高中生物專題1基因工程3基因工程的應用學案新人教選修31025120

基因工程的應用一、植物基因工程的成果1.植物基因工程的應用領域:(1)提高農作物的抗逆能力。(2)改良農作物的品質。(3)利用植物生產藥物等。2.抗蟲轉基因植物:(1)方法:從某些生物中分離出具有殺蟲活性的基因,將其導入作物中。(2)目的基因:主要是Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制劑基因、淀粉酶抑制劑基因、植物凝集素基因等。(3)成果:轉基因抗蟲棉、轉基因抗蟲水稻等。(4)意義:減少化學農藥的使用,降低生產成本,減少環(huán)境污染,降低對人體健康的危害。3.抗病轉基因植物:(1)方法:將抗病基因導入植物中。(2)目的基因。①抗病毒基因:病毒外殼蛋白基因和病毒的復制酶基因。②抗真菌基因:幾丁質酶基因和抗毒素合成基因。(3)成果:抗煙草花葉病毒的轉基因煙草,抗病毒的轉基因小麥、甜椒、番茄等。(4)意義:能獲得用常規(guī)育種方法很難培育出的抗病毒新品種。4.抗逆轉基因植物:作物種類目的基因抗鹽堿、抗干旱作物調節(jié)細胞滲透壓基因耐寒作物魚的抗凍蛋白基因抗除草劑作物抗除草劑基因5.利用轉基因改良植物的品質:富含賴氨酸的轉基因玉米、轉基因延熟番茄、開變異花的轉基因矮牽牛。二、動物基因工程的應用應用基因來源或處理成果提高動物的生長速度外源生長激素基因轉基因綿羊、轉基因鯉魚改善畜產品的品質腸乳糖酶基因轉基因牛分泌的乳汁中,乳糖含量降低用轉基因動物生產藥物藥用蛋白基因+乳腺蛋白基因的啟動子乳腺生物反應器或乳房生物反應器用轉基因動物作器官移植的供體抑制抗原決定基因的表達或設法除去抗原決定基因結合克隆技術,培育出沒有免疫排斥反應的轉基因克隆豬器官三、基因工程藥物1.來源:轉基因工程菌。2.成果:細胞因子、抗體、疫苗、激素等。3.作用:預防和治療人類腫瘤、心血管疾病、傳染病、糖尿病、類風濕等疾病。四、基因治療1.概念:把正常基因導入病人體內,使該基因的表達產物發(fā)揮功能,從而達到治療疾病的目的。2.方法:(1)體外基因治療:從病人體內獲得某種細胞,進行培養(yǎng),在體外完成基因轉移,篩選出成功轉移的細胞擴增培養(yǎng),最后重新輸入患者體內。(2)體內基因治療:直接向人體組織細胞中轉移基因。3.成果:將腺苷酸脫氨酶基因轉入患者的淋巴細胞中,治療復合型免疫缺陷癥。4.現狀:(1)處于初期臨床試驗階段。(2)存在著技術、倫理道德、安全性等方面的諸多困難。1.目的基因只能來源于微生物。 (×)【分析】目的基因既可以來源于細菌等微生物,也可來源于高等的植物、動物等生物。2.利用乳腺生物反應器能夠獲得一些重要的醫(yī)藥產品,如人的血清白蛋白,這是因為將人的血清白蛋白基因導入了動物的乳腺細胞中。 (×)【分析】利用乳腺生物反應器能夠獲得一些重要的醫(yī)藥產品,是將目的基因導入動物的受精卵而不是乳腺細胞。3.來自蘇云金芽孢桿菌的Bt毒蛋白基因只能應用于棉花。 (×)【分析】Bt毒蛋白能殺死多種有害昆蟲,而對哺乳動物無害,因而廣泛用于多種轉基因植物,如棉花、水稻等。4.轉基因生物的目的基因來自不同的物種,可見,基因工程可以打破物種間的生殖隔離。 (√)5.由大腸桿菌工程菌獲得人的干擾素后可直接應用。 (×)【分析】大腸桿菌是原核生物,沒有內質網、高爾基體,無法對分泌蛋白進行加工修飾,合成的干擾素無生物活性,需要進一步加工,不能直接應用。一、基因工程的應用1.轉基因植物生產過程圖解(以抗蟲棉生產過程為例):2.轉基因動物生產過程圖解(以轉基因牛生產過程為例):3.轉基因微生物生產過程圖解(以可生產干擾素的酵母菌的培育過程為例):【易錯提醒】轉基因作物中的目的基因的兩點提醒(1)目的基因并非都來自微生物:目的基因都是來自其他生物的能表現出優(yōu)良性狀的外源基因,并不都是來自細菌、病毒等微生物,如抗凍蛋白基因來自魚類。(2)注意“抗蟲”和“抗病”的區(qū)別,二者可以分別通過害蟲接種和病毒接種來進行個體水平的檢測?！具x修對接必修】對接必修2:基因的表達(1)目的基因對性狀的控制:有的目的基因通過控制蛋白質的合成,直接控制生物的某種性狀,這反映了基因與性狀的直接關系;有的目的基因通過控制酶的合成來控制代謝,進而控制生物的性狀,這體現的是基因和性狀的間接關系。(2)生物的表現型=基因型+環(huán)境?；蚺c基因、基因與基因產物、基因與環(huán)境之間相互作用,精細地調控著生物體的性狀。為增加油菜種子的含油量,研究人員嘗試將從陸地棉基因庫中獲取的酶D基因與位于擬南芥葉綠體膜上的轉運肽基因相連,導入油菜細胞并獲得轉基因油菜品種。酶D基因、轉運肽基因所含三種限制酶(ClaⅠ、SacⅠ、XbaⅠ)的切點如圖甲所示。請回答下列問題。(1)用限制酶__________和__________酶處理兩個基因后,可得到A、D端相連的目的基因。

(2)將上述目的基因插入如圖乙所示質粒的__________中,構建__________,然后將其導入農桿菌中。

(3)利用__________法將目的基因導入油菜葉片中,并通過篩選獲得轉基因油菜細胞,通過__________技術可培育成轉基因油菜植株。

(4)用__________技術可檢測轉基因油菜的染色體DNA上是否插入了目的基因,用__________技術可檢測轉基因油菜植株中的目的基因是否翻譯成蛋白質。

【解題關鍵】(1)限制酶能夠識別雙鏈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核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷開。(2)同種限制酶切割能夠產生相同的黏性末端,便于質粒和目的基因連接?！窘馕觥?1)用限制酶ClaⅠ處理兩個基因后,可露出相同的黏性末端,再用DNA連接酶連接,可得到A、D端相連的目的基因。(2)因為土壤農桿菌Ti質粒的T-DNA能夠轉移并整合到植物細胞的染色體DNA上,故要將上述目的基因插入圖中Ti質粒的T-DNA中,構建基因表達載體即重組質粒,然后將其導入農桿菌中。(3)利用農桿菌轉化法將目的基因導入油菜葉片中,并通過篩選獲得轉基因油菜細胞,通過植物組織培養(yǎng)技術可培育成轉基因油菜植株。(4)用DNA分子雜交技術可檢測轉基因油菜的染色體DNA上是否插入了目的基因,用抗原-抗體雜交技術可檢測轉基因油菜植株中的目的基因是否翻譯成蛋白質。答案:(1)ClaⅠDNA連接(2)T-DNA基因表達載體(3)農桿菌轉化植物組織培養(yǎng)(4)DNA分子雜交抗原-抗體雜交【誤區(qū)警示】(1)忽略圖中關鍵信息:對圖示三種限制酶的識別序列與切割位點認識不清,進而無法判斷“剪切”產生的目的基因和載體的末端是否能夠“縫合”。(2)不清楚分子水平上的檢測方法:①檢測轉基因生物染色體的DNA是否插入目的基因——DNA分子雜交技術;②檢測目的基因是否轉錄出了mRNA——分子雜交技術;③檢測目的基因是否翻譯成蛋白質——抗原-抗體雜交技術。1.基因疫苗是指將編碼外源抗原的基因與質粒重組,構建出基因表達載體,導入人或動物細胞后利用宿主細胞的蛋白質合成系統合成外源抗原蛋白,并誘導機體產生對該抗原的免疫應答,以達到預防和治療疾病的目的?？梢?基因疫苗是一種 ()A.重組質粒 B.外源抗原的DNA片段C.外源抗原蛋白質 【解析】選A。從基因疫苗的制備過程可以看出,基因疫苗是目的基因與質粒重組后的結果,即重組質粒。2.“胰島素A、B鏈分別表達法”是生產胰島素的方法之一。圖1是該方法所用的基因表達載體,圖2表示利用大腸桿菌作為工程菌生產人胰島素的基本流程(融合蛋白A、B分別表示β-半乳糖苷酶與胰島素A、B鏈融合的蛋白)。請回答下列問題:(1)圖1基因表達載體中沒有標注出來的基本結構是_________________。

(2)圖1中啟動子是________酶識別和結合的部位,有了它才能啟動目的基因的表達;氨芐青霉素抗性基因的作用是_____________________________。

(3)溴化氰能切斷肽鏈中甲硫氨酸羧基端的肽鍵,用溴化氰處理相應的融合蛋白能獲得完整的A鏈或B鏈,且β-半乳糖苷酶被切成多個肽段,推測這是因為___________________________________________________________________________。

【解析】(1)根據題意和圖示分析可以知道:圖1基因表達載體中已包含目的基因、啟動子和標記基因,所以沒有標注出來的基本結構是終止子。(2)圖1中啟動子是RNA聚合酶識別和結合的部位,有了它才能啟動目的基因的表達即轉錄過程;氨芐青霉素抗性基因的作用是作為標記基因,將含有重組質粒的大腸桿菌篩選出來。(3)溴化氰能切斷肽鏈中甲硫氨酸羧基端的肽鍵,因為β-半乳糖苷酶中含有多個甲硫氨酸,而胰島素的A、B鏈中不含甲硫氨酸,所以用溴化氰處理相應的融合蛋白能獲得完整的A鏈或B鏈,且β-半乳糖苷酶被切成多個肽段。答案:(1)終止子(2)RNA聚合作為標記基因,將含有重組質粒的大腸桿菌篩選出來(3)β-半乳糖苷酶中含多個甲硫氨酸,而胰島素A、B鏈中不含甲硫氨酸二、乳腺生物反應器與基因治療1.乳腺生物反應器:(1)操作過程:(2)乳腺生物反應器與工程菌生產藥物的區(qū)別:比較內容乳腺生物反應器工程菌含義指讓外源基因在哺乳動物的乳腺中特異性表達,利用動物的乳腺組織生產藥物蛋白指用基因工程的方法,使外源基因得到高效表達的菌類細胞株系受體基因結構與人類基因結構差異動物基因結構與人類的基因結構基本相同細菌和酵母菌的基因結構與人類有較大差異基因表達合成的藥物蛋白與天然蛋白質相同細菌合成的藥物蛋白可能沒有活性受體細胞動物受精卵微生物細胞目的基因導入方式顯微注射法感受態(tài)細胞法(3)乳腺生物反應器的特點:活性高,成本低,易提純,產量高。2.基因治療:(1)實質:正常基因表達掩蓋病變基因的表達,達到治療疾病的目的。(2)過程。以治療復合型免疫缺陷癥為例:(3)治療途徑的異同點:比較體外基因治療體內基因治療不同點操作復雜,但效果較為可靠方法較簡單,但效果難以控制相同點都是將外源基因導入靶細胞,以糾正缺陷基因,目前兩種方法都處于初期臨床試驗階段(4)基因診斷與基因治療的比較:項目方法備注基因診斷制作相應探針,利用DNA分子雜交原理,快速、準確檢測人類某種疾病臨床應用階段基因治療把健康的外源基因導入有基因缺陷的細胞中,達到治療疾病的目的僅處于初期的臨床試驗階段【易錯提醒】基因治療時正常基因沒有改變病變基因的表達途徑在基因治療的過程中,正常基因、病變基因都可以表達,只是正?；虻谋磉_掩蓋了病變基因控制的性狀,使病人表現正常,最終達到治療疾病的目的。【選修對接必修】對接必修3:免疫調節(jié)(1)吞噬細胞既參與非特異性免疫,又參與特異性免疫;T淋巴細胞既參與體液免疫,又參與細胞免疫。(2)免疫預防與免疫治療的區(qū)別:項目時間注射的物質目的免疫預防病原體感染前的預防疫苗(經處理的抗原)激發(fā)機體自身免疫反應,產生抗體和記憶細胞免疫治療病原體感染后的治療抗體、淋巴因子、血清等直接清除病原體或產生的毒素,使患者恢復健康據報道,研究人員提取了重癥聯合免疫缺陷患兒的骨髓,插入目的基因拷貝,將修飾的細胞重新輸回患者體內。最終結果令人驚嘆:經過治療,16名患兒中有14名免疫系統得到了修復,還有很多基本治愈,這是基因治療成功的典型案例。理論上,基因治療可以治愈很多人類遺傳疾病。但科研人員實施安全有效的基因治療卻并非易事,他們面臨許多挑戰(zhàn),首先要明確患病的遺傳基礎,其次要尋找合適的載體作用于機體的發(fā)病組織,同時還要能避免意外的后果。根據以上材料,回答下列問題:(1)基因治療屬于____________(生物技術)的應用范疇,這種技術的變異原理是______________。

(2)基因治療常選用逆轉錄病毒作為目的基因載體,但需敲除病毒的包裝蛋白基因,原因是________________________________________。

(3)構建基因表達載體后,可直接將其轉入患者體內受體細胞,也可在體外__________________,形成重組細胞,經體外培養(yǎng)后再輸入患者體內。體外培養(yǎng)重組細胞的條件包括____________________________________。

(4)從遺傳物質變化和免疫調節(jié)角度看,基因治療可能導致的意外后果分別是__________________________________________________________________。

【解題關鍵】基因治療利用的原理是基因重組,成功的關鍵在于將目的基因整合到人體的染色體DNA上并能夠表達。【解析】(1)基因治療屬于基因工程的應用范疇,原理是基因重組。(2)基因治療過程中,獲得目的基因后,需構建基因表達載體,以保證目的基因在受體細胞內順利表達并發(fā)揮作用。以病毒作為基因的載體,需使目的基因高效轉移并有效表達,而其不斷繁殖的特性必須消除。敲除病毒的包裝蛋白基因,就是不讓病毒合成相應蛋白進行繁殖。(3)基因表達載體構建后,可通過兩種途徑發(fā)揮作用:一是直接將表達載體導入患者體內的受體細胞,二是在體外將基因表達載體導入受體細胞,形成重組細胞,在體外進行細胞培養(yǎng)后輸入患者體內。體外細胞培養(yǎng)時要提供的條件包括:無菌、無毒的環(huán)境,營養(yǎng),適宜的溫度和pH,氣體環(huán)境。(4)基因治療可能導致的意外后果包括:基因表達載體整合時引起相關基因突變或細胞癌變,重組細胞輸入患者體內時有可能引發(fā)機體產生免疫排斥反應和并發(fā)癥。答案:(1)基因工程基因重組(2)防止病毒合成包裝蛋白進行繁殖(3)將基因表達載體導入受體細胞無菌、無毒的環(huán)境,營養(yǎng),適宜的溫度和pH,氣體環(huán)境(4)細胞癌變(或基因突變)、免疫排斥(并發(fā)癥)【誤區(qū)警示】(1)目的基因需要構建表達載體后才可導入受體細胞,不可直接將目的基因導入。(2)基因治療常選用逆轉錄病毒作為目的基因載體,便于將目的基因整合到受體細胞染色體DNA上。(3)病毒作載體時,為防止病毒合成包裝蛋白進行繁殖,務必敲除其包裝蛋白基因。1.動物乳腺生物反應器是一項利用轉基因動物的乳腺代替?zhèn)鹘y的生物發(fā)酵,進行大規(guī)模生產可供治療人類疾病或用于保健的活性蛋白質的現代生物技術。目前科學家已在牛和羊等動物的乳腺生物反應器中表達出了抗凝血酶、血清白蛋白、生長激素等重要藥品。大致過程如圖所示:下列有關說法,錯誤的是 ()A.通過③形成的重組質粒除了具有人的藥用蛋白基因之外,還要有啟動子、終止子和標記基因B.④通常采用農桿菌轉化法C.在轉基因母牛的乳腺細胞中人的藥用蛋白基因才會得以表達,因此可以從乳汁中提取藥物D.該技術生產藥物的優(yōu)點是產量高、質量好、易提取【解析】選B。要讓藥用蛋白基因在乳腺細胞內表達并分泌含藥物的乳汁,重組質粒上必須具有人的藥用蛋白基因、啟動子和終止子等調控組件,A項正確;轉基因動物通常利用的受體細胞是受精卵,采用顯微注射技術,B項錯誤;只有轉基因母牛到達泌乳期,乳腺細胞才會表達相應的藥用蛋白基因,乳汁中才會含有藥物,C項正確;從乳汁里提取藥物,優(yōu)點突出,使動物本身成為“批量生產藥物的工廠”,D項正確。2.(2021·廣東適應性測試節(jié)選)CRISPR/Cas9基因編輯技術可以按照人們的意愿精準剪切、改變任意靶基因的遺傳信息,對該研究有突出貢獻的科學家被授予2020年諾貝爾化學獎。我國科學家領銜的團隊利用CRISPR/Cas9等技術,將人的亨廷頓舞蹈病致病基因(HTT基因)第1外顯子(其中含150個CAG三核苷酸重復序列)“敲入”豬基因組內,獲得了人-豬“鑲嵌”HTT基因,利用胚胎工程技術成功地構建了亨廷頓舞蹈病的動物模型。回答下列問題:(1)PCR技術是獲得人HTT基因常用的方法,制備PCR反應體系時,向緩沖溶液中分別加入人HTT基因模板、4種脫氧核糖核苷酸及________等,最后補足H2O。

(2)CRISPR/Cas9基因編輯技術中,SgRNA是根據靶基因設計的引導RNA,準確引導Cas9切割與SgRNA配對的靶基因DNA序列,由此可見,Cas9在功能上屬于________酶。與CRISPR/Cas9相比,限制酶的特性決定了其具有____________________________的局限性。

(3)在實驗過程中,為