学年高中生物第一章基因工程第一节基因工程概述第2课时基因工程的实施过程学案苏教版.docx
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学年高中生物第一章基因工程第一节基因工程概述第2课时基因工程的实施过程学案苏教版
第2课时 基因工程的实施过程
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明目标、知重点难点
简述基因工程的一般过程。
（重点）
理解基因工程每个步骤的原理、方法和过程。
（重、难点）
阅读教材P13～18完成基因工程的实施相关问题
基因工程涉及多种技术操作，主要包括获取目的基因，构建基因表达载体，将目的基因导入受体细胞，以及目的基因的检测和鉴定等步骤。
1．获取目的基因
（1）通过基因文库获取目的基因。
（2）通过PCR技术扩增目的基因。
（3）通过化学方法直接人工合成目的基因。
2．构建基因表达载体
（1）是实施基因工程的核心步骤，其操作过程是将目的基因与质粒、λ噬菌体或一些动植物病毒等在体外进行重组。
（2）一个基因表达载体除了目的基因外，还应包括启动子、终止子和标记基因等。
（3）启动子是位于目的基因上游的一段核苷酸序列，是RNA聚合酶识别、结合的部位。
（4）终止子是一段特殊的DNA片段，是载体上终止目的基因转录的核苷酸序列。
3．导入目的基因
（1）将基因表达载体导入受体细胞是实施基因工程的重要步骤。
（2）将目的基因导入植物细胞的常用方法——农杆菌转化法。
（3）将目的基因导入动物细胞的常用方法——显微注射法。
（4）将目的基因导入微生物细胞的方法——转化法，用Ca2＋处理，使大肠杆菌等成为一种能够吸收周围环境中DNA分子的感受态细胞。
4．检测和鉴定目的基因
用DNA分子杂交法进行DNA水平和RNA水平检测，采用抗原—抗体杂交从蛋白质水平检测，有时还需要从个体水平对其生物学特定性状进行检测。
判一判
（1）所有的目的基因都可从基因文库中直接获得。
（×）
（2）标记基因的作用是为了鉴别受体细胞中是否含有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出来。
（√）
（3）启动子位于基因的首端，是RNA聚合酶识别和结合的部位。
（√）
（4）抗虫或抗病的接种实验属于分子水平的检测。
（×）
连一连
目的基因的获取与基因表达载体的构建
基因工程涉及多种技术操作，首先需要获取目的基因，构建基因表达载体。
结合教材P13～15第六段内容完成以下探究。
探究1 完善下面基因工程的操作示意图，概述基因工程的一般步骤
由图分析基因工程的“施工”过程主要包括获取目的基因、构建基因表达载体、将目的基因导入受体细胞及目的基因的检测和鉴定。
探究2 结合教材完成下面问题，理解目的基因的获取
（1）通过基因文库获取目的基因
①基因文库：
将含有某种生物不同基因的许多DNA片段，导入受体菌的群体中储存，每个受体菌可能分别含有该种生物的不同基因，称为基因文库。
②种类：
③目的基因的获取
根据基因的有关信息：
基因的核苷酸序列、基因的功能、基因在染色体上的位置、基因的转录产物mRNA、基因的表达产物蛋白质等信息，就可以直接从基因文库中获取目的基因。
（2）完善如图关于PCR技术的过程，分析PCR技术扩增目的基因的方法。
（3）人工合成法：
若基因较小、核苷酸序列已知，可以人工合成。
探究3 完善下图，构建基因表达载体
（1）观察下图（以质粒作为载体），并完成其基本过程：
（2）完善下面基因表达载体模式图，并分析表达载体的组成及重要构件的作用。
1．提取目的基因的方法
（1）基因组文库
表达载体
受体细胞
目的基因
（2）cDNA文库
供体生物―→mRNA―→cDNA―→受体菌群―→目的基因
（3）PCR技术
目的基因―→单链DNA―→双链DNA―→大量目的基因
（4）人工合成
―→
―→
―→
2.
突破1 目的基因的获取
1．如图表示基因工程中获取水稻某目的基因的不同方法。
下列相关叙述中正确的是（ ）
A．这三种方法都用到酶，都是在体外进行
B．①②③碱基对的排列顺序均相同
C．图示a、b、c三种方法均属人工合成法
D．方法a不遵循中心法则
解析：
选A。
分析题图可知a为逆转录法获得目的基因，用到逆转录酶；b为直接从生物体获得目的基因，用到限制酶；c为用PCR技术扩增获取目的基因，用到TaqDNA聚合酶，且三种方法均在生物体外进行，故A正确；图示中①为逆转录法，②为直接分离目的基因，③为PCR技术扩增法，由于密码子的简并性，三种方法得到的目的基因中碱基对排列顺序不一定相同，故B、C错误；逆转录法遵循中心法则的内容，故D错误。
获取目的基因的四种方法比较
方
法
基因文库的构建
PCR技术扩增
人工合成
基因组文库
部分基因文库（如cDNA文库）
优
点
操作
简单
专一性强
可在短时间内大扩增
目的基因
专一性强，可产生自然界中不存在的新基因
缺
点
工作量大、盲目性大、专一性差
操作过程较烦琐，技术要求过高
需要严格控制温度，技术要求高
适用范围小
突破2 基因表达载体的构建
2．如图是利用基因工程技术培育转基因植物，生产可食用疫苗的部分过程示意图，其中PstⅠ、SmaⅠ、EcoRⅠ、ApaⅠ为四种限制性核酸内切酶。
下列说法错误的是（ ）
A．图示过程是基因工程的核心步骤
B．表达载体构建时需要用到限制酶SmaⅠ
C．抗卡那霉素基因的存在有利于将含有抗原基因的细胞筛选出来
D．除图示组成外，表达载体中还应该含有启动子和终止子等结构
解析：
选B。
图示过程为基因表达载体的构建过程，是基因工程中的核心步骤。
构建过程中需要将目的基因完整切割下来，此时要用到限制酶PstⅠ、EcoRⅠ。
抗卡那霉素基因是标记基因，目的是便于鉴定和筛选含有目的基因的细胞。
基因表达载体包括启动子、目的基因、终止子和标记基因等。
启动子≠起始密码（子）；终止子≠终止密码（子）
（1）启动子和终止子都在DNA上，在遗传信息转录时起作用。
启动子是启动转录的开始，终止子是DNA分子上决定转录停止的一段DNA序列，其组成单位都是脱氧核苷酸。
（2）起始密码子和终止密码子都是mRNA上三个相邻碱基。
起始密码子决定翻译的开始，终止密码子决定翻译的停止。
将目的基因导入受体细胞[学生用书P8]
受体细胞不同，基因工程的“导入”步骤也不完全相同。
结合教材P15第七段～P17第二段内容探究目的基因导入受体细胞的方法。
（1）目的基因导入植物体细胞最常用的方法是农杆菌转化法。
①农杆菌特点：
易感染双子叶植物和裸子植物，对大多数单子叶植物没有感染力；当双子叶植物或裸子植物受到损伤时，伤口处的细胞会分泌大量的酚类化合物，吸引农杆菌移向这些细胞，这时农杆菌中Ti质粒的T DNA可进入受体细胞，并整合到受体细胞的染色体上。
②完善抗软化番茄的培育原理，总结将目的基因导入植物细胞的过程
目的基因插入Ti质粒的T DNA
农杆菌→导入植物细胞→目的基因整合到植物细胞染色体上→目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达。
（2）目的基因导入动物细胞常用方法是显微注射法：
目的基因表达载体提纯→取卵（受精卵）→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的动物。
（3）目的基因导入微生物细胞常用方法是Ca2＋处理法。
①受体细胞是微生物细胞，其特点：
繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少等；
②转化过程是Ca2＋处理细胞→感受态细胞→感受态细胞和重组的基因表达载体混合于缓冲液中→感受态细胞吸收DNA分子。
（1）目的基因能否在受体细胞中稳定遗传？
提示：
若是目的基因插入到受体细胞染色体上的DNA分子中，则能稳定遗传；若是目的基因在细胞质中，而细胞分裂时，细胞质是不均分的，子细胞不一定含有目的基因，则不一定稳定遗传。
（2）农杆菌转化法中有两次拼接和两次导入。
两次拼接的方式和导入的目的都一样吗？
提示：
第一次拼接是将目的基因拼接到Ti质粒的T DNA的中间部位，第二次拼接（非人工操作）指被插入目的基因的T DNA被拼接到受体细胞染色体的DNA上；第一次导入是将含目的基因的Ti质粒重新导入农杆菌，第二次导入（非人工操作）是指含目的基因的T DNA导入受体细胞。
1．农杆菌转化法分析
（1）构建携带目的基因的表达载体，需要两种工具酶：
限制酶和DNA连接酶。
（2）基因表达载体（重组质粒）导入农杆菌细胞时，要用Ca2＋处理农杆菌细胞，使其处于感受态，利于重组质粒的导入。
（3）由导入目的基因的受体细胞培育到完整的植株要用到植物组织培养技术。
2．将目的基因导入动物细胞培育转基因动物时，受体细胞是受精卵，不能用体细胞，因为高度分化的动物体细胞的全能性受到限制。
3．在基因工程四个步骤中，只有第三步将目的基因导入受体细胞不需碱基互补配对，其余三个步骤都涉及碱基互补配对。
突破1 将目的基因导入动植细胞
1．基因工程操作中将DNA导入受体细胞称为转化。
下列相关叙述不正确的是（ ）
A．被转化的细胞吸收外源DNA是转化的实质
B．农杆菌转化法适用于所有的植物
C．动物细胞相对于植物细胞吸收DNA的障碍要小
D．显微注射法一般用于动物细胞的转化
解析：
选B。
农杆菌转化法只适用于双子叶植物或裸子植物。
突破2 将目的基因导入微生物细胞
2．基因工程中科学家常采用细菌、酵母菌等微生物作为受体细胞，原因主要是（ ）
A．结构简单，操作方便 B．繁殖速度快
C．遗传物质含量少、简单D．性状稳定，变异少
解析：
选B。
目的基因导入受体细胞后，随着受体细胞的繁殖而复制，由于细菌等微生物繁殖速度非常快，在很短的时间内就能获得大量的目的基因。
因此，基因工程常用的受体细胞有细菌、真菌等。
（1）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。
（2）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。
检测与鉴定目的基因[学生用书P9]
基因表达载体导入受体细胞后，并不是所有细胞都能按照预先设定的有效表达，需要对其检测和鉴定。
结合教材P17最后两段～P18内容完成以下探究。
探究1 观察下图，分析DNA水平检测
（1）由上图可知，DNA分子杂交法的基本原理是：
具有一定同源性的两条核酸单链，在一定条件下（适宜的温度等）按照碱基互补配对原则形成双链。
杂交过程是高度特异性的，杂交的双方是待测的DNA和用放射性同位素标记的已知DNA片段（又称基因探针）。
若待测核酸中有能与探针互补的特异DNA片段，用于示踪的放射性同位素标记将指示其所在的位置，表明目的基因已插入到转基因生物染色体的DNA中。
（2）同理利用DNA和mRNA之间杂交技术，检测目的基因是否转录出mRNA。
（3）蛋白质水平检测：
先从待测转基因生物中提取蛋白质，再利用相应的抗体进行抗原—抗体杂交，若出现杂交带，说明目的基因已表达出相应的蛋白质。
探究2 个体水平检测
检测指标是检测目的基因所控制的性状。
如检测抗虫植物的方法是害虫食用抗虫植株，观察目标是害虫死亡。
分子水平和个体水平上检测和鉴定方法的比较
类型
步骤
检测内容
方法
结果显示
分子
检测
导入
检测
目的基因是否导入受体细胞
DNA分子杂交技术（DNA和DNA之间）
是否成功显示出杂交带
表达
检测
目的基因
是否转录
出mRNA
核酸分子杂交
技术（DNA
和mRNA
之间）
是否成功显示出杂交带
目的基因是否翻译出蛋白质
蛋白质分子杂交（抗原和抗体之间）
是否成功显示出杂交带
个体生物学水平的鉴定
①确定是否具有抗性及抗性程度；
②基因工程产品与天然产品的活性是否相同
①抗虫或抗病的接种实验；
②基因工程产品与天然产品活性的比较
是否赋予了预期抗性或蛋白质活性c
突破1 分子水平的鉴定
1．转基因抗虫棉培育过程中要对Bt基因导入受体细胞后是否可以稳定维持和表达进行检测与鉴定，其中利用到碱基互补配对原则的有（ ）
①检测棉花的DNA上是否插入了Bt基因 ②检测Bt基因是否在棉花细胞转录出mRNA ③检测Bt基因是否在棉花细胞翻译成蛋白质 ④检测Bt基因是否赋予了棉花抗虫特性
A．①② B．①③ C．②③ D．②④
解析：
选A。
检测棉花的DNA上是否插入了Bt基因和检测Bt基因是否在棉花细胞转录出mRNA都是用标记的目的基因作探针进行分子杂交，因此都要进行碱基互补配对；检测Bt基因是否在棉花细胞中翻译成蛋白质需进行抗原—抗体杂交，检测Bt基因是否赋予了棉花抗虫特性需要做抗虫接种实验，这两项技术都没有涉及碱基互补配对原则。
突破2 个体水平上鉴定
2．下列用于判断目的基因是否转移成功的方法中，不属于分子检测的是（ ）
A．通过害虫吃棉叶看其是否死亡
B．转基因生物基因组DNA与DNA探针能否形成杂交带
C．转基因生物中提取的mRNA与DNA探针能否形成杂交带
D．转基因生物中提取的蛋白质能否与抗体形成杂交带
解析：
选A。
分子水平的检测包括三个方面：
通过DNA杂交检测目的基因是否插入到受体细胞染色体DNA上；通过RNA与DNA杂交，检测目的基因是否转录；通过抗原—抗体杂交，检测目的基因是否翻译。
通过害虫吃棉叶看其是否死亡，属于个体生物学水平的检测。
个体水平的鉴定实际上是检测目的基因是否表达出所控制的性状，除抗虫基因外常见检测方法如下表：
转基因生物
检测方法
观察目标
抗病毒
（菌）植物
病毒（菌）感染
未侵染上病斑
抗盐植物
盐水浇灌
正常生长
抗除草剂植物
喷洒除草剂
正常生长
获取目的基因产物的转基因生物
提取细胞产物与天然产品进行功能活性比较
细胞产物功能活性正常
核心知识小结
[网络构建]
[关键语句]
1.获取目的基因的常用方法有：
从基因文库中获取目的基因、利用PCR技术扩增目的基因和通过化学方法直接人工合成。
2.构建基因表达载体是基因工程的核心，一个基因表达载体的组成，除了目的基因外，还必须有启动子、终止子及标记基因。
3.将目的基因导入植物细胞的常用方法有农杆菌转化法。
4.培育转基因动物时，受体细胞一般是受精卵，目的基因的导入方法常用显微注射法。
5.检测目的基因是否导入和转录，常用分子杂交技术；检测目的基因是否翻译，常用抗原—抗体杂交技术；有的还需个体生物学水平的接种实验检测其活性。
[随堂检测]
知识点一 获取目的基因
1．图中甲、乙表示从细菌细胞中获取目的基因的两种方法，以下说法中错误的是（ ）
A．甲方法可建立该细菌的基因组文库
B．乙方法可建立该细菌的cDNA文库
C．甲方法要以脱氧核苷酸为原料
D．乙方法需要逆转录酶参与
解析：
选C。
甲方法是以细菌中的DNA为基础，用限制酶进行切割，它包括了细胞所有的基因，可以建立基因组文库，并且可以从中选出所需的目的基因，不需要模板和原料。
而乙方法是用逆转录的方法人工合成目的基因，它只能得到生物的部分基因，基因中只有编码区，所以组成的是该细菌的cDNA文库。
知识点二 构建基因表达载体
2．在基因表达载体的构建中，下列说法正确的是（ ）
A．一个表达载体的组成只包括启动子、终止子
B．只有存在启动子才能驱动基因转录出mRNA
C．基因表达载体的构建是在生物体的细胞内完成的
D．终止密码子的作用是使转录在所需要的地方停止
解析：
选B。
基因表达载体的构建是基因工程的核心内容，一个表达载体的组成，除了目的基因外，还有启动子、终止子和标记基因等，A错误；启动子在基因的首端，它是RNA聚合酶的结合位点，能控制转录的开始，B正确；基因表达载体的构建是在生物体的细胞外完成的，C错误；终止子在基因的尾端，它控制着转录的结束，而终止密码子是存在于mRNA上的，D错误。
3．如图所示，若用两种识别切割序列完全不同的限制酶E和F从基因组DNA上切下目的基因，并将之取代质粒pZHZ1（3.7kb，1kb＝1000对碱基）上相应的E～F区域（0.2kb），那么所形成的重组质粒pZHZ2（ ）
A．既能被限制酶E也能被限制酶F切开
B．能被限制酶E但不能被限制酶F切开
C．既不能被限制酶E也不能被限制酶F切开
D．能被限制酶F但不能被限制酶E切开
解析：
选A。
由于限制酶具有特异性，同种限制酶切割形成的黏性末端相同，因此由题意可知，限制酶E和F分别切割目的基因和质粒后，目的基因上的两个黏性末端与质粒上的两个黏性末端分别完全相同，因此形成重组质粒后，仍然具有这两种酶的识别序列，所以既能被限制酶E也能被限制酶F切开，故选A。
知识点三 目的基因导入受体细胞
4．我国上海研究所合成一种具有镇痛作用而又不会使病人上瘾的药物——脑啡呔多糖（类似人类中的糖蛋白）。
如要采用基因工程和发酵技术让微生物来生产有生物活性的脑啡呔多糖，应选哪种微生物为受体细胞（ ）
A．大肠杆菌 B．大肠杆菌质粒
C．T4噬菌体D．酵母菌
答案：
D
知识点四 目的基因的检测与鉴定
5．人们常用DNA进行亲子鉴定，其原理是：
从被测试者的血滴或口腔上皮提取DNA，用限制性核酸内切酶将DNA样本切成特定的小片段，放进凝胶内，用电泳推动DNA小片段分离，再使用特别的DNA“探针”去寻找特定的目的基因。
DNA“探针”与相应的基因凝聚在一起，然后，利用特别的染料在X光下，便会显示由DNA“探针”凝聚于一起的黑色条码，被测试者这种肉眼可见的条码很特别，一半与母亲的吻合，一半与父亲的吻合，反复几次上述过程，每一种“探针”用于寻找DNA的不同部位形成的独特的条码，用几组不同的“探针”，可得到超过99.9%的父系分辨率。
请问DNA“探针”是指（ ）
A．某一个完整的目的基因
B．目的基因片段的特定DNA
C．与目的基因相同的特定双链DNA
D．与目的基因互补的特定单链DNA
答案：
D
6．真核生物基因中通常有内含子，而原核生物基因中没有，原核生物没有真核生物所具有的切除内含子对应的RNA序列的机制。
已知在人体中基因A（有内含子）可以表达出某种特定蛋白（简称蛋白A）。
回答下列问题：
（1）某同学从人的基因组文库中获得了基因A，以大肠杆菌作为受体细胞却未得到蛋白A，其原因是___________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（2）若用家蚕作为表达基因A的受体，在噬菌体和昆虫病毒两种载体中，不选用____________作为载体，其原因是________________________________________________
________________________________________________________________________。
（3）若要高效地获得蛋白A，可选用大肠杆菌作为受体。
因为与家蚕相比，大肠杆菌具有________________________________________________________________________
（答出两点即可）等优点。
（4）若要检测基因A是否翻译出蛋白A，可用的检测物质是________________（填“蛋白A的基因”或“蛋白A的抗体”）。
（5）艾弗里等人的肺炎双球菌转化实验为证明DNA是遗传物质做出了重要贡献，也可以说是基因工程的先导，如果说他们的工作为基因工程理论的建立提供了启示，那么，这一启示是________________________________________________________________________。
解析：
（1）人为真核生物，从人的基因组文库中获取的基因A含有内含子，基因A转录出的产物中有与内含子对应的RNA序列。
大肠杆菌为原核生物，没有真核生物所具有的切除内含子对应的RNA序列的机制，因此以大肠杆菌作为受体细胞，不能切除内含子对应的RNA序列，无法表达出蛋白A。
（2）噬菌体和动物病毒均可作为基因工程的载体，但它们的宿主细胞不同。
题中受体为家蚕，是一种昆虫，因此，选择昆虫病毒作为载体；噬菌体的宿主是细菌，不适合作为该实验的载体。
（3）大肠杆菌具有繁殖快、容易培养、单细胞、遗传物质少等优点，因此，常作为基因工程的受体细胞。
（4）常用抗原—抗体杂交的方法检测目的基因是否表达，故能用于检测蛋白A的物质为蛋白A的抗体。
（5）艾弗里等人的肺炎双球菌转化实验中，S型菌的DNA转移到了R型菌体内，其对基因工程理论的建立提供的启示是DNA可以从一种生物个体转移到另一种生物个体。
答案：
（1）基因A有内含子，在大肠杆菌中，其初始转录产物中与内含子对应的RNA序列不能被切除，无法表达出蛋白A
（2）噬菌体 噬菌体的宿主是细菌，而不是家蚕
（3）繁殖快、容易培养
（4）蛋白A的抗体
（5）DNA可以从一种生物个体转移到另一种生物个体
[课时作业]
一、选择题
1．下列属于获取目的基因的方法的是（ ）
①利用mRNA反转录形成 ②从基因文库中提取
③从受体细胞中提取 ④利用PCR技术 ⑤利用DNA转录 ⑥人工合成
A．①②③⑤B．①②⑤⑥
C．①②③④D．①②④⑥
解析：
选D。
获取目的基因的方法包括从基因文库中获取目的基因、利用PCR技术扩增目的基因和利用DNA合成仪用化学方法直接人工合成。
目的基因属于外源基因，不能从受体细胞中提取，利用DNA转录合成的是RNA，不是目的基因。
2．如图为基因工程的部分过程示意图，甲～丁代表各不同阶段参与的成分。
根据图中的资料，下列叙述正确的是（ ）
A．甲可以是细菌的质粒
B．乙是某种激素分子
C．丙可以是植物的RNA分子
D．丁为抗体分子
解析：
选A。
甲、乙、丙、丁分别为质粒、限制酶、目的基因、DNA连接酶。
3．下列不属于基因表达载体构建过程的是（ ）
A．用一定的限制性核酸内切酶切割质粒露出黏性末端
B．用同一种限制性核酸内切酶切割目的基因露出黏性末端
C．将切下的目的基因的片段插入到质粒切口处
D．将重组DNA导入受体细胞中进行扩增
解析：
选D。
用同一种限制性核酸内切酶切割目的基因和载体露出相同的黏性末端，便于目的基因和载体的连接，还可能用其他限制性核酸内切酶切割载体以便插入启动子和终止子。
4．中美科学家通过改变一种名为NR2B的基因研制出了转基因超级小鼠Hobbie J，Hobbie J比普通老鼠更加聪明，大脑运转更加迅速，它能够轻松完成迷宫任务。
下列关于Hobbie J产生过程的描述，错误的是（ ）
A．NR2B基因可通过PCR技术进行扩增
B．改变后的NR2B基因作为目的基因，可直接注入小鼠受精卵内
C．通常采用显微注射技术将改变后的NR2B基因重组质粒导入小鼠受精卵内
D．可采用基因探针检测改变后的NR2B基因是否导入小鼠体内
解析：
选B。
PCR技术可在体外大量扩增目的基因，A正确；改变后的NR2B基因作为目的基因，需要与运载体结合后才可导入小鼠受精卵内，B错误；将目的基因导入动物细胞常用显微注射技术，C正确；可采用基因探针检测改变后的NR2B基因是否导入小鼠体内，D正确。
5．水母发光蛋白由236个氨基酸构成，其中Asp、Gly
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