1、第第3131讲基因工程讲基因工程第十单元第十单元2023内容索引强基础强基础 增分策略增分策略增素能增素能 精准突破精准突破悟考情悟考情 演练真题演练真题知考向明考情提素养重考能全国卷内容要求1.概述基因工程的诞生2.阐明基因工程的原理及操作程序(含PCR技术)3.举例说明基因工程在农牧、食品及医药等行业的应用4.概述蛋白质工程的原理及应用5.实验:DNA的粗提取与鉴定6.实验:利用PCR扩增DNA片段并完成电泳鉴定,运用软件进行虚拟PCR实验生命观念基因结构决定其功能科学思维建立基因工程的操作流程模型近五年全国卷考情2021全国甲(38)、2021全国乙(38)、2020全国(38)、201
2、9全国(38)、2018全国(38)、2018全国(38)、2017全国(38)、2017全国(38)、2017全国(38)科学探究探究基因工程在生产上的应用和蛋白质工程的应用社会责任基因工程和蛋白质工程在生产实践上的应用强基础强基础 增分策略增分策略一、基因工程的基本工具及一、基因工程的基本工具及DNA的粗提取与鉴定的粗提取与鉴定1.基因工程的概念原理是基团重组(1)手段:按照进行严格的设计,并通过体外和等技术,赋予生物以新的遗传特性。(2)目的:创造出更符合人们需要的新的和。(3)水平:水平。(4)优点:克服远缘杂交不亲和的障碍,定向改造生物的。与杂交育种相比 与诱变育种相比人们的愿望DN
3、A重组转基因生物类型生物产品分子遗传性状2.基因工程的基本工具3种工具,其中有2种工具酶(1)限制性核酸内切酶(限制酶)原核核苷酸序列磷酸二酯键(2)DNA连接酶磷酸二酯键大肠杆菌黏性末端黏性末端和平末端(3)载体质粒动植物病毒稳定存在限制酶切割位点3.DNA的粗提取与鉴定(1)基本原理DNA的粗提取a.原理:利用DNA与RNA、蛋白质和脂质等在方面的差异,提取DNA,去除其他成分。b.DNA与蛋白质在物理和化学性质方面的差异物理和化学性质比较项目DNA蛋白质溶解性物质的量浓度为2mol/L的NaCl溶液中溶解析出物质的量浓度为0.14mol/L的NaCl溶液中酒精溶液中溶解耐受性蛋白酶无影响
4、高温以上变性不能忍受的高温析出溶解析出水解608080DNA的鉴定:DNA+色。蓝二苯胺(2)操作流程NaCl溶液浓度95%二苯胺蓝色旁栏边角(选修3P5“图1-3”改编)限制酶主要来源于原核生物,为什么不能切割原核生物自己的DNA分子?提示 限制酶不切割原核生物自身DNA的原因是原核生物相应DNA分子中不存在相应限制酶的识别序列或识别序列已经被修饰。易错辨析(1)限制酶具有特异性,即一种限制酶只能识别某种特定的核苷酸序列,并在特定的位点上切割DNA分子。()(2)DNA连接酶能将两碱基间通过氢键连接起来。()(3)EcoliDNA连接酶既可连接平末端,又可连接黏性末端。()(4)质粒是常用的
5、载体,它是一种小型的双链环状DNA分子,具有一个至多个限制酶切割位点及标记基因。() DNA连接酶可催化形成切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。EcoliDNA连接酶只能连接黏性末端,不能连接平末端。 (5)DNA不溶于酒精,但在各种浓度NaCl溶液中溶解度较高。()(6)DNA、RNA、蛋白质和脂质等在物理和化学性质方面存在差异。()DNA在物质的量浓度为0.14mol/L的NaCl溶液中溶解度最小。 二、基因工程的基本操作程序二、基因工程的基本操作程序1.目的基因的获取(1)从基因文库中获取目的基因反转录载体DNA片段(2)人工合成目的基因如果基因比较小,核苷酸序列又已知,可以通过用化学方法
6、直接人工合成。化学合成法DNA合成仪氨基酸脱氧核苷酸反转录法DNA(3)利用PCR技术扩增目的基因DNADNA大量2.基因表达载体的构建基因工程的核心(1)目的:使目的基因在中稳定存在,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。受体细胞(2)组成RNA聚合酶识别和结合目的基因提醒 启动子起始密码子,终止子终止密码子启动子是位于基因首端的一段特殊序列,它是RNA聚合酶识别、结合的部位。终止子是位于基因尾端的一段特殊序列,作用是使转录过程停止。起始密码子和终止密码子均位于mRNA上,分别控制翻译过程的启动和终止。(3)构建过程同种3.将目的基因导入受体细胞 生物种类 植物动物微生物常
7、用方法 农杆菌转化法显微注射技术感受态细胞法受体细胞 转化过程将目的基因插入到上农杆菌导入植物细胞整合到受体细胞染色体的DNA上表达将含有目的基因的表达载体提纯取卵(受精卵)显微注射受精卵发育获得具有新性状的动物处理细胞感受态细胞重组表达载体DNA分子与感受态细胞混合感受态细胞吸收DNA分子提醒将目的基因导入植物细胞还可以用基因枪法、花粉管通道法。体细胞或受精卵受精卵原核细胞Ti质粒的T-DNACa2+4.目的基因的检测与鉴定 目的基因抗原抗体杂交带抗性旁栏边角(选修3P8“求异思维”)你能推测出mRNA反转录形成cDNA的过程大致分为哪些步骤吗?提示 第1步:mRNA在反转录酶的作用下形成R
8、NADNA杂交分子。第2步:在核酸酶的作用下将RNA-DNA杂交分子中的RNA水解掉,形成DNA单链。第3步:以DNA单链为模板,在DNA聚合酶的作用下形成双链的DNA。易错辨析(1)用PCR方法扩增目的基因时不必知道基因的全部序列。()(2)外源DNA必须位于重组质粒的启动子和终止子之间才能进行复制。()(3)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。() 外源DNA必须位于重组质粒的启动子和终止子之间,才能进行表达。(4)目的基因导入双子叶植物一般采用农杆菌转化法。()(5)抗虫基因即使成功地插入植物细胞染色体上也未必能正常表达。()(6)转基因抗虫棉植株抗虫效果的
9、鉴定必须通过分子检测。() 检测抗虫效果应在个体生物学水平上鉴定。三、基因工程的应用及蛋白质工程三、基因工程的应用及蛋白质工程1.基因工程的应用(1)植物基因工程:培育抗虫转基因植物(如抗虫棉)、抗病转基因植物(如转基因烟草)和抗逆转基因植物(如抗寒番茄);利用转基因植物的品质(如新花色矮牵牛)。(2)动物基因工程:用于提高动物从而提高产品产量;用于改善畜产品品质;用转基因动物生产药物;用转基因动物作器官移植的等。改良生长速率供体(3)基因工程在医药卫生领域的应用对微生物或动植物的细胞进行使它们能够生产药物。利用基因工程技术,可以让哺乳动物批量生产药物,如乳腺生物反应器。(4)利用基因工程培育
10、出可以降解多种污染物的“超级细菌”来处理。基因改造环境污染2.基因诊断与基因治疗其常用的方法是DNA分子杂交技术(1)基因诊断:又称为DNA诊断,是采用的方法来判断患者是否出现了基因异常或携带病原体。(2)基因治疗概念:把导入病人体内,使该基因的表达产物发挥功能,从而达到治疗疾病的目的。成果:将腺苷酸脱氨酶基因转入取自患者的淋巴细胞中,使淋巴细胞能产生腺苷酸脱氨酶,然后再将这种淋巴细胞转入患者体内,从而治疗复合型免疫缺陷症。基因检测正常基因 基因转移组织细胞3.蛋白质工程(1)概念生物功能蛋白质基因合成(2)基本流程蛋白质结构脱氧核苷酸旁栏边角(选修3P21“正文信息”)科学家将药用蛋白基因与
11、等调控组件重组在一起,通过显微注射等方法,导入哺乳动物的中,然后,将受精卵送入母体内,使其生长发育成转基因动物。转基因动物进入泌乳期后,可以通过分泌的乳汁来生产所需要的药品,因而称为乳腺生物反应器或乳房生物反应器。 乳腺蛋白基因的启动子受精卵易错辨析(1)应用DNA探针技术,可以检测转基因抗冻番茄植株中目的基因的存在及其是否完全表达。()(2)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与导入了动物的乳腺细胞中。()(3)由大肠杆菌工程菌获得人的干扰素后可直接应用。()应用DNA探针技术,可以检测目的基因的存在,不能检测目的基因的表达。制备乳腺生
12、物反应器需将目的基因导入哺乳动物的受精卵中。大肠杆菌属于原核生物,没有内质网和高尔基体对干扰素进行加工和修饰,所以由大肠杆菌工程菌获得的人的干扰素不可直接应用。增素能增素能 精准突破精准突破主题一主题二能力解读主题一主题一 基因工程的基本工具及操作程序基因工程的基本工具及操作程序(含实验含实验)主题一主题二命题解读主题一主题二角度一、基因工程的基本工具及操作程序角度一、基因工程的基本工具及操作程序考向探究考向1基因工程的工具及其作用1.(2021全国乙)用DNA重组技术可以赋予生物以新的遗传特性,创造出更符合人类需要的生物产品。在此过程中需要使用多种工具酶,其中4种限制性核酸内切酶的切割位点如
13、图所示。主题一主题二回答下列问题。(1)常用的DNA连接酶有EcoliDNA连接酶和T4DNA连接酶。上图中酶切割后的DNA片段可以用EcoliDNA连接酶连接。上图中酶切割后的DNA片段可以用T4DNA连接酶连接。(2)DNA连接酶催化目的基因片段与质粒载体片段之间形成的化学键是。(3)DNA重组技术中所用的质粒载体具有一些特征。如质粒DNA分子上有复制原点,可以保证质粒在受体细胞中能;质粒DNA分子上有,便于外源DNA插入;质粒DNA分子上有标记基因(如某种抗生素抗性基因),利用抗生素可筛选出含质粒载体的宿主细胞,方法是。(4)表达载体含有启动子,启动子是指 。主题一主题二答案 (1)Ec
14、oR、PstEcoR、Sma、Pst、EcoR(2)磷酸二酯键(3)自我复制一个至多个限制酶切割位点用含有该种抗生素的培养基培养宿主细胞,能存活的细胞含有质粒载体(4)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主题一主题二考向2基因工程的操作程序2.病毒(V)可诱发恶性肿瘤,病毒外壳蛋白L1是其主要抗原。下图是该病毒疫苗生产的部分流程示意图。请回答下列问题。主题一主题二(1)要在生物体外大量获得L1基因,常用技术。构建含L1基因的重组质粒时,为避免质粒和目的基因自身环化等情况,应选择的限制酶是。(2)过程需用处理大肠杆菌,使其成为细胞。(3)为了确认酵母菌转化是
15、否成功,可在培养基中加入进行筛选,转化后的酵母菌是否含有L1基因,可用技术检测。(4)若要使转化后的酵母菌只具有单一抗生素抗性,应选用限制酶切割重组质粒,并在切割后将所需部分质粒重新连接为环状。(5)酵母菌常用于基因工程,用来合成人体中的酶、激素等。与大肠杆菌相比,用酵母菌作为基因工程的受体细胞的优点是。主题一主题二答案 (1)PCRHind和EcoR(2)Ca2+感受态(3)四环素和氨苄青霉素DNA分子杂交(4)Bgl(5)酵母菌是真核生物,可在细胞内完成对蛋白质的加工,无需再进行体外加工(合理即可)主题一主题二考向3转基因生物的获得流程分析3.(2021湖南六校联考)菊天牛是菊花的主要害虫
16、之一。科研人员将抗虫基因转入菊花,培育出抗虫菊花。下图是获得转基因菊花的技术流程,请据图回答下列问题。注:卡那霉素抗性基因(kanR)作为标记基因,菊花叶片对卡那霉素高度敏感。主题一主题二(1)为了促进土壤农杆菌吸收重组质粒,可用处理土壤农杆菌,使其处于以便吸收重组质粒。(2)将重组质粒导入土壤农杆菌的目的是利用农杆菌能够的特点,使目的基因进入受体细胞中,并插入菊花细胞的上,最终形成转基因植株。(3)将愈伤组织转移到添加一定浓度植物激素和的培养基中,在适宜条件下进行培养,筛选转基因菊花。(4)可用方法检测转基因菊花是否含有目的基因,使用该方法时,需根据抗虫基因的核苷酸序列设计个特异性引物,以转
17、基因菊花的DNA为模板进行第一轮扩增。主题一主题二(5)将转基因菊花嫩茎及叶片与人工饲料以适当比例混合后饲喂菊天牛2龄幼虫,实验结果如下表所示。组别死亡率/%实验组转基因植株160.00转基因植株253.33对照组13.33对照组应饲喂等量的。据表分析,差异显著,说明转基因菊花对菊天牛2龄幼虫有较强的毒杀作用。主题一主题二答案 (1)Ca2+(或CaCl2)感受态(2)感染菊花(或植物)细胞,并将T-DNA转移至受体细胞染色体DNA(3)卡那霉素(4)PCR2(5)非转基因菊花嫩茎及叶片与人工饲料的混合物实验组与对照组死亡率主题一主题二方法突破1.基因组文库与cDNA文库的比较主题一主题二主题
18、一主题二2.如何筛选出含有目的基因的受体细胞(1)原理:将目的基因插入含有两种抗生素抗性基因的载体时,如果插入某种抗生素抗性基因内部,则会导致该抗生素抗性基因失活。如图,目的基因插入了四环素抗性基因内部,则四环素抗性基因失活。(2)被转化的细菌有三种:含环状目的基因的细菌、含重组质粒的细菌、含自身环化质粒的细菌。主题一主题二(3)筛选方法:将混合处理后的细菌先放在含氨苄青霉素的培养基上培养,能生长的是含重组质粒的细菌和含自身环化质粒的细菌,如图1、2、3、4、5菌落,再利用无菌的绒布影印到含有四环素的培养基上,如图能生长的菌落为2、3、4,则在含四环素培养基上不生长的即为含有目的基因的菌落,如
19、图1、5菌落。最后,可在含氨苄青霉素的培养基上挑取1、5菌落进行培养。主题一主题二角度二、角度二、DNA的粗提取与鉴定的粗提取与鉴定考向探究(2020河北石家庄质检)下图为“DNA的粗提取与鉴定”实验的相关操作。回答下列问题。(1)图中实验材料A可以是等,研磨前加入的B应该是。(2)通过上述所示步骤得到滤液C后,再向滤液中加入物质的量浓度为2mol/L的NaCl溶液的目的是,再过滤得到滤液D,向滤液D中加入蒸馏水的目的是。主题一主题二(3)在“DNA的粗提取与鉴定”实验中,将含有一定杂质的DNA丝状物分别放入体积为2mL的4种溶液中,经搅拌后过滤,获得下表所示的4种滤液,含DNA最少的是滤液。
20、(4)DNA鉴定的原理是 。1研磨液中搅拌研磨后过滤 滤液E2物质的量浓度为2mol/L的NaCl溶液搅拌后过滤滤液F3物质的量浓度为0.14mol/L的NaCl溶液搅拌后过滤滤液G4冷却的体积分数为95%的酒精溶液搅拌后过滤滤液H答案 (1)洋葱(菜花)洗涤剂和食盐(2)使DNA溶解使DNA(溶解度下降而沉淀)析出(3)H(4)在沸水浴条件下,DNA遇二苯胺会被染成蓝色主题一主题二方法突破1.DNA的粗提取与鉴定实验中的“二、三、四”主题一主题二 主题一主题二2.DNA粗提取实验中的四点注意事项 主题一主题二 主题一主题二能力解读主题二主题二 基因工程的应用和蛋白质工程基因工程的应用和蛋白质
21、工程主题一主题二命题解读主题一主题二角度一、基因工程的应用角度一、基因工程的应用考向探究1.(2021广东)非细胞合成技术是一种运用合成生物学方法,在细胞外构建多酶催化体系,获得目标产物的新技术,其核心是各种酶基因的挖掘、表达等。中国科学家设计了4步酶促反应的非细胞合成路线(如图),可直接用淀粉生产肌醇(重要的医药食品原料),以期解决高温强酸水解方法造成的严重污染问题,并可以提高产率。主题一主题二回答下列问题。(1)研究人员采用PCR技术从土壤微生物基因组中扩增得到目标酶基因。此外,获得酶基因的方法还有(答出两种即可)。(2)高质量的DNA模板是成功扩增出目的基因的前提条件之一。在制备高质量D
22、NA模板时必须除去蛋白,方法有(答出两种即可)。(3)研究人员使用大肠杆菌BL21作为受体细胞、pET20b为表达载体分别进行4种酶的表达。表达载体转化大肠杆菌时,首先应制备细胞。为了检测目的基因是否成功表达出酶蛋白,需要采用的方法有。(4)依图中所示流程,在一定的温度、pH等条件下,将4种酶与可溶性淀粉溶液混合组成一个反应体系。若这些酶最适反应条件不同,可能导致的结果是。在分子水平上,可以通过改变,从而改变蛋白质的结构,实现对酶特性的改造和优化。主题一主题二答案 (1)从基因文库中获取、人工合成(2)酶解法(用蛋白酶水解蛋白质)、高温处理(3)感受态抗原抗体杂交技术(4)反应产生的肌醇量少基
23、因的结构主题一主题二2.(2021湖南二轮联考)针对新冠病毒(SARS-CoV-2)的重组蛋白疫苗、核酸疫苗(包括DNA疫苗和RNA疫苗)等疫苗都在研发当中。下图为其中一种疫苗的研发思路,图中表示过程,虚线箭头表示Nco、Sph、Nhe、BamH的酶切位点(四种酶的识别序列详见下表),标记基因SUC2控制合成蔗糖酶,使P型酵母菌能利用培养基中的蔗糖生存。限制酶NcoSphBamHNhe识别序列和切割位点CCATGCGCATGCGGATCCGCTAGC主题一主题二(1)图中过程需要使用酶先得到cDNA,再使用技术扩增得到S基因。(2)为使过程顺利进行,需先使用限制酶和切割质粒B,选用两种限制酶对
24、新冠病毒的S基因进行切割的目的是(答出1点即可)。主题一主题二(3)图中表示筛选的过程是(填编号),筛选时应使用以为唯一碳源的培养基。(4)重组疫苗注入志愿者体内后,S蛋白基因指导合成的S蛋白作为,刺激机体产生能与之相结合的抗体,抗体的分泌量可作为检测疫苗对志愿者免疫效果的指标。参加临床试验的志愿者需要满足的条件之一是(填“有”或“无”)SARS-CoV-2感染史,理由是。主题一主题二答案 (1)逆转录PCR(2)NcoBamH防止S基因自身环化、防止S基因与载体反向连接(答出1点即可)(3)蔗糖(4)抗原无有SARS-CoV-2感染史的志愿者血清中会存在一定量的相应抗体,对试验结果产生干扰主
25、题一主题二角度二、蛋白质工程及应用角度二、蛋白质工程及应用(2015全国)已知生物体内有一种蛋白质(P),该蛋白质是一种转运蛋白,由305个氨基酸组成。如果将P分子中158位的丝氨酸变成亮氨酸,240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸,改变后的蛋白质(P1)不但保留P的功能,而且具有了酶的催化活性。回答下列问题。(1)从上述资料可知,若要改变蛋白质的功能,可以考虑对蛋白质的进行改造。(2)以P基因序列为基础,获得P1基因的途径有修饰基因或合成基因。所获得的基因表达时是遵循中心法则的,中心法则的全部内容包括的复制;以及遗传信息在不同分子之间的流动,即:。(3)蛋白质工程也被称为第二代基因工程,其基本途径是
26、从预期蛋白质功能出发,通过和,进而确定相对应的脱氧核苷酸序列,据此获得基因,再经表达、纯化获得蛋白质,之后还需要对蛋白质的生物进行鉴定。主题一主题二答案 (1)氨基酸序列(或结构)(2)PP1DNA和RNA(或遗传物质)DNARNA、RNADNA、RNA蛋白质(或转录、逆转录、翻译)(3)设计蛋白质的结构推测氨基酸序列功能悟考情悟考情 演练真题演练真题1.(2020海南)某课题组用生物技术制备转基因小鼠的过程,如图所示。回答下列问题。(1)通常把目的基因转入雄原核而不是雌原核,从两者形态差异上分析,原因是。(2)把桑椹胚植入假孕母鼠子宫前,需要对胚胎进行性别鉴定,目前最有效的方法是SRY-PC
27、R法。操作的基本程序是:先从被测胚胎中取出几个细胞,提取DNA,然后用位于Y染色体的性别决定基因,即SRY基因的一段碱基设计,以胚胎细胞中的DNA作为模板,进行PCR扩增,最后用SRY特异性探针检测扩增产物。出现阳性反应者,胚胎为;出现阴性反应者,胚胎为。(3)若目的基因的表达产物是某种特定的蛋白质,检测目的基因在子代转基因小鼠中是否成功表达,常用的分子检测方法是,检测的基本思路是。答案 (1)雄原核较大,更容易容纳外源DNA(2)引物雄性雌性(3)抗原抗体杂交技术从转基因生物中提取蛋白质,用相应的抗体(对抗体进行同位素标记)进行抗原抗体杂交,如果出现杂交带,表明目的基因已经表达成功2.(20
28、21湖南)M基因编码的M蛋白在动物A的肝细胞中特异性表达。现设计实验,将外源DNA片段F插入M基因的特定位置,再通过核移植、胚胎培养和胚胎移植等技术获得M基因失活的转基因克隆动物A,流程如图所示。回答下列问题。(1)在构建含有片段F的重组质粒过程中,切割质粒DNA的工具酶是,这类酶能将特定部位的两个核苷酸之间的断开。(2)在无菌、无毒等适宜环境中进行动物A成纤维细胞的原代和传代培养时,需要定期更换培养液,目的是。(3)与胚胎细胞核移植技术相比,体细胞核移植技术的成功率更低,原因是。从早期胚胎中分离获得的胚胎干细胞,在形态上表现为(答出两点即可),功能上具有。(4)鉴定转基因动物:以免疫小鼠的淋巴细胞与骨髓瘤细胞进行融合,筛选融合杂种细胞,制备M蛋白的单克隆抗体。简要写出利用此抗体确定克隆动物A中M基因是否失活的实验思路。答案 (1)限制性核酸内切酶(限制酶)磷酸二酯键(2)清除代谢产物,防止细胞代谢产物积累对细胞自身造成危害(3)动物胚胎细胞分化程度低,恢复其全能性相对容易,动物体细胞分化程度高,恢复其全能性十分困难细胞体积小、细胞核大、核仁明显(任选两点作答)发育的全能性(4)B取动物A和克隆动物A的肝组织细胞,分别提取蛋白质进行抗原抗体杂交本本 课课 结结 束束
