单个的脱氧

核昔酸连起来，连接的是畴酸二酯键，B正确；解旋酶将DNA双链解开成单链，作用于费

键，C正确；DNA连接酶连接的是a处，不是c处，D错误。

【归纳总结】与DNA有关的四种幅

项目限制酶DNA连接辞DNA聚合酶解旋晦

作用底物DNA分子DNA分子片段脱氧核甘酸DNA分子

作用部位磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键碱基对间的氢键

形成黏性末端或形成重组DNA形成新的DNA形成单链DNA分子

作用结果

平末端分子分子

考向二DNA的粗提取与鉴定

3.（2022・湖州期中）不同储藏条件对棉叶DNA纯度及提取率（提取率越高，获得的DNA越多）

的影响，结果如图所示。下列有关叙述正确的是（）

2

r二

5

型

烹

<

N

C

I

(

拦

安

35()

要

)30()

>250

整2()0

型15()

V10()

N

Q50

0II.II.II.n.II.ri,

鲜叶冷鲜冷冻冷冻液氮硅胶

3d3d7d7d干燥

7d

A.利用乙二胺四乙酸二钠(EDTA)处理棉叶，能使核蛋白变性并与DNA分离

B.新鲜棉叶的DNA纯度最高，提取DNA的量也最多

C.冷冻保存3d组的DNA提取效果优于冷鲜保存3d

D.用二苯胺试剂鉴定，蓝色最浅的是冷冻3d处理后提取的DNA

答案C

解析用十二烷基硫酸钠(SDS)处理棉叶，能使核蛋白变性并与DNA分离，乙二胺四乙酸二

钠(EDTA)能抑制DNA酶活性，防止核DNA被晦解，A错误：新鲜棉叶提取的DNA纯度最

高，但提取率不高，因此新鲜棉叶提取DNA的量不是最多的，B错误；冷冻3d处理提取的

DNA量是最多的，因此用二苯胺试剂鉴定，蓝色最深的是冷冻3d处理后提取的DNA,D

错误。

4.下表关于DNA粗提取与鉴定实验的叙述，不正确的是()

选项试剂操作作用

A研磨液与生物材料混合提取溶解DNA

B2mol/LNaCl溶液与提取出的DMA混合溶解DNA

C冷却的酒精加入到离心后的上清液中溶解DNA

D二苯胺试剂加入到溶解有DNA的Na。溶液中鉴定DNA

答案C

解析DNA不溶于酒精溶液，但是细胞中的某些蛋白质则溶于酒精，利用这一原理可以将蛋

白质和DNA进一步分离，C错误。

考点二基因工程的基本操作步骤

■梳理归纳夯实必备知识

1.基因的结构

位于基因的“上游”，有~RNA

聚合醐结合的位点，控制转录

的开始

位于基因末端,当RNA聚合

醐到达时，释放出RNA产物.

转录结束

编码蛋白质的核甘酸序列是

不连续的;编码蛋白质的序列

称为外显子.外显子间不能编

码蛋白质的序列称为内含了

编码蛋白质的核甘酸序列是

连续的

2.基因工程的基本操作程序

⑴目的基因：用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因，主要是指编码蛋白质的

基因。

(2)获取目的基因的方法

从部分基因文库，

从基因组文库中通过PCR技术体

方法如cDNA文库中化学合成法

获取外扩增

获取

蛋白质

目的基因的匆:基

供体细胞

的mRNA酸序列

中的DNA|逆转录|推测

|限制板单链DNA

|合成mRNA

许多DNA片段的核首变性

|插入双链DNA酸序列1

过程载体|插入|推测退火

|导入载体1

|导入结构基延伸

受体菌群

受体菌群因的核

（基因组文库）昔限序列

分离（cDNA文库）

化学

目的基因|分岗

口的基因合成

目的基因

（3）cDNA文库和基因组文库的主要区别

文库类型cDNA文库基因组文库

文库大小小大

基因中启动子和终止子无有

基因中内含子无有

基因多少某种生物的部分基因某种生物的全部基因

基因组型粤适当大小

mRNA——cDNA->与载DNA

基因获得过程体组合一导入微生物细胞一的DNA片段f与载体组合f

克隆导入微生物细胞f克隆

-教材隐性知识

不同组织细胞和同一组织细胞在不同的发育阶段，cDNA文库是会（填"会”或“不会”）有

差异的，原因是基因的选择性表达。

（4）通过PCR技术体外扩增目的基因

①原理：模仿体内DNA复制。

”模板：待扩增的DNA分子

原料：4种脱氧核苻三磷酸,即dNTP

②条件《

酹：hoDNA聚合酹

、引物：短的单链DNA

③过程

夺材L模板DNA双链在高温下(90~95七)氢铤断

壁厂1裂，解旋成2条单链______________________

退火｛温度降低(50~60-)后物与DNA单链结合

-'［模板：两条DNA单链,原料：4种dNTP.艇：耐

延停高温的TaqDNA聚合酶.温度:约72七，起点：

以引物与模板形成的小段DNA双链区

④产物鉴定方法：凝胶电泳。

■教材隐性知识----------------------------------------------------------------------

①与体内DNA复制相比，PCR技术所用ThqDNA聚合酶特点是耐高温。

②PCR扩增DNA片段大小由2个引物决定。

③在第二轮循环产物中开始出现目标DNA片段(两条核甘酸链等长的DNA分子)。

3.活动：PCR扩增DNA片段及凝胶电泳鉴定

(1)实验原理

①PCR经过多次循环变性、退火、延伸三个步骤,可获得大量目的基因或DNA片段。

②PCR技术扩增酵母细胞中编码核糖体RNA的DNA部分片段，长度为841bp,通过琼脂糖

凝胶电泳进行鉴定。

③使用亚甲基蓝对凝胶进行染色,再用75%酒精以及蒸馅水脱色,观察并分析琼脂糖凝胶中

DNA条带。

(2)方法步骤

①PCR扩增

用微一移液器将PCR体系各成分加入0.2mL

加液-已灭菌的微一离心管中,用微坡移液器

I|反复吹吸_____________________________

c~,_」3000r/min离心30s,使反应液集中于微

四归一离心管的底部______________________

I|将微一离心管放入PCR仪中，设置反应条

反应一件后进行PCR扩增,扩增后的PCR产物

可储存在-20七条件下

②琼脂糖凝胶电泳

化

热溶

中，加

冲液

泳缓

到电

糖加

琼脂

制备称取

胎

出梳

心拔

结.小

全凝

胶完

；待凝

入姬

琼后倒

糖凝

入

出.放

中取

胶盒

托从

的胶

凝胶

装有

子,将

胶

槽

电泳

极，向

向负

端朝

孔一

,加样

槽内

电泳

凝胶

没过

,使其

冲液

泳缓

入电

中加

上样缓

中加入

rker

Ma

NA

物和D

R产

向PC

加样

样孔内

加到加

分别

后，

均匀

.混合

冲液