高中生物人教版 (2019)选择性必修3第3章 基因工程第3节 基因工程的应用学案设计

第3节　基因工程的应用

一、基因工程在农牧业方面的应用

1．转基因抗虫植物

(1)技术方法：从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，将它导入作物中，培育出具有抗虫性的作物。

(2)实例：抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。

2．转基因抗病植物

(1)技术方法：将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，培育出了转基因抗病植物。

(2)实例：转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。

3．转基因抗除草剂植物

(1)技术方法：将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，可培育出抗除草剂的作物品种。

(2)实例：转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。

4．改良植物的品质

(1)技术方法：将某种必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，可以提高这种氨基酸的含量。

(2)实例：转基因玉米中赖氨酸的含量比对照高30%。

5．提高动物的生长速率

(1)技术方法：将外源生长激素基因导入动物体内，提高动物的生长速率。

(2)实例：转基因鲤鱼。

6．改善畜产品的品质

(1)技术方法：将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组。

(2)实例：乳汁中乳糖含量大大降低的转基因奶牛。

二、基因工程在医药卫生领域的应用

(1)技术方法

①对微生物或动植物的细胞进行基因改造，使它们能够生产药物。

②利用乳腺生物反应器生产药物：将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，通过显微注射导入哺乳动物的受精卵中，培育出的转基因动物通过分泌乳汁生产所需要的药物。

③培育移植器官：在器官供体的基因组中导入某种调节因子抑制抗原决定基因的表达或设法除去抗原决定基因，然后再结合克隆技术，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆器官。

(2)实例：重组人干扰素、促红细胞生成素、抗凝血酶、血清白蛋白等。

三、基因工程在食品工业方面的应用

(1)技术方法：利用基因工程菌生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。例如将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶。

(2)实例：淀粉酶、脂酶、天冬氨酸和苯丙氨酸。

判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)

1．农业害虫不会对转基因抗虫作物产生抗性。 (×)

提示：害虫仍会对抗虫作物产生抗性。

2．培育转基因抗病植物的目的基因主要来源于病毒、真菌。 (√)

3．基因工程中，要培育转基因植物和动物，选用的受体细胞都是受精卵。

  (×)

提示：培育转基因动物时，所选用的受体细胞一般是受精卵；培育转基因植物时，所选用的受体细胞可以是受精卵，也可以是体细胞。

4．利用工程菌可生产人的胰岛素等某些激素。 (√)

5．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。

　利用乳腺生物反应器和工程菌生产药物

1．乳腺生物反应器的操作过程

2．乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别

1．为了生产药物，常把药用蛋白基因构建的表达载体导入大肠杆菌或酵母菌细胞中构建工程菌，选用细菌或酵母菌作为受体细胞的优点有哪些？

提示：细菌和酵母菌繁殖快，多为单细胞，遗传物质相对少，生产能力大等。

2．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成功。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。在研制膀胱生物反应器时，应使药用蛋白基因在什么细胞中特异表达？它与乳腺生物反应器有什么相同和不同点？

提示：应使药用蛋白基因在膀胱上皮细胞中特异表达。相同点是收集药用蛋白较容易，且不会对动物造成伤害。不同点是乳腺生物反应器必须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。

1．tPA是机体在凝血平衡调节中发挥关键性作用的蛋白质，如图是利用奶牛乳腺生产tPA的图解，据图回答下列问题：

(1)要使tPA基因在奶牛的乳腺细胞中特异性表达，需将其与________________________等调控元件重组在一起。

(2)乳腺生物反应器生产医用人体蛋白比工程菌有优势，是由于乳腺细胞有较强的________能力，省却了从工程菌细胞内提取时的破壁、分离等程序，大大降低了成本。

[解析]　(1)要使tPA基因在奶牛的乳腺细胞中特异性表达，需将其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。(2)乳腺细胞有较强的分泌能力，使得乳腺生物反应器生产医用人体蛋白比工程菌有优势。

[答案]　(1)乳腺中特异表达的基因的启动子　(2)分泌

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________(填写字母，单选)。

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HAS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

本示例考查演绎与推理和归纳与概括的科学思维及对实验结果交流和讨论的能力。

请根据实验结果从内源CHS基因和外源CHS基因表达水平分析转基因牵牛花花色变浅的原因。(科学思维)

提示：由于外源CHS基因的导入，造成内源CHS基因的表达被抑制，导致外源CHS基因和内源CHS基因的综合表达量没有野生型的内源CHS基因表达量高。

[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．应用基因工程的方法，可将酵母菌制造成“工程菌”，用于生产乙肝疫苗，在制造该“工程菌”时，应向酵母菌中导入(　　)

A．乙肝病毒的表面抗原

B．抗乙肝病毒抗体的基因

C．抗乙肝病毒的抗体

D．乙肝病毒的表面抗原的基因

D　[利用基因工程生产乙肝疫苗时，应该向酵母菌中导入乙肝病毒的表面抗原基因。]

4．下列不属于基因工程成果的是(　　)

A．乳腺生物反应器生产药用蛋白

B．从大肠杆菌体内获得白细胞介素

C．从大肠杆菌内获得生长激素

D．用高产青霉菌生产青霉素

D　[乳腺生物反应器是用转基因动物生产药物，属于基因工程成果，A错误；从大肠杆菌体内获得白细胞介素及从大肠杆菌体内获得生长激素都是将相关基因转入大肠杆菌，从而得到的基因工程药物，属于基因工程成果，B、C错误；用高产青霉菌生产青霉素是利用基因突变的原理进行的诱变育种，不属于基因工程的范畴，D正确。]

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：

(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经反转录获得目的基因，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。反转录过程需要逆转录酶，利用PCR技术扩增DNA需要耐高温的Taq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

Taq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