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新教材高考生物一轮复习第11单元第2讲基因工程及生物技术的安全性与伦理问题课件
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这是一份新教材高考生物一轮复习第11单元第2讲基因工程及生物技术的安全性与伦理问题课件，共60页。PPT课件主要包含了课标要求，备考指导，内容索引，ABC，操作流程等内容，欢迎下载使用。
1.概述基因工程是在遗传学、微生物学、生物化学和分子生物学等学科基础上发展而来的。2.阐明DNA重组技术的实现需要利用限制性内切核酸酶、DNA连接酶和载体三种基本工具。3.阐明基因工程的基本操作程序主要包括目的基因的获取、基因表达载体的构建、目的基因导入受体细胞和目的基因及其表达产物的检测鉴定等步骤。4.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。
5.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更符合人类需求的蛋白质。6.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。7.举例说出日常生活中的转基因产品。8.探讨转基因技术在应用过程中带来的影响。9.举例说出生殖性克隆人面临的伦理问题。10.分析说明我国为什么不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人实验。11.举例说明历史上生物武器对人类造成了严重的威胁与伤害。12.认同我国反对生物武器及其技术和设备的扩散。
1.运用列表比较法理解限制性内切核酸酶、DNA连接酶和载体的作用。2.运用实例分析法理解基因工程的原理与技术。
第一环节 必备知识落实
第二环节 关键能力形成
第三环节 核心素养提升
知识筛查1.基因工程的概念基因工程是指按照人们的愿望,通过转基因等技术,赋予生物新的遗传特性,创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。从技术操作层面看,由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的,因此又叫作重组DNA技术。
2.重组DNA技术的基本工具(1)限制性内切核酸酶——“分子手术刀”
(2)DNA连接酶——“分子缝合针”
(3)基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”①作用:将外源基因送入受体细胞中。②种类:质粒、噬菌体和动植物病毒等。③条件a.具有一个至多个限制酶切割位点,供外源DNA插入其中。b.能在受体细胞中进行自我复制,或整合到受体DNA上,随受体DNA同步复制。c.具有标记基因,便于重组DNA分子的筛选。
知识落实1.在基因工程中,可依据受体细胞的类型及其生理特性来选择合适的载体,既能高效地携带目的基因进入受体细胞,又能方便地进行检测。已知有下列几类含有不同标记基因的质粒,不可作为侵入大肠杆菌的载体的是(已知青霉素可杀死大肠杆菌,四环素不能杀死大肠杆菌)( )
大肠杆菌对四环素有抗性,该质粒上的四环素抗性基因不可作为标记基因,因此该质粒不能作为侵入大肠杆菌的载体。
2.用XhⅠ和SalⅠ两种限制性内切核酸酶分别处理同一DNA片段,酶切位点及酶切产物分离结果如下图所示。下列叙述错误的是( )A.图1中两种酶识别的核苷酸序列不同B.图2中酶切产物可用于构建重组DNAC.电泳条带①中是用SalⅠ处理得到的酶切产物D.图中被酶切的DNA片段是单链DNA
限制性内切核酸酶作用的是双链DNA片段,因此图中被酶切的DNA片段应是双链DNA。
知识筛查1.目的基因的筛选与获取(1)目的基因:主要是指编码蛋白质的基因。(2)获取目的基因的方法①筛选合适的目的基因:从相关的已知结构和功能清晰的基因中进行筛选是较为有效的方法之一。②利用PCR获取和扩增目的基因a.PCR的原理:DNA半保留复制。
b.PCR的过程变性:加热到90 ℃以上,双链DNA解聚为单链
复性:冷却到50 ℃左右,引物与两条单链DNA结合
延伸:加热至72 ℃左右,耐高温的DNA聚合酶从引物开始进行互补链的合成
c.特点:成指数形式扩增。d.条件:缓冲液、DNA模板、2种引物、4种脱氧核苷酸、耐高温的DNA聚合酶等。
2.基因表达载体的构建——基因工程的核心(1)功能要让目的基因在受体细胞中稳定存在,并且遗传给下一代,使目的基因能够表达和发挥作用。(2)基因表达载体的组成:启动子+目的基因+终止子+标记基因(如抗生素抗性基因)。(3)基因表达载体的构建过程
3.将目的基因导入受体细胞(1)将目的基因导入植物细胞常用的方法有花粉管通道法、农杆菌转化法。(2)将目的基因导入动物受精卵最常用的一种方法是利用显微注射将目的基因注入动物的受精卵中。(3)在基因工程操作中,常用原核生物作为受体细胞,其中以大肠杆菌应用最为广泛。研究人员一般先用Ca2+处理大肠杆菌细胞,使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态,然后再将重组的基因表达载体导入其中。
4.目的基因的检测与鉴定
5.基因工程的应用(1)在农牧业方面的应用:基因工程技术已被广泛用于改良动植物品种、提高作物和畜产品的产量等方面。(2)在医药卫生领域的应用①基因工程药物主要包括细胞因子、抗体、疫苗和激素等。②乳腺生物反应器或乳房生物反应器。③转基因动物作器官移植的供体。(3)在食品工业方面的应用生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。
易错易混(1)目的基因不能单独进入受体细胞,必须以表达载体的方式进入。(2)启动子不等同于起始密码子,终止子不等同于终止密码子。启动子和终止子位于基因表达载体上,都是DNA片段,分别控制转录过程的启动和终止;起始密码子和终止密码子位于mRNA上,分别控制翻译过程的启动和终止。
知识落实1.(不定项选择题)下图为利用基因工程培育抗虫植物的示意图。下列相关叙述错误的是( )A.②的构建需要限制性内切核酸酶和DNA聚合酶参与B.③侵染植物细胞后,重组Ti质粒整合到④的染色体上C.④的染色体上若含抗虫基因,则⑤表现出抗虫性状D.⑤只要表现出抗虫性状就表明植株发生了可遗传变异
构建重组质粒需要用到限制性内切核酸酶和DNA连接酶,不需要DNA聚合酶,A项错误。含重组Ti质粒的农杆菌侵染植物细胞后,重组Ti质粒上的T-DNA整合到受体细胞的染色体DNA上,而不是重组Ti质粒整合到受体细胞的染色体上,B项错误。导入受体细胞的目的基因表达后,转基因植株能表现出相应性状,若目的基因在受体细胞中不表达,则转基因植株不能表现出相应性状,C项错误。若植株表现出抗虫性状,则表明该植株细胞发生了基因重组,基因重组是可遗传变异,D项正确。
2.为了有效控制水稻害虫的危害,科学家成功地获得了转Bt基因的二倍体水稻。该基因来源于苏云金杆菌,基因的表达产物Bt抗虫蛋白具有良好的杀虫效果。请回答下列问题。(1)若知道Bt抗虫蛋白的氨基酸序列,则可以推测出Bt基因的核苷酸序列,但推测出的核苷酸序列并不是唯一的,其原因是 。(2)将Bt基因导入水稻细胞中时不宜采用农杆菌转化法,最可能的原因是 。 (3)可采用抗虫接种实验的方法,在 水平上鉴定Bt基因在受体植株内是否成功表达。
答案:(1)密码子的简并(2)水稻是单子叶植物,而农杆菌对大多数单子叶植物没有侵染能力(3)个体生物学
知识点三 蛋白质工程知识筛查1.概念理解(1)基础:蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。(2)操作:改造或合成基因。(3)结果:改造现有蛋白质或制造一种新的蛋白质。(4)目的:满足人类生产和生活的需求。
2.蛋白质工程的基本思路从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列↓获得所需要的蛋白质←找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因
3.蛋白质工程的应用①医药工业方面:研发药物,如延长干扰素的保存时间;降低小鼠单克隆抗体诱发免疫反应的强度。②其他工业方面:改进酶的性能或开发新的工业用酶。③农业方面:通过改造某些参与调控光合作用的酶,增加粮食产量;改造微生物蛋白质的结构,设计优良微生物农药,防治病虫害。
知识落实1.T4溶菌酶在高温时易失去活性。研究人员对编码T4溶菌酶的基因进行改造,使T4溶菌酶第3位的异亮氨酸变为半胱氨酸,该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成1个二硫键,提高了酶的耐热性。下列相关叙述正确的是( )A.T4溶菌酶耐热性提高的原因是组成该酶的氨基酸数量发生了改变B.对T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程,自然界中的酶都可通过蛋白质工程进行改造C.蛋白质工程与中心法则的流动方向一致,即DNA→mRNA→蛋白质D.若高温使蛋白质分子的空间结构发生改变,蛋白质的功能也会受到影响
在该过程中,T4溶菌酶的氨基酸数量没有发生改变。对T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程,蛋白质工程只能用于改造蛋白质类的酶,自然界中的酶有些是RNA,RNA类的酶无法通过蛋白质工程进行改造。蛋白质工程与中心法则的流动方向相反,即预期蛋白质的功能→设计预期蛋白质的结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列或合成新的基因。若高温使蛋白质分子的空间结构发生改变,则蛋白质的功能会受到影响。
2.干扰素是动物体内合成的一种蛋白质,可以用于治疗病毒感染和癌症,如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸,在一定条件下可以延长保存时间。蛋白质的合成是受基因控制的,因此获得能够控制合成“可以保存的干扰素”的基因是生产的关键,依据以下技术原理,设计实验流程,让动物生产“可以保存的干扰素”。
(1)上图流程属于 工程的基本思路。流程中的A是 ,流程B是 。 (2)蛋白质工程实施的难度很大,原因是蛋白质具有十分复杂的 结构。 (3)对天然蛋白质进行改造,应该通过直接对 (填“蛋白质分子”或“基因”)进行操作来实现。
答案:(1)蛋白质 预期的蛋白质功能 应有的氨基酸序列 (2)空间(或高级) (3)基因
知识筛查1.原理(1)DNA不溶于酒精,但某些蛋白质溶于酒精,利用这一原理,可以初步分离DNA与蛋白质。(2)DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同,它能溶于物质的量浓度为2 ml/L的NaCl溶液。 (3)在一定温度下,DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色,因此二苯胺试剂可以作为鉴定DNA的试剂。
知识落实1.(2023广东卷)“DNA粗提取与鉴定”实验的基本过程是:裂解→分离→沉淀→鉴定。下列叙述错误的是( )A.裂解:使细胞破裂释放出DNA等物质B.分离:可去除混合物中的多糖、蛋白质等C.沉淀:可反复多次以提高DNA的纯度D.鉴定:加入二苯胺试剂后即呈现蓝色
细胞破裂后才能释放出其中的DNA,A项正确。分离的目的是将混合物中的一些非DNA杂质去除,例如多糖和蛋白质,B项正确。通过反复沉淀可以去除杂质,提高DNA的纯度,C项正确。鉴定DNA时,加入二苯胺后需要水浴加热,D项错误。
2.(2022山东卷)关于“DNA的粗提取与鉴定”实验,下列说法错误的是( )A.过滤液沉淀过程在4 ℃冰箱中进行是为了防止DNA降解B.离心研磨液是为了加速DNA的沉淀C.在一定温度下,DNA遇二苯胺试剂呈现蓝色D.粗提取的DNA中可能含有蛋白质
低温时DNA酶的活性较低,过滤液沉淀过程在4 ℃冰箱中进行是为了防止DNA降解,A项正确。离心研磨液是为了使细胞碎片沉淀,B项错误。沸水浴条件下,DNA遇二苯胺试剂呈现蓝色,C项正确。由于是粗提取,粗提取的DNA中很可能含有蛋白质,D项正确。
知识筛查1.转基因产品的安全性(1)转基因成果令人叹为观止①对微生物的基因改造是基因工程中研究最早、最广泛和取得实际应用成果最多的领域,这是因为微生物具有生理结构和遗传物质简单、生长繁殖快、对环境因素敏感和容易进行遗传物质操作等优点。②转基因动物:培育了一批生长迅速、营养品质优良的转基因家禽、家畜;培育了抵抗相应病毒的动物新品种;建立了某些人类疾病的转基因动物模型,模拟疾病的发生和发展过程,为研究该疾病的致病机制和开发治疗药物提供依据等。③转基因植物:培育出了大批具有抗虫、抗病、抗除草剂和耐储藏等新性状的作物。
(2)理性看待转基因技术①我国对转基因技术的方针是一贯的、明确的,就是研究上要大胆,坚持自主创新;推广上要慎重,做到确保安全;管理上要严格,坚持依法监管。②国务院颁布了《农业转基因生物安全管理条例》;国家有关部门制定实施了《农业转基因生物安全评价管理办法》《农业转基因生物进口安全管理办法》《农业转基因生物标识管理办法》《农业转基因生物加工审批办法》和《进出境转基因产品检验检疫管理办法》。
2.关注生殖性克隆人(1)概念①生殖性克隆是指通过克隆技术产生独立生存的新个体。②治疗性克隆是指利用克隆技术产生特定的细胞、组织和器官,用它们来修复或替代受损的细胞、组织和器官,从而达到治疗疾病的目的。(2)我国禁止生殖性克隆人①我国政府的态度:坚决反对克隆人,不允许进行任何生殖性克隆人实验。②我国政府一再重申四不原则:不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人实验。③我国政府同样重视治疗性克隆所涉及的伦理问题,主张对治疗性克隆进行有效监控和严格审查。
3.禁止生物武器(1)生物武器的种类、特点及危害①种类:致病菌类、病毒类、生化毒剂类等。②特点:致病能力强、攻击范围广。③散布方式和危害:可以直接或者通过食物、生活必需品和带菌昆虫等散布,经由呼吸道、消化道和皮肤等侵入人、畜体内,造成大规模伤亡,也能大量损害植物。(2)我国政府观点:在任何情况下不发展、不生产、不储存生物武器,并反对生物武器及其技术和设备的扩散。
知识落实1.生物技术的安全性与伦理问题是社会关注的热点。下列叙述错误的是( )A.应严格选择转基因植物的目的基因,避免产生对人类有害的物质B.当今社会的普遍观点是禁止生殖性克隆人的实验,但不反对治疗性克隆C.反对“设计试管婴儿”的原因之一是有人滥用此技术选择性设计婴儿D.生物武器是用微生物、毒素、干扰素及重组致病菌等来形成杀伤力的
生物武器包括致病菌类、病毒类和生化毒剂类等,干扰素不属于生物武器。
2.阅读下列材料,回答下列问题。转入外源生长激素(GH)基因的鱼生长速度快,饵料转化率高,但鱼类易于逃逸、扩散,因此转基因鱼的生态安全性问题是很值得研究的问题。为防止转基因鱼对生态系统造成压力以及外源基因的扩散问题,我国科学家只是将三倍体的转基因鱼投入了自然生态系统。(1)转基因鱼培育成功的物质基础是 。 (2)已知人的GH是1种含有191个氨基酸的蛋白质,若将人的GH基因转移到鱼体内,则转基因鱼增加的脱氧核苷酸数至少是 个。 (3)转基因鱼通过较高的能量转化效率取得较高的特定生长率,以致其生长速度快于非转基因鱼,蛋白质转换效率也显著高于非转基因鱼,其可能的原因是 。
(4)鱼类易于逃逸、扩散,因此转基因鱼的生态安全性问题是很值得研究的问题,试分析引起生态安全性问题的原因。 。 (5)多倍体鱼类对控制过度繁殖是有效的,培育成功的三倍体新型鱼类,其形成过程是 。试从保障生态安全性角度分析只投放三倍体鱼的原因。 。
答案:(1)遗传物质都是DNA(2)1 146(3)转基因鱼体内合成了大量生长激素,生长激素能促进蛋白质合成(4)转基因鱼与同种野生鱼杂交,使野生鱼带有外源基因,具有生长优势,会使其捕食对象大量减少,与其他物种竞争加剧,可能引起生态危机(5)转基因的二倍体个体染色体加倍为四倍体转基因个体,然后二倍体与四倍体杂交形成三倍体 三倍体鱼不能繁殖,可以人工控制养殖数量和范围,避免发生杂交、竞争,引起生态危机
解析:(1)转基因技术就是通过基因拼接,把目的基因拼接到载体上,实质上是DNA之间的连接。(2)GH是含有191个氨基酸的蛋白质,蛋白质的氨基酸数目、控制蛋白质合成的mRNA上的碱基数目及控制蛋白质合成的DNA上的碱基数目的比值为1∶3∶6(只考虑编码氨基酸的序列),所以转基因鱼增加的脱氧核苷酸数至少是1 146个。(3)该转基因鱼转入的是生长激素基因,生长激素能促进生长,主要是促进蛋白质的合成和骨的生长。(4)由于鱼类具有易于逃逸、扩散的特点,当转基因鱼扩散到其他环境时,与其他种类的鱼杂交,被转入的基因就有可能转移到其他的鱼体内,造成基因污染;同时,由于该种转基因鱼具有生长优势,会使其捕食对象大量减少,在与其他物种竞争时优势明显,所以可能引起生态危机。(5)三倍体鱼不能产生正常的生殖细胞,无法繁殖后代,因此不会造成生态危机。
典型例题某一质粒载体如右图所示,外源DNA插入到Ampr或Tetr中会导致相应的基因失活(Ampr表示氨苄青霉素抗性基因,Tetr表示四环素抗性基因)。有人将此质粒载体用BamH Ⅰ 酶切后,与用BamH Ⅰ 酶切获得的目的基因混合,加入DNA连接酶进行连接反应,用得到的混合物直接转化大肠杆菌。结果大肠杆菌有的未被转化,有的被转化。被转化的大肠杆菌有三种,分别是含有环状目的基因的大肠杆菌、含有质粒载体的大肠杆菌、含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌。回答下列问题。
(1)质粒载体作为基因工程的工具,应具备的基本条件有 (答出2点即可),而作为基因表达载体,除满足上述基本条件外,还需具有启动子和终止子。 (2)如果用含有氨苄青霉素的培养基进行筛选,在上述四种大肠杆菌细胞中,未被转化的和仅含环状目的基因的细胞是不能区分的,其原因是 ;并且 和 的细胞也是不能区分的,其原因是 。在上述筛选的基础上,若要筛选含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌单菌落,还需使用含有 的固体培养基。 (3)基因工程中,某些噬菌体经改造后可以作为载体,其DNA复制所需的原料来自 。
答案:(1)能自我复制、具有标记基因 (2)二者均不含有氨苄青霉素抗性基因,在该培养基上均不生长 含有质粒载体 含有插入了目的基因的重组质粒(或含有重组质粒) 二者均含有氨苄青霉素抗性基因,在该培养基上均能生长 四环素(3)受体细胞
解析:(1)基因工程中的载体应具备如下条件:必须有一个至多个限制酶切割位点;具有自我复制能力;具有标记基因。(2)未转化的和仅含环状目的基因的细胞不能在含有氨苄青霉素的培养基上生长,故不能区分;而含有质粒载体和含有重组质粒的细胞在含有氨苄青霉素的培养基上都能生长,也不能区分。因目的基因插入位点在四环素抗性基因上,四环素抗性基因被破坏,丧失了原有的功能,故含有重组质粒的大肠杆菌不抗四环素。将获得的单个菌落各挑取少许分别接种到含有四环素的培养基上,不能生长的即为所筛选的菌落,即含有重组质粒的大肠杆菌。(3)噬菌体是营寄生生活的,利用受体细胞内的原料进行自身DNA的复制和蛋白质的合成。
整合构建1.切割某种目的基因的限制酶的选择
根据目的基因两端的限制酶切割位点选择合适的限制酶。(1)应选择切割位点位于目的基因两端的限制酶,如图甲可选择PstⅠ。(2)不能选择切割位点位于目的基因或标记基因内部的限制酶,如图甲、图乙不能选择SmaⅠ。(3)为避免目的基因和质粒的自身环化和随意连接,可使用不同的限制酶切割目的基因和质粒,如图甲可选择使用PstⅠ和EcRⅠ两种限制酶(但要确保质粒上也有这两种酶的切割位点,且标记基因内部没有这两种酶的切割位点)。
2.载体上标记基因的作用载体上的标记基因一般是一些抗生素抗性基因。目的基因要转入的受体细胞没有抵抗相关抗生素的能力。当含有抗生素抗性基因的载体进入受体细胞后,抗性基因在受体细胞内表达,使受体细胞能够抵抗相应抗生素,所以在受体细胞的培养体系中加入该种抗生素就可以筛选出导入载体的受体细胞,原理如下图所示。
易错易混关于基因工程的基本工具的8个易错点(1)限制酶是一类酶,而不是一种酶。(2)限制酶的化学本质为蛋白质,其作用的发挥需要适宜的理化条件,高温、强酸或强碱均易使之变性失活。(3)在切割目的基因和载体时要求用同种限制酶或能产生相同末端的限制酶,目的是产生相同的末端。(4)将一个基因从DNA分子上切割下来,需要切两处,同时产生四个末端。(5)不同DNA分子用同一种限制酶切割产生的末端都相同,同一个DNA分子用不同的限制酶切割,产生的末端一般不相同。
(6)限制酶切割位点应位于标记基因之外,不能破坏标记基因,以便进行检测。(7)基因工程中的载体与细胞膜上物质运输的载体不同。基因工程中的载体是DNA分子,能将目的基因导入受体细胞内;膜载体是蛋白质,与细胞膜的选择透过性有关。(8)基因工程中有三种工具,但工具酶只有两种。
训练突破1.某实验小组利用下图所示质粒和目的基因来构建基因表达载体,将目的基因导入大肠杆菌细胞并表达。下列叙述正确的是( )A.图中的质粒用酶A切割后,会产生8个游离的磷酸基团B.在构建重组质粒时,可用酶A和酶C切割质粒和目的基因C.成功导入目的基因的大肠杆菌可在含四环素的培养基中生长D.若用酶B和酶C切割,可以避免质粒的自身环化
限制酶每一次切割后会产生2个游离的磷酸基团,而图中的质粒含有2个酶A切割位点,用酶A切割后则会产生4个游离的磷酸基团,A项错误。在构建重组质粒时,可用酶B和酶C切割质粒和目的基因,假如用酶A切割质粒会破坏2个标记基因,B项错误。用酶B和酶C切割质粒时四环素抗性基因被破坏,成功导入目的基因的大肠杆菌不能在含四环素的培养基中生长,可在含氨苄青霉素的培养基中生长,C项错误。用两种限制酶切割可以避免质粒自身环化,D项正确。
2.科学家将拟南芥的抗寒基因(CBFl)转入香蕉中以获得抗寒的香蕉品种。下图是某质粒载体上的SacⅠ、XbaⅠ、EcRⅠ、Hind Ⅲ四种限制酶的切割位点示意图。据图回答下列问题。
(1)在该实验中为构建基因表达载体,用SacⅠ、XbaⅠ切下CBFl基因后,对质粒载体进行切割的限制酶是 ,理由是 。 (2)连接CBFl基因到该质粒载体后,作为基因表达载体的组成还必须有 。 (3)为了鉴别受体细胞中是否含有CBFl基因,可用含 的培养基进行筛选。 (4)科学家将生长健壮、苗龄一致的转基因香蕉(实验组)与非转基因香蕉(对照组)进行 处理,鉴定两组之间的抗寒性差异,如果 ,则说明获得了抗寒的香蕉优质品种。
答案:(1)SacⅠ、XbaⅠ 用同种限制酶切割载体和含有目的基因的DNA片段后,可产生相同的末端(2)启动子和终止子(3)氨苄青霉素(4)低温 实验组的抗寒能力明显高于对照组
典型例题为生产具有特定性能的α-淀粉酶,研究人员从某种海洋细菌中克隆了α-淀粉酶基因(1 656 个碱基对),利用基因工程大量制备α-淀粉酶,实验流程见下图。请回答下列问题。
(1)利用PCR技术扩增α-淀粉酶基因前,需先获得细菌的 。(2)为了便于扩增的DNA片段与表达载体连接,需在引物的 端加上限制酶切割位点,且常在两条引物上设计加入不同的限制酶切割位点,主要目的是 。 (3)进行扩增时,反应的温度和时间需根据具体情况进行设定,下列序号中 的设定与引物有关, 的设定与扩增片段的长度有关。(填序号)①变性温度 ②复性温度 ③延伸温度 ④变性时间 ⑤复性时间 ⑥延伸时间(4)下图表示筛选获得的工程菌中编码α-淀粉酶的mRNA 的部分碱基序列。5'-AUGCCAUCAACAAAUACUAACACUU……-3'图中虚线框内mRNA片段包含 个密码子,如虚线框后的序列未知,预测虚线框后的第1个密码子最多有 种。
(5)获得工程菌表达的α-淀粉酶后,为探究影响酶活性的因素,以质量分数为1%的可溶性淀粉为底物测定酶活性,结果见下表。
根据上述实验结果,初步判断该α-淀粉酶活性最高的条件为 。
答案:(1)基因组DNA(2)5' 使DNA片段能定向插入表达载体,减少自身环化(3)② ⑥(4)8 13(5)pH为8.5,缓冲液为物质的量浓度为50 mml/L的Tris-HCl
解析:(1)从海洋细菌中利用PCR技术扩增α-淀粉酶基因,首先要获得细菌的基因组DNA,再利用引物来获取α-淀粉酶基因。(2)由于PCR技术合成子链的方向是5'→3',引物是与子链连接的DNA单链或RNA链,所以应在引物的5'端加上限制酶切割位点。为保证DNA片段能定向插入表达载体中,避免DNA片段和载体自身环化以及DNA片段和表达载体任意拼接,常在两条引物上设计不同的限制酶切割位点。(3)引物与模板链结合属于复性,所以复性温度的设定与引物有关,扩增片段属于延伸,扩增片段的长度与延伸的时间有关。(4)密码子是指mRNA上3个相连的碱基,虚线框内有24个碱基,共构成8个密码子,虚线框后第1个密码子的第1个碱基是U,共可构成的密码子种类有4×4=16(种),其中有3种终止密码子(UAA、UAG、UGA),所以虚线框后的第一个密码子共有13种。(5)由题表可知,α-淀粉酶活性最高时的条件是pH为8.5,缓冲液为物质的量浓度为50 mml/L的Tris-HCl。
整合构建基因工程中的几种检测方法
训练突破科学家从某细菌中提取抗盐基因,转入烟草并培育成转基因抗盐烟草。下图是转基因抗盐烟草的培育过程,含目的基因的DNA和质粒上的箭头表示相关限制酶的酶切位点。请分析回答下列问题。
(1)在该过程中,研究人员首先获取了抗盐基因(目的基因),并采用 技术对目的基因进行扩增,该技术需要的条件是 、酶、4种脱氧核苷酸、DNA模板,该技术必须用 酶;然后构建基因表达载体,基因表达载体中除了具有目的基因、启动子和终止子之外,还需具有 。 (2)用图中的质粒和目的基因构建重组质粒,不能使用SmaⅠ酶切割,原因是 。图中①②过程为防止质粒和含目的基因的外源DNA片段自身环化,应选用 酶对外源DNA、质粒进行切割。 (3)为确定转基因抗盐烟草是否培育成功,既要用放射性同位素标记的 作探针进行分子水平的检测,又要在个体生物学水平鉴定,后者的具体过程是 。
答案:(1)PCR(聚合酶链式反应) 引物 耐高温的DNA聚合 标记基因(2)SmaⅠ会破坏质粒的抗性基因和外源DNA中的目的基因 BamHⅠ和HindⅢ(3)抗盐基因(或目的基因) 将培育的烟草幼苗栽培于含有一定盐的土壤中,观察该烟草植株的生长状态
解析:(1)由题意可知,抗盐基因属于目的基因,可采用PCR(聚合酶链式反应)技术扩增目的基因,该技术需要的条件是引物、酶、4种脱氧核苷酸、DNA模板,利用PCR技术扩增目的基因时,每次循环都是在90 ℃以上进行变性、在50 ℃左右时进行复性、在72 ℃左右时延伸,所以该技术需要用耐高温的DNA聚合酶。基因表达载体由目的基因、启动子、终止子、标记基因等组成。(2)由题图可知,质粒上的M抗生素抗性基因和目的基因中都含有SmaⅠ酶的酶切位点,若使用SmaⅠ酶切割,会破坏质粒的抗性基因和外源DNA中的目的基因,因此不能使用SmaⅠ酶切割。抗盐基因(或目的基因)的两侧都有EcRⅠ酶的酶切位点,因此用EcRⅠ酶切割目的基因会出现自身环化;BamHⅠ和HindⅢ的酶切位点分别位于目的基因的两侧,而且质粒中也有相应的酶切位点,因此用BamHⅠ和HindⅢ同时进行酶切,才能完整地切下该抗盐基因,同时保证目的基因与质粒的连接方式的唯一性,防止质粒和含目的基因的外源DNA片段自身环化。(3)检测目的基因是否导入受体细胞,在分子水平上进行检测时,要用放射性同位素标记的抗盐基因(或目的基因)作探针进行检测;在个体生物学水平上进行鉴定时,可将培养的烟草幼苗栽培于含有一定盐的土壤中,观察该植株的生长状态。
高考真题剖析【例题】 (2023山东卷)科研人员构建了可表达J-V5融合蛋白的重组质粒并进行了检测,该质粒的部分结构如图甲所示,其中V5编码序列表达标签短肽V5。
(1)与图甲中启动子结合的酶是 。除图甲中标出的结构外,作为载体,质粒还需具备的结构有 (答出2个结构即可)。(2)构建重组质粒后,为了确定J基因连接到质粒中且插入方向正确,需进行PCR检测,若仅用一对引物,应选择图甲中的引物 。已知J基因转录的模板链位于b链,由此可知引物F1与图甲中J基因的 (填“a链”或“b链”)相应部分的序列相同。 (3)重组质粒在受体细胞内正确表达后,用抗J蛋白抗体和抗V5抗体分别检测相应蛋白是否表达以及表达水平,结果如图乙所示。其中,出现条带1证明细胞内表达了 ,条带2所检出的蛋白 (填“是”或“不是”)由重组质粒上的J基因表达的。
核心素养考查点剖析:本题以表达J-V5融合蛋白的重组质粒为载体,重点考查了PCR的过程及基因表达产物的鉴定,较好地考查了“科学思维”这一学科素养。答案:(1)RNA聚合酶 复制原点、标记基因、限制酶识别(或切割)位点(2)F1和R2或者F2和R1 a链(3)J-V5融合蛋白 不是
解析:(1)启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位;质粒作为载体,必须具备启动子、终止子、标记基因、复制原点和限制酶识别(或切割)位点等。(2)为了确定J基因连接到质粒中且插入方向正确,可对J基因和质粒中原部分序列进行PCR扩增,则可选择F1和R2或者F2和R1作为引物;据“J基因转录的模板链位于b链”可判断左端为b链的3'-端,引物F1的左端为5'-端,可推知引物F1与b链间碱基互补配对,其与图甲中J基因的a链相应部分的序列相同。(3)据图乙可知,条带1既可与抗J蛋白抗体结合,又可与抗V5抗体结合,可推测出现条带1证明该细胞内合成了J蛋白和V5蛋白,即表达了J-V5融合蛋白;条带2只用抗J蛋白抗体检测出现,而用抗V5抗体检测未出现,说明该细胞表达的是单一的J蛋白,而非J-V5融合蛋白,可推测该J蛋白不是由重组质粒上的J基因表达的。
典题训练1.(2021全国乙卷)用DNA重组技术可以赋予生物新的遗传特性,创造出更符合人类需要的生物产品。在此过程中需要使用多种工具酶,其中4种限制性内切核酸酶的切割位点如下图所示。
回答下列问题。(1)常用的DNA连接酶有E.cli DNA连接酶和T4 DNA连接酶。上图中 酶切割后的 DNA片段可以用E.cli DNA连接酶连接。上图中 酶切割后的DNA片段可以用T4 DNA连接酶连接。 (2)DNA连接酶催化目的基因片段与质粒载体片段之间形成的化学键是 。 (3)DNA重组技术中所用的质粒载体具有一些特征。如质粒DNA分子上有复制原点,可以保证质粒在受体细胞中能 ;质粒DNA分子上有 ,便于外源DNA插入;质粒DNA分子上有标记基因(如某种抗生素抗性基因),利用抗生素可筛选出含质粒载体的宿主细胞,方法是 。 (4)表达载体含有启动子,启动子是指 。
答案:(1)EcRⅠ、PstⅠ EcRⅠ、SmaⅠ、PstⅠ、EcRⅤ(2)磷酸二酯键(3)自我复制 一个至多个限制酶切割位点 用含有该种抗生素的培养基培养宿主细胞,能存活的细胞含有质粒载体(4)一段有特殊结构的DNA片段,位于基因的首端,是RNA聚合酶识别和结合的部位
解析:(1)E.cli DNA连接酶只能连接黏性末端,故EcRⅠ、PstⅠ酶切割后的DNA片段可以用E.cli DNA连接酶连接;T4 DNA连接酶可以连接黏性末端和平末端,故EcRⅠ、SmaⅠ、PstⅠ、EcRⅤ酶切割后的DNA片段可以用T4 DNA连接酶连接。(2)DNA连接酶可催化目的基因片段与质粒载体片段之间形成磷酸二酯键。(3)复制原点可以确保质粒在受体细胞中能自我复制。质粒DNA分子上有一个至多个限制酶切割位点,酶切后可以产生不同的末端,便于外源DNA插入。标记基因有助于筛选出含质粒载体的宿主细胞,方法是用含有该种抗生素的培养基培养宿主细胞,不含质粒载体的细胞被抗生素杀死,能存活的细胞含有质粒载体。(4)启动子是一段有特殊结构的DNA片段,位于基因的首端,是RNA聚合酶识别和结合的部位。
2.(2021全国甲卷)PCR技术可用于临床的病原菌检测。为检测病人是否感染了某种病原菌,医生进行了相关操作:①分析PCR扩增结果;②从病人组织样本中提取DNA;③利用PCR扩增DNA片段;④采集病人组织样本。回答下列问题。(1)若要得到正确的检测结果,正确的操作顺序应该是 (用序号表示)。 (2)操作③中使用的酶是 。PCR反应中的每次循环可分为变性、复性、 三步,其中复性的结果是 。
(3)为了做出正确的诊断,PCR反应所用的引物应该能与 特异性结合。 (4)PCR(多聚酶链式反应)技术是指 。该技术目前被广泛地应用于疾病诊断等方面。
答案:(1)④②③①(2)DNA聚合酶 延伸 引物通过碱基互补配对与单链DNA结合(3)病原菌DNA(4)在生物体外大量快速扩增特定DNA片段的技术
1.概述基因工程是在遗传学、微生物学、生物化学和分子生物学等学科基础上发展而来的。2.阐明DNA重组技术的实现需要利用限制性内切核酸酶、DNA连接酶和载体三种基本工具。3.阐明基因工程的基本操作程序主要包括目的基因的获取、基因表达载体的构建、目的基因导入受体细胞和目的基因及其表达产物的检测鉴定等步骤。4.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。
5.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更符合人类需求的蛋白质。6.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。7.举例说出日常生活中的转基因产品。8.探讨转基因技术在应用过程中带来的影响。9.举例说出生殖性克隆人面临的伦理问题。10.分析说明我国为什么不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人实验。11.举例说明历史上生物武器对人类造成了严重的威胁与伤害。12.认同我国反对生物武器及其技术和设备的扩散。
1.运用列表比较法理解限制性内切核酸酶、DNA连接酶和载体的作用。2.运用实例分析法理解基因工程的原理与技术。
第一环节 必备知识落实
第二环节 关键能力形成
第三环节 核心素养提升
知识筛查1.基因工程的概念基因工程是指按照人们的愿望,通过转基因等技术,赋予生物新的遗传特性,创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。从技术操作层面看,由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的,因此又叫作重组DNA技术。
2.重组DNA技术的基本工具(1)限制性内切核酸酶——“分子手术刀”
(2)DNA连接酶——“分子缝合针”
(3)基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”①作用:将外源基因送入受体细胞中。②种类:质粒、噬菌体和动植物病毒等。③条件a.具有一个至多个限制酶切割位点,供外源DNA插入其中。b.能在受体细胞中进行自我复制,或整合到受体DNA上,随受体DNA同步复制。c.具有标记基因,便于重组DNA分子的筛选。
知识落实1.在基因工程中,可依据受体细胞的类型及其生理特性来选择合适的载体,既能高效地携带目的基因进入受体细胞,又能方便地进行检测。已知有下列几类含有不同标记基因的质粒,不可作为侵入大肠杆菌的载体的是(已知青霉素可杀死大肠杆菌,四环素不能杀死大肠杆菌)( )
大肠杆菌对四环素有抗性,该质粒上的四环素抗性基因不可作为标记基因,因此该质粒不能作为侵入大肠杆菌的载体。
2.用XhⅠ和SalⅠ两种限制性内切核酸酶分别处理同一DNA片段,酶切位点及酶切产物分离结果如下图所示。下列叙述错误的是( )A.图1中两种酶识别的核苷酸序列不同B.图2中酶切产物可用于构建重组DNAC.电泳条带①中是用SalⅠ处理得到的酶切产物D.图中被酶切的DNA片段是单链DNA
限制性内切核酸酶作用的是双链DNA片段,因此图中被酶切的DNA片段应是双链DNA。
知识筛查1.目的基因的筛选与获取(1)目的基因:主要是指编码蛋白质的基因。(2)获取目的基因的方法①筛选合适的目的基因:从相关的已知结构和功能清晰的基因中进行筛选是较为有效的方法之一。②利用PCR获取和扩增目的基因a.PCR的原理:DNA半保留复制。
b.PCR的过程变性:加热到90 ℃以上,双链DNA解聚为单链
复性:冷却到50 ℃左右,引物与两条单链DNA结合
延伸:加热至72 ℃左右,耐高温的DNA聚合酶从引物开始进行互补链的合成
c.特点:成指数形式扩增。d.条件:缓冲液、DNA模板、2种引物、4种脱氧核苷酸、耐高温的DNA聚合酶等。
2.基因表达载体的构建——基因工程的核心(1)功能要让目的基因在受体细胞中稳定存在,并且遗传给下一代,使目的基因能够表达和发挥作用。(2)基因表达载体的组成:启动子+目的基因+终止子+标记基因(如抗生素抗性基因)。(3)基因表达载体的构建过程
3.将目的基因导入受体细胞(1)将目的基因导入植物细胞常用的方法有花粉管通道法、农杆菌转化法。(2)将目的基因导入动物受精卵最常用的一种方法是利用显微注射将目的基因注入动物的受精卵中。(3)在基因工程操作中,常用原核生物作为受体细胞,其中以大肠杆菌应用最为广泛。研究人员一般先用Ca2+处理大肠杆菌细胞,使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态,然后再将重组的基因表达载体导入其中。
4.目的基因的检测与鉴定
5.基因工程的应用(1)在农牧业方面的应用:基因工程技术已被广泛用于改良动植物品种、提高作物和畜产品的产量等方面。(2)在医药卫生领域的应用①基因工程药物主要包括细胞因子、抗体、疫苗和激素等。②乳腺生物反应器或乳房生物反应器。③转基因动物作器官移植的供体。(3)在食品工业方面的应用生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。
易错易混(1)目的基因不能单独进入受体细胞,必须以表达载体的方式进入。(2)启动子不等同于起始密码子,终止子不等同于终止密码子。启动子和终止子位于基因表达载体上,都是DNA片段,分别控制转录过程的启动和终止;起始密码子和终止密码子位于mRNA上,分别控制翻译过程的启动和终止。
知识落实1.(不定项选择题)下图为利用基因工程培育抗虫植物的示意图。下列相关叙述错误的是( )A.②的构建需要限制性内切核酸酶和DNA聚合酶参与B.③侵染植物细胞后,重组Ti质粒整合到④的染色体上C.④的染色体上若含抗虫基因,则⑤表现出抗虫性状D.⑤只要表现出抗虫性状就表明植株发生了可遗传变异
构建重组质粒需要用到限制性内切核酸酶和DNA连接酶,不需要DNA聚合酶,A项错误。含重组Ti质粒的农杆菌侵染植物细胞后,重组Ti质粒上的T-DNA整合到受体细胞的染色体DNA上,而不是重组Ti质粒整合到受体细胞的染色体上,B项错误。导入受体细胞的目的基因表达后,转基因植株能表现出相应性状,若目的基因在受体细胞中不表达,则转基因植株不能表现出相应性状,C项错误。若植株表现出抗虫性状,则表明该植株细胞发生了基因重组,基因重组是可遗传变异,D项正确。
2.为了有效控制水稻害虫的危害,科学家成功地获得了转Bt基因的二倍体水稻。该基因来源于苏云金杆菌,基因的表达产物Bt抗虫蛋白具有良好的杀虫效果。请回答下列问题。(1)若知道Bt抗虫蛋白的氨基酸序列,则可以推测出Bt基因的核苷酸序列,但推测出的核苷酸序列并不是唯一的,其原因是 。(2)将Bt基因导入水稻细胞中时不宜采用农杆菌转化法,最可能的原因是 。 (3)可采用抗虫接种实验的方法,在 水平上鉴定Bt基因在受体植株内是否成功表达。
答案:(1)密码子的简并(2)水稻是单子叶植物,而农杆菌对大多数单子叶植物没有侵染能力(3)个体生物学
知识点三 蛋白质工程知识筛查1.概念理解(1)基础:蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。(2)操作:改造或合成基因。(3)结果:改造现有蛋白质或制造一种新的蛋白质。(4)目的:满足人类生产和生活的需求。
2.蛋白质工程的基本思路从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列↓获得所需要的蛋白质←找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因
3.蛋白质工程的应用①医药工业方面:研发药物,如延长干扰素的保存时间;降低小鼠单克隆抗体诱发免疫反应的强度。②其他工业方面:改进酶的性能或开发新的工业用酶。③农业方面:通过改造某些参与调控光合作用的酶,增加粮食产量;改造微生物蛋白质的结构,设计优良微生物农药,防治病虫害。
知识落实1.T4溶菌酶在高温时易失去活性。研究人员对编码T4溶菌酶的基因进行改造,使T4溶菌酶第3位的异亮氨酸变为半胱氨酸,该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成1个二硫键,提高了酶的耐热性。下列相关叙述正确的是( )A.T4溶菌酶耐热性提高的原因是组成该酶的氨基酸数量发生了改变B.对T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程,自然界中的酶都可通过蛋白质工程进行改造C.蛋白质工程与中心法则的流动方向一致,即DNA→mRNA→蛋白质D.若高温使蛋白质分子的空间结构发生改变,蛋白质的功能也会受到影响
在该过程中,T4溶菌酶的氨基酸数量没有发生改变。对T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程,蛋白质工程只能用于改造蛋白质类的酶,自然界中的酶有些是RNA,RNA类的酶无法通过蛋白质工程进行改造。蛋白质工程与中心法则的流动方向相反,即预期蛋白质的功能→设计预期蛋白质的结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列或合成新的基因。若高温使蛋白质分子的空间结构发生改变,则蛋白质的功能会受到影响。
2.干扰素是动物体内合成的一种蛋白质,可以用于治疗病毒感染和癌症,如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸,在一定条件下可以延长保存时间。蛋白质的合成是受基因控制的,因此获得能够控制合成“可以保存的干扰素”的基因是生产的关键,依据以下技术原理,设计实验流程,让动物生产“可以保存的干扰素”。
(1)上图流程属于 工程的基本思路。流程中的A是 ,流程B是 。 (2)蛋白质工程实施的难度很大,原因是蛋白质具有十分复杂的 结构。 (3)对天然蛋白质进行改造,应该通过直接对 (填“蛋白质分子”或“基因”)进行操作来实现。
答案:(1)蛋白质 预期的蛋白质功能 应有的氨基酸序列 (2)空间(或高级) (3)基因
知识筛查1.原理(1)DNA不溶于酒精,但某些蛋白质溶于酒精,利用这一原理,可以初步分离DNA与蛋白质。(2)DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同,它能溶于物质的量浓度为2 ml/L的NaCl溶液。 (3)在一定温度下,DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色,因此二苯胺试剂可以作为鉴定DNA的试剂。
知识落实1.(2023广东卷)“DNA粗提取与鉴定”实验的基本过程是:裂解→分离→沉淀→鉴定。下列叙述错误的是( )A.裂解:使细胞破裂释放出DNA等物质B.分离:可去除混合物中的多糖、蛋白质等C.沉淀:可反复多次以提高DNA的纯度D.鉴定:加入二苯胺试剂后即呈现蓝色
细胞破裂后才能释放出其中的DNA,A项正确。分离的目的是将混合物中的一些非DNA杂质去除,例如多糖和蛋白质,B项正确。通过反复沉淀可以去除杂质,提高DNA的纯度,C项正确。鉴定DNA时,加入二苯胺后需要水浴加热,D项错误。
2.(2022山东卷)关于“DNA的粗提取与鉴定”实验,下列说法错误的是( )A.过滤液沉淀过程在4 ℃冰箱中进行是为了防止DNA降解B.离心研磨液是为了加速DNA的沉淀C.在一定温度下,DNA遇二苯胺试剂呈现蓝色D.粗提取的DNA中可能含有蛋白质
低温时DNA酶的活性较低,过滤液沉淀过程在4 ℃冰箱中进行是为了防止DNA降解,A项正确。离心研磨液是为了使细胞碎片沉淀,B项错误。沸水浴条件下,DNA遇二苯胺试剂呈现蓝色,C项正确。由于是粗提取,粗提取的DNA中很可能含有蛋白质,D项正确。
知识筛查1.转基因产品的安全性(1)转基因成果令人叹为观止①对微生物的基因改造是基因工程中研究最早、最广泛和取得实际应用成果最多的领域,这是因为微生物具有生理结构和遗传物质简单、生长繁殖快、对环境因素敏感和容易进行遗传物质操作等优点。②转基因动物:培育了一批生长迅速、营养品质优良的转基因家禽、家畜;培育了抵抗相应病毒的动物新品种;建立了某些人类疾病的转基因动物模型,模拟疾病的发生和发展过程,为研究该疾病的致病机制和开发治疗药物提供依据等。③转基因植物:培育出了大批具有抗虫、抗病、抗除草剂和耐储藏等新性状的作物。
(2)理性看待转基因技术①我国对转基因技术的方针是一贯的、明确的,就是研究上要大胆,坚持自主创新;推广上要慎重,做到确保安全;管理上要严格,坚持依法监管。②国务院颁布了《农业转基因生物安全管理条例》;国家有关部门制定实施了《农业转基因生物安全评价管理办法》《农业转基因生物进口安全管理办法》《农业转基因生物标识管理办法》《农业转基因生物加工审批办法》和《进出境转基因产品检验检疫管理办法》。
2.关注生殖性克隆人(1)概念①生殖性克隆是指通过克隆技术产生独立生存的新个体。②治疗性克隆是指利用克隆技术产生特定的细胞、组织和器官,用它们来修复或替代受损的细胞、组织和器官,从而达到治疗疾病的目的。(2)我国禁止生殖性克隆人①我国政府的态度:坚决反对克隆人,不允许进行任何生殖性克隆人实验。②我国政府一再重申四不原则:不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人实验。③我国政府同样重视治疗性克隆所涉及的伦理问题,主张对治疗性克隆进行有效监控和严格审查。
3.禁止生物武器(1)生物武器的种类、特点及危害①种类:致病菌类、病毒类、生化毒剂类等。②特点:致病能力强、攻击范围广。③散布方式和危害:可以直接或者通过食物、生活必需品和带菌昆虫等散布,经由呼吸道、消化道和皮肤等侵入人、畜体内,造成大规模伤亡,也能大量损害植物。(2)我国政府观点:在任何情况下不发展、不生产、不储存生物武器,并反对生物武器及其技术和设备的扩散。
知识落实1.生物技术的安全性与伦理问题是社会关注的热点。下列叙述错误的是( )A.应严格选择转基因植物的目的基因,避免产生对人类有害的物质B.当今社会的普遍观点是禁止生殖性克隆人的实验,但不反对治疗性克隆C.反对“设计试管婴儿”的原因之一是有人滥用此技术选择性设计婴儿D.生物武器是用微生物、毒素、干扰素及重组致病菌等来形成杀伤力的
生物武器包括致病菌类、病毒类和生化毒剂类等,干扰素不属于生物武器。
2.阅读下列材料,回答下列问题。转入外源生长激素(GH)基因的鱼生长速度快,饵料转化率高,但鱼类易于逃逸、扩散,因此转基因鱼的生态安全性问题是很值得研究的问题。为防止转基因鱼对生态系统造成压力以及外源基因的扩散问题,我国科学家只是将三倍体的转基因鱼投入了自然生态系统。(1)转基因鱼培育成功的物质基础是 。 (2)已知人的GH是1种含有191个氨基酸的蛋白质,若将人的GH基因转移到鱼体内,则转基因鱼增加的脱氧核苷酸数至少是 个。 (3)转基因鱼通过较高的能量转化效率取得较高的特定生长率,以致其生长速度快于非转基因鱼,蛋白质转换效率也显著高于非转基因鱼,其可能的原因是 。
(4)鱼类易于逃逸、扩散,因此转基因鱼的生态安全性问题是很值得研究的问题,试分析引起生态安全性问题的原因。 。 (5)多倍体鱼类对控制过度繁殖是有效的,培育成功的三倍体新型鱼类,其形成过程是 。试从保障生态安全性角度分析只投放三倍体鱼的原因。 。
答案:(1)遗传物质都是DNA(2)1 146(3)转基因鱼体内合成了大量生长激素,生长激素能促进蛋白质合成(4)转基因鱼与同种野生鱼杂交,使野生鱼带有外源基因,具有生长优势,会使其捕食对象大量减少,与其他物种竞争加剧,可能引起生态危机(5)转基因的二倍体个体染色体加倍为四倍体转基因个体,然后二倍体与四倍体杂交形成三倍体 三倍体鱼不能繁殖,可以人工控制养殖数量和范围,避免发生杂交、竞争,引起生态危机
解析:(1)转基因技术就是通过基因拼接,把目的基因拼接到载体上,实质上是DNA之间的连接。(2)GH是含有191个氨基酸的蛋白质,蛋白质的氨基酸数目、控制蛋白质合成的mRNA上的碱基数目及控制蛋白质合成的DNA上的碱基数目的比值为1∶3∶6(只考虑编码氨基酸的序列),所以转基因鱼增加的脱氧核苷酸数至少是1 146个。(3)该转基因鱼转入的是生长激素基因,生长激素能促进生长,主要是促进蛋白质的合成和骨的生长。(4)由于鱼类具有易于逃逸、扩散的特点,当转基因鱼扩散到其他环境时,与其他种类的鱼杂交,被转入的基因就有可能转移到其他的鱼体内,造成基因污染;同时,由于该种转基因鱼具有生长优势,会使其捕食对象大量减少,在与其他物种竞争时优势明显,所以可能引起生态危机。(5)三倍体鱼不能产生正常的生殖细胞,无法繁殖后代,因此不会造成生态危机。
典型例题某一质粒载体如右图所示,外源DNA插入到Ampr或Tetr中会导致相应的基因失活(Ampr表示氨苄青霉素抗性基因,Tetr表示四环素抗性基因)。有人将此质粒载体用BamH Ⅰ 酶切后,与用BamH Ⅰ 酶切获得的目的基因混合,加入DNA连接酶进行连接反应,用得到的混合物直接转化大肠杆菌。结果大肠杆菌有的未被转化,有的被转化。被转化的大肠杆菌有三种,分别是含有环状目的基因的大肠杆菌、含有质粒载体的大肠杆菌、含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌。回答下列问题。
(1)质粒载体作为基因工程的工具,应具备的基本条件有 (答出2点即可),而作为基因表达载体,除满足上述基本条件外,还需具有启动子和终止子。 (2)如果用含有氨苄青霉素的培养基进行筛选,在上述四种大肠杆菌细胞中,未被转化的和仅含环状目的基因的细胞是不能区分的,其原因是 ;并且 和 的细胞也是不能区分的,其原因是 。在上述筛选的基础上,若要筛选含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌单菌落,还需使用含有 的固体培养基。 (3)基因工程中,某些噬菌体经改造后可以作为载体,其DNA复制所需的原料来自 。
答案:(1)能自我复制、具有标记基因 (2)二者均不含有氨苄青霉素抗性基因,在该培养基上均不生长 含有质粒载体 含有插入了目的基因的重组质粒(或含有重组质粒) 二者均含有氨苄青霉素抗性基因,在该培养基上均能生长 四环素(3)受体细胞
解析:(1)基因工程中的载体应具备如下条件:必须有一个至多个限制酶切割位点;具有自我复制能力;具有标记基因。(2)未转化的和仅含环状目的基因的细胞不能在含有氨苄青霉素的培养基上生长,故不能区分;而含有质粒载体和含有重组质粒的细胞在含有氨苄青霉素的培养基上都能生长,也不能区分。因目的基因插入位点在四环素抗性基因上,四环素抗性基因被破坏,丧失了原有的功能,故含有重组质粒的大肠杆菌不抗四环素。将获得的单个菌落各挑取少许分别接种到含有四环素的培养基上,不能生长的即为所筛选的菌落,即含有重组质粒的大肠杆菌。(3)噬菌体是营寄生生活的,利用受体细胞内的原料进行自身DNA的复制和蛋白质的合成。
整合构建1.切割某种目的基因的限制酶的选择
根据目的基因两端的限制酶切割位点选择合适的限制酶。(1)应选择切割位点位于目的基因两端的限制酶,如图甲可选择PstⅠ。(2)不能选择切割位点位于目的基因或标记基因内部的限制酶,如图甲、图乙不能选择SmaⅠ。(3)为避免目的基因和质粒的自身环化和随意连接,可使用不同的限制酶切割目的基因和质粒,如图甲可选择使用PstⅠ和EcRⅠ两种限制酶(但要确保质粒上也有这两种酶的切割位点,且标记基因内部没有这两种酶的切割位点)。
2.载体上标记基因的作用载体上的标记基因一般是一些抗生素抗性基因。目的基因要转入的受体细胞没有抵抗相关抗生素的能力。当含有抗生素抗性基因的载体进入受体细胞后,抗性基因在受体细胞内表达,使受体细胞能够抵抗相应抗生素,所以在受体细胞的培养体系中加入该种抗生素就可以筛选出导入载体的受体细胞,原理如下图所示。
易错易混关于基因工程的基本工具的8个易错点(1)限制酶是一类酶,而不是一种酶。(2)限制酶的化学本质为蛋白质,其作用的发挥需要适宜的理化条件,高温、强酸或强碱均易使之变性失活。(3)在切割目的基因和载体时要求用同种限制酶或能产生相同末端的限制酶,目的是产生相同的末端。(4)将一个基因从DNA分子上切割下来,需要切两处,同时产生四个末端。(5)不同DNA分子用同一种限制酶切割产生的末端都相同,同一个DNA分子用不同的限制酶切割,产生的末端一般不相同。
(6)限制酶切割位点应位于标记基因之外,不能破坏标记基因,以便进行检测。(7)基因工程中的载体与细胞膜上物质运输的载体不同。基因工程中的载体是DNA分子,能将目的基因导入受体细胞内;膜载体是蛋白质,与细胞膜的选择透过性有关。(8)基因工程中有三种工具,但工具酶只有两种。
训练突破1.某实验小组利用下图所示质粒和目的基因来构建基因表达载体,将目的基因导入大肠杆菌细胞并表达。下列叙述正确的是( )A.图中的质粒用酶A切割后,会产生8个游离的磷酸基团B.在构建重组质粒时,可用酶A和酶C切割质粒和目的基因C.成功导入目的基因的大肠杆菌可在含四环素的培养基中生长D.若用酶B和酶C切割,可以避免质粒的自身环化
限制酶每一次切割后会产生2个游离的磷酸基团,而图中的质粒含有2个酶A切割位点,用酶A切割后则会产生4个游离的磷酸基团,A项错误。在构建重组质粒时,可用酶B和酶C切割质粒和目的基因,假如用酶A切割质粒会破坏2个标记基因,B项错误。用酶B和酶C切割质粒时四环素抗性基因被破坏,成功导入目的基因的大肠杆菌不能在含四环素的培养基中生长,可在含氨苄青霉素的培养基中生长,C项错误。用两种限制酶切割可以避免质粒自身环化,D项正确。
2.科学家将拟南芥的抗寒基因(CBFl)转入香蕉中以获得抗寒的香蕉品种。下图是某质粒载体上的SacⅠ、XbaⅠ、EcRⅠ、Hind Ⅲ四种限制酶的切割位点示意图。据图回答下列问题。
(1)在该实验中为构建基因表达载体,用SacⅠ、XbaⅠ切下CBFl基因后,对质粒载体进行切割的限制酶是 ,理由是 。 (2)连接CBFl基因到该质粒载体后,作为基因表达载体的组成还必须有 。 (3)为了鉴别受体细胞中是否含有CBFl基因,可用含 的培养基进行筛选。 (4)科学家将生长健壮、苗龄一致的转基因香蕉(实验组)与非转基因香蕉(对照组)进行 处理,鉴定两组之间的抗寒性差异,如果 ,则说明获得了抗寒的香蕉优质品种。
答案:(1)SacⅠ、XbaⅠ 用同种限制酶切割载体和含有目的基因的DNA片段后,可产生相同的末端(2)启动子和终止子(3)氨苄青霉素(4)低温 实验组的抗寒能力明显高于对照组
典型例题为生产具有特定性能的α-淀粉酶,研究人员从某种海洋细菌中克隆了α-淀粉酶基因(1 656 个碱基对),利用基因工程大量制备α-淀粉酶,实验流程见下图。请回答下列问题。
(1)利用PCR技术扩增α-淀粉酶基因前,需先获得细菌的 。(2)为了便于扩增的DNA片段与表达载体连接,需在引物的 端加上限制酶切割位点,且常在两条引物上设计加入不同的限制酶切割位点,主要目的是 。 (3)进行扩增时,反应的温度和时间需根据具体情况进行设定,下列序号中 的设定与引物有关, 的设定与扩增片段的长度有关。(填序号)①变性温度 ②复性温度 ③延伸温度 ④变性时间 ⑤复性时间 ⑥延伸时间(4)下图表示筛选获得的工程菌中编码α-淀粉酶的mRNA 的部分碱基序列。5'-AUGCCAUCAACAAAUACUAACACUU……-3'图中虚线框内mRNA片段包含 个密码子,如虚线框后的序列未知,预测虚线框后的第1个密码子最多有 种。
(5)获得工程菌表达的α-淀粉酶后,为探究影响酶活性的因素,以质量分数为1%的可溶性淀粉为底物测定酶活性,结果见下表。
根据上述实验结果,初步判断该α-淀粉酶活性最高的条件为 。
答案:(1)基因组DNA(2)5' 使DNA片段能定向插入表达载体,减少自身环化(3)② ⑥(4)8 13(5)pH为8.5,缓冲液为物质的量浓度为50 mml/L的Tris-HCl
解析:(1)从海洋细菌中利用PCR技术扩增α-淀粉酶基因,首先要获得细菌的基因组DNA,再利用引物来获取α-淀粉酶基因。(2)由于PCR技术合成子链的方向是5'→3',引物是与子链连接的DNA单链或RNA链,所以应在引物的5'端加上限制酶切割位点。为保证DNA片段能定向插入表达载体中,避免DNA片段和载体自身环化以及DNA片段和表达载体任意拼接,常在两条引物上设计不同的限制酶切割位点。(3)引物与模板链结合属于复性,所以复性温度的设定与引物有关,扩增片段属于延伸,扩增片段的长度与延伸的时间有关。(4)密码子是指mRNA上3个相连的碱基,虚线框内有24个碱基,共构成8个密码子,虚线框后第1个密码子的第1个碱基是U,共可构成的密码子种类有4×4=16(种),其中有3种终止密码子(UAA、UAG、UGA),所以虚线框后的第一个密码子共有13种。(5)由题表可知,α-淀粉酶活性最高时的条件是pH为8.5,缓冲液为物质的量浓度为50 mml/L的Tris-HCl。
整合构建基因工程中的几种检测方法
训练突破科学家从某细菌中提取抗盐基因,转入烟草并培育成转基因抗盐烟草。下图是转基因抗盐烟草的培育过程,含目的基因的DNA和质粒上的箭头表示相关限制酶的酶切位点。请分析回答下列问题。
(1)在该过程中,研究人员首先获取了抗盐基因(目的基因),并采用 技术对目的基因进行扩增,该技术需要的条件是 、酶、4种脱氧核苷酸、DNA模板,该技术必须用 酶;然后构建基因表达载体,基因表达载体中除了具有目的基因、启动子和终止子之外,还需具有 。 (2)用图中的质粒和目的基因构建重组质粒,不能使用SmaⅠ酶切割,原因是 。图中①②过程为防止质粒和含目的基因的外源DNA片段自身环化,应选用 酶对外源DNA、质粒进行切割。 (3)为确定转基因抗盐烟草是否培育成功,既要用放射性同位素标记的 作探针进行分子水平的检测,又要在个体生物学水平鉴定,后者的具体过程是 。
答案:(1)PCR(聚合酶链式反应) 引物 耐高温的DNA聚合 标记基因(2)SmaⅠ会破坏质粒的抗性基因和外源DNA中的目的基因 BamHⅠ和HindⅢ(3)抗盐基因(或目的基因) 将培育的烟草幼苗栽培于含有一定盐的土壤中,观察该烟草植株的生长状态
解析:(1)由题意可知,抗盐基因属于目的基因,可采用PCR(聚合酶链式反应)技术扩增目的基因,该技术需要的条件是引物、酶、4种脱氧核苷酸、DNA模板,利用PCR技术扩增目的基因时,每次循环都是在90 ℃以上进行变性、在50 ℃左右时进行复性、在72 ℃左右时延伸,所以该技术需要用耐高温的DNA聚合酶。基因表达载体由目的基因、启动子、终止子、标记基因等组成。(2)由题图可知,质粒上的M抗生素抗性基因和目的基因中都含有SmaⅠ酶的酶切位点,若使用SmaⅠ酶切割,会破坏质粒的抗性基因和外源DNA中的目的基因,因此不能使用SmaⅠ酶切割。抗盐基因(或目的基因)的两侧都有EcRⅠ酶的酶切位点,因此用EcRⅠ酶切割目的基因会出现自身环化;BamHⅠ和HindⅢ的酶切位点分别位于目的基因的两侧,而且质粒中也有相应的酶切位点,因此用BamHⅠ和HindⅢ同时进行酶切,才能完整地切下该抗盐基因,同时保证目的基因与质粒的连接方式的唯一性,防止质粒和含目的基因的外源DNA片段自身环化。(3)检测目的基因是否导入受体细胞,在分子水平上进行检测时,要用放射性同位素标记的抗盐基因(或目的基因)作探针进行检测;在个体生物学水平上进行鉴定时,可将培养的烟草幼苗栽培于含有一定盐的土壤中,观察该植株的生长状态。
高考真题剖析【例题】 (2023山东卷)科研人员构建了可表达J-V5融合蛋白的重组质粒并进行了检测,该质粒的部分结构如图甲所示,其中V5编码序列表达标签短肽V5。
(1)与图甲中启动子结合的酶是 。除图甲中标出的结构外,作为载体,质粒还需具备的结构有 (答出2个结构即可)。(2)构建重组质粒后,为了确定J基因连接到质粒中且插入方向正确,需进行PCR检测,若仅用一对引物,应选择图甲中的引物 。已知J基因转录的模板链位于b链,由此可知引物F1与图甲中J基因的 (填“a链”或“b链”)相应部分的序列相同。 (3)重组质粒在受体细胞内正确表达后,用抗J蛋白抗体和抗V5抗体分别检测相应蛋白是否表达以及表达水平,结果如图乙所示。其中,出现条带1证明细胞内表达了 ,条带2所检出的蛋白 (填“是”或“不是”)由重组质粒上的J基因表达的。
核心素养考查点剖析:本题以表达J-V5融合蛋白的重组质粒为载体,重点考查了PCR的过程及基因表达产物的鉴定,较好地考查了“科学思维”这一学科素养。答案:(1)RNA聚合酶 复制原点、标记基因、限制酶识别(或切割)位点(2)F1和R2或者F2和R1 a链(3)J-V5融合蛋白 不是
解析:(1)启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位;质粒作为载体,必须具备启动子、终止子、标记基因、复制原点和限制酶识别(或切割)位点等。(2)为了确定J基因连接到质粒中且插入方向正确,可对J基因和质粒中原部分序列进行PCR扩增,则可选择F1和R2或者F2和R1作为引物;据“J基因转录的模板链位于b链”可判断左端为b链的3'-端,引物F1的左端为5'-端,可推知引物F1与b链间碱基互补配对,其与图甲中J基因的a链相应部分的序列相同。(3)据图乙可知,条带1既可与抗J蛋白抗体结合,又可与抗V5抗体结合,可推测出现条带1证明该细胞内合成了J蛋白和V5蛋白,即表达了J-V5融合蛋白;条带2只用抗J蛋白抗体检测出现,而用抗V5抗体检测未出现,说明该细胞表达的是单一的J蛋白,而非J-V5融合蛋白,可推测该J蛋白不是由重组质粒上的J基因表达的。
典题训练1.(2021全国乙卷)用DNA重组技术可以赋予生物新的遗传特性,创造出更符合人类需要的生物产品。在此过程中需要使用多种工具酶,其中4种限制性内切核酸酶的切割位点如下图所示。
回答下列问题。(1)常用的DNA连接酶有E.cli DNA连接酶和T4 DNA连接酶。上图中 酶切割后的 DNA片段可以用E.cli DNA连接酶连接。上图中 酶切割后的DNA片段可以用T4 DNA连接酶连接。 (2)DNA连接酶催化目的基因片段与质粒载体片段之间形成的化学键是 。 (3)DNA重组技术中所用的质粒载体具有一些特征。如质粒DNA分子上有复制原点,可以保证质粒在受体细胞中能 ;质粒DNA分子上有 ,便于外源DNA插入;质粒DNA分子上有标记基因(如某种抗生素抗性基因),利用抗生素可筛选出含质粒载体的宿主细胞,方法是 。 (4)表达载体含有启动子,启动子是指 。
答案:(1)EcRⅠ、PstⅠ EcRⅠ、SmaⅠ、PstⅠ、EcRⅤ(2)磷酸二酯键(3)自我复制 一个至多个限制酶切割位点 用含有该种抗生素的培养基培养宿主细胞,能存活的细胞含有质粒载体(4)一段有特殊结构的DNA片段,位于基因的首端,是RNA聚合酶识别和结合的部位
解析:(1)E.cli DNA连接酶只能连接黏性末端,故EcRⅠ、PstⅠ酶切割后的DNA片段可以用E.cli DNA连接酶连接;T4 DNA连接酶可以连接黏性末端和平末端,故EcRⅠ、SmaⅠ、PstⅠ、EcRⅤ酶切割后的DNA片段可以用T4 DNA连接酶连接。(2)DNA连接酶可催化目的基因片段与质粒载体片段之间形成磷酸二酯键。(3)复制原点可以确保质粒在受体细胞中能自我复制。质粒DNA分子上有一个至多个限制酶切割位点,酶切后可以产生不同的末端,便于外源DNA插入。标记基因有助于筛选出含质粒载体的宿主细胞,方法是用含有该种抗生素的培养基培养宿主细胞,不含质粒载体的细胞被抗生素杀死,能存活的细胞含有质粒载体。(4)启动子是一段有特殊结构的DNA片段,位于基因的首端,是RNA聚合酶识别和结合的部位。
2.(2021全国甲卷)PCR技术可用于临床的病原菌检测。为检测病人是否感染了某种病原菌,医生进行了相关操作:①分析PCR扩增结果;②从病人组织样本中提取DNA;③利用PCR扩增DNA片段;④采集病人组织样本。回答下列问题。(1)若要得到正确的检测结果,正确的操作顺序应该是 (用序号表示)。 (2)操作③中使用的酶是 。PCR反应中的每次循环可分为变性、复性、 三步,其中复性的结果是 。
(3)为了做出正确的诊断,PCR反应所用的引物应该能与 特异性结合。 (4)PCR(多聚酶链式反应)技术是指 。该技术目前被广泛地应用于疾病诊断等方面。
答案:(1)④②③①(2)DNA聚合酶 延伸 引物通过碱基互补配对与单链DNA结合(3)病原菌DNA(4)在生物体外大量快速扩增特定DNA片段的技术
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