届一轮复习人教版 第34讲基因工程 教案.docx

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届一轮复习人教版第34讲基因工程教案

●选修3　现代生物科技专题●

第十单元　现代生物科技专题

第34讲　基因工程

[考纲明细]　1.基因工程的诞生（Ⅰ）　2.基因工程的原理及技术（含PCR技术）（Ⅱ）　3.基因工程的应用（Ⅱ）　4.蛋白质工程（Ⅰ）　5.实验：

DNA的粗提取与鉴定

考点1　基因工程的操作工具

1.基因工程概念

2.限制酶

（1）存在：

主要存在于原核生物中。

（2）作用：

识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，并使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。

（3）形成末端类型

3.DNA连接酶

（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间的磷酸二酯键。

（2）种类

（3）DNA连接酶和限制酶的关系

4.载体

（1）条件：

能在受体细胞中复制并稳定保存；具有一至多个限制酶切割位点；具有标记基因。

（2）种类

（3）作用：

携带外源DNA片段进入受体细胞。

（4）特点：

可在受体细胞中进行自我复制或整合到染色体DNA上，随染色体DNA进行同步复制。

1.深挖教材

（1）基因工程两种工具酶及质粒的化学本质分别是什么？

提示　限制酶、DNA连接酶其化学本质均为蛋白质。

质粒为环状DNA分子。

（2）限制酶为何不切割自身DNA？

提示　限制酶具有特异性，即一种限制酶只能识别特定的碱基序列，并在特定的位点上进行切割；限制酶不切割自身DNA的原因是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。

2.判断正误

（1）E·coliDNA连接酶既可连接平末端，又可连接黏性末端（×）

（2）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（√）

（3）限制性核酸内切酶、DNA连接酶和质粒是基因工程中常用的三种工具酶（×）

（4）切割质粒的限制性核酸内切酶均能特异性地识别6个核苷酸序列（×）

（5）DNA连接酶能将两碱基间通过形成氢键连接起来（×）

题组一　基因工程工具酶分析

1.如图是表达新基因用的质粒的示意图，若要将目的基因插入到质粒上的A处，则切割基因时可用的是（　　）

A．HindⅢB．EcoRⅠC．EcoBD．PstⅠ

答案　C

解析　A处有BamHⅠ、EcoB、ClaⅠ限制酶的切点，使用A～D中的EcoB切割时，才能让目的基因插入到A处。

2.（2016·全国卷Ⅲ）图a中的三个DNA片段上依次表示出了EcoRⅠ、BamHⅠ和Sau3AⅠ三种限制性核酸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）。

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______________________。

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（其他合理答案也可）

（3）E·coliDNA连接酶　T4DNA连接酶　T4DNA连接酶（其他合理答案也可）

解析　

（1）分析图a可知，限制酶Sau3AⅠ与BamHⅠ切割DNA后形成的黏性末端相同，故经这两种酶切割得到的产物可以用DNA连接酶进行连接。

（2）构建基因表达载体时，为保证目的基因能在宿主细胞中成功表达，目的基因应插入在启动子和终止子之间，据此可判断甲、丙均不符合要求，目的基因均不能表达。

（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。

技法提升

归纳与DNA相关的六种酶

题组二　载体的作用及特点

3.（2016·全国卷Ⅰ）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______________________。

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

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。

（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。

考点2　基因工程的基本程序

1.目的基因的获取

（1）目的基因：

主要指编码蛋白质的基因，也可以是一些具调控作用的因子。

（3）几种目的基因获取方法的比较

（4）PCR技术的原理和反应过程

①PCR原理：

DNA双链复制

②PCR反应过程

③结果：

上述三步反应完成后，一个DNA分子就变成了两个DNA分子，随着重复次数的增多，DNA分子就以2n的形式增加。

PCR的反应过程都是在PCR扩增仪中完成的。

2．基因表达载体的构建——基因工程的核心

（1）目的：

使目的基因在受体细胞中稳定存在，并可遗传给下一代，同时使目的基因能够表达和发挥作用。

（2）基因表达载体的组成

（3）构建过程

3．将目的基因导入受体细胞

4．目的基因的检测与鉴定

（1）分子水平的检测

①利用DNA分子杂交技术检测目的基因的有无。

②利用分子杂交技术检测目的基因的转录。

③利用抗原—抗体杂交技术检测目的基因的翻译。

（2）个体生物学水平的鉴定，如抗虫、抗病的接种实验等。

1．深挖教材

获取目的基因与切割载体时只能用同一种限制酶吗？

提示　①在获取目的基因和切割载体时通常用同一种限制酶，以获得相同的黏性末端。

但如果用两种不同限制酶切割后形成的黏性末端相同，在DNA连接酶的作用下目的基因与载体也可以连接起来。

②为了防止载体或目的基因的黏性末端自己连接即所谓“环化”，可用不同的限制酶分别处理含目的基因的DNA和载体，使目的基因两侧及载体上各自具有两个不同的黏性末端。

2．判断正误

（1）用逆转录法构建的cDNA文库不具有内含子，但有启动子与终止子（×）

（2）检测受体细胞是否导入了目的基因，以及受体细胞中导入的目的基因是否转录出mRNA，可用相同的基因探针进行诊断（√）

（3）目的基因插入到植物细胞染色体上也未必能正常表达（√）

（4）基因的表达需要启动子的调控，与终止子无关（×）

（5）受体细胞中只要有标记基因，则说明目的基因已成功导入（×）

题组一　基因表达载体构建时限制酶的选择

1.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。

2．（2016·江苏高考）下表是几种限制酶识别序列及其切割位点，图1、图2中标注了相关限制酶的酶切位点，其中切割位点相同的酶不重复标注。

请回答下列问题：

（1）用图中质粒和目的基因构建重组质粒，应选用________两种限制酶切割，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BamHⅠ酶切的DNA末端与BclⅠ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Sau3AⅠ切图1质粒最多可能获得________种大小不同的DNA片段。

答案　

（1）BclⅠ和HindⅢ　DNA连接　感受

（2）四环素　引物甲和引物丙

（3）

　都不能　（4）7

解析　

（1）由题图可知，质粒的两个标记基因中都含有BamHⅠ的切点，因此不能用BamHⅠ进行切割，结合题干及表中信息可知也不能用Sau3AⅠ进行切割，所以只能用质粒和目的基因中都含有切点的BclⅠ和HindⅢ这两种限制酶来切割目的基因和质粒。

酶切后的载体和目的基因片段，通过DNA连接酶作用后获得重组质粒。

要将重组质粒转入大肠杆菌，要先用CaCl2处理大肠杆菌，使其处于感受态。

（2）重组质粒中只含有四环素抗性基因这一个标记基因，所以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四环素，含有重组质粒的大肠杆菌能在该平板上长出菌落。

要用PCR扩增目的基因，所用的引物组成为图2中引物甲和引物丙，因为从图2中可以看出，引物甲与引物丙与模板链结合后能完成目的基因的复制。

（3）BamHⅠ酶切的DNA末端是

，BclⅠ酶切的DNA末端是

，这两个末端连接后的连接部位的6个碱基对序列为

，由于连接后的6个碱基对序列中没有BamHⅠ和BclⅠ能识别的酶切位点，故对于该部位BamHⅠ和BclⅠ都不能将其切开。

（4）因为质粒的BamHⅠ和BclⅠ识别序列中都有Sau3AⅠ的识别序列和切割位点，所以用Sau3AⅠ切图1质粒最多可能获得7种大小不同的DNA片段。

Sau3AⅠ切点及得到的7种大小不同的DNA片段情况如下：

①切点在1或2或3的位置可以分别得到1种DNA分子，但其大小相同；②切点在1和2的位置可以得到2种DNA分子；③切点在1和3的位置可以得到2种DNA分子；④切点在2和3的位置可以得到2种DNA分子，故最多可能获得7种大小不同的DNA片段。

技法提升

选择限制酶的方法

（1）根据目的基因两端的限制酶切点确定限制酶的种类

①应选择切点位于目的基因两端的限制酶，如图甲可选择PstⅠ。

②不能选择切点位于目的基因内部的限制酶，如图甲不能选择SmaⅠ。

③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酶切割目的基因和质粒，如图甲也可选择用PstⅠ和EcoRⅠ两种限制酶（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酶的种类

①所选限制酶要与切割目的基因的限制酶相一致，以确保具有相同的黏性末端。

②质粒作为载体必须具备标记基因等，所以所选择的限制酶尽量不要破坏这些结构，如图乙中限制酶SmaⅠ会破坏标记基因；如果所选酶的切点不止一个，则切割重组后可能会丢失某些片段，若丢失的片段含复制起点区，则切割重组后的片段进入受体细胞后将不能自主复制。

题组二　PCR技术的原理及应用

3.多聚酶链式反应（PCR技术）是体外酶促合成特异DNA片段的一种方法，由高温变性、低温退火及适温延伸等几步反应组成一个周期，循环进行，使目的DNA得以迅速扩增，其简要过程如图所示。

下列关于PCR技术叙述不正确的是（　　）

A．PCR技术是在实验室中以少量DNA制备大量DNA的技术

B．反应中新合成的DNA又可以作为下一轮反应的模板

C．PCR技术中以核糖核苷酸为原料，以指数方式扩增

D．应用PCR技术与探针杂交技术可以检测基因突变

答案　C

解析　PCR技术是体外大量扩增DNA的技术，即以少量DNA制备大量DNA的技术，A正确；PCR技术的原理是DNA双链复制，反应中新合成的DNA又可以作为下一轮反应的模板，所需原料是脱氧核苷酸，并以指数方式扩增，B正确，C错误；应用PCR技术与探针杂交技术可以检测基因突变，D正确。

4．（2017·江西赣州一模）黑麦草具有抗除草剂草甘磷的能力，是因为黑麦草拥有编码抗草甘磷酶的基因。

科学家利用该基因通过转基因技术获得了抗除草剂草甘磷的玉米新品种，培育新品种过程中用到了PCR技术（如图所示），请回答下列问题：

（1）通过反转录法得到________文库，从中选取抗草甘磷酶的基因。

该方法获得的目的基因缺少基因表达所需的调控序列，即________和________。

（2）体外获得大量编码抗草甘磷酶的基因要利用PCR技术，该技术所依据的原理为________，图中物质A是________，B酶是____________________。

（3）将目的基因导入植物细胞有多种方法，最常用的是________。

（4）若需要对转入抗草甘磷酶的基因的玉米进行个体生物学水平的鉴定，需要对玉米做________操作。

（5）若实验结果不理想，为了提高抗草甘磷酶活性，可以通过________工程设计和改造编码抗草甘磷酶的基因。

答案　

（1）cDNA　启动子　终止子

（2）DNA双链复制　引物　Taq酶（或“耐高温的DNA聚合酶”）

（3）农杆菌转化法　（4）喷洒草甘磷　（5）蛋白质

解析　

（1）通过反转录法得到cDNA文库，从中选取抗草甘磷酶的基因。

采用反转录的方法得到的目的基因没有启动子和终止子。

（2）体外获得大量编码抗草甘磷酶的基因要利用PCR技术，PCR技术以解开的双链作为模板，利用的原理是DNA双链复制，图中物质A是引物，B酶是Taq酶。

（3）将目的基因导入植物细胞有多种方法，最常用的是农杆菌转化法。

（4）若需要对转入抗草甘磷酶的基因的玉米进行个体生物学水平的鉴定，需要对玉米做喷洒草甘磷操作，以检验是否抗草甘磷。

（5）若实验结果不理想，为了提高抗草甘磷酶的活性，可以通过蛋白质工程设计和改造编码抗草甘磷酶的基因。

技法提升

生物体内DNA复制与PCR反应的区别

题组三　基因工程操作程序及实例

5.（2016·海南高考）基因工程又称为DNA重组技术，回答相关问题：

（1）在基因工程中，获取目的基因主要有两大途径，即________和从________中分离。

（2）利用某植物的成熟叶片为材料，同时构建cDNA文库和基因组文库，两个文库相比，cDNA文库中含有的基因数目比基因组文库中的少，其原因是_________________________________________。

（3）在基因表达载体中，启动子是________聚合酶识别并结合的部位。

若采用原核生物作为基因表达载体的受体细胞，最常用的原核生物是________。

（4）将目的基因通过基因枪法导入植物细胞时，常用的携带目的基因的金属颗粒有________和________颗粒。

答案　

（1）人工合成　生物材料

（2）cDNA文库中只含有叶细胞已转录的基因，而基因组文库中含有该植物的全部基因

（3）RNA　大肠杆菌（或答细菌）

（4）金粉　钨粉

解析　

（1）目的基因可以人工合成，也可以从自然界中已有的生物材料中分离得到。

（2）基因组文库构建过程是将某种生物的DNA全部提取出来，用酶切成片段后将DNA片段与载体连接，导入受体菌的群体中储存，故基因组文库包含了某种生物的所有基因；cDNA文库构建过程是用某个发育时期的mRNA反转录产生的cDNA片段与载体连接后导入受体菌的群体中储存，故cDNA文库只包含某种生物的一部分基因，故cDNA文库中含有的基因数目比基因组文库中的少。

（3）启动子是RNA聚合酶识别并结合的部位。

若采用原核生物作为受体细胞，常选用的原核生物是大肠杆菌。

（4）将目的基因通过基因枪法导入植物细胞时，常用的携带目的基因的金属颗粒有钨粉颗粒和金粉颗粒。

6．（2017·山东高三月考）内皮素（ET）是一种含21个氨基酸的多肽。

内皮素主要通过与靶细胞膜上的内皮素受体结合而发挥生物学效应。

ETA是内皮素的主要受体，科研人员试图通过构建表达载体，实现ETA基因在细胞中高效表达，为后期ETA的体外研究奠定基础。

其过程如图（图中SNAP基因是一种荧光蛋白基因，限制酶ApaⅠ的识别序列为C↓CCGGG，限制酶XhoⅠ的识别序列为C↓TCGAG）。

请分析回答：

（1）完成过程①需要的酶是________。

（2）过程③中，限制酶XhoⅠ切割DNA，使________键断开，形成的黏性末端是________。

用两种限制酶切割，获得不同的黏性末端，其主要目的是______________________________________。

（3）过程④中需要________酶，去构建重组质粒。

过程⑥中，要用________预先处理大肠杆菌，使其处于容易吸收外界的DNA的状态。

（4）利用SNAP基因与ETA基因结合构成融合基因，目的是__________________________。

（5）人皮肤黑色素细胞上有内皮素的特异受体，内皮素与黑色素细胞膜上的受体结合后，会刺激黑色素细胞的分化、增殖并激活酪氨酸酶的活性，从而使黑色素急剧增加。

美容时可以利用注射ETA达到美白祛斑效果，试解释原因：

______________________________抑制了内皮素使黑色素细胞增殖和使黑色素增加的作用。

答案　

（1）逆转录酶

（2）磷酸二酯　

　可以使目的基因定向连接到载体上

（3）DNA连接　Ca2＋（或CaCl2）

（4）检测ETA基因能否表达及表达量

（5）ETA能与内皮素结合，减少了内皮素与黑色素细胞膜上内皮素受体的结合

解析　

（1）图中①过程是逆转录过程，需要逆转录酶的催化。

（2）过程③利用限制酶XhoⅠ切割DNA获得目的基因的过程，限制酶使得DNA的磷酸二酯键断开，形成的黏性末端是

。

图中显示利用了两种限制酶切割目的基因和载体，从而获得了不同的黏性末端，可以使目的基因定向连接到载体上。

（3）基因表达载体构建中，需要用DNA连接酶连接目的基因和质粒。

过程⑥重组质粒导入受体细胞的过程，要用Ca2＋（或CaCl2）预先处理大肠杆菌，使其处于容易吸收外界DNA的感受态。

（4）利用SNAP基因与ETA基因结合构成融合基因，可以检测ETA基因能否表达及表达量。

（5）ETA能与内皮素结合，减少了内皮素与黑色素细胞膜上内皮素受体的结合，抑制了内皮素使黑色素细胞增殖和使黑色素增加的作用，从而达到美容的目的。

考点3　基因工程的应用及蛋白质工程

1．基因工程的应用

（1）动物基因工程：

用于提高动物生长速度从而提高产品产量；用于改善畜产品品质；用转基因动物生产药物；用转基因动物作器官移植的供体等。

（2）植物基因工程：

培育抗虫转基因植物（如抗虫棉）、抗病转基因植物（如转基因烟草）和抗逆转基因植物（如抗寒番茄）；利用转基因改良植物的品质（如新花色矮牵牛）。

（3）比较基因治疗与基因诊断

2．蛋白质工程

（1）概念理解

①基础：

蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。

②操作：

基因修饰或基因合成。

③结果：

改造了现有蛋白质或制造出新的蛋白质。

④目的：

根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质结构进行分子设计。

（2）操作过程

从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）。

其流程图如下：

1．深挖教材

对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？

提示　毫无疑问应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质改造，主要原因如下：

①任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过的基因可以遗传下去。

如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。

②对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得多。

2．判断正误

（1）通过转基因技术获得的抗虫棉具有永久抗虫能力（×）

（2）为培育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（×）

（3）由大肠杆菌工程菌获得人的干扰素后可直接应用（×）

（4）蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子的结构（×）

（5）基因治疗是指将缺陷基因诱变为正常基因，基因诊断依据的原理是DNA分子杂交（×）

（6）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（×）

题组一　基因工程应用及实例

1.（2018·江苏南通全真模拟）科学家利用基因工程技术将鱼的抗冻蛋白基因导入番茄，使番茄的耐寒能力大大提高。

在培养转基因番茄的过程中，下列操作不合理的是（　　）

A．可用PCR技术或逆转录法获得抗冻蛋白基因

B．利用选择性培养基对构建的基因表达载体直接筛选

C．利用农杆菌转化法将基因表达载体导入番茄体细胞

D．在低温条件下筛选已导入抗冻蛋白基因的番茄植株

答案　B

解析　基因工程中获取目的基因的方法包括PCR技