生物选择性必修3 生物技术与工程第二节 基因工程及其延伸技术应用广泛学案设计

这是一份生物选择性必修3 生物技术与工程第二节 基因工程及其延伸技术应用广泛学案设计，共13页。学案主要包含了基因工程改善了人类的生活品质，蛋白质工程是基因工程的延伸等内容，欢迎下载使用。

一、基因工程改善了人类的生活品质
1．应用基因工程技术诊断、治疗、研究疾病领域发展迅速，主要在以下四个方面取得了引人瞩目的成果。
(1)运用核酸分子杂交、PCR等技术进行基因诊断。
①核酸分子杂交和PCR技术常用来检测患者自身携带的缺陷基因。
②灵敏度极高的PCR技术常用于诊断患者是否感染某种病原体。
(2)向患者体内导入正常基因进行基因治疗。
①基因治疗是指向有基因缺陷的细胞中引入正常功能的基因，以纠正或补偿基因的缺陷，从而达到治疗的目的。
②基因治疗主要针对一些严重威胁人类健康的遗传病，如血友病、恶性肿瘤等。
③基因导入细胞的过程常以修饰过的病毒为载体，如腺病毒和逆转录病毒。
(3)利用转基因生物生产基因工程药物。
哺乳动物的乳腺作为生物反应器生产蛋白质类药物有以下优点：乳汁可以连续合成；频繁采集不会对动物产生危害；乳汁成分相对简单、明确，便于药物的提纯。
(4)转基因动物可为研究疾病机理提供模型。
借助转基因技术，人们不仅可以获得基因、改造基因，还可以“敲除”某些基因。因而转基因动物也成为研究致病机理和测试治疗方法的理想模型。
2．应用基因工程技术进行法医鉴定，能保护受害者权益。
(1)法医鉴定包括个体识别、亲子鉴定等内容，因为涉及鉴定犯罪嫌疑人、被害人、拐卖儿童、确定遗产继承人等司法工作，是维护社会和谐稳定的重要一环。
(2)DNA指纹：除了同卵双胞胎外，每个人都拥有自己独特的DNA。经过限制酶剪切、电泳、与标记的探针进行核酸分子杂交，得到的图谱也是特异的，就像人的指纹一样，所以科学家称之为DNA指纹。
3．应用基因工程可培育具有优良性状的农牧业品种。
(1)通过基因工程，很多农作物在抗虫、抗病、抗逆、产品的品质等方面不断被改良。
(2)获得生长快、体型大、性状优良的转基因动物一直是研究的热点。
4．基因工程技术可用于保护生态环境。
二、蛋白质工程是基因工程的延伸
1．基因工程的不足：运用基因工程技术将外源目的基因导入受体细胞后，目的基因的表达结果有时并不理想，合成的蛋白质不能很好地行使功能，无法满足人们的需求。
2．原因：蛋白质的结构与功能是进化的结果，与特定的物种相适应。
3．实例：β­干扰素的设计与改造
(1)利用基因工程获得的β­干扰素的缺陷：多数形成二聚体，总体抗病毒活性只有天然蛋白质的10%。
(2)原因：β­干扰素在第17、31、141位上有3个半胱氨酸，第31位和第141位的半胱氨酸形成了二硫键，第17位半胱氨酸容易与另一个干扰素分子的半胱氨酸形成二硫键。
(3)改造措施：科学家通过基因工程技术将β­干扰素第17位半胱氨酸密码子对应的cDNA改为了丝氨酸密码子对应的cDNA。
(4)改造后效果：表达出的蛋白质不再形成二聚体，活性与天然蛋白相似而且稳定性更高。
4．蛋白质工程的基本思路
蛋白质工程首先要建立蛋白质功能与结构的联系，然后依据所需蛋白质的功能，设计改造天然蛋白质的空间结构，推测出其氨基酸的序列，并根据“中心法则”逆推出基因的核苷酸序列，进而利用基因工程技术改变DNA上特定位点的核苷酸序列，最终将改造了的基因导入受体细胞后进行表达。
三、以测序为基础建立的基因数据库是人类共有的财富
1．2003年人类基因组计划测序完成，这是人类历史上一个里程碑式的成就。
2．测序技术的发展使得人类获得了海量的生物数据。
3．在测序技术的推动下和生物信息技术的支持下，基因工程也以崭新的姿态迈入了大数据时代。
判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)
1．灵敏度极高的核酸分子杂交技术常用于诊断患者是否感染某种病原体。(×)
提示：常用于诊断患者是否感染某种病原体的是灵敏度极高的PCR技术。
2．基因治疗是指向有基因缺陷的细胞中引入正常功能的基因，以纠正或补偿基因的缺陷，从而达到治疗的目的。(√)
3．乳腺反应器就是把药用蛋白基因导入动物的乳腺细胞中。(×)
提示：应是把药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起，通过显微注射法导入哺乳动物的受精卵中。
4．随着PCR技术的引入，20个细胞的DNA经过扩增就足够用于法医鉴定。(√)
5．蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子的结构。(×)
提示：蛋白质工程中直接改造的是基因，不是蛋白质。
6．实施蛋白质工程的前提条件是了解蛋白质结构和功能的关系。(√)
基因工程改善了人类的生活品质
1．体外基因治疗与体内基因治疗比较
2.乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别
1．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。目前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、终止子和标记基因
B．④通常采用显微注射法
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
A [要让人的药用蛋白基因在牛或羊等动物的乳腺细胞内表达，并使牛或羊等动物分泌含药物的乳汁，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错误；将重组质粒导入动物细胞常采用显微注射技术，B正确；当母牛到达泌乳期，乳腺细胞会表达相应的药用蛋白基因，在乳汁中含有药物，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正确。]
2．人血清白蛋白(HSA)具有重要的医用价值，只能从人血浆中制备。下图是以基因工程技术获取重组HSA(rHSA)的两条途径。
(1)为获取HSA基因，首先需采集人的血液，提取__________合成总cDNA，然后以cDNA为模板，使用PCR技术扩增HSA基因。下图中箭头表示一条引物结合模板的位置及扩增方向，请用箭头在方框内标出另一条引物的位置及扩增方向。
(2)启动子通常具有物种及组织特异性，构建在水稻胚乳细胞内特异表达rHSA的载体，需要选择的启动子是________。
A．人血细胞启动子
B．水稻胚乳细胞启动子
C．大肠杆菌启动子
D．农杆菌启动子
(3)人体合成的初始HSA多肽，需要经过膜系统加工形成正确空间结构才有活性。与途径Ⅱ相比，选择途径Ⅰ获取rHSA的优势是_____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
(4)为证明rHSA具有医用价值，须确认rHSA与__________的生物学功能一致。
[解析] (1)要想合成总cDNA，需要采集人的血液获得总RNA。由于DNA的复制只能从脱氧核苷酸单链的5′端向3′端延伸，因而引物均应结合在DNA单链的3′端，而DNA的两条链反向平行，由此可以确定引物在另一条脱氧核苷酸单链的位置和方向。(2)若要从水稻胚乳细胞内获得目的产物，需要控制该目的基因只在水稻胚乳细胞内表达。由题干中的信息“启动子通常具有物种及组织特异性”可知，此处需要选择水稻胚乳细胞启动子。(3)途径Ⅰ和Ⅱ的主要区别是途径Ⅰ的受体细胞是真核细胞，途径Ⅱ的受体细胞是原核细胞。由于人体合成的初始HSA多肽需要经膜系统加工形成正确的空间结构才有生物活性，所以选择途径Ⅰ获取rHSA更具有优势。(4)rHSA是基因工程的产物，为判断其是否具有医用价值，还需要在个体水平上进一步确认其与HSA的生物学功能是否一致。
[答案] (1)总RNA(或mRNA)
(2)B (3)水稻是真核生物，具有膜系统，能对初始rHSA多肽进行高效加工 (4)HSA
蛋白质工程是基因工程的延伸
蛋白质工程与基因工程的比较
1．为什么蛋白质工程不是直接改造蛋白质而是通过基因改造和基因合成来完成？
提示：①任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白质也是无法遗传下去的。②对基因进行改造比对蛋白质进行直接改造容易操作，难度小得多。
2．如果已经推测出多肽中的氨基酸序列，那么推测出的基因中的碱基序列是否唯一呢？说明你的理由。
提示：不唯一，因为一种氨基酸有一种或多种密码子，因此获得的基因总的碱基排列顺序有多种。
3．(2021·福州一中期末)基因工程与蛋白质工程的区别是( )
A．基因工程需对基因进行分子水平操作，蛋白质工程不对基因进行操作
B．基因工程合成的是天然存在的蛋白质，蛋白质工程可以合成非天然存在的蛋白质
C．基因工程是分子水平操作，蛋白质工程是细胞水平(或性状水平)操作
D．基因工程完全不同于蛋白质工程
B [基因工程和蛋白质工程均是对基因进行操作，A错误。基因工程合成的是天然存在的蛋白质，蛋白质工程可以合成非天然存在的蛋白质，B正确。基因工程和蛋白质工程都是分子水平的操作，C错误。基因工程是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状，但只能生产自然界已存在的蛋白质；蛋白质工程是通过修改基因或创造合成新基因来合成新的蛋白质，改变生物的遗传性状，蛋白质工程不完全同于基因工程，蛋白质工程被称为第二代基因工程，D错误。]
4．已知生物体内有一种蛋白质(P)，该蛋白质是一种转运蛋白，由305个氨基酸组成。如果将P分子中第158位的丝氨酸变成亮氨酸，第240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸，改变后的蛋白质(P1)不但保留P的功能，而且具有了酶的催化活性。回答下列问题。
(1)从上述资料可知，若要改变蛋白质的功能，可以考虑对蛋白质的______________进行改造。
(2)以P基因序列为基础，获得P1基因的途径有修饰________基因或合成________基因。所获得的基因表达时是遵循中心法则的，中心法则的全部内容包括__________的复制以及遗传信息在不同分子之间的流动，即：_____________________________________________________________。
(3)蛋白质工程也被称为第二代基因工程，其基本途径是从预期蛋白质功能出发，通过________________和________________，进而确定相对应的脱氧核苷酸序列，据此获得基因，再经表达、纯化获得蛋白质，之后还需要对蛋白质的生物__________进行鉴定。
[解析] (1)根据题意可知，对蛋白质的氨基酸序列(或结构)进行改造，可达到改变蛋白质的功能的目的。(2)以P基因序列为基础，获得P1基因，可以对P基因进行修饰改造，也可以用人工方法合成P1基因；中心法则的全部内容包括DNA和RNA的复制、DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质。(3)蛋白质工程的基本途径是从预期蛋白质功能出发，通过设计蛋白质结构和推测氨基酸序列，进而确定相对应的脱氧核苷酸序列，并获取基因。经表达的蛋白质，要对其进行生物功能鉴定。
[答案] (1)氨基酸序列(或结构) (2)P P1 DNA和RNA(或遗传物质) DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质(或转录、逆转录、翻译) (3)设计蛋白质的结构 推测氨基酸序列 功能
“二看法”判断基因工程和蛋白质工程

科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的鼠—人嵌合抗体，用于癌症治疗。下图表示形成鼠—人嵌合抗体的过程，据图回答下面的问题：
本案例考查学生的演绎与推理和归纳与概括的科学思维。
(1)改造鼠源杂交瘤抗体，是对人抗体和鼠抗体直接进行操作吗？操作的思路应该是什么？(科学思维)
提示：不是对人抗体和鼠抗体直接进行操作。操作的思路是根据需要设计出人—鼠嵌合抗体的结构，推测出氨基酸的序列和基因的碱基序列，对小鼠的基因进行改造。
(2)经过改造的鼠—人嵌合抗体，与鼠源杂交瘤抗体相比较，突出的优点是什么？(生命观念)
提示：对人体的不良反应减少。
[课堂小结]
1．抗病毒转基因植物成功表达后，以下说法正确的是( )
A．抗病毒转基因植物可以抵抗所有病毒
B．抗病毒转基因植物对病毒的抗性具有局限性或特异性
C．抗病毒转基因植物可以抗害虫
D．抗病毒转基因植物可以稳定遗传，不会变异
B [由于外源抗病毒基因具有特异性，因而其表达产物具有特异性或局限性，只能抵抗某种或某类病毒，不可能抵抗所有病毒，更不能抗害虫。目的基因导入受体细胞后，可以随受体内的自身遗传物质稳定遗传，也会同自身遗传物质一样发生变异。]
2．下列有关乳腺生物反应器的叙述错误的是( )
A．动物基因结构与人类基因结构相同
B．乳腺生物反应器生产的药物是自然界没有的
C．可从具有目的基因的转基因雌性动物乳汁中提取药物
D．乳腺生物反应器是转基因技术在畜牧业中的应用
B [乳腺生物反应器生产的药物在自然界中可以找到，只不过在转基因动物体内更容易提取到较大量的药物。]
3．下列关于应用基因工程技术治疗人类遗传病的叙述，不正确的是( )
A．基因治疗是治疗遗传病的最有效手段
B．进行基因治疗时，基因的受体细胞是受精卵
C．基因治疗并不是对患者体内细胞的缺陷基因进行改造
D．基因治疗时可只向患者部分细胞内转入正常基因
B [基因治疗是治疗遗传病的最有效的手段，A正确。基因治疗是把正常基因导入病人体内有缺陷的细胞中，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的。因此，基因治疗时，基因的受体细胞是有缺陷的细胞，而不是受精卵，B错误。基因治疗并不是对患者体内细胞的缺陷基因进行改造，C正确。基因治疗时可只对患者有缺陷的细胞输入正常基因，D正确。]
4．(2020·山东潍坊模拟)蛋白质工程中，要对蛋白质结构进行设计改造，必须通过基因修饰或基因合成来完成，而不直接改造蛋白质的主要原因是( )
A．缺乏改造蛋白质所必需的工具酶
B．蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，操作难度大
C．人类对大多数蛋白质的高级结构知之甚少
D．改造基因易于操作且改造后能够遗传
D [蛋白质工程应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造，原因是：(1)任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过后蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接进行改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。(2)对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得多。]
5．糖尿病已经成为危害人类健康的严重疾病之一，注射胰岛素是目前治疗糖尿病最为有效的途径和手段。如何生产优质而不昂贵的人胰岛素，是当下医药界急需攻克的科学难题。下图为利用基因工程技术生产人胰岛素的操作过程示意图，请回答下列问题。
(1)在基因表达载体中，________是RNA聚合酶识别和结合的部位，有了它才能驱动基因转录出mRNA。
(2)图中细胞1是________细胞。过程②必需的酶是________。过程③④⑤为利用________技术扩增目的基因，此过程必需的酶是________。过程③断开的是________键，在体外进行PCR操作时，实现该过程的处理方法是________。能否利用人的皮肤细胞来完成过程①，为什么？__________________________
_____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
(3)为便于重组DNA的鉴定和选择，图中C的组成必须有________；为使过程⑧更易进行，可用________处理大肠杆菌。
(4)过程⑩得到的人胰岛素需要体外加工才具有生物活性，原因是大肠杆菌
________________________________________________________________
________________________________________________________________。
[解析] (1)启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位，有了它才能驱动基因转录出mRNA。(2)图中过程①为胰岛素基因转录出mRNA，过程②为胰岛素mRNA经逆转录获得目的基因，过程③④⑤为利用PCR技术扩增目的基因，过程⑥为用限制酶切割载体，过程⑦为目的基因与载体结合构建基因表达载体，过程⑧为将目的基因导入受体细胞。逆转录过程需要逆转录酶，利用PCR技术扩增DNA需要耐高温的DNA聚合酶(TaqDNA聚合酶)。过程③断开的是DNA两条链间的氢键，在体外进行PCR操作时，实现该过程的处理方法为加热至90～95 ℃。(3)图中B为质粒，其实质为DNA，基本组成单位为4种脱氧核苷酸。构建的基因表达载体中必须有标记基因，以利于重组DNA的鉴定和选择。将目的基因导入大肠杆菌最常用的转化方法是Ca2＋处理法，用Ca2＋处理可使大肠杆菌细胞处于能够吸收周围环境中DNA分子的生理状态。(4)大肠杆菌细胞内没有内质网和高尔基体，不能将肽链加工成为有活性的人胰岛素。
[答案] (1)启动子 (2)(人)胰岛B 逆转录酶 PCR TaqDNA聚合酶(或耐高温的DNA聚合酶) 氢 加热(至90 ℃以上) 不能。皮肤细胞中的胰岛素基因不表达，不能形成胰岛素mRNA (3)标记基因 Ca2＋ (4)没有内质网和高尔基体，不能对蛋白质进行加工课标内容要求
核心素养对接
1.举例说明基因工程在农业、食品及医药等行业的广泛应用改善了人类的生活品质。
2.概述人们根据基因工程原理，进行蛋白质设计和改造，可以获得性状和功能符合人类要求的蛋白质。
3.举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。
1.生命观念——运用结构与功能观，说明蛋白质工程设计的原理。
2.科学思维——基于基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业应用的实例说明基因工程给社会带来的巨大进步；基于实例，采用模型与建模、归纳与概括等方法，表示蛋白质工程的基本思路。
3.社会责任——基于基因工程在各方面发展的前景，理性看待基因工程的安全性。
项目
体外基因治疗
体内基因治疗
不
同
点
过程
从患者体内获得某种细胞→体外完成基因转移→筛选→细胞扩增→输入患者体内
直接向人体组织细胞中转移基因
特点
操作复杂，但效果较为可靠
操作简便，但效果难以控制
相同点
都属于基因治疗，都是将正常的外源基因导入受体细胞，使该基因的表达产物发挥作用。目前两种方法都处于初期的临床试验阶段
比较内容
乳腺生物反应器
工程菌
含义
指让外源基因在哺乳动物的乳腺中特异表达，利用动物的乳腺组织生产药物蛋白
指用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系
受体基因结构与人
类基因结构差异
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
受体细胞
动物受精卵
微生物细胞
目的基因导入方式
显微注射法
感受态细胞法
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
生产设备
畜牧业生产、提取设备
发酵生产、提取设备
项目
蛋白质工程
基因工程
区别
起点
预期蛋白质功能
目的基因
过程
预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→推测脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质
获取目的基因→构建基因表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
实质
通过改造相应的基因达到对蛋白质进行改造的目的
基因重组
结果
可以创造出自然界不存在的蛋白质
生产自然界已存在的蛋白质
联系
①蛋白质工程获得目的基因后，需要通过基因工程获得预期蛋白质
②蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程
知 识 网 络 构 建
核 心 语 句 背 诵
1.核酸分子杂交和PCR技术常用来检测患者自身携带的缺陷基因。
2.灵敏度极高的PCR技术常用于诊断患者是否感染某种病原体。
3.基因治疗是指向有基因缺陷的细胞中引入正常功能的基因，以纠正或补偿基因的缺陷，从而达到治疗的目的。
4.哺乳动物的乳腺作为生物反应器生产蛋白类药物有以下优点：乳汁可以连续合成；频繁采集不会对动物产生危害；乳汁成分相对简单、明确，便于药物的提纯。
5.蛋白质工程首先要建立蛋白质功能与结构的联系，然后依据所需蛋白质的功能，设计改造天然蛋白质的空间结构，推测出其氨基酸的序列，并根据“中心法则”逆推出基因的核苷酸序列，进而利用基因工程技术改变DNA上特定位点的核苷酸序列，最终将改造了的基因导入受体细胞后进行表达。