步步高高考生物二轮讲义专题81基因工程和细胞工程.docx
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步步高高考生物二轮讲义专题81基因工程和细胞工程
基因工程和细胞工程
[考纲要求] 1.基因工程的诞生（Ⅰ）。
2.基因工程的原理及技术（Ⅱ）。
3.基因工程的应用（Ⅱ）。
4.蛋白质工程（Ⅰ）。
5.植物的组织培养（Ⅱ）。
6.动物的细胞培养与体细胞克隆（Ⅰ）。
7.细胞融合与单克隆抗体（Ⅱ）。
[构建网络]
考点一 基因工程
1．基因工程的基本工具
限制酶
DNA连接酶
载体
作用
切割目的基因和载体
拼接DNA片段，形成重组DNA分子
携带目的基因进入受体细胞
作用
部位
两核苷酸的脱氧核糖与磷酸间形成的磷酸二酯键
作用特
点（条件）
（1）识别特定的核苷酸序列；
（2）在特定位点上切割DNA分子
（1）E·coliDNA连接酶只能连接黏性末端；
（2）T4DNA连接酶能连接黏性末端和平末端
（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；
（3）具有特殊的标记基因
2．基因工程的操作程序
（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：
其实质是在体外对目的基因进行大量复制。
③用化学方法人工合成
a．对于核苷酸序列已知的直接人工合成。
b．可通过反转录法获取，即mRNA逆转录酶,单链DNADNA聚合酶,双链DNA。
（2）基因表达载体的构建
①基因表达载体的组成：
目的基因＋启动子＋终止子＋标记基因＋复制原点。
②基因表达载体的构建方法
（3）将目的基因导入受体细胞
生物种类
植物细胞
动物细胞
微生物细胞
常用方法
农杆菌转化法、基因枪法、花粉管通道法等
显微注射技术
感受态细胞法（Ca2＋处理法）
受体细胞
体细胞
受精卵
原核细胞
（4）目的基因的检测与鉴定
类型
步骤
检测内容
方法
结果显示
分子
检测
第一步
目的基因是否进入受体细胞
DNA分子杂交（DNA和DNA之间）
是否成功显示出杂交带
第二步
目的基因是否转录出mRNA
分子杂交技术（DNA和mRNA之间）
是否成功显示出杂交带
第三步
目的基因是否翻译出蛋白质
抗原—抗体杂交
是否成功显示出杂交带
个体
水平
鉴定
做抗虫或抗病的接种实验，以确定是否有抗性以及抗性的程度；基因工程产品与天然产品的功能进行活性比较，以确定功能是否相同
[错混诊断]
1．携带链霉素抗性基因受体菌的筛选必须通过分子检测（2014·天津，4A）（ × ）
2．转基因抗虫棉植株抗虫效果的鉴定必须通过分子检测（2014·天津，4C）（ × ）
3．一种限制性核酸内切酶只能识别一种特定的脱氧核苷酸序列（2007·全国Ⅱ，4A）（ √ ）
4．用限制性核酸内切酶切割烟草花叶病毒的核酸（2010·浙江，2A）（ × ）
5．每个重组质粒至少含一个限制性核酸内切酶识别位点（2011·浙江，6B）（ √ ）
6．自然界中天然存在的噬菌体自行感染细菌后其DNA整合到细菌DNA上，属于基因工程（2010·大纲全国Ⅱ，5D）（ × ）
7．转抗虫基因的植物，不会导致昆虫群体抗性基因频率增加（2010·江苏，18B）（ × ）
8．重组质粒与探针能进行分子杂交是因为DNA分子脱氧核糖和磷酸交替连接（2013·安徽，6C）（ × ）
9．应用DNA探针技术，可以检测转基因抗冻番茄植株中目的基因的存在及其完全表达（2011·四川，5D）（ × ）
题组 对基因工程的操作工具与操作步骤综合考查
1．（2014·海南，31）下面是将某细菌的基因A导入大肠杆菌内，制备“工程菌”的示意图。
请据图回答：
（1）获得A有两条途径：
一是以A的mRNA为模板，在____________的催化下，合成互补的单链DNA，然后在______________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种脱氧核苷酸和耐热性的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_____________________________________
________________________________________________________________________。
答案
（1）逆转录酶 DNA聚合酶 氨基酸 脱氧核苷酸
（2）引物 模板（A基因） （3）基因表达载体 （4）使其成为感受态细胞，有利于吸收重组DNA分子
解析
（1）利用反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聚合酶的作用下，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）目的基因和载体结合，形成基因表达载体。
（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。
总结提升
比较限制酶、DNA连接酶、DNA聚合酶和解旋酶
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
作用
结果
形成黏性末端或平末端
形成重组DNA分子
形成新的DNA分子
形成单链DNA分子
考点二 细胞工程
1．细胞工程的几个流程图比较
细胞工
程技术
技术过程图示
植物组
织培养
动物细
胞培养
植物体细
胞杂交
动物细胞
的融合
核移植
单克隆
抗体的
制备
2．容易混淆的三种细胞——杂种细胞、重组细胞和杂交细胞
（1）杂种细胞：
植物体细胞杂交过程中，两种细胞去掉细胞壁之后形成的原生质体融合，融合的原生质体出现细胞壁之后形成的细胞叫杂种细胞。
（2）重组细胞：
体细胞的细胞核移植到去核卵母细胞之后形成的细胞叫重组细胞。
（3）杂交细胞：
动物细胞融合形成的细胞常称为杂交细胞。
3．从结果来分析原理
（1）植物体细胞杂交：
植物体细胞杂交包含两个过程，一是植物细胞融合，二是杂种细胞的植物组织培养。
其最终结果是形成杂种植株，产生了一个生物体，因此其原理是：
细胞膜的流动性和细胞的全能性。
（2）动物细胞融合：
动物细胞融合形成杂交细胞，杂交细胞进行细胞培养，获得大量的克隆细胞，但没有形成生物体，因此动物细胞融合的原理是细胞增殖和细胞膜的流动性，不包含细胞全能性。
4．对细胞核移植技术的分析
（1）细胞核移植技术形成重组细胞并发育成一个新个体，体现了细胞核的全能性而非动物细胞的全能性。
（2）克隆属于无性繁殖，产生新个体的性别、绝大多数性状与供核亲本一致。
（3）核移植技术获得的动物与供核动物性状不完全相同的原因：
①克隆动物绝大部分DNA来自于供体细胞核，但其线粒体中的DNA来自于去核卵细胞。
②性状受基因与环境共同影响。
③在个体发育过程中有可能发生基因突变，产生供核动物没有的性状。
[错混诊断]
1．21三体综合征的诊断必须通过分子检测（2014·天津，4D）（ × ）
2．培育草莓脱毒苗所采用的主要技术是组织培养（2012·广东，2A）（ √ ）
3．去除植物细胞的细胞壁和将动物组织分散成单个细胞均需酶处理（2008·全国Ⅰ，5B）（ √ ）
4．培养保留接触抑制的细胞在培养瓶壁上可形成多层细胞（2010·浙江，4A）（ × ）
5．动物杂交瘤细胞产生单克隆抗体体现了细胞的全能性（2012·江苏，22C）（ × ）
6．体细胞杂交技术可用于克隆动物和制备单克隆抗体（2011·江苏，14B）（ × ）
7．单克隆抗体技术可以用于治疗老年痴呆症（2010·江苏，17C）（ √ ）
题组一 从植物细胞工程进行命题
1．植物叶肉细胞原生质体的分离和培养的主要过程可用下图所示图解简单表示：
（1）培育胚状体利用了__________________这一项生物技术，胚状体再继续培养，则可培育出完整的植株，这体现了________________。
培养基中除了含有一定的营养外，还必须含有________________等植物激素，还需要对培养基进行严格的________________。
（2）如果愈伤组织是三七叶肉细胞培养产生的，若为了获得三七的细胞产物，则只需要培养到________________；若为了获得三七的人工种子，则需要培养到________________。
如果愈伤组织是棉花叶肉细胞培养产生的，通过基因工程要获取抗虫棉，目的基因导入棉花愈伤组织细胞常用的方法是________________法。
（3）从叶片的叶肉细胞到获得胚状体的过程中，必须要经过________________。
①无丝分裂 ②有丝分裂 ③减数分裂 ④原代培养 ⑤传代培养 ⑥植物体细胞杂交 ⑦细胞融合 ⑧脱分化 ⑨再分化
答案
（1）植物组织培养 植物细胞的全能性 细胞分裂素、生长素 灭菌
（2）愈伤组织 胚状体 农杆菌转化 （3）②⑧⑨
解析
（1）离体植物细胞通过脱分化形成愈伤组织，通过再分化形成具有根和芽的胚状体，再通过细胞分裂、分化发育成一个完整的植株。
该技术称为植物组织培养，其原理为植物细胞的全能性。
培养基的成分为水、无机盐、维生素、氨基酸、蔗糖、植物激素（生长素和细胞分裂素等）等；培养基要求进行严格的灭菌。
（2）三七的细胞产物为细胞的代谢产物，将三七叶肉细胞培养到愈伤组织即可；获得人工种子需培养至胚状体；棉花为双子叶植物，导入抗虫基因常用农杆菌转化法。
（3）离体叶肉细胞培养到胚状体的过程中必须经过脱分化和有丝分裂形成愈伤组织，再分化和有丝分裂形成具有根和芽的胚状体。
2．下图是细胞融合示意图，请据图回答下列问题：
（1）过程①②应使用________________________处理细胞，以去除植物细胞壁。
（2）如果将已去除细胞壁的植物细胞放入等渗溶液中，细胞呈现什么形状？
________________。
（3）过程③的诱导方法有__________和__________两大类。
（4）过程④是细胞壁的再生过程，与此过程密切相关的细胞器是____________。
（5）⑤过程中进行的细胞分裂方式是________，该过程先诱导细胞分裂形成________，再由它分化形成杂种植物幼苗。
（6）融合的细胞需要在培养基上进行培养。
人工合成的培养基中除水、蔗糖、维生素、有机添加物、无机物质外，______________是植物细胞培养成杂种植物幼苗不能缺少的调节物质。
答案
（1）纤维素酶、果胶酶
（2）球形 （3）物理法 化学法 （4）高尔基体 （5）有丝分裂 愈伤组织 （6）植物激素（或生长调节物质）
解析
（1）过程①②应使用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁获得原生质体。
（2）去除细胞壁的原生质体是球形的，在等渗溶液中，细胞形态不变。
（3）用物理法和化学法可诱导过程③完成原生质体融合。
（4）高尔基体与植物细胞壁的形成有关。
（5）杂种植株形成杂种幼苗的过程中进行的是有丝分裂，该过程先经过脱分化形成愈伤组织，再由它分化形成杂种植物幼苗。
（6）植物组织培养基中除水、蔗糖、维生素、有机添加物、无机物质外，还需要加入植物激素（或生长调节物质），诱导愈伤组织完成再分化过程，形成杂种植物幼苗。
易错警示
1.杂种细胞形成的标志：
新的细胞壁的生成。
2．杂种植株遗传物质的变化：
杂种植株的变异类型属于染色体变异，杂种植株的染色体数目通常是两亲本细胞染色体数目之和，杂种植株属于异源多倍体。
题组二 从动物细胞工程展开命题
3．动物细胞体外培养时，通常要在培养基中补充一定浓度的某些物质。
如图是血清对正常细胞和癌细胞培养的影响的实验结果。
据图回答下列问题：
（1）与体细胞的增殖相比，癌细胞的细胞周期________（填“较长”“较短”或“不变”）。
（2）在动物细胞培养时，通常在合成培养基中加入适量血清，其原因是________________________________________________________________________。
（3）细胞培养应在含5%CO2的恒温培养箱中进行，CO2的作用是________________________________________________________________________。
（4）在两种细胞生长过程中，正常细胞铺满瓶壁时，其生长________。
药物实验需要大量细胞，两种细胞频繁传代，癌细胞比正常细胞可以传代的次数更________。
（5）为了防止细胞培养过程中细菌的污染，可向培养液中加入适量的____________。
答案
（1）较短
（2）血清可以补充合成培养基中缺乏的物质 （3）维持培养液的pH （4）停止 多 （5）抗生素
解析
（1）与体细胞相比较，癌细胞分裂速度更快，细胞周期较短。
（2）动物细胞培养时通常要在培养基中加入血清等物质，血清含有多种未知的促细胞生长因子及其他活性物质，能促进细胞的生长、增殖。
（3）向培养基中通入一定浓度的CO2以维持培养液的pH。
（4）正常细胞铺满瓶壁时，会出现接触抑制现象，使其生长停止；因为癌细胞的遗传物质发生改变，能无限增殖，因此传代次数更多。
（5）动物细胞培养过程中，应向培养液中加入适量的抗生素以防止细胞培养过程中细菌的污染。
4．（2014·新课标Ⅰ，40）某研究者用抗原（A）分别免疫3只同种小鼠（X、Y和Z），每只小鼠免疫5次，每次免疫一周后测定各小鼠血清抗体的效价（能检测出抗原抗体反应的血清最大稀释倍数），结果如下图所示。
若要制备杂交瘤细胞，需取免疫后小鼠的B淋巴细胞（染色体数目为40条），并将该细胞与体外培养的小鼠骨髓瘤细胞（染色体数目为60条）按一定比例加入试管中，再加入聚乙二醇诱导细胞融合，经筛选培养及抗体检测，得到不断分泌抗A抗体的杂交瘤细胞。
回答下列问题：
（1）制备融合所需的B淋巴细胞时，所用免疫小鼠的血清抗体效价需达到16000以上，则小鼠最少需要经过________次免疫后才能有符合要求的。
达到要求后的X、Y、Z这3只免疫小鼠中，最适合用于制备B淋巴细胞的是________小鼠，理由是____________________________________。
（2）细胞融合实验完成后，融合体系中除含有未融合的细胞和杂交瘤细胞外，可能还有__________________________________________________，体系中出现多种类型细胞的原因是__________________________________。
（3）杂交瘤细胞中有________个细胞核，染色体数目最多是________条。
（4）未融合的B淋巴细胞经多次传代培养后都不能存活，原因是____________________。
答案
（1）4 Y Y小鼠的血清抗体效价最高
（2）B淋巴细胞相互融合形成的细胞、骨髓瘤细胞相互融合形成的细胞 细胞融合是随机的，且融合率达不到100% （3）1 100 （4）不能无限增殖
解析
（1）据图分析可知，第四次注射后X、Y、Z小鼠的血清抗体效价几乎都达到16000以上，小鼠Y的血清抗体效价最高，最适合用于制备单克隆抗体。
（2）融合体系中除了未融合的细胞和杂交瘤细胞之外，还有骨髓瘤细胞的自身融合细胞和B淋巴细胞的自身融合细胞。
细胞的融合是随机的，并且不可能所有细胞都融合，故体系中会出现多种类型的细胞。
（3）动物细胞融合后形成的是具有原来两个或多个细胞遗传信息的单核细胞。
杂交瘤细胞的细胞核中的染色体数目最多为40＋60＝100（条）。
（4）正常细胞的分裂次数是有限的，且经过免疫的B淋巴细胞高度分化，不能无限增殖，而是经多次传代培养后逐渐衰老死亡。
总结提升
1.动物细胞培养的特殊条件归纳
（1）胰蛋白酶的使用：
首先用胰蛋白酶处理动物的器官或组织，以制备单细胞悬液；培养过程中发生接触抑制时，同样需要用胰蛋白酶使细胞分散开。
（2）避免杂菌污染的措施：
培养液及培养用具灭菌处理；加入一定量的抗生素；定期更换培养液。
（3）特殊的营养条件
①液体培养基。
②加入动物血清、血浆等。
③通入氧气以满足代谢的需要。
④通入二氧化碳以维持培养液的pH。
2．动物细胞融合与单克隆抗体制备的归纳
（1）制备单克隆抗体时选用一种抗原处理的B淋巴细胞与骨髓瘤细胞进行细胞融合，产生杂交瘤细胞，杂交瘤细胞兼有两个亲本细胞的特性——在体外培养条件下能不断增殖，同时能产生出某种特异性的抗体。
（2）进行动物细胞的诱导融合，形成的杂种细胞有三种：
AA型、BB型、AB型。
只有AB型才是我们所需要的杂种细胞，所以需要用选择性培养基进行筛选。
（3）相比植物体细胞杂交，动物细胞融合特有的诱导方法是用灭活的病毒处理，其他物理、化学诱导融合的手段与植物体细胞杂交过程中原生质体诱导融合的方法相同。
专题突破练
1．（2014·江苏，23改编）下列关于基因工程技术的叙述，正确的是（ ）
A．切割质粒的限制性核酸内切酶均特异性地识别6个核苷酸序列
B．PCR反应中温度的周期性改变是为了DNA聚合酶催化不同的反应
C．载体质粒通常采用抗生素合成基因作为筛选标记基因
D．抗虫基因即使成功地插入到植物细胞染色体上也未必能正常表达
答案 D
解析 A项，限制性核酸内切酶大多特异性地识别6个核苷酸序列，但也有少数限制性核酸内切酶能识别4个、5个或8个核苷酸序列。
B项，PCR反应中温度周期性变化是为变性、复性和延伸创造条件。
另外，耐高温的DNA聚合酶只是在延伸阶段发挥催化作用，变性和复性过程不需要酶的催化。
C项，载体质粒上的抗生素抗性基因可作为标记基因，供重组DNA的鉴定和选择，而不是抗生素合成基因。
D项，目的基因导入受体细胞后不一定能正常表达。
2．某实验室做了如图所示的实验研究，下列与实验相关的叙述，正确的是（ ）
A．过程①导入的诱导基因使成纤维母细胞发生基因突变
B．过程②属于动物细胞培养过程中的原代培养
C．丙细胞既能持续分裂，又能分泌单一的抗体
D．过程③④所用的培养基中都含有聚乙二醇
答案 C
解析 过程①是将高度分化的成纤维母细胞诱导形成干细胞，属于基因重组；过程②的实质是基因的选择性表达，属于细胞分化；丙细胞是由B淋巴细胞和骨髓瘤细胞融合后形成的，它同时具备了B淋巴细胞和骨髓瘤细胞的特点：
既能无限增殖，又能分泌特异性抗体；过程③是动物细胞融合，可使用聚乙二醇作为诱导剂，过程④是动物细胞培养产生单克隆抗体，不需要聚乙二醇。
3．肺细胞中的let－7基因表达减弱，癌基因RAS表达增强，会引发肺癌。
研究人员利用基因工程技术将let－7基因导入肺癌细胞实现表达，发现肺癌细胞的增殖受到抑制。
该基因工程技术基本流程如图1。
请回答：
（1）进行过程①时，需用________________酶切开载体以插入let－7基因。
载体应有RNA聚合酶识别和结合的部位，以驱动let－7基因转录，该部位称为__________。
（2）进行过程②时，需用__________酶处理贴附在培养皿壁上的细胞，以利于传代培养。
（3）研究发现，let－7基因能影响癌基因RAS的表达，其影响机理如图2。
据图分析，可从细胞中提取__________进行分子杂交，以直接检测let－7基因是否转录。
肺癌细胞增殖受到抑制，可能是由于细胞中__________（填RASmRNA或RAS蛋白）含量减少引起的。
答案
（1）限制性核酸内切（或限制） 启动子
（2）胰蛋白 （3）RNA RAS蛋白
解析
（1）过程①表示基因工程操作步骤中基因表达载体的构建，在该过程中需要用限制性核酸内切酶对载体进行切割，以便于目的基因的插入；启动子是一段特殊的DNA序列，是RNA聚合酶识别和结合的位点，RNA聚合酶结合到该位点，可驱动转录过程。
（2）过程②表示动物细胞培养，培养过程中出现接触抑制现象后，可以用胰蛋白酶处理，使之分散成单个细胞，随后分装到新的培养瓶中进行传代培养。
（3）判断目的基因是否在受体细胞中转录，可用分子杂交技术来检测，从细胞中提取mRNA和用放射性同位素或者荧光标记的目的基因单链DNA片段进行分子杂交。
根据题中信息“肺细胞中的let－7基因表达减弱，癌基因RAS表达增强，会引发肺癌”知，导入let－7基因后，肺癌细胞的增殖受到抑制；据图2可知，let－7基因影响RAS基因表达的机理是：
let－7基因转录产物miRNA与RAS基因转录产物RASmRNA结合，使RAS基因翻译受到抑制，引起细胞中的RAS蛋白含量减少，进而导致癌细胞增殖受到抑制。
4．胰岛素可以用于治疗糖尿病，但是胰岛素被注射到人体后，会堆积在皮下，要经过较长的时间才能进入血液，而进入血液的胰岛素又容易分解，因此，治疗效果受到影响。
如图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程，请据图回答有关问题：
（1）构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键，图中构建新的胰岛素模型的主要依据是________________。
（2）通过DNA合成形成的新基因应与______________结合后转移到________________________中才能得到准确表达。
（3）若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素，需用到的生物工程有____________、____________和发酵工程。
（4）图中从胰岛素模型到新的胰岛素基因合成的基本思路是什么？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案
（1）蛋白质的预期功能
（2）载体 大肠杆菌等受体细胞 （3）蛋白质工程 基因工程 （4）根据新的胰岛素中氨基酸的序列，推测出控制其合成的基因中的脱氧核苷酸序列，然后利用DNA合成仪合成出新的胰岛素基因
解析
（1）蛋白质工程首先要根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计，因此，图中构建新的胰岛素模型的主要依据是预期胰岛素的功能，即速效胰岛素。
（2）合成的目的基因应与载体结合，构建基因表达载体后导入受体细胞中才能表达。
（3）利用蛋白质工程生产速效胰岛素，需合成新的胰岛素基因，改造好的目的基因需要通过基因工程转入受体细胞，并在生产中要借助工程菌，所以还需要发酵过程，因此，此过程涉及蛋白质工程、基因工程、发酵工程。
（4）由新的蛋白质模型到构建新的基因，其基本思路是根据新的胰岛素中氨基酸的序列，推测出控制其合成的基因中的脱氧核苷酸序列，然后利用DNA合成仪来合成出新的胰岛
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