新高考生物一轮复习课件：第38讲　基因工程的应用及蛋白质工程（含解析）

这是一份新高考生物一轮复习课件：第38讲　基因工程的应用及蛋白质工程（含解析），共42页。PPT课件主要包含了素养目标，抗除草剂，生长速率，乳腺蛋白基因的，启动子，显微注射，生物功能，蛋白质，基因合成，蛋白质功能等内容，欢迎下载使用。

一、基因工程的应用1.基因工程在农牧业方面的应用
2.食品工业方面生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。例如,利用转基因技术大量生产凝乳酶。
3.医药卫生领域(1)器官移植:用转基因动物作器官移植的　　　　,例如抑制或设法除去抗原决定基因,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猪器官。 (2)乳腺生物反应器:让外源基因在哺乳动物的乳腺中特异性表达,利用动物的乳腺组织生产药物蛋白。
旁栏边角(选择性必修3,第91页,“正文”拓展)利用转基因细菌能否直接生产干扰素等化学本质为糖蛋白的药物?为什么?
提示 利用转基因细菌不能直接生产糖蛋白类的产品,因为细菌中只有核糖体,没有内质网和高尔基体等其他细胞器。
易错辨析基于对基因工程应用的理解,判断下列表述是否正确。(1)将人的干扰素基因重组到质粒后导入大肠杆菌,获得能产生人干扰素的菌株。(　　)(2)利用乳腺生物反应器能够获得一些重要的医药产品,如人的血清白蛋白,这是因为将人的血清白蛋白基因导入了动物的乳腺细胞中。(　　)(3)由大肠杆菌工程菌获得人的干扰素后可直接应用。(　　)
二、蛋白质工程1.蛋白质工程的原理和应用(1)蛋白质工程的概念
(2)基本思路从预期的　　　　　　　　出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的　　　　　　　→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成　　　　　　→获得所需要的蛋白质
(3)蛋白质工程的应用
2.蛋白质工程与基因工程的区别和联系
易错辨析基于对蛋白质工程的理解,判断下列表述是否正确。(1)蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质。(　　)(2)蛋白质工程可以合成自然界中不存在的蛋白质。(　　)(3)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。(　　)
考向探究考向1借助基因工程的应用,考查科学思维和社会责任1.(2022山东肥城模拟)核酸疫苗是将编码某种抗原蛋白的外源基因(DNA或RNA)导入动物体细胞内,并通过宿主细胞的表达系统合成抗原蛋白,诱导宿主产生对该抗原蛋白的免疫应答,以达到预防和治疗疾病的目的。下图为针对某种RNA病毒抗原(S蛋白)研制DNA疫苗和RNA疫苗的思路:
下列相关叙述正确的是(　　)A.该疫苗中核酸可作为抗原刺激人体产生体液免疫B.步骤①中对S蛋白基因进行扩增,需要用到DNA聚合酶和解旋酶C.步骤②构建重组表达载体,其S基因应插入载体,只需不破坏标记基因D.核酸疫苗能在人体细胞中成功表达S蛋白,说明了生物界共用一套密码子
答案 D　解析 该疫苗中核酸用来编码抗原蛋白,核酸本身不能作为抗原刺激人体产生体液免疫,A项错误;步骤①中对S蛋白基因进行扩增,利用的是PCR技术,该过程需要用到耐高温的DNA聚合酶,不需要解旋酶,B项错误;步骤②构建重组表达载体,其S基因应插入载体,不能破坏标记基因、启动子序列和终止子序列等,C项错误;核酸疫苗中的核酸源自病毒等病原体,其在人体细胞中能成功表达S蛋白,说明了生物界共用一套密码子,D项正确。
2.(2022浙江6月选考)采用CRISPR/Cas9基因编辑技术可将增强型绿色荧光蛋白(EGFP)基因定点插入到受精卵的Y染色体上,获得转基因雄性小鼠。该转基因小鼠与野生型雌性小鼠交配,通过观察荧光可确定早期胚胎的性别。下列操作错误的是(　　)A.基因编辑处理的受精卵在体外培养时,不同发育阶段的胚胎需用不同成分的培养液B.基因编辑处理的受精卵经体外培养至2细胞期,须将其植入同期发情小鼠的子宫,才可获得表达EGFP的小鼠C.分离能表达EGFP的胚胎干细胞,通过核移植等技术可获得大量的转基因小鼠D.通过观察早期胚胎的荧光,能表达EGFP的即为雄性小鼠胚胎
答案 B　解析 进行胚胎体外培养时,需配制不同成分的营养液,其目的是促进细胞分化,以培养不同时期的胚胎,A项正确;基因编辑处理的受精卵经体外培养至2细胞期,须将其植入同期发情小鼠的输卵管,才可获得表达EGFP的小鼠,B项错误;核移植技术中的胚胎分割技术被视作动物的无性繁殖(或克隆)方法之一,可获得大量的转基因小鼠,C项正确;Y染色体只存在于雄性体内,由题干可知,绿色荧光蛋白存在于受精卵的Y染色体上,因此通过观察早期胚胎的荧光,能表达EGFP的即为雄性小鼠胚胎,D项正确。
考向2围绕蛋白质工程,考查科学思维3.(2022广东)非细胞合成技术是一种运用合成生物学方法,在细胞外构建多酶催化体系,获得目标产物的新技术,其核心是各种酶基因的挖掘、表达等。中国科学家设计了4步酶促反应的非细胞合成路线(下图),可直接用淀粉生产肌醇(重要的医药食品原料),以期解决高温强酸水解方法造成的严重污染问题,并可以提高产率。
回答下列问题。(1)研究人员采用PCR技术从土壤微生物基因组中扩增得到目标酶基因。此外,获得酶基因的方法还有　　　　　　　　　　　　(答出两种即可)。(2)高质量的 DNA模板是成功扩增出目的基因的前提条件之一。在制备高质量DNA模板时必须除去蛋白,方法有　　　　　　　　　　　　　(答出两种即可)。 (3)研究人员使用大肠杆菌BL21作为受体细胞、pET20b为表达载体分别进行4种酶的表达。表达载体转化大肠杆菌时,首先应制备　　　　细胞。为了检测目的基因是否成功表达出酶蛋白,需要采用的方法有　　　　　　　　　　　　　。 
(4)依上图所示流程,在一定的温度、pH等条件下,将4种酶与可溶性淀粉溶液混合组成一个反应体系。若这些酶最适反应条件不同,可能导致的结果是　　　　　　　　　　　　　。在分子水平上,可以通过改变　　　　　　,从而改变蛋白质的结构,实现对酶特性的改造和优化。 
答案 (1)从基因文库中获取、人工合成　(2)用蛋白酶水解蛋白质、用一定浓度的NaCl溶解DNA、用冷酒精溶解蛋白质　(3)感受态　抗原-抗体杂交　(4)反应产生的肌醇量少　基因的结构
解析 本题的切入点是基因工程的基本操作程序、蛋白质工程、DNA与蛋白质的提取和分离。(1)目的基因的获取方法主要有从基因文库中获取、利用PCR技术扩增和通过化学方法人工合成等。(2)DNA与蛋白质的分离思路是去除蛋白质,将DNA提取出来。分离方法有利用DNA和蛋白质在盐溶液和酒精中的溶解度不同进行分离、利用DNA和蛋白质对酶的耐受力不同进行分离等。(3)将目的基因导入受体细胞时,如果是以大肠杆菌作为受体细胞,需要用Ca2+处理细胞,使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态,即制备感受态细胞。检测目的基因是否成功表达出酶蛋白的方法为抗原-抗体杂交。(4)淀粉在4种酶的依次催化下最终形成肌醇,但是4种酶的最适反应条件不同,在某一条件下进行反应,有些酶的活性不高,因此,产生的肌醇量少。蛋白质工程通过改变基因的结构(碱基排列顺序)进而改变蛋白质的结构。
4.(2022河北石家庄模拟)近年来,蛋白质工程与基因工程的结合使得干扰素生物工程的研究取得了更大的进展。回答下列有关生物工程生产干扰素的问题。(1)根据人们对干扰素结构和功能上的需求,将干扰素的第17位半胱氨酸替换成丝氨酸,这种生物工程属于　　　　　　　。 (2)可通过点突变技术使干扰素基因中的碱基对发生改变,将改造后的基因与载体构建成　　　　　　　　后导入大肠杆菌生产干扰素。干扰素是一种糖蛋白,在大肠杆菌内不能加糖基团,这是因为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。用家蚕来生产干扰素更为理想,生产过程中,用到了家蚕核型多角体病毒(NPV),NPV的作用是充当基因工程的　　　　。 
(3)人们设想,如果能将干扰素基因导入哺乳动物的受精卵,再将受精卵进行　　　　　　　　至桑葚胚或囊胚阶段,然后进行　　　　　　。可从转基因动物分泌的乳汁中获得干扰素,人们把这种转基因动物称为　　　　　　　。若该设想变为现实,则干扰素的活性及产量均会大幅提高。 
答案 (1)蛋白质工程　(2)基因表达载体　糖基团是在内质网中加入的,大肠杆菌为原核生物,细胞中无内质网,故不能加糖基团　载体　(3)早期胚胎培养　胚胎移植　乳腺生物反应器解析 (1)根据人们对干扰素结构和功能上的需求,将干扰素的第17位半胱氨酸替换成丝氨酸,即改造蛋白质,因此这种生物工程属于蛋白质工程。(2)将改造后的基因与载体构建成基因表达载体。干扰素是一种糖蛋白,在大肠杆菌内不能加糖基团,原因是糖基团是在内质网中加入的,而大肠杆菌为原核生物,细胞中无内质网,故不能加糖基团。家蚕核型多角体病毒(NPV)可以充当基因工程的载体。(3)将目的基因导入哺乳动物的受精卵,再将受精卵进行早期胚胎培养至桑葚胚或囊胚阶段,然后进行胚胎移植,可以获得转基因动物。可从转基因动物分泌的乳汁中获得干扰素,这种转基因动物称为乳腺生物反应器。
考向探究1.(2022辽宁)腈水合酶(N0)广泛应用于环境保护和医药原料生产等领域,但不耐高温。利用蛋白质工程技术在N的α和β亚基之间加入一段连接肽,可获得热稳定的融合型腈水合酶(N1)。下列有关叙述错误的是(　　)A.N1与N0氨基酸序列的差异是影响其热稳定性的原因之一B.加入连接肽需要通过改造基因实现C.获得N1的过程需要进行转录和翻译D.检测N1的活性时先将N1与底物充分混合,再置于高温环境
答案 D　解析 由题干信息可知,在N的α和β亚基之间加入一段连接肽,可获得热稳定的融合型腈水合酶(N1),则N1与N0氨基酸序列有所不同,这可能是影响其热稳定性的原因之一,A项正确;蛋白质工程属于基因工程,其作用的对象是基因,故加入连接肽需要通过改造基因实现,B项正确;N1的化学本质是蛋白质,获得N1的过程需要进行转录和翻译,C项正确;由于酶具有高效性,因此在检测N1的活性时需先将其置于高温环境,再与底物充分混合,D项错误。
2.(2020北京)为了对重金属污染的土壤进行生物修复,研究者将从杨树中克隆的重金属转运蛋白(HMA3)基因与外源高效启动子连接,导入杨树基因组中(如图)。注:①②③④表示引物。为检测获得的转基因杨树苗中是否含有导入的HMA3基因,同时避免内源HMA3基因的干扰,在进行PCR扩增时,应选择的引物组合是(　　)A.①+③B.①+②C.③+②D.③+④
答案 B　解析 图示中克隆的重金属转运蛋白(HMA3)基因与外源高效启动子连接,导入杨树基因组中,若要检测获得的转基因杨树苗中是否含有导入的HMA3基因和高效启动子,需要检测是否含有高效启动子序列和HMA3基因序列,应选择的引物组合是①+②,B项正确。
3.(2022河北)采矿污染和不当使用化肥导致重金属镉(Cd)在土壤中过量积累。利用植物修复技术将土壤中的Cd富集到植物体内,进行后续处理(例如,收集植物组织器官异地妥善储存),可降低土壤中Cd的含量。为提高植物对Cd污染土壤的修复能力,研究者将酵母液泡Cd转运蛋白(YCF1)基因导入受试植物,并检测了相关指标。回答下列问题。(1)为获取YCF1基因,将酵母细胞的全部DNA提取、切割后与载体连接,导入受体菌的群体中储存,这个群体称为　　　　　　　　　　。 (2)将DNA序列插入Ti质粒构建重组载体时,所需要的两种酶是　　　　　　　　　　　　。构建的重组基因表达载体中必须含有标记基因,其作用是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
(3)进行前期研究时,将含有YCF1基因的重组载体导入受试双子叶植物印度芥菜,采用最多的方法是　　　　　　　　　　。研究者进一步获得了转YCF1基因的不育杨树株系,采用不育株系作为实验材料的目的是　　　　　　　　　　　。 
(4)将长势一致的野生型和转基因杨树苗移栽到Cd污染的土壤中,半年后测定植株干重(图1)及不同器官中Cd含量(图2)。据图1可知,与野生型比,转基因植株对Cd具有更强的　　　　　　　　(填“耐性”或“富集能力”);据图2可知,对转基因植株的　　　　进行后续处理对于缓解土壤Cd污染最为方便有效。 
(5)已知YCF1特异定位于转基因植物细胞的液泡膜上。据此分析,转基因杨树比野生型能更好地适应高Cd环境的原因是　　　　　　　　　　　。相较于草本植物,采用杨树这种乔木作为Cd污染土壤修复植物的优势在于　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(写出两点即可)。 
答案 (1)基因组文库　(2)限制酶和DNA连接酶　筛选含有目的基因的受体细胞　(3)农杆菌转化法　防止基因污染　(4)耐性　茎、叶　(5)将Cd运到液泡内　杨树植物体较大,吸收Cd的量多;杨树的茎、叶、根易获取解析 本题解题的切入点是基因工程的原理、工具、方法等,结合图中数据及生活实际分析作答是关键。(1)将酵母细胞的全部DNA提取、切割后与载体连接,导入受体菌的群体中储存,这是构建了酵母菌的基因组文库。(2)构建重组载体所需的两种酶是限制酶和DNA连接酶。标记基因的作用是将含有目的基因的受体细胞筛选出来。
(3)将重组DNA分子导入双子叶植物细胞时采用最多的方法是农杆菌转化法。采用不育株系作为实验材料可有效防止基因污染。(4)从图1可以看出,转基因植株的干重高于野生型,说明其对Cd具有更强的耐性。从图2可知,转基因植株的茎、叶中Cd含量较高,所以对其进行后续处理对于缓解土壤Cd污染最为方便有效。(5)YCF1特异定位于转基因植物细胞的液泡膜上,说明它可以运输Cd进入液泡中,使转基因杨树更好地适应高Cd环境。杨树与草本植物相比植株高大,吸收Cd的量更多,其根、茎、叶等组织器官易获取等使其成为Cd污染土壤修复的优势物种。
4.CRISPR/Cas9基因编辑系统是由Cas9核酸酶与单链向导RNA(sgRNA)形成的稳定核糖核蛋白复合物,能识别和切割特定的核苷酸片段,该系统可用于基因的敲除、编辑、表达调控等诸多领域。下图为酿脓链球菌Cas9核酸酶(SpyCas9)在sgRNA指导下,对靶位点进行切割产生DNA双链断裂的过程示意图。请回答下列问题。
(1)CRISPR/Cas9系统所含有的化学组分与细胞内的细胞器　　　　　相似,研究发现该系统仅存在于细菌和古菌中,是这些原核生物经过长期进化形成的抵御　　　　、　　　　等入侵的免疫机制。 (2)早期CRISPR/Cas9基因编辑技术的应用有一些限制条件:首先,待编辑的区域附近需要存在相对保守的PAM序列(NGG,N为任意碱基);其次,sgRNA的　　　　　　端要与PAM上游的序列碱基互补配对。sgRNA双链区和识别序列的杂合区相比较,后者特有的碱基配对方式是　　　　　。对PAM序列的依赖妨碍了CRISPR/Cas9的应用,研究人员尝试通过突变的方法拓宽PAM序列的范围,研制出的SpG突变体需要的PAM序列为NGN,该突变将PAM序列的范围扩大到原来的　　　倍。 
(3)镰状细胞贫血是由血红蛋白的β亚基基因突变引起的,有缺陷的血红蛋白导致变形红细胞无法很好地携带O2。请根据相关信息提出利用CRISPR/Cas9基因编辑技术治疗镰状细胞贫血的方案。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (4)CRISPR/Cas9基因编辑技术可用于外源基因导入,与传统的基因工程相比,其明显的优点是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。CRISPR/Cas9基因编辑技术在科学研究中有着广泛的应用,但是科学界仍然反对对人类进行基因编辑。你认为可能的原因是　　　　　　　　　。同时,CRISPR/Cas9基因编辑技术有时会因编辑对象出错而脱靶。实验发现向导RNA的序列长短影响成功率,向导RNA的序列越短,脱靶率越高。试分析脱靶最可能的原因。
答案 (1)核糖体　噬菌体　质粒　(2)5'　A—T　4　(3)将突变的β亚基基因修复　(4)避免了因目的基因随机插入宿主细胞DNA引起的生物安全性问题　一方面存在伦理道德方面的问题。另一方面是技术本身还是存在一些不完善的地方,比如生物体内的基因和性状并非一一对应,被敲除基因可能存在一因多效的现象,从而影响婴儿的其他的发育过程　其他DNA序列也含有与向导RNA互补配对的序列,造成向导RNA错误结合而脱靶解析 (1)CRISPR/Cas9系统是由一条单链向导RNA和Cas9核酸酶组成的核糖核蛋白复合物,核糖体也是由RNA和蛋白质组成的,故细胞中与CRISPR-cas9系统在物质组成上最相似的结构是核糖体。由于该基因编辑系统能识别和切割特定的核苷酸片段,即能将外源DNA切断,使其不能表达,所以若该系统仅存在于细菌和古菌中,是这些原核生物经过长期进化形成的抵御噬菌体、质粒等含外源基因的结构入侵的免疫机制。
(2)根据图示可知,sgRNA的5'端要与PAM上游的序列碱基互补配对。sgRNA双链区是由RNA和DNA互补形成的(碱基配对方式为A—U,T—A、G—C、C—G),而其识别序列的杂合区是DNA两条链中的碱基配对(碱基配对方式为A—T、T—A、G—C、C—G),所以后者特有的碱基配对方式是A—T。早期CRISPR/Cas9基因编辑技术应用时,首先待编辑的区域附近需要存在相对保守的PAM序列(NGG,N为任意碱基);若SpG突变体需要的PAM序列为NGN,即识别并结合的序列由NGG变为NGANGCNGGNGT,所以该突变将PAM序列的范围扩大到原来的4倍。(3)镰状细胞贫血是由血红蛋白的β亚基基因突变引起的,有缺陷的血红蛋白导致变形红细胞无法很好地携带O2,可利用该技术将突变的β亚基基因修复,从而达到治疗的目的。