选考版新高考生物一轮复习第十单元生物技术与工程第34讲基因工程学案新人教版.docx

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选考版新高考生物一轮复习第十单元生物技术与工程第34讲基因工程学案新人教版

第34讲　基因工程

考点1　基因工程的操作工具

1．基因工程的概念

2．限制性核酸内切酶（限制酶）

3．DNA连接酶

4．载体

1．（选修3P6“寻根问底”改编）DNA连接酶和DNA聚合酶的作用相同吗？

试简要说明。

答案：

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。

2．（选修3P6“旁栏思考题”）想一想，具备什么条件才能充当“分子运输车”？

答案：

能自我复制、有一个或多个限制酶切割位点、有标记基因及对受体细胞无害等。

1．（2018·高考北京卷）用XhoⅠ和SalⅠ两种限制性核酸内切酶分别处理同一DNA片段，酶切位点及酶切产物分离结果如图。

以下叙述不正确的是（　　）

A．图1中两种酶识别的核苷酸序列不同

B．图2中酶切产物可用于构建重组DNA

C．泳道①中是用SalⅠ处理得到的酶切产物

D．图中被酶切的DNA片段是单链DNA

解析：

选D。

不同的限制酶识别序列不同，A项正确；限制酶切割的产物可用于构建重组DNA，B项正确；泳道①显示四个条带，是SalⅠ处理后的酶切产物的电泳结果，泳道②显示三个条带，是XhoⅠ处理后的酶切产物的电泳结果，C项正确；限制酶的作用特点是识别特定DNA序列，并在DNA两条链特定部位切割产生黏性末端或平末端，D项错误。

2．（高考全国卷Ⅲ）图（a）中的三个DNA片段上依次表示出了EcoRⅠ、BamHⅠ和Sau3AⅠ三种限制性内切酶的识别序列与切割位点，图（b）为某种表达载体的示意图（载体上的EcoRⅠ、Sau3AⅠ的切点是唯一的）。

根据基因工程的有关知识，回答下列问题：

（1）经BamHⅠ酶切后得到的目的基因可以与上述表达载体被____________酶切后的产物连接，理由是________________________________。

（2）若某人利用图（b）所示的表达载体获得了甲、乙、丙三种含有目的基因的重组子，如图（c）所示。

这三种重组子中，不能在宿主细胞中表达目的基因产物的有____________，不能表达的原因是________________________________________________________________。

（3）DNA连接酶是将两个DNA片段连接起来的酶，常见的有_________和_________，其中既能连接黏性末端又能连接平末端的是____________。

解析：

（1）由题图（a）可知，尽管BamHⅠ和Sau3AⅠ两种限制酶的识别位点不相同，但两种酶切割后产生的DNA片段具有相同的黏性末端，故被BamHⅠ酶切后得到的目的基因可以与题图（b）中表达载体被Sau3AⅠ酶切后的产物连接。

（2）运载体上的启动子和终止子具有调控目的基因表达的作用，由于甲和丙的目的基因分别插入在启动子的上游和终止子的下游，故这两个运载体上的目的基因都不能被转录和翻译。

（3）常见的DNA连接酶是E·coliDNA连接酶和T4DNA连接酶，但作用有所差别，T4DNA连接酶既能连接黏性末端又能连接平末端，而E·coliDNA连接酶只能连接黏性末端。

答案

（1）Sau3AⅠ　两种酶切割后产生的片段具有相同的黏性末端

（2）甲和丙　甲中目的基因插入在启动子的上游，丙中目的基因插入在终止子的下游，二者的目的基因均不能被转录

（3）E·coliDNA连接酶　T4DNA连接酶　T4DNA连接酶

1．限制酶的选择技巧

（1）根据目的基因两端的限制酶切割位点确定限制酶的种类

①应选择切割位点位于目的基因两端的限制酶，如图甲可选择PstⅠ。

②不能选择切割位点位于目的基因内部的限制酶，如图甲不能选择SmaⅠ。

③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，如图甲也可选择用PstⅠ和EcoRⅠ两种限制酶（但要确保质粒上也有这两种酶的切割位点，如图乙）。

（2）根据质粒的特点确定限制酶的种类

①所选限制酶要与切割目的基因的限制酶一致，以确保产生相同的黏性末端。

②质粒作为载体必须具备标记基因等，所以所选择的限制酶尽量不要破坏这些结构，如图乙中限制酶SmaⅠ会破坏标记基因；如果所选酶的切割位点不是一个，则切割重组后可能丢失某些片段，若丢失的片段含复制起点区，则切割重组后的片段进入受体细胞后不能进行自主复制。

2．载体上标记基因的标记原理

载体上的标记基因一般是一些抗生素的抗性基因。

目的基因要转入的受体细胞没有抵抗相关抗生素的能力。

当含有抗生素抗性基因的载体进入受体细胞后，抗性基因在受体细胞内表达，使受体细胞能够抵抗相应抗生素，所以在受体细胞的培养体系中加入该种抗生素就可以筛选出转入载体的受体细胞，原理如下图所示：

1．（2020·江苏南京、盐城模拟）下列关于生物学中常见的几种酶的叙述，正确的是（　　）

A．DNA连接酶将目的基因的黏性末端与载体的黏性末端之间的碱基黏合

B．用限制性核酸内切酶从质粒上切下一个目的基因需消耗4个水分子

C．Taq酶是PCR仪扩增DNA分子时常用的一种耐高温的DNA连接酶

D．在解离根尖分生区细胞时加入纤维素酶有利于提高解离的效果

解析：

选B。

黏性末端与黏性末端之间的互补配对的碱基自动形成氢键，DNA连接酶催化形成磷酸二酯键，A错误；切下一个目的基因需要打开2个切口，水解4个磷酸二酯键，故需消耗4个水分子，B正确；Taq酶是耐高温的DNA聚合酶，C错误；对根尖分生区细胞进行解离时用解离液处理，不需要纤维素酶，D错误。

2．（不定项）下列有关基因工程相关工具的叙述，正确的是（　　）

A．限制酶能识别并切割DNA任意序列

B．DNA连接酶与Taq酶的作用位点不同

C．没有与目的基因重组的质粒也可以进入受体细胞

D．使用质粒载体可以避免目的基因在受体内被分解

解析：

选CD。

限制酶具有特异性，能识别DNA上特定序列并切割；DNA连接酶与Taq酶的作用位点都是磷酸二酯键；进入受体细胞的有普通质粒和重组质粒；质粒的特点之一是能够在宿主细胞内稳定存在，故将目的基因与质粒重组可以避免目的基因在受体内被分解。

3．（不定项）下列物质或过程可能影响磷酸二酯键数目变化的是（　　）

A．限制性核酸内切酶

B．构建基因表达载体

C．遗传信息的翻译

D．染色体的结构变异

解析：

选ABD。

DNA中含有磷酸二酯键，限制性核酸内切酶可以断裂磷酸二酯键，使磷酸二酯键数目减少，A符合题意；构建基因表达载体指将目的基因与运载体连接，磷酸二酯键数目会增加，B符合题意；遗传信息的翻译产物是蛋白质，不涉及磷酸二酯键数目的变化，C不符合题意；染色体包括DNA和蛋白质，染色体的结构变异分为染色体片段的缺失、重复、易位、倒位，其中缺失、重复、易位会导致DNA片段的数目改变，则磷酸二酯键数目会发生变化，D符合题意。

4．（2020·山东章丘检测）人体的细胞内含有抑制癌症发生的p53基因，生物技术可对此类基因的变化进行检测。

（1）目的基因的获取方法通常包括__________________________、利用PCR技术扩增目的基因和________________________。

（2）已知限制酶E识别序列为CCGG，若用限制酶E分别完全切割正常人和患者的p53基因部分区域（见上图），那么正常人的会被切成________个片段，而患者的则被切割成长度为________对碱基和________对碱基的两个片段。

解析：

（1）目的基因的获取方法通常有从基因文库中获取目的基因、利用PCR技术扩增目的基因和通过化学方法人工合成目的基因三种。

（2）正常人p53基因部分区域有两个限制酶E的识别序列，完全切割后可产生三个片段，患者p53基因部分区域中有一个限制酶E的识别序列发生突变，这样患者就只有一个限制酶E的识别序列，切割后产生两个片段，分别为290＋170＝460（对）碱基和220对碱基。

答案：

（1）从基因文库中获取目的基因　通过化学方法人工合成目的基因　

（2）3　460　220

5．（2021·预测）下图所示为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，________（填“能”“否”或“不一定”）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）据题可知，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，进而能拼接成一条DNA链。

重新拼接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

（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

考点2　基因工程的基本操作

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）获取方法

2．基因表达载体的构建——基因工程的核心

3．将目的基因导入受体细胞

项目

植物细胞

动物细胞

微生物细胞

常用方法

农杆菌转化法

显微注射法

转化法

受体细胞

体细胞或受精卵

受精卵

原核细胞

过程

将目的基因插入Ti质粒的TDNA上→导入农杆菌→侵染植物细胞→整合到受体细胞中染色体的DNA上→表达

基因表达载体

↓显微注射

受精卵

↓发育

新性状个体

Ca2＋处理细胞→感受态细胞→重组表达载体与感受态细胞混合→感受态细胞吸收DNA分子

4.目的基因的检测与鉴定

1．（2019·高考江苏卷）下列生物技术操作对遗传物质的改造，不会遗传给子代的是（　　）

A．将胰岛素基因表达质粒转入大肠杆菌，筛选获得基因工程菌

B．将花青素代谢基因导入植物体细胞，经组培获得花色变异植株

C．将肠乳糖酶基因导入奶牛受精卵，培育出产低乳糖牛乳的奶牛

D．将腺苷酸脱氨酶基因转入淋巴细胞后回输患者，进行基因治疗

解析：

选D。

A项、B项和C项均采用了基因工程技术，基因工程依据的原理是基因重组，且参与繁殖的细胞中均含有目的基因，故可遗传给子代，A项、B项、C项不符合题意；D项也采用了基因工程技术，但只有患者的淋巴细胞中含有目的基因，患者的生殖细胞中不含目的基因，故不能遗传给子代，D项符合题意。

2．（2019·高考全国卷Ⅰ）基因工程中可以通过PCR技术扩增目的基因。

回答下列问题：

（1）基因工程中所用的目的基因可以人工合成，也可以从基因文库中获得。

基因文库包括________和________。

（2）生物体细胞内的DNA复制开始时，解开DNA双链的酶是________。

在体外利用PCR技术扩增目的基因时，使反应体系中的模板DNA解链为单链的条件是__________________。

上述两个解链过程的共同点是破坏了DNA双链分子中的________。

（3）目前在PCR反应中使用Taq酶而不使用大肠杆菌DNA聚合酶的主要原因是______________________________________________________________。

解析：

（1）基因文库包括基因组文库和cDNA文库。

（2）生物体细胞内DNA复制开始时是利用解旋酶进行解旋的，而在体外利用PCR技术扩增目的基因时，则是通过加热至90～95℃进行解旋的，二者都破坏了碱基对之间的氢键。

（3）在PCR反应过程中，要加热至90～95℃，所以使用热稳定性高的Taq酶，而不使用在高温下会失活的大肠杆菌DNA聚合酶。

答案：

（1）基因组文库　cDNA文库

（2）解旋酶　加热至90～95℃　氢键

（3）Taq酶热稳定性高，而大肠杆菌DNA聚合酶在高温下会失活

3．（2019·高考江苏卷）图1是某基因工程中构建重组质粒的过程示意图，载体质粒P0具有四环素抗性基因（tetr）和氨苄青霉素抗性基因（ampr）。

请回答下列问题：

（1）EcoRⅤ酶切位点为

，EcoRⅤ酶切出来的线性载体P1为___________末端。

（2）用TaqDNA聚合酶进行PCR扩增获得的目的基因片段，其两端各自带有一个腺嘌呤脱氧核苷酸。

载体P1用酶处理，在两端各添加了一个碱基为________的脱氧核苷酸，形成P2；P2和目的基因片段在________酶作用下，形成重组质粒P3。

（3）为筛选出含有重组质粒P3的菌落，采用含有不同抗生素的平板进行筛选，得到A、B、C三类菌落，其生长情况如表（“＋”代表生长，“－”代表不生长）。

根据表中结果判断，应选择的菌落是________（填表中字母）类，另外两类菌落质粒导入情况分别是________、________。

菌落类型

平板类型　　　　　

A

B

C

无抗生素

＋

＋

＋

氨苄青霉素

＋

＋

－

四环素

＋

－

－

氨苄青霉素＋四环素

＋

－

－

（4）为鉴定筛选出的菌落中是否含有正确插入目的基因的重组质粒，拟设计引物进行PCR鉴定。

图2所示为甲、乙、丙3条引物在正确重组质粒中的相应位置，PCR鉴定时应选择的一对引物是________。

某学生尝试用图中另外一对引物从某一菌落的质粒中扩增出了400bp片段，原因是____________________________________________。

解析：

（1）EcoRⅤ酶切位点在酶所识别序列的中心轴线处，产生的是平末端。

（2）DNA连接酶对平末端的连接效率较低，因此通常要将平末端改造成黏性末端后再进行连接。

由于目的基因片段的两端各自带一个腺嘌呤脱氧核苷酸，根据碱基互补配对原则，处理后的质粒两端需要各添加一个碱基为胸腺嘧啶的脱氧核苷酸；要将处理后的质粒与目的基因连接起来，需要用DNA连接酶。

（3）由于四环素抗性基因中含有EcoRⅤ酶识别的序列及切割位点，所以形成的重组质粒中四环素抗性基因已经被破坏，而氨苄青霉素抗性基因正常。

根据表中结果可知，A菌落抗氨苄青霉素和四环素，说明A菌落中导入的是P0质粒；B菌落抗氨苄青霉素而不抗四环素，说明B菌落中导入的是重组质粒；C菌落既不抗氨苄青霉素，也不抗四环素，说明C菌落中没有导入质粒。

（4）由于处理后的P0质粒的两个末端都含一个胸腺嘧啶的脱氧核苷酸，而目的基因片段的两端各自带一个腺嘌呤脱氧核苷酸，所以目的基因在和P0质粒连接时可能会出现两种情况：

正向连接和反向连接。

分析图2可知，理论上可以选择的引物组合有甲和丙、乙和丙两种情况。

如果选择甲和丙这对引物，则无论目的基因是否正确插入，扩增的片段都是50bp＋300bp＋100bp＝450bp，不符合要求；如果选择乙和丙这对引物，正向连接和反向连接后所得结果不同，所以应选择乙和丙这对引物进行PCR鉴定。

如果目的基因和P0质粒反向连接，则引物乙会出现在重组质粒的外侧，此时若加入引物甲和乙，则可以扩增出300bp＋100bp＝400bp的片段。

答案：

（1）平　

（2）胸腺嘧啶（T）　DNA连接　（3）B　A类菌落含有P0　C类菌落未转入质粒　（4）乙丙　目的基因反向连接

1．基因组文库与部分基因文库的比较

项目

基因组文库

部分基因文库（cDNA文库）

构建基

因文库

的过程

某种生物全部DNA

↓限制酶

许多DNA片段

分别与载体↓连接导入

受体菌群体

某种生物发育的

某个时期的mRNA

↓反转录

cDNA

与载体↓连接导入

受体菌群体

其他区别

①含某种生物全部基因；

②有启动子、有内含子；

③部分可与其他生物基因交流

①含该种生物“部分”基因；

②无启动子、无内含子；

③均可与其他生物基因交流

2.PCR技术

（1）原理：

DNA复制。

（2）PCR反应过程

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，Taq酶有最大活性，可使DNA新链由5′端向3′端延伸

（3）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的指数形式增加。

PCR的反应过程都是在PCR扩增仪中完成的。

3．四类受体细胞的筛选与判定

当用相应的限制酶切割了目的基因与载体后，可将二者混合，加入DNA连接酶进行连接反应，用得到的混合物直接转化受体细胞，其结果有如下四种：

上述四类受体细胞中通过“标记基因”（制备的培养基）可区分出

（1）

（2）与（3）（4），而通过DNA分子杂交技术，可进一步区分（3）与（4）。

1．农杆菌中的Ti质粒是植物基因工程中常用的载体，下列相关叙述正确的是（　　）

A．Ti质粒是能够自主复制的单链DNA分子

B．Ti质粒中磷酸基团都与两个脱氧核糖相连接

C．重组Ti质粒的受体细胞只能是植物愈伤组织细胞

D．Ti质粒上的基因可全部整合到受体细胞染色体上

解析：

选B。

Ti质粒是能够自主复制的环状双链DNA分子，其分子内部的磷酸基团都与两个脱氧核糖相连接，A错误，B正确；重组Ti质粒的受体细胞可以是植物愈伤组织细胞，也可以是植物的其他细胞，C错误；农杆菌有Ti质粒，Ti质粒上有一段TDNA，目的基因可插入Ti质粒上的TDNA中，从而导入农杆菌，让农杆菌侵染植物，农杆菌的Ti质粒上的TDNA片段（内有目的基因）整合到受体细胞的染色体上，即只有Ti质粒上的TDNA片段（内有目的基因）可整合到受体细胞染色体上，而不是Ti质粒上的全部基因，D错误。

2．（2020·山东省高三等级考模拟）双脱氧核苷三磷酸（ddNTP）与脱氧核苷三磷酸（dNTP）的结构如图所示。

已知ddNTP按碱基互补配对的方式加到正在复制的子链中后，子链的延伸立即终止。

某同学要通过PCR技术获得被32P标记且以碱基“C”为末端的、不同长度的子链DNA片段。

在反应管中已经有单链模板、引物、DNA聚合酶和相应的缓冲液等，还需要加入下列哪些原料（　　）

①dGTP、dATP、dTTP、dCTP　②dGTP、dATP、dTTP

③α位32P标记的ddCTP④γ位32P标记的ddCTP

A．①③　　B．①④　　

C．②③　　D．②④

解析：

选A。

本题中实验的目的是获得32P标记的、不同长度的、以碱基“C”为末端的子链DNA片段，因此需要保证PCR反应中子链延伸的步骤能够正常进行，同时用ddNTP使子链能在碱基“C”出现的地方停止复制。

为了达到上述两个目的，首先需要加入保证复制正常进行的四种dNTP，故选①；其次需要加入ddCTP使子链在碱基“C”出现的地方停止复制，由于在复制进行时，γ位的磷酸基团会脱去，因此ddCTP的标记位点不能选择γ位，故选③。

综上所述，正确的组合是①③。

3．（不定项）利用基因工程技术生产羧酸酯酶（CarE）制剂的流程如图所示，下列叙述正确的是（　　）

A．过程①需使用逆转录酶

B．过程②需使用解旋酶和PCR获取目的基因

C．过程③使用的感受态细胞可用NaCl溶液制备

D．过程④可利用DNA分子杂交鉴定目的基因是否已导入受体细胞

解析：

选AD。

过程①表示利用mRNA通过逆转录法合成目的基因，逆转录过程中需要逆转录酶的催化，A正确；过程②表示利用PCR技术对目的基因进行扩增，该过程中不需要利用解旋酶，解旋是通过高温实现的，B错误；感受态细胞法利用的是CaCl2溶液，C错误；过程④可利用DNA分子杂交鉴定目的基因是否已导入受体细胞，D正确。

4．（2020·广东高三模拟）烟草易受烟草花叶病毒（TMV）感染而大幅度减产。

绞股蓝细胞中含有抗TMV基因，能抵抗TMV感染，研究人员利用转基因技术培育出了抗TMV烟草，操作流程如下图所示。

请回答下列问题：

（1）过程①所用RNA可以从____________中获取。

（2）过程②可以采用_________技术获得大量目的基因，该技术的实质是___________。

（3）过程④最常用的方法是________，该方法中需将目的基因插入受体细胞的________上。

（4）过程⑤所用到的培养基除了卡那霉素之外，还需要加入的特殊物质是____________。

过程⑥还需要进行基因工程操作步骤中的目的基因的检测与鉴定，在分子水平上检验获得的烟草能否抗TMV的方法是________________________。

解析：

（1）据题图可知，①表示逆转录过程，其模板RNA逆转录形成的DNA中含有目的基因（抗TMV基因），因此该RNA可以从绞股蓝细胞的细胞质基质中提取。

（2）过程②表示获取目的基因的过程，利用PCR技术可以大量扩增目的基因，PCR技术的原理是双链DNA的复制。

（3）过程④表示将目的基因导入受体细胞的过程，将目的基因导入植物细胞常用农杆菌转化法，该方法可将目的基因插入受体细胞的染色体DNA上。

（4）过程⑤表示植物组织培养过程，此过程需要在培养基中加入植物激素，如细胞分裂素和生长素。

过程⑥表示目的基因的检测与鉴定过程，对于产生的蛋白质可以采用抗原—抗体杂交法进行检验。

答案：

（1）绞股蓝细胞的细胞质基质

（2）PCR（或多聚酶链式反应）　双链DNA的复制

（3）农杆菌转化法　染色体DNA

（4）植物激素（或生长素和细胞分裂素）　抗原—抗体杂交法

5．（2021·预测）科学家利用植物生产药用蛋白，研究出了用转基因马铃薯生产人的血清白蛋白的方法。

下图表示EcoRⅠ、BamHⅠ两种限制酶在质粒上的切割位点，两种酶识别和切割位点见表。

回答下列相关问题：

限制酶

识别序列和切割位点

EcoRⅠ

G↓AATTC

BamHⅠ

G↓GATCC

（1）该工程中适宜用来切割质粒的限制酶是________，原因是_____________________。

（2）获取血清白蛋白基因可以利用反转录法构建的________文