学年高中生物 第一章 基因工程 第二节 基因工程的原理和技术学案 浙科版选修3.docx
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学年高中生物第一章基因工程第二节基因工程的原理和技术学案浙科版选修3
第二节 基因工程的原理和技术
1.简述基因工程的原理。
2.描述基因工程基本操作的几个步骤。
(重点)
一、基因工程的基本要素
多种工具酶、目的基因、载体和宿主细胞等。
二、基因工程的基本操作步骤
1.获得目的基因
(1)目的基因:
人们所需要的基因。
如:
人的胰岛素基因、植物的抗病基因等。
(2)获取方法
①如果目的基因的序列是已知的,可用化学方法合成目的基因,或者用聚合酶链式反应(PCR)扩增目的基因。
②如果目的基因的核苷酸序列是未知的,可以从基因文库中获取。
2.形成重组DNA分子
通常是用相同的限制性核酸内切酶分别切割目的基因和载体DNA(如质粒),使其产生相同的粘性末端,然后用DNA连接酶将两者连接在一起,形成重组DNA分子。
1.基因工程中的DNA重组与减数分裂过程中的DNA重组完全相同吗?
提示:
不完全相同。
前者属于无性重组,可发生在不同种生物间,后者属于有性重组,发生在产生配子的过程中。
3.将重组DNA分子导入受体细胞
(1)常用的受体细胞:
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:
不是所有细胞都接纳了重组DNA分子。
(2)筛选方法举例:
由于质粒上有抗生素抗性基因,如四环素的抗性基因,含有这种重组质粒的受体细胞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。
这样就能筛选到含有重组DNA分子的受体细胞。
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
目的基因在宿主细胞中表达,产生人们需要的功能物质。
2.在基因工程的操作步骤中,都发生碱基互补配对。
对吗?
提示:
不对。
“重组DNA分子导入受体细胞”过程中不发生。
基因、基因文库和目的基因
1.基因:
是有遗传效应的DNA片段(以DNA为遗传物质的生物),是控制生物性状的遗传物质的基本结构和功能单位,基因的脱氧核苷酸序列代表遗传信息。
2.基因文库
(1)含义:
是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的基因。
(2)目的:
获得大量的目的基因。
3.目的基因:
是基因工程操作中需要的外源基因,它是编码某种蛋白质的结构基因,如生物的抗逆性基因、抗虫基因等。
下列有关获取目的基因的方法的叙述,错误的是( )
A.直接分离目的基因的方法的优点是操作简便,缺点是工作量大,具有一定的盲目性
B.由于真核细胞的基因含有不表达的DNA片段,一般使用人工合成的方法
C.目前人工合成基因的方法主要有两种,分别是反转录法和化学合成法
D.PCR技术的原理是DNA复制,需要RNA聚合酶催化DNA合成
[解析] PCR技术的原理是DNA分子的复制,需要耐高温的TaqDNA聚合酶催化DNA合成,并以脱氧核苷酸等为原料。
[答案] D
[思维升华]
(1)供体细胞
mRNA
单链DNA
双链DNA(目的基因)。
此方法属于哪一种方法?
提示:
化学合成法。
(2)短时间内获取大量目的基因需采用哪种方法?
提示:
PCR技术。
DNA复制与PCR技术的比较
DNA复制
PCR技术
场所
细胞核内
生物体外
原理
碱基互补配对
碱基互补配对
酶
DNA聚合酶、解旋酶
热稳定DNA聚合酶(Taq酶)
续表
DNA复制
PCR技术
条件
模板、ATP、引物、常温
模板、ATP、引物、温度变化(90℃~95℃→55℃~60℃→70℃~75℃)
原料
四种脱氧核苷酸
四种脱氧核苷酸
特点
形成的是整个DNA分子,一个细胞周期只复制一次
短时间内形成大量DNA片段(目的基因)
如图表示基因工程中获取水稻某目的基因的不同方法。
下列相关叙述中正确的是( )
A.三种方法都需要酶并均在体外进行
B.①②③碱基对的排列顺序均相同
C.三种方法均属于人工合成法
D.方法a不遵循中心法则
解析:
选A。
这三种方法都是在体外进行的,且都用到酶(方法a需要逆转录酶和DNA聚合酶;方法b需要限制性核酸内切酶;方法c需要DNA聚合酶),A正确;通过方法a得到的目的基因不含有内含子,通过方法c得到的目的基因的碱基序列可能有多种,因此①②③碱基对的排列顺序不都相同,B错误;图示a和c属于人工合成法,而b是从供体细胞的DNA中直接分离目的基因的方法,C错误;方法a遵循中心法则,D错误。
认清基因组文库法与逆转录法获取目的基因的不同
(1)酶:
前者需要限制酶;后者需要逆转录酶。
(2)原料:
前者不需要原料;后者需要脱氧核苷酸。
(3)结构:
前者基因中含有启动子,能转录;后者基因中没有启动子,只将编码序列导入受体细胞,故无法进行转录。
重组DNA分子的形成及其导入受体细胞
1.形成重组DNA分子
(1)目的:
基因表达载体的构建是实施基因工程的第二步,也是基因工程的核心。
其目的是使目的基因在受体细胞中稳定存在,并且可以遗传给下一代,同时使目的基因能够表达和发挥作用。
(2)方法
①通常用同一种限制性核酸内切酶分别切割目的基因和载体DNA(如质粒),形成相同的粘性末端。
②用DNA连接酶将目的基因和载体DNA连接在一起,形成重组DNA分子。
如下图:
2.将重组DNA分子导入受体细胞
选择的关键是分析基因工程的最终目的,按转基因的目的来选择:
基因工程的
最终目的
常用的受
体细胞
导入的方法
得到大量特
殊蛋白质
大肠杆菌等微生物
Ca2+处理法
得到转基因动物
受精卵
显微注射法
得到转基因植物
植物体细胞
农杆菌转化法
常选细菌作受体细胞的原因:
它们繁殖力极强,生长速度很快,短期内就会产生大量后代,所以把目的基因转入这些细菌,就能在短时间内得到大量的目的基因产物。
下列关于基因工程的叙述中,正确的是( )
A.基因工程利用的原理是基因突变
B.细菌质粒是基因工程常用的载体
C.通常用一种限制性核酸内切酶处理目的基因的DNA,用另一种限制性核酸内切酶处理载体DNA
D.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
[解析] 基因工程利用了基因重组的原理;为了获得相同的粘性末端,常用同一种限制性核酸内切酶切割载体和目的基因;培育转基因植物的受体细胞可以是体细胞,也可以是受精卵。
[答案] B
[思维升华]
(1)重组DNA分子导入受体细胞发生碱基互补配对吗?
提示:
不发生。
(2)目的基因能直接进入受体细胞吗?
提示:
目的基因由于具有大分子性,不能单独进入受体细胞,必须由载体携带进入。
用同一种限制性核酸内切酶(单酶切)分别切割目的基因与运载体是最简单的一种方法,但连接后会出现两种不需要的连接产物:
目的基因—目的基因(环状)连接物、质粒—质粒(环状)连接物,加大了筛选的工作量。
所以可用两种不同限制性核酸内切酶(双酶切)分别同时切割含目的基因的DNA片段和质粒,这样可以防止目的基因与质粒自身连接体的产生,克服单酶切的缺点。
基因工程又称基因拼接技术和DNA重组技术,是在分子水平上对基因进行操作的复杂技术,是生物工程的一个重要分支。
基因表达载体的构建(即目的基因与载体结合)是实施基因工程的第二步,也是基因工程的核心。
以下有关说法正确的是( )
A.限制性核酸内切酶的功能是切割各种DNA分子
B.基因工程中经常用到的酶只有DNA连接酶和限制性核酸内切酶
C.将目的基因与载体结合的过程,实际上就是不同来源的DNA重新组合的过程
D.具有粘性末端的目的基因片段插入质粒的切口处,先形成磷酸二酯键,再形成氢键
解析:
选C。
限制性核酸内切酶的作用是切割外来的DNA,自身DNA由于受到保护而不会被切割。
基因工程常用的酶除了DNA连接酶和限制性核酸内切酶,还有DNA聚合酶(合成DNA片段)、逆转录酶(用mRNA逆转录生成DNA)等多种酶。
基因表达载体的构建时先用一定的限制性核酸内切酶切割载体(如质粒),使质粒出现一个缺口,露出粘性末端;然后用同一种限制性核酸内切酶切割目的基因,使其产生相同的粘性末端(部分限制性核酸内切酶可切割出平末端,具有相同效果);将切下具有粘性末端的目的基因片段插入质粒的切口处,首先是碱基互补配对结合,两个粘性末端吻合在一起,碱基之间形成氢键,再在DNA连接酶的作用下,催化两个DNA片段之间形成磷酸二酯键,形成一个重组DNA分子。
含有目的基因的受体细胞的筛选及目的基因的表达与检测
1.筛选含有目的基因的受体细胞
(1)原理:
质粒上有标记基因(如抗生素抗性基因)。
(2)方法:
利用选择培养基筛选。
(3)举例
2.目的基因的表达与检测
(1)目的基因表达的标志
看到目的性状或分离得到目的基因表达产物。
(2)目的基因表达的检测
①检测目的基因是否翻译成蛋白质,方法是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。
②个体生物学水平的鉴定:
如转基因抗虫植物是否出现抗虫性状。
目的基因在受体细胞中的存在与表达是有区别的。
目的基因被受体细胞摄取是表达的前提,但是被摄取并不意味着被表达。
由于各种因素的影响,还需要采取一定的措施去促使目的基因的表达。
质粒是基因工程中最常用的载体,它存在于许多细菌体内。
质粒上有标记基因如下图所示,通过标记基因可以推知外源基因(目的基因)是否转移成功。
外源基因插入的位置不同,细菌在培养基上的生长情况也不同。
下表是外源基因插入位置(插入点有a、b、c),请根据表中提供细菌的生长情况,推测①②③三种重组后细菌的外源基因插入点,正确的一组是( )
细菌在含氨苄青霉素培养基上的生长情况
细菌在含四环素培养基上的生长情况
①
能生长
能生长
②
能生长
不能生长
③
不能生长
能生长
A.①是c;②是b;③是a
B.①是a和b;②是a;③是b
C.①是a和b;②是b;③是a
D.①是c;②是a;③是b
[解析] 外源基因插入a点后,抗氨苄青霉素基因被破坏,抗四环素基因还保留,所以是③;外源基因插入b点后,抗氨苄青霉素基因还是完整的,抗四环素基因被破坏,所以是②;外源基因插入c点后,抗氨苄青霉素基因和抗四环素基因均完整,所以是①。
[答案] A
DNA探针是利用放射性同位素等标记的特定DNA片段。
当DNA探针与待测的非标记单链DNA(或RNA)按碱基顺序互补结合时,形成标记DNA—DNA(或标记DNA—RNA)的双链杂交分子,可检测杂交反应结果。
用某人的胰岛素基因制成DNA探针,能与之形成杂交分子的是( )
①该人胰岛A细胞中的DNA
②该人胰岛B细胞中的mRNA
③该人胰岛A细胞中的mRNA
④该人肝细胞中的DNA
A.①③④B.①②③
C.①②④D.②③④
解析:
选C。
DNA单链能与其互补链及其转录产生的mRNA分子互补配对而形成杂交分子;人体细胞中都有胰岛素基因,但此基因只有在胰岛B细胞中才能得到表达。
[随堂检测]
1.下列关于基因工程技术的叙述,正确的是( )
A.切割质粒的限制性核酸内切酶均特异性地识别6个核苷酸序列
B.PCR反应中温度的周期性改变是为了DNA聚合酶催化不同的反应
C.载体质粒通常采用抗生素合成基因作为筛选标记基因
D.抗虫基因即使成功地插入到植物细胞染色体上也未必能正常表达
解析:
选D。
A项,限制性核酸内切酶大多特异性地识别6个核苷酸序列,但也有少数限制性核酸内切酶能识别4个、5个或8个核苷酸序列。
B项,PCR反应中温度周期性变化是为变性、复性和延伸创造条件。
另外,耐高温的DNA聚合酶只是在延伸阶段发挥催化作用,变性和复性过程不需要酶的催化。
C项,载体质粒上的抗生素抗性基因可作为标记基因,供重组DNA的鉴定和选择,而不是抗生素合成基因。
D项,目的基因导入受体细胞后不一定能正常表达。
2.将ada(腺苷酸脱氨酶基因)通过质粒pET28b导入大肠杆菌并成功表达腺苷酸脱氨酶。
下列叙述错误的是( )
A.每个大肠杆菌细胞至少含一个重组质粒
B.每个重组质粒至少含一个限制性核酸内切酶识别位点
C.每个限制性核酸内切酶识别位点至少插入一个ada
D.每个插入的ada至少表达一个腺苷酸脱氨酶分子
解析:
选C。
大肠杆菌成功表达出腺苷酸脱氨酶,说明这些大肠杆菌都至少含有一个重组质粒,A项正确;作为载体的条件为至少含有一个或多个酶切位点,所以作为载体的质粒至少含有一个限制性核酸内切酶识别位点,B项正确;作为基因表达载体应包括目的基因、启动子、终止子、标记基因四部分,但并不是每个酶切位点都至少插入一个ada,C项错误;由于这些目的基因成功表达,所以每个ada至少表达一个腺苷酸脱氨酶分子,D项正确。
3.天然的玫瑰没有蓝色花,这是由于缺少控制蓝色色素合成的基因B,而开蓝色花的矮牵牛中存在序列已知的基因B。
现用基因工程技术培育蓝玫瑰,下列操作正确的是( )
A.提取矮牵牛蓝色花的mRNA,经逆转录获得互补的DNA,再扩增基因B
B.利用限制性核酸内切酶从开蓝色花矮牵牛的基因文库中获取基因B
C.利用DNA聚合酶将基因B与质粒连接后导入玫瑰细胞
D.将基因B直接导入大肠杆菌,然后感染并转入玫瑰细胞
解析:
选A。
提取矮牵牛蓝色花的mRNA,逆转录得到DNA,然后扩增,可获得大量的基因B,A正确;从基因文库中获取目的基因,只要根据目的基因的相关信息和基因文库中的信息进行筛选对比即可,不需要用限制酶进行切割,B错误;目的基因与质粒的连接需要用DNA连接酶,而不是DNA聚合酶,C错误;目的基因需要和载体连接后形成重组质粒再导入,而且应该用农杆菌进行感染,而不是大肠杆菌,D错误。
4.如图是利用基因工程技术培育转基因植物,生产可食用疫苗的部分过程示意图,其中PstⅠ、SmaⅠ、EcoRⅠ、ApaⅠ为四种限制性核酸内切酶。
下列说法错误的是( )
A.图示过程是基因工程的核心步骤
B.表达载体构建时需要用到限制酶SmaⅠ
C.抗卡那霉素基因的存在有利于将含有抗原基因的细胞筛选出来
D.除图示组成外,表达载体中还应该含有启动子和终止子等结构
解析:
选B。
图示过程为基因表达载体的构建过程,是基因工程中的核心步骤。
构建过程中需要将目的基因完整切割下来,此时要用到限制酶PstⅠ、EcoRⅠ。
抗卡那霉素基因是标记基因,目的是便于鉴定和筛选含有目的基因的细胞。
基因表达载体包括启动子、目的基因、终止子和标记基因等。
5.盐害是全球水稻减产的重要原因之一,中国水稻研究所等单位的专家通过农杆菌中的质粒将CMO基因、BADH基因、mtld基因、gutD基因和SAMDC基因5个耐盐基因导入水稻,获得了一批耐盐转基因植株。
下列有关耐盐转基因水稻培育的分析正确的是( )
A.该基因工程涉及多个目的基因,多种载体
B.该基因工程所需的限制性核酸内切酶可能有多种
C.只要目的基因进入水稻细胞,水稻就会表现出抗盐性状
D.可通过将水稻种植到有农杆菌的土壤中观察目的基因是否表达
解析:
选B。
该基因工程涉及多个目的基因,但只用到一种载体——农杆菌中的质粒;因为涉及到多个目的基因,可能需要多种限制性核酸内切酶进行切割;目的基因导入受体细胞后,经表达成功后才能表现出相应的性状;通过将水稻种植在含盐的土壤中观察目的基因是否表达,以衡量基因工程操作是否成功。
6.α1抗胰蛋白酶缺乏症是一种在北美较为常见的单基因遗传病,患者成年后会出现肺气肿及其他疾病,严重者甚至死亡。
对于该疾病患者常采用注射人α1抗胰蛋白酶来缓解症状。
(1)图1表示获取人α1抗胰蛋白酶基因的两种方法,请回答下列问题:
①a过程是在________________酶的作用下完成的,该酶的作用特点是______________
__________________________。
②b过程称为________,该过程需要________酶识别基因的________结构。
③要确定获得的基因是否是所需的目的基因,可以从分子水平上利用____________________技术检测。
(2)利用转基因技术将控制该酶合成的基因导入羊的受精卵,最终培育出能在乳腺细胞表达人α1抗胰蛋白酶的转基因羊,从而更易获得这种酶,简要过程如图2所示。
图2
①获得目的基因后,常利用________技术在体外将其大量扩增。
②载体上绿色荧光蛋白(GEP)基因作为标记基因其作用是便于______________________
__________________________________________________。
(3)基因表达载体上除了目的基因,还必须有的组成是______________、______________、______________。
答案:
(1)①限制性核酸内切 识别特定的核苷酸序列,并在特定的切点上切割DNA分子 ②转录 RNA聚合 启动子 ③DNA分子杂交
(2)①PCR ②筛选含有目的基因的受体细胞
(3)启动子 终止子 标记基因(三者顺序可以颠倒)
[课时作业]
一、选择题
1.基因工程技术也称为DNA重组技术,其实施必须具备的4个必要条件是( )
A.目的基因、限制性核酸内切酶、载体、受体细胞
B.工具酶、目的基因、载体、受体细胞
C.模板DNA、mRNA、质粒、受体细胞
D.重组DNA、RNA聚合酶、限制性核酸内切酶、DNA连接酶
解析:
选B。
基因工程的基本工具是限制性核酸内切酶、DNA连接酶和载体,前两者统称为工具酶;在实际操作中,载体上插入目的基因形成重组载体,然后导入受体细胞。
2.苏云金芽孢杆菌的抗虫基因是否已导入棉花细胞,其准确判断方法是下列中的( )
A.是否有抗生素抗性
B.是否有相应的性状
C.是否能检测到标记基因
D.是否能检测到目的基因
解析:
选D。
在基因工程操作中,可以借助于标记基因来检测目的基因是否导入受体细胞,但如果通过DNA分子杂交原理来进行检测的话,还可以直接检测受体细胞有无目的基因。
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:
选B。
在已知某小片段基因碱基序列的情况下,可以用人工合成法直接利用4种脱氧核苷酸来制备目的基因。
4.基因工程中科学家常采用细菌、酵母菌等微生物作为受体细胞,下列不属于这样做的原因的是( )
A.结构简单,多为单细胞
B.繁殖速度快
C.遗传物质含量少
D.性状稳定,变异少
解析:
选D。
常采用微生物作为受体细胞的原因:
繁殖速度快,多为单细胞,遗传物质含量少。
5.正确表示基因操作“五步曲”的是( )
A.目的基因的获得→重组DNA导入受体细胞→重组DNA的形成→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→目的基因的获得→重组DNA的形成→重组DNA导入受体细胞→筛选含有目的基因的受体细胞
C.目的基因的获得→重组DNA的形成→重组DNA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.重组DNA的形成→目的基因的获得→重组DNA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:
选C。
基因操作“五步曲”包括:
目的基因的获得,重组DNA的形成,重组DNA导入受体细胞,筛选含有目的基因的受体细胞和目的基因的表达。
6.用基因工程技术可使大肠杆菌合成人的蛋白质。
下列叙述不正确的是( )
A.常用相同的限制性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:
选B。
构建重组DNA是基因工程的核心,而重组质粒形成必需的工具酶是限制性核酸内切酶和DNA连接酶。
7.据图分析,下列有关基因工程的说法,不正确的是( )
A.用酶Ⅰ、Ⅱ同时切割质粒(假设切割完全),会获得3种长度的DNA片段
B.用酶Ⅰ、Ⅱ切割质粒和目的基因比只用酶Ⅰ更符合要求
C.与启动子结合的应该是RNA聚合酶
D.能够检测到标记基因表达产物的受体细胞中,不一定会有目的基因的表达产物
答案:
A
8.中美科学家通过改变一种名为NR2B的基因研制出了转基因超级小鼠HobbieJ,HobbieJ比普通老鼠更加聪明,大脑运转更加迅速,它能够轻松完成迷宫任务。
下列关于HobbieJ产生过程的描述,错误的是( )
A.NR2B基因可通过PCR技术进行扩增
B.改变后的NR2B基因作为目的基因,可直接注入小鼠受精卵内
C.通常采用显微注射技术将改变后的NR2B基因重组质粒导入小鼠受精卵内
D.可采用基因探针检测改变后的NR2B基因是否导入小鼠体内
解析:
选B。
PCR技术可在体外大量扩增目的基因,A正确;改变后的NR2B基因作为目的基因,需要与运载体结合后才可导入小鼠受精卵内,B错误;将目的基因导入动物细胞常用显微注射技术,C正确;可采用基因探针检测改变后的NR2B基因是否导入小鼠体内,D正确。
二、非选择题
9.真核生物基因中通常有内含子,而原核生物基因中没有,原核生物没有真核生物所具有的切除内含子对应的RNA序列的机制。
已知在人体中基因A(有内含子)可以表达出某种特定蛋白(简称蛋白A)。
回答下列问题:
(1)某同学从人的基因组文库中获得了基因A,以大肠杆菌作为受体细胞却未得到蛋白A,其原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)若用家蚕作为表达基因A的受体,在噬菌体和昆虫病毒两种载体中,不选用____________作为载体,其原因是
________________________________________________________________________。
(3)若要高效地获得蛋白A,可选用大肠杆菌作为受体。
因为与家蚕相比,大肠杆菌具有________________________________________________________________________
(答出两点即可)等优点。
(4)若要检测基因A是否翻译出蛋白A,可用的检测物质是________________(填“蛋白A的基因”或“蛋白A的抗体”)。
(5)艾弗里等人的肺炎双球菌转化实验为证明DNA是遗传物质做出了重要贡献,也可以说是基因工程的先导,如果说他们的工作为基因工程理论的建立提供了启示,那么,这一启示是________________________________________________________________________。
解析:
(1)人为真核生物,从人的基因组文库中获取的基因A含有内含子,基因A转录出的产物中有与内含子对应的RNA序列。
大肠杆菌为原核生物,没有真核生物所
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