学年人教版生物选修三讲义专题1 13 基因工程的应用.docx

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学年人教版生物选修三讲义专题113基因工程的应用

1.3　基因工程的应用

学习目标：

1.举例说出基因工程的应用及取得的丰硕成果。

（重点）　2.了解基因工程的进展。

3.了解基因工程在农业和医疗等方面的应用。

（难点）　4.掌握基因治疗和基因检测。

（重、难点）

一、植物基因工程硕果累累

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：

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：

能获得用常规育种的方法很难培育出抗病毒的新品种。

4．抗逆转基因植物

（1）抗逆基因：

调节细胞渗透压的基因使农作物抗盐碱、抗干旱；鱼的抗冻蛋白基因使作物耐寒；抗除草剂基因使作物抗除草剂。

（2）成果：

烟草、大豆、番茄、玉米等。

5．利用转基因改良植物的品质

（1）优良基因：

必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因、控制番茄果实成熟的基因和与植物花青素代谢有关的基因。

（2）成果：

成果一：

成果二：

成果三：

二、动物基因工程前景广阔

　项目

应用

基因来源或处理

成果

提高动物的生长速度

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少

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

转基因动物作器官移植的供体　　

抑制或除去抗原决定基因

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．来源：

利用基因工程培育“工程菌”来生产的药品。

3．种类：

细胞因子、抗体、疫苗、激素等。

4．干扰素：

是动物或人体细胞受到病毒侵染后产生的一种糖蛋白。

由于干扰素几乎能抵抗所有病毒引起的感染，因此它是一种抗病毒的特效药。

四、基因治疗曙光初照

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，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．实质：

正常基因的表达掩盖病变基因的表达，达到治疗疾病的目的。

4．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。

1．判断对错（正确的打“√”，错误的打“×”）

（1）“转基因植物”是指植物体细胞中出现了新基因的植物。

（　　）

（2）基因工程中，要培育转基因植物和动物，选用的受体细胞都是受精卵。

（　　）

（3）利用工程菌可生产人的胰岛素等某些激素。

（　　）

（4）直接在患者组织细胞中进行改造致病基因的方法为体内基因治疗。

（　　）

提示：

（1）×　转基因植物是指细胞中被转入了外源基因的植物，并非出现新基因。

（2）×　培育转基因动物时，所选用的受体细胞一般是受精卵；培育转基因植物时，所选用的受体细胞可以是受精卵，也可以是体细胞。

（3）√

（4）×　体内基因治疗指的是直接向人体组织细胞中转移基因的治病方法。

2．下列关于基因工程的应用，说法正确的是（　　）

A．我国转基因抗虫棉是转入了植物凝集素基因培育出来的

B．可用于转基因植物的抗虫基因只有植物凝集素基因和蛋白酶抑制剂基因

C．抗真菌转基因植物中，可使用的基因有几丁质酶基因和抗毒素合成基因

D．提高作物的抗盐碱和抗干旱的能力，与调节渗透压的基因无关

C　[转基因抗虫棉转入了Bt毒蛋白基因。

可用于转基因植物的抗虫基因，除B项所列出的两种，另外还有淀粉酶抑制剂基因等。

提高作物抗盐碱和抗干旱的能力，与调节渗透压的基因有关。

抗真菌转基因植物中，可使用的基因有几丁质酶基因和抗毒素合成基因。

]

3．干扰素是治疗癌症的重要药物，它必须从血液中提取，每升人血中只能提取0.5μg，所以价格昂贵。

美国加利福尼亚的某生物制品公司用如下方法生产干扰素。

从如图所示方式中可以看出，该公司生产干扰素运用的方法是（　　）

A．个体间的杂交

B．基因工程

C．细胞融合

D．器官移植

B　[由图可知生产干扰素运用了基因工程的方法。

]

三种转基因生物的生产过程

[思考交流]

1．转基因植物生产过程图解

提示：

目的基因

2．转基因动物生产过程图解（以转基因牛生产过程为例）

提示：

受精卵

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）

提示：

干扰素

[归纳总结]

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

改善品质的转基因植物

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。

动物基因工程主要是为了改善畜产品的品质，而不是为了生产体型巨大的个体。

3．乳腺生物反应器与工程菌生产药物的比较

项目

乳腺生物反应器

工程菌

含义

指将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的差异

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

目的基因导入方式

显微注射法

感受态细胞法

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

1．北极比目鱼中有抗冻基因，其编码的抗冻蛋白具有11个氨基酸的重复序列，该序列重复次数越多，抗冻能力越强。

下图是获取转基因抗冻番茄植株的过程示意图，有关叙述正确的是（　　）

A．过程①是获取抗冻基因的过程，用到的酶只有限制酶

B．在重组质粒上，抗冻基因首端和末端一定具有启动子和终止子，启动和终止翻译的进程

C．过程②用到的质粒是农杆菌的Ti质粒，要将重组质粒转入农杆菌才能进行筛选

D．根据抗冻基因制作的DNA探针，可以用来检测转基因抗冻番茄植株中目的基因的存在

D　[据题图可知，该转基因技术操作中，获取目的基因的方法是利用抗冻基因（目的基因）的mRNA进行人工化学合成，需要的酶是逆转录酶和限制酶，A项错误；目的基因首端和末端的启动子和终止子均是DNA片段，分别启动和终止转录的进程，B项错误；重组质粒转入农杆菌的目的是通过农杆菌转化法将目的基因导入番茄细胞中，C项错误；检测目的基因是否导入受体细胞，通常是用DNA探针进行检测，即所谓DNA分子杂交技术，D项正确。

]

2．阅读材料，回答问题：

材料一　科学家将蜘蛛丝蛋白基因转入山羊体内，然后从羊奶中提取蛋白质，抽成丝后坚如钢铁。

材料二　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。

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

（1）如何检测受体细胞是否含有目的基因？

_______________________________________________________

_____________________________________________________。

（2）为使目的基因在后代中长期保存，应将目的基因导入________中。

（3）从分离蛋白质的角度分析，乳腺和膀胱哪一个作为转基因动物的生物反应器更好？

________。

原因是______________________

_____________________________________________________。

[答案]　

（1）采用DNA分子杂交法检测目的基因

（2）细胞核

（3）膀胱　正常尿液中蛋白质含量很少，所以从尿液中更容易提取分离产物，而且不受性别限制

错混辨析：

乳房生物反应器与膀胱生物反应器

乳房生物反应器是利用转基因动物的乳汁生产药用蛋白，而膀胱生物反应器是利用转基因动物的尿液生产药用蛋白。

二者的优点是：

收集药用蛋白比较容易，且不必对动物造成伤害。

但乳房生物反应器需是处于生殖期的雌性动物才可生产药用蛋白，而膀胱生物反应器则是任何生长期的雌雄动物均可生产。

基因治疗

背景材料　

1．概念

基因治疗是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，这是治疗遗传病的最有效的手段。

2．过程（如图）

3．方法

特别提醒：

（1）基因治疗可使正常基因在缺陷细胞中表达，以替代缺陷基因的功能，而非替代缺陷基因本身。

（2）基因治疗的最佳时期理论上是受精卵时期，这样可以使个体的每个细胞都含有正常基因，但在现实生活中，至少目前是不可能的，因为不可能人人在受精卵时期都进行基因检查。

其次是对患者进行相关细胞的基因替换，如对于遗传性糖尿病患者，只对胰腺的胰岛B细胞进行基因替换，该个体就能正常分泌胰岛素，使糖尿病得以治疗。

但这种局部细胞的基因替换，并没有改变其他部位细胞的基因，如精原细胞，因此其后代很可能还会患遗传性糖尿病。

（3）基因治疗目前还处于初期的临床试验阶段。

可以说，在没有完全明确人类基因组的运转机制，充分了解基因调控机制和疾病的分子机理之前，进行基因治疗是十分困难的。

基因治疗和基因诊断的比较

背景材料　

　　种类

项目　　

基因诊断

基因治疗

概念

基因诊断也称为DNA诊断或基因探针技术，即在DNA分子水平上分析检测某一基因，从而对特定的疾病进行诊断

基因治疗是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

原理

DNA分子杂交原理

基因工程

过程

用放射性同位素（如32P）、荧光分子等标记的DNA分子作探针，利用DNA分子杂交原理，鉴定被检测标本上的遗传信息

获取正常的目的基因→构建基因表达载体→将基因表达载体导入有缺陷的受体细胞，并筛选含重组载体的受体细胞→将含重组载体（即含正常目的基因）的受体细胞输回患者体内

应用

①诊断遗传病最准确的手段

②检测目的基因是否导入受体细胞

③检测饮用水中的病毒等

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

1．下列关于应用基因工程治疗人类遗传病的叙述，不正确的是（　　）

A．基因治疗可以有效地改善患者的生理状况，其操作对象是基因

B．进行基因治疗时，基因的受体细胞是受精卵

C．基因治疗并不是对患者体内细胞的缺陷基因进行改造

D．基因治疗时可只对患者部分细胞输入正常基因

B　[基因治疗是利用基因工程将健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，其操作对象是基因，一般用的受体细胞是淋巴细胞或者脐带血细胞。

]

2．人类B型血友病属于伴X隐性遗传病，因为血液中缺少凝血因子Ⅸ导致凝血异常。

下列关于对患者进行基因治疗的设计，正确的是（　　）

A．逆转录病毒的核酸可直接用作载体

B．需将凝血因子Ⅸ和载体连接起来

C．必须把目的基因插入到X染色体

D．需选择患者自身细胞作为受体细胞

D　[逆转录病毒的核酸是RNA，不可直接用作载体，A错误；需将凝血因子Ⅸ相关的基因和载体连接起来形成基因表达的载体，B错误；目的基因只要在受体细胞中使该基因的表达产物发挥功能即可，并不是必须把目的基因插入到X染色体，C错误；为避免发生免疫排斥反应，需选择患者自身细胞作为受体细胞，D正确。

]

[课堂小结]

知识网络构建

核心语句归纳

1.基因工程育种克服了远缘杂交不亲和的障碍，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。

1．抗逆转基因作物的培育与推广所带来的巨大效益是（　　）

①在一定程度上，使作物摆脱土壤和气候条件的限制　②减少化学农药对环境的污染和人畜的危害　③减少化肥的制造和使用量，有利于环境保护　④能使作物在不良环境下更好地生长，提高产量

A．①②③　B．①②④

C．①③④D．②③④

B　[抗逆转基因作物的培育与推广不能减少化肥的制造和使用量。

]

2．下列关于基因工程应用的叙述，正确的是（　　）

A．基因治疗就是把缺陷基因诱变成正常基因

B．基因诊断的基本原理是DNA分子杂交

C．一种基因探针能检测个体中的各种病毒

D．原核基因不能用来进行真核生物的遗传改良

B　[基因治疗是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，A错误；基因探针具有特定的核苷酸序列，一种基因探针只能检测出特定的病毒，C错误；转基因抗虫棉是利用原核基因改良真核生物遗传特性的典型实例，D错误。

]

3．上海医学研究所成功培育出第一头携带人白蛋白基因的转基因牛。

他们还研究出一种可大大提高基因表达水平的新方法，使转基因动物乳汁中的药物蛋白含量提高30多倍。

以下与此有关的叙述中正确的是（　　）

A．“转基因动物”是指体细胞中出现了新基因的动物

B．“提高基因表达水平”是指设法使牛的乳腺细胞中含有更多的人白蛋白基因

C．只在转基因牛乳汁中才能获取人白蛋白，是因为人白蛋白基因只在牛乳腺细胞中是纯合的

D．转基因牛的肌肉细胞中也有人白蛋白基因，但不发生转录、翻译，故不能合成人白蛋白

D　[转基因动物是指细胞中被转入了外源基因的动物，而不是指出现新基因的动物，如发生基因突变可能会出现新基因，但发生了基因突变的动物不叫转基因动物；“提高基因表达水平”是指设法使牛的乳腺细胞中含有更多的人白蛋白，而不是人白蛋白基因；转基因牛的肌肉细胞中也有人白蛋白基因，但由于基因的选择性表达，在肌肉细胞中该基因不表达，只能在牛乳腺细胞中表达并分泌到乳汁中，因而只能在转基因牛乳汁中获取人白蛋白。

]

4．下列有关乳腺生物反应器与微生物生产药物的叙述，错误的是（　　）

A．前者在乳汁中提取药物，后者在细胞中提取

B．前者是在畜牧业中的应用，后者是在工业生产中的应用

C．前者合成的蛋白质可加工成熟，后者合成的蛋白质一般不可加工成熟

D．两者与人体基因结构均相同

D　[动物基因的结构与人类基因的结构基本相同，微生物基因的结构与人类基因的结构不同。

]

5．下面为从苏云金芽孢杆菌中获取抗虫基因（简称Bt基因）培育转基因抗虫棉的图解。

请回答下列问题：

（1）图中a过程要用到的酶是________。

（2）在进行图中b过程时，由我国科学家独创的十分简便经济的方法是________，此外，也通常采用________法。

若要培育转基因绵羊，则此过程要用________的方法。

（3）为确定抗虫棉是否培育成功，既要用放射性同位素标记的________作探针进行分子杂交测试，又要在个体生物学水平上鉴定，后者具体过程是________________________________________

_________________________________________________________。

（4）活化的毒性物质应是一种________分子，可以全部或部分嵌合于昆虫的细胞膜上，使细胞膜产生孔道，导致细胞由于渗透平衡的破坏而破裂。

（5）我国在“863”计划资助下开展Bt抗虫棉、抗虫水稻等研究，可以减少农药、杀虫剂的使用，这将对________起到重要作用。

[解析]　

（1）切割DNA分子以获取目的基因需用限制性核酸内切酶。

（2）将目的基因导入植物细胞的方法有农杆菌转化法、花粉管通道法，其中由我国科学家独创的方法是花粉管通道法，最常用的方法是农杆菌转化法。

将目的基因导入动物细胞的方法通常是显微注射法。

（3）DNA探针是指用放射性同位素标记的含目的基因的DNA片段。

个体生物学水平上的鉴定是通过检测其是否表现出抗虫性状。

（4）活化的毒性物质是由原毒素经蛋白酶处理而成，而原毒素是Bt基因表达的产物，为蛋白质，经蛋白酶处理后为多肽。

（5）Bt抗虫棉等可以在不使用农药的前提下防虫、治虫，避免了使用农药对环境造成污染。

[答案]　

（1）限制性核酸内切酶（限制酶）

（2）花粉管通道法　农杆菌转化　显微注射

（3）目的基因（或Bt基因）　让害虫吞食抗虫棉叶子，观察害虫的存活状态（合理即可）

（4）多肽　（5）环境保护