高中生物 第一章 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3Word下载.docx

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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其DNA整合到细菌DNA上

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五个方面

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，增加其细胞壁的通透性，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。

探究1——比较异同

1．比较采用化学方法合成目的基因的两条合成途径

（1）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，根据碱基互补配对原则再合成双链DNA，进而用PCR技术扩增目的基因。

（2）根据氨基酸序列，推测出相应的mRNA序列，然后按照碱基互补配对原则，推测其DNA的核苷酸序列，再通过化学方法，以单核苷酸为原料合成DNA分子。

2．比较基因、目的基因、基因文库、基因库

比较项目

解读

基因

通常指具有遗传效应的DNA片段[某些病毒（如烟草花叶病毒）中是具有遗传效应的RNA片段]，是控制生物性状的遗传物质的基本结构和功能单位

目的基因

基因工程操作中需要的外源基因，是编码某种蛋白质的基因，如生物的抗逆性基因、抗虫基因等

基因文库

基因文库属于基因工程范畴，指将含有某种生物不同基因的许多DNA片段，导入受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同基因

基因库

属于遗传范畴，是指一个生物种群的全部等位基因的总称

探究2——理性思维

1．形成重组DNA分子

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），完善图示，并思考问题：

（1）为什么切割目的基因和载体要选用同一种限制性核酸内切酶？

答案　选用同一种限制性核酸内切酶切割会产生相同的粘性末端，可以在DNA连接酶的作用下将切割的目的基因和载体连接起来。

（2）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，这样做有什么好处？

试分析原因。

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载体与载体、目的基因与目的基因、目的基因与载体三种连接情况，而符合要求的只有载体与目的基因的连接。

如下图所示。

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载体与载体以及目的基因与目的基因的连接，提高连接的有效性，克服同种酶切的缺点。

（3）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。

（4）构建重组DNA分子所用到的酶：

限制性核酸内切酶、DNA连接酶。

2．目的基因导入受体细胞的结果

上图中发生②与发生①相比，②会使目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达，原因是在进行细胞分裂时，细胞核上的DNA经复制后平均分配到两个子细胞中，保证了亲子代遗传性状的稳定性，而①细胞分裂时，细胞质是不均分的，子细胞不一定含有目的基因。

　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

探究3——图示解读

根据下图举例说明筛选含目的基因的受体细胞的原理、方法：

1．筛选原因：

不是所有细胞都接纳了重组DNA分子。

2．筛选原理：

质粒上有抗生素的抗性基因。

3．筛选方法：

利用选择培养基筛选。

4．检测目的基因是否翻译出蛋白质的方法是什么？

其原理是什么？

答案　抗原—抗体杂交法。

原理是抗原能与相应抗体特异性结合。

5．检测棉花中导入的抗虫基因是否表达的最简便的方法是什么？

答案　用叶片饲养棉铃虫，观察棉铃虫是否死亡。

　目的基因检测与鉴定的“四个层面”

例3

　（2017·

浙江绿色联盟联考）下列不能说明目的基因已成功导入受体细胞的是（　　）

A．检测受体细胞是否含有质粒

B．检测受体细胞是否含有目的基因

C．检测受体细胞是否含有目的基因的表达产物

D．检测受体细胞是否含有目的基因转录出的mRNA

答案　A

解析　细胞中可能含有普通质粒，因此检测细胞是否含有质粒不能说明目的基因是否已成功导入受体细胞，A符合题意。

例4

杭州四校联考节选）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__________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（人工）　基因文库　（3）限制性核酸内切　（4）T－DNA（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地保存和表达，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。

易混易错

　导入微生物细胞（如大肠杆菌）：

用CaCl2处理大肠杆菌，目的是增加大肠杆菌细胞壁的通透性，使含有目的基因的重组DNA分子进入受体细胞。

1．（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。

2．下表关于基因工程中有关基因操作的名词及对应的内容，正确的组合是（　　）

选项

A

B

C

D

供体

质粒

提供目的基因的生物

大肠杆菌等

手术刀

限制性核酸内切酶

DNA连接酶

缝纫针

载体

受体

答案　C

解析　基因工程中供体指的是提供目的基因的个体，受体是指接受目的基因的个体，手术刀是限制性核酸内切酶，缝纫针是DNA连接酶，最常用的载体是质粒。

3．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

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人工合成。

4．（2017·

宁波二模）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

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．（2017·

宁波十校期末）科学家将鱼抗冻蛋白基因转入番茄，使番茄的耐寒能力大大提高，可以在相对寒冷的环境中生长。

质粒上有PstⅠ、SmaⅠ、HindⅢ、AluⅠ四种限制性核酸内切酶切割位点，下图是转基因抗冻番茄培育过程的示意图（ampr为抗氨苄青霉素基因），其中①～④是转基因抗冻番茄培育过程中的相关步骤，Ⅰ、Ⅱ表示相关结构或细胞。

请据图回答下列问题：

（1）在构建重组DNA时，可用一种或多种限制性核酸内切酶进行切割。

为了避免目的基因和载体在酶切后产生的末端发生任意连接，在此实验中应该选用限制性核酸内切酶______________分别对________________、____________进行切割，切割后产生的DNA片段分别为________、________种。

（2）培养基中的氨苄青霉素会抑制番茄愈伤组织细胞的生长，要利用该培养基筛选已导入鱼的抗冻蛋白基因的番茄细胞，应使Ⅰ重组DNA中含有______________作为标记基因。

（3）研究人员通常采用______________法将鱼抗冻蛋白基因导入番茄细胞内。

答案　

（1）PstⅠ、SmaⅠ　含鱼抗冻蛋白基因的DNA　质粒　4　2　

（2）抗氨苄青霉素基因　（3）农杆菌转化

解析　

（1）分析题图可知，对目的基因的切割方式有采用限制性核酸内切酶PstⅠ酶切，或者采用限制性核酸内切酶PstⅠ和SmaⅠ混合酶切，相比前者，后者能够保证目的基因与质粒的定向连接，防止酶切后产生的末端发生任意连接。

所以使用PstⅠ、SmaⅠ对含有目的基因的DNA分子（含鱼抗冻蛋白基因的DNA）和质粒进行切割，酶切含目的基因的DNA分子，片段有DNA片段左侧→PstⅠ、PstⅠ→SmaⅠ、SmaⅠ→PstⅠ及PstⅠ→DNA片段右侧4种DNA片段，酶切质粒，产生PstⅠ→SmaⅠ、SmaⅠ→PstⅠ2种DNA片段。

（2）培养基中的氨苄青霉素抑制番茄愈伤组织的生长，分析图示可知，质粒上含有抗氨苄青霉素基因，重组DNA中以其为标记基因，可以筛选含有重组质粒的受体细胞。

（3）将目的基因导入植物细胞，采用的方法是农杆菌转化法。

题组一　基因工程的基本原理

金华模拟）下列选项中，能正确表示基因工程操作“五步曲”的是（　　）

A．获得目的基因→将重组DNA分子导入受体细胞→形成重组DNA分子→筛选含有目的基因的受体细胞→目的基因的表达

B．目的基因的表达→获得目的基因→形成重组DNA分子→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

C．获得目的基因→形成重组DNA分子→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

D．形成重组DNA分子→获得目的基因→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

解析　基因工程的操作中，首先需要获得目的基因，然后将目的基因与载体拼接形成重组DNA分子，再导入受体细胞，由于部分细胞可能未导入成功，因此需要筛选含有目的基因的受体细胞，而导入的目的基因能否表达是基因工程最终是否成功的标志，故最后需要对目的基因的表达产物进行检测，因此正确顺序如C选项。

2．用基因工程技术可使大肠杆菌合成人的蛋白质。

下列叙述中，不正确的是（　　）

A．常用相同的限制性核酸内切酶处理目的基因和质粒

B．DNA连接酶和RNA聚合酶是构建重组质粒必需的工具酶

C．可用含抗生素的培养基检测大肠杆菌中是否导入了重组质粒

D．导入大肠杆菌的目的基因不一定能成功表达

解析　基因工程中限制性核酸内切酶和DNA连接酶是构建重组质粒必需的工具酶。

质粒作为载体必须具有标记基因，导入的目的基因不一定能成功表达。

题组二　获得目的基因、构建重组DNA分子

3．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

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。

4．下列属于获得目的基因的方法是（　　）

①利用mRNA逆转录形成　②从基因文库中提取　③从受体细胞中提取　④利用PCR技术　⑤利用DNA转录　⑥人工合成

A．①②③⑤B．①②⑤⑥

C．①②③④D．①②④⑥

解析　目的基因应该是从供体细胞中提取，导入受体细胞中，而不能从受体细胞中获取，所以③不是获取目的基因的方法；

利用DNA转录出来的是RNA，但目的基因是DNA，所以不能用DNA转录来获取目的基因，⑤不正确。

5．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

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。

6．不属于目的基因与载体结合过程的是（　　）

A．用一定的限制性核酸内切酶切割质粒露出粘性末端

B．用同种限制性核酸内切酶切割目的基因露出粘性末端

C．将切下的目的基因的片段插入到质粒切口处

D．将重组DNA导入受体细胞中进行扩增

解析　构建重组DNA分子时，首先需要用同种限制性核酸内切酶切割含有目的基因的外源DNA分子和载体，以产生相同的粘性末端，A、B不符合题意；

构建重组DNA分子时，还需要用DNA连接酶将目的基因与载体结合形成重组DNA分子，C不符合题意；

将重组DNA导入受体细胞中进行扩增不属于构建重组DNA分子的过程，属于将目的基因导入受体细胞的过程，D符合题意。

题组三　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

7．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

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。

8．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

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。

9．钱永健先生因在研究绿色荧光蛋白方面的杰出成就而获得2008年诺贝尔奖。

在某种生物中检测不到绿色荧光，将水母绿色荧光蛋白基因转入该生物体内后，结果可以检测到绿色荧光。

由此可知（　　）

A．该生物的基因型是杂合的

B．该生物与水母有很近的亲缘关系

C．绿色荧光蛋白基因在该生物体内得到了表达

D．改变绿色荧光蛋白基因的一个核苷酸对，就不能检测到绿色荧光

解析　在转基因生物体内能检测到绿色荧光，说明绿色荧光基因已在生物体内成功表达。

题组四　综合应用

10．（2017·

台州模拟）下列关于基因工程的叙述，错误的是（　　）

A．目的基因和受体细胞均可来自动物、植物或微生物

B．限制性核酸内切酶和DNA连接酶是两类常用的工具酶

C．人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素无生物活性

D．载体上的抗性基因有利于筛选含重组DNA的细胞和促进目的基因的表达

解析　目的基因来源于含有人们所需要性状的一切生物，可以是动物、植物，也可以是真菌、细菌等；

基