1、第2节 基因工程及其应用,一、基因工程的原理,DNA重组技术,基因,分子,限制性核酸内切酶（简称限制酶）,核苷酸,特定的切点上,DNA连接酶,连接脱氧核糖与磷酸,质粒,噬菌体,将外源基因运入受体细胞,3.基因工程的步骤：,目的基因,运载体,受体细胞,检测与鉴定,二、基因工程的应用及安全性 1.基因工程的应用： (1)作物育种： 过程：利用基因工程的方法，获得_、_和 具有_的农作物，培育各种_作物新品 种。 实例：抗棉铃虫的转基因抗虫棉。,高产,稳产,优良品质,抗逆性,(2)药物研制： 过程：利用基因工程的方法_地生产出各种 _、_的药品。 实例：胰岛素、干扰素、乙肝疫苗等。 (3)环境保护：
2、 利用转基因细菌_，吸收环境中 的_，分解_，处理_等。,高效率,高质量,低成本,降解有毒有害的化合物,重金属,泄漏的石油,工业废水,2.转基因生物和转基因食品的安全性：,严格控制,大范围推广,【易错辨析】 1.基因工程能够定向地改造生物的性状。 ( ) 2.基因工程导入了新的基因，其原理是基因突变。( ) 分析：基因工程导入的基因是自然界原来就存在的基 因，原理是基因重组。,3.一种限制酶可以识别多种核苷酸序列。 ( ) 分析：一种限制酶只能识别特定的核苷酸序列。,4.含有目的基因的运载体是否进入受体细胞需要检测。 ( ) 5.基因工程中的运载体只有质粒。 ( ) 分析：基因工程中常见的运载
3、体有质粒、噬菌体和动 植物病毒。,6.转基因生物和转基因食品都是不安全的。 ( ) 分析：对于转基因生物和转基因食品的安全性问题不 能片面地一概而论。,【科技生活】 溶酶体酸性脂肪酶缺乏症是一种罕见疾病，美国食品药品监督管理局正式批准了一种用于该病治疗的新药和生产该药物的转基因母鸡。生产药物所用的母鸡被转入了表达溶酶体酸性脂肪酶的基因，可以在鸡蛋蛋白中提取得到这种酶。获得转基因母鸡过程中转基因操作的原理是什么？ 提示：基因重组。,知识点一 基因工程的基本工具 1.基因的“剪刀”限制性核酸内切酶(简称限制酶)。 (1)存在：主要存在于微生物中。 (2)作用：断裂两个核苷酸之间的磷酸二酯键。,(3
4、)特点：具有特异性，即一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的位点切割DNA分子。 (4)作用结果：产生黏性末端。,2.基因的“针线”DNA连接酶： (1)催化对象：两个具有相同末端的DNA片段。 (2)催化位置：脱氧核糖与磷酸之间的缺口。 (3)催化结果：形成重组DNA。 (4)限制酶与DNA连接酶的关系：,(5)DNA连接酶与DNA聚合酶的比较：,3.运载体： (1)质粒。 存在：许多细菌及酵母菌等生物细胞中。 本质：拟核或细胞核外的环状DNA分子。 特点：能够自主复制。,(2)运载体应具备的条件。 能在宿主细胞内稳定保存并大量复制保证目的基因能在细胞分裂过程中复制并传递给子细胞
5、。 有多个限制酶切点运载体能够接入多种目的基因所必备的条件。 有标记基因检测目的基因是否导入受体细胞中的重要判断依据。,【易错提醒】 基因工程工具的两个误区 (1)区分工具酶与工具。 基因工程的工具酶有两种限制酶和DNA连接酶；而工具有三种，除上述两种工具酶外还包括运载体。,(2)区分与DNA有关的酶。 参与基因工程的酶有限制酶和DNA连接酶； 参与DNA复制的酶有DNA解旋酶、DNA聚合酶和DNA连接酶； 参与DNA水解的酶是DNA酶。,【典题通关】 1.(2017株洲高一检测)下列有关基因工程和酶的相关叙述，正确的是( ) A.同种限制酶既可以切割目的基因又可以切割质粒，因此不具备专一性
6、B.运载体的化学本质与载体蛋白相同 C.限制酶不能切割烟草花叶病毒的核酸 D.DNA连接酶可催化游离的脱氧核苷酸连接成脱氧核苷酸链,【解析】选C。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，具备专一性，A错误；运载体的化学本质是DNA，与载体蛋白不同，B错误；限制酶能切割DNA，不能切割烟草花叶病毒的核酸RNA，C正确；DNA连接酶可催化不同的DNA片段连接，不能催化游离的脱氧核苷酸连接成脱氧核苷酸链，D错误。,2.(2017延安高一检测)下图为DNA分子的某一片段，其中、分别表示某种酶的作用部位，则相应的酶依次是 ( ) A.解旋酶、限制酶、DNA聚合酶 B. D
7、NA酶、解旋酶、DNA连接酶 C.解旋酶、限制酶、DNA连接酶 D.限制酶、DNA连接酶、解旋酶,【解析】选C。图中部位表示氢键，破坏的酶是解旋酶；限制酶能够识别双链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裂，所以是限制酶作用部位；DNA连接酶使两个DNA片段之间形成磷酸二酯键，所以作用于部位的酶是DNA连接酶。,【方法规律】根据作用部位判断与DNA分子有关的酶 (1)断开氢键的酶：解旋酶。 (2)断开(相邻核苷酸之间的)磷酸二酯键的酶：若生成若干DNA片段，可判定为限制酶；若生成其基本组成单位核苷酸，可判定为DNA水解酶。 (3)生成(相邻核苷酸
8、之间的)磷酸二酯键的酶：若将两个DNA片段连接在一起，可判定为DNA连接酶；若作用于DNA复制的过程中，或将游离的脱氧核苷酸连接到脱氧核苷酸链上，可判定为DNA聚合酶。,【补偿训练】 除下列哪一项外，都属于基因工程的运载体必须具备的条件( ) A.能在宿主细胞中复制并保存 B.具有多个限制酶切割位点，以便与外源基因连接 C.具有标记基因，便于进行筛选 D.是环状形态的DNA分子,【解析】选D。作为基因工程的运载体，要能在宿主细胞中复制并保存，A不符合题意；要具有多个限制酶切割位点，以便与外源基因连接，B不符合题意；要具有标记基因，便于进行筛选，C不符合题意；基因工程的运载体不一定是环状形态的D
9、NA分子，D符合题意。,知识点二 基因工程的操作步骤 1.操作图示：,2.步骤分析： (1)提取目的基因：如图中a过程，通过一定的方法获取目的基因，并用限制酶处理。,(2)目的基因与运载体结合(核心步骤)：图中b表示的是目的基因与运载体的结合。 限制酶：图中EcoR这种限制酶所识别的序列是GAATTC，切点位于G与A之间；从图中能够看出，提取目的基因B和切开质粒A所用的是同一种限制酶。 DNA连接酶：此酶用于质粒A与目的基因B的结合过程，形成重组DNA分子C。 运载体：常选质粒，用以运载目的基因。,(3)将目的基因导入受体细胞：图中c过程表示将目的基因导入受体细胞中，此过程不存在碱基互补配对；
10、有可能将目的基因导入受体细胞的染色体DNA上，目的基因将在受体细胞中复制和表达。 (4)目的基因的检测与鉴定： 检测：根据标记基因或DNA分子杂交技术检测目的基因是否导入受体细胞。 鉴定：受体细胞是否表现出特定性状，如棉花抗虫性状的表现。,【易错提醒】 基因工程操作中应注意的三个问题 (1)四个步骤中只有第三步将目的基因导入受体细胞不存在碱基互补配对。 (2)目的基因必须与运载体结合后才能导入受体细胞，才能稳定地保存，并进行复制。 (3)培育转基因动物，受体细胞一般选用受精卵。,【教材易漏知识】 1.大肠杆菌与酵母菌的比较P103图6-5,1条,否,链状,有,2.乳腺生物反应器P104图6-9
11、 利用基因工程技术可以使哺乳动物本身变成批量生产 药物的工厂乳腺生物反应器，过程是将药用蛋白 基因导入哺乳动物的_(填“受精卵”“体细 胞”或“胚胎干细胞”)中，培育成转基因动物，进入 泌乳期后，可以从分泌的乳汁中提取所需药品。该转 基因动物的性别应该是_(填“雄性”或“雌 性”)。,受精卵,雌性,【典题通关】 【典例】(2017长沙高一检测)基因工程是在现代生物学、化学和工程学基础上建立和发展起来的，并依赖于微生物学理论和技术的发展运用，基因工程基本操作流程如图所示。请据图分析回答：,(1)图中A是_，最常用的是_，在基因工程中，需要在_酶的作用下才能完成剪接过程。 (2)在上述基因工程的操
12、作过程中，可以遵循碱基互补配对原则的步骤有_(用图示中序号表示)。,(3)不同种生物之间的基因移植成功说明了生物共用一套_。 (4)研究中发现，番茄体内的蛋白酶抑制剂对害虫的消化酶有抑制作用，导致害虫无法消化食物而被杀死，人们成功地将番茄的蛋白酶抑制剂基因导入玉米体内，玉米获得了与番茄相似的抗虫性状，玉米这种变异的来源是_。,【解题探究】 (1)识图：图中步骤分别是：_ _、_。 (2)“剪接过程”包括剪切和拼接两个步骤，前者需 用_，后者需用_。 (3)可遗传变异的来源有三种，分别是_、 _、_。,目的基因与运载体,结合,目的基因的检测与鉴定,限制酶,DNA连接酶,基因突变,基因重组,染色体
13、变异,【解析】(1)图中A是运载体，常用的是质粒；图中“剪接”过程需要限制性核酸内切酶切割含有目的基因的外源DNA分子和运载体，还需要DNA连接酶将目的基因和运载体连接起来。 (2)图中为目的基因的获取、为目的基因与运载体的结合、为将目的基因导入受体细胞、为目的基因的检测与鉴定，其中不需要遵循碱基互补配对原则。,(3)自然界所有生物共用一套遗传密码，因此目的基因在不同的生物细胞中能正确表达。 (4)玉米通过基因工程获得抗虫性状，基因工程的原理是基因重组，因此玉米这种变异的来源属于基因重组。,答案：(1)运载体 质粒 限制性核酸内切酶和DNA连接 (2) (3)遗传密码 (4)基因重组,【互动探
14、究】 (1)利用基因工程技术可以培育抗虫玉米，相比诱变育种和杂交育种，具有什么优点？ 提示：定向改造生物性状。,(2)若将番茄的蛋白酶抑制剂基因导入叶绿体DNA中，将来产生的配子中一定含有该基因吗？为什么？ 提示：不一定。叶绿体中基因的遗传属于细胞质遗传，因此把蛋白酶抑制剂基因导入叶绿体DNA中，将来产生的配子中不一定含有该基因。,【方法规律】“一、二、三、四”巧记基因工程 一个原理：基因重组。 二个基础：拼接基础是目的基因与运载体都是DNA分子；异体表达的基础是生物共用一套遗传密码。 三个工具：限制酶、DNA连接酶、运载体。 四个步骤：提取目的基因、目的基因与运载体结合、将目的基因导入受体细
15、胞、目的基因的检测与鉴定。,【过关训练】 1.(2017宿迁高一检测)下列对基因工程的叙述，正确的是( ) A.基因工程必须使用的工具酶是限制酶、DNA连接酶和RNA聚合酶 B.基因工程的核心步骤是将目的基因导入受体细胞 C.运载体上的标记基因可用于检测目的基因是否导入受体细胞 D.目的基因是否表达可通过DNA分子杂交技术来检测,【解析】选C。基因工程必须使用的工具酶是限制酶、DNA连接酶，故A错误；基因工程的核心步骤是基因表达载体的构建，故B错误；运载体上的标记基因可用于检测目的基因是否导入受体细胞，故C正确；目的基因是否表达可通过抗原-抗体杂交技术来检测，故D错误。,2.下列关于基因工程的叙述，错误的是( ) A.目的基因和受体细胞均可来自动植物或微生物 B.限制性核酸内切酶和DNA连接酶是两类常用的工具酶 C.人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性 D.运载体上的抗性基因有利于筛选含重组DNA的细胞和促进目的基因的表达,【解析】选D。基因工程中目的基因和受体细胞均可来自动植物或微生物；常用的工具酶是限制性核酸内切酶和DNA连接酶；人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性，只有经过一定的物质激活以后，才有生物活性；运载体上的抗性基因主要是有利于筛选含重组DNA的细胞，不能促进目的基因的表达，所以D错误。,
