高中生物《目的基因获取和基因表达载体的构建》导学案+课后练习题.docx

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高中生物《目的基因获取和基因表达载体的构建》导学案+课后练习题

1.2　基因工程的基本操作程序

第1课时　目的基因获取和基因表达载体的构建

[学习目标]　1.掌握基因工程的基本操作程序。

2.理解获取目的基因的途径及基因表达载体的构建。

知识点一　目的基因的获取

知识梳理

1.基因工程操作的基本程序

（1）

目的基因的获取。

（2）

基因表达载体的构建。

（3）将目的基因导入

受体细胞。

（4）目的基因的

检测与

鉴定。

2．目的基因的获取

（1）目的基因概念：

主要指编码

蛋白质的基因，也可以是一些具有

调控作用的因子。

（2）目的基因的来源

①从

生物中直接获取。

②

人工合成的方法合成。

（3）目的基因获取方法

①从基因文库中获取

a．前提条件：

目的基因序列未知。

b．基因文库：

将含有某种生物不同基因的许多

DNA片段，导入受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因。

d．构建过程

e．提取依据：

根据基因的有关信息，如

基因的核苷酸序列、

基因的功能、基因在染色体上的位置、基因的转录产物mRNA以及基因的表达产物蛋白质等特性来获取目的基因。

②利用PCR技术扩增目的基因

a．PCR含义：

是多聚酶链式反应的缩写，是一项在生物体外

复制特定DNA片段的核酸合成技术。

b．PCR原理：

DNA双链复制。

c．前提条件：

有一段已知目的基因的

核苷酸序列，以便根据这一序列合成

引物。

d．要求

模板：

目的基因两条链

原料：

dNTP

酶：

热稳定

DNA聚合酶（

Taq酶）

引物：

人工合成的两条

DNA片段（引物1，引物2）

e．扩增过程

f．方式：

指数形式扩增（2n，n为扩增循环的次数）

g．结果：

获得大量目的基因

③人工合成

a．前提条件：

核苷酸序列

已知，基因

比较小。

b．方法：

通过

DNA合成仪用化学方法直接人工合成。

　1.所有的目的基因都可以从基因文库中获得吗？

提示：

不可以。

基因文库包括部分基因文库（如cDNA文库）和基因组文库，前者含有某生物的部分基因，不可能从中获得全部目的基因，后者包含该生物的所有基因，可以获得所有的目的基因。

2．PCR过程中需要解旋酶吗？

所需要的DNA聚合酶应具有什么特点？

提示：

PCR过程中，DNA双链解开是在高温下完成的，不需要解旋酶；由于PCR过程温度较高，所以需要能耐高温的DNA聚合酶。

典题分析

题型一　目的基因获取方法的辨析

[例1]　下列有关获取目的基因的方法，叙述错误的是（　　）

A．从基因文库中直接获取目的基因的优点是操作简便，缺点是工作量大，具有一定的盲目性

B．由于真核细胞的基因中含有不表达的DNA片段，所以一般使用人工合成的方法获取真核细胞中的目的基因

C．如果基因比较小，核苷酸序列又已知，可以利用化学方法直接人工合成

D．PCR技术的原理是DNA复制，需DNA连接酶催化DNA合成

解题分析　PCR技术的原理是DNA分子的复制，需要耐高温的DNA聚合酶催化DNA合成，D错误。

答案　D

[例2]　下图表示基因工程中获取水稻某目的基因的不同方法。

相关叙述正确的是（　　）

A．三种方法都需要酶并均在体外进行

B．①②③碱基对的排列顺序均相同

C．三种方法均属于人工合成法

D．方法a不遵循中心法则

解题分析　这三种方法都是在体外进行的，且都用到酶（方法a需要逆转录酶和DNA聚合酶，方法b需要限制酶，方法c需要DNA聚合酶），A正确；①③序列中一般不含有内含子，②中含有内含子，所以①②③碱基对的排列顺序不相同，B错误；图示a和c属于人工合成法，而b是从供体细胞的DNA中直接分离目的基因的方法，C错误；方法a遵循中心法则，D错误。

答案　A

技法提升

获取目的基因的方法选择

（1）如果不知道目的基因的核苷酸序列，可以通过构建基因文库的方法，从基因文库中获取目的基因。

（2）如果知道目的基因的核苷酸序列，而且基因比较小，可以通过DNA合成仪利用化学方法直接人工合成。

（3）如果知道要扩增的目的基因及两端的核苷酸序列，而且基因又比较大，可以通过PCR技术扩增目的基因。

题型二　PCR过程分析和体内DNA复制的比较

[例3]　利用PCR技术将某小段DNA分子扩增n代，需（　　）

A．测定DNA分子两端的核苷酸序列，以便设计引物对

B．2n对引物参与子代DNA分子的合成

C．向反应体系中加入解旋酶、DNA聚合酶等

D．保持反应体系温度恒定，确保扩增的正常进行

解题分析　PCR技术中引物的设计是根据扩增的DNA片段两端的核苷酸序列，A正确；依题意，将某DNA分子扩增n代，形成2n个DNA分子，其中除了两条最初的模板不含引物，其他的链均含有引物，因此需要2n－1对引物，B错误；PCR技术是在体外进行DNA扩增，不需要解旋酶，高温使氢键断裂，需要耐高温的DNA聚合酶，C错误；通过改变温度，从而使DNA变性、复性和延伸循环进行，D错误。

答案　A

[例4]　PCR过程与细胞内的DNA复制过程相比，主要有两点不同，它们是（　　）

①PCR过程需要的引物是人工合成的单链DNA　②PCR过程不需要DNA聚合酶　③PCR过程中DNA的解旋不依靠解旋酶，而是通过对反应温度的控制来实现的　④PCR过程中，DNA不需要解旋，直接以双链DNA为模板进行复制

A．③④B．①②C．①③D．②④

解题分析　PCR过程需要的引物是人工合成的单链DNA，①正确；PCR过程需要耐高温的DNA聚合酶，②错误；PCR过程中DNA的解旋不依靠解旋酶，而是通过对反应温度的控制来实现的，然后以单链DNA为模板进行复制，③正确，④错误。

所以C正确。

答案　C

题后归纳

PCR技术与体内DNA复制的异同点

知识点二　基因表达载体的构建

知识梳理

1.重要性：

基因表达载体的构建是实施基因工程的第二步，也是基因工程的核心。

2．操作目的：

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。

3．组成

4．构建过程：

一般用同一种

限制酶分别切割载体和目的基因，再用

DNA连接酶把两者连接（如图）。

　1.目的基因插入载体的位置是随机的吗？

提示：

目的基因插入载体的位置不是随机的：

基因表达载体需要启动子与终止子的调控，所以目的基因应插入启动子和终止子之间的部位，若目的基因插入启动子部位，启动子将失去原功能，同时也不能插入标记基因中，否则会使标记基因被破坏无法进行筛选。

2．构建重组质粒时只能用同一种限制酶切割目的基因和载体吗？

提示：

切割目的基因和载体并非只能用同一种限制酶。

如果切割质粒和获取目的基因的限制酶不同，但两者切割后形成的黏性末端相同，在DNA连接酶的作用下目的基因与载体也可以连接起来。

也可以用两种不同的限制性核酸内切酶，分别对质粒和含有目的基因的DNA片段进行切割就可以有效避免载体与载体以及目的基因与目的基因的连接，提高连接的有效性。

典题分析

题型三　启动子、终止子、起始密码子和终止密码子的区分[例5]　下列有关人胰岛素基因表达载体的叙述，正确的是（　　）

A．起始密码子是一段DNA序列，位于胰岛素基因的首端

B．表达载体的复制和胰岛素基因的表达均启动于复制原（起）点

C．借助抗生素抗性基因可将含胰岛素基因的受体细胞筛选出来

D．启动子和终止密码子均在胰岛素基因的转录中起作用

解题分析　起始密码子是mRNA上三个相邻的碱基，是蛋白质翻译的开始，A错误；基因表达载体的复制原点和启动子是不同的位点，基因表达载体的复制开始于复制原点，胰岛素基因的表达开始于启动子，B错误；抗生素抗性基因可作为基因工程中的标记基因，可将含有目的基因的受体细胞筛选出来，C正确；启动子在基因表达的转录中起作用，终止密码子在基因表达的翻译中起作用，D错误。

答案　C

题后归纳

题型四　限制酶的选择

[例6]　如图是利用基因工程技术培育转基因植物，生产可食用疫苗的部分过程示意图，其中PstⅠ、SmaⅠ、EcoRⅠ、ApaⅠ为四种限制性核酸内切酶。

下列说法错误的是（　　）

A．图示过程是基因工程的核心步骤

B．表达载体构建时需要用到限制酶SmaⅠ

C．抗卡那霉素基因的存在有利于将含有抗原基因的细胞筛选出来

D．除图示组成外，表达载体中还应该含有启动子和终止子等结构

解题分析　图示过程为基因表达载体的构建过程，是基因工程中的核心步骤，A正确；构建过程中需要将目的基因完整切割下来，此时要用到限制酶PstⅠ、EcoRⅠ，B错误；抗卡那霉素基因是标记基因，目的是便于鉴定和筛选含有目的基因的细胞，C正确；基因表达载体包括启动子、目的基因、终止子和标记基因等，D正确。

答案　B

技法提升

构建基因表达载体时限制酶的选择

（1）根据目的基因两端的限制酶切点确定限制酶的种类

①应选择切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，应使用不同的限制酶切割目的基因和质粒，如图甲可选择用PstⅠ和EcoRⅠ两种限制酶（但要确保质粒上也有这两种酶的切点）。

（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相一致，以确保具有相同的黏性末端。

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；如果所选酶的切点不止一个，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自主复制。

[基础对点]

知识点一　目的基因的获取

1．有关目的基因的获取和基因文库的理解，不正确的是（　　）

A．目的基因可以从自然界中分离，也可以人工合成

B．目的基因主要指编码蛋白质的基因

C．基因文库就是基因组文库

D．cDNA文库只含有某种生物的一部分基因

答案　C

解析　目的基因可以从自然界中已有的物种中分离出来，也可以人工合成，A正确；目的基因主要指编码蛋白质的基因，B正确；基因文库分为基因组文库和部分基因文库，前者拥有一种生物的全部基因，后者仅拥有一种生物的一部分基因，如cDNA文库，D正确，C错误。

2．以下甲、乙两图表示从细菌细胞中获取目的基因的两种方法，以下说法中错误的是（　　）

A．甲方法可建立该细菌的基因组文库

B．乙方法可建立该细菌的cDNA文库

C．甲方法要以脱氧核苷酸为原料

D．乙方法需要反转录酶参与

答案　C

解析　甲方法是从细菌中直接提取出全部的DNA，再切割出目的基因，故可以建立该细菌的基因组文库，A正确；乙方法是由mRNA反转录获取目的基因，故可以建立该细菌的cDNA文库，B正确；乙方法需要反转录酶和脱氧核苷酸为原料，D正确；甲方法中，只是利用限制性核酸内切酶将其原有的DNA切断即可，不需要以脱氧核苷酸为原料，C错误。

3．下列获取目的基因的方法中需要模板链的是（　　）

①从基因文库中获取目的基因　②利用PCR技术扩增目的基因　③反转录法　④通过DNA合成仪利用化学方法人工合成

A．①②B．②③

C．③④D．①③

答案　B

解析　PCR技术利用的是DNA双链复制原理，即将双链DNA之间的氢键打开，变成单链DNA，作为聚合反应的模板，②需要；反转录法则是以目的基因的信使RNA为模板，在逆转录酶的作用下，先反转录形成互补的单链DNA，再合成双链的DNA，③需要；①④则均不需要模板，B正确。

4．下列有关PCR技术的叙述正确的是（　　）

A．作为模板的DNA序列不能在每一次扩增中重复使用

B．作为引物的脱氧核苷酸序列不能在每次扩增中重复使用

C．反应需要的DNA聚合酶不能在每次扩增中重复使用

D．反应需要的DNA连接酶不能在每次扩增中重复使用

答案　B

解析　PCR中模板DNA序列可反复在每一次循环中用作模板，A错误；反应过程中需要的DNA聚合酶可重复使用，C错误；反应不需要DNA连接酶，D错误；而每一次循环用到的引物都会成为产物DNA中的一部分序列，在下一个反应循环中作为模板DNA，所以不可重复作为引物，B正确。

5．以下为形成cDNA（图中的单链DNA）过程和PCR扩增过程示意图。

据图分析，下列说法正确的是（　　）

A．催化①过程的酶是RNA聚合酶

B．④过程发生的变化是引物与单链DNA结合

C．催化②⑤过程的酶都是DNA聚合酶，都能耐高温

D．如果RNA单链中A与U之和占该链碱基含量的40%，则一个双链DNA中，A与U之和也占该DNA碱基含量的40%

答案　B

解析　由题意可知，①②③④⑤分别表示反转录、DNA的复制、DNA变性、引物结合单链DNA（即复性）及互补链的合成（即延伸），①过程由反转录酶催化完成，A错误，B正确；催化②⑤过程的酶都是DNA聚合酶，过程⑤是在70～75℃的高温条件下进行的，只有该过程中的DNA聚合酶（即Taq酶）耐高温，C错误；DNA分子中有T无U，D错误。

知识点二　基因表达载体的构建

6.基因工程的核心是（　　）

A．目的基因的获取

B．基因表达载体的构建

C．将目的基因导入受体细胞

D．目的基因的检测与鉴定

答案　B

解析　目的基因构建表达载体后才能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，使目的基因能发挥作用，只有构建表达载体后，才能根据载体上的标记基因鉴别目的基因是否导入了受体细胞，从而筛选出含目的基因的受体细胞，避免进行盲目的无效工作。

所以说基因工程的核心是基因表达载体的构建，B正确。

7．如图为基因工程的部分过程示意图，甲～丁代表各不同阶段参与的成分。

根据图中的资料，下列叙述正确的是（　　）

A．[甲]可以是细菌的质粒

B．[乙]是某种激素分子

C．[丙]可以是植物的RNA分子

D．[丁]为抗体分子

答案　A

解析　甲、乙、丙、丁可分别表示质粒、限制酶、目的基因、DNA连接酶，A正确，B、C、D错误。

8.如图为基因表达载体的模式图，若结构X是表达载体所必需的，则X最可能是（　　）

A．氨苄青霉素抗性基因

B．启动子

C．限制酶

D．DNA连接酶

答案　B

解析　由X的位置可以判断其为启动子，启动子是基因表达载体所必需的，功能是启动插入基因的转录过程，B正确；氨苄青霉素抗性基因可以作为标记基因，但不是必须用它作标记基因，A错误；限制酶和DNA连接酶都不参与构成基因表达载体，C、D错误。

9．下面是四种不同质粒的示意图，其中ori为复制必需的序列，ampr为氨苄青霉素抗性基因，tetr为四环素抗性基因，箭头表示一种限制性核酸内切酶的酶切位点。

若要得到一个能在四环素培养基上生长而不能在氨苄青霉素培养基上生长的含重组DNA的细胞，应选用的质粒是（　　）

答案　C

解析　A项破坏了复制必需的序列，错误；B项氨苄青霉素抗性基因和四环素抗性基因都完好，在四环素培养基上和氨苄青霉素培养基上都能生长，错误；C项氨苄青霉素抗性基因被破坏，四环素抗性基因完好，能在四环素培养基上生长而不能在氨苄青霉素培养基上生长，正确；D项氨苄青霉素抗性基因完好，四环素抗性基因被破坏，能在氨苄青霉素培养基上生长而不能在四环素培养基上生长，错误。

10．在基因表达载体的构建中，下列说法正确的是（　　）

①一个表达载体的组成包括目的基因、启动子、终止子

②有了启动子才能驱动基因转录出mRNA　③终止子的作用是使转录在所需要的地方停止　④所有基因表达载体的构建是完全相同的

A．②③B．①④C．①②D．③④

答案　A

解析　一个表达载体，除了目的基因、启动子、终止子外，还需有标记基因等，①错误；启动子位于基因的首端，它是RNA聚合酶的结合位点，控制着转录的开始，②正确；终止子位于基因的尾端，控制着转录的结束，③正确；由于受体细胞有植物、动物以及微生物之分，以及目的基因导入受体细胞的方法不同，因此基因表达载体的构建是不完全相同的，④错误。

[能力提升]

11．下列有关叙述错误的是（　　）

A．从基因组文库中获取的某种生物的部分基因，可以实现物种间的基因交流

B．从cDNA文库中获取的目的基因，既无启动子，又无终止子

C．重组DNA技术所用的工具酶是限制酶、DNA连接酶和载体

D．基因表达载体中的标记基因不能含有限制酶的切割位点

答案　C

解析　基因工程可以克服远缘杂交不亲和的障碍，因此从基因组文库中获取的某种生物的部分基因，可以实现物种间的基因交流，A正确；启动子、终止子不能转录形成mRNA，因此以mRNA为模板逆转录形成的cDNA中既没有启动子，又无终止子，B正确；重组DNA技术所用的工具是限制酶、DNA连接酶和载体，其中工具酶是限制酶和DNA连接酶，C错误；基因表达载体中的标记基因不能含有限制酶的切割位点，否则在构建基因表达载体时标记基因会被限制酶破坏，D正确。

12．据下图分析，下列有关基因工程的说法不正确的是（　　）

A．为防止目的基因与质粒任意结合而影响基因的表达，应用限制酶Ⅰ、Ⅱ同时切割二者

B．限制酶、DNA连接酶的作用部位都是磷酸二酯键

C．与启动子结合的是RNA聚合酶

D．用限制酶Ⅰ、Ⅱ同时切割质粒，会获得3种长度的DNA片段

答案　D

解析　限制酶Ⅰ、Ⅱ是两种不同的限制酶，切割后形成的末端序列不同，同时切割质粒和目的基因可保证目的基因与质粒按一定方向连接，从而防止二者任意结合而影响基因的表达，A正确；限制酶能破坏磷酸二酯键，DNA连接酶能形成磷酸二酯键，二者的作用部位相同，B正确；转录时与启动子结合的是RNA聚合酶，C正确；由于质粒中酶Ⅰ和酶Ⅱ都只有一个识别位点，所以用限制酶Ⅰ、Ⅱ同时切割质粒，只会获得2种长度的DNA片段，D错误。

13．水稻种子中70%的磷以植酸形式存在。

植酸易同铁、钙等离子或蛋白质结合排出体外，是多种动物的抗营养因子，同时，排出的大量磷进入水体易引起水华。

为从根本上解决水稻中的高植酸问题，可将植酸酶基因导入水稻，培育低植酸转基因水稻品种。

如图是获取植酸酶基因的流程。

据图回答下面的问题。

（1）图中基因组文库________（填“小于”“等于”或“大于”）cDNA文库。

（2）B过程需要的酶是________；A、C过程中________（填“可以”或“不可以”）使用同一种探针筛选含目的基因的菌株。

（3）目的基因Ⅰ和Ⅱ除从构建的文库中分离外，还可以分别利用图中________和________为模板直接进行PCR扩增，该过程中所用酶的显著特点是________。

答案　

（1）大于　

（2）逆转录酶　可以　

（3）DNA　cDNA　耐高温

解析　

（1）基因组文库包含一种生物全部遗传信息，cDNA文库仅包含一种生物的部分遗传信息。

（2）由mRNA构建cDNA文库需逆转录酶；从同种生物（酵母菌）的基因组文库与cDNA文库筛选的目的基因具有部分相同的核苷酸排列顺序，所以可用同一种探针对含目的基因的菌株进行检测。

（3）若通过PCR技术扩增目的基因，可利用DNA或cDNA作为模板，该扩增过程需耐高温的DNA聚合酶参与。

14．请据图回答下列问题：

（1）基因工程的核心步骤是______________________。

（2）利用________技术可以获得大量的目的基因。

该技术利用____________的原理，将基因的核苷酸序列不断地加以复制，使其数量呈指数方式增长。

（3）图中________位于基因的首端，是______________识别和结合的部位。

抗生素抗性基因的作用是作为________，用于鉴别受体细胞中是否导入了目的基因。

答案　

（1）基因表达载体的构建

（2）PCR　DNA双链复制

（3）启动子　RNA聚合酶　标记基因

解析　

（1）基因工程的核心步骤是基因表达载体的构建。

（2）目的基因的获取方法很多，其中，通过PCR技术能迅速获得大量目的基因，PCR技术依据的原理是DNA双链复制。

（3）基因表达载体必须包含目的基因、启动子、标记基因、终止子等，其中，启动子位于基因的首端，是RNA聚合酶识别和结合的部位，驱动基因转录出mRNA。

抗生素抗性基因作为标记基因用于鉴别受体细胞中是否含有目的基因。

15．下图为某种质粒表达载体简图，小箭头所指分别为限制性核酸内切酶EcoRⅠ、BamHⅠ的酶切位点，ampr为青霉素抗性基因，tetr为四环素抗性基因，P为启动子，T为终止子，ori为复制原点。

已知目的基因的两端分别有包括EcoRⅠ、BamHⅠ在内的多种酶的酶切位点。

据图回答：

（1）将含有目的基因的DNA与质粒分别用EcoRⅠ酶切，酶切产物用DNA连接酶进行连接后，其中由两个DNA片段之间连接形成的产物有______________________、______________________、________________________三种。

（2）如果目的基因碱基序列已知，且数目较少，可以通过______________直接____________。

（3）在上述实验中，为了防止目的基因和质粒在酶切后产生的末端发生任意连接，酶切时应选用的酶是______________________。

答案　

（1）目的基因—质粒连接物　质粒—质粒连接物　目的基因—目的基因连接物

（2）DNA合成仪　人工合成

（3）EcoRⅠ和BamHⅠ

解析　

（1）将含有目的基因的DNA与质粒分别用EcoRⅠ酶切，所产生的黏性末端相同，用DNA连接酶处理后，不同的片段随机结合，其中由两个DNA片段之间连接可形成三种不同的连接物：

目的基因—质粒连接物、质粒—质粒连接物、目的基因—目的基因连接物。

（3）由图示和题目中提供的信息可知，同时运用EcoRⅠ和BamHⅠ进行酶切可有效防止酶切后产生的末端发生任意连接。