高中生物 第一章 基因工程 第2課時 基因工程的原理和技術(shù) 浙科版選修3

第2課時基因工程的原理和技術(shù)第一章基因工程選修3現(xiàn)代生物技術(shù)專題知識內(nèi)容要求考情解讀基因工程的原理和技術(shù)b1.簡述基因工程的原理。2.概述基因工程基本操作的幾個步驟。一、基因工程的原理二、基因工程的基本操作步驟達(dá)標(biāo)檢測內(nèi)容索引一、基因工程的原理一、基因工程的原理1.基本原理基本原理讓人們感興趣的基因(即 )在宿主細(xì)胞中穩(wěn)定和高效地表達(dá)。2.變異類型變異類型基因工程屬于可遺傳變異中的 。新知導(dǎo)學(xué)目的基因基因重組(1)在基因工程中，不同DNA鏈的斷裂和連接產(chǎn)生DNA片段的交換和重新組合，形成了新的DNA分子，在這個操作中交換了DNA片段，故屬于基因重組。(2)基因工程中的基因重組不同于減數(shù)分裂過程中的基因重組。前者屬于無性生殖中的重組，并發(fā)生在不同種生物間，打破了物種間的界線，可以定向地改造生物的遺傳特性，此操作均在細(xì)胞外進(jìn)行。歸納總結(jié)歸納總結(jié)例例1科學(xué)家用納米技術(shù)制造出一種“生物導(dǎo)彈”，可以攜帶DNA分子。把它注射入組織中，可以通過細(xì)胞的內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，DNA被釋放出來，進(jìn)入到細(xì)胞核內(nèi)，最終整合到細(xì)胞染色體上，成為細(xì)胞基因組的一部分，DNA整合到細(xì)胞染色體中的過程屬于 A.基因突變 B.基因重組C.基因互換 D.染色體畸變答案解析解析解析基因突變是基因內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變；染色體畸變是以染色體作為研究對象，探討染色體結(jié)構(gòu)和數(shù)目的變化；基因工程是將外源基因?qū)胧荏w細(xì)胞，得到人們所需要的產(chǎn)物，屬于基因重組。例例2下列敘述符合基因工程基本原理的是 A.B淋巴細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞融合，雜交瘤細(xì)胞中含有B淋巴細(xì)胞中的抗 體基因B.將人的干擾素基因重組到質(zhì)粒后導(dǎo)入大腸桿菌，獲得能產(chǎn)生人干擾 素的菌株C.用紫外線照射青霉菌，使其DNA發(fā)生改變，通過篩選獲得青霉素高 產(chǎn)菌株D.自然界中天然存在的噬菌體自行感染細(xì)菌后其DNA整合到細(xì)菌 DNA上答案解析解析解析基因工程是在生物體外，通過對DNA分子進(jìn)行人工“剪切”和“拼接”，對生物的基因進(jìn)行改造和重新組合，然后導(dǎo)入受體細(xì)胞內(nèi)，使目的基因在受體細(xì)胞內(nèi)表達(dá)，產(chǎn)生出人類所需要的基因產(chǎn)物，因此，B項(xiàng)為基因工程。操作對象人們感興趣的基因(即目的基因)需要的基本要素多種工具酶、目的基因、載體、宿主細(xì)胞等常見目的基因植物的抗蟲基因、抗病基因、抗除草劑基因、人胰島素基因和人干擾素基因等完成的場所體外構(gòu)建重組DNA分子，宿主細(xì)胞內(nèi)表達(dá)完成的結(jié)果目的基因穩(wěn)定和高效地表達(dá)，產(chǎn)生人們所需的功能物質(zhì)正確理解基因工程的五個方面正確理解基因工程的五個方面 方法技巧方法技巧二、基因工程的基本操作步二、基因工程的基本操作步驟驟1.獲得目的基因的方法獲得目的基因的方法(1)已知序列用 合成；用 (PCR)擴(kuò)增。(2)未知序列從 中獲得。新知導(dǎo)學(xué)化學(xué)方法聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)基因文庫2.形成重組形成重組DNA分子分子相同粘性末端DNA連接重組DNA分子3.將重組將重組DNA分子導(dǎo)入受體細(xì)胞分子導(dǎo)入受體細(xì)胞(1)常用受體細(xì)胞：大腸桿菌、枯草桿菌、酵母菌和動植物細(xì)胞等。(2)導(dǎo)入方法舉例：用質(zhì)粒作為載體，宿主細(xì)胞應(yīng)該選擇 ，用 處理大腸桿菌，增加其細(xì)胞壁的 ，使含有目的基因的重組質(zhì)粒進(jìn)入大腸桿菌宿主細(xì)胞。4.篩選含有目的基因的受體細(xì)胞篩選含有目的基因的受體細(xì)胞(1)篩選原因：并不是所有的細(xì)胞都接納了 。大腸桿菌氯化鈣通透性重組DNA分子(2)篩選方法舉例：由于質(zhì)粒上有抗生素如 ，所以含有這種重組質(zhì)粒的受體細(xì)胞就能夠在有 的培養(yǎng)基中生長，而沒有接納重組DNA分子的細(xì)胞則不能在這種培養(yǎng)基上生長。經(jīng)過培養(yǎng)，_能夠和質(zhì)粒一起在宿主細(xì)胞內(nèi)大量 。5.目的基因的表達(dá)目的基因的表達(dá)(1)目的基因的表達(dá)是指目的基因在 中表達(dá)，產(chǎn)生人們需要的 。(2)常用方法：從轉(zhuǎn)基因生物中提取蛋白質(zhì)，用相應(yīng)的抗體進(jìn)行抗原抗體雜交，若有雜交帶出現(xiàn)，表明目的基因已成功表達(dá)。四環(huán)素抗性基因四環(huán)素目的基因擴(kuò)增宿主細(xì)胞功能物質(zhì)探究探究1比較異同比較異同1.比較采用化學(xué)方法合成目的基因的兩條合成途徑比較采用化學(xué)方法合成目的基因的兩條合成途徑(1)利用目的基因轉(zhuǎn)錄的RNA，在 的作用下,逆轉(zhuǎn)錄成 ，根據(jù)堿基互補(bǔ)配對原則再合成 ,進(jìn)而用 擴(kuò)增目的基因。(2)根據(jù) 序列，推測出相應(yīng)的mRNA序列，然后按照堿基互補(bǔ)配對原則，推測其DNA的 ，再通過化學(xué)方法，以 為原料合成DNA分子。互動探究逆轉(zhuǎn)錄酶單鏈DNA雙鏈DNAPCR技術(shù)氨基酸核苷酸序列單核苷酸比較項(xiàng)目解讀基因通常指具有遺傳效應(yīng)的DNA片段某些病毒(如煙草花葉病毒)中是具有遺傳效應(yīng)的RNA片段，是控制生物性狀的遺傳物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)和功能單位目的基因基因工程操作中需要的 ，是編碼某種蛋白質(zhì)的基因，如生物的抗逆性基因、抗蟲基因等2.比較基因、目的基因、基因文庫、比較基因、目的基因、基因文庫、基因庫基因庫外源基因基因文庫基因文庫屬于基因工程范疇，指將含有某種生物不同基因的 ，導(dǎo)入受體菌的群體中儲存，各個受體菌分別含有這種生物的不同基因基因庫屬于遺傳范疇，是指一個生物種群的 的總稱全部等位基因許多DNA片段探究探究2理性思維理性思維1.形成重組形成重組DNA分子分子目的基因與載體結(jié)合的過程，實(shí)質(zhì)上是不同來源的DNA重新組合的過程，是基因工程的核心。其基本過程如下(以質(zhì)粒作為載體)，完善圖示，并思考問題：同一種限制性核酸內(nèi)切酶堿基配對作用DNA連接酶DNA連接酶答案答案選用同一種限制性核酸內(nèi)切酶切割會產(chǎn)生相同的粘性末端，可以在DNA連接酶的作用下將切割的目的基因和載體連接起來。(1)為什么切割目的基因和載體要選用同一種限制性核酸內(nèi)切酶？答案(2)在實(shí)際的基因工程操作時往往用兩種限制性核酸內(nèi)切酶分別切割目的基因的兩端以及載體，這樣做有什么好處？試分析原因。如果用一種限制性核酸內(nèi)切酶切割，目的基因兩側(cè)的末端以及質(zhì)粒切口的兩個末端都是互補(bǔ)的，因此連接時可能會出現(xiàn) 、_ 、 三種連接情況，而符合要求的只有載體與目的基因的連接。如下圖所示。分子間的不同連接產(chǎn)物：目的基載體與載體因與目的基因目的基因與載體如果用兩種不同的限制性核酸內(nèi)切酶進(jìn)行切割就可以有效避免_ 以及 的連接，提高連接的有效性，克服同種酶切的缺點(diǎn)。(3) 一個重組DNA分子的組成至少應(yīng)該包括：啟動子、終止子、目的基因、 。原因如下：目的基因是指編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因，若沒有啟動子，則導(dǎo)入的目的基因在受體細(xì)胞中無法轉(zhuǎn)錄。目的基因的表達(dá)需要調(diào)控序列， 終止子相當(dāng)于一盞紅色信號燈，使轉(zhuǎn)錄到此終止。檢測目的基因是否導(dǎo)入受體細(xì)胞需要有篩選標(biāo)記標(biāo)記基因。(4)構(gòu)建重組DNA分子所用到的酶： 酶、 酶。載體載體與目的基因與目的基因標(biāo)記基因限制性核酸內(nèi)切DNA連接2.目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的結(jié)果結(jié)果上圖中發(fā)生與發(fā)生相比，會使目的基因的遺傳特性得以穩(wěn)定維持和表達(dá)，原因是在進(jìn)行細(xì)胞分裂時，細(xì)胞核上的DNA經(jīng)復(fù)制后 分配到兩個子細(xì)胞中，保證了親子代遺傳性狀的 ，而細(xì)胞分裂時，細(xì)胞質(zhì)是不均分的，子細(xì)胞 含有目的基因。穩(wěn)定性平均不一定重組重組DNA分子導(dǎo)入不同受體細(xì)胞的方法分子導(dǎo)入不同受體細(xì)胞的方法歸納總結(jié)歸納總結(jié)生物種類植物細(xì)胞動物細(xì)胞微生物細(xì)胞常用方法農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法(重組DNA分子導(dǎo)入農(nóng)桿菌，再讓農(nóng)桿菌感染植物細(xì)胞)顯微注射法(將重組DNA分子提純，用顯微儀注射到受精卵中)感受態(tài)細(xì)胞法(Ca2處理受體細(xì)胞，使其成為感受態(tài)細(xì)胞，再進(jìn)行混合)受體細(xì)胞體細(xì)胞受精卵原核細(xì)胞探究探究3圖示解讀圖示解讀根據(jù)下圖舉例說明篩選含目的基因的受體細(xì)胞的原理、方法：1.篩選原因：不是所有細(xì)胞都接納了 。2.篩選原理： 。3.篩選方法：利用 篩選。重組DNA分子質(zhì)粒上有抗生素的抗性基因選擇培養(yǎng)基答案答案抗原抗體雜交法。原理是抗原能與相應(yīng)抗體特異性結(jié)合。4.檢測目的基因是否翻譯出蛋白質(zhì)的方法是什么？其原理是什么？答案答案答案用葉片飼養(yǎng)棉鈴蟲，觀察棉鈴蟲是否死亡。5.檢測棉花中導(dǎo)入的抗蟲基因是否表達(dá)的最簡便的方法是什么？目的基因檢測與鑒定的目的基因檢測與鑒定的“四個層面四個層面”歸納總結(jié)歸納總結(jié)例例3(2017浙江綠色聯(lián)盟聯(lián)考)下列不能說明目的基因已成功導(dǎo)入受體細(xì)胞的是 A.檢測受體細(xì)胞是否含有質(zhì)粒B.檢測受體細(xì)胞是否含有目的基因C.檢測受體細(xì)胞是否含有目的基因的表達(dá)產(chǎn)物D.檢測受體細(xì)胞是否含有目的基因轉(zhuǎn)錄出的mRNA答案解析解析解析細(xì)胞中可能含有普通質(zhì)粒，因此檢測細(xì)胞是否含有質(zhì)粒不能說明目的基因是否已成功導(dǎo)入受體細(xì)胞，A符合題意。例例4(2017杭州四校聯(lián)考節(jié)選)抗瘧藥青蒿素挽救了數(shù)百萬人的生命。中國女科學(xué)家屠呦呦由于在青蒿素研發(fā)所做的重大貢獻(xiàn)榮獲2015年諾貝爾生理學(xué)獎或醫(yī)學(xué)獎。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。某研究小組給青蒿轉(zhuǎn)入青蒿素合成的關(guān)鍵基因fps，通過該基因的過量表達(dá)來提高青蒿素的產(chǎn)量，其過程如下圖所示(注：農(nóng)桿菌中Ti質(zhì)粒上只有TDNA片段能轉(zhuǎn)移到植物細(xì)胞中)。(1)提取青蒿的總RNA，在_酶作用下獲得青蒿的DNA片段。解析解析利用RNA獲得DNA，采用逆轉(zhuǎn)錄法，在逆轉(zhuǎn)錄酶的作用下實(shí)現(xiàn)。答案解析逆轉(zhuǎn)錄(2)如果fps基因的基因序列已知，我們可以通過_合成目的基因或者用PCR擴(kuò)增目的基因；如果fps基因的基因序列未知，可以從_獲取目的基因。解析解析對于已知序列，可采用化學(xué)方法合成目的基因或用PCR擴(kuò)增目的基因。若DNA序列未知，常從基因文庫中獲取。答案解析化學(xué)方法(人工)基因文庫(3)過程需用同種_酶對含fps基因的DNA和Ti質(zhì)粒進(jìn)行酶切。解析解析過程表示形成重組質(zhì)粒，采用同種限制性核酸內(nèi)切酶對含fps基因的DNA和Ti質(zhì)粒進(jìn)行酶切。答案解析限制性核酸內(nèi)切(4)過程中將青蒿細(xì)胞與農(nóng)桿菌混合后共同培養(yǎng)，旨在讓_進(jìn)入青蒿細(xì)胞；除盡農(nóng)桿菌后，還須轉(zhuǎn)接到含卡那霉素的培養(yǎng)基上繼續(xù)培養(yǎng)，目的是_。答案解析TDNA(目的基因)篩選獲得TDNA片段(目的基因)的植物細(xì)胞解析解析將青蒿細(xì)胞與農(nóng)桿菌混合培養(yǎng)，目的是讓TDNA(目的基因)進(jìn)入青蒿細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞。將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞后，需將細(xì)胞培養(yǎng)在含卡那霉素的培養(yǎng)基中，原因是質(zhì)粒上含有卡那霉素的抗性基因，導(dǎo)入重組DNA分子的受體細(xì)胞可在培養(yǎng)基上存活，利于篩選獲得含TDNA片段(目的基因)的植物細(xì)胞。(5)下列有關(guān)基因工程的敘述正確的是 A.大腸桿菌質(zhì)粒上具有控制質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)移的基因B.基因工程的基本原理是讓目的基因在宿主細(xì)胞中穩(wěn)定存在和高效復(fù)制C.用氯化鈣處理植物細(xì)胞，可增加細(xì)胞壁的通透性D.將乙肝抗原導(dǎo)入酵母菌可以獲得能生產(chǎn)乙肝疫苗的工程菌解析解析大腸桿菌質(zhì)粒上具有控制質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)移的基因，A正確；基因工程的基本原理是讓人們感興趣的基因在宿主細(xì)胞中穩(wěn)定地保存和表達(dá)，B錯誤；用氯化鈣處理微生物細(xì)胞，可增加細(xì)胞壁的通透性，C錯誤；將乙肝抗原基因?qū)虢湍妇梢垣@得能生產(chǎn)乙肝疫苗的工程菌，D錯誤。答案解析導(dǎo)入微生物細(xì)胞(如大腸桿菌)：用CaCl2處理大腸桿菌，目的是增加大腸桿菌細(xì)胞壁的通透性，使含有目的基因的重組DNA分子進(jìn)入受體細(xì)胞。易混易錯易混易錯基因工程的基本原理基因工程的基本操作步驟獲得_形成_將 導(dǎo)入受體細(xì)胞篩選含有目的基因的_目的基因的_目的基因重組DNA分子重組DNA分子表達(dá)受體細(xì)胞學(xué)習(xí)小結(jié)學(xué)習(xí)小結(jié)達(dá)標(biāo)檢測1.(2018溫州瑞安期中)對基因工程操作的敘述，正確的是 A.用限制性核酸內(nèi)切酶切割煙草花葉病毒的核酸B.用顯微注射法將人生長激素基因直接注入動物的受精卵C.用氯化鈣處理可增加細(xì)菌細(xì)胞膜的通透性，有利于目的基因的導(dǎo)入D.利用DNA分子雜交技術(shù)無法檢測目的基因是否表達(dá)答案解析1234512345解析解析限制性核酸內(nèi)切酶只能切割特定的脫氧核苷酸序列，而煙草花葉病毒的核酸是由核糖核苷酸構(gòu)成的，A錯誤；目的基因不能直接導(dǎo)入受體細(xì)胞，可用顯微注射法將含人生長激素基因的重組質(zhì)粒注入動物的受精卵，B錯誤；用氯化鈣處理可增加細(xì)菌細(xì)胞壁的通透性，并使細(xì)菌處于感受態(tài)，從而有利于目的基因的導(dǎo)入，C錯誤；利用DNA分子雜交技術(shù)只能檢測目的基因是否導(dǎo)入，無法檢測目的基因是否表達(dá)，D正確。選項(xiàng)ABCD供體質(zhì)粒提供目的基因的生物提供目的基因的生物大腸桿菌等手術(shù)刀限制性核酸內(nèi)切酶DNA連接酶限制性核酸內(nèi)切酶DNA連接酶縫紉針DNA連接酶限制性核酸內(nèi)切酶DNA連接酶限制性核酸內(nèi)切酶載體提供目的基因的生物質(zhì)粒質(zhì)粒提供目的基因的生物受體大腸桿菌等大腸桿菌等大腸桿菌等質(zhì)粒123452.下表關(guān)于基因工程中有關(guān)基因操作的名詞及對應(yīng)的內(nèi)容，正確的組合是 答案解析解析解析基因工程中供體指的是提供目的基因的個體，受體是指接受目的基因的個體，手術(shù)刀是限制性核酸內(nèi)切酶，縫紉針是DNA連接酶，最常用的載體是質(zhì)粒。123453.在已知某小片段基因堿基序列的情況下，獲得該基因的最佳方法是 A.用mRNA為模板逆轉(zhuǎn)錄合成DNAB.以4種脫氧核苷酸為原料人工合成C.將供體DNA片段轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞中，再進(jìn)一步篩選D.由蛋白質(zhì)的氨基酸序列推測mRNA解析解析因?yàn)橐阎虻膲A基序列，所以獲得該基因的最佳方法是以4種脫氧核苷酸為原料人工合成。答案解析123454.(2017寧波二模)轉(zhuǎn)入人胰島素原基因(已知序列)的大腸桿菌，可以合成人胰島素原，通過該項(xiàng)轉(zhuǎn)基因技術(shù)可有效地緩解臨床上胰島素不足的難題，從而為糖尿病患者帶來福音。在上述轉(zhuǎn)基因操作過程中，下列說法錯誤的是 A.人胰島素原基因可用化學(xué)方法合成，并用PCR技術(shù)擴(kuò)增B.重組質(zhì)粒導(dǎo)入受體細(xì)胞時通常用氯化鈣處理大腸桿菌C.DNA連接酶能使不同脫氧核苷酸的堿基與脫氧核糖連接D.胰島素原需進(jìn)一步加工后才可獲得具有生物活性的胰島素答案解析1234512345解析解析人胰島素原基因的序列是已知的，故可用化學(xué)方法合成，并用PCR技術(shù)擴(kuò)增，A正確；由于受體細(xì)胞是大腸桿菌，所以在重組質(zhì)粒導(dǎo)入受體細(xì)胞時，要先用氯化鈣處理大腸桿菌，以增加其細(xì)胞壁的通透性，B正確；DNA連接酶能使脫氧核苷酸的磷酸與脫氧核糖連接，C錯誤；胰島素原沒有生物活性，需要進(jìn)一步加工后才能成為有生物活性的胰島素，D正確。5.(2017寧波十校期末)科學(xué)家將魚抗凍蛋白基因轉(zhuǎn)入番茄，使番茄的耐寒能力大大提高，可以在相對寒冷的環(huán)境中生長。質(zhì)粒上有Pst 、Sma 、Hind 、Alu 四種限制性核酸內(nèi)切酶切割位點(diǎn)，下圖是轉(zhuǎn)基因抗凍番茄培育過程的示意圖(ampr為抗氨芐青霉素基因)，其中是轉(zhuǎn)基因抗凍番茄培育過程中的相關(guān)步驟，、表示相關(guān)結(jié)構(gòu)或細(xì)胞。請據(jù)圖回答下列問題：12345(1)在構(gòu)建重組DNA時，可用一種或多種限制性核酸內(nèi)切酶進(jìn)行切割。為了避免目的基因和載體在酶切后產(chǎn)生的末端發(fā)生任意連接，在此實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該選用限制性核酸內(nèi)切酶_分別對_、_進(jìn)行切割，切割后產(chǎn)生的DNA片段分別為_、_種。12345答案解析Pst、Sma含魚抗凍蛋白基因的DNA質(zhì)粒4212345解析解析分析題圖可知，對目的基因的切割方式有采用限制性核酸內(nèi)切酶Pst 酶切，或者采用限制性核酸內(nèi)切酶Pst和Sma混合酶切，相比前者，后者能夠保證目的基因與質(zhì)粒的定向連接，防止酶切后產(chǎn)生的末端發(fā)生任意連接。所以使用Pst、Sma對含有目的基因的DNA分子(含魚抗凍蛋白基因的DNA)和質(zhì)粒進(jìn)行切割，酶切含目的基因的DNA分子，片段有DNA片段左側(cè)Pst、PstSma、SmaPst及PstDNA片段右側(cè)4種DNA片段，酶切質(zhì)粒，產(chǎn)生PstSma、SmaPst2種DNA片段。(2)培養(yǎng)基中的氨芐青霉素會抑制番茄愈傷組織細(xì)胞的生長，要利用該培養(yǎng)基篩選已導(dǎo)入魚的抗凍蛋白基因的番茄細(xì)胞，應(yīng)使重組DNA中含有_作為標(biāo)記基因。12345答案解析抗氨芐青霉素基因解析解析培養(yǎng)基中的氨芐青霉素抑制番茄愈傷組織的生長，分析圖示可知，質(zhì)粒上含有抗氨芐青霉素基因，重組DNA中以其為標(biāo)記基因，可以篩選含有重組質(zhì)粒的受體細(xì)胞。(3)研究人員通常采用_法將魚抗凍蛋白基因?qū)敕鸭?xì)胞內(nèi)。12345答案解析農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化解析解析將目的基因?qū)胫参锛?xì)胞，采用的方法是農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法。