第1节 重组DNA技术的基本工具
课标内容要求 核心素养对接
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。 1．生命观念：运用结构与功能观说明基因工程的各种工具的特点。2．社会责任：关注基因工程的诞生和发展历程，参与讨论基础理论和技术发展如何催生基因工程。
一、基因工程及其诞生与发展
1．基因工程的概念
(1)操作场所：生物体外。
(2)操作技术：转基因等技术。
(3)操作结果：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。
(4)操作水平：DNA分子水平。
2．基因工程的诞生和发展
(1)基因工程的诞生
①1944年，艾弗里等人通过肺炎链球菌转化实验证明了遗传物质是DNA，还证明了DNA可以在同种生物的不同个体之间转移。
②1953年，沃森和克里克建立了DNA双螺旋结构模型并提出了遗传物质自我复制的假说。
③1961年，尼伦伯格和马太破译了第一个编码氨基酸的密码子。
④20世纪70年代初，多种限制酶、DNA连接酶和逆转录酶被相继发现，为DNA的切割、连接以及功能基因的获得创造了条件。
⑤1973年，科学家证明质粒可以作为基因工程的载体，构建重组DNA，使外源基因在原核细胞中成功表达，并实现物种间的基因交流。
(2)基因工程的发展
①1982年，第一个基因工程药物——重组人胰岛素被批准上市。
②1984年，我国科学家朱作言领导的团队培育出世界上第一条转基因鱼。
③1985年，穆里斯等人发明PCR，为获取目的基因提供了有效手段。
④1990年，人类基因组计划启动。2003年，该计划的测序任务顺利完成。
⑤21世纪以来，科学家发明了多种高通量测序技术，可以实现低成本测定大量核酸序列，加速了人们对基因组序列的了解。
⑥2013年，华人科学家张锋及其团队首次报道利用最新的基因组编辑技术编辑了哺乳动物基因组。
二、DNA重组技术的基本工具
1．限制性内切核酸酶(简称限制酶)——“分子手术刀”
(1)来源：主要来自原核生物。
(2)功能：能够识别双链DNA分子的特定核苷酸序列，并使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开。
(3)结果：产生黏性末端或平末端。
(4)应用：已知限制酶EcoR Ⅰ和Sma Ⅰ识别的碱基序列和酶切位点分别为G↓AATTC和CCC↓GGG，在图中写出两种限制酶切割DNA后产生的末端并写出末端的种类。
EcoR Ⅰ限制酶和Sma Ⅰ限制酶识别的碱基序列不同，切割位点不同(填“相同”或“不同”)，说明限制酶具有专一性。
2．DNA连接酶——“分子缝合针”
(1)作用：将双链DNA片段“缝合”起来，恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。
(2)种类[填表]
种类比较 E.coli DNA连接酶 T4 DNA连接酶
来源 大肠杆菌 T4噬菌体
特点 只能连接黏性末端 既可以连接黏性末端，又可以连接平末端
3．基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”
(1)质粒
①质粒的本质：是一种裸露的、结构简单、独立于真核细胞细胞核或原核细胞拟核DNA之外，并具有自我复制能力的环状双链DNA分子。
②质粒适于作基因运载体的特点
a．质粒DNA分子上有一个至多个限制酶切割位点，供外源DNA片段插入其中。
b．携带外源DNA片段的质粒进入受体细胞后，能在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．人工改造的质粒常带有标记基因，便于重组DNA分子的筛选。
(2)噬菌体、动植物病毒等。
三、DNA的粗提取与鉴定
1．实验原理
(1)DNA、RNA、蛋白质和脂质等在物理和化学性质方面有差异，选用适当的物理或化学方法对它们进行提取。
①DNA不溶于酒精，某些蛋白质溶于酒精，分离DNA和蛋白质。
②DNA能溶于2mol/L的NaCl溶液。
(2)DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色。
2．方法步骤
(1)研磨：取30 g洋葱切碎，倒入10 mL研磨液研磨。
(2)除杂：漏斗中垫上纱布过滤后，在4 ℃冰箱中静置后取上清液，也可以1 500 r/min的转速下离心后取上清液。
(3)提取：加入体积相等、体积分数95%酒精，溶液出现白色的丝状物是DNA。
方法一：用玻璃杯按一个(填“一个”或“两个”)方向搅拌，卷起丝状物，用滤纸吸去上面的水分。
方法二：10 000 r/min的转速下离心5 min，取沉淀物晾干。
(4)鉴定：
项目 A B
2 mol/L的NaCl溶液5 mL
丝状物或沉淀物 不加 加入
二苯胺试剂4 mL
沸水中加热5 min
现象 无色 蓝色
判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)
1．基因工程的原理是基因重组，不过在这里这种变异是定向的。 (√)
2．DNA聚合酶也可以用作DNA重组技术的工具。 (×)
提示：DNA重组技术的工具有限制酶、DNA连接酶和载体，没有DNA聚合酶。
3．限制酶在原来的原核细胞内对细胞自身有害。 (×)
提示：限制酶在原来的原核细胞内用于切割外源DNA，使之失效，从而保护自身。
4．不同DNA分子用同一种限制酶切割形成的黏性末端相同。 (√)
5．DNA连接酶既能连接黏性末端，又能连接平末端。 (×)
提示：E.coli DNA连接酶不能连接平末端。
6．载体的种类有质粒、噬菌体、动植物病毒等，其中动植物病毒必须是DNA病毒。 (√)
基因工程的工具酶
1．限制性内切核酸酶
(1)作用特点：具有专一性，表现在以下两个方面
①能够识别双链DNA分子中特定的核苷酸序列。
②能够切割特定序列中的特定位点。
(2)识别序列的特点：遵循碱基互补配对原则，无论是奇数个碱基还是偶数个碱基，都可以找到一条中心轴线，如图，中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的。如以中心线为轴，两侧碱基互补对称；以为轴，两侧碱基互补对称。
(3)作用产物：黏性末端或平末端。
①黏性末端：是限制性内切核酸酶在它识别序列的中心轴线两侧将DNA的两条链分别切开时形成的，如图所示：
②平末端：是限制性内切核酸酶在它识别序列的中心轴线处切开时形成的，如图所示：
2．DNA连接酶
(1)作用：将具有相同或互补黏性末端以及具有平末端的DNA片段“缝合”成新的DNA分子。
(2)连接方式：DNA连接酶可把黏性末端和平末端之间的缝隙“缝合”起来，相当于把梯子两边的扶手的断口连接起来，形成两个磷酸二酯键。DNA连接酶与碱基之间的氢键形成无关。
3．与DNA相关的五种酶的比较
名称 作用部位 作用结果
限制酶 磷酸二酯键 将DNA切成两个片段
DNA连接酶 磷酸二酯键 将两个DNA片段连接为一个DNA分子
DNA聚合酶 磷酸二酯键 将单个脱氧核苷酸依次连接到单链末端
DNA(水解)酶 磷酸二酯键 将DNA片段水解为单个脱氧核苷酸
解旋酶 碱基对之间的氢键 将双链DNA分子局部解旋为单链，形成两条长链
1．为什么限制酶主要从原核生物中分离纯化而来？推测它在原核生物中的作用是什么？它会不会切割自己的DNA分子？
提示：原核细胞容易受到外源DNA的入侵，原核细胞中的限制酶能够切割入侵的外源DNA而保护自身。原核细胞中的限制酶不会切割自己的DNA分子，因为酶具有专一性或自己的DNA分子已被修饰而不被识别。
2．限制性内切核酸酶和DNA连接酶的作用是否都体现了酶的专一性？
提示：限制性内切核酸酶能够识别双链DNA分子的特定核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开，体现了酶的专一性。E.coli DNA连接酶能将具有互补黏性末端的DNA片段连接起来，对末端的碱基序列没有要求；T4 DNA连接酶既可以连接双链DNA片段互补的黏性末端，又可以连接双链DNA分子的平末端，都对末端的碱基序列没有要求，因此DNA连接酶的作用没有体现酶的专一性。
1．(2020·河北沧州一中高二月考)限制酶和DNA连接酶是基因工程的工具酶，以下说法正确的是( )
A.DNA连接酶能将单个核苷酸加到已有的核苷酸片段上形成磷酸二酯键
B.限制酶只能切割双链DNA片段，不能切割烟草花叶病毒的核酸
C.E.coli DNA连接酶既能连接黏性末端，也能连接平末端
D.限制酶主要从原核生物中分离纯化而来，所以也能剪切自身的DNA
B [DNA连接酶连接的是两个DNA片段，A项错误；限制酶只能切割双链DNA片段而不能切割RNA，烟草花叶病毒的核酸为RNA，B项正确；E.coli DNA连接酶只能连接黏性末端，不能连接平末端，C项错误；限制酶主要从原核生物中分离纯化而来，但是因为原核生物DNA分子中不存在该酶的识别序列或识别序列已经被修饰，所以不能剪切自身的DNA，D项错误。]
2．(2020·北京密云区期末改编)下列各种酶及其作用对应关系不正确的是( )
A.限制酶——识别双链DNA分子的特定核苷酸序列，并使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开
B.RNA聚合酶——与基因的特定位点结合，催化遗传信息的翻译
C.DNA连接酶——将分开的DNA片段通过特定末端连接在一起
D.DNA聚合酶——将单个脱氧核苷酸连接到已有的核苷酸链上
B [限制酶能识别双链DNA分子的特定核苷酸序列，并使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开，A正确；RNA聚合酶与基因的特定位点结合，催化遗传信息的转录，B错误；DNA连接酶将两个DNA片段连接在一起，在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键，C正确；DNA聚合酶将单个脱氧核苷酸连接到已有的核苷酸链上，形成磷酸二酯键，D正确。]
几种酶的作用部位图解
(1)作用于a(磷酸二酯键)的酶：限制酶(断开)、DNA连接酶(形成)和DNA聚合酶(形成)。
(2)作用于b(氢键)的酶：解旋酶(断开)。
基因工程中常用的载体
1．特点：质粒是一种裸露的、结构简单、具有自我复制能力的环状双链DNA分子。
2．本质：质粒是独立于真核细胞细胞核或原核细胞拟核DNA之外的小型DNA分子，不是细胞器。
3．质粒作为载体所具备的条件
条件 分析
稳定并能复制 目的基因稳定存在且数量可扩大
有一个至多个限制酶切割位点 可携带多个或多种外源基因
具有特殊的标记基因 便于重组DNA的鉴定和选择
无毒害作用 避免受体细胞受到损伤
4．标记基因的筛选原理
载体上的标记基因一般是某种抗生素的抗性基因，而未导入该基因的受体细胞没有抵抗该抗生素的能力。
将含有某抗生素抗性基因的载体导入受体细胞，抗性基因在受体细胞内表达，受体细胞对该抗生素产生抗性。在含有该抗生素的培养基上，能够生存的是被导入了基因表达载体的受体细胞。如图所示：
细胞膜上的载体与基因工程中的载体有什么不同？
提示：(1)化学本质不同：细胞膜上的载体化学成分是蛋白质；基因工程中的载体可能是物质，如质粒(DNA)、λ噬菌体的衍生物，也可能是生物，如动植物病毒等。
(2)功能不同：细胞膜上的载体功能是协助细胞膜控制物质进出细胞；基因工程中的载体是一种“分子运输车”，把目的基因导入受体细胞。
1．作为基因的运输工具——载体，必须具备的条件之一及理由是( )
A.能够在宿主细胞中稳定地保存下来并大量复制，以便提供大量的目的基因
B.具有多个限制酶切点，以便于目的基因的表达
C.具有某些标记基因，以使目的基因能够与其结合
D.对宿主细胞无伤害，以便于重组DNA的鉴定和选择
A [作为载体必须能够在宿主细胞中稳定地保存下来并大量复制，以便提供大量的目的基因，A正确；作为载体必须具有一个或多个限制酶切点，以便于目的基因的插入，而不是表达，B错误；作为载体必须具有标记基因，以便于重组DNA的筛选，C错误；作为载体必须是安全的，对受体细胞无害，以便宿主细胞能进行正常的生命活动，D错误。]
2．某细菌质粒如图所示，通过标记基因可以推知外源基因插入的位置，图示中的a、b、c是外源基因插入位置，请根据表中提供的细菌生长情况，推测①②③三种重组后细菌的外源基因插入点，正确的一组是( )
细菌在含氨苄青霉素的培养基上的生长状况 细菌在含四环素的培养基上的生长状况
① 能生长 能生长
② 能生长 不能生长
③ 不能生长 能生长
A.①是c；②是b；③是a
B.①是a和b；②是a；③是b
C.①是a和b；②是b；③是a
D.①是c；②是a；③是b
A [①细菌能在含氨苄青霉素和四环素的培养基上生长，说明抗氨苄青霉素基因和抗四环素基因没有被破坏，所以插入点是c；②细菌能在含氨苄青霉素的培养基上生长，而不能在含四环素的培养基上生长，说明其抗氨苄青霉素基因正常而抗四环素基因被破坏，故插入点为b；③细菌不能在含氨苄青霉素的培养基上生长，能在含四环素的培养基上生长，说明其抗氨苄青霉素基因被插入而破坏，故插入点为a。]
某线性DNA分子含有5 000个碱基对(bp)，先用限制酶a切割，再把得到的产物用限制酶b切割，得到的DNA片段大小如下表。限制酶a和b的识别序列和切割位点如下图所示。
a酶切割产物(bp) b酶再次切割产物(bp)
2 100；1 400；1 000；500 1 900；200；800；600；1 000；500
本案例考查演绎与推理的科学思维。
(1)该DNA分子上有几个a酶识别和切割的位点？有几个b酶识别和切割的位点？(科学思维)
(2)a酶和b酶切出的黏性末端能相互连接吗？(科学思维)
提示：(1)该DNA分子上有3个a酶识别和切割的位点；有2个b酶识别和切割的位点。
(2)a酶和b酶切出的黏性末端相同，因此能相连。
[课堂小结]
知 识 网 络 构 建 核 心 语 句 背 诵
1.基因工程的基本原理是基因重组，外源DNA能在受体细胞表达的理论基础是密码子的通用性。2．DNA重组技术的基本工具有限制性内切核酸酶、DNA连接酶和使目的基因进入受体细胞的载体。3．限制性内切核酸酶可识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，并在特定位点上切割。4．E.coli DNA连接酶只能连接黏性末端，而T4 DNA连接酶既能连接黏性末端，也能连接平末端。5．质粒作为基因工程的载体需具备的条件有：能在宿主细胞内稳定保存并自我复制；具有一个或多个限制酶切割位点；具有标记基因。6．在基因工程中使用的载体除质粒外，还有噬菌体、动植物病毒等。
1．(2020·黑龙江哈师大附中月考改编)下列有关基因工程中限制酶的描述，正确的是( )
A.同种限制酶既可以切割目的基因又可以切割质粒，因此不具备专一性
B.限制酶只能识别和切割DNA，不能识别RNA
C.限制酶与DNA连接酶的作用部位不相同
D.限制酶只能从原核生物中提取
B [一种限制酶能识别双链DNA分子中的特定核苷酸序列，并在特定位点上切割DNA分子，既可以切割目的基因又可以切割质粒，体现了酶的专一性，A错误；限制酶与DNA连接酶的作用部位相同，都是磷酸二酯键，C错误；限制酶主要从原核生物中提取，D错误。]
2．下列关于DNA连接酶的叙述，正确的是( )
A.DNA连接酶连接的是两个DNA片段碱基对之间的氢键
B.DNA连接酶连接的是DNA单链上的磷酸和脱氧核糖
C.DNA连接酶只能将单个核苷酸加到已有的核苷酸片段的末端
D.E.coil DNA连接酶能将双链DNA片段互补的平末端连接起来
B [DNA连接酶连接的是两个DNA片段之间的磷酸二酯键，A错误；DNA连接酶连接的是DNA双链片段两个脱氧核苷酸之间的磷酸和脱氧核糖，B正确、C错误；E.coli DNA连接酶只能将具有互补黏性末端的DNA片段连接起来，D错误。]
3．质粒是基因工程最常用的载体，下列有关质粒的说法错误的是( )
A.质粒不仅存在于细菌中，某些病毒也具有
B.质粒作为载体时，应具有标记基因和多个限制酶切点
C.质粒为小型环状DNA分子，存在于拟核(区)外的细胞质基质中
D.质粒能够在宿主细胞中稳定保存，并在宿主细胞内复制
A [质粒为小型环状DNA分子，不仅存在于细菌中，也存在于某些真核生物中，但病毒中没有质粒；质粒作为载体时，应具有标记基因和多个限制酶切割位点；质粒为小型环状DNA分子，存在于细胞核或拟核外的细胞质基质中；质粒能够在宿主细胞中稳定保存，并在宿主细胞内复制。]
4．(2019·江苏扬州中学高三月考改编)下列关于DNA粗提取与鉴定的叙述，错误的是( )
A.用同样方法从等体积兔血和鸡血中提取的DNA量相近
B.DNA析出过程中，搅拌操作要轻柔以防DNA断裂
C.预冷的酒精溶液可用来粗提取DNA
D.用二苯胺试剂鉴定DNA需要进行沸水浴加热
A [兔属于哺乳动物，其成熟红细胞没有细胞核及各种细胞器，提取不到DNA，A项错误；DNA分子从细胞中被释放出来且除去蛋白质后是非常容易断裂的，如果太过剧烈的搅拌，DNA链可能会被破坏，因此沿一个方向轻柔搅拌的目的是获得较完整的DNA分子，B项正确；在预冷的体积分数为95%的酒精溶液中DNA的溶解度最低，DNA的沉淀量最大，C项正确；将析出的DNA溶解在物质的量浓度为2 mol/L的NaCl溶液中，加入二苯胺试剂后需要沸水浴加热才会呈现蓝色，D项正确。]
5．如表所示为4种限制酶的识别序列及其切割位点，请回答下列问题：
(1)从表中4种酶的切割位点看，可以切出平末端的酶是________。
(2)限制酶切割的DNA片段的缝合依靠的是________酶，它的作用是形成磷酸二酯键；两条链间的碱基对通过________连接起来。
(3)图1中的质粒分子可被表中限制酶________切割。
图1
图2
(4)在相关酶的作用下，图1中的甲与图2中的乙____________(填“能”或“不能”)拼接起来。请说明理由：____________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________。
[解析] (1)由表中4种限制酶的切割位点可知，Sma Ⅰ可切出平末端。(2)限制酶切割的DNA片段缝合时用DNA连接酶进行连接，形成磷酸二酯键；两条链之间的碱基依据碱基互补配对原则形成氢键。(3)根据质粒的碱基序列可知，质粒分子可被限制酶EcoR Ⅰ切割，切割后形成链状DNA。(4)由图可知，甲和乙的黏性末端相同，在DNA连接酶的作用下可以拼接起来。
[答案] (1)Sma Ⅰ (2)DNA连接 氢键 (3)EcoR Ⅰ (4)能 二者具有相同的黏性末端第2节 基因工程的基本操作程序
课标内容要求 核心素养对接
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。 1．科学思维：结合实例，采用文字和图示方式说明基因工程的基本操作程序。2．生命观念：运用结构与功能观等观念理解PCR技术的过程、原理、条件等。
一、目的基因的筛选与获取
1．目的基因
(1)概念：用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因。
(2)实例：培养转基因抗虫棉用到的目的基因是Bt抗虫蛋白基因。
2．筛选合适的目的基因
(1)较为有效的方法：从相关的已知结构和功能清晰的基因中进行筛选。
(2)实例：在培育转基因抗虫棉之前，科学家不仅掌握了Bt基因的序列信息，也对Bt基因的表达产物——Bt抗虫蛋白有了较为深入的了解。
(3)认识基因结构和功能的技术方法：DNA测序技术、遗传序列数据库、序列比对工具。
3．利用PCR获取和扩增目的基因
(1)原理：DNA半保留复制。
(2)DNA复制所需的基本条件：
参与的组分 在DNA复制中的作用
解旋酶(体外用高温代替) 打开DNA双链
DNA母链 提供DNA复制的模板
4种脱氧核苷酸 合成DNA子链的原料
DNA聚合酶 催化合成DNA子链
引物 使DNA聚合酶能够从引物的3′端开始连接脱氧核苷酸
(3)过程：
基于PCR的过程，完成下列问题：
过程Ⅰ为变性，该阶段的温度为90_℃以上，目的是使双链DNA解聚为单链。
过程Ⅱ为复性，该阶段的温度为50__℃左右，两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合。
过程Ⅲ为延伸，该阶段的温度为72_℃左右，该过程需要在耐高温的DNA聚合酶的催化下，利用4种脱氧核苷酸为原料，根据碱基互补配对原则从子链的3′端延伸合成新的子链DNA。
(4)仪器：PCR扩增仪。
(5)鉴定方法：琼脂糖凝胶电泳。
二、基因表达载体的构建(第二步)
1．基因表达载体作用
(1)使基因在受体细胞中稳定存在，并且遗传给下一代。
(2)使目的基因能够表达和发挥作用。
2．基因表达载体组成
基于基因表达载体的结构模式图，完成下列问题：
基因表达载体的模式图
(1)[A]启动子，RNA聚合酶识别和结合的部位，可以驱动基因转录出mRNA，[B]目的基因。
(2)[C]终止子，转录停止的部位。
(3)[D]复制原点，[E]标记基因。
3．构建过程
(1)用适宜的限制酶切割载体。
(2)用同一种限制酶或能产生相同黏性末端的限制酶切割目的基因。
(3)用DNA连接酶将目的基因片段拼接到载体上。
三、将目的基因导入受体细胞
1．转化：目的基因进入受体细胞内，并在受体细胞内维持稳定和表达的过程。
2．目的基因导入受体细胞的方法
(1)目的基因导入植物细胞
①花粉管通道法
a．用微量注射器将含目的基因的DNA溶液直接注入子房中。
b．在植物受粉后的一定时间内，剪去柱头，将DNA溶液滴加在花柱切面上，使目的基因借助花粉管通道进入胚囊。
②农杆菌转化法
a．农杆菌的特点：农杆菌自然条件下侵染双子叶植物和裸子植物；农杆菌的Ti质粒上的T DNA能够整合到所侵染细胞的染色体DNA上。
b．转化方法：将目的基因插入农杆菌Ti质粒的T DNA中，让农杆菌侵染植物细胞。
(2)目的基因导入动物细胞
①常用方法：显微注射法。
②常用受体细胞：受精卵。
(3)目的基因导入微生物细胞
①方法：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，然后将重组表达载体导入其中。
②常用受体细胞：原核细胞(使用最广泛的是大肠杆菌)。
四、目的基因的检测与鉴定(第四步)
1．分子水平的检测
(1)通过PCR等技术检测受体细胞染色体DNA上是否插入了目的基因或检测目的基因是否转录出mRNA。
(2)从转基因生物中提取蛋白质用相应的抗体进行抗原—抗体杂交，检测目的基因是否翻译成了蛋白质。
2．个体生物学水平的检测：如饲喂法等。
判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)
1．从已知结构和功能清晰的基因中筛选目的基因是获取目的基因的一种有效方法。 (√)
2．Taq酶是用PCR仪对DNA分子扩增过程中常用的一种耐高温的DNA连接酶。 (×)
提示：Taq酶是耐高温的DNA聚合酶。
3．基因表达载体中启动子是DNA聚合酶识别和结合的部位。
(×)
提示：启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位。
4．将重组表达载体导入动物受精卵常用显微注射法。 (√)
5．转基因抗虫棉植株抗虫效果的鉴定必须通过分子检测才能达到目的。 (×)
提示：抗虫效果的鉴定要在个体生物学水平上做抗虫接种实验来鉴定。
6．可通过PCR等技术检测棉花的染色体上是否插入了Bt基因。 (√)
PCR技术
1．PCR扩增的过程(如图)
2．PCR扩增的计算：理论上DNA数目呈指数扩增。
(1)若开始只有一个DNA提供模板，则循环n次后获得的子代DNA数目为2n个。
(2)若开始有N0个DNA提供模板，则循环n次后获得的子代DNA数目为N0·2n个。
3．比较PCR扩增和体内DNA复制的异同
项目 DNA复制 PCR技术
解旋方式 解旋酶催化 DNA在高温作用下变性解旋
场所 细胞内(主要在细胞核内) 细胞外(主要在PCR扩增仪内)
酶 解旋酶、普通的DNA聚合酶等 耐高温的DNA聚合酶
温度条件 细胞内温和条件 需控制温度，在较高温度下进行
合成的对象 DNA分子 DNA片段或目的基因
相同点 (1)模板：均需要DNA的两条单链作为模板(2)原料：均为4种脱氧核苷酸(3)酶：均需DNA聚合酶
1．PCR过程中为什么需要引物？
提示：引物是一小段单链DNA或RNA，作为DNA复制的起始序列，它能与DNA母链的一段碱基序列互补配对。存在于自然界中生物的DNA复制和人工合成中的多聚酶链式反应(PCR)之所以需要引物，是因为在DNA合成时DNA聚合酶只能从5′端到3′端合成子链。
2．某同学认为PCR过程不同的DNA片段变性时温度是不同的，你认为他的说法正确吗？说明你的理由。
提示：正确。变性目的是通过升高温度破坏氢键，将DNA分子双链变成单链，不同片段的DNA分子中氢键的数量不同导致稳定性不同，因此所需的温度不同。
3．在利用PCR获取和扩增目的基因时，从第几轮循环才会产生完整的目的基因？
提示：第3轮
1．(2020·山东潍坊模拟改编)下列关于PCR的叙述，正确的是( )
A．PCR是体外复制DNA技术，关键酶是解旋酶和DNA聚合酶
B．DNA聚合酶从引物的5′端开始连接脱氧核苷酸
C．第三轮循环产物中出现位于两种引物之间的DNA片段
D．延伸过程需要酶、ATP和4种核糖核苷酸
C [PCR体外复制DNA不需要解旋酶，需要耐高温的DNA聚合酶，A错误；DNA聚合酶从引物的3′端开始连接脱氧核苷酸，B错误；第三轮循环产物中出现位于两种引物之间的DNA片段，这段固定长度的序列的数量呈指数扩增，C正确；PCR是在较高温度条件下进行的，该过程需要耐高温的DNA聚合酶，且PCR反应的产物是DNA，因此原料是4种游离的脱氧核苷酸，不是核糖核苷酸，也不需要ATP，D错误。]
2．如图a、b、c均为PCR扩增的DNA片段，下列有关说法正确的是( )
A．片段a、b、c的长度均相同
B．片段a、b只是第一次循环的产物
C．片段c最早出现在第二次循环的产物中
D．经过30次循环后，片段c的数量为230
C [图中片段a、b只有一种引物，是由原始DNA链为模板复制而来，其长度比片段c长，A项不正确。由于原始模板在每次循环中均可作为模板，则每次循环都能产生图中片段a、b，B项不正确。由于第一次循环的产物只有一种引物，而图中片段c有两种引物，则c最早出现在第二次循环，C项正确。经过30次循环后，得到的DNA片段总数为230，这包括图中的片段a、b，故D项不正确。]
3．2020年新型冠状病毒引发的疫情在世界范围内迅速传播。各研发机构迅速进行了针对新型冠状病毒检测和治疗的研发。回答下列问题。
(1)科研机构在拿到新型冠状病毒序列后，第一时间就进行了新型冠状病毒核酸检测试剂盒(双重荧光PCR法)的开发。
①这里涉及的PCR是利用________________的原理，将目的基因加以复制。
②PCR技术扩增目的基因的前提是要有_________________，以便根据它合成________。
③PCR扩增的过程：目的基因DNA________后解链为单链，________与单链相应互补序列结合，然后在______________作用下进行延伸，如此重复循环。
[解析] (1)①PCR的原理是DNA双链复制。
②PCR技术扩增目的基因需要有一段已知目的基因的核苷酸序列，利用该序列合成引物。
③PCR扩增的过程：目的基因DNA受热变性形成单链，引物与单链相应序列结合，在耐高温的DNA聚合酶的催化作用下进行延伸，如此重复循环。
[答案] (1)①DNA双链复制 ②一段已知目的基因的核苷酸序列 引物 ③受热变性 引物 耐高温的DNA聚合酶
目的基因导入受体细胞及目的基因的检测与鉴定
1．目的基因导入受体细胞的方法
生物类型 方法 受体细胞 转化过程 特点
植物 农杆菌转化法 体细胞或受精卵 目的基因插入Ti质粒的T DNA上→转入农杆菌→导入植物细胞→插入植物细胞中的染色体DNA上→目的基因表达 适用于双子叶植物和裸子植物
花粉管通道法 在植物受粉后的一定时间内，剪去柱头，将DNA溶液滴加在花柱切面上，使目的基因借助花粉管通道进入胚囊 适用于任何开花植物
动物 显微注射法 受精卵 目的基因表达载体提纯→取卵(受精卵)→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的转基因动物 是采用最多、最有效的方法
微生物 Ca2＋处理法 原核细胞 Ca2＋处理微生物细胞→使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态→将基因表达载体与感受态细胞混合在缓冲液中→一定温度下促使该细胞吸收DNA分子 原核生物繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少，从而成为最常用的受体细胞
2．目的基因的检测与鉴定
3．常见转基因生物在个体水平上鉴定、检测的方法
转基因生物 检测方法 观察目标
抗虫植物 饲喂害虫 害虫死亡
抗病毒(菌)植物 病毒(菌)感染 未侵染上病斑
抗盐植物 盐水浇灌 正常生长
抗除草剂植物 喷洒除草剂 正常生长
1．农杆菌转化法为什么要将目的基因插入农杆菌质粒的T DNA片段？
提示：Ti质粒的T DNA片段可以整合到受体细胞的染色体上。
2．如果改用花粉管通道法将目的基因导入受体细胞，与农杆菌转化法相比有什么优点？
提示：(1)操作简便；(2)直接将目的基因导入受精卵，无须组织培养即可获得植株。(答出一个即可，其他答案合理也可)
3．将目的基因导入动物细胞的受体细胞除了受精卵外，还可以选择什么细胞？
提示：还可以将目的基因导入胚胎干细胞，因为胚胎干细胞也能发育成动物体。
1．(2020·山东泰安期中改编)下列关于将目的基因导入受体细胞的叙述，错误的是( )
A．可利用花粉管通道法培育转基因植物
B．用Ca2＋处理大肠杆菌，以改变大肠杆菌细胞的生理状态
C．对于动物来说，受体细胞一般是受精卵
D．将目的基因转入微生物细胞常用显微注射法
D [可利用花粉管通道法培育转基因植物，A正确；用Ca2＋处理大肠杆菌，使之处于一种能够吸收周围环境中DNA分子的生理状态，B正确；对于动物来说，受体细胞一般是受精卵，因为受精卵的全能性易于表现，C正确；将目的基因转入动物细胞常用显微注射法，将目的基因转入微生物细胞常用Ca2＋处理法，D错误。]
2．目的基因导入受体细胞后，需要检测目的基因是否可以维持稳定和表达其遗传特性。下列关于目的基因的检测和鉴定的叙述，正确的是( )
A．目的基因能否在受体细胞中稳定遗传的关键是能否转录出mRNA
B．可采用PCR检测目的基因是否转录和翻译
C．可从转基因生物中提取蛋白质来检测目的基因是否翻译成相应蛋白质
D．抗虫、抗病检验用于确定转基因生物是否具备相关性状属于分子水平的检测
C [目的基因导入受体细胞后，首先要检测转基因生物(染色体)DNA上是否插入了目的基因，这是目的基因能否在受体细胞中稳定遗传的关键，A错误；PCR可用于检测目的基因是否转录，检测目的基因是否翻译用抗原—抗体杂交技术，B错误；抗虫、抗病检验用于确定转基因生物是否具备相关性状属于个体生物学水平的鉴定，D错误。]
在基因工程操作中，科研人员利用识别两种不同识别序列的限制酶(R1和R2)处理基因表达载体，进行聚丙烯酰胺凝胶电泳检测，结果如图所示。请思考回答：
本案例考查学生演绎与推理的科学思维及对实验结果交流与讨论的科学探究能力。
(1)该载体是环形DNA还是链状DNA？说明理由。(科学思维)
(2)两种限制酶在载体上的酶切位点各有几个？(科学思维)
(3)限制酶R1与R2的酶切位点的最短距离是多少？(科学思维)
提示：(1)该载体应为环形DNA，因为仅用一种限制酶切割载体时，仅产生一种长度为800 Kb的DNA片段。
(2)两种限制酶在载体上的酶切位点各有1个。
(3)限制酶R1与R2的酶切位点的最短距离为200 Kb。
[课堂小结]
知 识 网 络 构 建 核 心 语 句 背 诵
1.基因工程的基本操作程序有：(1)目的基因的筛选与获取；(2)基因表达载体的构建；(3)将目的基因导入受体细胞；(4)目的基因的检测与鉴定。2.PCR反应液中需要提供DNA模板、分别与两条模板链结合的2种引物、4种脱氧核苷酸和耐高温的DNA聚合酶。3.PCR反应中每次循环一般可分为变性、复性、延伸三步。4.基因表达载体的构建是基因工程的核心，基因表达载体是载体的一种，除了目的基因外，它还必须有启动子、终止子以及标记基因等。5.将目的基因导入植物细胞的方法有农杆菌转化法和花粉管通道法。6.将目的基因导入动物细胞常用显微注射技术，导入微生物细胞常用感受态细胞法(Ca2＋处理法)。
1．基因工程主要操作步骤的顺序是( )
①基因表达载体的构建
②将目的基因导入受体细胞
③目的基因的检测与鉴定
④目的基因的获取
A．③②④① B．②④①③
C．④①②③ D．③④①②
C [基因工程的主要操作步骤顺序是：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→目的基因的检测和鉴定。]
2．(2021·辽宁省适应性测试)PCR是一项在生物体外复制特定DNA片段的核酸合成技术，与人体细胞内DNA分子复制相比，下列有关叙述错误的是( )
A．都遵循碱基互补配对原则
B．DNA聚合酶作用的最适温度不同
C．都是边解旋边复制的过程
D．复制方式都是半保留复制
C [DNA分子的体外复制和体内复制都遵循碱基互补配对原则，A正确；PCR技术是在较高温度条件下进行的，因此PCR与细胞内DNA复制相比所需要酶的最适温度较高，B正确；PCR技术是在较高温度条件下打开双链后进行扩增的，不是边解旋边复制的，C错误；DNA复制方式都是半保留复制，D正确。]
3．(2020·山东枣庄八中月考)以下关于基因表达载体的构建的说法正确的是( )
A．基因表达载体的构建是在生物体的细胞内完成的
B．表达载体中只有启动子才能驱动目的基因转录出mRNA
C．基因表达载体的组成应包括启动子、终止密码子、目的基因、标记基因等
D．表达载体通常采用抗生素合成基因作为标记基因
B [基因表达载体的构建是在生物体外完成的，A错误；基因表达载体的组成应包括启动子、终止子、目的基因、标记基因等，终止密码子位于mRNA上，C错误；表达载体通常采用抗生素抗性基因作为标记基因，D错误。]
4．下列关于目的基因导入受体细胞的描述，不正确的是( )
A.培育“黄金大米”可用花粉管通道法导入目的基因
B．显微注射技术是转基因动物中采用最多的方法
C．目的基因导入大肠杆菌最常用的方法是Ca2＋处理法
D．农杆菌转化法是将目的基因导入植物细胞最常用的方法
A [水稻的花很小，不适合用花粉管通道法导入目的基因，A错误；将目的基因导入动物细胞常用显微注射法，B正确；将目的基因导入微生物细胞最常用的方法是用Ca2＋处理大肠杆菌，使其处于一种能吸收周围环境中DNA分子的状态，C正确；将目的基因导入植物细胞最常用的方法是农杆菌转化法，此外还有基因枪法和花粉管通道法，D正确。]
5．下图是将某细菌的基因A导入大肠杆菌内制备“工程菌”的示意图。
据图回答：
(1)获得A有两条途径：一是以A的mRNA为模板，在________酶的催化下，合成互补的单链DNA，然后在________的作用下合成双链DNA，从而获得所需基因；二是根据目标蛋白质的__________序列，推测出相应的mRNA序列，然后按照碱基互补配对原则，推测其DNA的________序列，再通过化学方法合成所需基因。
(2)利用PCR技术扩增DNA时，需要在反应体系中添加的有机物质有________、________、4种脱氧核糖核苷三磷酸和耐高温的DNA聚合酶，扩增过程可以在PCR扩增仪中完成。
(3)由A和载体B拼接形成的C通常称为________________。
(4)在基因工程中，常用Ca2＋处理D，其目的是______________。
[解析] (1)利用逆转录法合成目的基因的过程是：以mRNA为模板，在逆转录酶的催化作用下合成单链DNA，然后在DNA聚合酶作用下，合成双链DNA分子；根据蛋白质工程合成目的基因的过程是：根据目标蛋白质的氨基酸序列，推测出相应的mRNA序列，然后按照碱基互补配对原则，推测DNA中脱氧核苷酸的排列顺序，通过化学方法合成。(2)PCR过程中需要酶、底物、模板、引物和能量等条件。(3)目的基因和载体结合，形成基因表达载体。(4)在利用大肠杆菌作受体细胞时，需要先用Ca2＋处理，使其处于一种能吸收周围环境中DNA分子的状态。
[答案] (1)逆转录 DNA聚合酶 氨基酸 脱氧核苷酸 (2)引物 模板(A基因) (3)基因表达载体 (4)使其处于一种能吸收周围环境中DNA分子的状态第3节 基因工程的应用
课标内容要求 核心素养对接
举例说明基因工程在农业、食品及医药等行业的广泛应用改善了人类的生活品质。 1．科学思维：基于基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业应用的实例说明基因工程给社会带来的巨大进步。2．社会责任：基于基因工程在各方面发展的前景，理性看待基因工程的安全性。
一、基因工程在农牧业方面的应用
1．转基因抗虫植物
(1)技术方法：从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，将它导入作物中，培育出具有抗虫性的作物。
(2)实例：抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。
2．转基因抗病植物
(1)技术方法：将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，培育出了转基因抗病植物。
(2)实例：转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。
3．转基因抗除草剂植物
(1)技术方法：将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，可培育出抗除草剂的作物品种。
(2)实例：转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。
4．改良植物的品质
(1)技术方法：将某种必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，可以提高这种氨基酸的含量。
(2)实例：转基因玉米中赖氨酸的含量比对照高30%。
5．提高动物的生长速率
(1)技术方法：将外源生长激素基因导入动物体内，提高动物的生长速率。
(2)实例：转基因鲤鱼。
6．改善畜产品的品质
(1)技术方法：将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组。
(2)实例：乳汁中乳糖含量大大降低的转基因奶牛。
二、基因工程在医药卫生领域的应用
(1)技术方法
①对微生物或动植物的细胞进行基因改造，使它们能够生产药物。
②利用乳腺生物反应器生产药物：将药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起，通过显微注射导入哺乳动物的受精卵中，培育出的转基因动物通过分泌乳汁生产所需要的药物。
③培育移植器官：在器官供体的基因组中导入某种调节因子抑制抗原决定基因的表达或设法除去抗原决定基因，然后再结合克隆技术，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆器官。
(2)实例：重组人干扰素、促红细胞生成素、抗凝血酶、血清白蛋白等。
三、基因工程在食品工业方面的应用
(1)技术方法：利用基因工程菌生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。例如将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶。
(2)实例：淀粉酶、脂酶、天冬氨酸和苯丙氨酸。
判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)
1．农业害虫不会对转基因抗虫作物产生抗性。 (×)
提示：害虫仍会对抗虫作物产生抗性。
2．培育转基因抗病植物的目的基因主要来源于病毒、真菌。 (√)
3．基因工程中，要培育转基因植物和动物，选用的受体细胞都是受精卵。
(×)
提示：培育转基因动物时，所选用的受体细胞一般是受精卵；培育转基因植物时，所选用的受体细胞可以是受精卵，也可以是体细胞。
4．利用工程菌可生产人的胰岛素等某些激素。 (√)
5．乳腺反应器就是把药用蛋白基因导入动物的乳腺细胞中。 (×)
提示：应是把药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起，通过显微注射法导入哺乳动物的受精卵中。
利用乳腺生物反应器和工程菌生产药物
1．乳腺生物反应器的操作过程
2．乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别
比较内容 乳腺生物反应器 工程菌
含义 指让外源基因在哺乳动物的乳腺中特异表达，利用动物的乳腺组织生产药物蛋白 指用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系
受体基因结构与人类基因结构差异 动物基因结构与人类的基因结构基本相同 细菌和酵母菌的基因结构与人类有较大差异
基因表达 合成的药物蛋白与天然蛋白质相同 细菌合成的药物蛋白可能没有活性
受体细胞 动物受精卵 微生物细胞
目的基因导入方式 显微注射法 感受态细胞法
生产条件 不需严格灭菌；温度等外界条件对其影响不大 需严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件
药物提取 从动物乳汁中提取 从微生物细胞或其培养液中提取
生产设备 畜牧业生产、提取设备 发酵生产、提取设备
1．为了生产药物，常把药用蛋白基因构建的表达载体导入大肠杆菌或酵母菌细胞中构建工程菌，选用细菌或酵母菌作为受体细胞的优点有哪些？
提示：细菌和酵母菌繁殖快，多为单细胞，遗传物质相对少，生产能力大等。
2．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成功。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。在研制膀胱生物反应器时，应使药用蛋白基因在什么细胞中特异表达？它与乳腺生物反应器有什么相同和不同点？
提示：应使药用蛋白基因在膀胱上皮细胞中特异表达。相同点是收集药用蛋白较容易，且不会对动物造成伤害。不同点是乳腺生物反应器必须是处于生殖期的雌性动物才可生产药用蛋白，而膀胱生物反应器则是任何生长期的雌雄动物均可生产。
1．tPA是机体在凝血平衡调节中发挥关键性作用的蛋白质，如图是利用奶牛乳腺生产tPA的图解，据图回答下列问题：
(1)要使tPA基因在奶牛的乳腺细胞中特异性表达，需将其与________________________等调控元件重组在一起。
(2)乳腺生物反应器生产医用人体蛋白比工程菌有优势，是由于乳腺细胞有较强的________能力，省却了从工程菌细胞内提取时的破壁、分离等程序，大大降低了成本。
[解析] (1)要使tPA基因在奶牛的乳腺细胞中特异性表达，需将其与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起。(2)乳腺细胞有较强的分泌能力，使得乳腺生物反应器生产医用人体蛋白比工程菌有优势。
[答案] (1)乳腺中特异表达的基因的启动子 (2)分泌
2．人血清白蛋白(HSA)具有重要的医用价值，只能从人血浆中制备。下图是以基因工程技术获取重组HSA(rHSA)的两条途径。
(1)为获取HSA基因，首先需采集人的血液，提取__________合成总cDNA，然后以cDNA为模板，使用PCR技术扩增HSA基因。下图中箭头表示一条引物结合模板的位置及扩增方向，请用箭头在方框内标出另一条引物的位置及扩增方向。
(2)启动子通常具有物种及组织特异性，构建在水稻胚乳细胞内特异表达rHSA的载体，需要选择的启动子是________(填写字母，单选)。
A．人血细胞启动子
B．水稻胚乳细胞启动子
C．大肠杆菌启动子
D．农杆菌启动子
(3)人体合成的初始HSA多肽，需要经过膜系统加工形成正确空间结构才有活性。与途径Ⅱ相比，选择途径Ⅰ获取rHSA的优势是_______________。
(4)为证明rHSA具有医用价值，须确认rHSA与________的生物学功能一致。
[解析] (1)要想合成总cDNA，需要采集人的血液获得总RNA。由于DNA的复制只能从脱氧核苷酸单链的5′端向3′端延伸，因而引物均应结合在DNA单链的3′端，而DNA的两条链反向平行，由此可以确定引物在另一条脱氧核苷酸单链的位置和方向。(2)若要从水稻胚乳细胞内获得目的产物，需要控制该目的基因只在水稻胚乳细胞内表达。由题干中的信息“启动子通常具有物种及组织特异性”可知，此处需要选择水稻胚乳细胞启动子。(3)途径Ⅰ和Ⅱ的主要区别是途径Ⅰ的受体细胞是真核细胞，途径Ⅱ的受体细胞是原核细胞。由于人体合成的初始HSA多肽需要经膜系统加工形成正确的空间结构才有生物活性，所以选择途径Ⅰ获取rHSA更具有优势。(4)rHSA是基因工程的产物，为判断其是否具有医用价值，还需要在个体水平上进一步确认其与HAS的生物学功能是否一致。
[答案] (1)总RNA(或mRNA)
(2)B (3)水稻是真核生物，具有膜系统，能对初始rHSA多肽进行高效加工 (4)HSA
矮牵牛花瓣紫色的深浅由花青素的含量高低决定，花青素由查耳酮合酶(CHS)催化合成。为获得紫色更深的矮牵牛，科研人员将CHS基因导入野生型紫花矮牵牛叶肉细胞中，得到的转基因植物花色反而出现了浅紫色。检测CHS基因的转录水平，得到如下图所示电泳图谱(2道和3道分别表示野生型和转基因植株)。
本示例考查演绎与推理和归纳与概括的科学思维及对实验结果交流和讨论的能力。
请根据实验结果从内源CHS基因和外源CHS基因表达水平分析转基因牵牛花花色变浅的原因。(科学思维)
提示：由于外源CHS基因的导入，造成内源CHS基因的表达被抑制，导致外源CHS基因和内源CHS基因的综合表达量没有野生型的内源CHS基因表达量高。
[课堂小结]
知 识 网 络 构 建 核 心 语 句 背 诵
1.将来源于某些病毒、真菌的抗病基因导入植物中，培育转基因抗病植物。2.将外源生长激素基因导入鲤鱼，可提高鲤鱼的生长速度。3.将药用蛋白基因导入大肠杆菌或酵母菌构建工程菌可生产药物。4.将药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组成表达载体导入哺乳动物的受精卵中可构建乳腺生物反应器。5.在器官供体的基因组中导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因，然后结合克隆技术，可培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆器官。
1．抗病毒转基因植物成功表达后，以下说法正确的是( )
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
B [由于外源抗病毒基因具有特异性，因而其表达产物具有特异性或局限性，只能抵抗某种或某类病毒，不可能抵抗所有病毒，更不能抗害虫。目的基因导入受体细胞后，可以随受体内的自身遗传物质稳定遗传，也会同自身遗传物质一样发生变异。]
2．下列有关乳腺生物反应器的叙述错误的是( )
A．动物基因结构与人类基因结构相同
B．乳腺生物反应器生产的药物是自然界没有的
C．可从具有目的基因的转基因雌性动物乳汁中提取药物
D.乳腺生物反应器是转基因技术在畜牧业中的应用
B [乳腺生物反应器生产的药物在自然界中可以找到，只不过在转基因动物体内更容易提取到较大量的药物。]
3．应用基因工程的方法，可将酵母菌制造成“工程菌”，用于生产乙肝疫苗，在制造该“工程菌”时，应向酵母菌中导入( )
A．乙肝病毒的表面抗原
B．抗乙肝病毒抗体的基因
C．抗乙肝病毒的抗体
D．乙肝病毒的表面抗原的基因
D [利用基因工程生产乙肝疫苗时，应该向酵母菌中导入乙肝病毒的表面抗原基因。]
4．下列不属于基因工程成果的是( )
A．乳腺生物反应器生产药用蛋白
B．从大肠杆菌体内获得白细胞介素
C．从大肠杆菌内获得生长激素
D．用高产青霉菌生产青霉素
D [乳腺生物反应器是用转基因动物生产药物，属于基因工程成果，A错误；从大肠杆菌体内获得白细胞介素及从大肠杆菌体内获得生长激素都是将相关基因转入大肠杆菌，从而得到的基因工程药物，属于基因工程成果，B、C错误；用高产青霉菌生产青霉素是利用基因突变的原理进行的诱变育种，不属于基因工程的范畴，D正确。]
5．糖尿病已经成为危害人类健康的严重疾病之一，注射胰岛素是目前治疗糖尿病最为有效的途径和手段。如何生产优质而不昂贵的人胰岛素，是当下医药界急需攻克的科学难题。下图为利用基因工程技术生产人胰岛素的操作过程示意图，请回答：
(1)在基因表达载体中，________是RNA聚合酶识别和结合的部位，有了它才能驱动基因转录出mRNA。
(2)图中细胞1是________细胞。过程②必需的酶是________。过程③④⑤为利用________技术扩增目的基因，此过程必需的酶是________。过程③断开的是________键，在体外进行PCR操作时，实现该过程的处理方法是________。能否利用人的皮肤细胞来完成过程①，为什么？____________________。
(3)为便于重组DNA的鉴定和选择，图中C的组成必须有________；为使过程⑧更易进行，可用________处理大肠杆菌。
(4)过程⑩得到的人胰岛素需要体外加工才具有生物活性，原因是大肠杆菌______________。
[解析] (1)启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位，有了它才能驱动基因转录出mRNA。(2)图中过程①为胰岛素基因转录出mRNA，过程②为胰岛素mRNA经反转录获得目的基因，过程③④⑤为利用PCR技术扩增目的基因，过程⑥为用限制酶切割载体，过程⑦为目的基因与载体结合构建基因表达载体，过程⑧为将目的基因导入受体细胞。反转录过程需要逆转录酶，利用PCR技术扩增DNA需要耐高温的Taq酶。过程③断开的是DNA两条链间的氢键，在体外进行PCR操作时，实现该过程的处理方法为加热至90～95 ℃。(3)图中B为质粒，其实质为DNA，基本组成单位为4种脱氧核苷酸。构建的基因表达载体中必须有标记基因，以利于重组DNA的鉴定和选择。将目的基因导入大肠杆菌最常用的转化方法是Ca2＋处理法，用Ca2＋处理可使大肠杆菌细胞处于能够吸收周围环境中DNA分子的生理状态。(4)大肠杆菌细胞内没有内质网和高尔基体，不能将肽链加工成为有活性的人胰岛素。
[答案] (1)启动子 (2)(人)胰岛B 逆转录酶 PCR
Taq酶(或耐高温的DNA聚合酶) 氢 加热(至90 ℃以上) 不能。皮肤细胞中的胰岛素基因不表达，不能形成胰岛素mRNA (3)标记基因 Ca2＋ (4)没有内质网和高尔基体，不能对蛋白质进行加工第4节 蛋白质工程的原理和应用
课标内容要求 核心素养对接
1.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符合人类要求的蛋白质。2．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。 1．生命观念：运用结构与功能观，说明蛋白质工程设计的原理。2．科学思维：基于实例，采用模型与建模、归纳与概括等方法，表示蛋白质工程的基本思路。
一、蛋白质工程的概念
1．基础
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。
2．操作方法：改造或合成基因。
3．结果：改造现有的蛋白质或制造一种新的蛋白质。
4．目的：获得满足人类生产和生活的需求的蛋白质。
5．与基因工程的关系：在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程。
二、蛋白质工程崛起的缘由
1．基因工程的实质和不足
(1)实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。
(2)基因工程存在的不足：原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
2．蛋白质工程的崛起
(1)理论和技术条件：分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。
(2)天然蛋白质存在不足：天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。
(3)实例：
蛋白质缺陷 改造措施 改造后效果
玉米中赖氨酸含量低 赖氨酸合成中两种酶的氨基酸被替换 玉米叶片和种子中游离赖氨酸分别提高5倍和2倍
三、蛋白质工程的基本原理
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设计改造。
2．方法：改造基因或合成基因。
3．基本思路
基于蛋白质的合成过程和蛋白质工程的基本思路，完成下列填空。
①蛋白质 ②多肽链 ③mRNA ④目的基因
A推测应有的氨基酸序列
B找到并改变基因或合成新的基因
C转录 D翻译
四、蛋白质工程的应用
1．在医药工业方面的应用
(1)研发速效胰岛素类似物：科学家通过改造胰岛素基因使B链28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了胰岛素的聚合，研发出速效胰岛素类似物。
(2)提高干扰素的保存期：将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，提高了干扰素的保存时间。
(3)改造抗体：将小鼠单克隆抗体上结合抗原的区域“嫁接”到人的抗体上，降低了诱发人体免疫反应的强度。
2．在其他工业和农业方面的应用
(1)改进酶的性能或开发新的工业用酶：利用蛋白质工程获得蛋白酶的多种突变体。
(2)改造某些重要的酶：利用蛋白质工程改造参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率。
判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)
1．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。 (×)
提示：蛋白质工程中直接改造的是基因，不是蛋白质。
2．蛋白质工程能产生自然界中不存在的新型蛋白质分子。 (√)
3．实施蛋白质工程的前提条件是了解蛋白质结构和功能的关系。 (√)
4．基因工程遵循中心法则，而蛋白质工程不遵循。 (×)
提示：蛋白质工程的基本思路是按照中心法则相反的过程进行的。
5．根据某多肽链的一段氨基酸序列，可以很容易地确定控制该肽链合成的基因的脱氧核苷酸序列。 (×)
提示：由于密码子的简并性，根据某多肽链的一段氨基酸序列，不能确定基因的脱氧核苷酸序列。
6．蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为人们对蛋白质复杂的高级结构没有完全认识。 (√)
蛋白质工程与基因工程的比较
项目 蛋白质工程 基因工程
区别 起点 预期蛋白质功能 目的基因
过程 预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→推测脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质 获取目的基因→构建基因表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
实质 通过改造相应的基因达到对蛋白质进行改造的目的 基因重组
区别 结果 可以创造出自然界不存在的蛋白质 生产自然界已存在的蛋白质
应用及现状 ①主要集中在对现有蛋白质进行改造，如干扰素、天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶等②对创造新的蛋白质还有许多技术难题未突破，因为蛋白质高级结构非常复杂，人们对此知之甚少 ①已被广泛应用，如转基因植物、动物、药品生产等已商业化②基因治疗仅处于初期的临床试验阶段
联系 ①蛋白质工程获得目的基因后，需要通过基因工程获得预期蛋白质②蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程
1．为什么蛋白质工程不是直接改造蛋白质而是通过基因改造和基因合成来完成？
提示：(1)任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白质也是无法遗传下去的。(2)对基因进行改造比对蛋白质进行直接改造容易操作，难度小得多。
2．如果已经推测出多肽中的氨基酸序列，那么推测出的基因中的碱基序列是否唯一呢？说明你的理由。
提示：不唯一，因为一种氨基酸有一种或多种密码子，因此获得的基因总的碱基排列顺序有多种。
1．(2021·福州一中期末)基因工程与蛋白质工程的区别是( )
A．基因工程需对基因进行分子水平操作，蛋白质工程不对基因进行操作
B．基因工程合成的是天然存在的蛋白质，蛋白质工程合成的不是天然存在的蛋白质
C．基因工程是分子水平操作，蛋白质工程是细胞水平(或性状水平)操作
D．基因工程完全不同于蛋白质工程
B [基因工程和蛋白质工程均是对基因进行操作，A错误。基因工程合成的是天然存在的蛋白质，蛋白质工程可以合成非天然存在的蛋白质，B正确。基因工程和蛋白质工程都是分子水平的操作，C错误。基因工程是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状，但只能生产自然界已存在的蛋白质；蛋白质工程是通过修改基因或创造合成新基因来合成新的蛋白质，改变生物的遗传性状，蛋白质工程不完全同于基因工程，蛋白质工程被称为第二代基因工程，D错误。]
2．已知生物体内有一种蛋白质(P)，该蛋白质是一种转运蛋白，由305个氨基酸组成。如果将P分子中158位的丝氨酸变成亮氨酸，240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸，改变后的蛋白质(P1)不但保留P的功能，而且具有了酶的催化活性。回答下列问题：
(1)从上述资料可知，若要改变蛋白质的功能，可以考虑对蛋白质的______________进行改造。
(2)以P基因序列为基础，获得P1基因的途径有修饰________基因或合成________基因。所获得的基因表达时是遵循中心法则的，中心法则的全部内容包括__________的复制以及遗传信息在不同分子之间的流动，即：_________________________。
(3)蛋白质工程也被称为第二代基因工程，其基本途径是从预期蛋白质功能出发，通过________________和________________，进而确定相对应的脱氧核苷酸序列，据此获得基因，再经表达、纯化获得蛋白质，之后还需要对蛋白质的生物__________进行鉴定。
[解析] (1)根据题意可知，对蛋白质的氨基酸序列(或结构)进行改造，可达到改变蛋白质的功能的目的。(2)以P基因序列为基础，获得P1基因，可以对P基因进行修饰改造，也可以用人工方法合成P1基因；中心法则的全部内容包括DNA和RNA的复制、DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质。(3)蛋白质工程的基本途径是从预期蛋白质功能出发，通过设计蛋白质结构和推测氨基酸序列，进而确定相对应的脱氧核苷酸序列，并获取基因。经表达的蛋白质，要对其进行生物功能鉴定。
[答案] (1)氨基酸序列(或结构) (2)P P1 DNA和RNA(或遗传物质) DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质(或转录、逆转录、翻译) (3)设计蛋白质的结构 推测氨基酸序列 功能
“二看法”判断基因工程和蛋白质工程
科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的鼠—人嵌合抗体，用于癌症治疗。下图表示形成鼠—人嵌合抗体的过程，据图回答下面的问题：
本案例考查学生的演绎与推理和归纳与概括的科学思维。
(1)改造鼠源杂交瘤抗体，是对人抗体和鼠抗体直接进行操作吗？操作的思路应该是什么？(科学思维)
(2)经过改造的鼠—人嵌合抗体，与鼠源杂交瘤抗体相比较，突出的优点是什么？(生命观念)
提示：(1)不是对人抗体和鼠抗体进行直接操作。操作的思路是根据需要设计出人—鼠抗体的结构，推测出氨基酸的序列和基因的碱基序列，对小鼠的基因进行改造。
(2)对人体的不良反应减少。
[课堂小结]
知 识 网 络 构 建 核 心 语 句 背 诵
1.基因工程在原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。2.蛋白质工程并不是直接改造蛋白质分子的结构，而是通过基因操作来实现对天然蛋白质的改造。3.蛋白质工程的基本途径：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→找到相对应的脱氧核苷酸序列。4.蛋白质工程是以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过基因改造或基因合成，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需要。
1．蛋白质工程中需要直接进行操作的对象是( )
A．氨基酸结构
B．蛋白质空间结构
C．肽链结构
D．基因结构
D [蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活需求。因此蛋白质工程最终还是要对基因进行改造。]
2．蛋白质工程在设计蛋白质结构时依据的是( )
A．基因功能
B．蛋白质功能
C．氨基酸序列
D．mRNA密码子序列
B [蛋白质工程依据蛋白质功能，设计蛋白质结构，再推测并合成相应的基因。]
3．蛋白质工程的基本操作程序正确的是( )
①蛋白质分子结构合成 ②DNA合成 ③mRNA合成 ④蛋白质的预期功能 ⑤根据氨基酸的序列推出脱氧核苷酸的序列
A．①→②→③→④→⑤→①
B．⑤→④→③→②→①→②
C．④→①→⑤→②→③→①
D．②→③→⑤→①→②→④
C [蛋白质工程的操作流程为：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→找到相对应的脱氧核苷酸序列(即基因)→修改或合成的基因表达出相应的蛋白质。]
4．(2020·山东潍坊模拟)蛋白质工程中，要对蛋白质结构进行设计改造，必须通过基因修饰或基因合成来完成，而不直接改造蛋白质的主要原因是( )
A．缺乏改造蛋白质所必需的工具酶
B．蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，操作难度大
C．人类对大多数蛋白质的高级结构知之甚少
D．改造基因易于操作且改造后能够遗传
D [蛋白质工程应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造，原因是：(1)任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过后蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接进行改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。(2)对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得多。]
5．糖尿病是近年来高发的“富贵病”，常见类型有遗传型糖尿病和Ⅱ型糖尿病。遗传型糖尿病的主要病因之一是胰岛受损。科研机构作出如下设计：取糖尿病患者的细胞，将人的正常胰岛素基因导入其中，然后进行细胞培养，诱导产生胰岛组织，重新植入患者的胰岛，使胰岛恢复功能。Ⅱ型糖尿病需要注射胰岛素治疗。目前临床使用的胰岛素制剂注射120 min后才出现高峰，与人体生理状态不符。科研人员通过一定的工程技术手段，将胰岛素B链的28号和29号氨基酸互换，获得了速效胰岛素，速效胰岛素已通过临床试验。
(1)对遗传型糖尿病进行基因治疗的方案中，胰岛素基因称为________，实验室中要先对该基因利用________技术进行扩增。将该基因导入正常细胞所用的方法是________。
(2)科研人员利用蛋白质工程合成速效胰岛素，该技术的实验流程为：
―→
其中，流程A是________________，流程B是________________。
(3)与基因工程相比，蛋白质工程是以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过基因__________或基因________，对现有蛋白质进行________，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产生活需要。
[解析] (1)根据题意，在进行基因治疗时，胰岛素基因是目的基因，在体外条件下可利用PCR技术对其进行扩增，在基因工程中将目的基因导入动物细胞的常用方法是显微注射法。(2)根据蛋白质工程的流程示意图，可知整个流程是根据预期蛋白质的功能设计蛋白质的三维结构，然后推测相应的氨基酸序列，并找到相应的脱氧核苷酸序列，最后合成相应的蛋白质。(3)与基因工程相比，蛋白质工程是以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产生活需要。
[答案] (1)目的基因 PCR 显微注射法 (2)预期蛋白质的功能 相应的氨基酸序列 (3)修饰 合成 改造 基因工程与必修模块知识的交汇点
[素能建构]
交汇点1 高中生物学中所学习的载体
(1)物质跨膜运输的载体：细胞膜上的一种蛋白质。
(2)血液中O2运输的载体：红细胞中的血红蛋白。
(3)基因工程中目的基因的载体：种类有质粒、噬菌体和动植物病毒等。
(4)细胞中遗传信息的载体：细胞生物遗传信息的载体是DNA。
(5)细胞核向细胞质传递信息的载体是mRNA。
(6)细胞间信息传递的载体：细胞释放的信号分子，如：激素、神经递质等。
交汇点2 基因表达载体中的启动子、终止子，联系必修课程模块2中“基因的表达”和“mRNA中的起始密码子、终止密码子”交汇考查
(1)基因表达的过程包括转录和翻译。
(2)启动子、终止子是质粒上的具有特殊结构的DNA片段。
(3)起始密码子、终止密码子是mRNA上的三个相邻碱基。
交汇点3 基因工程工具酶——限制性内切核酸酶，联系必修课程模块1中“有关酶的本质和特性”交汇考查
限制性内切核酸酶相关知识：
(1)本质：蛋白质。
(2)特性：具有特异性。
①一种限制酶只能识别双链DNA分子中特定的核苷酸序列。
②切割双链DNA分子每条链中特定序列中的特定位点，使该位点的磷酸二酯键断开。
(3)作用：断开连接两个核苷酸的磷酸二酯键。
交汇点4 基因工程中目的基因、基因表达载体的化学组成及结构，联系必修课程模块2中“DNA分子的组成、结构”交汇考查
(1)DNA分子的基本组成单位：脱氧核糖核苷酸。
(2)DNA分子结构：DNA是由脱氧核苷酸连接而成的长链，相邻脱氧核苷酸通过磷酸二酯键连接；在绝大多数生物的细胞中，DNA由两条脱氧核苷酸链构成，两条链通过碱基对之间的氢键相连；少数生物细胞中存在环状双链DNA分子。
[对应练习]
1．在一个典型的基因内部，启动子(TSS)、终止子(TTS)、起始密码子编码序列(ATG)、终止密码子编码序列(TGA)的排列顺序是( )
A．ATG—TGA—TSS—TTS
B．TSS—ATG—TGA一TTS
C．ATG—TSS—TTS—TGA
D．TSS—TTS—ATG—TGA
B [在基因内部，不同位点的排列顺序为：转录起始位点—起始密码子编码序列—终止密码子编码序列—转录终止位点。]
2．纤维素分子不能进入酵母细胞。为了使酵母菌能够利用环境中的纤维素为原料生产酒精，构建了含3种不同基因片段的重组质粒。下图是酵母菌转化及纤维素酶在工程菌内合成与运输的示意图。
据图回答：
(1)纤维素酶基因的表达包括________和________过程。与菌株Ⅱ相比，在菌株Ⅲ、Ⅳ中参与纤维素酶合成和分泌的细胞器还有__________________。
(2)在以纤维素为唯一碳源的培养基上分别培养菌株Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，菌株________不能存活，原因是_______________________。
(3)酵母菌生成酒精的细胞部位是________，产生酒精时细胞的呼吸方式是________。在利用纤维素生产酒精时，菌株Ⅳ更具优势，因为导入的重组质粒含有____________，使分泌的纤维素酶固定于细胞壁，减少因培养液更新而造成的酶的流失，提高酶的利用率。
[解析] (1)基因表达的过程包括转录和翻译。菌株Ⅱ能合成纤维素酶，但不能分泌到细胞外，菌株Ⅲ、Ⅳ能够合成和分泌纤维素酶。与菌株Ⅱ相比，在菌株Ⅲ、Ⅳ中参与纤维素酶合成和分泌的细胞器还有内质网和高尔基体。
(2)菌株Ⅱ导入的表达载体中不含信号肽编码序列，因此合成的纤维素酶不能分泌到细胞外，不能利用纤维素，又无其他碳源，因此不能存活。
(3)菌株Ⅳ因导入的载体中有A基因片段，使其分泌的纤维素酶吸附在细胞壁上，减少了因培养液更新而造成的酶的流失，酶的利用率提高。
[答案] (1)转录 翻译 内质网、高尔基体
(2)Ⅱ 缺少信号肽编码序列，合成的纤维素酶不能分泌到细胞外，细胞无可利用的碳源
(3)细胞质基质 无氧呼吸 A基因片段
3．为提高水稻的抗旱能力，科研人员将拟南芥GolS2基因导入水稻体内后，设法使该基因过量表达，产生较多的糖类化合物，从而达到预期目的。回答下列问题：
(1)从分子水平上看，基因工程得以实现的遗传学物质基础是___________________、_____________________。
(2)GolS2基因在水稻体内过量表达即可提高抗旱能力，说明基因通过___________，进而控制生物性状，细胞内糖类化合物含量增多可以提高抗旱能力的原因是_________________。
(3)需将GolS2基因拼接在运载体上才能成功转化，转化指的是___________。GolS2基因在水稻体内能过量表达，是科学家对基因表达载体上的________进行修饰的结果。
(4)对导入了基因表达载体的细胞进行组织培养，需为其提供适宜的温度和pH外，还需满足的条件有____________(至少答出三点)。
[解析] (1)基因工程得以实现的遗传学物质基础体现在两方面：一是DNA的基本结构相同，可以使不同生物的DNA分子拼接在一起，构建基因表达载体；另一方面是基因表达的机制相同，所有生物共用一套密码子。
(2)GolS2基因与糖类合成有关，而糖的合成需要酶的催化，因此GolS2基因通过控制酶的合成来控制糖代谢过程，进而控制生物性状。从题意来看，细胞内GolS2基因的过量表达，使得细胞内糖类增多，增加了细胞液的浓度，进而使细胞吸水或保水能力增加。
(3)转化是指目的基因进入受体细胞，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。表达的第一个环节是转录，因此，修饰的应该是启动子(调控基因转录的核苷酸序列)。
(4)植物组织培养过程除需要适宜的温度和pH，还需植物激素的调控、适宜的营养以及无菌条件等。
[答案] (1)不同生物DNA分子的基本结构相同(或“不同生物DNA分子都是双螺旋结构”) 所有生物共用一套密码子(需从核酸的角度回答，可以说转录和翻译的机制相同，合理即可)
(2)控制酶的合成来控制代谢过程 细胞内糖类增多，增加了细胞液的浓度，进而使细胞吸水或保水能力增加
(3)目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程 启动子
(4)一定的激素条件、适宜的营养、无菌环境
基因工程与选择性必修模块知识的交汇点
[素能建构]
交汇点1 基因工程的应用广泛，特别是在医药卫生领域的应用，很多抗体、疫苗、激素等都可通过基因工程生产，因此基因工程与选择性必修模块1中的激素调节、免疫调节可进行交汇考查
交汇点2 基因工程的应用还可能与本模块中“体细胞核移植”“胚胎工程”等知识交汇考查
[对应练习]
1．在体内，人胰岛素基因表达可合成出一条称为前胰岛素原的肽链，此肽链在内质网中经酶甲切割掉氨基端一段短肽后成为胰岛素原，进入高尔基体的胰岛素原经酶乙切割去除中间片段C后，产生A、B两条肽链，再经酶丙作用生成由51个氨基酸残基组成的胰岛素。目前，利用基因工程技术可大量生产胰岛素。回答下列问题：
(1)人体内合成前胰岛素原的细胞是________，合成胰高血糖素的细胞是________。
(2)可根据胰岛素原的氨基酸序列，设计并合成编码胰岛素原的________序列，用该序列与质粒表达载体构建胰岛素原基因重组表达载体。再经过细菌转化、筛选及鉴定，即可建立能稳定合成________的基因工程菌。
(3)用胰岛素原抗体检测该工程菌的培养物时，培养液无抗原—抗体反应，菌体有抗原—抗体反应，则用该工程菌进行工业发酵时，应从________中分离、纯化胰岛素原。胰岛素原经酶处理便可转变为胰岛素。
[解析] (1)由题意可知，前胰岛素原在细胞内经加工后成为胰岛素，人体合成胰岛素的细胞是胰岛B细胞，所以合成前胰岛素原的细胞也是胰岛B细胞；合成胰高血糖素的细胞是胰岛A细胞。
(2)根据胰岛素原的氨基酸序列，可设计并合成编码胰岛素原的DNA序列(即目的基因)；用该序列与质粒表达载体构建胰岛素原基因重组表达载体，再经过细菌转化、筛选及鉴定，即可建立能稳定合成人胰岛素原的基因工程菌。
(3)根据题意，培养液无抗原—抗体反应，菌体有抗原—抗体反应，所以用该工程菌进行工业发酵时，应从菌体中分离、纯化胰岛素原，经酶处理便可转变为胰岛素。
[答案] (1)胰岛B细胞 胰岛A细胞 (2)DNA 胰岛素原 (3)菌体
2．(2020·全国卷Ⅲ)W是一种具有特定功能的人体蛋白质。某研究小组拟仿照制备乳腺生物反应器的研究思路，制备一种膀胱生物反应器来获得W，基本过程如图所示。
回答下列问题：
(1)步骤①中需要使用的工具酶有______________。步骤②和③所代表的操作分别是________和________。步骤④称为________。
(2)与乳腺生物反应器相比，用膀胱生物反应器生产W的优势在于不受转基因动物的________(答出2点即可)的限制。
(3)一般来说，在同一动物个体中，乳腺上皮细胞与膀胱上皮细胞的细胞核中染色体DNA所含的遗传信息________(填“相同”或“不同”)，原因是____________________________。
(4)从上述流程可知，制备生物反应器涉及胚胎工程，胚胎工程中所用到的主要技术有__________________(答出2点即可)。
[解析] (1)步骤①是基因表达载体的构建过程，该过程需要使用的工具酶有限制性核酸内切酶(限制酶)和DNA连接酶，用限制酶分别切割载体和目的基因，用DNA连接酶将目的基因和载体连接起来。步骤②和③所代表的操作分别是显微注射和体外培养。步骤④是将早期胚胎植入到代孕母体内，称为胚胎移植。(2)与乳腺生物反应器相比，用膀胱生物反应器生产W的优势在于不受转基因动物的性别和年龄的限制。(3)乳腺上皮细胞和膀胱上皮细胞都是体细胞。一般来说，在同一动物个体中，其体细胞都是由同一个受精卵分裂、分化而来的，细胞在分裂、分化过程中，其细胞核中染色体DNA所含的遗传信息一般是不变的，因此两种上皮细胞的染色体DNA所含的遗传信息相同。(4)据题述流程可知，胚胎工程中所用到的主要技术有体外受精、早期胚胎培养、胚胎移植等。
[答案] (1)限制性核酸内切酶、DNA连接酶 显微注射 体外培养 胚胎移植 (2)性别、年龄 (3)相同 两种上皮细胞都是体细胞，且来源于同一个受精卵 (4)体外受精、胚胎移植
