学年高中生物第1章基因工程第2课时基因工程的原理和技术学案浙科版选修3.docx

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学年高中生物第1章基因工程第2课时基因工程的原理和技术学案浙科版选修3

第2课时　基因工程的原理和技术

[学习目标]　1.简述基因工程的原理。

2.概述基因工程基本操作的几个步骤。

一、基因工程的原理

1.基本原理：

让人们感兴趣的基因（即目的基因）在宿主细胞中稳定和高效地表达。

2.变异类型：

基因工程属于可遗传变异中的基因重组。

归纳总结

（1）在基因工程中，不同DNA链的断裂和连接产生DNA片段的交换和重新组合，形成了新的DNA分子，在这个操作中交换了DNA片段，故属于基因重组。

（2）基因工程中的基因重组不同于减数分裂过程中的基因重组。

前者属于无性生殖中的基因重组，并发生在不同种生物间，打破了物种间的界限，可以定向地改造生物的遗传特性，此操作均在细胞外进行。

例1

　科学家用纳米技术制造出一种“生物导弹”，可以携带DNA分子。

把它注射入组织中，可以通过细胞的胞吞作用进入细胞内，DNA被释放出来，进入到细胞核内，最终整合到细胞染色体上，成为细胞基因组的一部分，DNA整合到细胞染色体中的过程属于（　　）

A.基因突变B.基因重组

C.基因互换D.染色体畸变

答案　B

解析　基因突变是基因内部结构的改变；染色体畸变是以染色体作为研究对象，探讨染色体结构和数目的变化；基因工程是将外源基因导入受体细胞，得到人们所需要的产物，属于基因重组。

例2

　下列叙述符合基因工程基本原理的是（　　）

A.B淋巴细胞与肿瘤细胞融合，杂交瘤细胞中含有B淋巴细胞中的抗体基因

B.将人的干扰素基因重组到质粒后导入大肠杆菌，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将其DNA整合到细菌DNA上

答案　B

解析　基因工程是在生物体外，通过对DNA分子进行人工“剪切”和“拼接”，对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞内，使目的基因在受体细胞内表达，产生出人类所需要的基因产物，因此，B项为基因工程。

方法技巧

　正确理解基因工程的5个方面

操作对象

人们感兴趣的基因（即目的基因）

需要的基本要素

多种工具酶、目的基因、载体、宿主细胞等

常见目的基因

植物的抗虫基因、抗病基因、抗除草剂基因、人胰岛素基因和人干扰素基因等

完成的场所

体外构建重组DNA分子，宿主细胞内表达

完成的结果

目的基因稳定和高效地表达，产生人们所需的功能物质

二、基因工程的基本操作步骤

1.获得目的基因的方法

（1）已知序列——①用化学方法合成；②用聚合酶链式反应（PCR）扩增。

（2）未知序列——从基因文库中获得。

2.形成重组DNA分子

3.将重组DNA分子导入受体细胞

（1）常用受体细胞：

大肠杆菌、枯草杆菌、酵母菌和动植物细胞等。

（2）导入方法举例：

用质粒作为载体，宿主细胞应该选择大肠杆菌，用氯化钙处理大肠杆菌，增加大肠杆菌细胞壁的通透性，使含有目的基因的重组质粒进入大肠杆菌宿主细胞。

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。

（2）筛选方法举例：

由于质粒上有抗生素如四环素的抗性基因，所以含有这种重组质粒的受体细胞就能够在有四环素的培养基中生长，而没有接纳重组DNA分子的细胞则不能在这种培养基上生长。

经过培养，目的基因能够和质粒一起在宿主细胞内大量扩增。

5.目的基因的表达

（1）目的基因的表达是指目的基因在宿主细胞中表达，产生人们需要的功能物质。

（2）常用方法：

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，若有杂交带出现，表明目的基因已成功表达。

归纳总结

1.获得目的基因的方法

方法

具体操作

从基因文库中

获取目的基因

建立一个包括目的基因在内的基因文库，它包含DNA分子的所有基因，根据有关信息（如基因的功能、表达产物等）来获取目的基因

PCR技术扩增目的基因

DNA受热变性解旋为单链→冷却后DNA引物与单链相应互补序列结合→在DNA聚合酶作用下延伸合成互补链

人工合成目的基因

逆转录法

目的基因mRNA

单链DNA

化学合成法

蛋白质氨基酸序列

mRNA序列

DNA序列

目的基因

2.形成重组DNA分子的过程

目的基因与载体结合的过程，实质上是不同来源的DNA重新组合的过程，是基因工程的核心。

其基本过程如下（以质粒作为载体）：

3.重组DNA分子导入不同受体细胞的方法

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（重组DNA分子导入农杆菌，再让农杆菌感染植物细胞）

显微注射法（将重组DNA分子提纯，用显微注射仪注射到受精卵中）

感受态细胞法（Ca2＋处理受体细胞，使其成为感受态细胞，再进行混合）

受体细胞

体细胞

受精卵

原核细胞

4.目的基因检测与鉴定的“4个层面”

例3

　人们试图利用基因工程的方法，用乙种生物生产甲种生物的一种蛋白质。

生产流程如下：

―→

下列说法正确的是（　　）

A.①过程需要的酶是逆转录酶，原料是A、U、G、C

B.②要用限制性核酸内切酶切断质粒DNA，再用DNA连接酶将目的基因与质粒连接在一起

C.如果受体细胞是动物细胞，③过程可以用农杆菌转化法

D.参与④过程的物质不含有A、U、G、C

答案　B

解析　①过程是逆转录，利用逆转录酶合成DNA片段，所以需要的原料是A、T、G、C，A错误；②过程是目的基因与质粒DNA的重组，需要用限制性核酸内切酶切断质粒DNA，再用DNA连接酶将目的基因与质粒连接在一起，B正确；如果受体细胞是动物细胞，重组基因的导入常用显微注射法，农杆菌转化法多用于植物细胞，C错误；④过程是目的基因的表达，此过程中的mRNA和tRNA都含有A、U、G、C，D错误。

例4

　（2019·嘉兴模拟）某一质粒载体如图所示，外源DNA分子插入到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。

请回答下列问题：

（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）在实际的基因工程操作时往往用两种限制性核酸内切酶分别切割目的基因的两端以及载体，回答下列问题：

①如果用一种限制性核酸内切酶切割，目的基因两侧的末端以及质粒切口的两个末端都是互补的，因此连接时可能会出现________________、____________________、________________三种连接情况，而符合要求的只有载体与目的基因的连接。

下图为分子间的不同连接产物。

②如果用两种不同的限制性核酸内切酶进行切割就可以有效避免______________以及______________________的连接，提高连接的有效性，克服同种酶切的缺点。

（4）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_________。

答案　

（1）能自主复制、具有标记基因　

（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　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）①载体与载体　目的基因与目的基因　目的基因与载体　②载体与载体　目的基因与目的基因

（4）受体细胞

解析　

（1）质粒载体作为基因工程的工具，应具备的基本条件有具有一个至多个限制性核酸内切酶切割位点、具有标记基因、能够在宿主细胞中复制表达等。

（2）在含有氨苄青霉素的培养基上，只有具有Ampr的大肠杆菌才能够生长。

而Ampr位于质粒上，故未被转化的和仅含环状目的基因的大肠杆菌细胞中无Ampr，二者都不能生长；仅含有质粒载体的和含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌均具有Ampr，在含有氨苄青霉素的培养基上都能生长。

目的基因的插入破坏了质粒载体的Tetr，故含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌不能在含有四环素的培养基上生长，从而能与仅含有质粒载体的大肠杆菌区分。

（4）噬菌体是病毒，无细胞结构，营寄生生活，无法自主合成DNA，其所需的原料来自宿主细胞。

易混易错

　一个重组DNA分子的组成至少应该包括：

启动子、终止子、目的基因、标记基因。

原因如下：

（1）目的基因是指编码蛋白质的结构基因，若没有启动子，则导入的目的基因在受体细胞中无法转录。

（2）目的基因的表达需要调控序列，终止子相当于一盏红色信号灯，使转录到此终止。

（3）检测目的基因是否导入受体细胞需要有筛选标记——标记基因。

例5

　（2018·丽水高二检测）抗疟药青蒿素挽救了数百万人的生命。

中国女科学家屠呦呦由于在青蒿素研发所做的重大贡献荣获2015年诺贝尔生理学奖或医学奖。

青蒿中青蒿素的含量很低，科研工作者一直致力于提高青蒿素含量的研究。

某研究小组给青蒿转入青蒿素合成的关键基因fps，通过该基因的过量表达来提高青蒿素的产量，其过程如下图所示（注：

农杆菌中Ti质粒上只有T－DNA片段能转移到植物细胞中）。

（1）提取青蒿的总RNA，在________酶作用下获得青蒿的DNA片段。

（2）如果fps基因的基因序列已知，我们可以通过__________合成目的基因或者用PCR扩增目的基因；如果fps基因的基因序列未知，可以从__________中获取目的基因。

（3）过程①需用同种__________________酶对含fps基因的DNA和Ti质粒进行酶切。

（4）过程③中将青蒿细胞与农杆菌混合后共同培养，旨在让____________进入青蒿细胞；除尽农杆菌后，还须转接到含卡那霉素的培养基上继续培养，目的是__________________________

________________________________________________________________________。

（5）下列有关基因工程的叙述正确的是（　　）

A.大肠杆菌质粒上具有控制质粒DNA转移的基因

B.基因工程的基本原理是让目的基因在宿主细胞中稳定存在和高效复制

C.用氯化钙处理植物细胞，可增加细胞壁的通透性

D.将乙肝抗原导入酵母菌可以获得能生产乙肝疫苗的工程菌

答案　

（1）逆转录　

（2）化学方法（或人工）　基因文库　（3）限制性核酸内切　（4）T－DNA（或目的基因）　筛选获得T－DNA片段（目的基因）的植物细胞　（5）A

解析　

（1）利用RNA获得DNA，采用逆转录法，在逆转录酶的作用下实现。

（2）对于已知序列，可采用化学方法合成目的基因或用PCR扩增目的基因。

若DNA序列未知，常从基因文库中获取。

（3）过程①表示形成重组质粒，采用同种限制性核酸内切酶对含fps基因的DNA和Ti质粒进行酶切。

（4）将青蒿细胞与农杆菌混合培养，目的是让T－DNA（目的基因）进入青蒿细胞，实现目的基因导入受体细胞。

将目的基因导入受体细胞后，需将细胞培养在含卡那霉素的培养基中，原因是质粒上含有卡那霉素的抗性基因，导入重组DNA分子的受体细胞可在培养基上存活，利于筛选获得含T－DNA片段（目的基因）的植物细胞。

（5）大肠杆菌质粒上具有控制质粒DNA转移的基因，A正确；基因工程的基本原理是让人们感兴趣的基因在宿主细胞中稳定和高效地表达，B错误；用氯化钙处理微生物细胞，可增加细胞壁的通透性，C错误；将乙肝抗原基因导入酵母菌可以获得能生产乙肝疫苗的工程菌，D错误。

1.判断正误：

（1）目的基因的获取一定要用限制性核酸内切酶处理（　　）

（2）若目的基因的碱基序列未知，可用化学合成法合成目的基因（　　）

（3）利用PCR扩增目的基因时，需要已有的目的基因作为模板（　　）

（4）构建重组DNA时需要用的工具酶有：

限制性核酸内切酶、DNA连接酶、质粒（　　）

（5）可用质粒上的标记基因筛选导入重组DNA的受体细胞（　　）

（6）构建重组质粒需要限制性核酸内切酶和DNA聚合酶参与（　　）

（7）载体质粒通常采用抗生素合成基因作为筛选的标记基因（　　）

（8）重组DNA分子是由目的基因和载体连接在一起构成的（　　）

（9）将目的基因和质粒连接在一起的重组DNA分子导入大肠杆菌中，大肠杆菌一定接纳了重组DNA分子（　　）

（10）每个重组质粒至少含有一个限制性核酸内切酶识别的位点（　　）

（11）将重组DNA分子导入受体细胞中，并筛选出含有重组DNA分子的受体细胞，基因工程就完成了（　　）

答案　

（1）×　

（2）×　（3）√　（4）×　（5）√　（6）×　（7）×　（8）√　（9）×　（10）√　（11）×

2.（2018·温州瑞安期中）对基因工程操作的叙述，正确的是（　　）

A.用限制性核酸内切酶切割烟草花叶病毒的核酸

B.用显微注射法将人生长激素基因直接注入动物的受精卵

C.用氯化钙处理可增加细菌细胞膜的通透性，有利于目的基因的导入

D.利用DNA分子杂交技术无法检测目的基因是否表达

答案　D

解析　限制性核酸内切酶只能切割特定的脱氧核苷酸序列，而烟草花叶病毒的核酸是由核糖核苷酸构成的，A错误；目的基因不能直接导入受体细胞，可用显微注射法将含人生长激素基因的重组质粒注入动物的受精卵，B错误；用氯化钙处理可增加细菌细胞壁的通透性，并使细菌处于感受态，从而有利于目的基因的导入，C错误；利用DNA分子杂交技术只能检测目的基因是否导入，无法检测目的基因是否表达，D正确。

3.人们常选用的细菌质粒分子往往带有一个抗生素抗性基因，该抗性基因的主要作用是（　　）

A.提高受体细胞在自然环境中的耐药性

B.对目的基因是否导入进行检测

C.增加质粒分子的分子量

D.便于与外源基因连接

答案　B

解析　重组DNA分子必须具有标记基因，其目的就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。

4.（2019·富阳高二检测）转入人胰岛素原基因（已知序列）的大肠杆菌，可以合成人胰岛素原，通过该项转基因技术可有效地缓解临床上胰岛素不足的难题，从而为糖尿病患者带来福音。

在上述转基因操作过程中，下列说法错误的是（　　）

A.人胰岛素原基因可用化学方法合成，并用PCR技术扩增

B.重组质粒导入受体细胞时通常用氯化钙处理大肠杆菌

C.DNA连接酶能使不同脱氧核苷酸的碱基与脱氧核糖连接

D.胰岛素原需进一步加工后才可获得具有生物活性的胰岛素

答案　C

解析　人胰岛素原基因的序列是已知的，故可用化学方法合成，并用PCR技术扩增，A正确；由于受体细胞是大肠杆菌，所以在重组质粒导入受体细胞时，要先用氯化钙处理大肠杆菌，以增加其细胞壁的通透性，B正确；DNA连接酶能使脱氧核苷酸的磷酸与脱氧核糖连接，C错误；胰岛素原没有生物活性，需要进一步加工后才能成为有生物活性的胰岛素，D正确。

5.（2018·浙江4月选考，32节选）回答与基因工程和植物克隆有关的问题：

（1）将含某抗虫基因的载体和含卡那霉素抗性基因的载体pBI121均用限制性核酸内切酶EcoRⅠ酶切，在切口处形成____________。

选取含抗虫基因的DNA片段与切割后的pBI121用DNA连接酶连接，在两个片段相邻处形成________________，获得重组质粒。

（2）已知用CaCl2处理细菌，会改变其某些生理状态。

取CaCl2处理过的农杆菌与重组质粒在离心管内进行混合等操作，使重组质粒进入农杆菌，完成________实验。

在离心管中加入液体培养基，置于摇床慢速培养一段时间，其目的是___________________________________，

从而表达卡那霉素抗性基因，并大量增殖。

答案　

（1）粘性末端　磷酸二酯键

（2）转化　使CaCl2处理过的农杆菌恢复细胞的正常状态

解析　

（1）构建重组质粒时限制性核酸内切酶剪切得到的是粘性末端，用DNA连接酶连接，在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键。

（2）目的基因导入植物细胞常用农杆菌转化法。

Ca2＋处理方法增加细菌细胞壁的通透性，让其处于感受态细胞，以利于重组质粒导入。

故细胞要正常表达相关基因，应让其恢复为正常状态。

题组一　获得目的基因、形成重组DNA分子

1.在已知某小片段基因碱基序列的情况下，获得该基因的最佳方法是（　　）

A.用mRNA为模板逆转录合成DNA

B.以4种脱氧核苷酸为原料人工合成

C.将供体DNA片段转入受体细胞中，再进一步筛选

D.由蛋白质的氨基酸序列推测mRNA

答案　B

解析　因为已知基因的碱基序列，所以获得该基因的最佳方法是以4种脱氧核苷酸为原料进行人工合成，B项符合题意。

2.获取目的基因的方法有多种，下列叙述不正确的是（　　）

A.若目的基因的核苷酸序列未知，可从基因库中获得

B.可由相应的mRNA逆转录而来

C.可用PCR技术扩增

D.若目的基因的核苷酸序列是已知的，可用化学合成方法获得

答案　A

解析　若目的基因的核苷酸序列未知，可从基因文库中获得，不是从基因库中获得，A错误；若目的基因的核苷酸序列已知，如胰岛素基因，采用化学方法合成或用聚合酶链式反应（PCR）扩增目的基因，化学合成途径如：

利用目的基因转录的RNA，在逆转录酶的作用下，逆转录成单链DNA，进而用PCR技术扩增目的基因，B、C、D正确。

3.下图表示一项重要的生物技术，对图中物质a、b、c、d的描述，正确的是（　　）

A.a与d可以用不同的限制性核酸内切酶进行切割

B.b能识别特定的核苷酸序列，并将A与T之间的氢键切开

C.c连接双链间的A和T，使粘性末端处碱基互补配对

D.b代表的是限制性核酸内切酶，c代表的是DNA聚合酶

答案　A

解析　据图分析，此步骤为形成重组DNA分子，a、b、c、d分别表示质粒、限制性核酸内切酶、DNA连接酶、目的基因。

质粒和含有目的基因的DNA用不同的限制性核酸内切酶切割也可能得到相同的粘性末端，A正确；限制性核酸内切酶切割DNA特定部位的2个核苷酸之间的磷酸二酯键，B错误；DNA连接酶恢复被限制性核酸内切酶切开的磷酸二酯键，C错误；c代表DNA连接酶，D错误。

4.如图为用于基因工程的一个质粒示意图。

用EcoRⅠ限制性核酸内切酶切割目的基因和该质粒，再用DNA连接酶连接形成重组质粒，然后导入大肠杆菌，最后将大肠杆菌放在四种培养基中培养：

a—无抗生素的培养基，b—含四环素的培养基，c—含氨苄青霉素的培养基，d—含四环素和氨苄青霉素的培养基。

含重组质粒的大肠杆菌能生长的是（　　）

A.aB.b和cC.a和bD.a和c

答案　D

解析　据图可知，EcoRⅠ限制性核酸内切酶的切割位点位于四环素抗性基因的内部，用该酶切割质粒则会损坏四环素抗性基因的结构，从而导致含有重组质粒的大肠杆菌不具有四环素抗性。

题组二　将重组DNA分子导入受体细胞、筛选含有目的基因的受体细胞、目的基因的表达

5.科学家通过基因工程的方法，能使马铃薯块茎含有人奶蛋白。

以下有关该基因工程的叙述正确的是（　　）

A.处理质粒和含有目的基因的DNA时通常用同一种限制性核酸内切酶

B.人工种植的转基因马铃薯种群的人奶蛋白基因频率将不会发生改变

C.马铃薯的叶肉细胞不可作为受体细胞

D.用CaCl2处理马铃薯的相关受体细胞，目的是增加细胞壁的通透性

答案　A

解析　为获得相同的粘性末端，切割载体和目的基因时通常使用同一种限制性核酸内切酶，A正确；由于存在人工选择，人工种植的转基因马铃薯种群的人奶蛋白基因频率会发生改变，B错误；植物体细胞可以作为受体细胞，C错误；当用细菌作为受体细胞时，用CaCl2处理，以增加细菌细胞壁的通透性，D错误。

6.利用外源基因在受体细胞中表达，可生产人类所需要的产品。

下列能说明目的基因在受体细胞中完成了表达的是（　　）

A.棉花二倍体细胞中检测到细菌的抗虫基因

B.大肠杆菌中检测到人胰岛素基因及mRNA

C.山羊乳腺细胞中检测到人生长素DNA序列

D.酵母菌细胞中提取到人干扰素蛋白

答案　D

解析　基因的表达是指基因使遗传信息以一定的方式反映到蛋白质的分子结构上这一过程，即必须获得相应的蛋白质才能说明基因完成了表达，故D正确。

7.如图是将人的生长激素基因导入细菌B细胞内制备“工程菌”的示意图。

已知细菌B细胞内不含质粒A，也不含质粒A上的基因。

下列说法正确的是（　　）

A.将重组质粒导入细菌B常用的方法是显微注射法

B.将完成导入过程后的细菌涂布在含有氨苄青霉素的培养基上，能生长的只是导入了重组质粒的细菌

C.将完成导入过程后的细菌涂布在含有四环素的培养基上，能生长的就是导入了质粒A的细菌

D.目的基因成功导入的标志是受体细胞能产生出人的生长激素

答案　C

解析　将重组DNA分子导入细菌B之前，一般要先用氯化钙处理细胞，显微注射法是将重组DNA分子导入动物细胞时常用的方法，A错误；质粒A中含有抗四环素基因和抗氨苄青霉素基因，而重组质粒中含抗氨苄青霉素基因，则在含有氨苄青霉素的培养基上能生长的是导入了质粒A或重组质粒的细菌，而其他的细菌则不能生长，B错误；由于重组质粒中的抗四环素基因被破环，所以能在含有四环素的培养基上生长的是导入了普通质粒A的细菌，C正确；目的基因（人的生长激素基因）成功表达的标志是受体细胞能产生出人的生长激素，D错误。

8.（2018·舟山中学期中）某研究所的研究人员将生长激素基因通过质粒介导进入大肠杆菌细胞内，来表达产生生长激素。

已知质粒中存在两个抗性基因：

A是抗链霉素基因，B是抗氨苄青霉素基因，且目的基因要插入到基因B中，而大肠杆菌不带有任何抗性基因。

下列叙述正确的是（　　）

A.导入大肠杆菌的质粒一定为重组质粒

B.DNA聚合酶是构建该重组质粒必需的工具酶

C.可用含氨苄青霉素的培养基检测大肠杆菌中是否导入了重组质粒

D.在含氨苄青霉素培养基中不能生长，但在含链霉素培养基中能生长的可能是符合生产要求的大肠杆菌

答案　D

解析　导入大肠杆菌的质粒不一定是重组质粒，也可能是普通质粒，A错误；构建重组质粒需要限制性核酸内切酶和DNA连接酶，B错误；构建重组质粒时，由于目的基因的插入导致抗氨苄青霉素基因