高中生物人教版 (2019)选择性必修3科技探索之路 基因工程的诞生和发展教案设计

素能提升课3　基因工程与其他相关知识的综合

　基因工程与必修课程相关知识的综合

[素能建构]

交汇点1　高中生物学中所学习的载体

(1)物质跨膜运输的载体：细胞膜上的一种蛋白质。

(2)血液中O2运输的载体：红细胞中的血红蛋白。

(3)基因工程中目的基因的载体：种类有质粒、噬菌体和动植物病毒等。

(4)细胞中遗传信息的载体：细胞生物遗传信息的载体是DNA。

(5)细胞核向细胞质传递信息的载体是mRNA

(6)细胞间信息传递的载体：细胞释放的信号分子，如：激素、神经递质等。

交汇点2　基因表达载体中的启动子、终止子，联系必修课程模块2中“基因的表达”和“mRNA中的起始密码子、终止密码子”交汇考查

(1)基因表达的过程包括转录和翻译。

(2)启动子、终止子是质粒上的具有特殊结构的DNA片段。

(3)起始密码子、终止密码子是mRNA上的三个相邻碱基。

交汇点3　基因工程工具酶——限制性内切核酸酶，联系必修课程模块1中“有关酶的本质和特性”交汇考查

限制性内切核酸酶相关知识：

(1)本质：蛋白质。

(2)特性：具有特异性。

①一种限制酶只能识别双链DNA分子中特定的核苷酸序列。

②切割双链DNA分子每条链中特定序列中的特定位点，使该位点的磷酸二酯键断开。

(3)作用：断开连接两个核苷酸的磷酸二酯键。

交汇点4　基因工程中目的基因、基因表达载体的化学组成及结构，联系必修课程模块2中“DNA分子的组成、结构”交汇考查

(1)DNA分子的基本组成单位：脱氧核糖核苷酸。

(2)DNA分子结构：DNA是由脱氧核苷酸连接而成的长链，相邻脱氧核苷酸通过磷酸二酯键连接；在绝大多数生物的细胞中，DNA由两条脱氧核苷酸链构成，两条链通过碱基对之间的氢键相连；少数生物细胞中存在环状双链DNA分子。

[对点训练]

1．在一个典型的基因内部，启动子(TSS)、终止子(TTS)、起始密码子编码序列(ATG)、终止密码子编码序列(TGA)的排列顺序是(　　)

A．ATG—TGA—TSS—TTS

B．TSS—ATG—TGA一TTS

C．ATG—TSS—TTS—TGA

D．TSS—TTS—ATG—TGA

B　[在基因内部，不同位点的排列顺序为：转录起始位点—起始密码子编码序列—终止密码子编码序列—转录终止位点。]

2．纤维素分子不能进入酵母细胞。为了使酵母菌能够利用环境中的纤维素为原料生产酒精，构建了含3种不同基因片段的重组质粒。下图是酵母菌转化及纤维素酶在工程菌内合成与运输的示意图。

据图回答：

(1)纤维素酶基因的表达包括________和________过程。与菌株Ⅱ相比，在菌株Ⅲ、Ⅳ中参与纤维素酶合成和分泌的细胞器还有________。

(2)在以纤维素为唯一碳源的培养基上分别培养菌株Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，菌株________不能存活，原因是_______________________________。

(3)酵母菌生成酒精的细胞部位是________，产生酒精时细胞的呼吸方式是________。在利用纤维素生产酒精时，菌株Ⅳ更具优势，因为导入的重组质粒含有____________，使分泌的纤维素酶固定于细胞壁，减少因培养液更新而造成的酶的流失，提高酶的利用率。

[解析]　(1)基因表达的过程包括转录和翻译。菌株Ⅱ能合成纤维素酶，但不能分泌到细胞外，菌株Ⅲ、Ⅳ能够合成和分泌纤维素酶。与菌株Ⅱ相比，在菌株Ⅲ、Ⅳ中参与纤维素酶合成和分泌的细胞器还有内质网和高尔基体。

(2)菌株Ⅱ导入的表达载体中不含信号肽编码序列，因此合成的纤维素酶不能分泌到细胞外，不能利用纤维素，又无其他碳源，因此不能存活。

(3)菌株Ⅳ因导入的载体中有A基因片段，使其分泌的纤维素酶吸附在细胞壁上，减少了因培养液更新而造成的酶的流失，酶的利用率提高。

[答案]　(1)转录　翻译　内质网、高尔基体

(2)Ⅱ　缺少信号肽编码序列，合成的纤维素酶不能分泌到细胞外，细胞无可利用的碳源

(3)细胞质基质　无氧呼吸　A基因片段

3．为提高水稻的抗旱能力，科研人员将拟南芥GolS2基因导入水稻体内后，设法使该基因过量表达，产生较多的糖类化合物，从而达到预期目的。回答下列问题：

(1)从分子水平上看，基因工程得以实现的遗传学物质基础是________________、_______________。

(2)GolS2基因在水稻体内过量表达即可提高抗旱能力，说明基因通过________________________，进而控制生物性状，细胞内糖类化合物含量增多可以提高抗旱能力的原因是_________________。

(3)需将GolS2基因拼接在运载体上才能成功转化，转化指的是_________。

GolS2基因在水稻体内能过量表达，是科学家对基因表达载体上的________进行修饰的结果。

(4)对导入了基因表达载体的细胞进行组织培养，需为其提供适宜的温度和pH外，还需满足的条件有____________________(至少答出三点)。

[解析]　(1)基因工程得以实现的遗传学物质基础体现在两方面：一是DNA的基本结构相同，可以使不同生物的DNA分子拼接在一起，构建基因表达载体；另一方面是基因表达的机制相同，所有生物共用一套密码子。

(2)GolS2基因与糖类合成有关，而糖的合成需要酶的催化，因此GolS2基因通过控制酶的合成来控制糖代谢过程，进而控制生物性状。从题意来看，细胞内GolS2基因的过量表达，使得细胞内糖类增多，增加了细胞液的浓度，进而使细胞吸水或保水能力增加。

(3)转化是指目的基因进入受体细胞，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。表达的第一个环节是转录，因此，修饰的应该是启动子(调控基因转录的核苷酸序列)。

(4)植物组织培养过程除需要适宜的温度和pH，还需植物激素的调控、适宜的营养以及无菌条件等。

[答案]　(1)不同生物DNA分子的基本结构相同(或“不同生物DNA分子都是双螺旋结构”)　所有生物共用一套密码子(需从核酸的角度回答，可以说转录和翻译的机制相同，合理即可)

(2)控制酶的合成来控制代谢过程　细胞内糖类增多，增加了细胞液的浓度，进而使细胞吸水或保水能力增加

(3)目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程　启动子

(4)一定的激素条件、适宜的营养、无菌环境

　基因工程与选择性必修课程相关知识的综合

[素能建构]

交汇点1　基因工程的应用广泛，特别是在医药卫生领域的应用，很多抗体、疫苗、激素等都可通过基因工程生产，因此基因工程与选择性必修模块1中的激素调节、免疫调节可进行交汇考查

交汇点2　基因工程的应用还可能与本模块中“体细胞核移植”“单克隆抗体”等知识交汇考查

[对点训练]

1．在体内，人胰岛素基因表达可合成出一条称为前胰岛素原的肽链，此肽链在内质网中经酶甲切割掉氨基端一段短肽后成为胰岛素原，进入高尔基体的胰岛素原经酶乙切割去除中间片段C后，产生A、B两条肽链，再经酶丙作用生成由51个氨基酸残基组成的胰岛素。目前，利用基因工程技术可大量生产胰岛素。回答下列问题：

(1)人体内合成前胰岛素原的细胞是________，合成胰高血糖素的细胞是________。

(2)可根据胰岛素原的氨基酸序列，设计并合成编码胰岛素原的________序列，用该序列与质粒表达载体构建胰岛素原基因重组表达载体。再经过细菌转化、筛选及鉴定，即可建立能稳定合成________的基因工程菌。

(3)用胰岛素原抗体检测该工程菌的培养物时，培养液无抗原—抗体反应，菌体有抗原—抗体反应，则用该工程菌进行工业发酵时，应从________中分离、纯化胰岛素原。胰岛素原经酶处理便可转变为胰岛素。

[解析]　(1)由题意可知，前胰岛素原在细胞内经加工后成为胰岛素，人体合成胰岛素的细胞是胰岛B细胞，所以合成前胰岛素原的细胞也是胰岛B细胞；合成胰高血糖素的细胞是胰岛A细胞。

(2)根据胰岛素原的氨基酸序列，可设计并合成编码胰岛素原的DNA序列(即目的基因)；用该序列与质粒表达载体构建胰岛素原基因重组表达载体，再经过细菌转化、筛选及鉴定，即可建立能稳定合成人胰岛素原的基因工程菌。

(3)根据题意，培养液无抗原—抗体反应，菌体有抗原抗体反应，所以用该工程菌进行工业发酵时，应从菌体中分离、纯化胰岛素原，经酶处理便可转变为胰岛素。

[答案]　(1)胰岛B细胞　胰岛A细胞　(2)DNA　胰岛素原　(3)菌体

2．人类在预防与诊疗传染性疾病过程中，经常使用疫苗和抗体。已知某传染性疾病的病原体为RNA病毒，该病毒表面的A蛋白为主要抗原，且疫苗生产和抗体制备的流程之一如下图：

请回答：

(1)过程①代表的是________。

(2)过程②构建A基因表达载体时，必须使用________和________ 两种工具酶。

(3)过程③采用的实验技术是 ________，获得的X是________。

(4)对健康人进行该传染病免疫预防时，可选用图中基因工程生产的________所制备的疫苗。对该传染病疑似患者确诊时，可以疑似患者体内分离病毒，与已知病毒进行________比较；或用图中的________进行特异性结合检测。

[解析]　(1)中心法则中，对于少数的以RNA为遗传物质的病毒，其遗传信息的传递过程需要补充的过程有RNA的逆转录和RNA的复制的过程，图中过程①代表的是逆转录过程

(2)基因工程的步骤是：目的基因的提取——构建基因表达载体——导入受体细胞——目的基因的检测和表达，其中构建基因表达载体中需要限制酶来切割以获取目的基因，同时需要相同的限制酶切割载体以获取与目的基因相同的黏性末端，再通过DNA连接酶连接目的基因和载体。

(3)过程③是将骨髓瘤细胞与B淋巴细胞融合的过程，获得的叫杂交瘤细胞，其具备了骨髓瘤细胞无限增殖的特性和B淋巴细胞产生抗体的特性，从而制备单克隆抗体。

(4)本题考察了免疫预防的操作过程，以及欲确诊疑似患者而采取的方法。本题中提示该RNA病毒表面的A蛋白为主要的抗原，故而可选用通过基因工程生产的A蛋白制备疫苗；确诊时为判断该病毒是否为题目中的RNA病毒，可以进行核酸序列的比对，也可以利用单克隆抗体具备特异性，利用抗A蛋白的特异性单克隆抗体通过能否特异性结合判断病毒表面是否有A蛋白的存在进一步进行检测是否为目的RNA病毒。

[答案]　(1)逆转录

(2)限制性内切核酸酶(限制酶、限制性内切酶)　DNA连接酶(两空可以互换)

(3)细胞融合　杂交瘤细胞

(4)A蛋白　核酸(基因)序列　抗A蛋白的单克隆抗体

3．乳腺炎和口蹄疫分别是由细菌和病毒引起的危害奶牛养殖业的两种严重疾病。研究者利用生物技术培育出转牛乳铁蛋白肽(抗细菌)和人干扰素(抗病毒)的双转基因奶牛新品种。图1为基因表达载体，图2为培育流程。

(1)培育双转基因奶牛涉及的生物技术有_________________(至少2项)。

(2)牛乳铁蛋白肽基因能在转基因奶牛的乳腺细胞表达，人干扰素基因则可在全身细胞表达，这与构建表达载体时的________选择有关。据图可知，干扰素基因与________基因可同时转录，但在翻译时，核糖体可识别mRNA上IRES序列，启动另一条肽链的合成，因此用含有新霉素的培养基可筛选出________。

(3)将基因导入牛胎儿成纤维细胞前，需用________将其处理成单个细胞。成纤维细胞无法直接发育成个体，需要去核卵母细胞的细胞质诱导，以实现细胞核的________。

(4)研究者利用________技术筛选出________(填“牛乳铁蛋白”或“干扰素”)成功表达的胚胎进行移植。

[解析]　(1)据图分析，培育双转基因奶牛涉及的生物技术有基因工程、动物细胞培养、核移植、胚胎移植等。

(2)牛乳铁蛋白肽基因能在转基因奶牛的乳腺细胞表达，人干扰素基因则可在全身细胞表达，这与基因表达载体中的启动子有关。据图可知，干扰素基因与新霉素抗性基因同时介于启动子和终止子之间，所以这两个基因可同时转录，但翻译时，核糖体可识别mRNA上IRES序列，启动另一条肽链的合成，因此用含有新霉素的培养基可筛选出干扰素基因成功表达的细胞。

(3)胰蛋白酶可将组织块处理成为单个细胞，成纤维细胞需要去核卵母细胞的细胞质诱导，以实现细胞核的全能性。

(4)要对蛋白质进行筛选鉴定，应采用抗原—抗体杂交技术，又因为人干扰素基因可在全身细胞表达，牛乳铁蛋白肽基因只能在转基因奶牛的乳腺细胞表达，因此在对胚胎进行筛选时，应选择干扰素成功表达的胚胎。

[答案]　(1)基因工程、动物细胞培养、核移植、胚胎移植(至少答出2项)

(2)启动子　新霉素抗性　干扰素基因成功表达的细胞

(3)胰蛋白酶　全能性

(4)抗原—抗体杂交　干扰素