高中生物选修3精品学案13 基因工程的应用.docx
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高中生物选修3精品学案13基因工程的应用
1.3 基因工程的应用
[学习目标] 1.说出植物基因工程取得的成果。
2.关注动物基因工程的应用前景。
3.了解基因工程药物和基因治疗。
[核心素养] 1.生命观念：
了解基因工程的成果及其对人类生产生活的影响。
2.社会责任：
激发对基因工程的兴趣，开阔思路，培养爱国主义热情，树立努力刻苦学习的决心。
一、植物基因工程硕果累累
1.抗虫转基因植物
（1）杀虫基因种类：
Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等。
（2）成果：
转基因抗虫棉、转基因抗虫水稻等。
2.抗病转基因植物
（1）抗病基因种类
①抗病毒基因：
病毒外壳蛋白基因、病毒的复制酶基因等。
②抗真菌基因：
几丁质酶基因、抗毒素合成基因等。
（2）成果：
抗烟草花叶病毒的转基因烟草、抗病毒的转基因小麦等。
3.抗逆转基因植物
抗逆基因
作用
成果
调节细胞渗透压基因
调节细胞内渗透压，提高抗盐碱、抗干旱能力
抗盐、抗旱烟草
抗冻蛋白基因
提高耐寒能力
耐寒番茄
抗除草剂基因
抗除草剂
抗除草剂玉米
4.利用转基因改良植物的品质（连线）
归纳总结 抗虫转基因植物与抗病转基因植物
项目
抗虫转基因植物
抗病转基因植物
方法
从某些生物中分离出具有杀虫活性的基因，将其导入作物中
将抗病基因导入植物中
基因种类
Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等
①抗病毒基因：
病毒外壳蛋白基因和病毒的复制酶基因等
②抗真菌基因：
几丁质酶基因和抗毒素合成基因等
成果
转基因抗虫棉、转基因抗虫水稻等
抗烟草花叶病毒的转基因烟草和抗病毒的转基因小麦、甜椒、番茄等
意义
减少了化学农药的使用，降低了生产成本，减少了环境污染，降低了对人体健康的损害
1.（2019·天津模拟）基因疫苗由病毒核酸的一段无毒序列制成，由编码能引起保护性免疫反应的病原体抗原的基因片段和载体构建而成。
以下叙述错误的是（ ）
A.被导入细胞后，能与宿主染色体整合
B.接种后若感染此病原微生物，则体内记忆细胞会产生大量抗体
C.基因疫苗引起免疫反应前必须经过转录和翻译的过程
D.将疫苗基因转移到植物，可以生产可食用的疫苗
[答案] B
[解析] 病毒感染宿主细胞后，其基因可以高效的整合到宿主染色体中，因此可以在宿主细胞内持续稳定的表达外源基因，A正确；接种疫苗后人体产生针对该病原体的特异性免疫，若感染此病原微生物，则体内记忆细胞会迅速增殖分化成浆细胞，浆细胞产生大量抗体，B错误；疫苗中的病毒基因片段能编码引起保护性免疫反应的病原体抗原，其化学本质是蛋白质，所以基因疫苗引起免疫反应前经过转录和翻译的过程，C正确；将疫苗基因转移到植物细胞，可生产可食用疫苗，D正确。
2.以下关于植物基因工程应用的说法，正确的是（ ）
A.我国转基因抗虫棉是转入了植物凝集素基因培育出来的
B.可用于转基因植物的抗虫基因只有植物凝集素基因和蛋白酶抑制剂基因
C.抗真菌转基因植物中，可使用的基因有几丁质酶基因和抗毒素合成基因
D.提高作物的抗盐碱和抗干旱的能力，与调节渗透压的基因无关
[答案] C
[解析] 我国的抗虫棉是转入了Bt毒蛋白基因培育出来的，A错误；抗虫基因主要有Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等，B错误；利用可以调节细胞渗透压的基因，可提高作物抗盐碱和抗干旱的能力，D错误。
归纳总结 转基因作物中的目的基因
（1）目的基因是来自其他生物的能表现出优良性状的外源基因，并不都是来自细菌、病毒等微生物，如抗冻蛋白基因来自鱼类。
（2）有的目的基因通过控制蛋白质的结构，直接控制生物的某种性状，这反映了基因与性状的直接关系；有的目的基因通过控制酶的合成来控制代谢，进而控制生物的性状，这体现的是基因和性状的间接关系。
二、动物基因工程的前景
项目
应用
基因来源或处理
成果
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
肠乳糖酶基因
转基因牛分泌的乳汁中乳糖含量大大减低
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等
乳腺（房）生物反应器
用转基因动物作器官移植的供体
抑制或除去抗原决定基因
结合克隆技术培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆猪器官
归纳总结
1.乳腺生物反应器
（1）乳腺（房）生物反应器：
科学家将药用蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，通过显微注射等方法，导入哺乳动物的受精卵中，然后，将受精卵送入母体内，使其生长发育成转基因动物。
转基因动物进入泌乳期后，可以通过分泌的乳汁来生产所需要的药品，因而称为乳腺生物反应器或乳房生物反应器。
（2）过程（如图所示）
（3）乳房生物反应器与膀胱生物反应器的比较：
乳房生物反应器是利用转基因动物的乳汁生产药用蛋白，而膀胱生物反应器是利用转基因动物的尿液生产药用蛋白，二者的优点是：
收集药用蛋白比较容易，且不必对动物造成伤害。
但乳房生物反应器需是处于生殖期的雌性动物才可生产药用蛋白，而膀胱生物反应器则是任何生长期的雌雄动物均可生产。
2.列表比较乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别
比较内容
乳腺生物反应器
工程菌
基因结构
动物基因结构与人类的基因结构基本相同
细菌和酵母菌的基因结构与人类有较大差异
基因表达
合成的药物蛋白与天然蛋白质相同
细菌合成的药物蛋白可能没有活性
生产条件
不需严格灭菌；温度等外界条件对其影响不大
需严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件
药物提取
从动物乳汁中提取
从微生物细胞或其培养液中提取
3.动物乳腺生物反应器是一项利用转基因动物的乳腺代替传统的生物发酵，进行大规模生产可供治疗人类疾病或用于保健的活性蛋白质的现代生物技术。
科学家已在牛和羊等动物的乳腺生物反应器中表达出了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素等重要药品。
大致过程如图所示。
下列有关说法错误的是（ ）
A.通过③形成的重组质粒具有人的药用蛋白基因、启动子、终止子和标记基因即可
B.④通常采用显微注射技术
C.在转基因母牛的乳腺细胞中人的药用蛋白基因才会得以表达，因此可以从乳汁中提取药物
D.该技术生产药物的优点是产量高、质量好、易提取
[答案] A
[解析] 要让药用蛋白基因在乳腺细胞内表达并分泌含药物的乳汁，重组质粒上还必须具有乳腺蛋白基因的启动子等调控组件，A项错误；转基因动物通常利用的受体细胞是受精卵，采用显微注射技术，B项正确；只有母牛到达泌乳期，乳腺细胞才会表达相应的药用蛋白基因，乳汁中含有药物，C正确；从乳汁里提取药物，优点突出，使动物本身成为“批量生产药物的工厂”，D项正确。
4.在实验室里用四环素培育转基因的雄性蚊子，这些蚊子与雌性蚊子交配的后代也需要四环素才能生存，但实质上不可能找到，于是会慢慢死去。
该技术有望减少登革热等疾病的发生。
下列关于该技术的说法正确的是（ ）
A.转基因技术能定向改变蚊子的基因，属于基因突变
B.该转基因蚊子属于新的物种
C.需要四环素才能生存这一特性是基因和环境共同作用的结果
D.该技术的其中一个环节是构建基因表达载体，需要用到限制酶和DNA聚合酶
[答案] C
[解析] 转基因技术能定向改变蚊子的基因，属于基因重组，A项错误；该转基因蚊子具有新的基因，但仍能与雌性蚊子交配产生后代，没有出现生殖隔离，所以不属于新的物种，B项错误；由于产生的后代需要四环素才能生存，说明这一特性是基因和环境共同作用的结果，C项正确；该技术的其中一个环节是构建基因表达载体，需要用到限制酶和DNA连接酶，D项错误。
三、基因工程药物及基因治疗
1.基因工程药物
（1）概念：
基因工程药物是指利用转基因的工程菌生产的药物。
（2）原理：
通过基因工程技术，使外源基因在工程菌细胞内高效表达。
（3）成果：
重组人胰岛素、细胞因子、抗体、疫苗、激素等。
（4）作用：
预防和治疗人类肿瘤、心血管疾病、遗传病、各种传染病、糖尿病、类风湿等疾病。
2.基因治疗
（1）概念：
把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的。
（2）成果：
将腺苷酸脱氨酶基因转入患者的淋巴细胞中。
（3）途径：
分为体内基因治疗和体外基因治疗。
（4）现状：
处于初期的临床试验阶段。
归纳总结 体外基因治疗和体内基因治疗的比较
项目
比较
体外基因治疗
体内基因治疗
不同点
方法
从患者体内获得某种细胞→细胞培养→体外完成基因转移→筛选、细胞扩增→输入体内
外源基因→载体携带
体内相应组织细胞
特点
操作复杂，但效果可靠
方法较简单，但效果难以控制
相同点
都是将外源基因导入靶细胞，以纠正缺陷基因，目前两种方法都处于初期的临床试验阶段
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项的说法都不符合基因治疗的概念。
6.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，而21三体综合征属于染色体异常遗传病，患者的第21号染色体比正常人多一条，无法从基因水平上治疗，D错误。
易错辨析 基因诊断与基因治疗的比较
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，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的。
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.判断正误：
（1）转基因抗虫棉的Bt毒蛋白基因能抗病毒、细菌、真菌（ ）
（2）“转基因植物”是指植物体细胞中出现了新基因的植物（ ）
（3）利用乳腺生物反应器能够获得一些重要的医药产品，如人的血清白蛋白，这是因为将人的血清白蛋白基因导入了动物的乳腺细胞中（ ）
（4）直接在患者组织细胞中，进行改造致病基因的方法为体内基因治疗（ ）
（5）利用工程菌可生产人的胰岛素等某些激素（ ）
[答案]
（1）×
（2）× （3）× （4）× （5）√
2.下列有关目的基因的操作能够改善产品品质的是（ ）
A.将草鱼的生长激素基因导入鲤鱼体内
B.将肠乳糖酶的基因导入奶牛的基因组
C.将人血清白蛋白的基因改造后在山羊的乳腺中表达
D.将Bt毒蛋白基因整合到烟草或棉花的基因组并实现表达
[答案] B
[解析] 将草鱼的生长激素基因导入鲤鱼体内是提高鲤鱼的生长速度；导入肠乳糖酶基因的奶牛的牛奶中乳糖含量少，改善了牛奶的品质；将人血清白蛋白的基因改造后在山羊的乳腺中表达是乳腺生物反应器的应用；Bt毒蛋白基因是抗虫基因，能够提高植物的抗性。
3.上海医学遗传研究所成功培育出第一头携带人白蛋白基因的转基因牛。
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用蛋白含量提高了30多倍。
下列有关叙述正确的是（ ）
A.“转基因动物”是指体细胞中出现了新基因的动物
B.“提高基因的表达水平”是指设法使牛的乳腺细胞中含有更多的人白蛋白基因
C.只在转基因牛乳汁中才能获取人白蛋白，是因为人白蛋白基因只在牛乳腺细胞中是纯合的
D.转基因牛的肌肉细胞中也有人白蛋白基因，但不发生转录、翻译，故不能合成人白蛋白
[答案] D
[解析] 转基因动物是指细胞中被转入了外源基因的动物，并非出现新基因，故A错误；“提高基因的表达水平”是指增强白蛋白基因的表达，白蛋白基因数目没有增多，故B错误；“转基因动物”一般用到的受体细胞是受精卵，发育个体的几乎所有细胞中都有相同的外源基因，故C错误；转基因牛的白蛋白基因也是选择性表达的，在肌肉细胞中不能表达，故D正确。
4.下表有关基因表达的选项中，不可能的是（ ）
选项
基因
表达的细胞
表达产物
A
细菌抗虫蛋白基因
抗虫棉叶肉细胞
细菌抗虫蛋白
B
人酪氨酸酶基因
正常人皮肤细胞
人酪氨酸酶
C
动物胰岛素基因
大肠杆菌工程菌细胞
动物胰岛素
D
兔血红蛋白基因
兔成熟红细胞
兔血红蛋白
[答案] D
[解析] 兔成熟红细胞没有细胞核和众多细胞器，无法表达出兔的血红蛋白，D错误。
5.科学家们对一位缺乏腺苷酸脱氨酶基因而患复合型免疫缺陷症的美国女孩进行基因治疗，其方法是首先将患者的白细胞取出做体外培养，然后用反转录病毒将正常腺苷酸脱氨酶基因转入人工培养的白细胞中，再将这些转基因白细胞转入患者体内，经过多次治疗，患者的免疫功能趋于正常。
（1）基因治疗是把健康的__________导入有___________的细胞中，以达到治疗疾病的目的。
（2）在基因治疗过程中，反转录病毒的作用相当于基因工程操作工具中的_________________。
此基因工程中的目的基因是______________________________________________________，
目的基因的受体细胞是________________________________________________________。
（3）将转基因细胞多次回输到患者体内后，免疫能力趋于正常是由于白细胞中能合成________________________________________________________________________。
（4）人的腺苷酸脱氨酶基因与胰岛素基因相比，其主要差别是________________________。
[答案]
（1）外源基因 基因缺陷
（2）载体 腺苷酸脱氨酶基因 人工培养的患者的白细胞 （3）腺苷酸脱氨酶
（4）脱氧核苷酸的排列顺序不同
[解析] 基因治疗就是把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的。
反转录病毒的作用是作为载体，将目的基因（腺苷酸脱氨酶基因）导入人工培养的患者的白细胞中，目的基因在受体细胞中经过转录和翻译，表达产生腺苷酸脱氨酶。
人的不同基因所含有的脱氧核苷酸的排列顺序是不同的。
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