届高三生物第1部分 板块6 专题15 第1讲 基因工程和细胞工程 Word版含答案.docx

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届高三生物第1部分板块6专题15第1讲基因工程和细胞工程Word版含答案

专题十五　现代生物科技专题

第1讲　基因工程和细胞工程

全国卷5年考情导向

考点

考题

考情

1.基因工程的诞生（Ⅰ）

1.近五年的全国卷高考试题中对于基因工程的考查频度较高，侧重考查操作工具的种类、功能以及操作基本程序的应用等。

动物细胞工程技术中的核移植技术及单克隆抗体的制备也有所考查。

2．题目常借助简洁的文字材料或模式图等考查有关基因工程、动物细胞工程的原理、技术手段等，尤为注重对教材中一些关键词的填充及对结论性语句的准确表述等。

3．备考时，应从以下四个方面入手复习：

（1）列表比较法掌握限制酶、DNA连接酶和载体的作用。

（2）实例分析法理解基因工程的原理和过程。

（3）列表比较法理解两个不同，即植物组织培养和动物细胞培养的不同、植物体细胞杂交与动物细胞融合的不同。

（4）图解法分析并掌握单克隆抗体制备过程。

2.基因工程的原理及技术（含PCR）（Ⅱ）

2016·丙卷T40：

限制酶的识别序列特点、DNA连接酶的种类及功能、基因表达载体的组成

2016·乙卷T40：

质粒载体具备的基本条件及目的基因的筛选

2015·卷ⅠT40：

目的基因的获取方法

2014·卷ⅡT40：

基因组文库和cDNA文库的概念及基因工程的操作程序

2013·卷IT40：

基因工程的操作工具及农杆菌转化法中农杆菌的作用

2012·课标卷T40：

基因工程的三种操作工具及应用

3.基因工程的应用（Ⅱ）

2014·卷ⅡT40：

利用转基因技术培养耐旱植物

4.蛋白质工程（Ⅰ）

2015·卷ⅡT40：

蛋白质工程的基本途径

2013·卷ⅠT40：

蛋白质工程的概念

5.植物的组织培养（Ⅱ）

2013·卷ⅡT40：

植物体细胞杂交的过程

6.动物的细胞培养与体细胞克隆（Ⅰ）

2016·甲卷T40：

核移植技术的操作过程、原理及结果，动物细胞培养中遗传物质的变化

7.细胞融合与单克隆抗体（Ⅱ）

2014·卷ⅠT40：

杂交瘤细胞的制备

考点串讲1|基因工程与蛋白质工程

1．（2016·全国乙卷）某一质粒载体如图所示，外源DNA插入到Ampr或Tetr中会导致相应的基因失活（Ampr表示氨苄青霉素抗性基因，Tetr表示四环素抗性基因）。

有人将此质粒载体用BamHⅠ酶切后，与用BamHⅠ酶切获得的目的基因混合，加入DNA连接酶进行连接反应，用得到的混合物直接转化大肠杆菌。

结果大肠杆菌有的未被转化，有的被转化。

被转化的大肠杆菌有三种，分别是含有环状目的基因、含有质粒载体、含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌。

回答下列问题：

（1）质粒载体作为基因工程的工具，应具备的基本条件有________（答出两点即可），而作为基因表达载体，除满足上述基本条件外，还需具有启动子和终止子。

（2）如果用含有氨苄青霉素的培养基进行筛选，在上述四种大肠杆菌细胞中，未被转化的和仅含环状目的基因的细胞是不能区分的，其原因是____________；并且________________和________________的细胞也是不能区分的，其原因是________。

在上述筛选的基础上，若要筛选含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌单菌落，还需使用含有________的固体培养基。

（3）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于________。

【解析】　

（1）质粒作为载体，应具备的基本条件有：

有一个至多个限制酶切割位点，供外源DNA片段（基因）插入其中；在受体细胞中能自我复制，或能整合到染色体DNA上，随染色体DNA进行同步复制；有特殊的标记基因，供重组DNA的鉴定和选择；等等。

（2）在培养基中加入氨苄青霉素进行筛选，其中未被转化的大肠杆菌和仅含环状目的基因的大肠杆菌，因不含氨苄青霉素抗性基因而都不能在此培养基上存活，二者不能区分。

含有质粒载体的大肠杆菌和含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌中都含有氨苄青霉素抗性基因，都能在此培养基上存活，二者也不能区分。

若要将含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌进一步筛选出来，还需要使用含有四环素的固体培养基。

（3）某些噬菌体经改造后作为载体，导入受体细胞后，其DNA复制所需的原料来自于受体细胞。

【答案】　

（1）能自我复制、具有标记基因（答出两点即可）

（2）二者均不含有氨苄青霉素抗性基因，在该培养基上均不生长　含有质粒载体　含有插入了目的基因的重组质粒（或答含有重组质粒）　二者均含有氨苄青霉素抗性基因，在该培养基上均能生长　四环素　（3）受体细胞

2．（2016·全国丙卷）图（a）中的三个DNA片段上依次表示出了EcoRⅠ、BamHⅠ和Sau3AⅠ三种限制性内切酶的识别序列与切割位点，图（b）为某种表达载体的示意图（载体上的EcoRⅠ、Sau3AⅠ的切点是唯一的）。

图（a）

图（b）

根据基因工程的有关知识，回答下列问题：

（1）经BamHⅠ酶切后得到的目的基因可以与上述表达载体被________酶切后的产物连接，理由是__________________________________________________

___________________________________________________________。

（2）若某人利用图（b）所示的表达载体获得了甲、乙、丙三种含有目的基因的重组子，如图（c）所示。

这三种重组子中，不能在宿主细胞中表达目的基因产物的有________，不能表达的原因是______________________________________

__________________________________________________________。

图（c）

（3）DNA连接酶是将两个DNA片段连接起来的酶，常见的有________和________，其中既能连接黏性末端又能连接平末端的是___________________________________________________________。

【解析】　

（1）由题图可知，BamHⅠ和Sau3AⅠ两种限制性内切酶的共同识别序列是

，二者切割可以形成相同的黏性末端，因此经BamHⅠ酶切得到的目的基因可以与图（b）所示表达载体被Sau3AⅠ酶切后的产物连接。

（2）在基因表达载体中，启动子应位于目的基因的首端，终止子应位于目的基因的尾端，这样基因才能顺利地转录，再完成翻译过程，即顺利表达。

图中甲所示的目的基因插入在启动子的上游，丙所示目的基因插入在终止子的下游，二者的目的基因均不能被转录，因此目的基因不能表达。

（3）常见的DNA连接酶有E.coliDNA连接酶和T4DNA连接酶，其中T4DNA连接酶既能连接黏性末端又能连接平末端。

【答案】　

（1）Sau3AⅠ　两种酶切割后产生的片段具有相同的黏性末端　

（2）甲和丙　甲中目的基因插入在启动子的上游，丙中目的基因插入在终止子的下游，二者的目的基因均不能被转录（其他合理答案可酌情给分）

（3）E.coliDNA连接酶　T4DNA连接酶　T4DNA连接酶（其他合理答案可酌情给分）

3．（2015·全国卷Ⅱ）已知生物体内有一种蛋白质（P），该蛋白质是一种转运蛋白，由305个氨基酸组成。

如果将P分子中158位的丝氨酸变成亮氨酸，240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸，改变后的蛋白质（P1）不但保留P的功能，而且具有了酶的催化活性。

回答下列问题：

（1）从上述资料可知，若要改变蛋白质的功能，可以考虑对蛋白质的________进行改造。

（2）以P基因序列为基础，获得P1基因的途径有修饰________基因或合成________基因。

所获得的基因表达时是遵循中心法则的，中心法则的全部内容包括________的复制，以及遗传信息在不同分子之间的流动，即：

________________________________________________________________

___________________________________________________________。

（3）蛋白质工程也被称为第二代基因工程，其基本途径是从预期蛋白质功能出发，通过________和________，进而确定相对应的脱氧核苷酸序列，据此获得基因，再经表达、纯化获得蛋白质，之后还需要对蛋白质的生物________进行鉴定。

【解析】　

（1）从题中所述资料可知，将P分子中158位的丝氨酸变成亮氨酸，240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸后，该蛋白质的功能发生了改变，此过程是通过对构成蛋白质的氨基酸的排列顺序进行改造，进而改变了蛋白质的结构，从而改变了蛋白质的功能。

（2）在蛋白质工程中，目的基因可以以P基因序列为基础，对生物体内原有P基因进行修饰，也可以通过人工合成法合成新的P1基因。

中心法则的内容如下图所示：

由图可知，中心法则的全部内容包括：

DNA以自身为模板进行的复制，DNA通过转录将遗传信息传递给RNA，最后RNA通过翻译将遗传信息表达成蛋白质；在某些病毒中RNA可自我复制（如烟草花叶病毒等），某些病毒能以RNA为模板逆转录合成DNA（如HIV），这是对中心法则的补充。

（3）蛋白质工程的基本途径是预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→合成DNA→表达出蛋白质，经过该过程得到的蛋白质，需要对其生物功能进行鉴定，以保证其发挥正常作用。

【答案】　

（1）氨基酸序列（或结构）

（2）P　P1　DNA和RNA（或遗传物质）　DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质（或转录、逆转录、翻译）

（3）设计蛋白质的结构　推测氨基酸序列　功能

1．理清基因工程3种操作工具的作用及特点

限制酶

DNA连接酶

载体

作用

切割目的基因和载体

拼接DNA片段，形成重组DNA

携带目的基因进入受体细胞

作用

部位

两个核苷酸之间的磷酸二酯键

－

作用

特点

（或条

件）

①识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列

②在特定位点上切割　

①E·coliDNA连接酶只能连接黏性末端

②T4DNA连接酶能连接黏性末端和平末端

①能在宿主细胞内稳定存在并大量复制

②有多个限制酶切割位点

③具有特殊的标记基因

常用

类型

EcoRⅠ限制酶

SmaⅠ限制酶

E·coliDNA连接酶、T4DNA连接酶

质粒、λ噬菌体的衍生物、动植物病毒等

2.掌握基因工程的四个操作步骤

（1）牢记获取目的基因的两种途径

①直接分离：

从自然界已有的物种中分离，如从基因文库中获取。

②人工合成目的基因（常用方法如下）

a、化学合成法：

已知核苷酸序列的较小基因，直接利用DNA合成仪用化学方法合成，不需要模板。

b、人工合成法：

以RNA为模板，在逆转录酶作用下人工合成。

c、利用PCR技术扩增。

（2）明确基因工程的核心是基因表达载体的构建

①组成：

目的基因＋启动子＋终止子＋标记基因。

启动子≠起始密码，终止子≠终止密码。

a、启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位，启动转录；终止子是终止转录的位点。

b、插入的目的基因只是结构基因部分，其表达需要调控序列，因而用作载体的质粒的插入部位前需要有启动子，后需要有终止子。

②构建过程：

（3）将目的基因导入受体细胞的方法辩析

①受体细胞种类不同，导入方法不同

生物种类

植物细胞

动物细胞

微生物细胞

常用方法

农杆菌转化法

显微注射法

转化法

受体细胞

体细胞

受精卵

原核细胞

转化

过程

将目的基因插入到Ti质粒的T－DNA上→导入农杆菌→侵染植物细胞→整合到受体细胞的染色体DNA上→表达

将含有目的基因的表达载体提纯→取卵（受精卵）→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的动物

Ca2＋处理细胞→感受态细胞→重组表达载体与感受态细胞混合→感受态细胞吸收DNA分子　

②基因工程产物不同、选择的受体细胞类型也不相同

a、培育转基因植物：

受体细胞可以是受精卵、体细胞（需经植物组织培养成为完整植株）。

b、培育转基因动物：

受体细胞为受精卵，若用体细胞作为受体细胞，则需经核移植技术培养成转基因动物。

c、生产蛋白质产品：

一般选用大肠杆菌等原核生物作为受体细胞，因原核生物具有一些其他生物没有的特点，如繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少等。

（4）目的基因的检测与鉴定：

3．填写蛋白质工程流程图中字母代表的含义

A．转录，B.翻译，C.分子设计，D.氨基酸序列，E.预期功能。

考向1考查基因工程的操作及PCR技术

1．中美研究人员发现了PYL9蛋白（一种提高植物抗旱性的蛋白），利用转基因技术让水稻自身产生大量PYL9蛋白，可显著提高其抗旱性。

请回答下列问题：

（1）已知PYL9蛋白的氨基酸序列，培育转基因抗旱水稻可用________的方法来获得目的基因。

构建基因表达载体用到的工具酶是________________。

（2）导入目的基因的重组细胞可通过________________技术培育成完整植株，这一过程体现了______________。

（3）目的基因若在水稻细胞中表达，遗传信息流向是__________________；检测水稻细胞中是否存在PYL9蛋白，在分子水平上采用的方法是____________。

（4）经研究发现PYL9蛋白是位于细胞膜上的一种脱落酸受体。

干旱环境中水稻老叶内脱落酸的含量增加，能加速________________，将节省的水分和养料转移到幼叶和芽中，增强了幼叶和芽的存活率。

PYL9蛋白的作用能体现细胞膜____________________的功能。

【解析】　

（1）已知氨基酸序列，所以可以用人工合成的方法来获得目的基因。

构建基因表达载体用到限制酶和DNA连接酶，限制酶用来切割目的基因和运载体，DNA连接酶将其连接。

（2）导入目的基因后，重组细胞是通过植物组织培养技术经过脱分化和再分化培育成完整植株，这一过程体现了植物细胞的全能性。

（3）目的基因在水稻细胞中表达时，遗传信息流向是：

从目的基因转录形成mRNA，再经过翻译流向蛋白质。

要检测蛋白质是否表达应采用抗原—抗体杂交，如果出现杂交带，说明表达成功。

（4）脱落酸含量增加能促进衰老叶片的衰老与脱落，将节省的水分和养料转移到幼叶和芽中，增强了幼叶和芽的存活率。

该蛋白是受体，能识别信息，所以体现了细胞膜进行细胞间信息交流的功能。

【答案】　

（1）人工合成　限制性核酸内切酶（限制酶）和DNA连接酶　

（2）植物组织培养　植物细胞的全能性　（3）目的基因→mRNA→蛋白质　抗原—抗体杂交　（4）老叶的衰老与脱落　进行细胞间的信息交流

2．苦荞是一种有名的经济植物，其含有的黄酮类化合物具有降血糖、血脂等功效。

CHS是合成黄酮类化合物的关键酶。

有人把经修饰的CHS基因导入苦荞细胞中，培育高产黄酮苦荞品系。

按图示回答：

【导学号：

15482075】

（1）过程①中将修饰后的CHS基因与Ti质粒连接成重组Ti质粒的酶称为________。

这种酶主要有两类，一类是从T4噬菌体中分离得到的，另一类是从大肠杆菌中分离得到的，称为________。

这两类酶都能恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的________键。

（2）图中将修饰后的CHS基因导入苦荞体细胞的方法称为________，除此外还可以利用的方法有____________________。

对过程②操作前，需先用Ca2＋处理农杆菌，使其成为________细胞。

（3）检测转基因苦荞培育是否成功，不能用抗原—抗体杂交技术进行检测的原因是________________________________________________，可以比较转基因苦荞与普通苦荞的________含量或测定细胞中CHS含量进行鉴定。

【解析】　

（1）连接重组质粒需要DNA连接酶，该酶的来源有直接从T4噬菌体中分离的T4DNA连接酶，还有从大肠杆菌中分离出的E·coliDNA连接酶，DNA连接酶作用的对象为磷酸二酯键。

（2）细菌的质粒一般用农杆菌转化法导入苦荞体细胞，其它方法还有基因枪法、花粉管通道法。

Ca2＋处理农杆菌，使其成为感受态细胞。

（3）转基因苦荞与普通苦荞植株中均含有黄酮类化合物，用抗原—抗体杂交，无法检测转基因苦荞是否培育成功。

可以比较转基因苦荞与普通苦荞的黄酮类化合物的含量或细胞中CHS的含量进行判断。

【答案】　

（1）DNA连接酶　E．coliDNA连接酶　磷酸二酯　

（2）农杆菌转化法　基因枪法、花粉管通道法　感受态　（3）转基因苦荞植株与普通苦荞植株都含有黄酮类化合物　黄酮类化合物

3．RT－PCR是将RNA逆转录（RT）和cDNA的聚合酶链式扩增反应相结合的技术，具体过程如图所示：

（1）过程Ⅰ需要加入缓冲液、原料、________、________和引物A等。

（2）过程Ⅱ首先要将反应体系的温度升高到95℃，其目的是__________________________，该反应体系中所用的Taq酶至少应能耐受________℃。

（3）过程Ⅱ拟对单链cDNA进行n次循环的扩增，理论上至少需要________个引物B。

（4）利用RT－PCR技术获取的目的基因________（填“能”或“不能”）在物种之间交流；该技术还可用于对某些微量RNA病毒的检测，可提高检测的灵敏度，原因是_________________________________________________________

_____________________________________________________________。

（5）RT－PCR过程中主要借助对________的控制，影响酶的活性，从而使得化学反应有序高效地进行。

【解析】　本题考查PCR技术的相关内容。

（1）过程Ⅰ是由mRNA形成cDNA的过程，表示逆转录，需要加入缓冲液、原料、RNA提取物、逆转录酶和引物A等。

（2）过程Ⅱ首先要将反应体系的温度升高到95℃，其目的是让逆转录酶变性失活、使mRNA－cDNA杂合双链解开，该反应体系中所用的Taq酶至少应能耐受95℃。

（3）过程Ⅱ拟对单链cDNA进行n次循环的扩增，理论上至少需要2n－1个引物B。

因为PCR扩增DNA片段过程最高经过n次扩增，形成的DNA分子数是2n个，其中只有2条单链不含有引物。

（4）利用RT－PCR技术获取的目的基因能在物种之间交流；该技术还可用于对某些微量RNA病毒的检测，可提高检测的灵敏度，原因是增加了待测RNA逆转录产生的DNA的数量（或浓度），便于检测。

（5）RT－PCR过程中主要借助对温度的控制，影响酶的活性，从而使得化学反应有序高效地进行。

【答案】　

（1）RNA提取物　逆转录酶　

（2）让逆转录酶变性失活、使mRNA－cDNA杂合双链解开　95　（3）2n－1　（4）能　增加了待测RNA逆转录产生的DNA的数量（或浓度），便于检测　（5）温度

有关基因工程的4个易错点

1．将目的基因导入受体细胞没有碱基互补配对现象。

2．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。

3．一般情况下，用同一种限制酶切割质粒和含有目的基因的片段，但有时可用两种限制酶分别切割质粒和目的基因，以避免质粒和质粒之间、目的基因和目的基因之间的连接。

4．有关标记基因的易错点

（1）一般将一些抗性基因作为标记基因；

（2）标记基因的主要作用是鉴定和筛选含有目的基因的受体细胞；

（3）标记基因表达产物对什么物质有抗体，在筛选培养时则在培养基中加入什么物质；

（4）标记基因若被插入了外源DNA片段，则该标记基因会被破坏。

考向2基因工程、蛋白质工程与胚胎工程的综合考查

4．镰刀型细胞贫血症是一种单基因遗传病，患者的血红蛋白分子β肽链第6位的谷氨酸被缬氨酸代替，导致功能异常。

回答下列问题：

（1）异常血红蛋白的氨基酸序列改变的根本原因是编码血红蛋白基因的________序列发生改变。

（2）将正常的血红蛋白基因导入患者的骨髓造血干细胞中，可以合成正常的血红蛋白达到治疗的目的。

此操作________（填“属于”或“不属于”）蛋白质工程，理由是该操作____________________。

（3）用基因工程方法制备血红蛋白时，可先提取早期红细胞中的________，以其作为模板，在________酶的作用下反转录合成cDNA。

cDNA与载体需在______________酶的作用下，拼接构建基因表达载体，导入受体菌后进行表达。

（4）检测受体菌是否已合成血红蛋白，可从受体菌中提取________，用相应的抗体进行________杂交，若出现杂交带，则表明该受体菌已合成血红蛋白。

【解析】　

（1）基因是具有遗传效应的DNA片段，遗传信息储存在基因碱基对的排列顺序中。

（2）蛋白质工程是指通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求，故题中所述不属于蛋白质工程。

（3）利用反转录法获取目的基因时，需先提取mRNA，在逆转录酶的作用下反转录合成cDNA。

cDNA与载体需要在限制酶和DNA连接酶的作用下拼接构建成基因表达载体，才可导入受体菌。

（4）检测目的基因是否翻译成蛋白质，需要从转基因生物中提取蛋白质，用相应的抗体进行抗原—抗体杂交。

【答案】　

（1）碱基对

（2）不属于　没有对现有的蛋白质进行改造

（3）mRNA　逆转录　限制酶和DNA连接

（4）蛋白质　抗原—抗体

5．治疗性克隆对解决供体器官缺乏和器官移植后免疫排斥反应具有重要意义。

流程如下：

（1）过程①采用的是细胞工程中的________________技术，过程②采用的是胚胎工程中的________________技术。

（2）体细胞进行体外培养时，所需气体主要有O2和CO2，其中CO2的作用是维持培养液（基）的________________。

（3）如果克隆过程中需进行基因改造，在构建基因表达载体（重组载体）时必须使用________和________两种工具酶。

基因表达载体上除目的基因外，还需有________________基因，以便选出成功导入基因表达载体的细胞。

（4）胚胎干细胞可以来自于囊胚中的________________。

在一定条件下，胚胎干细胞可以分化形成不同的组织器官。

若将图中获得的组织器官移植给个体________________（填“A”或“B”），则不会发生免疫排斥反应。

【解析】　

（1）过程①表示细胞核与去核卵母细胞结合，即核移植技术；过程②表示早期胚胎培养技术。

（2）体细胞进行体外培养时，CO2气体的主要作用是维持培养液（基）的pH（或酸碱度）。

（3）构建基因表达载体时需要限制酶和DNA连接酶两种工具酶；基因表达载体上的标记基因的作用是便于筛选出成功导入基因表达载体的细胞。

（4）囊胚的内细胞团细胞具有发育的全能性，属于胚胎干细胞。

在图示过程中，B个体提供的是细胞核，分化形成的组织器官的性状主要是由来自B的遗传物质决定的，因此体外培养获得的组织器官移入个体B不会发生免疫排斥反应。

【答案】　

（1）（体细胞）核移植　（早期）胚胎培养　

（2）pH（或：

酸碱度）　（3）限制性（核酸）内切酶（或：

限制酶）　DNA连接酶（注：

两空可颠倒）　标记　（4）内细胞团　B

[归纳总结]　　基因工程与蛋白质工程的关系

项目

蛋白质工程

基因工程

区　

别

过程

预期的蛋白质功能