高中生物课时规范练38　基因工程的应用及蛋白质工程(学生版含答案详解)

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课时规范练38　
基因工程的应用及蛋白质工程
一、选择题:每小题只有一个选项符合题目要求。
1.(2022北京海淀模拟)2020年诺贝尔化学奖颁给了开发基因组编辑方法的两位科学家,CRISPR/Cas9基因编辑技术可对基因进行定点编辑,其原理是由一条单链向导RNA引导内切核酸酶Cas9到一个特定的基因位点进行切割,示意图如下。下列叙述错误的是(　　)
A.向导RNA可识别、切割DNA上的目标位点
B.引入供体DNA分子的插入以实现替换,可以对基因进行定向改造
C.向导RNA识别序列发生错配可能会导致基因被错误剪辑
D.CRISPR/Cas9系统可应用于对人类遗传病的治疗
2.(2022辽宁三模)ACC合成酶是乙烯合成的关键酶,乙烯的合成会影响番茄的储藏和运输。下图为科学家利用ACC合成酶基因的反向连接构建载体,通过基因工程设计耐储转基因番茄的流程图。
下列说法错误的是(　　)
A.引物的特异性是能够从番茄DNA中获取ACC合成酶基因的关键
B.反向连接的ACC合成酶基因合成的mRNA通过与正常的ACC合成酶基因的mRNA互补,限制了细胞内乙烯的合成
C.可以在培养基中加入氨苄青霉素和四环素,存活下来的细胞内则含有携带目的基因的质粒
D.设计双酶切处理目的基因及载体是更好地保证目的基因的反向连接
3.(2022河北模拟)疾控专家认为,当人群新冠病毒疫苗的接种率达80%左右时才能逐步放开国门自由进出,但公众对疫苗的安全性和种类知之甚少,下面是某同学收集的各种使用中的新冠疫苗的特征和优点,下列分析不正确的一项是(　　)
种类 代表 特征 优点
病毒灭 活疫苗 北京科兴、 国药集团 与减毒病毒疫苗相比免疫应答稍弱,需要加强剂量 生产程序完善且相对简单,安全性高
蛋白质 疫苗 葛兰素史克 工作原理与灭活疫苗非常相似 疫苗应用广泛,长久以来安全性和有效性均得到保证
病毒载 体疫苗 阿斯利康、 康希诺 重组病毒载体未与人体细胞蛋白质结合,直接表达出蛋白质 机体对腺病毒载体具有了免疫力,对该载体免疫的风险降到最低
基因疫苗 辉瑞 不使用病毒载体,基因DNA或RNA融合介导进入人类细胞 RNA在诱导先天免疫应答方面特别有效,通过转化过程构建蛋白质
A.安全、易于储存和运输、长效保护是评价疫苗优点的重要特征
B.疫苗的最终机制都是要保留或形成病原体的抗原特异性来应答免疫
C.病毒载体疫苗的持效性在于其整合在染色体上可以稳定遗传
D.基因疫苗可能借助特殊的微脂质载体(磷脂)包裹融入细胞内发挥作用
4.(2022山东日照一模)新冠病毒通过其表面刺突蛋白(S蛋白)的受体结合域(RBD)与人体细胞表面的ACE2受体相互作用,侵入人体细胞。研究人员设计并合成了一种自然界不存在的LCB1蛋白药物,可识别并紧密结合S蛋白的RBD,以干扰新冠病毒的感染。下列叙述错误的是(　　)
A.LCB1可能与ACE2受体的某些区域结构类似
B.LCB1可以依据S蛋白的RBD结构进行设计
C.LCB1是通过细胞中原有的基因表达产生的
D.LCB1设计和合成是通过蛋白质工程实现的
二、选择题:每小题有一个或多个选项符合题目要求。
5.(2022山东德州二模)戊型肝炎病毒是一种RNA病毒,其基因组中ORF2基因编码的pORF2蛋白是戊型肝炎病毒的表面抗原。我国科研人员利用基因工程,将编码pORF2的DNA导入大肠杆菌细胞,最终从大肠杆菌中提取pORF2蛋白并制成疫苗。下列分析正确的是(　　)
A.利用特定引物对病毒RNA进行PCR扩增即可获得目的基因
B.戊型肝炎病毒与大肠杆菌遗传物质相同,所以能实现基因的重组
C.构建基因表达载体时,需将编码pORF2的DNA与启动子连接
D.利用该方法获得的疫苗不会诱发细胞免疫但可以产生记忆细胞
6.(2022山东威海一模)截至2022年2月28日,我国共有4款新冠疫苗获批上市,走在世界新冠疫苗研发的前沿。根据采用的主要技术路径不同,目前研制的新冠疫苗主要是核酸疫苗、灭活疫苗、腺病毒载体疫苗、重组蛋白疫苗。对于新冠疫苗研制的技术路径,下列说法合理的是(　　)
A.通过基因工程方法,生产提纯新冠病毒最有可能作为抗原的S蛋白,制成重组蛋白疫苗
B.将新冠病毒在琼脂培养基上进行培养,然后通过灭活和纯化,制成灭活疫苗
C.mRNA疫苗在人体细胞内作为模板合成病毒刺突蛋白(如S蛋白),可刺激人体产生抗体
D.用改造后无害的腺病毒作为载体,和新冠病毒的刺突蛋白基因(如S蛋白基因)重组,可制成腺病毒载体疫苗
7.(2022湖南长沙一中模拟)基因敲除技术针对某个序列已知但功能未知的序列,通过改变生物的遗传基因,令特定的基因功能丧失作用,从而使部分功能被屏蔽,并可进一步对生物体造成影响,进而推测出该基因的生物学功能。研究人员将某实验动物的第5号染色体上的一段DNA敲除,结果发现培育出的实验动物血液甘油三酯含量极高,具有动脉硬化的倾向,并可以遗传给后代。下列有关叙述错误的是(　　)
A.敲除的DNA片段具有遗传效应
B.动脉硬化的产生与遗传物质发生基因重组有关
C.控制甘油三酯合成的基因就位于第5号染色体上
D.利用DNA片段的敲除技术可以研究相关基因功能
8.(2022辽宁沈阳模拟)基因定点突变技术通过改变基因特定位点的核苷酸来改变蛋白质的氨基酸序列,常用于研究某个氨基酸对蛋白质的影响,其原理是利用人工合成的诱变寡核苷酸引物和多种酶来合成突变基因,过程如图所示。下列分析错误的是(　　)
A.基因定点突变的原理是使基因发生碱基的替换
B.诱变寡核苷酸引物的延伸需要消耗四种核糖核苷酸
C.突变基因的合成是以正常基因的单链作为模板的
D.延伸过程中遵循碱基互补配对原则,且需要DNA聚合酶的催化
三、非选择题
9.(2022河南中牟中学模拟)我国是世界最大的棉花消费国、第二大棉花生产国。利用基因工程技术获得的转基因抗虫棉投入种植生产已经非常成熟,尤其是我国独创的花粉管通道法更是一种十分简便经济的方法,为推动基因工程技术的发展也做出了贡献。
(1)花粉管通道法就是在植物受粉后,花粉形成的花粉管还未愈合前,剪去柱头,然后滴加　　　　　　　　　　　　　(填“目的基因”或“含目的基因的表达载体”),使目的基因借助花粉管通道进入　　　　　　　　　　　　　。
(2)目的基因导入后,是否可以稳定维持和表达其遗传特性,只有通过　　　　　　　　　　　才能知道。为确定转基因棉花的DNA上是否插入了目的基因和转基因棉花的目的基因是否成功转录,都会用到分子杂交技术,但两者在杂交对象上的区别是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)为检验棉花植株是否被赋予抗虫特性,可以在个体水平上做　　　　　实验。如果抗虫基因导入成功,且与某一条染色体的DNA整合起来,该转基因抗虫棉可视为杂合子,将该转基因抗虫棉自交一代,预计后代中抗虫植株的比例占　　　　　。
(4)基因工程在原则上只能生产自然界　　　　　(填“已存在”或“不存在”)的蛋白质,这些蛋白质不一定完全符合人类生产和生活的需求。因此,在基因工程基础上产生了蛋白质工程,通过　　　　　　　　　　　　　,对现有蛋白质进行改造,或制造新的蛋白质,以满足人类的生产和生活的需求。
10.(2022北京延庆一模)为研究玉米Y基因在逆境胁迫应答中的重要作用,科研人员做了如下研究。
(1)提取玉米细胞的mRNA在　　　　　　的催化下获得cDNA,根据Y基因的序列设计　　　　　　　进行PCR扩增,获得Y基因。
(2)将获得的Y基因与绿色荧光蛋白基因(GPF基因)连接构建融合基因,在　　　　　　　　　　酶的作用下插入质粒(见图1)的　　　　　　　　　　　切点构建重组质粒,通过　　　　　　法将该重组质粒导入玉米细胞中,获得Y基因过表达的转基因玉米植株。
(3)用显微镜观察转基因玉米叶片细胞,发现发出绿色荧光的区域与玉米的细胞核位置重叠,说明　　　　　　　　　　　　　　　　　。为研究Y基因的作用,科研人员测定了Y基因的表达特点(如图2和图3),推测后续实验中应选用的实验材料及其处理是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)为验证Y基因能提高植物的抗盐能力,科研人员设计如下实验,6 d后测定结果如下表。
玉米类型 处理 叶片情况
野生型 清水 叶绿素含量高,叶片嫩绿
野生型 0.15 M NaCl 溶液处理 叶绿素含量低,叶片枯黄
转Y基 因玉米 0.15 M NaCl 溶液处理 叶绿素含量高,叶片嫩绿
为增加实验的可信度,应补充一组对照实验,该对照组实验处理及预期结果是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(5)结合本实验的研究结果,提出改良盐碱地的可行性措施。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
11.(2022广东惠州三模)新冠病毒是一种RNA病毒,其主要通过其表面刺突蛋白(S蛋白)与人体细胞上的“血管紧张素转化酶2(ACE2)”受体结合实现感染。各类新冠病毒疫苗的研发都是基于这个主要的理论基础,即以S蛋白基因为靶点,通过表达S蛋白,诱导人体产生免疫能力,从而实现预防感染的目的。以下是两条疫苗研究技术路线:
A.疫苗研究技术路线1:体外表达疫苗——重组疫苗。
提取新冠病毒RNA,获取S蛋白基因,构建S蛋白基因表达载体,导入酿酒酵母,合成并分泌S蛋白质(疫苗),注射人体,产生免疫。
B.疫苗研究技术路线2:体内表达疫苗——病毒载体疫苗。
提取新冠病毒RNA,获取S蛋白基因,将S蛋白基因转入复制缺陷型腺病毒的基因组内,获得疫苗。接种该疫苗后,腺病毒载体会进入人体细胞,由于基因缺陷,腺病毒本身无法复制,但其内的S蛋白基因会启动产生S蛋白,这种S蛋白会从细胞内转移到细胞外,诱导人体产生免疫。
据上述材料结合所学知识,回答下列问题。
(1)两条技术路线中,获取S蛋白基因的方法是:提取病毒RNA,通过　　　　　过程合成S蛋白基因,再用PCR技术扩增S蛋白基因。设计扩增S蛋白基因所需的引物时,不可以将一端引物设计为含GAATTC序列,理由是　　　　　　　　　　　　　　。
(2)技术路线1中,常使用两种酶切割载体。这里的酶是　　　　　　　　　　;与单酶切相比,优点是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。体外表达技术在疫苗领域已经非常成熟,但由于S蛋白中含有受体酵母菌自身分泌的内源蛋白,所以　　　　　　　比较复杂。
(3)技术路线2中,相当于把人体细胞当作了疫苗工厂,大大简化了疫苗生产过程。无法自我复制的腺病毒也会被人体免疫机制清理掉,提高了疫苗的　　　。但是绝大多数人成长过程中曾感染过腺病毒,短期内体内可能存在能中和腺病毒载体的　　　 　　,从而　　　　(填“加强”或“降低”)疫苗效果,这就是预存免疫。
12.(2022湖北黄石一中一模)研究发现,H5亚型禽流感病毒能突破种间屏障感染人类。科研人员针对人流感病毒H3以及禽流感病毒H5进行了相关研究。回答下列问题。
(1)科研人员要通过PCR扩增两种病毒的DNA前,首先要通过两种病毒的RNA得到两种病毒的DNA,这一步骤所需的关键酶是　　　　　。PCR技术扩增DNA的过程中,复性是指　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。PCR中需要添加引物的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)研究人员利用p质粒构建p-H5/H3共表达的重组质粒(如下图),设计思路是:先将H5基因整合到p质粒(仅含有NheⅠ和XhoⅠ酶切位点)上,再将H3基因插入,获得重组质粒。为达到实验目的,需要在目的基因两端引入酶切位点,在H5基因两端需要引入哪些酶切位点 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)重组质粒p-H5/H3中的启动子是　　　　酶识别和结合的部位,能驱动基因转录出mRNA。除图中所示的组成外,重组质粒p-H5/H3中还应有　　　　　　　　(至少答两个)等。
(4)研究人员将重组质粒p-H5/H3直接导入人或动物体内,让其在宿主细胞中表达出抗原蛋白,不断进行体液免疫和细胞免疫,达到预防的目的。上述研究表明,通过将　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　,可以实现一种基因疫苗预防多种疾病的目的。
答案：
课时规范练
1.A　解析 根据“由一条单链向导RNA引导内切核酸酶Cas9到一个特定的基因位点进行切割”可知,向导RNA可识别目标位点,并由内切核酸酶Cas9切割目标位点,A项错误;引入供体DNA分子的插入以实现替换的过程属于基因工程,可以对基因进行定向改造,B项正确;向导RNA识别序列发生错配可能会导致基因被错误剪辑,C项正确;向导RNA通过碱基互补配对与靶向目标序列结合,内切核酸酶Cas9使该基因上下游的DNA双链断裂,对基因进行定点切割,生物体自身会将断裂上下游两端的序列连接起来,从而实现了细胞中目标基因的敲除,实现对人类遗传病的治疗,D项正确。
2.C　解析 引物能与ACC合成酶基因通过碱基互补配对结合,从而定位ACC合成酶基因的位置,因此引物的特异性是能够从番茄DNA中获取ACC合成酶基因的关键,A项正确;反向连接的ACC合成酶基因合成的mRNA通过与正常的ACC合成酶基因的mRNA互补,使ACC合成酶基因不能正常表达,限制了细胞内乙烯的合成,B项正确;从题图中可知,基因表达载体中ACC合成酶基因破坏了四环素抗性基因,因此含有携带目的基因的质粒的细胞能在含氨苄青霉素的培养基中存活,但不能在含四环素的培养基中存活,C项错误;设计双酶切处理目的基因及载体是更好地保证目的基因的反向连接,D项正确。
3.C　解析 评价疫苗优点的重要特征有安全、易于储存和运输、长效保护,A项正确;所有类型的疫苗都要表现出与原病原体一致的抗原特性才能引起机体相应的免疫应答,B项正确;从病毒载体疫苗的特征来看,重组病毒载体未与人体细胞蛋白质结合,说明其不在染色体上,C项错误;基因疫苗由于分子量较大,无法直接进入细胞内(蛋白质必须在胞内合成),故可借助磷脂包裹,通过膜融合进入细胞,D项正确。
4.C　解析 人类合成的LCB1和ACE2受体都可以与S蛋白的RBD结合,说明LCB1可能与ACE2受体的某些区域结构类似,A项正确;由于人类合成的LCB1和ACE2受体都可以与S蛋白的RBD结合,因此可以依据S蛋白的RBD结构设计LCB1,B项正确;LCB1是研究人员设计的,且是自然界不存在的,因此不可能是通过细胞中原有的基因表达产生的,C项错误;基因工程只能合成自然界已经存在的蛋白质,而LCB1蛋白药物是自然界不存在的,是通过蛋白质工程设计和合成的,D项正确。
5.CD　解析 需先将病毒的RNA逆转录成DNA,再根据DNA序列设计出特异性的引物,进行PCR扩增目的基因,A项错误;戊型肝炎病毒的遗传物质是RNA,大肠杆菌的遗传物质是DNA,B项错误;基因表达载体包括目的基因、启动子、终止子、标记基因等部分,要使目的基因在受体细胞中特异性表达,构建基因表达载体时,需将目的基因与启动子等调控组件连接在一起,C项正确;该蛋白疫苗不会侵染细胞,不产生细胞免疫,但疫苗属于抗原,会刺激机体产生体液免疫,可以产生记忆细胞(记忆B细胞),D项正确。
6.ACD　解析 通过基因工程方法,生产提纯新冠病毒最有可能作为抗原的S蛋白,制成重组蛋白疫苗,刺激机体产生相应的抗体和记忆细胞,A项符合题意;病毒无细胞结构,必须在活细胞内才能生存,琼脂培养基不能用来培养病毒,B项不符合题意;mRNA疫苗在人体细胞内作为模板翻译出的病毒刺突蛋白(如S蛋白)可以作为抗原,刺激人体产生相应的抗体,C项符合题意;基因工程常用质粒作为载体,病毒(无害的腺病毒)也可以作为载体,因此用改造后无害的腺病毒作为载体,和新冠病毒的刺突蛋白基因(如S蛋白基因)重组,可制成腺病毒载体疫苗,D项符合题意。
7.BC　解析 敲除DNA后发现培育出的实验动物血液甘油三酯含量极高,具有动脉硬化的倾向,并可以遗传给后代,说明敲除的DNA片段具有遗传效应,A项正确;动脉硬化的产生与遗传物质发生可遗传的变异有关,不能说明是基因重组,B项错误;上述信息只能表明敲除的DNA片段与甘油三酯代谢有关,不能表明控制甘油三酯合成的基因就位于第5号染色体上,C项错误;由题干信息可知,利用DNA片段的敲除技术可以研究相关基因功能,D项正确。
8.B　解析 定点突变改变特定位点的核苷酸,先是人工合成诱变寡核苷酸引物,随后经过延伸和复制,产生新的突变基因,A项正确;诱变寡核苷酸引物的延伸需要消耗四种脱氧核苷酸,B项错误;突变基因的合成以正常基因的单链为模板,C项正确;延伸过程中遵循碱基互补配对原则,该过程需要将脱氧核苷酸连接起来,所以需要DNA聚合酶的催化,D项正确。
9.答案 (1)含目的基因的表达载体　受体细胞(或植物细胞)　(2)检测与鉴定　后者是从转基因棉花中提取mRNA与探针杂交,前者是从转基因棉花中提取DNA与探针杂交　(3)抗虫接种　3/4　(4)已存在　基因修饰或基因合成
解析 (1)运用花粉管通道法将目的基因导入植物细胞,其操作方式为:在植物受粉后,花粉形成的花粉管还未愈合前,剪去柱头,然后滴加含目的基因的表达载体,使目的基因借助花粉管通道进入受体细胞。(2)目的基因导入受体细胞后,只有通过检测与鉴定才能知道目的基因是否可以稳定维持和表达其遗传特性。检测转基因棉花的DNA上是否插入了目的基因,需要将从转基因棉花中提取到的DNA与探针杂交;检测转基因棉花的目的基因是否成功转录,需要将从转基因棉花中提取到的mRNA与探针杂交。(3)为检验棉花植株是否被赋予抗虫特性,可以在个体水平上做抗虫接种实验。如果导入的抗虫基因与某一条染色体的DNA整合起来,则该转基因抗虫棉相当于杂合子。依据基因的分离定律可推知,该转基因抗虫棉自交一代,后代中抗虫植株的比例占3/4。(4)基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。蛋白质工程是通过基因修饰或基因合成,对现有蛋白质进行改造,或制造新的蛋白质,以满足人类的生产和生活的需求。
10.答案 (1)逆转录酶　(特异性)引物　(2)BamHⅠ(限制酶)和DNA连接　BamHⅠ　农杆菌转化　(3)Y基因的表达产物定位在细胞核(Y蛋白是核蛋白)　常温条件下NaCl处理玉米叶片24 h　(4)实验处理是NaCl溶液处理转入空质粒的玉米植株,预期结果是叶绿素含量低,叶片枯黄　(5)利用转Y基因植物,改良盐碱地
解析 (1)由mRNA获得cDNA的过程为逆转录过程,该过程需要逆转录酶的催化;利用PCR进行扩增时,需要根据Y基因的序列设计(特异性)引物进行扩增,获得Y基因。(2)据图可知,BamHⅠ酶切位点位于启动子和终止子之间,故需要利用该酶切割质粒和目的基因,此后利用DNA连接酶将两者连接,构建基因表达载体;将目的基因导入玉米细胞的方法为农杆菌转化法。(3)若用显微镜观察转基因玉米叶片细胞,发现发出绿色荧光的区域与玉米的细胞核位置重叠,则可推测Y基因的表达产物在细胞核;据图可知,Y基因在叶片中的表达水平最高,且处理24 h时表达最高,故后续实验中应选用的实验材料及其处理是在常温条件下NaCl处理玉米叶片24 h。(4)验证Y基因能提高植物的抗盐能力,则实验的自变量为Y基因的有无,因变量为植物的抗盐能力,可通过叶绿素含量和叶片颜色进行比较,实验设计应遵循对照与单一变量原则,故为增加实验的可信度,应补充一组对照实验:NaCl溶液处理转入空质粒的玉米植株;预期结果是叶绿素含量低,叶片枯黄。(5)结合上述实验结果可知,改良盐碱地的可行性措施有利用转Y基因植物改良盐碱地等。
11.答案 (1)逆转录　引物会与自身碱基互补配对,无法与模板链结合(引物与引物之间也可以形成双链,引物会与自身碱基互补配对,降低引物与模板间结合的效率)
(2)限制性内切核酸酶　能避免目的基因与质粒(载体)的反向连接,或者目的基因与质粒的自身环化　提纯(或提取、分离、纯化)　(3)安全性　抗体　降低
解析 (1)提取新冠病毒RNA,通过逆转录过程合成新冠病毒S蛋白基因,再用PCR技术扩增S蛋白基因。设计扩增S蛋白基因所需的引物时,不可以将一端引物设计为含GAATTC序列,因为引物会与自身碱基互补配对,无法与模板链结合。(2)在生产重组疫苗的过程中,常使用两种不同酶切割载体,这里的酶指的是限制性内切核酸酶,与单酶切相比,优点是能避免目的基因与质粒(载体)的反向连接,或者目的基因与质粒的自身环化。由于S蛋白中含有受体酵母菌自身分泌的内源蛋白,所以提纯比较复杂。(3)无法自我复制的腺病毒也会被人体免疫机制清理掉,提高了疫苗的安全性。但是绝大多数人成长过程中曾感染过腺病毒,短期内体内可能存在能中和腺病毒载体的抗体,从而降低疫苗效果。
12.答案 (1)逆转录酶　当温度下降到50 ℃左右时,两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合　DNA聚合酶不能从头开始合成DNA,只能从引物的3'端(子链的5'端)开始延伸DNA　(2)NheⅠ、ClaⅠ、XhoⅠ　(3)RNA聚合　终止子、标记基因　(4)多个抗原基因插入同一个质粒中
解析 (1)由RNA合成DNA需要逆转录酶。PCR技术扩增DNA的过程包括变性、复性和延伸3步,其中复性是指当温度下降到50 ℃左右时,两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合形成氢键。DNA聚合酶不能从头开始合成DNA,只能从引物的3'端(子链的5'端)开始延伸DNA,因此PCR过程中需要添加引物才能完成复制过程。(2)分析图解可知,步骤中先将H5基因整合到p质粒上,该质粒上仅含有NheⅠ和XhoⅠ酶切位点,即用NheⅠ和XhoⅠ两种酶切割目的基因构建重组质粒;而将H3基因插入,获得重组质粒需要H5基因右端有ClaⅠ酶,因此需要在H5基因两端引入NheⅠ、ClaⅠ、XhoⅠ酶切位点。(3)启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位,能驱动基因转录出mRNA,重组质粒由启动子、终止子、目的基因和标记基因组成。(4)将重组质粒p-H5/H3直接导入人或动物体内,经过基因表达能够合成抗原蛋白,用于体液免疫和细胞免疫,达到预防的目的。显然该过程通过将多个抗原基因插入同一个质粒中,实现了一种基因疫苗对多种疾病的预防。
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