版高考生物一轮复习现代生物科技专题第1讲基因工程学案.docx

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版高考生物一轮复习现代生物科技专题第1讲基因工程学案

第1讲　基因工程

考纲要求

全国卷五年考情

1.基因工程的诞生（Ⅰ）

2017·卷ⅠT38

2.基因工程的原理及技术（含PCR技术）（Ⅱ）

2017·卷ⅠT38,2017·卷ⅡT38,2017·卷ⅢT38,2016·卷ⅢT40

2016·卷ⅠT40,2015·卷ⅠT40,2015·卷ⅡT40,2014·卷ⅡT40

2013·卷ⅠT40

3.基因工程的应用（Ⅱ）

2017·卷ⅠT38,2017·卷ⅡT38,2014·卷ⅡT40

4.蛋白质工程（Ⅰ）

2015·卷ⅡT40,2013·卷ⅠT40

考点一|基因工程的基本工具

（对应学生用书第245页）

[识记—基础梳理]

1．基因工程的概念及优点

（1）概念：

按照人们的愿望，进行严格的设计，并通过体外DNA重组和转基因等技术，赋予生物以新的遗传特性，从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。

（2）优点

①与杂交育种相比：

克服了远缘杂交不亲和的障碍。

②与诱变育种相比：

定向改造生物的遗传性状。

2．基因工程的基本工具

（1）限制性核酸内切酶（简称：

限制酶）

①来源：

主要是从原核生物中分离纯化出来的。

②作用：

识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列，并切开特定两个核苷酸之间的磷酸二酯键。

③结果：

产生黏性末端或平末端。

已知限制酶EcoRⅠ和SmaⅠ识别的碱基序列和酶切位点分别为G↓AATTC和CCC↓GGG，在下图中写出这两种限制酶切割DNA后产生的末端种类。

（2）DNA连接酶

（3）载体

①常用载体：

质粒，其化学本质是独立于拟核之外的双链环状DNA分子。

②其他载体：

λ噬菌体的衍生物、动植物病毒等。

③特点及意义：

特　点

意　义

稳定并能复制

目的基因稳定存在且数量可扩大

有一至多个限制酶切割位点

可携带多个或多种外源基因

具有特殊的标记基因

便于重组DNA的鉴定和选择

[教材边角知识]　选修3　P6“寻根问底”,DNA连接酶和DNA聚合酶的作用相同吗？

试简要说明。

_________________________________________________________________

【提示】　不相同。

DNA连接酶连接的是两个DNA片段，而DNA聚合酶连接的是单个的脱氧核苷酸。

[理解—深化探究]

1．基因工程技术使用限制酶需注意哪些问题？

【提示】　①获取目的基因和切割载体时，经常使用同一种限制酶（也可使用能切出相同末端的不同限制酶），目的是产生相同的黏性末端或平末端。

②获取一个目的基因需限制酶切割两次，共产生4个黏性末端或平末端。

③限制酶切割位点的选择，必须保证标记基因的完整性，以便于检测。

④为避免目的基因和质粒的自身环化和随意连接，也可使用不同的限制酶切割目的基因和质粒。

2．限制酶和DNA连接酶的关系

（1）限制酶和DNA连接酶的作用部位都是磷酸二酯键。

（2）限制酶不切割自身DNA的原因是原核生物中不存在该酶的识别序列或识别序列已经被修饰。

（3）DNA连接酶起作用时，不需要模板。

[运用—考向对练]

考向　考查基因工程的基本工具的作用

如图所示为pBR322质粒，其中ampr（氨苄青霉素抗性基因）和tetr（四环素抗性基因）为标记基因，ori为复制原点，其他均为限制酶及其识别位点，并且每种限制酶都只有一个。

pBR322质粒是基因工程较常用的运载体。

回答下列相关问题：

（1）制备重组质粒，需要限制酶和_____酶。

如制备重组质粒时，使用PvuⅠ切割该质粒，则检测目的基因是否导入受体细胞，需要在培养基中添加_______。

（2）该质粒中的BamHⅠ识别的核苷酸序列及切割位点为

，而Sau3AⅠ识别的核苷酸序列只有4个碱基。

若BamHⅠ和Sau3AⅠ分别切割DNA所形成的DNA片段能拼接成一条DNA链，则Sau3AⅠ识别的核苷酸序列及切割位点为________。

该拼接在一起的DNA片段，能否被BamHⅠ识别？

________。

（3）与图示质粒相比，完整的重组质粒中还应有________________________等三种特殊的DNA片段。

将重组质粒导入动、植物细胞的方法分别为________，如受体细胞为大肠杆菌，则该菌经钙离子处理后，将具备________________的特性。

[解析]　

（1）基因工程所用的工具酶是限制酶和DNA连接酶。

使用PvuⅠ切割pBR322质粒会破坏ampr（氨苄青霉素抗性基因），而tetr（四环素抗性基因），不受破坏所以可用含有四环素的培养基来筛选具有目的基因的细胞。

（2）综合设问信息，可推知Sau3AⅠ识别的核苷酸序列及其切割位点为

，这样Sau3AⅠ和BamHⅠ切割DNA时才能形成相同的黏性末端，进而能被拼接成一条DNA链。

重新拼接点的核苷酸序列不一定是GGATCC，因此不一定能被BamHⅠ识别，但一定能被Sau3AⅠ识别。

（3）一个完整的重组质粒有标记基因、目的基因、启动子、终止子和复制原点等特殊片段。

将目的基因导入植物细胞的方法有农杆菌转化法、基因枪法和花粉管通道法，而导入动物细胞的方法有显微注射法。

钙离子处理后的大肠杆菌，将处于感受态，该状态的细胞具有将外界DNA吸入细胞的特性。

[答案]　

（1）DNA连接　四环素　

（2）

　不一定能　（3）启动子、终止子和目的基因　显微注射法，农杆菌转化法、基因枪法、花粉管通道法（后者答出一个即可）　将外界DNA吸入细胞

比较项目

限制酶

DNA连接酶

DNA聚合酶

解旋酶

作用底物

DNA分子

DNA分子片段

脱氧核苷酸

DNA分子

作用部位

磷酸二酯键

磷酸二酯键

磷酸二酯键

碱基对间的氢键

形成产物

有黏性末端

或平末端的

DNA片段

形成重组

DNA分子

新的DNA分子

形成单链DNA

　根据基因工程的有关知识，回答下列问题：

（1）限制性核酸内切酶切割DNA分子后产生的片段，其末端类型有________和________。

（2）质粒运载体用EcoRⅠ切割后产生的片段如下：

AATTC……G

　　　　　　G……CTTAA

为使运载体与目的基因相连，含有目的基因的DNA除可用EcoRⅠ切割外，还可用另一种限制性核酸内切酶切割，该酶必须具有的特点是__________。

（3）按其来源不同，基因工程中所使用的DNA连接酶有两类，即________DNA连接酶和________DNA连接酶。

（4）反转录作用的模板是________，产物是________。

若要在体外获得大量反转录产物，常采用________技术。

（5）基因工程中除质粒外，________和________也可作为运载体。

（6）若用重组质粒转化大肠杆菌，一般情况下，不能直接用未处理的大肠杆菌作为受体细胞，原因是_____________________________________________

________________________________________________________________。

[解析]　限制性核酸内切酶切割DNA分子形成的末端通常有两种，即黏性末端和平末端。

为使运载体和目的基因连接，二者必须具有相同的黏性末端，因而当使用除EcoRⅠ之外的其他酶进行切割时，应该产生相同的黏性末端。

DNA连接酶的来源有两个：

一是大肠杆菌，二是T4噬菌体。

反转录是由RNA形成DNA的过程，获得大量反转录产物时常用PCR扩增技术。

基因工程常用的运载体是质粒，除此以外，噬菌体和动植物病毒也可作为运载体。

如果用大肠杆菌作受体细胞，必须用钙离子处理，使其处于感受态（此状态吸收外源DNA的能力增强）。

[答案]　

（1）黏性末端　平末端　

（2）切割产生的DNA片段末端与EcoRⅠ切割产生的相同　（3）大肠杆菌　T4　（4）mRNA（或RNA）　cDNA（或DNA）　PCR　（5）噬菌体　动植物病毒　（6）未处理的大肠杆菌吸收质粒（外源DNA）的能力极弱

考点二|基因工程的基本操作程序及应用

（对应学生用书第246页）

[识记—基础梳理]

1．基因工程的基本操作程序

（1）目的基因的获取

①目的基因：

主要指编码蛋白质的基因，也可以是一些具调控作用的因子。

②方法

（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基因表达载体的组成

③构建过程

（3）将目的基因导入受体细胞

生物种类

植物

动物

微生物

常用方法

农杆菌转化法

显微注射法

感受态细胞法

受体细胞

体细胞

受精卵

微生物细胞或酵母菌

转化过程

将目的基因插入Ti质粒的TDNA上→转入农杆菌→导入植物细胞→整合到受体细胞的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

Ca2＋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

（4）目的基因的检测与鉴定

方法

检测或鉴定目的

水平

DNA分子杂交技术

检测目的基因的有无

分子水平

分子杂交技术

目的基因是否转录

抗原－抗体杂交

目的基因是否翻译

抗虫或抗病接种实验

是否具有抗虫抗病特性

个体水平

2．PCR技术

（1）原理：

DNA双链复制。

（2）条件

（3）过程

过程

说明

图解

变性

当温度上升到90℃以上时，双链DNA解聚为单链

复性

温度下降到50℃左右，两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合

延伸

72℃左右时，TaqDNA聚合酶有最大活性，可使DNA新链由5′端向3′端延伸

（4）结果：

上述三步反应完成后，一个DNA分子就变成了两个DNA分子，随着重复次数的增多，DNA分子就以2n的形式增加。

PCR的反应过程都是在PCR扩增仪中完成的。

3．基因工程的应用

（1）植物基因工程：

培育抗虫转基因植物、抗病转基因植物、抗逆转基因植物、利用转基因改良植物的品质。

（2）动物基因工程：

①提高动物生长速度、改善畜产品的品质、用转基因动物生产药物、用转基因动物作器官移植的供体。

②乳腺生物反应器：

药用蛋白基因和乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起。

（3）基因工程药品：

①受体细胞：

多为原核细胞。

原因是其繁殖快，多为单细胞，遗传物质相对较少。

②成果：

生产出细胞因子、抗体、疫苗、激素等。

（4）基因治疗：

①方法：

基因置换、基因修复、基因增补、基因失活等。

②类型：

体内基因治疗和体外基因治疗。

[理解—深化探究]

1．基因组文库和部分基因文库是如何构建的？

【提示】　基因组文库的构建过程为：

某种生物全部DNA

许多DNA片段

受体菌群体。

部分基因文库的构建过程为：

某种生物发育的某个时期的mRNA

cDNA

受体菌群体。

2．简述基因工程操作四步曲中哪些步骤存在碱基互补配对现象？

【提示】　第一步用PCR或人工合成法获取目的基因时存在碱基互补配对，第二步构建基因表达载体黏性末端连接时存在碱基互补配对，第四步目的基因的检测与鉴定步骤中分子杂交及基因表达时存在碱基互补配对。

3．辨析乳腺生物反应器与工程菌生产药物

比较项目

乳腺生物反应器

工程菌

基因结构

动物基因的结构与人类基因的结构基本相同

细菌和酵母菌等生物基因的结构与人类基因的结构有较大差异

基因表达

合成的药物蛋白与天然蛋白质相同

细菌细胞内没有内质网、高尔基体等细胞器，产生的药物蛋白可能没有活性

受体细胞

动物的受精卵

微生物细胞

导入目的

基因的方式

显微注射法

感受态细胞法

生产条件

不需严格灭菌，温度等外界条件对其影响不大

需严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件

药物提取

从动物乳汁中提取

从微生物细胞中提取

[运用—考向对练]

考向1　基因工程的原理及应用

1．（2018·济宁市高三一模）干旱会影响农作物产量，科学家们对此进行了研究。

下图为用探针检验某一抗旱植物基因型的原理，相关基因用R和r表示

（1）在利用PCR技术扩增R或r基因的过程中，利用________可寻找抗旱基因的位置并进行扩增。

（2）若被检植株发生A现象，不发生B、C现象。

据此推测检测另一抗旱植物时会发生________（填“A”“B”或“A或B”）现象。

（3）用从基因文库中获取目的基因的方法获取抗旱基因时需要用到限制酶，限制酶能够识别双链DNA分子中的某种特定核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的____________断开。

（4）经检测，抗旱基因已经导入到烟草细胞，但未检测出抗旱基因转录出的mRNA，从构建基因表达载体的角度推测，最可能的原因是_______________

_______________________________________________________________。

（5）要快速繁殖转基因抗旱烟草植株，目前常用的技术是____________，该技术的基本过程是：

将离体的烟草细胞诱导脱分化形成________，然后再分化出根和芽并发育成小植株。

该技术在作物新品种的培育方面两个最主要的应用是：

突变体的利用和____________________________________________。

[解析]　

（1）用PCR技术扩增R或r基因时，需要用引物寻找抗旱基因的位置。

（2）被检植物发生A现象，不发生B、C现象，即r探针没有形成杂交环，所以被检植物的基因型为RR。

因此另一抗旱植物的基因型为RR或Rr，据图分析可发生A或B现象。

（3）限制酶能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断裂。

（4）经检测，抗旱基因已经导入到烟草细胞，但未检测出抗旱基因转录出的mRNA，从构建基因表达载体的角度推测，最可能的原因是基因表达载体上目的基因首端未加入启动子。

（5）植物组织培养技术可快速繁殖抗旱烟草植株，该技术包括脱分化和再分化两个基本过程，其中先将离体的烟草细胞诱导脱分化形成愈伤组织，然后再分化出根和芽并发育成小植株。

该技术在作物新品种的培育方面两个最主要的应用是：

突变体的利用和单倍体育种。

[答案]　

（1）引物　

（2）A或B　（3）磷酸二酯键　（4）基因表达载体上目的基因首端未加入启动子　（5）植物组织培养　愈伤组织　单倍体育种

2．（2018·昆明市高三摸底调研）科学家将拟南芥的抗寒基因（CBFl），转入香蕉以获得抗寒的香蕉品种。

如图是某质粒载体上的SacⅠ、XbaⅠ、EcoRⅠ、HindⅢ四种限制酶的切割位点示意图。

【导学号：

67110093】

据图回答问题：

（1）在该实验中为构建基因表达载体，用SacⅠ、XbaⅠ切下CBFl基因后，对质粒载体进行切割的限制酶是________，理由是____________________。

（2）连接CBFl基因到该质粒载体后，作为基因表达载体的组成还必须有________________。

将重组质粒导入香蕉细胞最常用的方法是__________。

（3）为了鉴别受体细胞中是否含有CBFl基因，可用含________的培养基进行筛选。

（4）科学家将生长健壮、苗龄一致的转基因香蕉（实验组）与非转基因香蕉（对照组）进行________处理，鉴定两组之间的抗寒性差异，如果________________，

则说明获得了抗寒的香蕉优质品种。

[解析]　

（1）在基因工程中，用相同限制酶切割来源不同的DNA后，可产生相同的末端，所以和含目的基因的DNA一样，质粒也应使用SacⅠ、XbaⅠ进行切割。

（2）基因表达载体的组成包括启动子、终止子、标记基因、目的基因等。

香蕉细胞是植物细胞，将目的基因导入植物细胞常用农杆菌转化法。

（3）据图分析，质粒上的标记基因是氨苄青霉素抗性基因，所以为了鉴别受体细胞中是否含有CBFl基因，可用含氨苄青霉素的培养基进行筛选。

（4）根据题干信息已知目的基因是抗寒基因，所以科学家将生长健壮、苗龄一致的转基因香蕉（实验组）与非转基因香蕉（对照组）进行低温处理，鉴定两组之间的抗寒性差异，如果实验组的抗寒能力明显高于对照组，则说明获得了抗寒的香蕉优质品种。

[答案]　

（1）SacⅠ、XbaⅠ　用相同限制酶切割来源不同的DNA后，可产生相同的末端

（2）启动子和终止子　农杆菌转化法

（3）氨苄青霉素

（4）低温　实验组的抗寒能力明显高于对照组

　下图是将某细菌的基因A导入大肠杆菌内，制备“工程菌”的示意图。

据图回答：

（1）获得A有两条途径：

一是以A的mRNA为模板，在________酶的催化下，合成互补的单链DNA，然后在__________的作用下合成双链DNA，从而获得所需基因；二是根据目标蛋白质的________序列，推测出相应的mRNA序列，然后按照碱基互补配对原则，推测其DNA的________序列，再通过化学方法合成所需基因。

（2）利用PCR技术扩增DNA时，需要在反应体系中添加的有机物质有________、________、4种脱氧核糖核苷三磷酸和耐热性的DNA聚合酶，扩增过程可以在PCR扩增仪中完成。

（3）由A和载体B拼接形成的C通常称为________。

（4）在基因工程中，常用Ca2＋处理D，其目的是________________________。

[解析]　

（1）利用逆转录法合成目的基因的过程是：

以mRNA为模板，在逆转录酶的催化作用下合成单链DNA，然后在DNA聚合酶作用下，合成双链DNA分子；根据蛋白质工程合成目的基因的过程是：

根据目标蛋白质的氨基酸序列，推测相应的mRNA序列，然后按照碱基互补配对原则，推测DNA中脱氧核苷酸的排列顺序，通过化学方法合成。

（2）PCR过程中需要酶、底物、模板、引物和能量等条件。

（3）目的基因和运载体结合，形成重组DNA（基因表达载体）。

（4）在利用大肠杆菌做受体细胞时，需要先用Ca2＋处理，使之成为感受态细胞，有利于其吸收重组DNA分子。

[答案]　

（1）逆转录　DNA聚合酶　氨基酸　脱氧核苷酸

（2）引物　模板DNA（重组载体或基因表达载体）

（3）重组DNA

（4）提高受体细胞的转化率

考向2　与其他生物工程技术的综合考查

3．（2018·潍坊市高三一模）如图表示中国科研人员对树鼩精原干细胞进行遗传修饰后，通过自然交配获得世界首只转基因树鼩的过程。

请回答下列问题：

（1）培养精原干细胞时，定期更换培养液的目的是防止______________对自身细胞代谢造成障碍，通入二氧化碳的作用是_________________________。

（2）图中涉及的基因工程的核心步骤是__________________，通常采用________技术将GFP基因导入树鼩精原干细胞。

（3）利用PCR技术扩增GFP基因需要________酶，外源的GFP基因能在树鼩体内表达的原因是__________________________。

（4）图示过程与通过体外受精培育转基因动物相比，避免了将受精卵移入________中继续培养的麻烦，同时也克服了胚胎发育到________时期进行胚胎移植的难题。

[解析]　

（1）根据动物细胞培养过程中的条件可知，定期更换培养液的目的是防止细胞代谢产物的积累对自身细胞代谢造成障碍，通入二氧化碳的作用是维持培养液的pH。

（2）基因工程的核心步骤是基因表达载体的构建，将目的基因导入动物细胞一般采用显微注射技术。

（3）PCR技术的原理是DNA的双链复制，利用PCR技术扩增GFP基因需要DNA聚合酶，外源的GFP基因能在树鼩体内表达的原因是所有生物共用一套遗传密码。

（4）图示过程与通过体外受精培育转基因动物相比，避免了将受精卵移入发育培养液中继续培养的麻烦，同时也克服了胚胎发育到囊胚、桑椹胚时期进行胚胎移植的难题。

[答案]　

（1）细胞代谢产物的积累　维持培养液的pH　

（2）基因表达载体的构建　显微注射　（3）DNA聚合　所有生物共用一套遗传密码　（4）发育培养液　囊胚、桑椹胚

　下列方案为人们获得生物新品种的过程，请回答下列问题：

方案Ⅰ：

抗冻蛋白基因

烟草细胞―→抗冻烟草

方案Ⅱ：

A基因

免疫过的B细胞―→体外培养―→单克隆抗体

方案Ⅲ：

人的生长激素基因

牛的受精卵―→早期胚胎

受体母牛―→转基因牛

（1）基因工程的核心步骤是____________。

农杆菌转化法中，根据农杆菌的特点，如果将抗冻蛋白基因插入____________上，通过农杆菌的转化作用，就可以使目的基因进入植物细胞，并将其插入植物细胞中____________上。

（2）推测方案Ⅱ中A基因所起的作用是____________，请写出该方案获得的细胞中遗传信息传递时所遵循的法则____________。

（3）方案Ⅲ中的转基因牛可以通过分泌乳汁来生产人的生长激素。

这需要将人的生长激素基因与____________的启动子等调控组件重组在一起。

该方案中的早期胚胎在移植入受体母牛子宫之前，必须进行性别鉴定，一般是取处于____________时期的____________细胞进行检测。

[解析]　

（1）基因表达载体的构建是基因工程的核心步骤。

农杆菌转化法中，将抗冻蛋白基因插入Ti质粒的TDNA上，通过农杆菌的转化作用，就可以使目的基因插入植物细胞中染色体DNA上。

（2）方案Ⅱ中将A基因导入免疫过的B淋巴细胞生产单克隆抗体，说明A基因使得细胞无限增殖，即A基因能够调控细胞无限增殖，该基因在受体细胞中能够复制、转录和翻译。

（3）方案Ⅲ中将人的生长激素基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，使得转基因牛可以通过分泌乳汁来生产人的生长激素。

囊胚中的内细胞团将来发育成胎儿的各种组织，滋养层细胞发育成胎盘和胎膜，将早期胚胎移植入受体母牛子宫之前，一般取处于囊胚时期的滋养层细胞进行性别检测。

[答案]　

（1）基因表达载体的构建　Ti质粒的TDNA　染色体DNA

（2）调控细胞无限增殖

（3）乳腺蛋白基因　囊胚　滋养层

考点三|蛋白质工程

（对应学生用书第249页）

[识记—基础梳理]

1．蛋白质工程

（1）概念

以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。

（2）流程图

写出流程图中字母代表的含义：

A．转录，B.翻译，C.分子设计，D.多肽链，E.预期功能。

2．蛋白质工程与基因工程的比较

（1）区别

项目

蛋白质工程

基因工程

过程

预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列

获取目的基因→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定

实质

定向改造或生产人类所需的蛋白质

定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型和生物产品

结果

可生产自然界没有的蛋白质

只能生产自然界已有的蛋白质

（2）