版高考生物一轮总复习现代生物科技专题第33讲基因工程学案.docx
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版高考生物一轮总复习现代生物科技专题第33讲基因工程学案
第33讲 基因工程
考试标准
加试
考试标准
加试
1.工具酶的发现和基因工程的诞生
a
3.基因工程的应用
a
2.基因工程的原理和技术
b
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
1．基因工程的含义
（1）概念：
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。
（3）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。
2．基因工程的基本工具
思考讨论
1．已知限制性核酸内切酶EcoRⅠ和SmaⅠ识别的碱基序列和酶切位点分别为G↓AATTC和CCC↓GGG，两种限制性核酸内切酶切割DNA后产生的末端如下：
EcoRⅠ限制性核酸内切酶和SmaⅠ限制性核酸内切酶识别的碱基序列不同，切割位点不同（填“相同”或“不同”），说明限制性核酸内切酶具有专一性。
2．观察下图所示过程，回答需要的工具酶及相关问题：
（1）①是限制性核酸内切酶；②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．载体须具备的条件及其作用（连线）
4．限制性核酸内切酶MunⅠ和限制性核酸内切酶EcoRⅠ的识别序列及切割位点分别是—C↓AATTG—和—G↓AATTC—。
如图表示四种质粒和目的基因，其中，箭头所指部位为限制性核酸内切酶的识别位点，质粒的阴影部分表示标记基因。
适于作为图示目的基因载体的质粒是下列①～④中的哪一个？
提示 由图可知，质粒②上无标记基因，不适合作为载体；质粒③和④的标记基因上都有限制性核酸内切酶的识别位点。
只有质粒①上有标记基因，且MunⅠ的切割位点不在标记基因上。
题型 基因工程的操作工具
1．如图为DNA分子在不同酶的作用下所发生的变化，下面选项中能依次表示限制性核酸内切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶、解旋酶作用顺序的是（ ）
A．①②③④B．①②④③
C．①④②③D．①④③②
答案 C
解析 限制性核酸内切酶可在特定位点对DNA分子进行切割；DNA聚合酶在DNA分子复制时将脱氧核苷酸连接成脱氧核苷酸链；DNA连接酶可将限制性核酸内切酶切开的磷酸二酯键连接在一起；解旋酶的作用是将DNA双链解开，为复制或转录提供模板。
2．（2017·常州模拟）若要利用某目的基因（见图甲）和P1噬菌体载体（见图乙）构建重组DNA（见图丙），限制性核酸内切酶的酶切位点分别是BglⅡ（A↓GATCT）、EcoRⅠ（G↓AATTC）和Sau3AⅠ（↓GATC）。
下列分析合理的是（ ）
A．用EcoRⅠ切割目的基因和P1噬菌体载体
B．用BglⅡ和EcoRⅠ切割目的基因和P1噬菌体载体
C．用BglⅡ和Sau3AⅠ切割目的基因和P1噬菌体载体
D．用EcoRⅠ和Sau3AⅠ切割目的基因和P1噬菌体载体
答案 D
解析 解答本题的关键是要看清切割后目的基因插入的方向，只有用EcoRⅠ和Sau3AⅠ切割目的基因和P1噬菌体载体，构建的重组DNA中RNA聚合酶在插入的目的基因上的移动方向才一定与图丙相同。
几种易混淆酶的比较
名称
功能
应用
限制性核
酸内切酶
特异性地切断DNA链中的磷酸二酯键
重组DNA技术和基因诊断
DNA
连接酶
连接DNA片段之间的磷酸二酯键
基因工程
DNA
聚合酶
连接DNA片段与单个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键
DNA复制
RNA
聚合酶
连接RNA片段与单个核糖核苷酸之间的磷酸二酯键
RNA复制和转录
逆转录酶
作用于磷酸二酯键
以RNA为模板获得DNA
解旋酶
使碱基对之间的氢键断裂
DNA复制
DNA
水解酶
使DNA分子所有磷酸二酯键断裂
水解DNA
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DNA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
①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。
②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
①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。
②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
基因工程与遗传育种
转基因植物
所需时间短，克服了远缘亲本难以亲合的缺陷
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
基因工程与疾病治疗
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
思考讨论
1．重组DNA分子的组成及各部分的作用（连线）
2．据图选择相关的限制性核酸内切酶
基因工程中，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Ⅰ的识别序列和切割位点是－G↓GATCC－；限制性核酸内切酶Ⅱ的识别序列和切割位点是－↓GATC－。
请据图分析：
切割目的基因应选择限制性核酸内切酶Ⅱ，切割质粒应选择限制性核酸内切酶Ⅰ。
3．完成下列填充
（1）原核生物作为受体细胞的优点：
繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少。
（2）转化的实质是把目的基因整合到受体细胞基因组中。
4．补充目的基因检测与鉴定的方法示意图
5．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，可以获得相同的粘性末端，便于形成重组DNA分子。
（2）该实例中，检测目的基因是否表达的常见方法是什么？
提示 用棉叶饲喂棉铃虫。
题型一 基因工程的操作程序
1．（2017·北京，5）为了增加菊花花色类型，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EcoRⅠ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 在构建基因表达载体时，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EcoRⅠ的切割位点，选用限制性核酸内切酶EcoRⅠ切割目的基因和载体，A项正确；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项正确；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项错误；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项正确。
2．（2017·诸暨中学统考）科学家将外源目的基因与大肠杆菌的质粒进行重组，并在大肠杆菌中成功表达。
下图表示构建重组质粒和筛选含目的基因的大肠杆菌的过程。
请据图回答下列问题：
（1）步骤①和②中常用的工具酶是________________和________________。
（2）经过①和②步骤后，有些质粒上的__________基因内插入了外源目的基因，形成重组质粒。
（3）步骤③是________________的过程。
为了促进该过程，应该用________处理大肠杆菌。
（4）步骤④是将三角瓶内的大肠杆菌接种到含有四环素的培养基A上培养，目的是筛选____________________。
能在A中生长的大肠杆菌有________种。
（5）步骤⑤是用无菌牙签挑取A上的单个菌落，分别接种到B（含氨苄青霉素和四环素）和C（含四环素）两个培养基的相同位置上。
一段时间后，菌落的生长状况如上图所示。
含有目的基因的菌落位于（填“B”或“C”）________上，请在图中相应位置上圈出来。
答案
（1）限制性核酸内切酶 DNA连接酶
（2）氨苄青霉素抗性 （3）将重组质粒导入大肠杆菌 氯化钙 （4）含四环素抗性基因的大肠杆菌 2 （5）C 如下图所示
解析
（1）步骤①和②是将目的基因和质粒用同种限制性核酸内切酶进行切割，得到相同的粘性末端，然后用DNA连接酶将二者连接起来，形成重组质粒。
（2）质粒上有氨苄青霉素抗性基因和四环素抗性基因，根据步骤①和②构建的重组质粒的图像可知，部分质粒的氨苄青霉素抗性基因中插入了目的基因。
（3）据题图可知，步骤③是将重组质粒导入受体细胞大肠杆菌中；氯化钙处理可增加大肠杆菌细胞壁的通透性，增强其对重组质粒的吸收能力。
（4）由于质粒上具有四环素抗性基因，且未被目的基因插入，因此，凡是导入质粒的大肠杆菌均对四环素具有抗性，可以存活，没有导入质粒的不能存活，于是可以筛选出含四环素抗性基因的大肠杆菌；能够在A上生长的大肠杆菌有2种，分别是导入空白质粒的大肠杆菌和导入重组质粒的大肠杆菌。
（5）目的基因的插入破坏了氨苄青霉素抗性基因，因此含有目的基因的大肠杆菌无法在含氨苄青霉素的培养基B上存活，但能在C上存活，其所在位置即为B中未长出而C中长出菌落的位置。
基因工程操作中的6个易错点
（1）目的基因的插入位点不是随意的。
基因表达需要启动子与终止子的调控，所以目的基因应插入到启动子与终止子之间的部位。
（2）基因工程操作过程中只有第三步（将重组DNA分子导入受体细胞）没有碱基互补配对现象。
第一步存在逆转录法获得DNA，第二步存在粘性末端连接现象，第四步检测存在分子水平杂交方法。
（3）原核生物作为受体细胞的优点：
繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少。
（4）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。
（5）目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程，称为转化。
转化的实质是目的基因整合到受体细胞染色体基因组中。
（6）不熟悉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，常见的有抗生素抗性基因、发光基因（表达产物为带颜色的物质）等。
题型二 基因工程的原理和应用
3．（2017·河西区一模）如图是利用基因工程培育抗虫植物的示意图。
以下相关叙述，正确的是（ ）
A．①、②的操作中使用了限制性核酸内切酶和DNA聚合酶
B．③→④过程利用了膜的结构特性，显微镜下观察③细胞的Ti质粒是筛选标志之一
C．应用DNA探针技术，可检测④细胞中目
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