学年高中生物第一章基因工程第3课时基因工程的应用学案苏教版选修3.docx
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学年高中生物第一章基因工程第3课时基因工程的应用学案苏教版选修3
第3课时基因工程的应用
[学习目标] 1.举例说出基因工程的应用及取得的丰硕成果。
2.关注基因工程的进展。
3.认同基因工程的应用促进生产力的提高。
一、动、植物基因工程的成果
1．植物基因工程已经获得了迅猛发展
基因工程在培育农牧业新品种方面有着广泛的成果和发展前景，阅读教材相关内容回答下列问题：
（1）植物基因工程技术在农业中的应用主要有哪些？
答案 主要用于提高农作物的抗除草剂、抗虫、抗病、抗干旱和抗盐碱等方面，还用于改善农作物的品质和利用植物生产药物等方面。
（2）能引起植物生病的微生物有哪些？
答案 主要有病毒、细菌和真菌。
（3）农业害虫的主要防治措施是什么？
有何缺点？
答案 对农业害虫的防治，大多是依靠化学农药。
大量使用化学农药不仅造成严重的环境污染，损害了人类健康，而且大大增加了生产成本。
（4）分析比较抗虫、抗病转基因植物和其他转基因植物，填写表格。
比较项目
外源基因类型及举例
成果举例
抗虫转基因植物
Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因
抗虫水稻、棉、玉米、大豆等，其中，抗虫棉的发展特别迅速
抗病转基因植物
①抗病毒基因：
病毒外壳蛋白基因、病毒的复制酶基因；②抗真菌基因：
几丁质酶基因、抗毒素合成基因
抗病毒烟草、抗病毒小麦、抗病毒番茄、抗病毒甜椒
抗逆转基因植物
调节细胞渗透压基因、抗冻蛋白基因、抗除草剂基因
抗盐碱和抗干旱的烟草、抗寒番茄、抗除草剂的大豆、玉米
2.动物基因工程显示出诱人的应用前景
动物基因工程在提高动物生长速度、改善畜产品品质、利用转基因动物生产药物、利用转基因动物作器官移植供体等很多方面显示了广阔的应用前景，阅读教材相关内容，填写表格。
比较项目
外源基因类型及举例
成果举例
提高动物的生长速度
外源生长激素基因
转基因绵羊、转基因鲤鱼
改善畜产品的品质
乳糖酶基因
乳汁中含乳糖较少的转基因牛
用转基因动物生产药物
药用蛋白基因＋乳腺蛋白基因的启动子
转基因动物具有乳腺生物反应器
用转基因动物作器官移植供体
抑制抗原决定基因表达的某种调节因子或除去供体的抗原决定基因
无免疫排斥反应的转基因猪
3.运用基因工程改良动植物品种，与传统育种相比，有何优点？
答案 最突出的优点是能打破常规育种难以突破的物种界限。
二、基因工程和人类健康关系密切
1．基因工程药物
（1）真、原核细胞在细胞器方面的主要区别是什么？
答案 原核细胞只有核糖体一种细胞器，而真核细胞含有内质网、高尔基体、线粒体等多种细胞器。
（2）真核细胞的基因导入原核细胞后，合成的蛋白质有什么不同？
答案 由于缺少内质网、高尔基体等细胞器，合成的蛋白质不存在生物活性。
（3）比较生物反应器与工程菌的实际应用，填写下表。
比较项目
动物乳腺反应器
大肠杆菌生产系
基因结构
与人类基因结构相同，使克隆基因相对简单
与人类基因结构有差异
基因产物
与天然蛋白质完全相同
合成的蛋白质可能不存在生物活性
产物提取
存在于乳汁中，易于提取
从细胞中提取分离，相对复杂
生产设备
①农业生产；②提纯设备；③成本低
①工业生产；②精良的生产设备；③成本高
成果
抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素等
人胰岛素、细胞因子、抗体、疫苗、激素等
2.基因诊断
（1）什么是基因诊断？
答案 又称为DNA诊断，是采用基因检测的方法来判断患者是否出现了基因异常或携带病原体等。
（2）如何利用基因诊断技术检测疾病？
答案 用放射性同位素（如32P）或荧光分子标记的DNA分子做探针，利用DNA分子杂交法，鉴定被检测标本上的遗传信息，达到检测疾病的目的。
（3）利用基因诊断检测疾病有何特点？
答案 准确性高，不受细胞类型和发病年龄的限制，可用于一切遗传病的诊断。
3．基因治疗
（1）什么是基因治疗？
答案 利用正常基因置换或弥补缺陷基因的治疗方法。
（2）简述基因治疗的基本步骤。
答案 目的基因的转移→目的基因的表达→安全措施的实施。
（3）目前，利用基因治疗的方法治疗肿瘤是科学研究中的最大特点。
一、转基因植物的培育
科学家将鱼抗冻蛋白基因转入番茄，使番茄细胞的耐寒能力大大提高，可以在相对寒冷的环境中生长。
质粒上有PstⅠ、SmaⅠ、HindⅢ、AluⅠ等四种限制酶切割位点，下图是转基因抗冻番茄培育过程的示意图（ampr为抗氨苄青霉素基因），其中①～④是转基因抗冻番茄培育过程中的相关步骤，Ⅰ、Ⅱ表示相关结构或细胞。
请据图回答下列问题：
（1）在构建基因表达载体时，可用一种或者多种限制酶进行切割。
为了避免目的基因和载体在酶切后产生的末端发生任意连接，在此实例中，应该选用________________限制酶，分别对__________________________进行切割，切割后产生的DNA片段分别为________种。
（2）培养基中的氨苄青霉素会抑制番茄愈伤组织细胞的生长，要利用该培养基筛选已导入鱼抗冻蛋白基因的番茄细胞，应使基因表达载体中含有__________________，作为标记基因。
（3）研究人员通常采用农杆菌转化法将鱼抗冻蛋白基因导入番茄细胞内。
通常采用________________技术，在分子水平检测目的基因是否翻译形成了相应的蛋白质。
答案
（1）PstⅠ、SmaⅠ 鱼抗冻蛋白基因的DNA、质粒 4、2
（2）抗氨苄青霉素基因（或ampr） （3）抗原—抗体杂交
解析
（1）根据题中示意图可知目的基因和质粒都含有PstⅠ和SmaⅠ酶切位点，可以用PstⅠ和SmaⅠ两种限制酶分别切割目的基因和质粒，目的基因上有3个切点，将形成4个DNA片段，质粒上有2个切点，由于质粒为环状DNA，经限制酶切割后形成2个DNA片段。
（2）对基因表达载体进行筛选时需要借助质粒上的标记基因即抗氨苄青霉素基因。
（3）将目的基因导入植物受体细胞时可利用农杆菌转化法或基因枪法，在翻译水平检测是否形成相应蛋白质时，需利用抗原—抗体杂交技术。
二、生物反应器的研发
继哺乳动物乳腺生物反应器研发成功后，膀胱生物反应器的研究也取得了一定进展。
最近，科学家培育出一种转基因小鼠，其膀胱上皮细胞可以合成人的生长激素并分泌到尿液中。
请回答下列问题：
（1）将人的生长激素基因导入小鼠受体细胞，常用的方法是________________。
（2）进行基因转移时，通常要将外源基因转入__________中，原因是_____________________
_______________________________________________________________________________。
（3）通常采用________________技术检测外源基因是否插入了小鼠的基因组。
（4）在研制膀胱生物反应器时，应使外源基因在小鼠的________________细胞中特异性表达。
（5）相比乳腺生物反应器，膀胱生物反应器有何优点？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案
（1）显微注射法
（2）受精卵（或早期胚胎） 受精卵（或早期胚胎细胞）具有全能性，可使外源基因在相应组织细胞中表达 （3）DNA分子杂交（核酸探针） （4）膀胱上皮 （5）从乳腺生物反应器中提取蛋白质，受体细胞所在个体必须是雌性，从尿液中提取目的基因的产物则不受此限制
解析 在基因工程中，若受体细胞是动物细胞，常采用显微注射法导入目的基因。
若要使小鼠膀胱上皮细胞合成人的生长激素，在进行基因转移时，当作受体细胞的通常是受精卵，其原因是受精卵具有全能性，可使外源基因在相应组织细胞中得到表达。
检测目的基因是否插入到受体细胞的基因组，通常采用的是DNA分子杂交法。
三、基因诊断和基因治疗
结合ADA基因缺陷症基因治疗流程，分析相关图解，填空并回答问题。
1．在基因治疗过程中，逆转录病毒相当于基因操作工具中的载体（或基因的运输工具）。
此基因工程中的目的基因和受体细胞分别是什么？
答案 目的基因是腺苷酸脱氨酶（ADA）基因，目的基因的受体细胞是T淋巴细胞。
2．基因治疗是利用基因工程产品治疗人类疾病吗？
答案 基因治疗只是将正常的基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的，并没有利用基因工程生产的药物。
3．基因治疗是对有缺陷的细胞进行修复吗？
答案 不是。
细胞中的缺陷基因并未修复，而是和正常基因同时存在。
4．基因治疗把健康的外源基因导入患者的哪些细胞中？
答案 基因治疗并非把健康的外源基因导入患者的所有细胞中，而只是导入某些功能细胞中，且是体细胞。
5．基因治疗可归纳为下图：
6．对基因诊断与基因治疗的方法进行比较，并填写下表：
项目
方法
备注
基因诊断
制作相应探针，利用DNA分子杂交原理，快速、准确检测人类某种疾病
临床应用阶段
基因治疗
把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，可分为体外基因治疗和体内基因治疗两种方法
仅处于初期的临床试验阶段，仍有许多问题和困难制约该技术的发展
1．下列转基因植物与所选用的目的基因对应错误的是（ ）
A．抗虫棉——Bt毒蛋白基因
B．抗病毒转基因烟草——几丁质酶基因
C．抗盐碱和抗旱植物——调节细胞渗透压的基因
D．耐寒的番茄——抗冻基因
答案 B
解析 抗病毒转基因植物所采用的基因，常使用病毒外壳蛋白基因和病毒的复制酶基因，几丁质酶基因及抗毒素合成基因一般用作抗真菌转基因植物的目的基因，故B错。
2．人的糖蛋白必须经过内质网和高尔基体加工合成。
通过转基因技术，可以使人的糖蛋白基因得以表达的受体细胞是（ ）
A．大肠杆菌B．酵母菌
C．T4噬菌体D．质粒DNA
答案 B
3．科学家已能运用基因工程技术，让羊合成并由乳腺分泌抗体，下列相关叙述中，正确的是（ ）
①该技术将导致定向变异 ②DNA连接酶把目的基因与载体黏性末端的碱基对连接起来 ③蛋白质中的氨基酸序列可为合成目的基因提供资料 ④受精卵是理想的受体
A．①②③④B．①③④
C．②③④D．①②④
答案 B
解析 基因工程可将控制特定性状的外源基因导入受体细胞，从而定向改造生物的性状，而且操作过程不受亲缘关系远近的制约，即克服远缘杂交不亲和的障碍。
在基因工程操作程序中，所用的DNA连接酶连接的不是目的基因与载体黏性末端的碱基对，而是目的基因与载体的DNA两条链的骨架，即核苷酸与磷酸的连接，也就是说，DNA连接酶只能催化断开的DNA双链重新形成磷酸二酯键。
由蛋白质中的氨基酸序列可推知相应的mRNA中的核苷酸序列，进而可推测相应基因中核苷酸排列顺序，从而可以用化学合成方法人工合成目的基因。
转基因羊的乳腺细胞及全身所有的组织细胞均来自受精卵的有丝分裂，遗传物质都与受精卵完全相同，而受精卵体积较大，操作较容易，也能保障发育成的个体的所有细胞都含有外源基因。
4．近年来，基因工程的发展非常迅速，科学家可以用DNA探针和外源基因导入的方法进行遗传病的诊断和治疗，下列做法不正确的是（ ）
A．用DNA探针检测镰刀型细胞贫血症
B．用DNA探针检测病毒性肝炎
C．用导入外源基因的方法治疗半乳糖血症
D．用基因替换的方法治疗21三体综合征
答案 D
解析 基因工程是基因水平上的现代生物技术，21三体综合征是染色体异常遗传病，是患者第21号染色体比正常人多了一条，无法从基因水平上治疗。
5．《人类基因治疗》报道，在美国佛罗里达大学基因治疗中心接受基因治疗的三名遗传性失明患者都重新获得了一定的视力，并且没有严重的副作用。
基因治疗是指（ ）
A．把健康外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的
B．对有缺陷的细胞进行修复，从而使其恢复正常，达到治疗疾病的目的
C．运用人工诱变方法，使有基因缺陷的细胞发生基因突变，从而恢复正常
D．运用基因工程技术，把有缺陷的基因切除，达到治疗疾病的目的
答案 A
解析 基因治疗只是将正常的基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的，而细胞中的缺陷基因并未修复，和正常基因同时存在，基因治疗也不是切除病变基因或诱发其突变，因而B、C、D的说法都不符合基因治疗的概念。
基础再现
1．我国转基因技术发展态势良好，农业部依法批准发放了转植酸酶基因玉米、转基因抗虫水稻的生产应用安全证书。
下列关于转基因玉米和转基因水稻的叙述，不正确的是（ ）
A．转植酸酶基因玉米的外源基因是植酸酶基因
B．转基因抗虫水稻减少了化学农药的使用，减轻了环境污染
C．转基因抗虫水稻是否具有抗虫性，可通过饲养卷叶螟进行检测
D．转基因抗虫水稻的外源基因是几丁质酶基因
答案 D
解析 转植酸酶基因玉米的外源基因是植酸酶基因，转基因抗虫水稻的外源基因是Bt毒蛋白基因，而几丁质酶基因是抗真菌转基因植物常用的基因；转基因抗虫水稻减少了农药的使用，减轻了环境污染，同时降低了农业生产的成本；检测目的基因是否表达最简便的方法是个体水平的检测。
2．运用现代生物技术的育种方法，将抗菜青虫的Bt毒蛋白基因转移到优质油菜里，培育出抗虫的转基因油菜品种。
根据以上信息，下列叙述正确的是（ ）
A．Bt毒蛋白基因的化学成分是蛋白质
B．Bt毒蛋白基因中会有菜青虫的遗传物质
C．转基因抗虫油菜能产生杀虫蛋白是由于具有Bt毒蛋白基因
D．转基因抗虫油菜产生的杀虫蛋白是无机物
答案 C
解析 转基因油菜抗虫性状的出现，是由于通过转基因技术导入的外源Bt毒蛋白基因在油菜体内表达的缘故。
Bt毒蛋白基因为双链的DNA片段，来自原核生物，其中不含有菜青虫的遗传物质。
Bt毒蛋白基因表达产生的蛋白质是高分子有机化合物。
3．上海医学遗传研究所成功培育出第一头携带人白蛋白的转基因牛，他们还研究出一种可大大提高基因表达水平的新方法，使转基因动物乳汁中的药物蛋白含量提高30多倍。
“转基因动物”是指（ ）
A．提供基因的动物
B．基因组中增加外源基因的动物
C．能产生白蛋白的动物
D．能表达基因信息的动物
答案 B
解析 转基因生物是指利用基因工程技术导入外源基因培育出的能够将新性状稳定地遗传给后代的基因工程生物。
转基因动物是指基因中增加了外源基因的动物，如题中的转基因牛携带有外源的人白蛋白基因。
4．转基因技术可以改良动物品种，生产人类需要的药用蛋白。
下列符合生产药用蛋白的是（ ）
A．养殖转生长激素基因鲑鱼
B．养殖抗口蹄疫病毒转基因兔
C．养殖转乳糖酶基因牛
D．从牛乳汁中获得人血清蛋白
答案 D
解析 基因工程可以利用某些特定的外源基因在哺乳动物体内表达，从这些动物的乳腺细胞中获得人类所需要的各类物质，如激素、白蛋白等。
5．要检测目的基因是否成功地插入到了受体DNA中，需要用基因探针，基因探针是指（ ）
A．用于检测疾病的医疗器械
B．用放射性同位素或荧光分子等标记的DNA分子
C．合成β－珠蛋白的DNA
D．合成苯丙羟化酶的DNA片段
答案 B
能力提升
6．腺苷酸脱氨酶（ADA）基因缺陷症是一种免疫缺陷疾病，对患者采用基因治疗的方法是：
取出患者的T淋巴细胞，进行体外培养时转入正常ADA基因，再将这些T淋巴细胞注入患者体内，使其免疫功能增强，能正常生活。
下列有关叙述正确的是（ ）
A．正常ADA基因替换了患者的缺陷基因
B．正常ADA基因通过控制ADA的合成来影响免疫功能
C．T淋巴细胞需在体外培养成细胞系后再注射入患者体内
D．腺苷酸脱氨酶（ADA）基因缺陷症属于获得性免疫缺陷病
答案 B
解析 基因治疗是将正常的基因导入有基因缺陷的细胞中，正常的ADA基因可以控制合成正常的ADA来影响免疫功能；细胞系阶段的细胞一般都发生了基因突变，故不能培养到细胞系，只是将增殖得到的细胞（株）注射到患者体内；ADA基因缺陷症是先天性免疫缺陷病。
7．下列有关动物基因工程的说法，错误的是（ ）
A．将外源生长激素基因导入动物体内可提高动物生长速度
B．将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组中，使获得的转基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大减低
C．利用基因工程技术，得到的乳腺生物反应器可以解决很多重要的药品的生产问题
D．用转基因动物作为器官移植的供体时，导入的是调节因子，而不是目的基因，因此无法抑制抗原的合成
答案 D
解析 用转基因动物作为器官移植的供体时，可将器官供体基因组导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因，再结合克隆技术，培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆器官。
8．下列关于基因工程应用的叙述，正确的是（ ）
A．基因治疗就是把缺陷基因诱变成正常基因
B．基因诊断的基本原理是DNA分子杂交
C．一种基因探针能检测水体中的各种病毒
D．利用基因工程生产乙肝疫苗时，目的基因存在于人体B淋巴细胞的DNA中
答案 B
解析 基因治疗是把正常基因导入有基因缺陷的细胞中；基因诊断是让正常人的DNA与病人基因组中分离出的DNA进行杂交来诊断疾病；一种基因探针只能检测水体中的一种病毒；利用基因工程生产乙肝疫苗时的目的基因是乙肝病毒的核酸。
9．科学家培养的转基因奶牛乳腺细胞能够合成并分泌抗胰蛋白酶，这是动物乳房作为生物反应器研究的重大进展。
下列与合成并分泌抗胰蛋白酶无关的是（ ）
A．核糖体上遗传信息的翻译
B．与细胞中的中心体有联系
C．内质网膜与高尔基体膜相联系
D．奶牛基因与抗胰蛋白酶基因重组
答案 B
解析 中心体与细胞的有丝分裂有关，与抗胰蛋白酶的合成与分泌无关；抗胰蛋白酶的化学成分是蛋白质，在核糖体上合成，然后经过内质网、高尔基体的加工、包装和运输，才成为具有特异功能的抗胰蛋白酶；转基因奶牛体内的抗胰蛋白酶基因是通过基因工程导入并表达的，其原理是基因重组。
10．基因治疗是人类疾病治疗的一种崭新手段，下列有关叙述不正确的是（ ）
A．基因治疗是治疗人类遗传病的最有效的手段
B．基因治疗是一种利用基因工程产品治疗人类疾病的方法
C．以正常基因替换致病基因属于基因治疗的一种方法
D．基因治疗的靶细胞可以是体细胞和生殖细胞
答案 B
解析 基因治疗是指将人的正常基因或有治疗作用的基因通过一定方式导入人体靶细胞以纠正基因的缺陷或者发挥治疗作用，从而达到治疗疾病目的的生物医学新技术。
11．利用基因工程生产蛋白质类药物，经历了三个发展阶段。
第一阶段：
将人的基因转入细菌细胞；第二阶段：
将人的基因转入小鼠等动物的细胞。
前两个阶段都是进行细胞培养，提取药物。
第三阶段：
将人的基因转入高等动物体内，饲养这些动物，从乳汁、尿液等中提取药物。
（1）将人的基因转入异种生物的细胞或个体内，能够产生药物蛋白的原理是基因能控制__________________________（用遗传信息图示表示）过程。
（2）为了获得更多的目的基因，可以用______________技术使目的基因在生物体外大量扩增。
（3）由于重组DNA分子成功导入受体细胞的频率________，所以在转化后通常需要进行__________操作。
（4）利用转基因牛、羊乳汁提取药物工艺简单，甚至可以直接饮用治病。
如果将药物蛋白基因转移到动物如牛、羊的膀胱上皮细胞中，利用转基因牛、羊尿液生产提取药物比乳汁提取药物的更大优越性在于：
处于不同发育时期的________________________（填性别）动物可产生药物。
答案
（1）DNA→RNA→蛋白质（性状）
（2）PCR（多聚酶链式反应） （3）低 筛选 （4）雌性、雄性
解析 基因工程成功的标志是合成相应的蛋白质，表达出相应的性状；在实验室中可以通过PCR技术对目的基因进行扩增；目前条件下，基因工程的成功率还是比较低的，所以要进行逐步地筛选；在选择基因表达生物时，要注意方便与可行性。
12．干扰素是治疗癌症的药物，成分是一种糖蛋白，它必须从血液中提取，每升人血中只能提取0.05μg，所以价格昂贵。
现在美国加利福尼亚的基因公司用如图所示的方式生产干扰素，试分析回答下列问题：
（1）从人的淋巴细胞中取出______________________，使它同质粒相结合，然后移植到酵母菌体内，让酵母菌__________________。
（2）酵母菌能用__________________方式繁殖，速度很快，能大量生产__________________，不但提高了产量，也降低了成本。
（3）有人尝试将干扰素基因与大肠杆菌的质粒重组，转入大肠杆菌体内后，形成“工程菌”，此种操作能制备到干扰素吗？
__________________，请说明理由：
______________________
________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
（4）中国青年科学家陈炬成功地把人的干扰素基因移植到烟草的DNA分子上，使烟草获得了抗病毒的能力，试分析：
①人的基因之所以能移接到植物体内，其物质基础是______________________________。
②烟草有了抗病能力，这表明烟草体内产生了________________。
这个事实说明，人和植物共用一套________________，蛋白质合成方式____________________。
答案
（1）干扰素基因 合成干扰素
（2）出芽生殖 干扰素 （3）不能 大肠杆菌是原核生物，无内质网、高尔基体等细胞器，无法合成糖蛋白 （4）①DNA结构基本相同 ②干扰素 遗传密码 基本相同
解析
（1）通过基因工程构建“工程菌”的方法是：
从淋巴细胞中取出干扰素基因，与质粒结合形成重组质粒，并通过相应的检测与鉴定得到相应的酵母菌，然后通过培养该酵母菌，使之合成大量干扰素。
（2）酵母菌能进行出芽生殖，迅速繁殖菌体，同时也能大量产生干扰素。
（3）由于大肠杆菌是原核生物，无内质网、高尔基体等细胞器，无法合成糖蛋白，因此通常不用来制备干扰素。
（4）基因工程的理论基础：
由于不同生物的DNA结构基本相同，不同生物能进行基因的移接；同时由于所有生物共用一套遗传密码，因此蛋白质合成方式基本相同，烟草体内可以产生干扰素。
个性拓展
13．如图所示为人体正常红细胞和镰刀型细胞贫血症患者红细胞形态及镰刀型细胞贫血症的基因治疗过程，请回答以下问题：
（1）______________图细胞为镰刀型细胞贫血症的红细胞，这种病是由于______________________造成的。
（2）写出以下结构或物质的名称：
A．________________________________________________________________________；
D．________________________________________________________________________。
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