最新人教版选修三 13 基因工程的应用 学案.docx

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最新人教版选修三13基因工程的应用学案

1.3　基因工程的应用

[学习目标]

[核心素养]

1.举例说出基因工程应用及取得的丰硕成果。

2.基因治疗。

3.关注基因工程的发展。

4.认同基因工程应用促进生产力的提高。

1.生命观念：

举例说出植物基因工程、动物基因工程成果及其给人类带来的影响。

2.社会责任：

展开想象的翅膀，用图画、文字或音乐创造等，畅想基因工程的未来。

一、植物基因工程的成果

1．植物基因工程的应用领域

（1）提高农作物的

抗逆能力。

（2）改良

农作物的品质。

（3）利用植物

生产药物等。

2．抗虫转基因植物

（1）方法：

从某些生物中分离出具有

杀虫活性的基因，将其导入作物中。

（2）目的基因：

主要是Bt毒蛋白基因、

蛋白酶抑制剂基因、

淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等。

（3）成果：

转基因抗虫棉、转基因抗虫水稻等。

（4）意义：

减少

化学农药的使用，降低生产成本，减少环境污染，降低对人体健康的危害。

3．抗病转基因植物

（1）方法：

将

抗病基因导入植物中。

（2）目的基因

①抗病毒基因：

病毒外壳蛋白基因和病毒的复制酶基因。

②抗真菌基因：

几丁质酶基因和抗毒素合成基因。

（3）成果：

抗烟草花叶病毒的转基因烟草，抗病毒的转基因小麦、甜椒、番茄等。

（4）意义：

能获得用常规育种方法很难培育出的

抗病毒新品种。

4．其他抗逆基因

抗逆基因

作用

成果

调节细胞渗透压的基因

改变细胞内渗透压，提高抗盐碱、抗干旱能力

抗盐、抗旱烟草

抗冻蛋白基因

提高耐寒能力

耐寒番茄

抗除草剂基因

抗除草剂

抗除草剂玉米

5.利用转基因改良植物的品质

（1）方法：

将优良性状基因导入植物，获得具有

优良品质的植物。

（2）意义：

改良植物的

某些品质。

二、动物基因工程的应用

　　　项目

应用　　　

基因来源或处理

成果

提高动物生长速度

外源

生长激素基因

转基因绵羊、转基因鲤鱼

改善畜产品的品质

肠乳糖酶基因

转基因牛分泌的乳汁中，乳糖含量

降低

用转基因动物生产药物

药用

蛋白基因＋乳腺蛋白基因的

启动子

乳腺生物反应器或乳房生物反应器

用转基因动物作

器官移植的供体

抑制抗原决定基因的表达或设法除去

抗原决定基因

结合

克隆技术，培育出没有

免疫排斥反应的转基因克隆猪器官

三、基因工程药物异军突起

1．工程菌：

用基因工程的方法，使

外源基因得到高效率表达的菌类细胞株系一般称为“工程菌”。

2．方式：

利用基因工程培育“

工程菌”来生产药品。

3．基因工程药物的种类：

细胞因子、抗体、疫苗、激素等。

4．作用：

可用于预防和治疗人类肿瘤、心血管疾病、遗传病、各种传染病、糖尿病、类风湿等疾病。

四、基因治疗

1．概念：

把

正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的。

2．方法

（1）体外基因治疗：

从病人体内获得

某种细胞，进行培养，在体外完成

基因转移，筛选出成功转移的细胞

扩增培养，最后重新

输入患者体内。

（2）体内基因治疗：

直接向人体组织细胞中

转移基因。

3．成果：

将腺苷酸脱氨酶基因转入患者的

淋巴细胞中，治疗复合型免疫缺陷症。

4．现状

（1）处于初期临床试验阶段。

（2）存在着技术、伦理道德、安全性等方面的诸多困难。

1．判断下列叙述的正误。

（1）目的基因只能来源于微生物。

（×）

（2）基因工程可以实现基因在不同物种间的转移，人们可以定向选育新品种。

（√）

（3）来自苏云金芽孢杆菌的Bt毒蛋白基因只能应用于棉花。

（×）

（4）转基因生物的目的基因来自不同的物种，可见，基因工程可以打破物种间的生殖隔离。

（√）

（5）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。

（×）

（6）基因治疗的主要方法是让患者口服一些健康的外源基因。

（×）

（7）将抗毒素合成基因导入植物体内可达到抗真菌的效果。

（√）

（8）利用基因工程生产乙肝疫苗时，目的基因存在于人体B淋巴细胞的DNA中。

（×）

2．下列关于“基因探针”的叙述，正确的是（　　）

A．基因探针的工作原理是碱基互补配对

B．基因探针是一小段具有随机脱氧核苷酸序列的单链DNA

C．基因探针既可以检测核酸分子，又可以检测特定的蛋白质

D．基因探针以其双链形式发挥作用，其放射性或荧光标记便于检测

解析：

选A　基因探针的工作原理是碱基互补配对，A正确；基因探针是一小段具有特定核苷酸序列的单链DNA或RNA，B错误；基因探针只可以检测核酸分子，不可以检测特定的蛋白质，C错误；基因探针以其单链形式发挥作用，其放射性或荧光标记便于检测，D错误。

3．（2019·龙岩期末）下列关于基因治疗说法正确的是（　　）

A．基因治疗是治疗疾病的新途径，其利用的是转基因技术

B．基因治疗的主要方法是让患者口服一些健康的外源基因

C．基因治疗的主要原理是修复患者的基因缺陷

D．基因治疗在发达国家已成为一种常用的治疗手段

解析：

选A　基因治疗是指将外源正常基因导入靶细胞，以纠正或补偿因基因缺陷和异常引起的疾病，以达到治疗目的，基因治疗是治疗疾病的新途径，其利用的是转基因技术，A正确；口服的基因在消化道中被分解，不能起作用，B错误；基因治疗的主要原理是：

将外源正常基因导入靶细胞，以纠正或补偿因基因缺陷和异常引起的疾病，而不是修复患者的基因缺陷，C错误；基因治疗目前只是处于初期的临床试验阶段，D错误。

探究点一|动、植物基因工程的应用

|核心探究|

1．植物基因工程的应用

外源基因类型及举例

成果举例

抗虫转基因植物

抗虫基因：

Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等

抗虫水稻、抗虫棉、抗虫玉米

抗病转基因植物

（1）抗病毒基因：

病毒外壳蛋白基因、病毒的复制酶基因；

（2）抗真菌基因：

几丁质酶基因、抗毒素合成基因

抗病毒烟草、抗病毒小麦、抗病毒番茄、抗病毒甜椒

抗逆转基因植物

抗逆基因：

调节细胞渗透压的基因、抗冻蛋白基因、抗除草剂基因

抗盐碱和抗干旱的烟草、抗寒番茄、抗除草剂的大豆和玉米

改良品质的

转基因植物

优良性状基因：

提高必需氨基酸含量的蛋白质编码基因、控制番茄成熟的基因、与植物花青素代谢有关的基因

高赖氨酸玉米、耐储存番茄、新花色矮牵牛

2.动物基因工程的应用

目的基因

作用

受体生物

说明

提高动物

生长速度

生长激

素基因

促进生长，提高生长速率

鲤鱼、绵羊

不能导入生长素基因

转基因动

物生产药

物（乳腺生

物反应器）

药用蛋

白基因

通过分泌的乳汁来生产所需要的药品

牛、山羊

已生产出的药品有抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α抗胰蛋白酶等

转基因动

物作器官

移植的供

体

抗原决

定基因

①抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因；②不能合成相应抗原

猪

选择猪的器官作人器官替代品的原因：

①其内脏构造、大小、血管分布与人的极为相似；②体内隐藏的致病病毒要远远少于灵长类动物

[特别提醒]

Bt毒蛋白基因来自苏云金芽孢杆菌，我国转基因抗虫棉就是通过转入Bt毒蛋白基因培育出来的；抗虫作物能抗虫，但不能抗病毒、细菌、真菌等。

动物基因工程一个重要作用是改善畜产品的品质，而不是为了生产体型巨大的个体。

3.三种转基因生物的生产过程

（1）转基因植物生产过程图解（以抗虫棉生产过程为例）

（2）转基因动物生产过程图解（以转基因牛生产过程为例）

（3）转基因微生物生产过程图解（以可生产干扰素的酵母菌的培育过程为例）

[易错易混]

转基因作物中目的基因的三个易错点

（1）目的基因并非都来自微生物：

目的基因都是来自其他生物的能表现出优良性状的外源基因，并不都是来自细菌、病毒等微生物，如抗冻蛋白基因来自鱼类。

（2）目的基因对性状的控制：

有的目的基因控制蛋白质的合成，直接控制生物的某种性状，这反映了基因与性状的直接关系；有的目的基因通过控制酶的合成来控制代谢，进而控制生物的性状，这体现的是基因和性状的间接关系。

（3）注意“抗虫”和“抗病”的区别，二者可以分别通过害虫接种和病毒接种来进行个体水平的检测。

|探究演练|

1．（2019·唐山期中）下列有关动物基因工程的说法，错误的是（　　）

A．动物基因工程技术可以提高动物的生长速度

B．将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组中，获得的转基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大降低

C．用转基因动物作为器官移植的供体时，导入的是调节因子，不是目的基因，因此无法抑制抗原的合成

D．利用基因工程技术，得到的乳腺生物反应器可以解决很多重要药品的生产问题

解析：

选C　转基因动物作为器官移植的供体时，导入的调节因子也属于目的基因，可抑制抗原的合成。

2．如图是某转基因抗虫棉培育流程图，下列有关分析错误的是（　　）

A．Bt毒蛋白基因的获取需要限制酶

B．①过程所依据的理论基础之一是DNA分子结构的相似性

C．Bt毒蛋白基因与农杆菌Ti质粒重组需用DNA聚合酶

D．④过程依据的原理是植物细胞的全能性

解析：

选C　目的基因（Bt毒蛋白基因）的获取需要限制酶，A正确；DNA分子结构都是相似的，所以目的基因才能与Ti质粒（DNA）重组，B正确；目的基因与载体重组需要用到DNA连接酶，C错误；④过程需采用植物组织培养技术，依据的原理是植物细胞的全能性，D正确。

3．干扰素是治疗癌症的药物，主要成分是糖蛋白，传统的生产方法是从人血液中提取，每300L人血中只能提取到1mg，所以价格昂贵。

如图是采用基因工程的方法生产干扰素的相关示意图，试分析回答下列问题。

（1）从人的淋巴细胞中获取____________，使它同质粒相结合，然后导入到酵母菌体内，让酵母菌________________。

（2）适宜条件下，转基因酵母菌通过____________的方式繁殖，速度很快，能大量产生________，不但提高了产量，也降低了成本。

（3）中国某青年科学家成功地把人的干扰素基因重组到烟草的染色体DNA分子上，使烟草获得了抗病毒的能力，试分析：

①人的基因之所以能导入到烟草细胞内，其物质基础是______________。

②烟草有了抗病毒能力，这表明烟草体内产生了________。

这个事实说明，人和植物共用一套____________________，蛋白质合成方式________________。

解析：

（1）通过基因工程构建“工程菌”生产干扰素的方法是：

从淋巴细胞中获取干扰素基因，与质粒结合形成重组质粒，将重组质粒导入酵母菌细胞内，并通过检测与鉴定得到转基因酵母菌，然后通过培养该酵母菌，使之合成大量干扰素。

（2）适宜条件下转基因酵母菌能进行出芽生殖，迅速繁殖菌体，同时也能大量产生干扰素。

（3）由于人和烟草的DNA结构基本相同，所以能进行基因的重组；同时所有生物共用一套遗传密码，蛋白质合成方式基本相同，因此烟草体内可以产生干扰素。

答案：

（1）干扰素基因　合成干扰素　

（2）出芽生殖　干扰素　（3）①DNA结构基本相同　②干扰素　遗传密码　基本相同

探究点二|乳腺生物反应器与基因治疗

|核心探究|

一、乳腺生物反应器

1．含义：

乳腺生物反应器是指使外源基因在哺乳动物的乳腺中特异表达，利用动物的乳腺组织生产药物蛋白。

2．操作过程

3．乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别

比较内容

乳腺生物反应器

工程菌

含义

指让外源基因在哺乳动物的乳腺中特异表达，利用动物的乳腺组织生产药物蛋白

指用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系

受体基因结

构与人类基

因结构差异

动物基因结构与人类的基因结构基本相同

细菌和酵母菌的基因结构与人类有较大差异

基因表达

合成的药物蛋白与天然蛋白质相同

细菌合成的药物蛋白可能没有活性

受体细胞

动物受精卵

微生物细胞

目的基因

导入方法

显微注射法

感受态细胞法

生产条件

不需严格灭菌；温度等外界条件对其影响不大

需严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件

药物提取

从动物乳汁中提取

从微生物细胞或其培养液中提取

生产设备

畜牧业生产、提取设备

工业生产，设备精良

乳腺生物反应器中，基因表达载体导入的是受精卵，而不是乳腺上皮细胞，这样由受精卵发育成的个体的体细胞均含有目的基因，但因为是将目的基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起的，所以此目的基因只在受精卵发育而成的动物的乳腺细胞中表达，即在所分泌的乳汁中才含有所需蛋白质。

利用基因工程生产药物，受体细胞一般选用微生物，利用微生物繁殖速度快的特点，可在短期内获得大量目标产品。

二、基因治疗

1．实质：

正常基因表达掩盖病变基因的表达，达到治疗疾病的目的。

2．过程

3．途径

项目

体外基因治疗

体内基因治疗

不

同

点

过程

从患者体内获得某种细胞→体外完成基因转移→筛选→细胞扩增→输入患者体内

直接向患者体内组织细胞中转移基因

特点

操作复杂，但效果较为可靠

操作简便，但效果难以控制

相同点

都属于基因治疗，都是将正常的外源基因导入受体细胞，使该基因的表达产物发挥功能。

目前两种方法都处于初期的临床试验阶段

4.实例

（1）复合型免疫缺陷症的体外基因治疗

①病因

直接原因：

缺乏腺苷酸脱氨酶（免疫系统发挥正常功能所必需的酶）。

根本原因：

腺苷酸脱氨酶基因缺失。

②方法：

将腺苷酸脱氨酶基因导入取自患者的淋巴细胞中，使淋巴细胞能够产生腺苷酸脱氨酶，然后再将这种淋巴细胞转入患者体内。

（2）遗传性囊性纤维化病的体内基因治疗

利用经过修饰的腺病毒作载体，将治疗遗传性囊性纤维化病的正常基因转入患者肺组织中。

5．基因诊断与基因治疗的比较

基因诊断是采用基因检测的方法来判断患者是否出现了基因异常或携带病原体，利用的原理是DNA分子杂交。

基因诊断与基因治疗，都是DNA分子水平上的操作，都与遗传病有关。

基因诊断和基因治疗的比较如下：

项目

操作及目的

发展阶段

基因

诊断

制作相应探针，利用DNA分子杂交原理，快速、准确检测人类某种疾病

临床应用阶段

基因

治疗

把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的。

基因治疗可分为体外基因治疗和体内基因治疗

仅处于初期的临床试验阶段，仍有许多问题和困难制约着该技术的发展

[易错易混]

关于基因治疗的两个易错点

（1）基因治疗并非把功能正常的外源基因导入患者的所有细胞中，而是只导入某些功能体细胞中。

（2）基因治疗时正常基因没有改变病变基因的表达途径。

在基因治疗的过程中，正常基因、病变基因都可以表达，只是正常基因的表达掩盖了病变基因控制的性状，使病人表现正常，最终达到治疗疾病的目的。

|探究演练|

4．（多选）（2019·保定模拟）下列有关科研人员建立人乳铁蛋白乳腺生物反应器过程的叙述，正确的是（　　）

A．从细胞中分离目的基因时必须使用限制酶和DNA连接酶

B．借助标记基因可检测目的基因是否整合到受体细胞染色体上

C．常用显微注射法将目的基因导入人的乳腺细胞中

D．应该将目的基因与在乳腺细胞中高效特异表达的启动子结合

解析：

选BD　从细胞中分离目的基因时需要使用限制酶，不需要DNA连接酶，A错误；标记基因的作用是为了鉴定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，B正确；常用显微注射法将目的基因导入受精卵中，C错误；启动子是一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端，是RNA聚合酶识别和结合的部位，能驱动基因转录出mRNA，最终获得所需的蛋白质，所以目的基因要与启动子结合，D正确。

5．如果通过转基因技术，成功改造了某血友病女性的造血干细胞，使其凝血功能全部恢复正常。

当她与正常男性结婚，婚后所生子女的表现型为（　　）

A．儿子、女儿全部正常

B．儿子、女儿中各一半正常

C．儿子全部有病，女儿全部正常

D．儿子全部正常，女儿全部有病

解析：

选C　血友病为X染色体上的隐性遗传病，本题中完成转基因的细胞只有造血干细胞，而正常的体细胞和性原细胞没有进行转基因，女性患者虽凝血功能恢复正常，但所产生的卵细胞仍然含有血友病基因，所以当她与正常男性结婚后，所生男孩都患病，所生女孩均为携带者。

6．继哺乳动物乳腺生物反应器研发成功后，膀胱生物反应器的研究也取得了一定进展。

最近，科学家培养出一种转基因小鼠，其膀胱上皮细胞可以合成人的生长激素并分泌到尿液中。

请回答下列问题：

（1）将人的生长激素基因导入小鼠受体细胞，常用方法是________________。

（2）进行基因转移时，通常要将外源基因转入_____细胞中，原因是_______。

（3）通常采用____________技术检测外源基因是否插入了小鼠的基因组。

（4）在研制膀胱生物反应器时，应使外源基因在小鼠的____________细胞中特异表达。

（5）若使外源基因在乳腺细胞中表达，在构建基因表达载体时，必须加入_______________。

启动子的作用是_________________。

解析：

（1）显微注射法是将目的基因导入动物受体细胞最常用的方法。

（2）由于受精卵（或早期胚胎细胞）全能性高，可使外源基因在相应组织细胞表达，因此进行基因转移时，通常要将外源基因转入受精卵（或早期胚眙）中。

（3）检测外源基因是否插入了小鼠的基因组通常采用DNA分子杂交技术。

（4）在研制膀胱生物反应器时，应在目的基因前加入膀胱组织特异性表达的启动子，使外源基因在小鼠的膀胱上皮细胞中特异表达。

（5）若使外源基因在乳腺细胞中表达，在构建基因表达载体时，必须加入乳腺蛋白基因的启动子等调控组件。

启动子是一段特殊结构的DNA片段，位于基因首端，是RNA聚合酶识别和结合的部位，有了它才能驱动基因转录出mRNA，最终获得所需要的蛋白质。

答案：

（1）显微注射法　

（2）受精卵　受精卵的全能性高　（3）DNA分子杂交　（4）膀胱上皮　（5）乳腺蛋白基因的启动子　RNA聚合酶识别和结合的部位，驱动基因转录

课堂小结

|网络构建|

|巩固基础|

1．基因工程育种克服了远缘杂交不亲和障碍，并可以定向改良生物的遗传特性。

2．动物基因工程的应用主要有：

提高动物的生长速度，改善畜产品的品质，转基因动物生产药物，转基因动物作器官移植的供体。

3．乳腺生物反应器是指将所需目的基因导入到动物的受精卵，使转基因动物分泌的乳汁中含有所需要的药物蛋白。

4．用基因工程的方法，使外源基因得到高效率表达的菌类细胞株系一般称为“工程菌”。

5．基因治疗是治疗遗传病最有效的手段。

包括体外基因治疗和体内基因治疗。