苏教版 (2019)选择性必修3 生物技术与工程第二节 基因工程的应用价值导学案

这是一份苏教版 (2019)选择性必修3 生物技术与工程第二节 基因工程的应用价值导学案，共10页。学案主要包含了基因工程在农牧业中的应用价值， 基因工程在食品业中的应用价值，基因工程在医药业中的应用价值等内容，欢迎下载使用。

一、基因工程在农牧业中的应用价值
1．转基因生物：利用基因工程技术培育的、能稳定遗传外源基因所决定的性状的生物。
优点：打破常规育种难以突破的物种之间的界限。
2．植物基因工程硕果累累
3．动物基因工程显示出诱人的应用前景
(1)改善畜牧产品的品质
实例：将ω­3脂肪酸去饱和酶基因转入猪胚胎细胞中，培育成可产生较多ω­3脂肪酸的转基因猪。
(2)提高动物的生长速度
实例：转入外源生长激素基因获得的转基因绵羊和转基因三文鱼，生长速度明显提高，体重明显加大。
二、 基因工程在食品业中的应用价值
1．许多转基因食品已进入商业化生产。
2．植物品质改良已经成为植物基因工程的研究热点。
3．在氨基酸、助鲜剂、甜味剂等食品添加剂的生产，以及广泛应用于食品制造业的淀粉酶、纤维素酶、脂肪酶、蛋白酶的大规模生产方面也大显身手。
三、基因工程在医药业中的应用价值
1．基因工程药物
(1)利用转基因工程菌已经生产出了60多种基因工程药物，用于疾病的预防和治疗。
(2)生物反应器
①类型：乳腺生物反应器、膀胱生物反应器、输卵管生物反应器等。
②乳腺生物反应器的一般做法
药用蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子等重组→转入受精卵→转基因动物→乳汁中提取药物。
2．基因治疗
(1)概念：指利用正常基因置换或弥补缺陷基因的治疗方法。包括基因诊断、基因分离、载体构建、目的基因导入等多项技术。
(2)基因诊断：采用多种方法确定和定位病变基因的过程。如利用探针和分子杂交情况，判断患者是否出现了基因异常。
(3)基因治疗
①体内途径：将分离出来的带有治疗作用的基因通过载体转入患者体内的某些细胞，直接纠正或弥补缺陷基因的功能。
②体外途径：采用转基因技术将带有治疗作用的基因导入病毒基因组，再用病毒感染受体细胞(患者细胞)，治疗基因整合到受体基因组后，受体细胞经体外培养、增殖后导入患者体内。
(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．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。
3．利用工程菌可生产人的胰岛素等某些激素。 ( )
[答案] √
4．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。
5．基因治疗能从根本上治愈各种遗传病。( )
× 提示：染色体异常遗传病无法进行基因治疗。
6．治愈腺苷脱氨酶基因缺陷症属于体外途径。( )
[答案] √
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
合作探究：(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．人组织纤溶酶原激活物(htPA)是一种重要的药用蛋白，可在转htPA基因母羊的羊乳中获得。流程如下：
(1)htPA基因与载体用________________切割后，通过DNA连接酶连接，以构建重组表达载体。检测目的基因是否已插入受体细胞DNA，可采用________技术。
(2)为获取更多的卵(母)细胞，要对供体母羊注射促性腺激素，使其__________。采集的精子需要经过________，才具备受精能力。
(3)将重组表达载体导入受精卵常用的方法是________。为了获得母羊，移植前需对已成功转入目的基因的胚胎进行________。利用胚胎分割和胚胎移植技术可获得多个转基因个体，这体现了早期胚胎细胞的________。
(4)若在转htPA基因母羊的羊乳中检测到____________，说明目的基因成功表达。
[解析] (1)用同种限制性内切核酸酶对目的基因和载体进行切割，以形成相同的黏性末端。检测目的基因是否已插入受体细胞DNA，常用DNA分子杂交技术。
(2)对供体母羊注射促性腺激素可以使其超数排卵，采集的精子需要经过获能处理后才具备受精能力。
(3)将重组表达载体导入受精卵(动物细胞)常用的方法是显微注射法。为了获得母羊，需要对胚胎进行性别鉴定。利用胚胎分割和胚胎移植技术可获得多个转基因个体，依据的原理是早期胚胎细胞的全能性。
(4)目的基因成功表达的标志是在转基因母羊的羊乳中检测到htPA，即人组织纤溶酶原激活物。
[答案] (1)同种限制性内切核酸酶(或同种限制酶) DNA分子杂交 (2)超数排卵 获能(处理) (3)显微注射法 性别鉴定 全能性 (4)htPA(或人组织纤溶酶原激活物)
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)利用农杆菌转化水稻受体细胞的过程中，需添加酚类物质，其目的是____________________________________________________________________
___________________________________________________________________。
(4)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___________________
___________________________________________________________________。
(5)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)酚类物质能吸引农杆菌，因此在水稻受体细胞中添加该类物质，能吸引农杆菌移向水稻受体细胞，有利于目的基因的成功转化。(4)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。(5)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)吸引农杆菌移向水稻受体细胞，有利于目的基因成功转化 (4)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 (5)HSA
[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医药业中的应用
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不符合题意；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不符合题意；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符合题意。]
5．下列关于基因治疗的叙述，不正确的是( )
A．把缺陷基因除去，就可以达到治疗疾病的目的
B．某些动物病毒可作为基因治疗的载体
C．基因治疗是治疗遗传性疾病最有效的手段
D．临床上可以采用体外基因治疗和体内基因治疗
A [基因治疗是指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，没有将缺陷基因除去，A错误；以腺病毒为载体将正常基因导入患者肺组织中治疗囊性纤维病，属于体内基因治疗，B正确；基因治疗是指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，是治疗遗传性疾病最有效的手段，C正确；体外基因治疗和体内基因治疗均处于临床试验阶段，D正确。]
6．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94 ℃左右。(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94 ℃左右) 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
举例说明基因工程在农牧、食品及医药等行业的广泛应用改善了人类的生活品质。
生命观念：关注基因工程所取得的成果以及给人类带来的积极影响。
科学思维：结合基因工程的应用实例和操作步骤，思考如何设计完整的操作步骤以实现其应用。
社会责任：通过学习了解我国基因工程的应用及发展前景，认同基因工程给人类生活带来的巨大改变，激发学习兴趣，培养崇尚科学的理念。
应用领域
目的基因
应用实例
转基因抗病植物
抗病基因，如病毒的复制酶基因、衣壳蛋白基因、几丁质酶基因、植物抗毒素基因
抗病的小麦、甜椒或番茄等
转基因抗虫植物
抗虫基因，如苏云金杆菌Bt毒蛋白基因
转基因抗虫棉等
转基因抗逆植物
抗冻蛋白基因
转基因抗冻番茄
调节细胞渗透压的基因
抗盐碱和干旱烟草
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
知 识 网 络 构 建
要 点 强 化 识 记
1．利用基因工程技术培育的、能稳定遗传外源基因所决定的性状的生物称为转基因生物。
2．运用基因工程改良动植物品种，最突出的优点是能打破常规育种难以突破的物种之间的界限。
3．基因治疗是指利用正常基因置换或弥补缺陷基因的治疗方法。包括基因诊断、基因分离、载体构建、目的基因导入等多项技术。
4．基因治疗有体内和体外两种途径。体内途径是将分离出来的带有治疗作用的基因通过载体转入患者体内的某些细胞，直接纠正或弥补缺陷基因的功能。体外途径是采用转基因技术将带有治疗作用的基因导入病毒基因组，再用病毒感染受体细胞(患者细胞)，治疗基因整合到受体基因组后，受体细胞经体外培养、增殖后导入患者体内。