2020版生物新导学浙江选考大一轮讲义:第33讲 基因工程 Word版含解析.pdf
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1、第第 33 讲 基因工程讲 基因工程 考纲要求 1.工具酶的发现和基因工程的诞生(a)。2.基因工程的原理和技术(b)。3.基因工程 的应用(a)。4.活动:提出生活中的疑难问题,设计用基因工程技术解决的方案(c)。 考点一 基因工程的含义及操作工具考点一 基因工程的含义及操作工具 1.基因工程的诞生 (1)概念:基因工程是狭义的遗传工程。广义的遗传工程泛指把一种生物的遗传物质(细胞核、 染色体脱氧核糖核酸等)移到另一种生物的细胞中去, 并使这种遗传物质所带的遗传信息在受 体细胞中表达。 (2)核心:构建重组 DNA 分子,早期也将基因工程称为重组 DNA 技术。 (3)诞生时间:20 世纪
2、70 年代。 (4)理论基础:DNA 是生物遗传物质的发现,DNA 双螺旋结构的确立以及遗传信息传递方式 的认定。 (5)技术保障:限制性核酸内切酶、DNA 连接酶和质粒载体的发现和运用。 2.基因工程的基本工具 归纳总结 与 DNA 有关的酶的比较 项目作用底物作用部位形成产物 限制性核酸内切酶DNA 分子磷酸二酯键粘性末端或平末端 DNA 连接酶DNA 片段磷酸二酯键重组 DNA 分子 DNA 聚合酶脱氧核苷酸磷酸二酯键子代 DNA DNA 解旋酶DNA 分子碱基对间的氢键形成脱氧核苷酸单链 DNA(水解)酶DNA 分子磷酸二酯键游离的脱氧核苷酸 (1)限制性核酸内切酶只能用于切割目的基因
3、( ) (2)DNA 连接酶能将两碱基间通过形成的氢键连接起来( ) (3)质粒是小型环状 DNA 分子,是基因工程常用的载体( ) (4)载体的作用是携带目的基因导入受体细胞中,使之稳定存在并表达( ) (5)DNA 连接酶能够将任意 2 个 DNA 片段连接在一起( ) 观察下图所示过程,回答需要的工具酶及相关问题: (1)是限制性核酸内切酶,是 DNA 连接酶,二者的作用部位都是磷酸二酯键。 (2)限制性核酸内切酶不切割自身 DNA 的原因:原核生物中不存在该酶的识别序列或识别序 列已经被修饰。 (3)说明限制性核酸内切酶有何特性?具有专一性。 1.科学家将人的生长激素基因与大肠杆菌的
4、DNA 分子进行重组, 并使其成功地在大肠杆菌中 得以表达。但在进行基因工程的操作过程中,需使用特定的限制性核酸内切酶切割目的基因 和质粒,便于重组和筛选。已知限制性核酸内切酶的识别序列和切点是GGATCC, 限制性核酸内切酶的识别序列和切点是GATC,据图回答: (1)过程表示的是采用_的方法来获取目的基因。 (2)根据图示分析,在形成重组 DNA 分子的过程中,应用限制性核酸内切酶_(填“” 或“”)切割质粒,用限制性核酸内切酶_(填“”或“”)切割目的基因。 (3)人的基因之所以能与大肠杆菌的 DNA 分子进行重组,原因是_。 (4)人体的生长激素基因能在大肠杆菌体内成功表达出人的生长激
5、素是因为_。 写出目的基因导入大肠杆菌中后表达的过程:_。 答案 (1)逆转录 (2) (3)人的基因与大肠杆菌 DNA 分子的双螺旋结构相同 (4)人 与细菌共用一套(遗传)密码子 生长激素基因mRNA生长激素 转录 翻译 解析 (2)根据图示分析可知,目的基因插入了质粒中四环素抗性基因的内部,而该位置有限 制性核酸内切酶的识别序列, 因此在形成重组 DNA 分子过程中, 应用限制性核酸内切酶 切割质粒;而目的基因的两侧均含有能被限制性核酸内切酶识别的碱基序列,所以用限制 性核酸内切酶切割目的基因。用限制性核酸内切酶切割目的基因和载体后形成的末端按碱 基互补配对原则进行连接。(3)人的基因之
6、所以能与大肠杆菌 DNA 分子进行重组,是因为人 的基因与大肠杆菌 DNA 分子的双螺旋结构相同。(4)人体的生长激素基因能在大肠杆菌体内 成功表达是因为人和大肠杆菌共用一套(遗传)密码子;目的基因导入大肠杆菌中后表达的过 程为生长激素基因mRNA生长激素。 转录 翻译 2.(2018金丽衢十二校联考)下表是几种限制性核酸内切酶识别序列及其切割位点, 图 1、 图 2 中标注了相关限制性核酸内切酶的酶切位点,其中切割位点相同的酶不重复标注。请回答下 列问题: 限制酶BamHBclSau3AHind 识别序列及切割位点 G GATC C C CTAG G T GATC A A CTAG T GA
7、TC CTAG A AGCT T T TCGA A (1)用图中质粒和目的基因构建重组质粒,应选用_两种限制性核酸内切酶切割, 酶切后的载体和目的基因片段,通过_酶作用后获得重组质粒。为了扩增重组质粒, 需将其转入处于_态的大肠杆菌中。 (2)为了筛选出转入了重组质粒的大肠杆菌,应在筛选平板培养基中添加_,平板上长 出的菌落,常用 PCR 鉴定,所用的引物组成为图 2 中_。 (3)若 BamH酶切的 DNA 末端与 Bcl酶切的 DNA 末端连接,连接部位的 6 个碱基对序列 为_,对于该部位,这两种酶_(填“都能”“都不能”或“只有一种能”)切开。 (4)若用 Sau3A切图 1 质粒,最
8、多可能获得_种大小不同的 DNA 片段。 (5)基因工程中,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_。 答案 (1)Bcl和 Hind DNA 连接 感受 (2)四环素 引物甲和引物丙 (3) 都不能 T GATC C A CTAG G(或 G GATC A C CTAG T) (4)7 (5)受体细胞 解析 (1)分析 4 种限制性核酸内切酶识别的序列可知:BamH和 Bcl的识别序列中含有 Sau3A的识别序列,这三种酶切割 DNA 后可以产生相同的粘性末端。为保证质粒上含有标 记基因,切割质粒时不能选用 BamH和 Sau3A,应选用 Bcl和 Hind两种限制性
9、核酸 内切酶切割;酶切后的载体和目的基因片段,需用 DNA 连接酶连接形成重组质粒。为了扩 增重组质粒, 需将其转入处于感受态的大肠杆菌中。 (2)重组质粒中四环素抗性基因结构完整, 氨苄青霉素抗性基因结构被破坏,在筛选平板培养基中添加四环素可以筛选出转入了重组质 粒的大肠杆菌。根据图 2 可知,PCR 扩增该目的基因时,需用引物甲和引物丙两种引物。 (3)BamH酶切产生的粘性末端为和,Bcl酶切产生的粘性末端为 G CCTAG GATCC G 和,经 DNA 连接酶连接后,连接部位的 6 个碱基对序列为或 GATCA T T ACTAG G GATC A C CTAG T ,该部位的序列不
10、能被 BamH和 Bcl识别,因此不能被这两种酶切开。(4)图 1 T GATC C A CTAG G 质粒中含有 Sau3A酶的 3 个识别序列,如图(A、B、C 分别表示相邻切点间的 DNA 片段): 用 Sau3A 酶切,若在一个切点处切割可得到:BCA、CAB、ABC 三种 DNA 片段(但其大小相同); 若在两个切点处切割可得到 : A、BC、AC、B、AB、C 六种 DNA 片段(其大小均不同); 若在三个切点处均切割,可得到 A、B、C 三种大小不同的 DNA 片段, 综上所述,用 Sau3A酶切质粒最多可能获得 7 种大小不同的 DNA 片段。(5)噬菌体不能独 立生活,必需依
11、赖活细胞才能生存,所以噬菌体作为载体时,其 DNA 复制所需的原料来自 所导入的受体细胞。 限制性核酸内切酶的选择方法 (1)根据目的基因两端的限制性核酸内切酶切点确定限制性核酸内切酶的种类 应选择切点位于目的基因两端的限制性核酸内切酶,如图甲可选择 Pst。 不能选择切点位于目的基因内部的限制性核酸内切酶,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性核酸内切酶切割目 的基因和质粒, 如图甲也可选择用 Pst和 EcoR两种限制性核酸内切酶(但要确保质粒上也 有这两种酶的切点)。 (2)根据质粒的特点确定限制性核酸内切酶的种类 所选限制性核酸内切酶要
12、与切割目的基因的限制性核酸内切酶相一致,以确保具有相同的 粘性末端(或平末端)。 质粒作为载体必须具备标记基因等,所以所选择的限制性核酸内切酶尽量不要破坏这些结 构,如图乙中限制性核酸内切酶 Sma会破坏标记基因;如果所选酶的切点不只一个,则切 割重组后可能丢失某些片段,若丢失的片段含复制原点,则切割重组后的片段进入受体细胞 后不能自主复制。 考点二 基因工程的基本操作步骤、应用及相关的设计方案考点二 基因工程的基本操作步骤、应用及相关的设计方案 1.基因工程的基本操作步骤 (1)获得目的基因 目的基因序列已知:化学合成或 PCR 扩增; 目的基因序列未知:从基因文库中获取。 (2)形成重组D
13、NA分子(基因工程的核心): 通常用相同的限制性核酸内切酶分别切割目的基因 和载体 DNA, 然后用 DNA 连接酶将目的基因和载体 DNA 连接在一起, 形成重组 DNA 分子。 (3)将重组 DNA 分子导入受体细胞 常用的受体细胞:大肠杆菌、枯草杆菌、酵母菌和动植物细胞等。 导入方法:用氯化钙处理大肠杆菌,可以增加大肠杆菌细胞壁的通透性,使重组质粒容易 进入。 (4)筛选含有目的基因的受体细胞 筛选原因:并不是所有的细胞都接纳了重组 DNA 分子,因此,需筛选含目的基因的受体 细胞。 筛选方法:用含抗生素的培养基培养受体细胞,选择含重组质粒的受体细胞。 (5)目的基因的表达 目的基因在宿
14、主细胞中表达,产生人们需要的功能物质。 2.基因工程的应用 应用领域优点 转基因植物所需时间短,克服了远缘亲本难以亲合的缺陷 基因工程与 遗传育种转基因动物 指转入了外源基因的动物。优点是省时、省力,并能 取得一定的经济效益 基因工程药物主要有胰岛素、干扰素和乙型肝炎疫苗等 基因工程与 疾病治疗基因治疗 向目标细胞中引入正常功能的基因, 以纠正或补偿基 因的缺陷,达到治疗的目的 基因工程与生态环境保护 开发可降解的新型塑料 ; 改造分解石油的细菌,提高 其分解石油的能力等 (1)抗虫基因即使成功地插入到植物细胞染色体上也未必能正常表达( ) (2)应用 DNA 探针技术,可以检测转基因抗冻番茄
15、植株中目的基因的存在及其是否完全 表达( ) (3)将人的干扰素基因重组到质粒后导入大肠杆菌,获得能产生人干扰素的菌株( ) (4)利用乳腺生物反应器能够获得一些重要的医药产品,如人的血清白蛋白,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( ) (5)为培育出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为受体( ) 如图为抗虫棉的培育过程,请据图回答下列问题: (1)该基因工程中的目的基因和载体分别是什么?一般情况下,为什么要用同一种限制性核酸 内切酶处理目的基因和载体? 提示 目的基因是 Bt 毒蛋白基因,载体是 Ti 质粒。用同一种限制性核酸内切酶处理目的基 因和载体,可
16、以获得相同的粘性末端,便于形成重组 DNA 分子。 (2)该实例中为什么目的基因可以整合到染色体的 DNA 上? 提示 由于 Ti 质粒上的 TDNA 可转移到受体细胞且能整合到受体细胞的染色体 DNA 上, 而目的基因又插入到了 TDNA 上,所以目的基因可以整合到受体细胞的染色体 DNA 上。 (3)该实例中,检测目的基因是否表达常见的方法是什么? 提示 用棉叶饲喂棉铃虫。 1.三种获取目的基因方法的比较 项目化学合成法聚合酶链式反应(PCR)建立基因文库法 适用对象目的基因序列已知目的基因序列已知目的基因序列未知 过程 逆转录法:获取 mRNA合成 DNA 单链合成 DNA 双链(目 的
17、基因) 以单个脱氧核苷酸为原料按 照已知 DNA 序列直接人工合成 在体外通过酶促反应有 选择地大量扩增特定的 DNA 片段, 即目的基因 利用限制性核酸内 切酶、DNA 连接 酶、质粒等工具建 立基因文库筛选 出目的基因 优缺点专一性强,获取的目的基因较小 速度快,以指数方式 扩增 操作相对简便,但 工作量大 2.形成重组 DNA 分子 通常是采用相同的限制性核酸内切酶分别切割目的基因和载体 DNA(如质粒),获得相同的粘 性末端,在 DNA 连接酶的作用下形成重组质粒,如图 1 所示。但应用此种方式,在实际操 作中目的基因、载体质粒经 DNA 连接酶处理后,获得的产物可能有三种:目的基因与
18、目 的基因连接物;质粒与质粒连接物;目的基因与质粒连接物。为了使目的基因与质粒能 定向连接,可使用两种不同的限制性核酸内切酶切割目的基因和质粒,然后在 DNA 连接酶 的作用下形成重组质粒,如图 2 所示。 3.有关基因工程操作易错分析 (1)基因文库中的基因保存在受体菌中。 (2)原核生物繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少,有利于目的基因的复制与表达,因此 常采用大肠杆菌等原核生物作为受体细胞。 (3)植物细胞的全能性较高,可经植物组织培养过程成为完整植物体,因此受体细胞可以是受 精卵也可以是体细胞;动物基因工程中的受体细胞一般是受精卵。 (4)操作工具有三种,但常用工具酶有两种,载体不是
19、酶。在基因工程操作步骤“获得目的基 因”和“形成重组 DNA 分子”两个过程中,通常用同种限制性核酸内切酶,目的是产生相 同的粘性末端(或平末端);DNA 连接酶只在“形成重组 DNA 分子”操作中用到。 (5)一般情况下,用同一种限制性核酸内切酶切割质粒和含有目的基因的 DNA 片段,但有时 可用两种限制性核酸内切酶分别切割质粒和目的基因,这样可避免质粒和质粒之间、目的基 因和目的基因之间的连接。 (6)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 见的标记基因有抗生素抗性基因、发光基因(表达产物为带颜色的物质)等。 命题点一 基因工程的操作程序 1.为了增加菊
20、花花色类型, 研究者从其他植物中克隆出花色基因 C(图 1), 拟将其与质粒(图 2) 重组,再借助农杆菌导入菊花中。 下列操作与实验目的不符的是( ) A.用限制性核酸内切酶 EcoR和连接酶构建重组质粒 B.用含 C 基因的农杆菌侵染菊花愈伤组织,将 C 基因导入细胞 C.在培养基中添加卡那霉素,筛选被转化的菊花细胞 D.用分子杂交技术检测 C 基因是否整合到菊花染色体上 答案 C 解析 在形成重组 DNA 分子时,为保证目的基因与载体的连接,需要用同种限制性核酸内 切酶进行切割产生相同的粘性末端,才能通过 DNA 连接酶连接,图中目的基因的两端和启 动子与终止子之间都有限制性核酸内切酶
21、EcoR的切割位点,因此选用限制性核酸内切酶 EcoR切割目的基因和载体,A 正确;菊花为双子叶植物,将目的基因导入双子叶植物细胞 的常用方法是农杆菌转化法,B 正确;图 2 中重组质粒中的抗性基因为潮霉素抗性基因,应 该在培养基中添加潮霉素, 筛选被转化的菊花细胞, C 错误 ; 要检测转基因生物的染色体 DNA 上是否插入了目的基因,常用 DNA 分子杂交技术,D 正确。 2.在某些深海鱼中发现的抗冻蛋白基因 afp 对提高农作物的抗寒能力有较高的应用价值。如 图所示是获得转基因莴苣的技术流程,请据图回答下列问题: (1)获取目的基因的主要途径包括从基因文库中获取和_。 (2)过程需要的酶
22、有_、_。 (3)重组质粒除了带有抗冻蛋白基因 afp 以外,还必须含有启动子、终止子和_, 这样才能构成一个完整的基因表达载体。 (4)如果受体细胞 C1是土壤农杆菌,则将目的基因导入它的目的是利用农杆菌的_, 使目的基因进入受体细胞 C2,并将其插入到受体细胞 C2中的_上,使目的基 因的遗传特性得以稳定维持和表达,形成转基因莴苣。 答案 (1)化学方法合成 (2)限制性核酸内切酶 DNA连接酶 (3)抗生素抗性基因(或标记基 因) (4)转化作用 染色体 DNA 解析 (1)获取目的基因的主要途径有从基因文库中获取和化学方法合成。 (2)过程为形成重 组 DNA 分子,需要用到限制性核酸
23、内切酶和 DNA 连接酶。(3)一个完整的重组 DNA 分子包 括目的基因、启动子、终止子和标记基因。(4)农杆菌转化法利用的是农杆菌的转化作用,将 目的基因整合到受体细胞的染色体 DNA 上,进而使目的基因能够稳定遗传和表达。 命题点二 基因工程的原理和应用 3.下列关于基因工程应用的叙述,正确的是( ) A.基因治疗就是把缺陷基因诱变成正常基因 B.基因诊断的基本原理是 DNA 分子杂交 C.一种基因探针能检测水体中的各种病毒 D.利用基因工程生产乙肝疫苗时,目的基因存在于人体 B 淋巴细胞的 DNA 中 答案 B 解析 基因治疗就是向目标细胞中引入正常功能的基因,以纠正或补偿基因的缺陷,
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