1、选修3 现代生物科技专题,第13单元 现代生物科技专题,第1讲 基因工程,-4-,1.基因工程的诞生()。 2.基因工程的原理及技术(含PCR技术)()。 3.基因工程的应用()。 4.蛋白质工程()。 5.实验:DNA的粗提取与鉴定。,-5-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,基因工程的工具 1.基因工程的概念 (1)供体:提供 目的基因 。 (2)操作环境: 体外 。 (3)操作水平: 分子 水平。 (4)原理: 基因重组 。 (5)受体:表达目的基因。 (6)本质:目的基因在 受体 体内的表达。 (7)优点:定向改造生物的 遗传性状 。,-6-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总
2、结,2.基因工程的基本工具,-7-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,(1)限制酶只能用于切割目的基因。( ) (2)DNA连接酶能将两碱基通过氢键连接起来。( ) (3)Ecoli DNA连接酶既可连接平末端,又可连接黏性末端。( ) (4)载体质粒通常采用抗生素合成基因作为筛选标记基因。( ) (5)载体的作用是携带目的基因并将其导入受体细胞中,使之稳定存在并表达。( ) (6)外源DNA必须位于重组质粒的启动子和终止子之间才能进行复制。( ),-8-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,1.用限制酶切割载体和获得的目的基因时需注意哪些问题? 提示:获取目的基因和切割载体时,经常
3、使用同一种限制酶(也可使用能切出相同末端的不同限制酶),目的是产生相同的黏性末端或平末端。获取一个目的基因需限制酶切割两次,共产生4个黏性末端或平末端。选择限制酶切割位点时,必须保证标记基因的完整性,以便于检测。,-9-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,2.图1和图2分别是EcoR限制酶和Sma限制酶的作用示意图。请据图回答问题。,-10-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,(1)请说出EcoR限制酶和Sma限制酶识别的碱基序列及切割的位点。 提示:EcoR限制酶识别的碱基序列是GAATTC,切割位点在G和A之间;Sma限制酶识别的碱基序列是CCCGGG,切割位点在C和G之间。
4、(2)以上实例说明限制酶有何特性? 提示:说明限制酶具有专一性。,-11-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,考向1 限制性核酸内切酶和DNA连接酶的作用 1.“今又生”是我国为数不多的首创基因治疗药物之一,其本质是利用腺病毒和人P53基因(抑癌基因)拼装得到的重组病毒。人的P53蛋白可对癌变前的DNA损伤进行修复,使其恢复正常,或诱导其进入休眠状态,或使细胞凋亡,阻止细胞癌变。“今又生”的载体是第一代人5型腺病毒,其致病力很弱,基因不整合到宿主细胞的基因组中,无遗传毒性;载体经基因工程改造后,只对细胞实施一次感染,不能复制,不会污染。请回答下列问题。 (1)在“今又生”的生产中,为了获
5、得更高的安全性能,在载体一般应具备的条件中,科学家选择性地放弃了一般载体都应具有的 这一条件。检测P53基因的表达产物,可以采用 技术。,-12-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,(2)如果要大量扩增P53基因,一般采用PCR技术,该技术中需使用的一种特殊的酶是 。与体内DNA复制相比较,PCR反应要在 中才能进行,并且要严格控制 条件。 (3)如果要获得胚胎干细胞进行研究,则胚胎干细胞可来源于囊胚的 或胎儿的原始性腺;培养时,细胞充满培养皿底部后便停止分裂,这种现象称为 。如果想继续培养,需要重新用 处理,然后分瓶继续培养,这样的培养过程通常被称为传代培养。,答案:(1)自我复制 抗
6、原抗体杂交 (2)热稳定DNA聚合酶(Taq DNA聚合酶) 一定的缓冲溶液 温度 (3)内细胞团 接触抑制 胰蛋白酶,-13-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,解析:(1)根据题干信息“载体经基因工程改造后,只对细胞实施一次感染,不能复制”可知,在“今又生”的生产中,为了获得更高的安全性能,科学家选择性地放弃了具有复制原点的载体。检测目的基因是否表达产生蛋白质可采用抗原抗体杂交技术。(2)PCR技术是在较高温度下进行的,因此该技术中需使用热稳定DNA聚合酶。与体内DNA复制相比较,PCR反应要在一定的缓冲溶液中才能进行,并且要严格控制温度等条件。(3)胚胎干细胞来源于囊胚的内细胞团或
7、胎儿的原始性腺;在培养时,细胞充满培养皿底部后停止分裂,这种现象称为接触抑制。如果想继续培养,需要用胰蛋白酶处理,然后分瓶继续培养,这样的培养过程通常被称为传代培养。,-14-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,考向2 载体的作用和特点 2.(2016全国卷)某一质粒载体如下图所示,外源DNA插入到Ampr或Tetr中会导致相应的基因失活(Ampr表示氨苄青霉素抗性基因,Tetr表示四环素抗性基因)。有人将此质粒载体用BamH 酶切后,与用BamH 酶切获得的目的基因混合,加入DNA连接酶进行连接反应,用得到的混合物直接转化大肠杆菌。结果大肠杆菌有的未被转化,有的被转化。被转化的大肠杆菌
8、有三种,分别是含有环状目的基因的大肠杆菌、含有质粒载体的大肠杆菌、含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌。回答下列问题。,-15-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,(1)质粒载体作为基因工程的工具,应具备的基本条件有 (答出两点即可),而作为基因表达载体,除满足上述基本条件外,还需具有启动子和终止子。 (2)如果用含有氨苄青霉素的培养基进行筛选,在上述四种大肠杆菌细胞中,未被转化的和仅含环状目的基因的细胞是不能区分的,其原因是 ;并且 的和 的细胞也是不能区分的,其原因是 。在上述筛选的基础上,若要筛选含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌单菌落,还需使用含有 的固体培养基。 (3)基
9、因工程中,某些噬菌体经改造后可以作为载体,其DNA复制所需的原料来自 。,-16-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,答案:(1)能自我复制、具有标记基因(2)二者均不含有氨苄青霉素抗性基因,在该培养基上均不生长 含有质粒载体 含有插入了目的基因的重组质粒(或含有重组质粒) 二者均含有氨苄青霉素抗性基因,在该培养基上均能生长 四环素 (3)受体细胞,-17-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,解析:(1)基因工程中的载体应具备如下条件:必须有一个至多个限制酶切割位点;具有自我复制能力;具有标记基因;对宿主细胞无害。(2)未转化的和仅含环状目的基因的细胞不能在含有氨苄青霉素的培养基上
10、生长,两者不能区分;而含有质粒载体的和含有重组质粒的细胞在含有氨苄青霉素的培养基上都能生长,两者也不能区分。因目的基因插入位点在四环素抗性基因上,四环素抗性基因被破坏,丧失了原有的功能,故含有重组质粒的大肠杆菌不抗四环素。将获得的单个菌落各挑取少许分别接种到含有四环素的培养基上,不能生长的即为所筛选的菌落,即含有重组质粒的大肠杆菌。(3)噬菌体是营寄生生活的,利用受体细胞内的原料进行自身DNA的复制和蛋白质的合成。,-18-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,1.切割某种目的基因的限制酶的选择根据目的基因两端的限制酶切割位点选择合适的限制酶。 (1)应选择切割位点位于目的基因两端的限制酶
11、,如图甲可选择Pst。 (2)不能选择切割位点位于目的基因内部的限制酶,如图甲不能选择Sma。 (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Pst和EcoR两种限制酶(但要确保质粒上也有这两种酶的切割位点)。,-19-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,2.载体上标记基因的作用 载体上的标记基因一般是一些抗生素抗性基因。目的基因要转入的受体细胞没有抵抗相关抗生素的能力。当含有抗生素抗性基因的载体进入受体细胞后,抗性基因在受体细胞内表达,使受体细胞能够抵抗相应抗生素,所以在受体细胞的培养体系中加入该种抗生素就可以只保留转入载体的受
12、体细胞,原理如下图所示:,-20-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,基因工程的基本操作程序 1.目的基因的获取 (1)目的基因:主要是指 编码蛋白质 的基因。 (2)获取目的基因的方法 直接分离法:从自然界已有的物种中分离,如从基因组文库或 cDNA文库 中获取。 人工合成 a.如果基因比较小,核苷酸序列又已知,可以通过 DNA合成仪 用化学方法直接人工合成。 b.以RNA为模板,在 逆转录酶 的作用下人工合成。 (3)扩增目的基因:利用 PCR技术 扩增目的基因。 PCR的原理: DNA复制 。,-21-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,PCR反应过程,-22-,核心梳理,提
13、能探究,考向感悟,归纳总结,结果:上述三步反应完成后,一个DNA分子经复制形成了 两 个DNA分子,随着重复次数的增多,DNA分子的数量以2n的形式增加。PCR的反应过程都是在 PCR扩增仪 中完成的。,-23-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,2.基因表达载体的构建基因工程的核心 (1)目的 使目的基因在 受体细胞 中稳定存在,并且可以遗传给下一代。 使目的基因能够 表达 和发挥作用。 (2)基因表达载体的组成: 启动子 +目的基因+ 终止子 +标记基因(如抗生素抗性基因)。 (3)基因表达载体的构建过程,-24-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,3.将目的基因导入受体细胞(
14、连线)教材深挖将目的基因导入受体细胞并整合到线粒体DNA或叶绿体DNA上,能否稳定遗传?为什么? 提示:一般不能。如果仅把目的基因整合到线粒体DNA或叶绿体DNA上,细胞分裂可能导致目的基因丢失,因此无法稳定遗传。,-25-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,4.目的基因的检测与鉴定,-26-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,(1)设计扩增目的基因的引物时不必考虑表达载体的序列。( ) (2)用PCR方法扩增目的基因时不必知道基因的全部序列。( ) (3)PCR体系中一定要添加从受体细胞中提取的DNA聚合酶。( ) (4)为培育抗除草剂的作物新品种,导入抗除草剂基因时只能以受精卵
15、为受体。( ) (5)把目的基因导入双子叶植物一般采用农杆菌转化法。( ),-27-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,基因工程四步曲中,哪些步骤中没有发生碱基互补配对? 提示:只有第三步“将目的基因导入受体细胞”没有发生碱基互补配对,其他三步(目的基因的获取、基因表达载体的构建和目的基因的检测)中都发生了碱基互补配对。,-28-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,考向1 目的基因的获取及基因表达载体的构建 1.为从根本上解决水稻中的高植酸问题,可将植酸酶基因导入水稻,培育低植酸转基因水稻品种。下图是获取植酸酶基因的流程。(1)图中基因组文库 (填“小于”“等于”或“大于”)cDN
16、A文库。 (2)B过程需要的酶是 。 (3)目的基因和除可从构建的文库中分离外,还可以分别利用图中 和 为模板直接进行PCR扩增,该过程中所用酶的显著特点是 。,-29-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,答案:(1)大于 (2)逆转录酶 (3)DNA cDNA 耐高温 解析:分析获取植酸酶基因的流程图可知,图中基因组文库大于cDNA文库。B过程需要的酶应该是逆转录酶。目的基因和除可从构建的文库中分离外,还可以分别利用图中DNA和cDNA 为模板直接进行PCR扩增,该过程中所用酶的显著特点是耐高温。,-30-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,考向2 基因工程的操作程序 2.(20
17、17全国卷)几丁质是许多真菌细胞壁的重要成分,几丁质酶可催化几丁质水解。通过基因工程将几丁质酶基因转入植物体内,可增强其抗真菌病的能力。回答下列问题。 (1)在进行基因工程操作时,若要从植物体中提取几丁质酶的mRNA,常选用嫩叶而不选用老叶作为实验材料,原因是 。提取RNA时,提取液中需添加RNA酶抑制剂,其目的是 。 (2)以mRNA为材料可以获得cDNA,其原理是 。 (3)若要使目的基因在受体细胞中表达,需要通过质粒载体而不能直接将目的基因导入受体细胞,原因是 (答出两点即可)。 (4)当几丁质酶基因和质粒载体连接时,DNA连接酶催化形成的化学键是 。,-31-,核心梳理,提能探究,考向
18、感悟,归纳总结,(5)若获得的转基因植株(几丁质酶基因已经整合到植物的基因组中)抗真菌病的能力没有提高,根据中心法则分析,其可能的原因是 。,答案:(1)嫩叶组织细胞的细胞壁易破碎 防止RNA降解 (2)在逆转录酶的作用下,以mRNA为模板按照碱基互补配对的原则可以合成cDNA (3)目的基因无复制原点;目的基因无表达所需的启动子 (4)磷酸二酯键 (5)目的基因的转录或翻译异常,-32-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,解析:(1)选取嫩叶为实验材料提取mRNA的原因是嫩叶细胞的细胞壁易破碎。提取RNA时加入RNA酶抑制剂的目的是防止RNA降解。(2)以mRNA为材料获得cDNA的过
19、程为逆转录,其原理是在逆转录酶的作用下,以mRNA为模板按照碱基互补配对的原则可以合成cDNA。(3)目的基因无复制原点,无表达所需的启动子、终止子等,其不能在受体细胞内表达,要使目的基因在受体细胞中表达,需要通过含有这些结构的质粒载体将目的基因导入受体细胞。(4)当几丁质酶基因和质粒载体连接时,DNA连接酶催化形成的化学键是磷酸二酯键。(5)如果目的基因已经整合到植物的基因组中,但植物未表现出相应性状,可能的原因是目的基因未转录,或是转录出的mRNA未翻译出相应的几丁质酶。,-33-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,基因工程操作程序中的“三、三、二、一” (1)目的基因的“三种获取方
20、法” 从基因文库(基因组文库、cDNA文库)中获取。 利用PCR技术扩增:其实质是在体外对目的基因进行大量扩增。PCR的过程为变性(9095 )复性(5560 )延伸(7075 )。 通过DNA合成仪用化学方法人工合成(用于核苷酸序列已知,且核苷酸数目较少的基因)、利用mRNA逆转录法合成。 (2)将目的基因导入受体细胞的“三种常见方法” 导入植物细胞农杆菌转化法(或花粉管通道法、基因枪法)。 导入动物细胞显微注射法(导入受精卵)。 导入微生物细胞转化法。,-34-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,(3)目的基因检测与鉴定的“两个水平”(4)基因工程操作的“一个核心”基因表达载体的构建
21、。,-35-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,基因工程的应用及蛋白质工程 1.基因工程的应用 (1)基因工程的应用:培育转基因植物和 转基因动物 ,生产基因工程药物,进行 基因 治疗。,-36-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,(2)抗虫棉的培育抗虫棉的培育过程 由上图可以看出,目的基因是 Bt毒蛋白基因 ,使用的载体是 Ti质粒 ,将目的基因表达载体导入受体细胞的方法是 农杆菌转化法 ,检测目的基因是否表达的方法有 抗原抗体杂交法、用培育出的植株的叶片饲喂棉铃虫 。,-37-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,(3)基因治疗与基因诊断的不同点,-38-,核心梳理,提能探
22、究,考向感悟,归纳总结,2.蛋白质工程 (1)目标:根据人们对蛋白质功能的特定需要对 蛋白质 的结构进行分子设计。 (2)操作对象: 基因 。 (3)操作过程写出流程图中字母代表的含义: A. 转录 ,B. 翻译 ,C. 多肽链 , D. 分子设计 ,E. 预期功能 。 (4)结果:改造了现有蛋白质或制造一种 新的蛋白质 。 (5)应用:主要集中应用于对 现有蛋白质 进行改造,改良生物性状。,-39-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,(1)将人的干扰素基因重组到质粒中后,将重组质粒导入大肠杆菌,可获得能产生人干扰素的菌株。( ) (2)利用乳腺生物反应器能够获得一些重要的医药产品,如人
23、的血清白蛋白,这是因为将人的血清白蛋白基因导入了动物的乳腺细胞中。( ) (3)由大肠杆菌工程菌获得人的干扰素后可直接使用。( ) (4)蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质。( ) (5)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。( ),-40-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,对天然蛋白质进行改造,你认为应该直接对蛋白质分子进行操作,还是通过对基因的操作来实现呢?原因是什么? 提示:通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造。原因是任何一种蛋白质都是由基因编码的,改造了基因即对蛋白质进行了改造,而且改造过的基因可以遗传下去。如果对蛋白质直接进行改造
24、,即使改造成功了,被改造过的蛋白质分子还是无法遗传。,-41-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,考向1 基因工程的应用 1.(2018全国卷)某种荧光蛋白(GFP)在紫外光或蓝光激发下会发出绿色荧光,这一特性可用于检测细胞中目的基因的表达,某科研团队将某种病毒的外壳蛋白(L1)基因连接在GFP基因的5末端,获得了L1 - GFP融合基因(简称为甲),并将其插入质粒P0,构建了真核表达载体P1,其部分结构和酶切位点的示意图如下,图中E1E4四种限制酶产生的黏性末端各不相同。,-42-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,回答下列问题。 (1)据图推断,该团队在将甲插入质粒P0时,使用
25、了两种限制酶,这两种酶是 ,使用这两种酶进行酶切是为了保证 ,也是为了保证 。 (2)将P1转入体外培养的牛皮肤细胞后,若在该细胞中观察到了绿色荧光,则说明L1基因在牛的皮肤细胞中完成了 和 过程。 (3)为了获得含有甲的牛,该团队需要做的工作包括:将能够产生绿色荧光细胞的 移入牛的 中,体外培养、胚胎移植等。 (4)为了检测甲是否存在于克隆牛的不同组织细胞中,某同学用PCR方法进行鉴定,在鉴定时应分别以该牛不同组织细胞中的 (填“mRNA”“总RNA”或“核DNA”)作为PCR模板。,-43-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,答案:(1)E1和E4 甲的完整 甲与载体正确连接 (2)
26、转录 翻译 (3)细胞核 去核卵母细胞 (4)核DNA,-44-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,解析:(1)由题意可知,E1E4四种限制酶产生的黏性末端各不相同,将甲(L1-GFP)插入质粒时,使用E1和E4两种限制酶进行酶切,既保证了甲的完整,又防止了甲的自身环化,保证了甲与载体的正确连接。(2)将P1转入体外培养的牛皮肤细胞后,若在该细胞中观察到了绿色荧光,则说明该细胞中合成了荧光蛋白,即L1基因在牛皮肤细胞中完成了遗传信息的转录和翻译。(3)为了获得含有甲的牛,可通过体细胞核移植技术、体外培养和胚胎移植来实现。(4)克隆牛的不同组织细胞中的基因选择性表达,转录出的mRNA不同,
27、总RNA也不同,但不同组织细胞中的核DNA相同,因此检测甲是否存在于克隆牛的不同组织细胞中,用PCR方法进行鉴定时,应以核DNA作为模板。,-45-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,考向2 蛋白质工程的概念和操作过程 2.(2015全国卷)已知生物体内有一种蛋白质(P),该蛋白质是一种转运蛋白,由305个氨基酸组成。如果将P分子中158位的丝氨酸变成亮氨酸,240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸,改变后的蛋白质(P1)不但保留P的功能,而且具有了酶的催化活性。回答下列问题。 (1)从上述资料可知,若要改变蛋白质的功能,可以考虑对蛋白质的 进行改造。 (2)以P基因序列为基础,获得P1基因的途径
28、有修饰 基因或合成 基因。所获得的基因表达时是遵循中心法则的,中心法则的全部内容包括 的复制,以及遗传信息在不同分子之间的流动,即 。,-46-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,(3)蛋白质工程也被称为第二代基因工程,其基本途径是从预期蛋白质功能出发,通过 和 ,进而确定相对应的脱氧核苷酸序列,据此获得基因,再经表达、纯化获得蛋白质,之后还需要对蛋白质的生物 进行鉴定。,答案:(1)氨基酸序列(或结构)(其他合理答案也可) (2)P P1 DNA和RNA(或遗传物质) DNARNA、RNADNA、RNA蛋白质(或转录、逆转录、翻译) (3)设计蛋白质的结构 推测氨基酸序列 功能,-47
29、-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,解析:(1)由题干信息可知,改造蛋白质的功能可通过改变蛋白质的结构实现。(2)依据蛋白质工程的定义及题中信息可知,获得P1基因的途径有修饰现有(P)基因或合成新(P1)基因。中心法则的全部内容包括DNA的复制、RNA的复制、转录、逆转录和翻译。(3)蛋白质工程的基本途径: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应的脱氧核苷酸序列。通过蛋白质工程合成的蛋白质还需要进行生物活性的鉴定,即功能鉴定,看是否达到人们的需求。,-48-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,1.乳腺生物反应器与基因治疗的易错点分析 (1)乳腺生物反
30、应器受生物性别(只能是雌性)和年龄(哺乳期)的限制。 (2)基因治疗并非把健康的外源基因导入患者的所有细胞中,而只是导入具有某些功能的体细胞中。,-49-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,2.蛋白质工程与基因工程的比较,-50-,核心梳理,提能探究,考向感悟,归纳总结,-51-,通关记,通关辨,通关练,1.限制酶具有特异性,即一种限制酶只能识别特定的碱基序列,并在特定的位点上进行切割。 2.DNA连接酶的作用是将限制酶切下来的DNA片段拼接成新的DNA分子。 3.质粒是常用的载体,它是一种小型的环状DNA分子,具有一个至多个限制酶切割位点及标记基因。 4.目的基因的获取方法有从基因文库
31、中获取、利用PCR技术扩增和人工合成等。 5.基因表达载体包括目的基因、启动子、终止子和标记基因等。 6.目的基因导入植物细胞常用农杆菌转化法;导入动物细胞常用显微注射法;导入微生物细胞常用感受态细胞法。,-52-,通关记,通关辨,通关练,1.基因工程中的工具 (1)限制酶是一类酶,而不是一种酶。 (2)限制酶的本质为蛋白质,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)将一个基因从DNA分子上切割下来,需要切割两处,同时产生四个黏性末端。 (4)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。
32、(5)限制酶切割质粒时,切割位点应位于标记基因之外,不能破坏标记基因,以便进行检测。 (6)基因工程中的载体与细胞膜上物质运输的载体不同。基因工程中的载体主要是DNA分子,能将目的基因导入受体细胞内;膜载体是蛋白质,与细胞膜的通透性有关。,-53-,通关记,通关辨,通关练,(7)基因工程中有三种工具,但工具酶只有两种。 2.基因工程的操作过程 (1)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启动子与终止子之间的部位。 (2)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基因组中。 (3)标记基因的作用筛选、检测目的基因是否导
33、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。,-54-,通关记,通关辨,通关练,(4)基因工程不会导致受体细胞或生物产生“新基因”或“新蛋白质”。基因工程的实质是“基因重组”,它是将外源基因导入受体细胞,使该基因在受体细胞中表达。由于“外源基因”是自然界已存在的“现成”基因,故基因工程并未产生新基因,因此目的基因表达时也未产生新蛋白质。基因工程只是让受体细胞(或生物)“实现了外源基因的表达”。 3.基因治疗与蛋白质工程 (1)基因治疗后,缺陷基因没有改变。基因治疗是把正常基因导入受体细胞中,以表达正常产物,从而治疗疾病,对原来细胞中存在缺陷的基因没有进行清除或改变
34、。 (2)对蛋白质分子进行改造,其本质是改变其基因组成。如果对蛋白质直接进行改造,即使改造成功,被改造的蛋白质分子还是无法遗传。,-55-,通关记,通关辨,通关练,1.(2017全国卷)真核生物基因中通常有内含子,而原核生物基因中没有,原核生物没有真核生物所具有的切除内含子对应的RNA序列的机制。已知在人体中基因A(有内含子)可以表达出某种特定蛋白(简称蛋白A)。回答下列问题。 (1)某同学从人的基因组文库中获得了基因A,以大肠杆菌作为受体细胞却未得到蛋白A,其原因是 。 (2)若用家蚕作为表达基因A的受体,在噬菌体和昆虫病毒两种载体中,不选用 作为载体,其原因是 。 (3)若要高效地获得蛋白
35、A,可选用大肠杆菌作为受体。因为与家蚕相比,大肠杆菌具有 (答出两点即可)等优点。 (4)若要检测基因A是否翻译出蛋白A,可用的检测物质是 (填“蛋白A的基因”或“蛋白A的抗体”)。,-56-,通关记,通关辨,通关练,(5)艾弗里等人的肺炎双球菌转化实验为证明DNA是遗传物质做出了重要贡献,也可以说是基因工程的先导,如果说他们的工作为基因工程理论的建立提供了启示,那么,这一启示是 。,答案:(1)基因A有内含子,在大肠杆菌中,其初始转录产物中与内含子对应的RNA序列不能被切除,无法表达出蛋白A (2)噬菌体 噬菌体的宿主是细菌,而不是家蚕细胞 (3)繁殖快、容易培养 (4)蛋白A的抗体 (5)
36、DNA可以从一种生物个体转移到另一种生物个体,-57-,通关记,通关辨,通关练,解析:(1)人的基因A含有内含子,其转录出的RNA需切除内含子对应的RNA序列后才能翻译出蛋白A,大肠杆菌是原核生物,其没有切除内含子对应的RNA序列的机制,故将人的基因A导入大肠杆菌无法表达出蛋白A。(2)噬菌体是一种专门寄生在细菌体内的病毒,无法寄生在家蚕细胞中。(3)大肠杆菌繁殖快、容易培养,常用作基因工程的受体。(4)在分子水平检测目的基因是否表达应用抗原抗体杂交法,即用蛋白A与蛋白A的抗体进行杂交。(5)艾弗里的肺炎双球菌转化实验的原理是基因重组,通过重组使得S型细菌的DNA在R型细菌中表达,这种思路为基
37、因工程理论的建立提供了启示。,-58-,通关记,通关辨,通关练,2.(2018全国卷)回答下列问题。 (1)博耶(H.Boyer)和科恩(S.Cohen)将非洲爪蟾核糖体蛋白基因与质粒重组后导入大肠杆菌细胞中进行了表达。该研究除证明了质粒可以作为载体外,还证明了 (答出两点即可)。 (2)体外重组的质粒可通过Ca2+参与的 方法导入大肠杆菌细胞;而体外重组的噬菌体DNA通常需与 组装成完整噬菌体后,才能通过侵染的方法将重组的噬菌体DNA导入宿主细胞。在细菌、心肌细胞、叶肉细胞中,可作为重组噬菌体宿主细胞的是 。 (3)真核生物基因(目的基因)在大肠杆菌细胞内表达时,表达出的蛋白质可能会被降解。
38、为防止蛋白质被降解,在实验中应选用 的大肠杆菌作为受体细胞。在蛋白质纯化的过程中应添加 的抑制剂。,-59-,通关记,通关辨,通关练,答案:(1)体外重组的质粒可以进入受体细胞;真核生物基因可在原核细胞中表达 (2)转化 外壳蛋白(或噬菌体蛋白) 细菌 (3)蛋白酶缺陷型 蛋白酶,-60-,通关记,通关辨,通关练,解析:(1)该实例可以说明很多问题,比如体外重组的质粒可以进入受体细胞,真核细胞的基因也可以在原核细胞中表达,真核生物和原核生物共用同一套密码子,质粒的化学本质是DNA等。(2)目的基因导入细菌时,可以用Ca2+处理细菌,从而使目的基因进入受体细胞。噬菌体由DNA和蛋白质外壳组成,噬
39、菌体属于细菌病毒,即其宿主细胞为细菌,所以需要将重组噬菌体导入细菌中。(3)为了防止目的基因所表达的蛋白质被细菌内的蛋白酶所降解,所以要选择蛋白酶缺陷型大肠杆菌,即不能产生蛋白酶的大肠杆菌作为受体细胞。同时,在纯化蛋白质的过程中可以加入蛋白酶抑制剂,以降低蛋白酶的活性。,-61-,通关记,通关辨,通关练,3.(2017江苏卷)金属硫蛋白(MT)是一类广泛存在的金属结合蛋白,某研究小组计划通过多聚酶链式反应(PCR)扩增获得目的基因,构建转基因工程菌,用于重金属废水的净化处理。PCR扩增过程示意图如下,请回答下列问题。,-62-,通关记,通关辨,通关练,(1)从高表达MT蛋白的生物组织中提取mR
40、NA,通过 获得 用于PCR扩增。 (2)设计一对与MT基因两端序列互补配对的引物(引物1和引物2),为方便构建重组质粒,在引物中需要增加适当的 位点。设计引物时需要避免引物之间形成 ,而造成引物自连。 (3)图中步骤1代表 ,步骤2代表复性,步骤3代表延伸,这三个步骤组成一轮循环。 (4)PCR扩增时,复性温度的设定是成败的关键。复性温度过高会破坏 的碱基配对。复性温度的设定与引物长度、碱基组成有关,长度相同但 的引物需要设定更高的复性温度。 (5)如果PCR反应得不到任何扩增产物,则可以采取的改进措施有 (填序号:升高复性温度 降低复性温度 重新设计引物)。,-63-,通关记,通关辨,通关
41、练,答案:(1)逆转录 cDNA (2)限制性核酸内切酶酶切 碱基互补配对 (3)变性 (4)引物与模板 GC含量高 (5),-64-,通关记,通关辨,通关练,解析:(1)根据mRNA获取目的基因的方法是先通过逆转录获得cDNA,然后通过PCR扩增。(2)构建重组质粒时,要用限制性核酸内切酶对质粒和含目的基因的DNA进行酶切,所以为方便构建重组质粒,在引物中需要增加适当的限制性核酸内切酶酶切位点。设计引物时需要避免引物的碱基互补配对,防止引物之间自连。(3)PCR包括三个步骤:变性、复性和延伸。图中步骤1代表变性。(4)复性是引物和模板结合的过程,复性温度过高会破坏引物与模板的碱基配对。复性温度一般比Tm值(把DNA双螺旋结构降解一半时的温度)低5 。DNA分子中GC含量越高,Tm值越高。(5)如果PCR反应得不到任何扩增产物,可能是复性温度太高,破坏了引物与模板的碱基配对,也可能是引物设计错误,改进措施是降低复性温度和重新设计引物。,
