学年高中生物 专题1 基因工程 11 DNA重组技术的基本工具学案 新人教版选修3.docx

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学年高中生物专题1基因工程11DNA重组技术的基本工具学案新人教版选修3

1．1　DNA重组技术的基本工具

[学习目标]　1.基因工程的概念、诞生和发展。

2.DNA重组技术所需三种基本工具的作用。

3.基因工程中载体需要具备的条件。

方式一　抗虫棉的研究开发是中国发展农业转基因技术，打破跨国公司垄断，抢占国际生物技术制高点的成功事例。

抗虫棉的应用使棉铃虫得到了有效控制，使杀虫剂用量降低了70%～80%，有效保护了农业生态环境，减少了农民喷药中毒事故，为棉花生产和农业的可持续发展做出了巨大贡献。

师：

要实现抗虫基因在棉花中的表达，提前要做哪些关键工作？

生：

要将抗虫基因切割下来；要将抗虫基因整合到棉花的DNA上。

师：

这里存在一个基因转移的实际问题，就是如何将控制抗虫的基因转入棉花细胞的问题。

师：

中国有句俗语叫“没有金刚钻儿，不揽瓷器活儿”。

科学家们在实施基因工程之前，苦苦求索，终于找到了实施基因工程的三种“金刚钻儿”，使基因工程的设想成为了现实。

这三种“金刚钻儿”是什么？

有什么特点和具体作用？

下面我们就来学习这方面的内容。

方式二　科学设想，能否让禾本科植物也能固定空气中的氮？

能否让细菌“吐出”蚕丝？

能否让微生物产生人的胰岛素、干扰素等珍贵的药物？

经过多年努力，科学家于20世纪70年代创立了可以定向改造生物的新技术——基因工程。

这一技术是在DNA分子水平上进行的，在微小的DNA分子上进行的操作，需要专用的工具。

这些工具是什么？

各自的作用是什么？

让我们一起来了解一下吧！

一、基因工程的概念和诞生

1．基因工程的概念

基因工程是指按照人们的意愿，进行严格的设计，并通过体外DNA重组和转基因技术，赋予生物以新的遗传特性，从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。

又称为DNA重组技术。

2．基因工程的诞生

（1）理论基础

①DNA是遗传物质的证明。

②DNA双螺旋结构和中心法则的确立。

③遗传密码的破译：

所有生物共用一套遗传密码。

（2）技术支持

①基因转移载体的发现：

质粒有自我复制能力，并且可以在细菌细胞间转移。

②工具酶的发现：

陆续发现了多种限制酶、连接酶以及逆转录酶。

③DNA合成和测序技术、体外重组技术的实现。

④重组DNA表达实验的成功。

归纳总结

1．对基因工程概念的理解

操作环境

生物体外

操作对象

基因

操作水平

DNA分子水平

原理

基因重组

结果

按照人类的需要定向改造生物的遗传特性

2.基因工程的理论基础

（1）几乎所有生物的DNA分子都具有相似的成分和结构，即都是由4种脱氧核苷酸形成规则的双螺旋结构，这为不同生物的DNA拼接提供了物质基础。

（2）所有生物共用一套遗传密码，这为一种生物的基因在其他生物体内正常表达提供了可能。

（3）基因是控制生物体性状的结构和功能单位，具有相对独立性，这为目的基因在受体细胞中的独立表达提供了可能。

例1　（2017·洛阳校级月考）下列叙述符合基因工程概念的是（　　）

A．在细胞内将DNA进行重组，赋予生物新的遗传特性

B．将人的干扰素基因重组到质粒上后导入大肠杆菌，获得能产生人干扰素的菌株

C．用紫外线照射青霉菌，使其DNA发生改变，通过筛选获得青霉素高产菌株

D．自然界中天然存在的噬菌体自行感染细菌后其DNA整合到细菌DNA上

答案　B

解析　基因工程是在生物体外将DNA进行重组，赋予生物新的遗传特性，A项错误；B项符合基因工程的概念；C项属于诱变育种；D项外源基因导入细菌不是人为操作的，不属于基因工程的范畴。

例2　目前，科学家把兔子血红蛋白基因导入大肠杆菌细胞中，在大肠杆菌细胞中合成了兔子的血红蛋白。

下列不是这一先进技术的理论依据的是（　　）

A．所有生物共用一套遗传密码

B．基因能控制蛋白质的合成

C．兔子血红蛋白基因与大肠杆菌的DNA都是由四种脱氧核苷酸构成，都遵循相同的碱基互补配对原则

D．兔子与大肠杆菌有共同的原始祖先

答案　D

解析　题干表述的是目的基因导入受体细胞并得以表达的过程，目的基因在不同生物细胞中能够表达出相同的蛋白质，说明控制其合成的信使RNA上的密码子是共用的，相同的密码子决定相同的氨基酸，A项正确；基因是通过转录获得信使RNA，进而控制蛋白质的合成，B项正确；基因是有遗传效应的DNA片段，只要是双链DNA都遵循碱基互补配对原则，其组成原料都是四种脱氧核苷酸，C项正确；生物之间是否有共同的原始祖先与转基因技术之间没有必然关系，D项错误。

方法链接　基因重组的三种主要类型

（1）减数第一次分裂四分体时期，同源染色体上的非姐妹染色单体间交叉互换，导致染色单体上的基因重新组合。

（2）减数第一次分裂后期，随着非同源染色体的自由组合，非同源染色体上的非等位基因也自由组合。

（3）人工操作导致的基因重组，即基因工程。

二、基因工程操作的两种工具酶

1．限制性核酸内切酶——“分子手术刀”

来源

主要来自原核生物

种类

约4_000种

特点

识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列

切割特定核苷酸序列中的特定位点

作用

断裂特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键

结果

产生黏性末端或平末端

2.DNA连接酶——“分子缝合针”

（1）作用：

将双链DNA片段“缝合”起来，恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。

（2）种类

种类

来源

特点

E·coliDNA连接酶

大肠杆菌

只能“缝合”具有互补黏性末端的双链DNA片段，不能“缝合”双链DNA片段的平末端

T4DNA连接酶

T4噬菌体

既可以“缝合”双链DNA片段互补的黏性末端，又可以“缝合”双链DNA片段的平末端

归纳总结　与DNA相关的五种酶的比较

名称

作用部位

作用结果

限制酶

磷酸二酯键

将DNA切成两个片段

DNA连接酶

磷酸二酯键

将两个DNA片段连接为一个DNA分子

DNA聚合酶

磷酸二酯键

将单个脱氧核苷酸依次连接到单链末端

DNA（水解）酶

磷酸二酯键

将DNA片段水解为单个脱氧核苷酸

解旋酶

碱基对之间的氢键

将双链DNA分子局部解旋为单链，形成两条长链

例3　下表为常用的限制性核酸内切酶（限制酶）及其识别序列和切割位点，由此推断以下说法中，正确的是（　　）

限制性核

酸内切酶

识别序列和

切割位点

限制性核

酸内切酶

识别序列和

切割位点

BamHⅠ

G↓GATCC

KpnⅠ

GGTAC↓C

EcoRⅠ

G↓AATTC

Sau3AⅠ

↓GATC

HindⅡ

GTY↓RAC

SmaⅠ

CCC↓GGG

注：

Y表示C或T，R表示A或G。

A．一种限制酶只能识别一种核苷酸序列

B．限制酶切割后一定形成黏性末端

C．不同的限制酶可以形成相同的黏性末端

D．限制酶的切割位点在识别序列内部

答案　C

解析　根据表格内容可以推知，每种限制酶都能识别特定的核苷酸序列，但不一定只能识别一种序列，如限制酶HindⅡ，A项错误；限制酶切割后能形成黏性末端或平末端，如限制酶HindⅡ切割后露出平末端，B项错误；不同的限制酶切割后可能形成相同的黏性末端，如限制酶BamHⅠ和Sau3AⅠ切割后露出的黏性末端相同，C项正确；限制酶的切割位点可以位于识别序列的外侧，如Sau3AⅠ，D项错误。

例4　关于下图所示黏性末端的叙述，正确的是（　　）

A．①与③是由相同限制酶切割产生的

B．DNA连接酶可催化①与③的连接

C．经酶切形成④需要脱去2分子水

D．DNA连接酶与DNA聚合酶均能作用于上述黏性末端

答案　B

解析　①与③的黏性末端相同，但它们识别的碱基序列不同，应不是相同的限制性核酸内切酶切出来的，A项错误；酶切获得④需要消耗2个水分子，C项错误；DNA聚合酶作用的是单个游离的脱氧核苷酸，D项错误。

方法链接　黏性末端或平末端是否由同一种限制酶切割形成的判断方法

将黏性末端或平末端之一旋转180°后，看它们是否是完全相同的结构。

是，则为相同限制酶切割形成的；否，则为不同限制酶切割形成的。

三、基因进入受体细胞的载体

1．种类：

质粒、λ噬菌体的衍生物、动植物病毒等。

2．常用载体——质粒

（1）本质：

质粒是一种裸露的、结构简单、独立于细菌拟核DNA之外，并具有自我复制能力的很小的双链环状DNA分子。

（2）质粒作为载体所具备的条件及原因

条件

原因

稳定并能自我复制或整合到染色体DNA上

能使目的基因稳定存在且数量可扩增

有一个至多个限制酶切割位点

可携带多个或多种外源基因

具有特殊的标记基因

便于重组DNA的鉴定和选择

无毒害作用

对受体细胞无毒害作用，避免受体细胞受到损伤

（3）作用

①作为运输工具，将目的基因导入受体细胞。

②质粒携带目的基因在受体细胞内大量复制。

归纳总结

1．作为载体必须具备的条件

（1）必须有一个至多个限制酶切割位点。

（2）必须能在受体细胞中稳定存在并具备自我复制的能力，或整合到染色体DNA上，随染色体DNA同步复制。

（3）必须有标记基因，便于筛选和鉴定。

（4）对受体细胞无害。

（5）载体的大小适合，便于提取和在体外进行操作。

2．标记基因的筛选原理

载体上的标记基因一般是某种抗生素的抗性基因，而受体细胞没有抵抗该抗生素的能力。

将含有某抗生素抗性基因的载体导入受体细胞，抗性基因在受体细胞内表达，受体细胞对该抗生素产生抗性。

在含有该抗生素的培养基上，能够生存的是被导入了基因表达载体的受体细胞。

如下图：

例5　质粒是基因工程最常用的载体，下列关于质粒的说法正确的是（　　）

A．质粒在宿主细胞内都要整合到染色体DNA上

B．质粒是独立于细菌拟核DNA之外的小型细胞器

C．基因工程使用的质粒一定含有标记基因和复制原点

D．质粒上碱基之间数量存在A＋G＝U＋C

答案　C

解析　基因工程使用的载体需有一至多个酶切位点，具有自我复制的能力，有标记基因，对受体细胞安全，且分子大小适合。

质粒进入宿主细胞后不一定都要整合到染色体DNA上，如宿主细胞是细菌细胞则不需整合。

质粒是小型环状双链DNA分子而不是细胞器，也不会有碱基U。

例6　质粒是基因工程中最常用的载体，它存在于许多细菌体内。

某细菌质粒上有标记基因如图所示，通过标记基因可以推知外源基因（目的基因）是否转入成功。

外源基因插入的位置不同，细菌在培养基上的生长情况也不同，如图所示是外源基因插入位置（插入点有a、b、c），请根据表中提供的细菌生长情况，推测①②③三种重组后细菌的外源基因插入点，正确的一组是（　　）

细菌在含氨苄青霉素的培养基上的生长状况

细菌在含四环素的培养基上的生长状况

①

能生长

能生长

②

能生长

不能生长

③

不能生长

能生长

A.①是c；②是b；③是a

B．①是a和b；②是a；③是b

C．①是a和b；②是b；③是a

D．①是c；②是a；③是b

答案　A

解析　①细菌能在含氨苄青霉素和四环素的培养基上生长，说明抗氨苄青霉素基因和抗四环素基因没有被破坏，所以插入点是c；②细菌能在含氨苄青霉素的培养基上生长，而不能在含四环素的培养基上生长，说明其抗氨苄青霉素基因正常而抗四环素基因被破坏，故插入点为b；③细菌不能在含氨苄青霉素的培养基上生长，能在含四环素的培养基上生长，说明其抗氨苄青霉素基因被插入而破坏，故插入点为a。

易混辨析　细胞膜上的载体与基因工程中的载体比较

（1）化学本质不同：

细胞膜上的载体化学成分是蛋白质；基因工程中的载体可能是物质，如质粒（DNA）、λ噬菌体的衍生物，也可能是生物，如动植物病毒等。

（2）功能不同：

细胞膜上的载体功能是协助细胞膜控制物质进出细胞；基因工程中的载体是一种“分子运输车