選修三知識(shí)點(diǎn)(基因工程)-教師版

1、專題1 基因工程基因工程的概念基因工程是指按照人們的愿望，進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，通過(guò)體外DNA重組和轉(zhuǎn)基因技術(shù)，賦予生物以新的遺傳特性，創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產(chǎn)品。基因工程是在DNA分子水平上進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工的，又叫做DNA重組技術(shù)。（一）基因工程的基本工具1.“分子手術(shù)刀”限制性核酸內(nèi)切酶（限制酶）（1）來(lái)源：主要是從原核生物中分離純化出來(lái)的。（2）功能：能夠識(shí)別雙鏈DNA分子的某種特定的核苷酸序列，并且使每一條鏈中特定部位的兩個(gè)核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷開(kāi)，因此具有專一性。（3）結(jié)果：經(jīng)限制酶切割產(chǎn)生的DNA片段末端通常有兩種形式：黏性末端和平末端。2.“分子縫合針”DNA連接酶(

2、1)兩種DNA連接酶（EcoliDNA連接酶和T4-DNA連接酶）的比較：相同點(diǎn)：都縫合磷酸二酯鍵。區(qū)別：EcoliDNA連接酶來(lái)源于大腸桿菌，只能將雙鏈DNA片段互補(bǔ)的黏性末端之間的磷酸二酯鍵連接起來(lái)；而T4DNA連接酶來(lái)源于T4DNA，能縫合兩種末端，但連接平末端的之間的效率較低。(2)與DNA聚合酶作用的異同:DNA聚合酶只能將單個(gè)核苷酸加到已有的核苷酸片段的末端，形成磷酸二酯鍵。DNA連接酶是連接兩個(gè)DNA片段的末端，形成磷酸二酯鍵。3.“分子運(yùn)輸車”載體（1）載體具備的條件：能在受體細(xì)胞中復(fù)制并穩(wěn)定保存。具有一至多個(gè)限制酶切點(diǎn)，供外源DNA片段插入。具有標(biāo)記基因，供重組DNA的鑒定和

3、選擇。 = 4 * GB3 對(duì)宿主細(xì)胞無(wú)害（2）最常用的載體是質(zhì)粒,它是一種裸露的、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的、獨(dú)立于細(xì)菌擬核DNA之外，并具有自我復(fù)制能力的雙鏈環(huán)狀DNA分子。（3）其它載體： 噬菌體的衍生物、動(dòng)植物病毒(二)基因工程的基本操作程序抗蟲(chóng)棉的培育過(guò)程基因工程技術(shù)生產(chǎn)凝乳酶的過(guò)程第一步：目的基因的獲取1.目的基因是指： 編碼蛋白質(zhì)的基因 。2.從基因文庫(kù)獲取目的基因（1）將含有某種生物不同基因的許多DNA片段，導(dǎo)入受體菌群體中儲(chǔ)存，各個(gè)受體菌分別含有這種生物的不同基因，稱為基因文庫(kù)。（2）如果基因文庫(kù)包含了一種生物所有的基因，這種基因文庫(kù)稱為基因組文庫(kù)。（3） 如果基因文庫(kù)只包含了一種生物的一部

4、分基因，這種基因文庫(kù)稱為部分基因文庫(kù)，如cDNA文庫(kù)。（4）建立基因文庫(kù)，便于隨時(shí)獲取目的基因.3.PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因（1）PCR是多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的縮寫。（2）PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因的前提是，要有一段已知的目的基因的核苷酸序列，以便根據(jù)這一序列合成引物。（3）原理：DNA雙鏈復(fù)制（4）過(guò)程：第一步：加熱至9095DNA解鏈；第二步：冷卻到5560，引物結(jié)合到互補(bǔ)DNA鏈；第三步：加熱至7075，熱穩(wěn)定DNA聚合酶從引物起始互補(bǔ)鏈的合成。4.如果基因比較小，核苷酸序列又已知，也可以通過(guò)DNA合成儀用化學(xué)方法直接人工合成。5.PCR擴(kuò)增技術(shù)與DNA復(fù)制的比較 PCR技術(shù)DNA復(fù)制相同點(diǎn)原理DN

5、A復(fù)制(堿基互補(bǔ)配對(duì))原料四種游離的脫氧核苷酸條方式件模板、ATP、酶、原料、引物不同點(diǎn)解旋DNA在高溫下變性解旋解旋酶催化場(chǎng)所體外復(fù)制(PCR擴(kuò)增儀)主要在細(xì)胞核內(nèi)酶熱穩(wěn)定的DNA聚合酶(Taq酶)細(xì)胞內(nèi)含有的DNA聚合酶結(jié)果在短時(shí)間內(nèi)形成大量的DNA片段形成整個(gè)DNA分子第二步：基因表達(dá)載體的構(gòu)建基因工程的核心1.目的：使目的基因在受體細(xì)胞中穩(wěn)定存在，并且可以遺傳至下一代，使目的基因能夠表達(dá)和發(fā)揮作用。2.組成：目的基因啟動(dòng)子終止子標(biāo)記基因（1）啟動(dòng)子：是一段有特殊結(jié)構(gòu)的DNA片段，位于基因的首端，是RNA聚合酶識(shí)別和結(jié)合的部位，能驅(qū)動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄出mRNA，最終獲得所需的蛋白質(zhì)。（2）終止子

6、：也是一段有特殊結(jié)構(gòu)的DNA片段 ，位于基因的尾端。（3）標(biāo)記基因的作用：是為了鑒定受體細(xì)胞中是否含有目的基因，從而將含有目的基因的細(xì)胞篩選出來(lái)。常用的標(biāo)記基因是抗性基因。第三步：將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞_1.轉(zhuǎn)化的概念：是目的基因進(jìn)入受體細(xì)胞內(nèi)，并且在受體細(xì)胞內(nèi)維持穩(wěn)定和表達(dá)的過(guò)程。2.常用的轉(zhuǎn)化方法：（1）將目的基因?qū)胫参锛?xì)胞：采用最多的方法是 農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法，其次還有 基因槍法和 花粉管通道法等。農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法適用于雙子葉植物和裸子植物，而對(duì)大多數(shù)單子葉植物沒(méi)有感染能力。農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法利用的是農(nóng)桿菌能將Ti質(zhì)粒上的TDNA轉(zhuǎn)移到受體細(xì)胞，并且整合到受體細(xì)胞染色體的DNA上的特點(diǎn)（2）將目的基因

7、導(dǎo)入動(dòng)物細(xì)胞：最常用的方法是 顯微注射技術(shù)。此方法的受體細(xì)胞多是 受精卵。（3）將目的基因?qū)胛⑸锛?xì)胞：原核生物作為受體細(xì)胞的原因是 繁殖快、多為單細(xì)胞、遺傳物質(zhì)相對(duì)較少 ，最常用的原核細(xì)胞是 大腸桿菌 ，其轉(zhuǎn)化方法是：先用 Ca2+ 處理細(xì)胞，使其成為 感受態(tài)細(xì)胞 ，再將 重組表達(dá)載體DNA分子 溶于緩沖液中與感受態(tài)細(xì)胞混合，在一定的溫度下促進(jìn)感受態(tài)細(xì)胞吸收DNA分子，完成轉(zhuǎn)化過(guò)程。3.重組細(xì)胞導(dǎo)入受體細(xì)胞后，篩選含有基因表達(dá)載體受體細(xì)胞的依據(jù)是標(biāo)記基因是否表達(dá)。第四步：目的基因的檢測(cè)和表達(dá)1.首先要檢測(cè) 轉(zhuǎn)基因生物的染色體DNA上是否插入了目的基因，方法是采用 DNA分子雜交技術(shù)，工具是

8、DNA探針。2.其次還要檢測(cè) 目的基因是否轉(zhuǎn)錄出了mRNA，方法是采用 用標(biāo)記的目的基因作探針與 mRNA雜交。3.最后檢測(cè) 目的基因是否翻譯成蛋白質(zhì)，方法是從轉(zhuǎn)基因生物中提取 蛋白質(zhì)，用相應(yīng)的 抗體進(jìn)行抗原抗體雜交。4.有時(shí)還需進(jìn)行 個(gè)體生物學(xué)水平的鑒定。如 轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)植物是否出現(xiàn)抗蟲(chóng)性狀。（三）基因工程的應(yīng)用1.植物基因工程：（1）抗蟲(chóng)、抗病、抗逆轉(zhuǎn)基因植物，（2）利用轉(zhuǎn)基因改良植物的品質(zhì)。2.動(dòng)物基因工程：（1）提高動(dòng)物生長(zhǎng)速度、（2）改善畜產(chǎn)品品質(zhì)、 （3）用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)藥物。轉(zhuǎn)基因動(dòng)物通過(guò)分泌乳汁來(lái)生產(chǎn)所需的的藥物，因而稱為乳腺生物反應(yīng)器或乳房生物反應(yīng)器。（4）用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物做器官移

9、植的供體3.基因治療：把正常的外源基因?qū)氩∪梭w內(nèi)，使該基因表達(dá)產(chǎn)物發(fā)揮作用?；蛑委煼譃轶w外基因治療和體內(nèi)基因治療。（四）蛋白質(zhì)工程的概念蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過(guò)基因修飾或基因合成，對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類的生產(chǎn)和生活的需求。（基因工程在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)）轉(zhuǎn)錄 翻譯 練習(xí)1.家蠶細(xì)胞具有高效表達(dá)外源基因的能力。將人干擾素基因?qū)爰倚Q細(xì)胞并大規(guī)模培養(yǎng)，可提取干擾素用于制藥。(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)基因操作前，需用_酶短時(shí)處理幼蠶組織，以便獲得單個(gè)細(xì)胞。(2)為使干擾素基因在家蠶細(xì)胞中高效表達(dá)，需要把來(lái)自cDNA文庫(kù)

10、的干擾素基因片段正確插入表達(dá)載體的_和_之間。(3)采用PCR技術(shù)可驗(yàn)證干擾素基因是否已經(jīng)導(dǎo)入家蠶細(xì)胞。該P(yáng)CR反應(yīng)體系的主要成分應(yīng)包含：擴(kuò)增緩沖液(含Mg2)、水、4種脫氧核糖核苷酸、模板DNA、_和_。(4)利用生物反應(yīng)器培養(yǎng)家蠶細(xì)胞時(shí)，貼壁生長(zhǎng)的細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生接觸抑制。通常將多孔的中空薄壁小玻璃珠放入反應(yīng)器中，這樣可以_，增加培養(yǎng)的細(xì)胞數(shù)量，也有利于空氣交換。答案：(1)胰蛋白(或膠原蛋白)(2)啟動(dòng)子終止子(3)對(duì)干擾素基因特異的DNA引物對(duì)Taq DNA聚合酶(4)擴(kuò)大細(xì)胞貼壁生長(zhǎng)的附著面積2請(qǐng)回答基因工程方面的有關(guān)問(wèn)題：(1)利用PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因，其原理與細(xì)胞內(nèi)DNA復(fù)制類似(如

11、下圖所示)。圖中引物為單鏈DNA片段，它是子鏈合成延伸的基礎(chǔ)。 從理論上推測(cè)，第四輪循環(huán)產(chǎn)物中含有引物A的DNA片段所占的比例為。在第輪循環(huán)產(chǎn)物中開(kāi)始出現(xiàn)兩條脫氧核苷酸鏈等長(zhǎng)的DNA片段。 (2)設(shè)計(jì)引物是PCR技術(shù)關(guān)的鍵步驟之一。某同學(xué)設(shè)計(jì)的兩組引物(只標(biāo)注了部分堿基序列)都不合理(如下圖)，請(qǐng)分別說(shuō)明理由。第1組： _；第2組： _。(3)PCR反應(yīng)體系中含有熱穩(wěn)定DNA聚合酶，下面的表達(dá)式不能正確反映DNA聚合酶的功能，這是因?yàn)開(kāi)。答案：(1)15/16三(2)引物和引物局部發(fā)生堿基互補(bǔ)配對(duì)而失效引物自身折疊后會(huì)出現(xiàn)局部堿基互補(bǔ)配對(duì)而失效(3)DNA聚合酶只能將單個(gè)脫氧核苷酸連續(xù)結(jié)合到雙

12、鏈DNA片段的引物鏈上3回答有關(guān)基因工程的問(wèn)題：(1)構(gòu)建基因工程表達(dá)載體時(shí)，用不同類型的限制酶切割DNA后，可能產(chǎn)生黏性末端，也可能產(chǎn)生_末端。若要在限制酶切割目的基因和質(zhì)粒后使其直接進(jìn)行連接，則應(yīng)選擇能使二者產(chǎn)生_(相同、不同)黏性末端的限制酶。(2)利用大腸桿菌生產(chǎn)人胰島素時(shí)，構(gòu)建的表達(dá)載體含有人胰島素基因及其啟動(dòng)子等，其中啟動(dòng)子的作用是_。在用表達(dá)載體轉(zhuǎn)化大腸桿菌時(shí)，常用_處理大腸桿菌，以利于表達(dá)載體進(jìn)入；為了檢測(cè)胰島素基因是否轉(zhuǎn)錄出了mRNA，可用標(biāo)記的胰島素基因片段作探針與mRNA雜交，該雜交技術(shù)稱為_(kāi)。為了檢測(cè)胰島素基因轉(zhuǎn)錄的mRNA是否翻譯成_，常用抗原抗體雜交技術(shù)。(3)如果

13、要將某目的基因通過(guò)農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法導(dǎo)入植物細(xì)胞，先要將目的基因插入農(nóng)桿菌T i質(zhì)粒的_中，然后用該農(nóng)桿菌感染植物細(xì)胞，通過(guò)DNA重組將目的基因插入植物細(xì)胞的_上。答案：(1)平口相同(2)RNA聚合酶識(shí)別和結(jié)合的位點(diǎn)，有了它才能驅(qū)動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄出mRNA，最終獲得所需要的蛋白質(zhì)CaCl2溶液(或Ca2)DNA分子雜交技術(shù)人胰島素(3)TDNA染色體的DNA4降鈣素是一種多肽類激素，臨床上用于治療骨質(zhì)疏松癥等。人的降鈣素活性很低，半衰期較短。某科研機(jī)構(gòu)為了研發(fā)一種活性高、半衰期長(zhǎng)的新型降鈣素，從預(yù)期新型降鈣素的功能出發(fā)，推測(cè)相應(yīng)的脫氧核苷酸序列，并人工合成了兩條72個(gè)堿基的DNA單鏈，兩條鏈通過(guò)18個(gè)堿

14、基對(duì)形成部分雙鏈DNA片段，再利用Klenow 酶補(bǔ)平，獲得雙鏈DNA，過(guò)程如圖。在此過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，合成較長(zhǎng)的核苷酸單鏈易產(chǎn)生缺失堿基的現(xiàn)象。分析回答下列問(wèn)題：(1)Klenow酶是一種酶，合成的雙鏈DNA有個(gè)堿基對(duì)。(2)獲得的雙鏈DNA經(jīng)EcoR(識(shí)別序列和切割位點(diǎn)GAATTC)和BamH(識(shí)別序列和切割位點(diǎn)GGATCC)雙酶切后插入到大腸桿菌質(zhì)粒中，篩選含重組質(zhì)粒的大腸桿菌并進(jìn)行DNA測(cè)序驗(yàn)證。大腸桿菌是理想的受體細(xì)胞，這是因?yàn)樗黖。設(shè)計(jì)EcoR和BamH雙酶切的目的是_。要進(jìn)行重組質(zhì)粒的鑒定和選擇，需要大腸桿菌質(zhì)粒中含有。(3)經(jīng)DNA測(cè)序表明，最初獲得的多個(gè)重組質(zhì)粒，均未發(fā)現(xiàn)完全正確的

15、基因序列，最可能的原因是。(4)上述制備該新型降鈣素運(yùn)用的現(xiàn)代生物工程技術(shù)是。答案：(1)DNA聚合126(2)繁殖快、單細(xì)胞、遺傳物質(zhì)相對(duì)較少保證目的基因和載體的定向連接(或防止目的基因和載體在酶切后產(chǎn)生的末端發(fā)生任意連接)標(biāo)記基因(3)合成的核苷酸單鏈仍較長(zhǎng)，產(chǎn)生缺失堿基的現(xiàn)象 (4)蛋白質(zhì)工程5應(yīng)用生物工程技術(shù)獲得人們需要的生物新品種或新產(chǎn)品，是生物科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的重要體現(xiàn)。請(qǐng)據(jù)圖回答下列問(wèn)題：(1)在培育轉(zhuǎn)基因牛的過(guò)程中，過(guò)程需要的工具酶是_，過(guò)程常用的方法是_。(2)轉(zhuǎn)基因?？赏ㄟ^(guò)分泌乳汁來(lái)生產(chǎn)人生長(zhǎng)激素，在基因表達(dá)載體中，人生長(zhǎng)激素基因的首端必須含有_，它是_識(shí)別和結(jié)合點(diǎn)部位

16、。過(guò)程培養(yǎng)到桑椹胚或囊胚階段，可以采用_技術(shù)，培育出多頭相同的轉(zhuǎn)基因牛犢。(3)PrG基因的產(chǎn)物能激發(fā)細(xì)胞不斷分裂，通過(guò)基因工程導(dǎo)入該調(diào)控基因來(lái)制備單克隆抗體，最可能是_細(xì)胞，代表的細(xì)胞具有_的特點(diǎn)。(4)在抗蟲(chóng)棉培育過(guò)程中，將目的基因?qū)朊藁ㄊ荏w細(xì)胞采用最多的方法是_法。過(guò)程中的受體細(xì)胞如果采用愈傷組織細(xì)胞，與采用葉肉細(xì)胞相比較，其優(yōu)點(diǎn)是_，過(guò)程采用的技術(shù)是_。答案：(1)限制性核酸內(nèi)切酶、DNA連接酶顯微注射法(2)啟動(dòng)子RNA聚合酶胚胎分割移植(3)漿既能無(wú)限增殖又能產(chǎn)生特定抗體(4)農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化全能性高植物組織培養(yǎng)6如圖是某種動(dòng)物蛋白質(zhì)工程的示意圖，請(qǐng)分析回答：(1)目前蛋白質(zhì)工程中難度最大的是圖中編號(hào)_所示的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)過(guò)程的依據(jù)