生物选修3《现代生物科技专题》专题1 基因工程综合与测试学案

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1.基因工程的三种工具:
限制性核酸内切酶、DNA连接酶和载体。
2.两种DNA连接酶:
(1)E·cli DNA连接酶:只连接黏性末端。
(2)T4 DNA连接酶:连接黏性末端或平末端。
3.三种常用的载体:
质粒、λ噬菌体的衍生物、动植物病毒。
4.基因工程的四步基本操作程序:
目的基因的获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定。
5.获取目的基因的三种方法:
基因文库获取、PCR技术扩增和人工合成。
6.基因表达载体的组成:
目的基因+启动子+终止子+标记基因+复制原点。
7.目的基因导入三种受体细胞的常见方法:
(1)植物细胞:农杆菌转化法、基因枪法和花粉管通道法。
(2)动物细胞:显微注射技术。
(3)微生物细胞:感受态细胞法。
8.目的基因的检测与鉴定:
(1)目的基因是否插入检测方法:DNA分子杂交技术。
(2)目的基因是否转录检测方法:分子杂交技术。
(3)目的基因是否翻译检测方法:抗原-抗体杂交技术。
(4)个体水平检测方法:抗虫或抗病接种实验。
9.基因工程的应用:
(1)植物基因工程的应用:主要用于提高农作物的抗逆能力(如抗除草剂、抗虫、抗病、抗干旱和抗盐碱等),以及改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面。
(2)动物基因工程的应用:品种改良、建立生物反应器、器官移植等。
(3)基因治疗:包括体外基因治疗和体内基因治疗。
10.蛋白质工程:
(1)目标:根据人们对蛋白质功能的特定需求,对蛋白质的结构进行分子设计。
(2)实质:通过基因修饰或基因合成,实现改造现有蛋白质或制造新蛋白质。
(3)途径:预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列。
易错点1 混淆启动子与起始密码子,终止子与终止密码子,不明确标记基因的作用
提示:(1)启动子≠起始密码子,终止子≠终止密码子。
①启动子:一段有特殊结构的DNA片段,位于基因的首端。它是RNA聚合酶识别、结合的部位。
②终止子:一段有特殊结构的DNA片段,位于基因的尾端。作用是使转录过程停止。
③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。
(2)标记基因:一般为抗生素抗性基因或荧光基因等,其作用是鉴别受体细胞中是否含有目的基因(目的基因是否导入成功),从而将含目的基因的细胞筛选出来。
易错点2 误认为切取目的基因与切取载体时“只能”使用“同一种酶”
提示:(1)在获取目的基因和切割载体时通常用同种限制酶,以获得相同的黏性末端。但如果用两种不同限制酶切割后形成的黏性末端相同时,在DNA连接酶的作用下目的基因与载体也可以连接起来。
(2)为了防止载体或目的基因的黏性末端自己连接即所谓“环化”,可用不同的限制酶分别处理目的基因和载体,使目的基因两侧及载体上具有两个不同的黏性末端。
易错点3 误认为限制酶、DNA连接酶和DNA聚合酶三种酶的功能和作用部位都不同
提示:限制酶、DNA连接酶和DNA聚合酶三种酶的功能不同,但其作用部位相同,都是磷酸二酯键。
1.青蒿素是青蒿植株的次级代谢产物,其化学本质是一种萜类化合物,其生物合成途径如图1所示。正常青蒿植株的青蒿素产量很低,难以满足临床需求,科学家为了提高青蒿素产量,将棉花中的FPP合成酶基因导入了青蒿植株并让其成功表达,获得了高产青蒿植株,过程如图2所示。请据图回答问题:
(1)研究人员从棉花基因文库中获取FPP合成酶基因后,可以采用__________技术对该目的基因进行大量扩增,该技术除了需要提供模板和原料外,还需要提供________酶、________种引物等条件。
(2)图2中的①为________;将酶切后的棉花FPP合成酶基因和质粒连接形成①时,需要________酶;①上的__________是目的基因转录时RNA聚合酶的结合位点。
(3)若②不能在含有抗生素Kan的培养基上生存,说明__________________。
(4)由题意可知,除了通过提高FPP的含量来提高青蒿素的产量外,还可以通过哪些途径来提高青蒿素的产量? (试举一例)__________________。
【解析】(1)研究人员已经从棉花基因文库中获取FPP合成酶基因,目的基因的序列已知,可以用化学方法合成FPP合成酶基因或者采用PCR技术扩增FPP合成酶基因。PCR技术除了需要提供模板和原料外,还需要提供热稳定的DNA聚合酶、两种引物等条件。
(2)棉花FPP合成酶基因和酶切后的基因和质粒连接形成图2中的①,因此①是重组质粒(基因表达载体),这个过程需要DNA连接酶。重组质粒上的启动子是目的基因转录时RNA聚合酶的结合位点。
(3)质粒中含有抗生素Kan抗性基因,可以在含有抗生素Kan的培养基上生存。若②不能在含有抗生素Kan的培养基上生存,说明重组质粒(目的基因)没有导入农杆菌。
(4)据图1分析可知,FPP在ADS基因表达的情况下,生成青蒿素。此外,FPP在SQS基因表达的情况下,生成其他萜类化合物。因此,青蒿素除了通过提高FPP的含量来提高青蒿素的产量外,还可以通过抑制SQS基因表达或增强ADS基因的表达来提高青蒿素的产量。
答案:(1)PCR 热稳定的DNA聚合(Taq) 两
(2)基因表达载体(重组质粒) DNA连接 启动子
(3)重组质粒(目的基因)没有导入农杆菌
(4)抑制SQS基因的表达(或增强ADS基因的表达)
2.(2021·济南高二检测)逆转录病毒载体是目前应用较多的动物基因工程载体之一。运用逆转录病毒载体可以将外源基因插入受体细胞染色体,使外源基因随染色体DNA一起复制和表达。研究发现逆转录病毒基因组的核心部分包括三个基因:Gag基因(编码病毒的核心蛋白)、pl基因(编码逆转录酶)、env基因(编码病毒的表面糖蛋白)。这些基因的两端有LTR序列(含有启动子、调节基因等),控制着逆转录基因组核心基因的表达及转移。如图是构建逆转录病毒载体及用于培育转基因小鼠的过程。回答下列问题:
(1)逆转录病毒的主要组成物质有__________________。
(2)催化过程①的酶是____________,过程②③中需要的工具酶分别是____________________,过程④⑤常用的导入方法是______________。
(3)过程③中,外源基因一定要插入病毒DNA的LTR序列中的启动子后,其主要目的是______________________。
(4)过程④中,导入病毒蛋白编码基因(Gag、pl和env)的目的是________________________。
(5)如利用牛乳腺生物反应器生产人胰岛素,则应在构建基因表达载体时,使目的基因与______________________等调控组件重组在一起,一般导入牛________细胞中,最终牛的乳汁中就含有人胰岛素。
【解析】(1)逆转录病毒的主要组成物质有RNA和蛋白质。
(2)过程①是以RNA为模板合成DNA,其酶是逆转录酶,过程②是提取目的基因,③是将目的基因与载体结合,需要的工具酶分别是限制酶和DNA连接酶,过程④⑤都是导入动物细胞,常用的导入方法是显微注射法。
(3)过程③中,外源基因一定要插入病毒DNA的LTR序列中的启动子后,启动子是RNA聚合酶的结合位点,启动外源基因的转录,其主要目的是控制外源基因的表达与转移。
(4)过程④中,导入病毒蛋白编码基因(Gag、pl和env)的目的是合成组成病毒的蛋白质。
(5)如利用牛乳腺生物反应器生产人胰岛素,则应在构建基因表达载体时,使目的基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起,这样在乳腺细胞启动乳腺蛋白基因转录的同时,也启动人胰岛素基因的转录,可以在乳汁中提取人胰岛素;一般将牛受精卵细胞作为受体细胞,最终发育的母牛的乳汁中就含有人胰岛素。
答案:(1)RNA和蛋白质 (2)逆转录酶 限制酶和DNA连接酶 显微注射法 (3)控制外源基因的表达与转移 (4)合成组成病毒的蛋白质 (5)乳腺蛋白基因的启动子 受精卵
3.为获得含Bt杀虫蛋白的转基因马铃薯,研究人员把苏云金芽孢杆菌中的Bt杀虫蛋白基因导入马铃薯体细胞,培育出转基因马铃薯新品种。
回答下列问题:
(1)Bt杀虫蛋白基因来自苏云金芽孢杆菌。可利用苏云金芽孢杆菌细胞内合成的____________通过逆转录形成单链DNA片段,从而获得目的基因。在生物体外采用PCR技术扩增目的基因,扩增时需要加入引物,其引物是______________________。
(2)除了通过上述方法可以获取Bt杀虫蛋白基因外,还可以通过化学合成的方法获取Bt杀虫蛋白基因,其前提条件是通过Bt杀虫蛋白的____________推导出mRNA核苷酸序列,再合成该基因的脱氧核苷酸序列,这样合成的目的基因与从cDNA文库获取的目的基因相比,脱氧核苷酸序列可能不相同,原因是__________________________。
(3)构建基因表达载体时,通常用同种限制性核酸内切酶分别切割含目的基因的DNA片段和质粒,原因是________________________________。
(4)从个体生物学水平鉴定转基因马铃薯的培育是否成功,需要对转基因马铃薯进行____________。
【解析】(1)Bt杀虫蛋白基因来自苏云金芽孢杆菌,是一种原核基因,可利用苏云金芽孢杆菌细胞内合成的mRNA通过逆转录形成单链DNA片段,从而获得目的基因。在生物体外采用PCR技术扩增目的基因,扩增时需要加入引物,其引物是能与目的基因配对的一段脱氧核苷酸序列。
(2)除了通过上述方法可以获取Bt杀虫蛋白基因外,还可以通过化学合成的方法获取Bt杀虫蛋白基因,其前提条件是先获知Bt杀虫蛋白的氨基酸序列,再通过Bt杀虫蛋白的氨基酸序列推导出mRNA核苷酸序列,最后合成该基因的脱氧核苷酸序列;由于密码子具有简并性(一个氨基酸可能有多个密码子),这样合成的目的基因与从cDNA文库获取的目的基因相比,脱氧核苷酸序列可能不相同。
(3)构建基因表达载体时,为了使目的基因的DNA片段和质粒具有相同的黏性末端,便于构建基因表达载体,通常用同种限制性核酸内切酶分别切割含目的基因的DNA片段和质粒。
(4)从个体生物学水平鉴定转基因马铃薯的培育是否成功,需要对转基因马铃薯进行抗虫的接种实验,若害虫食用马铃薯后死亡,则表明转基因马铃薯培育成功。
答案:(1)mRNA 能与目的基因配对的一段脱氧核苷酸序列
(2)氨基酸序列 密码子具有简并性(一个氨基酸可对应多种密码子)
(3)使目的基因的DNA片段和质粒具有相同的黏性末端,便于构建基因表达载体(答案合理即可)
(4)抗虫的接种实验
4.许多大肠杆菌的质粒上含有lacZ基因,其编码的产物β-半乳糖苷酶在X-gal和IPTG存在下,可以产生蓝色沉淀,使菌落呈现蓝色,否则菌落呈现白色。基因工程中常利用该原理从导入质粒的受体细胞中筛选出真正导入重组质粒的细胞,过程如图所示。请据图回答:
(1)基因工程中,能使目的基因在受体细胞中特异性表达的调控序列是______________。
(2)限制酶EcR Ⅰ的识别序列和切割位点是-G↓AATTC-,Sma Ⅰ的识别序列和切割位点是-CCC↓GGG-。图中目的基因被切割下来和质粒连接之前,需在目的基因的右侧连接相应的末端,连接的末端序列是______________,连接过程中需要的基本工具是______________。
(3)转化过程中,大肠杆菌应先用______________处理,使其处于能吸收周围DNA的感受态。
(4)菌落颜色为白色的是______________,原因是________________________________________________。
(5)菌落③中的目的基因是否表达,可采用的检测方法是______________。
【解析】(1)启动子是一段具有特殊序列的DNA片段,位于目的基因的首端,它是RNA聚合酶识别和结合的部位,在启动子存在时才能驱动基因转录出mRNA,最终获得所需要的蛋白质。因此在基因工程中,能使目的基因在受体细胞中特异性表达的调控序列是启动子。
(2)由图可知,目的基因的左侧有限制酶EcRⅠ的识别序列,右侧是限制酶Sma Ⅰ的识别序列,而质粒上只有限制酶EcRⅠ的识别序列,所以需要用限制酶EcRⅠ来切割质粒,用限制酶EcRⅠ和Sma Ⅰ来切割含有目的基因的外源DNA分子,这样就使目的基因右侧无法与质粒连接,所以目的基因被切割下来和质粒连接之前,需在目的基因的右侧连接限制酶EcRⅠ切割形成的末端,即-TTAA,连接过程中需要DNA连接酶。
(3)将目的基因导入大肠杆菌细胞之前,应先用Ca2+处理大肠杆菌,使其处于能吸收周围DNA的感受态。
(4)用限制酶EcRⅠ切割质粒时,会破坏质粒上的lacZ'基因,但切割后的质粒自身环化后,lacZ'基因又被修复,能表达产生β-半乳糖苷酶,在X-gal和IPTG 存在下,可以产生蓝色沉淀,使菌落呈现蓝色,所以菌落①②呈现蓝色;菌落③导入的是重组质粒,其lacZ'基因被破坏,不能表达产生β-半乳糖苷酶,在X-gal和IPTG 存在下,菌落颜色为白色。
(5)检测目的基因是否表达产生蛋白质,可采用抗原—抗体杂交法。
答案:(1)启动子 (2) -TTAA DNA连接酶
(3)Ca2+ (4)菌落③ lacZ标记基因区插入外源基因后被破坏,不能表达出β-半乳糖苷酶,故菌落为白色 (5)抗原—抗体杂交