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選修3 現(xiàn)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(shù)(Ⅱ)[3年10考] 3.基因工程的應(yīng)用(Ⅱ)[3年8考] 4.蛋白質(zhì)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(chǎn)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(fù)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(xì)胞中復(fù)制并穩(wěn)定保存；具有一至多個___________；具有 。 (3)作用： 。 (4)特點：可在細(xì)胞中 或整合到 上隨染色體DNA進(jìn)行同步復(fù)制。,限制酶切點,標(biāo)記基因,攜帶外源DNA片段進(jìn)入受體細(xì)胞,自我復(fù)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(zhì)的基因。,2．基因表達(dá)載體的構(gòu)建——基因工程的核心 (1)目的：使目的基因在受體細(xì)胞中 ，并且可以_____________，同時使目的基因能夠表達(dá)和發(fā)揮作用。 (2)基因表達(dá)載體組成：目的基因＋啟動子＋終止子＋標(biāo)記基因。 啟動子： ，能驅(qū)動基因轉(zhuǎn)錄出mRNA。 終止子：使轉(zhuǎn)錄終止的一段有特殊結(jié)構(gòu)的DNA短片段。 標(biāo)記基因：作用是鑒定受體細(xì)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(jié)合部位,目的基因,3．將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞,4.目的基因的檢測與鑒定,,三、基因工程的應(yīng)用與蛋白質(zhì)工程 1．轉(zhuǎn)基因生物 (1)概念：是指利用基因工程技術(shù)導(dǎo)入 培育出的能夠?qū)⑿滦誀罘€(wěn)定地遺傳給后代的基因工程生物。 (2)優(yōu)點：運(yùn)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(yīng)用 (1)動物基因工程：用于提高動物生長速度從而提高產(chǎn)品 ；用于改善畜產(chǎn)品品質(zhì)；用轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn) ；用轉(zhuǎn)基因動物作器官移植的 等。 (2)植物基因工程：培育抗蟲轉(zhuǎn)基因植物、抗病轉(zhuǎn)基因植物和抗逆轉(zhuǎn)基因植物；利用轉(zhuǎn)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(xiàn)了基因異?；驍y帶病原體。 (4)基因治療：指利用 置換或彌補(bǔ)缺陷基因的治療方法。實例：ADA基因缺陷癥的基因治療。,產(chǎn)量,藥物,供體,品質(zhì),基因檢測,正?；?3．蛋白質(zhì)工程 (1)概念：以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與 作為基礎(chǔ)，通過 ，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類的生產(chǎn)和生活的需求。 (2)基本途徑：預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的 序列→找到對應(yīng)的 序列(基因)。,生物功能的關(guān)系,基因修飾或基因合成,氨基酸,脫氧核苷酸,1．判斷關(guān)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(nèi)切酶、DNA連接酶和質(zhì)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?qū)胧荏w細(xì)胞中，使之穩(wěn)定存在并表達(dá)(√) (5)質(zhì)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(dǎo)入受體細(xì)胞可用抗原—抗體雜交技術(shù)(×) (7)目的基因?qū)腚p子葉植物一般采用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法(√),2．判斷關(guān)于基因工程的應(yīng)用及蛋白質(zhì)工程說法的正誤。 (1)蛋白質(zhì)工程是在分子水平上對蛋白質(zhì)分子直接進(jìn)行操作，定向改變分子的結(jié)構(gòu)(×) (2)蛋白質(zhì)工程可按照人的意愿生產(chǎn)出自然界中不存在的蛋白質(zhì)(√) (3)基因治療是把正?；?qū)氩∪梭w內(nèi)，使該基因的表達(dá)產(chǎn)物發(fā)揮功能，從而達(dá)到治療疾病的目的(√) (4)利用PCR技術(shù)能合成目的基因(×) (5)利用乳腺生物反應(yīng)器能夠獲得一些重要的醫(yī)藥產(chǎn)品，如人的血清白蛋白，這是因為將人的血清白蛋白基因?qū)肓藙游锏娜橄偌?xì)胞中(×),1．“分子手術(shù)刀”——限制性核酸內(nèi)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(jīng)限制酶切割產(chǎn)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(zhì)：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(yùn)輸車——載體 (1)載體的作用：載體是基因運(yùn)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(yùn)載工具，將目的基因送到宿主細(xì)胞中；二是利用它在宿主細(xì)胞內(nèi)對目的基因進(jìn)行大量 。 (2)載體的種類：目前，基因工程中經(jīng)常使用的載體主要有細(xì)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(xì)胞內(nèi) 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(jìn)行篩選。,磷酸二酯鍵,復(fù)制,質(zhì)粒,穩(wěn)定保存,大量復(fù)制,多個,遺傳標(biāo)記基因,1．(2015年武漢調(diào)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(guān)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(gòu)建重組質(zhì)粒時，常用Ti質(zhì)粒作為載體，是因為Ti質(zhì)粒上具有________，它能把目的基因整合到受體細(xì)胞________。,(3)E過程是利用________技術(shù)完成的，要確定抗蟲基因?qū)朊藁?xì)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?qū)胫参锛?xì)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(xì)胞中獲取。限制酶可斷裂磷酸二酯鍵，將DNA分子切開。(2)Ti質(zhì)粒是可轉(zhuǎn)移的DNA，其上TDNA可以整合到受體細(xì)胞的染色體DNA上，故將目的基因借助Ti質(zhì)粒導(dǎo)入受體細(xì)胞中。(3)E過程利用了植物組織培養(yǎng)技術(shù)?？砂押οx接種到轉(zhuǎn)基因植株上，以檢測轉(zhuǎn)基因植株的抗蟲基因是否正常表達(dá)。 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(xì)胞直接獲取和從基因文庫中獲取。 ②人工合成，包括 和 。 (2)擴(kuò)增目的基因 ①PCR技術(shù)的原理：DNA雙鏈復(fù)制。 ②PCR過程：加熱至90～95 ℃，DNA解鏈→冷卻到55～60 ℃，引物結(jié)合到互補(bǔ)DNA鏈→加熱至70～75 ℃，DNA聚合酶從引物起始進(jìn)行互補(bǔ)鏈的合成。,基因工程的基本操作程序,生物材料,反轉(zhuǎn)錄法,化學(xué)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(zhuǎn)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(dǎo)入受體細(xì)胞使之表達(dá)。,全部基因,部分基因,2．基因表達(dá)載體的構(gòu)建 (1)基因表達(dá)載體的組成 ① ：一段有特殊結(jié)構(gòu)的DNA片段，位于基因的首端。它是RNA聚合酶識別、結(jié)合的部位。 ②終止子：一段有特殊結(jié)構(gòu)的DNA短片段，位于基因的尾端。作用是使 停止。 ③標(biāo)記基因：一般為抗生素 或熒光基因等，其作用是鑒別受體細(xì)胞中是否含有 (目的基因是否導(dǎo)入成功)。,,啟動子,轉(zhuǎn)錄過程,抗性基因,目的基因,(2)基因表達(dá)載體的構(gòu)建方法 3．將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 (1)轉(zhuǎn)化的概念：目的基因進(jìn)入受體細(xì)胞內(nèi)，并且在受體細(xì)胞內(nèi)_________和 的過程。 (2)轉(zhuǎn)化實質(zhì)：目的基因整合到受體細(xì)胞 中。,,維持穩(wěn)定,表達(dá),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?qū)胧荏w細(xì)胞不需堿基互補(bǔ)配對，其余三個步驟都涉及堿基互補(bǔ)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(chǎn)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(dá)需要啟動子與終止子的調(diào)控，所以目的基因應(yīng)插入啟動子與終止子之間的部位。 (4)農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法原理：農(nóng)桿菌易感染植物細(xì)胞，并將其Ti質(zhì)粒上的T-DNA轉(zhuǎn)移并整合到受體細(xì)胞染色體DNA上。,2．在培育轉(zhuǎn)基因植物的研究中，卡那霉素抗性基因(kan)常作為標(biāo)記基因，只有含卡那霉素抗性基因的細(xì)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(shù)流程。請據(jù)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?qū)胧荏w細(xì)胞、________。 (2)A過程需要的酶有________和________。 (3)要把重組質(zhì)粒導(dǎo)入土壤農(nóng)桿菌，首先必須用________處理土壤農(nóng)桿菌，使土壤農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)變?yōu)開_______態(tài)；然后將________________在緩沖液中混合培養(yǎng)完成轉(zhuǎn)化過程。 (4)含有重組質(zhì)粒的土壤農(nóng)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(jīng)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(nèi)維持和表達(dá)其遺傳特性的關(guān)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(dá)載體的構(gòu)建、將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞、目的基因的檢測與鑒定。(2)基因表達(dá)載體構(gòu)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(chǎn)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(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法導(dǎo)入目的基因時，首先必須用Ca2＋處理土壤農(nóng)桿菌，使土壤農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)變?yōu)楦惺軕B(tài)；然后將重組質(zhì)粒和感受態(tài)細(xì)胞在緩沖液中混合培養(yǎng)完成轉(zhuǎn)化過程。(4)植物組織培養(yǎng)過程的關(guān)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(xì)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(nèi)維持和表達(dá)其遺傳特性的關(guān)鍵是目的基因是否插入受體細(xì)胞的DNA分子上，檢測采用的方法是DNA分子雜交技術(shù)。,答案：(1)基因表達(dá)載體構(gòu)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(zhì)粒和感受態(tài)細(xì)胞 (4)脫分化 再分化 卡那霉素 (5)目的基因是否插入受體細(xì)胞的DNA分子上 DNA分子雜交技術(shù),1．乳腺生物反應(yīng)器與工程菌生產(chǎn)藥物的比較 (1)含義： ①乳腺生物反應(yīng)器是指使外源基因在哺乳動物的乳腺中特異表達(dá)，利用動物的乳腺組織生產(chǎn)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(dá)的菌類細(xì)胞株系。,基因工程的應(yīng)用及蛋白質(zhì)工程,(2)兩者區(qū)別：,2.蛋白質(zhì)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(jìn)入昆蟲消化道被分解成多肽后產(chǎn)生毒性。 (2)青霉素是誘變后的高產(chǎn)青霉菌產(chǎn)生的，不是通過基因工程改造的工程菌產(chǎn)生的。 (3)動物基因工程的應(yīng)用主要體現(xiàn)在提高動物生長速度；改善畜產(chǎn)品品質(zhì)、用轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)藥物等方面。,3．為探究SHH基因與角化囊腫發(fā)生的相關(guān)性，科研人員利用SHH基因的非模板鏈轉(zhuǎn)錄合成的RNA作為探針，進(jìn)行分子雜交實驗，以檢測SHH基因在角化囊腫中的表達(dá)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(dá)),,請回答： (1)重組載體中SHH基因轉(zhuǎn)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(xì)胞，然后導(dǎo)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(dǎo)入質(zhì)粒的細(xì)菌將會死亡，原因是這些細(xì)菌不含有________基因。 (3)能表達(dá)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(lán)色菌落，易于識別。根據(jù)上述原理可以初步判斷________(填“藍(lán)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(jìn)而判斷SHH基因的轉(zhuǎn)錄情況。,解析：(1)重組載體中SHH基因表達(dá)需要啟動子。(2)大腸桿菌細(xì)胞用Ca2＋處理后就成為感受態(tài)細(xì)胞。能在添加氨芐青霉素的培養(yǎng)基上生存的細(xì)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(xì)菌將會死亡。(3)能表達(dá)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(lán)色菌落，重組菌中LacZ基因被SHH基因插入后不表達(dá)，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(zhuǎn)錄情況，也就是判斷SHH基因是否轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)合所學(xué)知識及相關(guān)信息回答下列問題：,基因工程的原理和技術(shù),,(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(nèi)大量獲得目的基因，可用________擴(kuò)增的方法。目的基因獲取之后，需要進(jìn)行________________________，其組成必須有________________________________以及標(biāo)記基因等，此步驟是基因工程的核心。 (4)將該目的基因?qū)肽畴p子葉植物細(xì)胞，常采用的方法是________________________，其能否在此植物體內(nèi)穩(wěn)定遺傳可以用________技術(shù)進(jìn)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(zhuǎn)錄法獲得目的基因需要逆轉(zhuǎn)錄酶。(3)短時間內(nèi)大量獲得目的基因，可用PCR技術(shù)擴(kuò)增的方法?；虮磉_(dá)載體的組成必須有目的基因、標(biāo)記基因、啟動子和終止子，基因表達(dá)載體的構(gòu)建是基因工程的核心。(4)將目的基因?qū)肽畴p子葉植物細(xì)胞常采用的方法是農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法，目的基因只有整合到植物細(xì)胞的染色體上才能在植物體內(nèi)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(jìn)行檢測。 [答案] (1)小于 (2)限制酶 反轉(zhuǎn)錄(或逆轉(zhuǎn)錄) (3)PCR技術(shù) 基因表達(dá)載體的構(gòu)建 啟動子、終止子、目的基因 (4)農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)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(zhuǎn)入菊花，培育出抗蟲菊花。下圖是獲得轉(zhuǎn)基因菊花的技術(shù)流程，請據(jù)圖回答：,基因工程的應(yīng)用,[注：卡那霉素抗性基因(kanR)作為標(biāo)記基因，菊花葉片對卡那霉素高度敏感],(1)為了促進(jìn)土壤農(nóng)桿菌吸收重組質(zhì)粒，可用________處理土壤農(nóng)桿菌，使其處于感受態(tài)。 (2)將重組質(zhì)粒導(dǎo)入土壤農(nóng)桿菌的目的是利用農(nóng)桿菌能夠________________________________的特點，使目的基因進(jìn)入受體細(xì)胞中，并插入到菊花細(xì)胞的________上，最終形成轉(zhuǎn)基因植株。 (3)將愈傷組織轉(zhuǎn)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(jìn)行培養(yǎng)，篩選轉(zhuǎn)基因菊花。 (4)用PCR方法檢測轉(zhuǎn)基因菊花是否含有目的基因時，需根據(jù)________的核苷酸序列設(shè)計特異引物，以________為模板進(jìn)行第一輪擴(kuò)增。,(5)將轉(zhuǎn)基因菊花嫩莖及葉片與人工飼料以適當(dāng)比例混合后飼喂菊天牛2齡幼蟲，實驗結(jié)果如下表所示。,①對照組應(yīng)飼喂等量的________________________________________________________________________。 ②據(jù)表分析，________________________差異顯著，說明轉(zhuǎn)基因菊花對菊天牛2齡幼蟲有較強(qiáng)的毒殺作用。,[解析] (1)用Ca2＋處理土壤農(nóng)桿菌，使其處于感受態(tài)，易于吸收外源重組DNA分子。(2)農(nóng)桿菌能夠感染植物細(xì)胞，并將T-DNA轉(zhuǎn)移至受體細(xì)胞中，并插入到受體細(xì)胞的染色體DNA上，利用這個特點實現(xiàn)導(dǎo)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(zhuǎn)基因植株。(4)用PCR方法檢測轉(zhuǎn)基因菊花是否含有目的基因時，需根據(jù)目的基因的核苷酸序列設(shè)計特異引物，以含目的基因的菊花DNA為模板進(jìn)行第一輪擴(kuò)增。(5)本實驗分對照組和實驗組，對照組飼喂等量的非轉(zhuǎn)基因菊花嫩莖及葉片與人工飼料混合物，實驗組飼喂轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xì)胞，并將T-DNA轉(zhuǎn)移至受體細(xì)胞 染色體DNA (3)卡那霉素 (4)抗蟲基因(目的基因) 轉(zhuǎn)基因菊花的DNA(或“含目的基因的菊花DNA”) (5)①非轉(zhuǎn)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,