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DNA限制
表
连性核
般|达
条概接酸内载过
件
酶」切酶体」|程|物
基因工程
基因工程
的诞生和
基因工程
发展
的工具
的一般过
程与技术
植物基因
概念
工程成果
概
基因工程概述
念改选蛋白
动物基因因工程
质的方法
基因工程
蛋白质
工程成果□的应用
工程
基因治疗
改造酶的结构
应
基因芯片
用「改造蛋白质
类的药物
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第4章 基因工程
第1节 基因工程的基本原理和技术
课前预习学案
课堂互动探究
课标领航
知能优化训练
第 节 基因工程的基本原理和技术
1
1.简述基因工程的原理
2．说明基因工程操作技术的突破
【重点】 基因工程操作技术的突破
【难点】 掌握基因工程操作技术的突破
课标领航
情景导引
你听说过让山羊生产
“人奶”吗？不要怀疑，
这的确是个事实。俄罗斯和白俄罗斯的科学家经过多年的研究，终于在2009年成功地培育出了一批能生产“人奶”的转基因山羊。该项目负责人
埃琳娜·萨德奇科娃博士介绍说，乳铁蛋白是人奶中所含有的一种天然抗生素，可以帮助不具备成熟免疫系统的婴儿提高免疫力。然而，普通羊的乳汁中没有这一成分。他们将人体的乳铁蛋白基因转移到山羊的基因组中，使转基因山羊能够分泌出含人体乳铁
蛋白的乳汁。他们已在莫斯科郊外的一个农场内培育了90多只这样的转基因山羊。你知道怎样才能将人体的乳铁蛋白基因转移到山羊体内吗？快进入本节的学习，来了解一下吧！
课前预习学案
一、基因工程的概念
基因工程也叫DNA重组技术,是在______水平上进行的一种遗传操作，按照预先设计的蓝图，借助于________的技术，提取生物的_____________,在体外进行加工改造或__________,从而______改变生物的遗传特性,创造_____________。
分子
实验室
基因或基因组
重新组合
定向
新型的生物
DNA是主要遗传物质
DNA分子双螺旋结构
遗传密码
思考感悟
1.人的胰岛素基因转入大肠杆菌后能成功表达的原因是什么？
提示：遗传密码的通用性是实现不同生物间基因转移和表达的前提。
二、基因工程操作技术的突破
1．DNA分子的切割技术
(1)工具： ___________________——“分子手术刀”。
(2)主要来源：_________。
限制性核酸内切酶
微生物
(3)特点：能够识别DNA特定的______ _________，切开两个核苷酸之间的_____________。
(4)DNA末端：限制性核酸内切酶切割DNA产生___________。
核苷
酸序列
磷酸二酯键
黏性末端
2．DNA分子的连接技术
(1)工具：DNA连接酶——“分子缝纫针”。
(2)作用：将________________缝合起来。
3．DNA分子的运载工具
(1)运载体的条件
双链DNA片段
①能够在细胞内__________的较小的DNA分子。
②能使带进去的DNA在细胞内
_____。
③具有简单的特性，如_______、免疫性。供重组DNA的鉴定和选择。
自我复制
复制
抗药性
(2)运载体的种类
①______：是一种裸露的、结构简单、独立于细菌拟核DNA之外，并具有__________能力的双链环状DNA分子,带有抗性基因，能进出细胞。
②_______。
③动植物病毒。
质粒
自我复制
噬菌体
思考感悟
2.限制性核酸内切酶与DNA水解酶有何区别？
提示：DNA水解酶可以水解DNA分子上的任何一个磷酸二酯键，将DNA水解为脱氧核苷酸；限制性核酸内切酶只能识别特定序列，在特定位点切开磷酸二酯键，形成黏性末端。
课堂互动探究
利用图解法理解记忆限制酶的有关问题
要点一
1．限制酶都是切割识别特定的核苷酸序列的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。
2．限制酶切出的黏性末端和平末端的区别：
下列黏性末端属于同一种限制酶切割而成的是( )
例1
A．①② B．①③
C．①④ D．②③
【思路点拨】 本题考查限制酶的特点，限制酶能识别特定核苷酸序列，在特定位点切割DNA分子，形成互补的黏性末端。
【尝试解答】 B
互动探究
该题中的限制酶切割位点是什么？识别的碱基序列是什么？
提示：切割位点：－G－A－，之间的磷酸二酯键，识别序列：－G－A－A－T－T－C。
1．几种酶的比较
和DNA有关的几种酶
要点二
项目
种类 限制酶 DNA连接酶 DNA聚合酶 解旋酶
作用
底物 DNA分子 DNA分子片段 脱氧核苷酸 DNA分子
项目
种类 限制酶 DNA连接酶 DNA聚合酶 解旋酶
作用
部位 磷酸二酯键 磷酸二酯键 磷酸二酯键 碱基对间的氢键
作用
结果 形成黏性末端或平末端 形成重组DNA分子 形成新的DNA分子 形成单链DNA分子
2．上述四种酶的作用部位
限制性核酸内切酶、DNA连接酶、DNA聚合酶作用于①部位，DNA解旋酶作用于②部位。
【特别提醒】 由于核苷酸分子间的氢键是分子间作用力，其断裂与重新形成均与限制性核酸内切酶、DNA连接酶无关。
据图所示，有关工具酶功能的叙述错误的是( )
例2
A．限制性核酸内切酶可以切断a处
B．DNA聚合酶可以连接a处
C．解旋酶可以使b处解开
D．DNA连接酶可以连接c处
【思路点拨】 本题考查和DNA有关的几种酶的作用，解答此题的关键是熟记相关酶的作用部位。
【解析】 限制性核酸内切酶切割DNA分子时破坏的是DNA链中的磷酸二酯键，如图a处。DNA聚合酶是将单个核苷酸加到已有的核酸片段的3′末端的羟基上,形成磷酸二酯键,因此,DNA聚合酶可以连接a处。解旋酶解开两个碱基对之间的氢键，即使b处解开。
DNA连接酶连接的是两个相邻的脱氧核苷酸的磷酸和脱氧核糖，形成磷酸二酯键，如a处，而图示的c处连接的是同一个脱氧核苷酸的磷酸和脱氧核糖。
【尝试解答】 D
跟踪训练
1．下列关于DNA连接酶的叙述正确的是( )
①催化相同的黏性末端的DNA片段之间的连接
②催化不同黏性末端的DNA片段之间的连接
③催化两个黏性末端互补碱基间氢键的形成
④催化DNA分子脱氧核苷酸链的脱氧核糖与磷酸间的磷酸二酯键的形成
A．①③ B．②④
C．②③ D．①④
解析：选D。DNA重组技术中，两个DNA片段间必须有相同的黏性末端才能互补配对，进行结合；具有相同黏性末端的DNA分子连接时，DNA连接酶的作用是催化脱氧核苷酸链的脱氧核糖与磷酸间的磷酸二酯键的形成，即把“梯子”的扶手缝合起来。解答
此类题目时，应注意理解DNA连接酶的作用部位以及DNA聚合酶的区别。DNA连接酶是在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键，不是在单个脱氧核苷酸与DNA片段之间形成磷酸二酯键；DNA聚合酶只能将单个核苷酸加到已有的DNA片段的末端的羟基上，形成磷酸二酯键。
常用的载体——质粒
要点三
1．来源及结构：质粒存在于细菌等原核生物中,是一种裸露的、结构简单、独立于细菌拟核DNA之外，并且具有自我复制能力的双链环状DNA分子，如下图所示：
2．遗传标记基因：质粒上有一些特殊的基因，如抗四环素基因、抗氨苄青霉素基因，用于对重组DNA进行鉴定和选择。
3．作为载体的条件
(1)能自我复制；
(2)有一个至多个限制酶切割位点；
(3)有特殊的标记基因；
(4)能使进去的DNA在细胞里复制。
【特别提醒】 质粒的主要来源是微生物，其中细菌细胞中含有质粒，放线菌、酵母菌细胞中也含有质粒。
如图为大肠杆菌及质粒载体的结构模式图，据图回答下列问题。
例3
(3)氨苄青霉素抗性基因在质粒DNA上称为
________________________________________________________________，
其作用是
_______________________________________________________________。
(4)下列常在基因工程中用为载体的是
( )
A．苏云金芽孢杆菌抗虫基因
B．土壤农杆菌环状RNA分子
C．大肠杆菌的质粒
D．动物细胞的染色体
【思路点拨】 本题考查质粒的相关知识，解答此题应掌握如下知识：
①质粒的结构
②质粒的功能
【解析】 本题通过质粒结构的模式图考查质粒的功能和特点，分析如下：
解析：选D。本题考查基因工程的工具——运载体。解答本题的关键是记住、理解运载体必须具备的条件和常用的运载体。作为运载体必须具备的条件：①在宿主细胞中能保存下来并能大量复制；②有多个限制性核酸内切酶切点；③有一定的标记基因，便
于筛选。记住常用的运载体有质粒、噬菌体、动植物病毒等。细菌染色体DNA由一个大型的环状DNA分子反复折叠缠绕而成，控制着细胞的主要性状，所以一般不被用作基因工程的运载体。
知能优化训练
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第3节 基因工程的应用及产业化前景
课前预习学案
课堂互动探究
课标领航
知能优化训练
第 节 基因工程的应用及产业化前景
3
1.举例说出植物基因工程的应用及成果
2．举例说出动物基因工程的应用及成果
3．关注基因治疗，基因芯片等医药卫生领域的最新进展
课标领航
【重点】 基因工程在植物、动物及医药卫生上的应用
【难点】 基因工程在医药卫生领域的最新进展
情景导引
美国是转基因技术发
展最快的国家，其转
基因作物商品化种类最多，种植面积也最大。目前，美国60%以上的加工食品都是以转基因作物为原料制作而成的，而且大多数美国人愿意接受采
用生物技术生产的粮食，只有少数公众对转基因食品持谨慎态度。而与此相反，欧洲的很多消费者则非常抵制转基因食品。民意调查显示，66%的法国人认为转基因食品对健康有害，在英国只有14%的消费者愿意接受转基因食品，大多数消费者对转基因生物的安全性持怀疑态度。更有甚者，
法国的一些农民把水果、蔬菜和牛粪一起倾倒在一些快餐店门前,以此来抗议它们出售的牛肉和面包中含转基因成分。在印度也出现了大批农民毁坏美国公司转基因作物实验田的事件。我们应该如何科学地认识和看待转基因生物的安全性，让我们进入本节的学习，并从中获得一些启示吧！
课前预习学案
一、植物基因工程成果
1．突破了传统杂交育种的局限性
(1)传统杂交育种的不足：育种周期____,易丢失__________。
(2)基因工程育种
长
优良基因
远缘杂交不育
育种年限
抗病转基因
抗虫转基因
植物品质
2．开辟了生产_______的新途径
二、动物基因工程成果
1．改良畜禽经济性状的新思路
(1)加快动物的生长速度，导入_____________。
(2)提高动物抗病能力,导入抗病基因。
疫苗
生长激素基因
2．动物生物反应器为医药事业开辟了新途径
(1)转基因动物生产基因药物的理想场所：______。
(2)优点：产量高、易提纯，具有稳定的___________。
乳腺
生物活性
思考感悟
抗虫转基因植物的培育，在生态环境保护上有何意义？
提示：减少化学农药大量使用造成的环境污染，减少生产成本，同时降低了农药对人类健康的损害。
三、基因治疗
1．基本原理
(1)定义：基因治疗是将___________
的基因通过___________导入人体细胞中有缺损或有变异基因的部位，并使目的基因___________，达到防治疾病的目的。
健康和正常
某种载体
有效表达
(2)程序： ___________的选择与制备―→运载体的选择―→ _________的选择―→目的基因进入_________的方式―→ ___________________。
目的基因
靶细胞
靶细胞
外源基因表达的检测
2．成绩与展望
(1)成绩：第一例基因治疗的病症是_____________________。
(2)展望：导入人体_________基因，对人体的代谢进行调节。
腺苷脱氨酶缺乏症
没有的
3．存在的问题
(1)目的基因的安全性问题
①应确认目的基因不会产生有害的_________。
②目的基因的表达应有一定的_________。
遗传变异
可控性
(2)运载体问题
运载体 优点 不足
脂质体 导入效率低,无________
病
毒 逆转录病毒 _______;____ ___________ 导入效率非常低
腺病毒 导入效率高;便于治疗遗传病与代谢病 引起严重的__________
靶向性
安全
针
对增殖细胞
免疫反应
(3)_____________问题
对多基因遗传病难以收到较好的疗效。
四、基因芯片
1．基本原理
(1)制作原理与方法
致病多基因
分子杂交
DNA片段
萤光标记
分子杂交技术
分子杂交
2．用途
(1)监测__________的变化、分析__________。
(2)寻找和发现__________和新的药物分子。
(3)研究基因的功能以及生物体在进
化、发育、遗传等过程中的规律。
基因表达
基因序列
新的基因
课堂互动探究
基因工程的基本操作程序
要点一
抗病转基因植物 抗虫转基因植物 转基因改良植物的品质 生产疫苗
目的基因 病毒外壳蛋白基因、病毒的复制酶基因、几丁质酶基因、抗毒素合成基因 苏云金杆菌的毒素蛋白基因 ①含必需氨基酸较多的蛋白质编码基因
②控制番茄果实成熟的基因
③与植物花青素代谢有关的基因 乙肝病毒抗体基因
抗病转基因植物 抗虫转基因植物 转基因改良植物的品质 生产疫苗
作用 前两种为抗病毒基因；后两种为抗真菌基因 编码毒素蛋白 ①控制合成的蛋白质含必需氨基酸多
②延迟番茄成熟
③改变花瓣的颜色 控制合成乙肝病毒抗体
抗病转基因植物 抗虫转基因植物 转基因改良植物的品质 生产疫苗
受体生物 烟草(抗病毒)、马铃薯(抗病毒) 抗虫玉米、抗虫棉花 小麦、玉米、番茄、矮牵牛等 胡萝卜
【特别提醒】 (1)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界限，使不同物种生物间的遗传物质可以相互重组和转移。
(2)转基因生物只是个别性状的改变，并不改变原物种的分类地位，即转基因生物还是原物种。
(3)植物基因工程常用方法：①农杆菌介导的遗传转化法；②基因枪法；③花粉管通道法。
科学家通过基因工程，成功培育出能抗棉铃虫的棉花植株——抗虫棉，其过程大致如图所示。
例1
(1)细菌的基因能“嫁接”到棉花细胞内，其原因是________________。
(2)目的基因能否在棉株体内稳定维持和表达其遗传特性的关键是____________，这需要通过检测才能知道，从生物个体水平上检测，采用的方法是____________________。
(3)利用基因工程技术培育抗虫棉，相比诱变育种和传统的杂交育种方法，具有__________和__________等突出的优点，但是目前基因工程仍不能取代传统的杂交育种和诱变育种。与基因工程技术相比，杂交育种和诱变育种方法主要具有___________的优点。
(4)某棉农在食用了该抗虫棉种子压榨的棉子油后，出现鼻塞流涕、皮肤瘙痒等难忍症状。停用一段时间后这些症状会自然消失，该现象很可能是______________________________。
【思路点拨】 本题考查转基因植物的培育过程。解答本题需明确运用基因工程技术生产转基因作物的步骤方法。此方法是将目的基因导入植物细胞的常用方法，利用农杆菌能在自然条件下感染双子叶植物和裸子植物，以及其Ti质粒上的T－DNA能转移至
受体细胞，并且整合到受体细胞染色体DNA上的特点，可以把目的基因插入其Ti质粒的T－DNA中，借助其作用使目的基因成功导入受体细胞中。
【解析】 细菌基因能嫁接到棉花细胞内的原因是DNA的结构和组成单位是相同的，并且严格按照碱基互补配对的原则进行。基因工程育种的优点主要是目的性强、育种周期短、克服远缘杂交的不亲和障碍等。
【答案】 (1)①组成细菌和植物的DNA分子的空间结构和化学组成相同;②有互补的碱基序列
(2)目的基因是否插入了受体细胞的染色体DNA上
让害虫吃棉花的叶子，看害虫是否死亡
(3)目的性强 能有效地打破物种的生殖隔离界限
操作简便易行
(4)过敏反应
跟踪训练
1．以下关于抗病毒转基因植物的说法中，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
解析：选B。抗病毒转基因植物只能抵抗某些病毒，不是所有病毒，不可以抗虫，抗病毒基因和植物体其它基因一样存在基因突变的可能。
动物基因工程运载体导入的常用方法：显微注射法。受体细胞：一般用受精卵。
动物基因工程的应用
要点二
目的
基因 特别提醒 受体生物 作用
提高动物生长速度 生长激素基因 促进生长,提高生长速度 鲤鱼 注意：不能导入生长素基因
改善畜产品的品质 肠乳糖酶基因 将乳糖分解，降低牛奶中乳糖的含量 奶牛 部分人对乳糖会发生过敏反应
目的
基因 特别
提醒 受体生物 作用
转基因动物生产药物(乳腺生物反应器或乳房生物反应器) 药用蛋白基因＋乳腺蛋白基因的启动子 分泌乳汁来生产相应的药品 牛和山羊 已生产出的药品有抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α－抗胰蛋白酶
目的基因 特别提醒 受体生物 作用
转基因动物用作器官移植的供体 ①某种调节因子；②设法除去抗原决定基因 ①抑制抗原决定基因的表达；②不能合成相应抗原 猪 选择猪的器官做人器官替代品的原因：①其内脏构造、大小、血管分布与人相似;②体内隐藏的致病基因少
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一定进展。最近，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。请回答：
例2
(1)将人的生长激素基因导入小鼠受体细胞，常用方法是___________。
(2)进行基因转移时，通常要将外源基因转入______中，原因是________。
(3)通常采用________技术检测外源基因是否插入了小鼠的基因组中。
(4)在研制膀胱生物反应器时,应使外源基因在小鼠的______细胞中特异表达。
【思路点拨】 本题考查动物基因工程的应用，解答本题的关键是掌握基因工程操作的基本程序和基本技术。
【解析】 转基因生物反应器是指利用转基因活体动物的某种能够高效表达外源基因的器官或组织来进行工业化生产活性功能蛋白的技术，该技术的第一步就是导入外源基因,对于动物细胞来说,常采用的方法是显微注射法。显微注射法的优点是导入的外源基因片段可长达
50 kb，且无需载体，外源基因在宿主染色体上的整合率相对较高。小鼠的膀胱上皮细胞属于体细胞，可采用核移植的方法，培育出能长期合成人生长激素的个体。
【答案】 (1)显微注射法
(2)受精卵(或早期胚胎细胞) 受精卵(或早期胚胎细胞)具有全能性，可使外源基因在相应组织细胞内表达
(3)DNA分子杂交(核酸探针)
(4)膀胱上皮
【探规寻律】 (1)利用动物乳腺生物反应器技术时，受体细胞应为受精卵,并且目的基因在乳腺中表达，为了性状能稳定遗传应选用克隆技术繁殖。
(2)若从尿液中提取目的基因产物，则膀胱上皮细胞应具有合成并分泌目的基因产物的能力，使之直接进入尿液,因为肾小球的过滤能力是不允许蛋白质通过的。
跟踪训练
2．科学家已能运用基因工程技术，让羊合成并由乳腺分泌抗体，下列相关叙述中正确的是( )
①该技术将导致定向变异
②DNA连接酶把目的基因与运载体黏性末端的碱基对连接起来
③蛋白质中的氨基酸序列可为合成目的基因提供资料
④受精卵是理想的受体细胞
A．①②③④ B．①③④
C．②③④ D．①②④
解析：选B。基因工程可将控制特定性状的外源基因导入受体细胞，从而定向改造生物的性状，而且操作过程不受亲缘关系远近的制约，即克服远缘杂交不亲和的障碍。在基因工程操作程序中，所用的DNA连接酶连接的不是目的基因与运载体黏性末端的碱
基对，而是目的基因与运载体的DNA两条链的骨架，即核苷酸与磷酸的连接，也就是说,DNA连接酶只能催化断开的DNA双链重新形成磷酸二酯键。由蛋白质中的氨基酸序列可推知相应的mRNA中核苷酸序列，进而推测相应基因中的核苷酸排列顺序，从而可
以用化学合成方法人工合成目的基因。转基因羊的乳腺细胞及全身所有的组织细胞均来自受精卵的有丝分裂，遗传物质都与受精卵完全相同，且受精卵体积较大，操作较容易，也能保证发育成的个体的所有细胞都含有外源基因。
基因治疗的原理、过程及途径
要点三
1．原理：利用正常基因置换或弥补缺陷基因的治疗方法，即把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的。
2．过程
3．途径
途径
比较 体外基因治疗 体内基因治疗
不同点 方法 从患者体内获得某种细胞→体外完成基因转移→筛选、细胞扩增→输入患者体内 直接向患者体内组织细胞中转入健康基因
途径
比较 体外基
因治疗 体内基因治疗
不同点 特点 操作复杂，但效果可靠 方法较简单，但效果难以控制
相同点 都是将外源基因导入靶细胞，以纠正缺陷基因，目前两种方法都处于临床试验阶段
【特别提醒】 基因治疗并非把健康的外源基因导入患者的所有细胞中，而只是导入某些功能细胞中，而且是体细胞中。
1990年科学家们对一位缺乏腺苷脱氨酶基因而患先天性体液免疫缺陷病的美国女孩进行基因治疗，其方法是首先将患者的白细胞取出作体外培养，然后用逆转录病毒将正常腺苷脱氨酶基因转入人工培养的白细胞中,再将这些转基因白细胞回输到患者的体内，经过多次治疗，患者的免疫功能趋于正常。
例3
据材料回答下列问题：
(1)基因治疗是把健康的________________导入有________________的细胞中，以达到治疗疾病的目的。
(2)在基因治疗过程中，逆转录病毒的作用相当于基因工程中基因操作工具中的___________，此基因工程中的目的基因是____________，目的基因的受体细胞是___________。
(3)将转基因白细胞多次回输到患者体内后，免疫能力趋于正常是由于白细胞中能合成________________。
(4)下图中甲所示的方法是从________的DNA中直接分离出基因，图乙所示的方法是用________的方法人工合成基因。
【解析】 第(4)小题中图甲表示用DNA限制性内切酶将供体细胞的DNA切成许多片段，然后将片段通过运载体转入到不同的受体细胞，从中找到目的基因。图乙表示用目的基因转录成的信使RNA为模板，反转录成互补的单链DNA，再合成双链DNA，从而获得目的基因。
【答案】 (1)外源基因 基因缺陷
(2)运载体(或基因的运输工具) 腺苷脱氨酶基因 白细胞
(3)腺苷脱氨酶
(4)供体细胞 反转录
跟踪训练
3．基因治疗是把健康的外源基因导入( )
A．患者的所有细胞中
B．患者的某些功能细胞中
C．患者的DNA分子中
D．以上均不正确
解析：选B。基因治疗是向目标细胞(患者的某些功能细胞)中引入正常功能的基因，以纠正或补偿基因的缺陷，达到治疗目的。而不是把健康的外源基因导入所有的细胞或DNA分子中。
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第2节 基因工程的操作程序
课前预习学案
课堂互动探究
课标领航
知能优化训练
第 节 基因工程的操作程序
2
1.简述基因工程的操作程序
2．说明目的基因的获得方法
3．理解基因表达载体的构建过程
4．掌握将目的基因导入受体细胞的方法
5．说明目的基因检测与鉴定的方法
课标领航
【重点】 基因工程的操作程序
【难点】 理解基因表达载体的构建是基因工程的核心
情景导引
基因工程技术已广泛应
用于工业、农业、医药
和治疗等方面。1990年,
美国科学家布莱泽尔对一个患腺苷酸氨酶(ADA)缺乏症的4岁女孩进行人类历史上首次基因治疗，获得成功,标志
着基因治疗真正在临床上实施。目前基因治疗已从单基因遗传病扩展到多个病种范围，临床试验已达600多个，基因治疗已取得初步成效。那么基因工程是如何进行的呢？让我们一起来学习基因工程的操作程序。
课前预习学案
一、目的基因的获得
1．目的基因的概念：指人们所需要的__________的基因。
2．获取方法
进行研究
化学反应
DNA自动合成仪
较小
鸟枪法
运载体
受体细胞
思考感悟
1.利用PCR仪扩增DNA的过程是怎样的？
提示：目的基因受热解旋形成单链DNA，与引物结合，在DNA聚合酶的作用下延伸形成DNA。
二、基因表达载体的构建
1．大肠杆菌质粒DNA提取实验
(1)原理：
①方法：__________。
碱裂解法
(2)实验步骤
①取1 mL含质粒的大肠杆菌菌液接种到100 mL ___________中，37℃摇床振荡培养8～10 h。
②取1.4 mL菌液于1.5 mLEP管中，离心弃上清液。
③加预冷的________，充分混合。
LB培养基
溶液Ⅰ
④加溶液Ⅱ，轻轻翻转混匀。
⑤加预冷溶液Ⅲ，轻轻翻转混匀。
⑥离心取_________于另一EP管中。
⑦加等体积预冷的_______________，混匀、静置、冷冻。
上清液
异丙醇或乙醇
不变色
变蓝
同一限制酶
DNA连接酶
思考感悟
2.为什么非要有载体和目的基因一同进入受体呢？
提示：单个基因或DNA片段导入另一生物体的细胞后，往往会被细胞内的防御系统消灭掉，这样就大大降低了目的基因的表达效率。
三、目的基因的导入
1．花粉管通道法
(1)概念：指外源基因利用植物受精后花粉萌发形成的花粉管通道进入受体细胞，借助天然的种胚系统形成含目的基因的种胚。
(2)方法：______________和
_______________。
(3)适用对象： _______________。
(4)优点：操作简便，易于掌握，不受植物基因型的限制。
(5)不足： ___________较低，后代的遗传情况_______。
柱头滴加法
花粉粒携带法
任何开花植物
工作效率
复杂
2．利用花粉管通道法将目的基因导入棉花实验
(1)原理：授粉后使___________能沿着花粉管通道渗入，进入胚囊，转化尚不具备正常细胞壁的_________合子或__________。
外源DNA
卵细胞
早期胚胎
(2)过程：
_______________―→配成溶液―→选取待开放的花朵―→棉线捆绑花―→__________―→套袋―→____________________―→分别收获_________处理的种子―→种植―→_____________。
提取目的基因
人工授粉
涂抹目的基因溶液
转基因
抗虫性检测
3．氯化钙法
(1)适用条件：运载体是______，受体细胞是__________。
(2)原理：氯化钙会使细胞膜的________发生变化，允许含有目的基因的________分子进入感受态细胞。
质粒
大肠杆菌
通透性
运载体
重组质粒
目的基因
4．农杆菌介导的____________
(1)农杆菌特点：易感染________植物和裸子植物，而对大多数单子叶植物没有感染能力；Ti质粒上的T－DNA可转移至受体细胞，并整合到受体细胞染色体的DNA上。
遗传转化法
双子叶
T－DNA
转化频率
成本
保温
高压放电
四、目的基因的检测与表达产物的测定
1．形态检测
(1)表达产物有明显_________：根据目标性状判断目的基因是否表达。
(2)基因产物无明显_______：检测
_________ (如抗生素抗性基因或荧光标记基因)表达情况，来检测目的基因的表达。
表型性状
表型
报告基因
2．分子检测
(1)PCR检测
采用___________对目的基因扩增，判断目的基因是否整合到受体细胞中。
PCR技术
(2)分子杂交检测
用__________________作探针，与受体细胞DNA进行杂交有_________，
则目的基因被导入受体细胞。
标记的基因片段
杂交斑点
课堂互动探究
基因工程的基本操作程序
要点一
程序 方法
目的基因的获取 鸟枪法获取；利用PCR技术扩增；化学合成法合成
基因表达载体的构建 将目的基因与运载体结合，使目的基因稳定存在，遗传给下一代，并且能够表达和发挥作用
程序 方法
将目的基因导入受体细胞 导入植物细胞的主要方法是农杆菌转化法，还有花粉管通道法、基因枪法、氯化钙法、电击法、聚乙二醇法等
目的基因的检测与鉴定 形态检测分子检测
【特别提醒】 分子检测中的PCR检测和分子杂交检测只能说明目的基因是否整合到受体细胞中，而目的基因是否表达，可用提取目的基因的mRNA或分离目的基因编码的蛋白质来检测。
基因工程又叫DNA重组技术。
(1)在该技术中，用人工合成方法获得目的基因的途径之一是：以目的基因转录的________为模板，________成互补的单链DNA，然后在酶的作用下合成________。
例1
(2)基因工程中常用的受体细胞有细菌、真菌、________。若将真核基因在原核细胞中表达，对该目的基因的基本要求是________。
(3)假设以大肠杆菌质粒作为运载体，并以同一种限制酶切割运载体与目的基因，将切割后的运载体与目的基因片段混合，并加入DNA连接酶。连接产物至少有________种环状DNA分子,它们分别是___________________。
【思路点拨】 本题考查基因工程的相关知识，熟练掌握基因工程的四个步骤是解答本题的关键。
【解析】 在基因工程中，人工合成目的基因的途径有两条,其中之一就是以mRNA为模板经过反转录合成目的基因；基因工程常用的受体有细菌、真菌、动植物细胞；原核生物的基因中无内含子，若将真核生物的基因转入原核生物，需除去内含子部分；在
本题操作过程中，若在含有同一种限制酶切割的运载体和目的基因混合物中，加入DNA连接酶将会形成3种环状DNA分子，运载体自连而成的环状DNA分子，目的基因自连而成的环状DNA分子，运载体与目的基因片段相连的环状DAN分子。
【答案】 (1)信使RNA(mRNA) 逆转录(反转录) 双链DNA(目的基因) (2)动植物细胞 除去内含子 (3)3 运载体自连的、目的基因自连的、运载体与目的基因片段相连的环状DNA分子
跟踪训练
1．我国科技工作者利用基因工程方法成功培育出抗虫棉，下列导入目的基因的做法，正确的是( )
①将毒素蛋白注射到棉受精卵中 ②将编码毒素蛋白的DNA序列，注射到棉受精卵中 ③将编码毒素蛋白的
DNA序列，与细菌质粒重组导入细菌,用该细菌感染棉的体细胞，再进行组织培养 ④花粉管未愈合前，剪去柱头，滴加编码毒素蛋白的DNA序列，使其借助花粉管通道进入受体细胞
A．①② B．②③
C．③④ D．①④
解析：选C。基因工程一般要经历四个步骤：首先获得目的基因，即获得编码毒素蛋白的DNA序列，再将其与运载体(质粒)结合，形成重组质粒。然后，把它导入受体细胞(棉的体细胞或受精卵)，随着受体细胞繁殖而复制,最终表达出所需要的性状。
1．基因表达载体的构建
基因表达载体的构建和导入受体细胞
要点二
(1)目的基因是指编码蛋白质的结构基因，没有启动子，若只将目的基因导入受体细胞中无法转录。
(2)目的基因的表达需要调控序列，因而用做载体的质粒插入目的基因时须有启动子，插入后须有终止子。
(3)目的基因是否导入受体细胞中，需要有筛选标记——标记基因。
因此，一个基因表达载体的组成应该包括：启动子、 终止子、目的基因、标记基因。
【特别提醒】 终止子是指DNA分子上决定转录停止的三个相邻碱基；终止密码子是指mRNA分子上决定翻译停止的三个相邻碱基。
2．目的基因导入受体细胞
(1)不同生物的受体细胞不同：植物为体细胞，动物一般为受精卵，微生物一般为大肠杆菌。
(2)上图中发生②与发生①相比，②会使目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达，原因是在进行细胞分裂时，细胞核上的DNA经复制后平均分配到
两个子细胞中，保证了亲子代遗传性状的稳定性，而①细胞分裂时，细胞质是不均分的，子细胞中不一定含有目的基因。
3．目的基因在受体细胞中表达，产生相应性状的原因是不同的生物共用一套遗传密码。
科学家将大麦细胞中的LTP1基因利用基因工程手段导入啤酒酵母菌中，使其产生LTP1蛋白，使酿出的啤酒泡沫更加丰富。具体的操作过程如图所示，请据图回答问题。
例2
(1)图中所示的基因工程操作步骤的A和C分别是________、________。
(2)由图中可以看出，所用的载体甲是________，载体甲的化学本质是________。
(3)简要说明获得乙的方法步骤：______________________________。
(4)已知甲中含有抗青霉素基因(非LTP1基因的插入位点)，而啤酒酵母菌没有青霉素抗性,试说明如何检测和筛选出含有目的基因的啤酒酵母菌？
(5)转基因啤酒酵母菌合成LTP1蛋白的场所是________，原料是________，LTP1基因在转基因啤酒酵母菌中的遗传信息传递过程是______________。
【思路点拨】 本题考查基因工程的工具和主要操作步骤以及基因表达的相关知识。解答本题需熟记如下问题：
①基因工程的操作步骤；
②重组质粒的操作要求；
③基因的复制和表达过程。
【解析】 此题以转基因啤酒酵母菌为例综合考查了基因工程的工具和主要操作步骤以及基因表达的相关知识。由图可知，A过程表示从大麦细胞中提取LTP1基因(目的基因)。由于甲为环状DNA，应是从大肠杆菌中提取出的质粒。用同种限制酶分别处理LTP1基因和质粒，然后用DNA连接酶将处理后
的LTP1基因和质粒连接起来，即可获得重组质粒乙。在啤酒酵母菌的检测和筛选中，可以利用质粒上含有的标记基因进行，最后得到能合成LTP1蛋白的转基因啤酒酵母菌。在转基因啤酒酵母菌细胞中，LTP1基因可以随着质粒的增殖而复制，并且可以进行转录和翻译，合成LTP1蛋白。
【答案】 (1)目的基因的获取 将目的基因导入受体细胞
(2)质粒 环状DNA
(3)用同种限制酶分别处理LTP1基因和质粒，然后用DNA连接酶将处理后的LTP1基因和质粒连接起来，即可获得重组质粒乙
(4)用含青霉素的培养基培养啤酒酵母菌，如果啤酒酵母菌有青霉素抗性(正常繁殖)，说明导入成功；如果啤酒酵母菌没有青霉素抗性(死亡)，说明没有导入。
(5)核糖体 氨基酸
互动探究
(1)甲适合于作运载体的特点有哪些？
(2)A过程常用方法有哪些？
提示：(1)能够自我复制；能使带进去的DNA在细胞内复制；具有特殊的标记基因,用于重组DNA的鉴定和选择。
(2)A过程为目的基因的获取，常用方法有：化学合成法、从基因组中直接分离法。
目的基因的检测内容和方法的比较
要点三
类型 步骤 检测内容 方法 结果显示
分子杂交检测 第一步 目的基因是否进入受体细胞 DNA分子杂交(DNA和DNA之间) 是否成功显示出杂交带
第二步 目的基因是否转录出mRNA 分子杂交技术(DNA和mRNA之间) 同上
类型 步骤 检测内容 方法 结果显示
分子杂交检测 第三步 目的基因
是否翻译
出蛋白质 抗原—抗体杂交 同上
形态检测 包括做抗虫、抗病的接种实验，以确定是否有抗性以及抗性的程度；基因工程产品与天然产品的功能进行活性比较，以确定功能是否相同
【特别提醒】 分子检测包括PCR检测和分子杂交检测。PCR检测只能检测目的基因是否导入受体细胞，形态检测可以判断目的基因是否表达。
目的基因导入受体细胞后，是否可以稳定维持和表达其遗传特性，只有通过鉴定和检测才能知道。下列属于目的基因检测和鉴定的是( )
①检测受体细胞是否有目的基因
②检测受体细胞是否有致病基因
③检测目的基因是否转录出mRNA
④检测目的基因是否翻译出蛋白质
例3
A．①②③ B．②③④
C．①③④ D．①②④
【思路点拨】 解答本题必须明确目的基因的鉴定和检测的含义，检测是分析目的基因是否导入受体细胞，鉴定是分析目的基因是否表达。
【解析】 目的基因的检测包括：检测转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因，方法是用DNA探针，使DNA探针与基因组DNA杂交。检测目的基因是否转录出了mRNA，方法是用基因探针与mRNA杂交。最后检测目的基因是否翻译出蛋白质。方法是进行抗原—抗体杂交。
【尝试解答】 C
跟踪训练
2．下列哪项表述说明了目的基因表达成功( )
A．用DNA探针检测目的基因出现杂交带
B．用DNA探针检测mRNA出现杂交带
C．用抗原—抗体杂交检测蛋白质出现杂交带
D．以上都不能说明
解析：选D。目的基因表达成功需从两个方面检测：一是分子水平检测，包括检测转基因生物染色体DNA上是否插入了目的基因，检测目的基因是否转录出mRNA，检测目的基因是否翻译成蛋白质。二是个体水平检测，如抗虫或抗病的目的基因导入植物细胞后，是否赋予了植物抗虫或抗病特性，需要做抗虫或抗病的接种实验。
知能优化训练
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第4节 蛋白质工程的崛起
课前预习学案
课堂互动探究
课标领航
知能优化训练
第 节 蛋白质工程的崛起
4
1.简述蛋白质工程的诞生过程
2．简述蛋白质工程的研究和应用
【重点】 蛋白质工程的研究和应用
【难点】 蛋白质工程的应用
课标领航
情景导引
美国科学家经过多年
的努力，现已成功合
成了一种以前必须从南极鱼类体中提取的抗冻蛋白质。纽约州立大学的罗伯特教授说，这一技术的突破可使人们大量生产抗冻蛋白，用于储存大量
新鲜的动植物和人类的组织细胞，防止形成冰晶，破坏脆弱的细胞膜和细胞的内部结构。此外，抗冻蛋白还可以用于提高混凝土的抗霜性和预防冷冻食物变黏等。由此可知，蛋白质与人类的生产、生活和科学技术发展密切相关。
课前预习学案
一、蛋白质工程的诞生
1．蛋白质工程：根据蛋白质的_______ ____与__________以及结构与功能之间的相互关系，利用__________的手段,按照人类自身的需要,_______地改造天然的蛋白质，甚至创造新的、自然界不存在的、具有__________的蛋白质分子。
精细结
构
生物活性
基因工程
定向
优良特性
2．改造和设计蛋白质的方法
(1) ____________。
(2)采用__________的手段，设计合成符合人们要求的蛋白质。
多肽合成法
基因工程
二、蛋白质工程的研究和应用
1．研究内容
(1)通过__________技术分析蛋白质的DNA编码序列。
(2)蛋白质的____________。
(3)测定蛋白质的_______并分析其结构和功能。
基因工程
分离与提纯
序列
(4)对编码蛋白质的DNA进行定点突变改造。
2．应用举例
(1)工业：改造___________，使其适应特殊的工业过程。
天然生物酶
(2)农业：改造_____________，使其固定CO2能力提高，减少________，
提高光合作用的效率。
(3)环保：改造___________，转移到微生物或植物中，加强吸附重金属的能力，保护环境。
RuBP羧化酶
光呼吸
金属硫蛋白
思考感悟
酵母菌的丙糖磷酸异构酶上有两个天门冬酰胺，在分别转变为苏氨酸和异亮氨酸后，酶的热稳定性提高了将近50%，是我们教材中介绍的一重要蛋白质工程成果。试想，在用苏氨酸和异亮氨酸代换丙糖磷酸异构酶中的两个天门冬酰胺之前，要做的最重要的工作是什么？
提示：因为蛋白质中氨基酸的排列顺序，从根本上讲是由相应基因中的碱基顺序所决定的，故在氨基酸替换之前，要做的最重要的工作就是根据苏氨酸和异亮氨酸的密码子，对丙糖磷酸异构酶的基因进行再设计和改造。
课堂互动探究
基因工程的基本操作程序
要点
比较项目 基因工程 蛋白质工程
操作对象 基因 基因
操作水平 DNA分
子水平 DNA分子水平
比较项目 基因工程 蛋白质工程
基本过程 获取目的基因→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定 确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构→蛋白质应具备的折叠状态→蛋白质应有的氨基酸序列→应有的碱基序列→合成DNA→表达出蛋白质
比较
项目 基因工程 蛋白质工程
实质 定向改造生物的遗传特性，以获得人类需要的生物类型或生物产品 定向改造或生产人类所需蛋白质
结果 生产人类需要的基因产物(自然界已有的蛋白质) 可以生产自然界没有的、不存在的新蛋白质
联系 蛋白质工程是以基因工程为基础的
【特别提醒】 蛋白质工程的本质是通过改造基因进而创造出自然界不存在的蛋白质，所以被形象地称为第二代基因工程。
下列关于蛋白质工程的说法，错误的是( )
A．蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类需要
B．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
例
C．蛋白质工程能产生自然界中不存在的新型蛋白质分子
D．蛋白质工程与基因工程密不可分，又称为第二代基因工程
【思路点拨】 题眼：基因工程是蛋白质工程的关键性技术。
【解析】 蛋白质工程被称为第二代基因工程，是对基因结构进行相应的改造，从而产生新的蛋白质，并非是对蛋白质直接改造，直接改造后不能够遗传，也不能大量生产。
【尝试解答】 B
跟踪训练
猪的胰岛素用于降低人体血糖浓度效果不明显，原因是猪的胰岛素分子中有一个氨基酸与人的不同。为了使猪的胰岛素用于临床治疗糖尿病，用蛋白质工程中的蛋白质分子设计的最佳方案是( )
A．对猪的胰岛素进行一个不同氨基酸的替换
B．将猪的胰岛素和人的胰岛素进行拼接组成新的胰岛素
C．将猪的人的胰岛素混合在一起治疗糖尿病
D．根据人的胰岛素设计制造一种全新的胰岛素
解析：选A。因为猪的胰岛素分子中只有一个氨基酸与人的胰岛素不同，所以用蛋白质工程中的蛋白质分子设计，只需替换这一个不同的氨基酸即可。虽然根据人的胰岛素分子的结构设计一种全新的胰岛素也可以用于临床治疗,但分子设计和胰岛素的生产方面存在很多困难,所以不是最佳方案。
知能优化训练
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