2017高考生物总复习 第11单元 第37讲 基因工程及其安全性学案

1、第37讲 基因工程及其安全性考纲点击1.基因工程的诞生()2.基因工程的原理及技术()3.基因工程的应用()4.蛋白质工程()5转基因生物的安全性()6.生物武器对人类的威胁()一、基因工程的基本工具1限制性核酸内切酶(1)来源：主要从原核生物中分离纯化而来。(2)作用：识别特定的核苷酸序列并切开相应两个核苷酸之间的磷酸二酯键。(3)结果：产生黏性末端或平末端。2DNA连接酶(1)作用：将限制酶切割下来的DNA片段拼接成DNA分子。(2)类型常用类型Ecoli DNA连接酶T4 DNA连接酶来源大肠杆菌T4噬菌体功能连接黏性末端连接黏性末端和平末端结果恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯

2、键3.载体(1)种类：质粒、噬菌体的衍生物、动植物病毒等。(2)质粒特点二、基因工程的操作程序 组成 方法 三、基因工程的应用技术名称应用植物基因工程培育抗虫转基因植物、抗病转基因植物和抗逆转基因植物，利用转基因技术改良植物的品质动物基因工程提高动物生长速度，改善畜产品的品质，用转基因动物生产药物，用转基因动物作器官移植的供体基因治疗把正常基因导入病人体内，使其表达产物发挥功能，从而治疗疾病，分为体内基因治疗和体外基因治疗四、蛋白质工程1目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计。2操作手段：基因修饰或基因合成。3设计流程：预期蛋白质功能设计预期的蛋白质结构推测应有的氨基

3、酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因)。五、转基因生物的安全性1转基因成果(1)工程菌DNA重组微生物。(2)基因制药。(3)转基因动物生物反应器。(4)转基因农作物。2安全性问题(1)食物安全：滞后效应(产生毒性蛋白质)、新的过敏原、营养成分改变。(2)生物安全：生物入侵，破坏生物多样性。(3)环境安全：破坏生态系统的稳定性和人类生活环境。3理性看待转基因技术(1)需要正确的社会舆论导向，趋利避害，不能因噎废食。(2)制定符合本国利益的政策和法规，最大程度地保证转基因技术和产品的安全性。六、禁止生物武器1种类：病菌、病毒、生化毒剂及经过基因重组的致病菌。2我国政府态度：任何情况下不发展、不

4、生产、不储存生物武器，并反对生物武器及其技术和设备的扩散。1基因工程的基本工具(1)两种工具酶：限制酶、DNA连接酶。(2)一种运输工具：载体。2载体的种类和条件(1)常见三种类型：质粒、噬菌体的衍生物、动植物病毒。(2)四条件：能够自我复制、有多个限制酶切割位点、具有标记基因、对受体细胞无伤害。3基因工程的基本操作程序的四个主要步骤目的基因的获取；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。4目的基因的获取与检测(1)三种获取方法：基因文库直接获得、PCR扩增、人工合成。(2)四种检测方法：DNA分子杂交、DNAmRNA分子杂交、抗原抗体杂交、个体生物学水平的抗性检测。

5、考法一基因工程的操作工具1限制性核酸内切酶(1)识别序列的特点：呈现碱基互补对称，无论是奇数个碱基还是偶数个碱基，都可以找到一条中心轴线。如图，中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的。如以中心线为轴，两侧碱基互补对称；以为轴，两侧碱基互补对称。(2)切割后产生末端的种类黏性末端和平末端。黏性末端：是限制酶在它识别序列的中轴线两侧将DNA的两条链分别切开时形成的(错位切)，如下图所示： 平末端：是限制酶在识别序列的中轴线切开时形成的(平切)，如下图所示： 2限制酶与DNA连接酶的关系(1)限制酶和DNA连接酶的作用部位都是磷酸二酯键。(2)限制酶不切割自身DNA的原因是原核生物中不存

6、在该酶的识别序列或识别序列已经被修饰。(3)DNA连接酶起作用时，不需要模板。3.载体具备的条件条件目的稳定并能复制目的基因稳定存在且数量可扩大有一个至多个限制酶切割位点可携带多个或多种外源基因具有特殊的标记基因便于重组DNA的鉴定和选择确定限制酶的种类(1)根据目的基因两端的限制酶切点确定限制酶的种类应选择切点位于目的基因两端的限制酶，如图甲可选择Pst。不能选择切点位于目的基因内部的限制酶，如图甲不能选择Sma。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Pst和EcoR两种限制酶(但要确保质粒上也有这两种酶的切点)。(2)根据质粒的特

7、点确定限制酶的种类所选限制酶要与切割目的基因的限制酶相一致，以确保具有相同的黏性末端。质粒作为载体必须具备标记基因等，所以所选择的限制酶尽量不要破坏这些结构，如图乙中限制酶Sma会破坏标记基因；如果所选酶的切点不止一个，则切割重组后可能丢失某些片段，若丢失的片段含复制起点区，则切割重组后的片段进入受体细胞后不能自主复制。视角以基础判断、案例分析或图示分析的形式，考查对基本工具的理解1(图示信息类)(2016北京朝阳检测)图甲、图乙中的箭头表示三种限制性内切酶的酶切点，Ampr表示氨苄青霉素抗性基因，Ner表示新霉素抗性基因。下列叙述正确的是() A图甲中的质粒用BamH切割后，含有4个游离的磷

8、酸基团B在构建重组质粒时，可用Pst和BamH切割质粒和外源DNAC用Pst和Hind 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苄青霉素的培养基中生长解析：选C。图甲中的质粒用BamH切割后，得到一个DNA片段，含有2个游离的磷酸基团，A错误；在构建重组质粒时，可用Pst和Hind切割质粒和外源DNA，不能用BamH切割外源DNA，因为用BamH切割会破坏目的基因的结构，B错误；用Pst和Hind 酶能将质粒切成两个片段，用Pst和Hind 酶能将外源DNA切成三段，只有含目的基因的片段通过DNA连接酶与质粒连接形成的重组质粒符合要求，而另一个重组质

9、粒无目的基因，C正确；用Pst切割后氨苄青霉素抗性基因结构已经被破坏，所以导入目的基因的大肠杆菌不可在含氨苄青霉素的培养基中生长，D错误。2(原理判断类)(2016安徽合肥质检)下列对基因工程所利用的酶的描述，正确的是()A获取相同的目的基因可用到不同限制酶B目的基因表达时需要DNA聚合酶C纤维素酶和胰蛋白酶都是常用的工具酶D制备基因文库时一定需要逆转录酶解析：选A。获取相同的目的基因可用不同的限制酶，只要目的基因两端有相应酶的识别位点即可，A正确；DNA聚合酶用于DNA的复制，表达时需要RNA聚合酶，B错误；基因工程常用的工具酶是DNA连接酶和限制酶，C错误；制备cDNA文库时需要逆转录酶，

10、而基因组文库的制备不需要逆转录酶，D错误。考法二基因工程的基本操作程序和应用1目的基因的获取(1)直接分离法(2)人工合成法2基因表达载体的构建(1)基因表达载体的组成及作用 (2)基因表达载体的构建过程 3将目的基因导入受体细胞生物种类植物动物微生物常用方法农杆菌转化法显微注射技术感受态细胞法受体细胞体细胞受精卵原核细胞转化过程将目的基因插入到Ti质粒的TDNA上转入农杆菌导入植物细胞整合到受体细胞的染色体DNA上表达将含有目的基因的表达载体提纯取卵(受精卵)显微注射受精卵发育获得具有新性状的动物Ca2处理细胞感受态细胞重组表达载体DNA分子与感受态细胞混合感受态细胞吸收DNA分子4.目的基

11、因的检测与鉴定视角以基础判断或流程图分析的形式，考查基因工程的基本程序1(概念流程图类)(2016北京重点中学月考)利用基因工程技术生产羧酸酯酶(CarE)制剂的流程如下图所示，下列叙述正确的是() A过程需使用的原料是四种核糖核苷酸B过程需使用解旋酶和PCR获取目的基因C过程使用的感受态细胞可用NaCl溶液制备D过程可利用DNA分子杂交鉴定目的基因是否已导入受体细胞解析：选D。过程表示利用mRNA通过反转录法合成目的基因，逆转录过程中需使用的原料是四种脱氧核苷酸，A错误；过程表示利用PCR对目的基因进行扩增，该过程中不需要利用解旋酶，解旋是通过高温实现的，B错误；感受态细胞法是利用的CaCl

12、2溶液，C错误；过程可利用DNA分子杂交鉴定目的基因是否已导入受体细胞，D正确。2(模式图信息类)(2016宁夏银川模拟)转基因抗虫棉是人们应用较早的基因重组技术推广项目，目前转基因技术有了新的改进，如下图所示，请根据所学知识回答：(1)图中转基因过程通常选择的限制酶是_，启动子的作用是与_识别和结合，从而驱动基因的转录过程。目的基因与载体结合主要依靠二者含有共同的_。(2)需要进行离体组织培养的过程是_(用标号)。由棉株1获得单倍体苗的途径为：花粉通过诱导首先形成_进而再分化为试管苗。一般试管苗的形成，先诱导生成_(“丛芽”或“根”)，说明原因_。(3)棉株1、2、3中各随机取出一个叶肉细胞

13、，其细胞核中含有的目的基因个数分别为_。解析：(1)分析图示可知，目的基因的两侧以及质粒上都有EcoR和BamH限制酶的识别位点，所以图中转基因过程通常选择的限制酶是EcoR和BamH。启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位，所以启动子的作用是与RNA聚合酶识别和结合，从而驱动基因的转录过程。目的基因与载体结合主要依靠二者含有共同的黏性末端。(2)由棉株1获得单倍体苗的过程为花药离体培养，需要用到植物组织培养技术，由受体细胞培养成棉株2的过程也需用到植物组织培养技术，所以需要进行离体组织培养的过程是和。棉株1的花粉通过诱导首先形成愈伤组织进而再分化为试管苗。试管苗的形成，一般先诱导其生成丛芽，有

14、利于进行光合作用合成有机物，进而利于生长。(3)图示显示目的基因导入的受体细胞来源于单倍体幼苗，由受体细胞通过过程培养成的棉株2为单倍体，由棉株2通过过程培养成棉株3，需要人工诱导染色体加倍，目的基因也随之加倍，所以，棉株1、2、3中各随机取出一个叶肉细胞，其细胞核中含有的目的基因个数分别为0、1、2。答案：(1)EcoR 和BamH RNA聚合酶黏性末端(2)和愈伤组织丛芽进行光合作用合成有机物，利于生长(3)0、1、2易错点1基因工程操作工具易错辨析点拨(1)限制酶是一类酶，而不是一种酶。(2)限制酶的成分为蛋白质，其作用的发挥需要适宜的理化条件，高温、强酸或强碱均易使之变性失活。(3)在

15、切割目的基因和载体时要求用同一种限制酶，目的是产生相同的黏性末端。(4)将一个基因从DNA分子上切割下来，需要切两处，同时产生4个黏性末端。(5)不同DNA分子用同一种限制酶切割产生的黏性末端都相同，同一个DNA分子用不同的限制酶切割，产生的黏性末端一般不相同。(6)限制酶切割位点应位于标记基因之外，不能破坏标记基因，以便于进行检测。(7)基因工程中有3种工具，但工具酶只有2种。易错点2基因工程操作过程中易出现的错误点拨(1)目的基因的插入位点不是随意的：基因表达需要启动子与终止子的调控，所以目的基因应插入到启动子与终止子之间的部位。(2)基因工程操作过程中只有第三步(将目的基因导入受体细胞)

16、没有碱基互补配对现象：第一步存在逆转录法获得DNA，第二步存在黏性末端连接现象，第四步存在检测分子水平杂交。(3)农杆菌转化法原理：农杆菌易感染植物细胞，并将其Ti质粒上的TDNA转移并整合到受体细胞染色体DNA上。(4)目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程，称为转化。转化的实质是目的基因整合到受体细胞染色体基因组中。(5)标记基因的种类和作用：标记基因的作用筛选、检测目的基因是否导入受体细胞，常见的有抗生素抗性基因、发光基因(表达产物为带颜色的物质)等。(6)受体细胞的选择：受体细胞常用植物受精卵或体细胞(经组织培养)、动物受精卵(一般不用体细胞)、微生物(大肠杆菌、

17、酵母菌)等。要合成糖蛋白、有生物活性的胰岛素则必须用真核生物酵母菌(需内质网、高尔基体的加工、分泌)；一般不用支原体，原因是它营寄生生活；一定不能用哺乳动物成熟的红细胞，原因是它无细胞核，也没有核糖体等细胞器，不能合成蛋白质。(7)还应注意的问题有：基因表达载体中，启动子(DNA片段)起始密码子(RNA)；终止子(DNA片段)终止密码子(RNA)。基因表达载体的构建是最核心、最关键的一步，在体外进行。易错点3基因工程应用中的易错分析点拨(1)Bt毒蛋白基因编码的Bt毒蛋白并无毒性，进入昆虫消化道被分解成多肽后产生毒性。(2)青霉素是诱变后的高产青霉菌产生的，不是通过基因工程改造的工程菌产生的。

18、(3)动物基因工程主要为了改善畜产品的品质，不是为了产生体型巨大的个体。微观清障(1)(2015北京卷T5B改编)在应用农杆菌侵染植物叶片获得转基因植株的常规实验步骤中，不需要用选择培养基筛法导入目的基因的细胞。()(2)质粒是一种裸露的、结构简单、独立于细菌拟核DNA之外，并且具有自我复制能力的很小的环状DNA分子。()(3)DNA分子经限制酶切割后产生的DNA片段末端是黏性末端。()(4)(2015重庆卷T6A改编)胰岛素基因表达载体中的胰岛素基因可通过人肝细胞mRNA反转录获得。()(5)基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，而蛋白质工程则可对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋

19、白质。()(6)(2015重庆卷T6B)表达载体的复制和胰岛素基因的表达均启动于复制原(起)点。()(7)(2014江苏卷T23A)切割质粒的限制性核酸内切酶均能特异性地识别6个核苷酸序列。()(8)(2014江苏卷T23C)载体质粒通常采用抗生素合成基因作为筛选标记基因。()(9)限制性核酸内切酶、DNA连接酶和质粒是基因工程中常用的三种工具酶。()(10)基因表达载体除了目的基因外，还必须有启动子、终止子以及标记基因。()(11)DNA连接酶可把目的基因与载体的黏性末端的碱基黏合，形成重组DNA。()(12)Ecoli DNA连接酶既可以连接平末端，又可以连接黏性末端。()(13)Taq酶

20、是用PCR仪对DNA分子扩增过程中常用的一种耐高温的DNA连接酶。()(14)基因表达载体中含有启动子和密码子。()(15)(2015重庆卷T6C)借助抗生素抗性基因可将含胰岛素基因的受体细胞筛选出来。()(16)设计扩增目的基因的引物时不必考虑表达载体的序列。()(17)(2014重庆卷T4A)重组Ti质粒的构建需要限制性核酸内切酶和DNA聚合酶参与。()(18)启动子是一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端，是RNA聚合酶识别和结合的部位。()(19)如果某种生物的cDNA文库中的某个基因与该生物的基因组文库中的某个基因控制的性状相同，则这两个基因的结构也完全相同。()(20)目的基因

21、导入马铃薯细胞后，随着马铃薯DNA分子的复制而复制，传给子代细胞并表达。()(21)蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子的结构。()(22)目前在抗菌性和溶血性均较强的多肽P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物，首先要做的是依据P1氨基酸序列设计多条模拟肽。()(23)(2014重庆卷T4D)利用基因工程培育抗虫植物时，只要表现出抗虫性状就表明植株发生了可遗传变异。()答案：(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)(19)(20)(21)(22)(23)1(2016天津武清区调

22、研)下表中列出了几种限制酶识别序列及其切割位点，图1、图2中箭头表示相关限制酶的酶切位点。请回答下列问题。限制酶BamHHindEcoRSma识别序列及切割位点GGATCC CCTAGGAAGCTT TTCGAAGAATTCCTTAAGCCCGGGGGGCCC(1)一个图1所示的质粒分子经Sma切割前后，分别含有_个游离的磷酸基团。(2)若对图中质粒进行改造，插入的Sma酶切位点越多，质粒的热稳定性越_。(3)用图中的质粒和外源DNA构建重组质粒，不能使用Sma切割，原因是_。(4)与只使用EcoR相比较，使用BamH和Hind两种限制酶同时处理质粒、外源DNA的优点在于可以防止_。(5)为了

23、获取重组质粒，将切割后的质粒与目的基因片段混合，并加入_酶。(6)现使用BamH 和Hind 两种限制酶同时处理质粒、外源DNA，并经拼接获得的重组质粒进行再次酶切，假设所用的酶均可将识别位点完全切开，请根据图1、图2中标示的酶切位点及表中所列的识别序列，对以下酶切结果作出判断。采用BamH 和Hind 酶切，得到_种DNA片段。采用EcoR 和Hind 酶切，得到_种DNA片段。导学号解析：(1)该质粒为环状DNA，经Sma 切割前，不含有游离的磷酸基团，经Sma 切割后形成平末端，含有2个游离的磷酸基团。(2)Sma 识别的是CCCGGG序列，在C与G之间切割，Sma 酶切位点越多，也就是

24、CG碱基对越多，C与G之间的氢键(3个)比A与T之间的氢键(2个)数量多，其含量越多，质粒的热稳定性越高。(3)据图1可知，Sma 切割位点在抗生素抗性基因(标记基因)中，据图2可知，Sma 切割位点在目的基因中，因此使用Sma 切割会破坏质粒的抗性基因、外源DNA中的目的基因。(4)用同一种限制酶处理质粒和外源DNA，再用DNA连接酶连接时，往往会有三种连接形式：目的基因质粒、目的基因目的基因(环化)、质粒质粒(环化)，后两种是我们不需要的，因而要进行筛选。用两种限制酶处理质粒和外源DNA，因形成的末端不同可避免上述情况的发生。(5)连接质粒与目的基因的工具酶是DNA连接酶。(6)分析由Ba

25、m H 和Hind 两种限制酶同时处理质粒、外源DNA，并经拼接获得的重组质粒，这两种酶的识别序列仍然完整存在，如再用BamH 和Hind 两种限制酶进行酶切时，可再度被切开，形成2种DNA片段；而EcoR 的识别序列在原质粒中存在并没有被破坏，同时切下的目的基因中还存在1个EcoR 的识别序列，因此在重组质粒中存在2个EcoR 的识别序列，如用EcoR 和Hind 酶切，可得到3种DNA片段。答案：(1)0、2(2)高(3)Sma会破坏质粒的抗性基因和外源DNA中的目的基因(4)质粒和含目的基因的外源DNA片段自身环化(5)DNA连接(6)232(2016山东文登模拟)下面是科学家利用现代生

26、物技术研制用于癌症治疗的鼠人嵌合抗体的流程图。请回答：(1)利用蛋白质工程技术对鼠源杂交瘤抗体进行改造时，首先必须根据预期_，设计_，进一步推测应有的氨基酸序列，最终通过基因拼接，将鼠源抗体基因改造成鼠人嵌合抗体基因，然后导入鼠淋巴细胞中使其_。在Ig基因表达载体构建的过程中，人和鼠的基因要用_切割核苷酸之间的磷酸二酯键。(2)图中嵌合载体启动子位于基因的首端，它是_识别和结合的部位，终止子是_的终点；嵌合载体中还应含有_，以便重组DNA的鉴定和筛选。(3)图中的“抗体分泌细胞”名称是_，检测目的基因在淋巴细胞中是否得到表达可采用_技术。(4)在制备单克隆嵌合抗体过程中要进行筛选，第二次筛选的

27、目的是_。导学号解析：(1)蛋白质工程的基本途径是：从预期的蛋白质功能出发设计预期的蛋白质结构推测应有的氨基酸序列找到相对应的脱氧核糖核苷酸序列(DNA)。所以，利用蛋白质工程技术对鼠源杂交瘤抗体进行改造时，首先必须根据预期嵌合抗体的功能，设计嵌合抗体的结构，进一步推测应有的氨基酸序列，最终通过基因拼接，将鼠源抗体基因改造成鼠人嵌合抗体基因，然后导入鼠淋巴细胞中使其表达。在基因表达载体构建的过程中，人和鼠的基因要用同种限制酶切割核苷酸之间的磷酸二酯键，以产生相同的黏性末端。(2)启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位，终止子是转录终止的信号；基因表达载体由启动子、终止子、目的基因和标记基因等组成，其中标记基因用于重组DNA的鉴定和筛选。(3)图中的“抗体分泌细胞”的名称是浆细胞；检测目的基因在受体细胞中是否表达，常采用抗原抗体杂交技术。(4)制备单克隆抗体时要经过两次筛选，第一次筛选的目的是获得杂交瘤细胞，第二次筛选的目的是获得能够产生特异性抗体的杂交瘤细胞。答案：(1)嵌合抗体的功能嵌合抗体的结构表达同种限制酶 (2)RNA聚合酶转录