江苏共享新高考生物二轮复习 专题十 现代生物科技专题 考点29 基因工程蛋白质工程和细胞工程学案.docx

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江苏共享新高考生物二轮复习专题十现代生物科技专题考点29基因工程蛋白质工程和细胞工程学案

考点29　基因工程、蛋白质工程和细胞工程

[直击考纲]　1.基因工程的诞生（A）。

2.基因工程的原理及技术（含PCR技术）（B）。

3.基因工程的应用（B）。

4.蛋白质工程（A）。

5.植物的组织培养（B）。

6.动物细胞培养与体细胞克隆（A）。

7.细胞融合与单克隆抗体（B）。

8.动物胚胎发育的基本过程（A）。

9.胚胎工程的理论基础（A）。

10.胚胎干细胞的移植（A）。

11.胚胎工程的应用（B）。

12.转基因生物的安全性（A）。

13.生物武器对人类的威胁（A）。

14.生物技术中的伦理问题（A）。

15.生态工程的原理（A）。

16.生态工程的实例及应用（B）。

1．基因工程常考的3种基本工具

（1）限制性核酸内切酶：

识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，并在特定位点上切割DNA分子。

（2）DNA连接酶：

①E·coliDNA连接酶只能连接黏性末端；②T4DNA连接酶能连接黏性末端和平末端。

（3）载体：

①能在宿主细胞内稳定存在并大量复制。

②有一个至多个限制酶切割位点，供外源DNA片段（基因）插入其中。

③具有特殊的标记基因——以便对含目的基因的受体细胞进行鉴定和选择。

2．基因工程的4大操作程序

（1）目的基因的获取：

①从基因文库中获取。

②利用PCR技术扩增：

a.原理：

DNA双链复制。

b.条件：

模板DNA、引物、游离的脱氧核苷酸、热稳定的DNA聚合酶。

③用化学方法直接人工合成。

（2）基因表达载体的构建

①基因表达载体模式图

②基因表达载体的构建过程

（3）将目的基因导入受体细胞

①导入植物细胞：

农杆菌转化法、基因枪法、花粉管通道法。

②导入动物细胞：

显微注射技术。

③导入微生物细胞：

感受态细胞法（用Ca2＋处理）。

（4）目的基因的检测与鉴定

①插入检测：

DNA分子杂交技术。

②转录检测：

DNA—RNA分子杂交技术。

③翻译检测：

抗原—抗体杂交。

④个体水平检测：

抗性接种实验。

3．图解记忆蛋白质工程

4．比较记忆植物组织培养与动物细胞培养

项目

植物组织培养

动物细胞培养

取材

植物幼嫩部位

动物胚胎或出生不久的幼龄动物的器官或组织

过程

结果

获得植株个体，可以体现全能性

新的细胞，不形成个体，不体现全能性

条件

①无菌；②营养；③适宜条件

①无菌、无毒；②营养、血清等；③温度和pH；④气体环境：

O2、CO2

5.植物体细胞杂交与单克隆抗体制备过程比较

步骤

植物体细胞杂交过程

单克隆抗体制备过程

第一步

原生质体的制备（酶解法）

正常小鼠免疫处理

第二步

原生质体融合（物理、化学法）

动物细胞融合（物理、化学、生物方法）

第三步

杂种植株的筛选与培养

杂交瘤细胞的筛选与培养

第四步

杂种植株的诱导与鉴定

单克隆抗体的提纯

相同点

①两种技术手段的培养过程中都进行有丝分裂，都是无性繁殖，都可称为克隆，都不涉及减数分裂；②均为无菌操作，需要适宜的温度、pH等条件

（1）诱导融合的方法分别有哪些？

融合的细胞类型有哪几种（仅考虑两两融合的细胞）?

提示　①诱导植物体细胞的原生质体融合的方法主要有离心、振动、电激或用聚乙二醇（PEG）作为诱导剂。

②动物细胞融合常用的诱导因素有聚乙二醇（PEG）、灭活的病毒（诱导动物细胞融合的特有因素）、电激等。

融合的细胞类型：

前者—AA、BB、AB。

后者—瘤瘤、B瘤、BB。

（2）各自的原理分别有哪些？

提示　前者有细胞膜的流动性和植物细胞的全能性，后者有细胞膜的流动性和细胞增殖。

6．掌握克隆动物培育的流程

7．理清单克隆抗体制备的过程

题组一　基因工程和蛋白质工程

1．（2018·南通、泰州联考）乙型脑炎和伪狂犬病是猪的两种常见传染病。

如图是利用基因工程技术生产能同时预防这两种病疫苗的流程图，其中PrM为乙型脑炎的特异性抗原基因，PK、gG、gD为伪狂犬病的主要抗原基因，TK为伪狂犬病的毒性基因，pgG为启动子，BamHⅠ和EcoRⅠ为两种限制酶，其识别序列及切割位点分别是G↓GATCC、G↓AATTC。

请回答下列问题：

（1）过程①所需的酶有____________和____________。

下列四种引物中适用于过程①的一对引物是________。

P1：

5′TTGGATCCATGGAAGGCTCAATCATGTG3′

P2：

5′CACAAGCTTAGATGACGTATCCAAGGAG3′

P3：

5′TACGGTACCTTAGGGGTTAAGTGGG3′

P4：

5′GCGAATTCTAACTGTAAGCCGGAGCG3′

（2）过程②所需的酶有__________________________。

过程③中要用Ca2＋处理大肠杆菌，其目的是________________________________________。

（3）重组伪狂犬病毒中不带TK基因的优点是________________________________。

（4）将获得的病毒疫苗注射到猪体内，一方面病毒中抗原基因在猪细胞中大量表达，诱导猪获得______________免疫；另一方面__________________________________使得病毒疫苗具有用量小、作用更持久等优点。

答案　

（1）反（逆）转录酶　耐高温的DNA聚合酶（或Taq酶）　P1和P4　

（2）限制酶和DNA连接酶　使大肠杆菌成为感受态细胞，有利于外源DNA的导入　（3）不具毒性，注射后不会引发猪患病　（4）体液免疫和细胞（或特异性）　病毒在动物体内可增殖并长期保留

解析　

（1）图中过程①表示乙脑病毒的RNA经反（逆）转录形成相应的目的基因，并通过PCR技术扩增该目的基因的过程，该过程涉及逆转录和PCR技术，因此需要逆转录酶和耐高温的DNA聚合酶（Taq酶）的催化。

图中目的基因两侧是限制酶（BamHⅠ和EcoRⅠ）的识别序列，故应该选择的引物是P1和P4。

（2）图中过程②表示构建基因表达载体，需要的工具酶有限制酶和DNA连接酶。

过程③表示将重组DNA导入受体细胞（大肠杆菌）的过程，用Ca2＋处理大肠杆菌使其成为感受态细胞，有利于外源DNA的导入。

（3）TK为伪狂犬病的毒性基因，因此重组伪狂犬病毒中不带TK基因的优点是不具毒性，注射后不会引发猪患病。

（4）将获得的病毒疫苗注射到猪体内，一方面病毒中抗原基因在猪细胞中大量表达，诱导猪获得特异性免疫（体液免疫和细胞免疫）；另一方面由于病毒在动物体内可增殖并长期保留，使得病毒疫苗具有用量小、作用更持久等优点。

2．（2018·扬州模拟）为研究肝癌致病机理，科研工作者利用如图所示的差异杂交法和基因工程获取相关癌基因以作进一步研究。

请据图回答问题：

（1）图1中，A过程需要用________酶，D过程需要回收________（填“未杂交”或“杂交分子”）的含32P的cDNA单链，继而通过人工合成，获得____________，并用其构建基因文库。

（2）从图1构建的基因文库中获取的目的基因，一般还需进行人工改造后才能用于基因表达载体的构建，改造内容除了在基因两端添加限制酶的识别序列外，还需添加____________________，以便其随载体导入受体细胞后，能正常调控表达过程。

（3）图2为改造后的目的基因。

图3为两种质粒，其中Ampr为氨苄青霉素抗性基因，Tetr为四环素抗性基因，lacZ为蓝色显色基因，其表达产物可使底物XGal呈蓝色。

EcoRⅠ（0.7kb）、NotⅠ（1.2kb）等为限制酶及其切割位点与复制原点之间的距离（1kb＝1000个碱基对）。

①图3中能作为载体的最理想的质粒是________（填“X”或“Y”），用选定的质粒与图2的目的基因构建基因表达载体时，应选用的限制酶是______________。

为筛选出成功导入目的基因的受体细胞，培养基中应适量添加________________。

②若用EcoRⅠ完全酶切上述①中获得的重组质粒，并进行电泳观察，可出现四种长度不同的片段，其长度分别为1.7kb、5.3kb、________________。

答案　

（1）逆转录　未杂交　双链cDNA　

（2）启动子和终止子　（3）①X　NotⅠ　四环素和XGal　②3.1kb和3.9kb

解析　

（1）图1中，A过程是以mRNA为模板通过逆转录合成cDNA单链的过程，该过程需要用到的酶是逆转录酶。

由于正常肝细胞总mRNA群中不含癌基因mRNA，不能与以癌基因mRNA为模板合成的cDNA单链完成分子杂交，因此，要获取癌基因应回收未杂交的cDNA单链，继而通过人工合成，获得双链cDNA（癌基因），并用其构建基因文库。

（2）基因正常表达需要启动子和终止子的调控，而人工合成的目的基因（癌基因）中不含启动子和终止子，因此在对获得的目的基因进行人工改造时需添加启动子和终止子。

（3）①根据图2可知，目的基因中间含有EcoRⅠ酶切割位点，两端具有NotⅠ酶切割位点，因此只能用NotⅠ酶切割目的基因而不能用EcoRⅠ酶切割，否则会破坏目的基因。

分析质粒X和质粒Y的结构可知，质粒Y的复制原点中含有NotⅠ酶切割位点，因此不能用质粒Y作为载体。

因此，图3中能作为载体的最理想的质粒是X，应选用的限制酶是NotⅠ。

由于质粒X中含有四环素抗性基因Tetr，因此，用含有四环素的培养基可筛选出导入了普通质粒（不含目的基因）和重组质粒（含目的基因）的受体细胞；由于NotⅠ酶切会破坏质粒X中的蓝色显色基因lacZ，因此，用含有XGal的培养基可鉴别导入的是普通质粒还是重组质粒：

培养结果呈蓝色说明导入的是普通质粒，培养结果不呈蓝色说明导入的是重组质粒。

综上所述，为筛选出成功导入目的基因的受体细胞，培养基中应适量添加四环素和XGal。

②构建重组质粒时，只使用一种限制酶，则目的基因可以以两种不同方向连接到质粒X被切开的切口中。

由于目的基因和质粒中均含有1个EcoRⅠ酶切割位点，因此每种重组质粒中含有2个EcoRⅠ酶切割位点，若用EcoRⅠ完全酶切获得的每个重组质粒，都将得到2种不同长度的DNA片段，最终可出现四种长度的DNA片段，长度分别为1.7kb、5.3kb、3.1kb和3.9kb。

3．干扰素是用于治疗病毒感染和癌症的免疫活性蛋白质，若人的干扰素基因在大肠杆菌内表达，产生的抗病毒性较低且保存困难，若将第17位的半胱氨酸改造为丝氨酸，则生产出的干扰素的抗病毒性是原来的100倍，且可在－70℃条件下保存半年，下图是构建干扰素工程菌的过程示意图。

回答下列问题：

（1）要改变干扰素的功能，可以考虑对干扰素的________进行改造。

对干扰素进行改造，也可直接对干扰素基因进行改造，其原因是_________________________________________

________________________________________________________________________。

（2）③过程将B导入大肠杆菌，需用________对大肠杆菌进行处理，使其处于能________________________的生理状态。

（3）要检测B是否导入大肠杆菌，将③过程后的大肠杆菌先接种于含________________的培养基上，然后将在该培养基上生长的大肠杆菌接种在含______________的培养基上，在前者培养基上能生长而在后者培养基上不能生长的是导入B的工程菌。

（4）利用图中工程菌不能生产有活性的干扰素，这是因为

________________________________________________________________________。

答案　

（1）氨基酸序列　蛋白质的结构由基因决定，基因可以直接遗传；对基因进行改造比对蛋白质改造容易　

（2）Ca2＋　吸收周围环境中的DNA分子　（3）氨苄青霉素　四环素　（4）大肠杆菌为原核生物，无内质网和高尔基体，不具备加工干扰素的能力

解析　

（1）根据题干信息，若将第17位的半胱氨酸改造为丝氨酸，则生产出的干扰素的抗病毒性是原来的100倍，且可在－70℃条件下保存半年，因此可以对干扰素的氨基酸序列进行改造。

对干扰素进行改造，也可直接对干扰素基因进行改造，原因是：

蛋白质的结构由基因决定，基因可以直接遗传；对基因进行改造比对蛋白质改造容易。

（2）将重组质粒导入大肠杆菌，需用Ca2＋处理，使大肠杆菌处于一种能吸收周围环境中的DNA分子的生理状态，成为感受态细胞。

（3）将目的基因导入受体细胞时，大肠杆菌有三种状态，一是没有导入任何质粒，二是导入普通质粒，三是导入重组质粒。

分析图示可知：

在构建基因表达载体时，抗四环素基因的结构遭到破坏，而抗氨苄青霉素基因结构完好，因此没有导入任何质粒的大肠杆菌，不含上述两种抗性基因，在含有氨苄青霉素或四环素的培养基中都不能生长；导入普通质粒的大肠杆菌含有的上述两种抗性基因的结构均完好，在含有氨苄青霉素或四环素的培养基中都能生长；导入重组质粒的大肠杆菌含有的抗四环素基因的结构遭到破坏，而含有的抗氨苄青霉素基因结构完好，因此在含有氨苄青霉素的培养基中能生长，但在含有四环素的培养基中不能生长。

可见，将③过程后的大肠杆菌进行筛选时，先用含氨苄青霉素的培养基进行培养，淘汰没有导入任何质粒的大肠杆菌，能生长的则是含有普通质粒和重组质粒（二者都含抗氨苄青霉素基因）的大肠杆菌；然后将该培养基上生长的菌落用“盖章”的方法接种到含四环素的培养基上，在含四环素的培养基上能生长的是含普通质粒的大肠杆菌，将两个培养基进行位置对照，在含氨苄青霉素的培养基上能生长，而在含四环素的培养基上该位置没有菌落出现，则属于导入重组质粒的工程菌。

（4）干扰素是分泌蛋白，在核糖体中合成后需要经过内质网和高尔基体加工才具有生物活性，而大肠杆菌是原核生物，无内质网和高尔基体，不具备加工干扰素的能力，所以利用图中工程菌不能生产有活性的干扰素。

题组二　细胞工程

4．（2018·无锡期末）多年生禾本科碱茅属草本植物小花碱茅种子细小，外包被颖壳，研究人员以小花碱茅成熟种子为外植体，对种子脱颖处理，用不同浓度激素配比诱导愈伤组织形成及分化，成功建立了完整的小花碱茅组织培养植株再生体系。

以下是部分研究数据，请分析回答：

处理

激素浓度（mg/L）

愈伤组织诱导率（%）

2,4D

6BA

1

3

0

52.1±2.2

2

5

0

55.2±2.1

3

3

0.1

42.4±1.9

4

5

0.1

46.9±2.0

5

7

0.1

38.6＋1.4

6

3

0.3

43.7±2.8

（1）诱导小花碱茅愈伤组织最佳的激素配比浓度为________________________________。

（2）诱导形成愈伤组织的过程称为____________，该过程在以MS＋3%蔗糖＋0.7%琼脂（pH7～8）为基本培养基、25℃左右的________条件下无菌培养，基本培养基中加入蔗糖的目的是____________________________。

（3）从下图分析可知，种子脱颖后，发芽率、污染率的变化是_____________________，种子颖壳影响发芽率可能的原因有很多，其中之一是因为颖壳妨碍了种子和____________的接触，从而影响了种子细胞的有氧呼吸。

（4）对脱颖种子无菌处理的方法有（多选）________。

①用70%的酒精处理　②20%的次氯酸钠处理　③无菌水冲洗　④高压蒸汽灭菌

答案　

（1）5.0mg/L2,4D、不添加6BA　

（2）脱分化　避光　提供营养物质，调节渗透压　（3）种子发芽率显著提高，污染率降低　培养基、O2　（4）①②③

解析　

（1）分析题表可知，处理2的愈伤组织诱导率最高，因此诱导小花碱茅愈伤组织最佳的激素配比浓度为5.0mg/L的2,4D和不添加6BA。

（2）诱导形成愈伤组织的过程称为脱分化，该过程在以MS＋3%蔗糖＋0.7%琼脂（pH7～8）为基本培养基、25℃左右的避光条件下无菌培养，基本培养基中加入蔗糖的目的是提供营养物质并调节渗透压。

（3）分析柱状图可知，种子脱颖后，发芽率显著提高、污染率降低。

种子颖壳影响发芽率可能的原因之一是颖壳妨碍了种子和培养基、O2的接触，从而影响了种子细胞的有氧呼吸。

（4）用70%的酒精或20%的次氯酸钠处理脱颖种子以及用无菌水冲洗脱颖种子，都能达到对脱颖种子进行消毒的目的，①②③正确；高压蒸汽灭菌会导致脱颖种子死亡，④错误。

5．美国威斯康星州的一个奶牛场有一头奶牛，年产奶量达30.8t，我国奶牛产奶量年平均水平仅为3～4t。

某人用该高产奶牛的耳朵细胞，采用核移植技术获得高产奶牛（如图），请据图回答下列问题：

（1）目前完成①的方法有__________________________、梯度离心、紫外光短时间照射及化学物质处理等。

（2）③过程中选择去核卵母细胞作为受体细胞的原因是______________________。

（3）④过程所利用的技术是________________________，其原理是____________。

（4）该实验的成功说明已分化的耳朵细胞的细胞核中含有与____________一样的全套基因，这种繁殖方式属于__________。

（5）若研究发现该高产奶牛线粒体发达，故它的产奶量高，则小牛d成年后具有这一优良性状吗？

________。

你的依据是_________________________________________________________。

答案　

（1）显微操作去核法　

（2）卵母细胞体积大，易操作，营养物质丰富，且细胞质中含有激发细胞核全能性表达的物质　（3）动物细胞培养（早期胚胎培养）　细胞增殖　（4）受精卵　无性繁殖　（5）不具有　线粒体中的基因一般通过细胞质传递给后代，而小牛d的细胞质主要来自于奶牛a

解析　

（1）去核的方法有显微操作去核法、梯度离心、紫外光短时间照射及化学物质处理等方法。

（2）在核移植中常用去核卵母细胞作为受体细胞，是因为卵母细胞内含有丰富的营养物质；体积比较大，容易操作。

（3）④过程属于动物细胞培养，其原理是细胞增殖。

（4）该实验的成功证明了动物细胞核具有全能性，因为细胞核中含有和受精卵一样的全套基因。

（5）线粒体位于细胞质中，主要来源于受体细胞，因此小牛d没有产奶量高的优良性状。

6．人绒毛膜促性腺激素（HCG）是女性怀孕后胎盘滋养层细胞分泌的一种糖蛋白，制备抗HCG单克隆抗体可用于早孕的诊断。

下图是抗HCG单克隆抗体制备流程示意图，请分析回答下列问题：

（1）制备单克隆抗体过程中要用到________________和________________技术。

（2）制备单克隆抗体过程中，给小鼠注射的HCG相当于________，使小鼠产生分泌相应________的淋巴细胞，此过程属于特异性免疫中的________免疫。

（3）在细胞内DNA的合成一般有两条途径，主途径是在细胞内由糖和氨基酸合成核苷酸，进而合成DNA，而氨基喋呤可以阻断此途径。

另一辅助途径是在次黄嘌呤和胸腺嘧啶核苷存在的情况下，经酶的催化作用合成DNA，而骨髓瘤细胞的DNA合成没有此辅助途径。

①利用DNA合成途径不同的特点配制的HAT培养基含有多种成分，其中添加的______________成分具有筛选杂交瘤细胞的作用。

②最终筛选获得的杂交瘤细胞的特点是____________________________________________。

（4）此过程生产的单克隆抗体可以与________________特异性结合，从而诊断早孕。

答案　

（1）动物细胞培养　动物细胞融合　

（2）抗原　抗体　体液　（3）①氨基喋呤　②能无限增殖并分泌特异性抗体　（4）人绒毛膜促性腺激素（或HCG）