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選修3 現代生物科技專題,[觀考情 考綱考頻] 1.基因工程的誕生(Ⅰ) 2.基因工程的原理及技術(Ⅱ)[3年10考] 3.基因工程的應用(Ⅱ)[3年8考] 4.蛋白質工程(Ⅰ)[3年1考] 5.DNA的粗提取與鑒定(實驗)[3年3考],專題1 基因工程,一、基因工程的工具 1．限制酶 (1)存在：主要從 中分離純化。 (2)作用：識別 ，并且使特定部位的 斷開。 (3)形成類型：產生 和 兩種形式。,原核生物,雙鏈DNA中某種特定核苷酸序列,核苷酸之間的磷酸二酯鍵,黏性末端,平末端,2．DNA連接酶 (2)功能：將雙鏈DNA片段“縫合”起來，恢復被限制酶切開的兩個核苷酸間的 。,磷酸二酯鍵,3．載體 (1)條件：能在受體細胞中復制并穩(wěn)定保存；具有一至多個___________；具有 。 (3)作用： 。 (4)特點：可在細胞中 或整合到 上隨染色體DNA進行同步復制。,限制酶切點,標記基因,攜帶外源DNA片段進入受體細胞,自我復制,染色體DNA,二、基因工程的操作程序 1．獲取目的基因 (1)目的基因：主要指編碼蛋白質的基因。,2．基因表達載體的構建——基因工程的核心 (1)目的：使目的基因在受體細胞中 ，并且可以_____________，同時使目的基因能夠表達和發(fā)揮作用。 (2)基因表達載體組成：目的基因＋啟動子＋終止子＋標記基因。 啟動子： ，能驅動基因轉錄出mRNA。 終止子：使轉錄終止的一段有特殊結構的DNA短片段。 標記基因：作用是鑒定受體細胞中是否含有 。,穩(wěn)定存在,遺傳給下一代,RNA聚合酶識別和結合部位,目的基因,3．將目的基因導入受體細胞,4.目的基因的檢測與鑒定,,三、基因工程的應用與蛋白質工程 1．轉基因生物 (1)概念：是指利用基因工程技術導入 培育出的能夠將新性狀穩(wěn)定地遺傳給后代的基因工程生物。 (2)優(yōu)點：運用基因工程改良動植物品種最突出的優(yōu)點是能打破常規(guī)育種難以突破的 。,外源基因,物種之間的界限,2．基因工程的應用 (1)動物基因工程：用于提高動物生長速度從而提高產品 ；用于改善畜產品品質；用轉基因動物生產 ；用轉基因動物作器官移植的 等。 (2)植物基因工程：培育抗蟲轉基因植物、抗病轉基因植物和抗逆轉基因植物；利用轉基因改良植物的 。 (3)基因診斷：又稱為DNA診斷，是采用 的方法來判斷患者是否出現了基因異?；驍y帶病原體。 (4)基因治療：指利用 置換或彌補缺陷基因的治療方法。實例：ADA基因缺陷癥的基因治療。,產量,藥物,供體,品質,基因檢測,正?；?3．蛋白質工程 (1)概念：以蛋白質分子的結構規(guī)律及其與 作為基礎，通過 ，對現有蛋白質進行改造，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類的生產和生活的需求。 (2)基本途徑：預期蛋白質功能→設計預期的蛋白質結構→推測應有的 序列→找到對應的 序列(基因)。,生物功能的關系,基因修飾或基因合成,氨基酸,脫氧核苷酸,1．判斷關于基因工程工具及基本操作過程說法的正誤。 (1)限制性核酸內切酶、DNA連接酶和質粒是基因工程中常用的三種工具酶(×) (2)DNA連接酶能將兩堿基間通過形成氫鍵連接起來(×) (3)E·coli DNA連接酶既可以連接平末端，又可以連接黏性末端(×) (4)載體的作用是攜帶目的基因導入受體細胞中，使之穩(wěn)定存在并表達(√) (5)質粒是小型環(huán)狀DNA分子，是基因工程常用的載體(√) (6)檢測目的基因是否導入受體細胞可用抗原—抗體雜交技術(×) (7)目的基因導入雙子葉植物一般采用農桿菌轉化法(√),2．判斷關于基因工程的應用及蛋白質工程說法的正誤。 (1)蛋白質工程是在分子水平上對蛋白質分子直接進行操作，定向改變分子的結構(×) (2)蛋白質工程可按照人的意愿生產出自然界中不存在的蛋白質(√) (3)基因治療是把正?；驅氩∪梭w內，使該基因的表達產物發(fā)揮功能，從而達到治療疾病的目的(√) (4)利用PCR技術能合成目的基因(×) (5)利用乳腺生物反應器能夠獲得一些重要的醫(yī)藥產品，如人的血清白蛋白，這是因為將人的血清白蛋白基因導入了動物的乳腺細胞中(×),1．“分子手術刀”——限制性核酸內切酶(限制酶) (1)存在：主要存在于原核生物中。 (2)特性：一種限制酶只能識別一種 ，并且能在 切割DNA分子。,基因工程的操作工具分析,特定的核苷酸序列,特定的切點上,(4)切割后末端的種類：DNA分子經限制酶切割產生的DNA片段末端通常有兩種形式—— 和平末端。,黏性末端,2．分子縫合針——DNA連接酶 (1)常用的種類：E·coli DNA連接酶和T4DNA連接酶。,(2)作用：把兩個DNA片段的“縫隙”(末端)連接起來。 (3)作用實質：使兩個DNA單鏈末端之間形成 而連接成一個DNA分子。 3．分子的運輸車——載體 (1)載體的作用：載體是基因運輸工具，在基因操作過程中，使用載體有兩個目的：一是用它作為運載工具，將目的基因送到宿主細胞中；二是利用它在宿主細胞內對目的基因進行大量 。 (2)載體的種類：目前，基因工程中經常使用的載體主要有細菌的 、噬菌體、動植物病毒幾類。 (3)載體具備的條件 ①能在宿主細胞內 并 。 ②有 限制酶切割位點，以便與外源基因連接。 ③具有某些 ，以便進行篩選。,磷酸二酯鍵,復制,質粒,穩(wěn)定保存,大量復制,多個,遺傳標記基因,1．(2015年武漢調研)下圖是利用基因工程方法培育抗蟲棉的過程。請回答相關問題：,(1)從蘇云金芽孢桿菌的DNA上獲取抗蟲基因，需要用到的工具是________，此工具主要是從________生物中分離純化出來的，它能夠識別雙鏈DNA分子的某種特定核苷酸序列，并且使每一條鏈中特定部位的兩個脫氧核苷酸之間的________鍵斷開。 (2)構建重組質粒時，常用Ti質粒作為載體，是因為Ti質粒上具有________，它能把目的基因整合到受體細胞________。,(3)E過程是利用________技術完成的，要確定抗蟲基因導入棉花細胞后，是否賦予了棉花抗蟲特性，在個體水平上還需要做________實驗。 (4)將目的基因導入植物細胞，除采用上圖中的方法外，還可采用________法和花粉管通道法。 解析：(1)限制酶用于切割DNA分子，獲取目的基因。限制酶主要從原核生物細胞中獲取。限制酶可斷裂磷酸二酯鍵，將DNA分子切開。(2)Ti質粒是可轉移的DNA，其上TDNA可以整合到受體細胞的染色體DNA上，故將目的基因借助Ti質粒導入受體細胞中。(3)E過程利用了植物組織培養(yǎng)技術。可把害蟲接種到轉基因植株上，以檢測轉基因植株的抗蟲基因是否正常表達。 答案：(1)限制酶 原核 磷酸二酯 (2)TDNA 染色體DNA (3)植物組織培養(yǎng) 抗蟲的接種 (4)基因槍,1．目的基因的獲取 (1)目的基因的獲取方法 ①從 中獲取，包括從供體細胞直接獲取和從基因文庫中獲取。 ②人工合成，包括 和 。 (2)擴增目的基因 ①PCR技術的原理：DNA雙鏈復制。 ②PCR過程：加熱至90～95 ℃，DNA解鏈→冷卻到55～60 ℃，引物結合到互補DNA鏈→加熱至70～75 ℃，DNA聚合酶從引物起始進行互補鏈的合成。,基因工程的基本操作程序,生物材料,反轉錄法,化學合成法,(3)基因文庫、基因組文庫、cDNA文庫的概念及作用 ①基因組文庫：含有一種生物的 。 ②cDNA文庫：含有一種生物的 ，一般由mRNA逆轉錄而來。 ③基因文庫包括基因組文庫和cDNA文庫。 ④作用：有了基因文庫，就可隨時從中提取所需要的目的基因，導入受體細胞使之表達。,全部基因,部分基因,2．基因表達載體的構建 (1)基因表達載體的組成 ① ：一段有特殊結構的DNA片段，位于基因的首端。它是RNA聚合酶識別、結合的部位。 ②終止子：一段有特殊結構的DNA短片段，位于基因的尾端。作用是使 停止。 ③標記基因：一般為抗生素 或熒光基因等，其作用是鑒別受體細胞中是否含有 (目的基因是否導入成功)。,,啟動子,轉錄過程,抗性基因,目的基因,(2)基因表達載體的構建方法 3．將目的基因導入受體細胞 (1)轉化的概念：目的基因進入受體細胞內，并且在受體細胞內_________和 的過程。 (2)轉化實質：目的基因整合到受體細胞 中。,,維持穩(wěn)定,表達,基因組,4．目的基因的檢測和鑒定,[易錯易混] (1)只有第三步將目的基因導入受體細胞不需堿基互補配對，其余三個步驟都涉及堿基互補配對。 (2)工具酶只有兩種：限制酶在操作程序1、2中用到且要求用同一種，目的是產生相同的黏性末端；DNA連接酶只在操作程序2中用到。 (3)目的基因的插入位點不是隨意的，基因表達需要啟動子與終止子的調控，所以目的基因應插入啟動子與終止子之間的部位。 (4)農桿菌轉化法原理：農桿菌易感染植物細胞，并將其Ti質粒上的T-DNA轉移并整合到受體細胞染色體DNA上。,2．在培育轉基因植物的研究中，卡那霉素抗性基因(kan)常作為標記基因，只有含卡那霉素抗性基因的細胞才能在卡那霉素培養(yǎng)基上生長。如圖為獲得抗蟲棉的技術流程。請據圖回答：,,(1)基因工程的基本操作程序主要包括四個步驟：目的基因的獲取、________、將目的基因導入受體細胞、________。 (2)A過程需要的酶有________和________。 (3)要把重組質粒導入土壤農桿菌，首先必須用________處理土壤農桿菌，使土壤農桿菌轉變?yōu)開_______態(tài)；然后將________________在緩沖液中混合培養(yǎng)完成轉化過程。 (4)含有重組質粒的土壤農桿菌侵染離體棉花葉片組織后，將離體棉花葉片組織培養(yǎng)成再生植株要經過[C]________和[E]________。如要確保再生植株中含有抗蟲基因，可在C過程的培養(yǎng)基中加入________。 (5)目的基因能否在棉花植株體內維持和表達其遺傳特性的關鍵是________________________。這需要通過檢測才能知道，檢測采用的方法是________________________。,解析：(1)基因工程的基本操作程序主要包括四個步驟：目的基因的獲取、基因表達載體的構建、將目的基因導入受體細胞、目的基因的檢測與鑒定。(2)基因表達載體構建過程中，需要用同種限制酶切割目的基因和載體，使它們產生相同的黏性末端，再用DNA連接酶把這兩個DNA片段連接起來。(3)農桿菌轉化法導入目的基因時，首先必須用Ca2＋處理土壤農桿菌，使土壤農桿菌轉變?yōu)楦惺軕B(tài)；然后將重組質粒和感受態(tài)細胞在緩沖液中混合培養(yǎng)完成轉化過程。(4)植物組織培養(yǎng)過程的關鍵步驟是脫分化和再分化。因為只有含卡那霉素抗性基因的細胞才能在卡那霉素培養(yǎng)基上生長，故若要確保再生植株中含有抗蟲基因，可在C過程的培養(yǎng)基中加入卡那霉素。(5)目的基因能否在棉花植株體內維持和表達其遺傳特性的關鍵是目的基因是否插入受體細胞的DNA分子上，檢測采用的方法是DNA分子雜交技術。,答案：(1)基因表達載體構建 目的基因的檢測與鑒定 (2)限制酶 DNA連接酶 (3)Ca2＋ 感受 重組質粒和感受態(tài)細胞 (4)脫分化 再分化 卡那霉素 (5)目的基因是否插入受體細胞的DNA分子上 DNA分子雜交技術,1．乳腺生物反應器與工程菌生產藥物的比較 (1)含義： ①乳腺生物反應器是指使外源基因在哺乳動物的乳腺中特異表達，利用動物的乳腺組織生產藥物蛋白。 ②工程菌是指用基因工程的方法，使外源基因得到高效表達的菌類細胞株系。,基因工程的應用及蛋白質工程,(2)兩者區(qū)別：,2.蛋白質工程與基因工程的比較,3.基因診斷與基因治療,[易錯易混] (1)Bt毒蛋白基因編碼的Bt毒蛋白并無毒性，進入昆蟲消化道被分解成多肽后產生毒性。 (2)青霉素是誘變后的高產青霉菌產生的，不是通過基因工程改造的工程菌產生的。 (3)動物基因工程的應用主要體現在提高動物生長速度；改善畜產品品質、用轉基因動物生產藥物等方面。,3．為探究SHH基因與角化囊腫發(fā)生的相關性，科研人員利用SHH基因的非模板鏈轉錄合成的RNA作為探針，進行分子雜交實驗，以檢測SHH基因在角化囊腫中的表達情況。其基本流程如下圖：(Amp表示氨芐青霉素抗性基因；LacZ基因被SHH基因插入后不表達),,請回答： (1)重組載體中SHH基因轉錄合成RNA探針時，________(填“需要”或“不需要”)啟動子。 (2)步驟②中，用Ca2＋處理大腸桿菌，使之成為________細胞，然后導入重組載體。實驗中，用添加氨芐青霉素的培養(yǎng)基培養(yǎng)大腸桿菌，未導入質粒的細菌將會死亡，原因是這些細菌不含有________基因。 (3)能表達LacZ基因的大腸桿菌在含有IPTG和X-gal的培養(yǎng)基上會形成藍色菌落，易于識別。根據上述原理可以初步判斷________(填“藍色”或“白色”)菌落中的大腸桿菌為重組菌。 (4)將制備的探針加入角化囊腫切片中，探針將與________________形成雜交帶，進而判斷SHH基因的轉錄情況。,解析：(1)重組載體中SHH基因表達需要啟動子。(2)大腸桿菌細胞用Ca2＋處理后就成為感受態(tài)細胞。能在添加氨芐青霉素的培養(yǎng)基上生存的細菌含有氨芐青霉素抗性基因，沒有氨芐青霉素抗性基因的細菌將會死亡。(3)能表達LacZ基因的大腸桿菌在含有IPTG和X-gal的培養(yǎng)基上會形成藍色菌落，重組菌中LacZ基因被SHH基因插入后不表達，重組菌在含有IPTG和X-gal的培養(yǎng)基上會形成白色菌落。(4)判斷SHH基因的轉錄情況，也就是判斷SHH基因是否轉錄出mRNA。 答案：(1)需要 (2)感受態(tài) Amp(或氨芐青霉素抗性或抗性) (3)白色 (4)SHH轉錄的mRNA,[例1] (2015年唐山模擬)如圖是從酵母菌獲取某植物需要的某種酶基因的流程，結合所學知識及相關信息回答下列問題：,基因工程的原理和技術,,(1)圖中cDNA文庫________基因組文庫(填“大于”“等于”或“小于”)。 (2)①過程提取的DNA需要________的切割，B過程是________________。 (3)為在短時間內大量獲得目的基因，可用________擴增的方法。目的基因獲取之后，需要進行________________________，其組成必須有________________________________以及標記基因等，此步驟是基因工程的核心。 (4)將該目的基因導入某雙子葉植物細胞，常采用的方法是________________________，其能否在此植物體內穩(wěn)定遺傳可以用________技術進行檢測。,[解析] (1)cDNA文庫小于基因組文庫。(2)提取目的基因需要限制酶，逆轉錄法獲得目的基因需要逆轉錄酶。(3)短時間內大量獲得目的基因，可用PCR技術擴增的方法?；虮磉_載體的組成必須有目的基因、標記基因、啟動子和終止子，基因表達載體的構建是基因工程的核心。(4)將目的基因導入某雙子葉植物細胞常采用的方法是農桿菌轉化法，目的基因只有整合到植物細胞的染色體上才能在植物體內穩(wěn)定遺傳，可通過DNA分子雜交的方法對目的基因是否整合到染色體上進行檢測。 [答案] (1)小于 (2)限制酶 反轉錄(或逆轉錄) (3)PCR技術 基因表達載體的構建 啟動子、終止子、目的基因 (4)農桿菌轉化法 DNA分子雜交,[例2] 菊天牛是菊花的主要害蟲之一?？蒲腥藛T將抗蟲基因轉入菊花，培育出抗蟲菊花。下圖是獲得轉基因菊花的技術流程，請據圖回答：,基因工程的應用,[注：卡那霉素抗性基因(kanR)作為標記基因，菊花葉片對卡那霉素高度敏感],(1)為了促進土壤農桿菌吸收重組質粒，可用________處理土壤農桿菌，使其處于感受態(tài)。 (2)將重組質粒導入土壤農桿菌的目的是利用農桿菌能夠________________________________的特點，使目的基因進入受體細胞中，并插入到菊花細胞的________上，最終形成轉基因植株。 (3)將愈傷組織轉移到添加一定濃度植物激素和________的培養(yǎng)基中，在適宜條件下進行培養(yǎng)，篩選轉基因菊花。 (4)用PCR方法檢測轉基因菊花是否含有目的基因時，需根據________的核苷酸序列設計特異引物，以________為模板進行第一輪擴增。,(5)將轉基因菊花嫩莖及葉片與人工飼料以適當比例混合后飼喂菊天牛2齡幼蟲，實驗結果如下表所示。,①對照組應飼喂等量的________________________________________________________________________。 ②據表分析，________________________差異顯著，說明轉基因菊花對菊天牛2齡幼蟲有較強的毒殺作用。,[解析] (1)用Ca2＋處理土壤農桿菌，使其處于感受態(tài)，易于吸收外源重組DNA分子。(2)農桿菌能夠感染植物細胞，并將T-DNA轉移至受體細胞中，并插入到受體細胞的染色體DNA上，利用這個特點實現導入目的基因。(3)利用添加卡那霉素的培養(yǎng)基可以篩選含卡那霉素抗性基因的轉基因植株。(4)用PCR方法檢測轉基因菊花是否含有目的基因時，需根據目的基因的核苷酸序列設計特異引物，以含目的基因的菊花DNA為模板進行第一輪擴增。(5)本實驗分對照組和實驗組，對照組飼喂等量的非轉基因菊花嫩莖及葉片與人工飼料混合物，實驗組飼喂轉基因菊花嫩莖及葉片與人工飼料混合物，通過實驗組與對照組死亡率比較說明轉基因菊花對菊天牛2齡幼蟲是否有毒殺作用。 [答案] (1)Ca2＋(或“CaCl2”) (2)感染菊花(或“植物”)細胞，并將T-DNA轉移至受體細胞 染色體DNA (3)卡那霉素 (4)抗蟲基因(目的基因) 轉基因菊花的DNA(或“含目的基因的菊花DNA”) (5)①非轉基因菊花嫩莖及葉片與人工飼料混合物 ②實驗組與對照組死亡率,