【课堂设计】浙科版生物选修三全套备课精选同步练习：1.2 基因工程的原理和技术

第2课时　基因工程的原理和技术
目标导航　1.简述基因工程的原理。2.描述基因工程操作的几个步骤。3.举例说出筛选含有目的基因的受体细胞的原理。
一、基因工程的基本原理
1．基本原理：让人们感兴趣的基因(____________)在____________中稳定和高效表达。
2．基因工程的基本要素：多种________、____________、____________和____________等。
二、基因工程的基本操作步骤
1．获得目的基因
(1)目的基因：人们所____________，如人的胰岛素基因、植物的抗病基因等。
(2)获取方法
①如果目的基因的序列是已知的，可用____________合成目的基因，或者用_____(PCR)扩增目的基因。
②如果目的基因的核苷酸序列是未知的，可以从__________中获取。
2．形成重组DNA分子
用________的限制性核酸内切酶分别 ( http: / / www.21cnjy.com )切割目的基因和载体DNA(如质粒)，使其产生相同的____________，然后用____________将两者连接在一起，形成____________。
3．将重组DNA分子导入受体细胞
(1)常用的受体细胞：____________、枯草杆菌、__________和动植物细胞等。
(2)导入方法举例：用质粒作为载体，宿主细 ( http: / / www.21cnjy.com )胞应该选择____________，用____________处理大肠杆菌，增加其细胞壁的____________，使含有目的基因的重组质粒进入大肠杆菌宿主细胞。
4．筛选含有目的基因的受体细胞
(1)筛选原因：不是所有细胞都接纳了________________。
(2)筛选方法举例：由于质粒上有抗生素抗性 ( http: / / www.21cnjy.com )基因如________________，所以含有这种重组质粒的受体细胞能够在________的培养基中生长，而没有接纳重组DNA分子的细胞则不能在这种培养基上生长。经过培养，____________能够和质粒一起在宿主细胞内大量______。
5．目的基因的表达：目的基因在____________中表达，产生人们需要的____________。
知识点一　获得目的基因的方法
1．下列属于获得目的基因方法的是(　　)
①利用mRNA反转录形成　②从基因文库中提取　③从受体细胞中提取　④利用PCR技术　⑤利用DNA转录
⑥人工合成
A．①②③⑤ B．①②⑤⑥
C．①②③④ D．①②④⑥
2．下列属于PCR技术所需条件的是(　　)
①单链的核苷酸序列引物　②目的基因所在的DNA片段
③脱氧核苷酸　④核糖核苷酸　⑤DNA连接酶　⑥DNA聚合酶　⑦DNA限制酶
A．①②③⑤ B．①②③⑥
C．①②③⑤⑦ D．①②④⑤⑦
知识点二　形成重组DNA分子和导入受体细胞
3．要想将目的基因插入作为载体的质粒中，在操作中应选用(　　)
A．DNA连接酶
B．同一种限制性核酸内切酶和DNA连接酶
C．限制性核酸内切酶
D．不同的限制性核酸内切酶和DNA连接酶
4．将ada(腺苷酸脱氨酶基因)通过质粒pET28b导入大肠杆菌并成功表达腺苷酸脱氨酶。下列叙述错误的是(　　)
A．每个大肠杆菌细胞至少含一个重组质粒
B．每个重组质粒至少含一个限制性核酸内切酸识别位点
C．每个限制性核酸内切酶识别位点至少插入一个ada
D．每个插入的ada至少表达一个腺苷酸脱氨酶分子
知识点三　筛选含有目的基因的受体细胞和目的基因的表达
5．在用基因工程技术构建抗除草剂的转基因烟草过程中，下列操作错误的是(　　)
A．用限制性核酸内切酶切割烟草花叶病毒的核酸
B．用DNA连接酶连接经切割的抗除草剂基因和载体
C．将重组DNA分子导入烟草原生质体
D．用含除草剂的培养基筛选转基因烟草细胞
知识点四　基因工程的全过程
6．回答有关基因工程的问题：
(1)构建基因工程表达载体 ( http: / / www.21cnjy.com )时，用不同类型的限制酶切割DNA后，可能产生粘性末端，也可能产生________末端。若要在限制酶切割目的基因和质粒后使其直接进行连接，则应选择能使二者产生______(相同、不同)粘性末端的限制酶。
(2)利用大肠杆菌生产人胰岛素时，构建的重组DNA含有人胰岛素基因及其启动子等，其中启动子的作用是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
在用表达载体转化大肠杆菌时，常用_ ( http: / / www.21cnjy.com )_______处理大肠杆菌，以利于表达载体进入；为了检测胰岛素基因是否转录出了mRNA，可用标记的胰岛素基因片段作探针与mRNA杂交，该杂交技术称为__________________。为了检测胰岛素基因转录的mRNA是否翻译成________，常用抗原—抗体杂交技术。
(3)如果要将某目的基因通过农杆菌转化法导入 ( http: / / www.21cnjy.com )植物细胞，先要将目的基因插入农杆菌Ti质粒的________中，然后用该农杆菌感染植物细胞，通过DNA重组将目的基因插入植物细胞的________________上。
基础落实
1．人们常选用的细菌质粒分子往往带有一个抗菌素抗性基因，该抗性基因的主要作用是(　　)
A．提高受体细胞在自然环境中的耐药性
B．对目的基因是否导入进行检测
C．增加质粒分子的分子量
D．便于与外源基因连接
2．下列获取目的基因的方法中需要模板链的是(　　)
①从基因文库中获取目的基因　②利用PCR技术扩增目的基因　③反转录法　④通过DNA合成仪利用化学方法人工合成目的基因
A．①②③④ B．①②③ C．②③④ D．②③
3．正确表示基因操作“五步曲”的是(　　)
A．目的基因的获得→重组DNA导入受体细胞→重组DNA的形成→筛选含有目的基因的受体细胞→目的基因的表达
B．目的基因的表达→目的基因的获得→重组DNA的形成→重组DNA导入受体细胞→筛选含有目的基因的受体细胞
C．目的基因的获得→重组DNA的形成→重组DNA导入受体细胞→筛选含有目的基因的受体细胞→目的基因的表达
D．重组DNA的形成→目的基因的获得→重组DNA导入受体细胞→筛选含有目的基因的受体细胞→目的基因的表达
4．下列有关基因工程技术的正确叙述是(　　)
A．重组DNA技术所用的工具酶是限制酶、连接酶、载体
B．为育成抗除草剂的作物新品种，导入抗除草剂基因时只能以受精卵为受体细胞
C．选用细菌作为重组质粒的受体细胞是因为细菌繁殖快
D．只要目的基因进入了受体细胞就能成功表达
5．用基因工程技术可使大肠杆菌合成人的蛋白质。下列叙述不正确的是(　　)
A．常用相同的限制性核酸内切酶处理目的基因和质粒
B．DNA连接酶和RNA聚合酶是构建重组质粒必需的工具酶
C．可用含抗生素的培养基检测大肠杆菌中是否导入了重组质粒
D．导入大肠杆菌的目的基因不一定能成功表达
6．利用外源基因在受体细胞中表达，可生产人类所需要的产品。下列能说明目的基因完成了在受体细胞中表达的是(　　)
A．棉花二倍体细胞中检测到细菌的抗虫基因
B．大肠杆菌中检测到人胰岛素基因及mRNA
C．山羊乳腺细胞中检测到人生长素DNA序列
D．酵母菌细胞中提取到人干扰素蛋白
能力提升
7．质粒是基因工程中最常用 ( http: / / www.21cnjy.com )的载体，它存在于许多细菌体内，某细菌质粒上的标记基因如图所示，通过标记基因可以推知外源基因(目的基因)是否转移成功。外源基因插入的位置不同，细菌在培养基上的生长情况也不同，如图所示外源基因在质粒中可插入的位置有a、b、c点。某同学根据实验现象对其插入的位点进行分析，其中分析正确的是(　　)
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实验现象 实验推论
在含青霉素培养基上的生长情况 在含四环素培养基上的生长情况 目的基因插入的位置
A 能生长 能生长 a
B 不能生长 能生长 b
C 能生长 不能生长 c
D 不能生长 不能生长 c
8.科学家通过基因工程的方法，能使马铃薯块茎含有人奶蛋白。以下有关该基因工程的叙述，错误的是(　　)
A．采用反转录的方法可得到目的基因
B．基因的某些非编码区对于目的基因在块茎中的表达是不可缺少的
C．马铃薯的叶肉细胞可作为受体细胞
D．用不同种限制酶分别处理质粒和含目的基因的DNA，可产生相同的粘性末端而形成重组DNA分子
9．如图表示基因工程中获取水稻某目的基因的不同方法。相关叙述中正确的是(　　)
A．这三种方法都用到酶，都是在体外进行
B．①②③碱基对的排列顺序均相同
C．①②③片段均不含内含子，但含非编码区
D．方法a不遵循中心法则
10．人们试图利用基因工 ( http: / / www.21cnjy.com )程的方法，用乙种生物生产甲种生物的一种蛋白质。生产流程是：甲生物的蛋白质的mRNA目的基因与质粒DNA重组导入乙细胞获得甲生物的蛋白质，下列说法正确的是(　　)
A．①过程需要的酶是反转录酶，原料是A、U、G、C
B．②要用限制酶切断质粒DNA，再用DNA连接酶将目的基因与质粒连接在一起
C．如果受体细胞是细菌，可以选用枯草杆菌、炭疽杆菌等
D．④过程中用的原料不含有A、U、G、C
11.以重组DNA技术为核心的基因工程正在改变着人类的生活。请回答下列问题：
(1)获得目的基因的方法通常包括__________________和________________。
(2)切割和连接DNA分子所使用的酶分别是________________和____________。
(3)运送目的基因进入受体细胞的载体一般选用病毒或________，后者的形状成_______。
(4)由于重组DNA分子成功导入受体细胞的频率________，所以在转化后通常需要进行_______操作。
(5)将人胰岛素基因分别导入大肠杆菌与酵母菌，从两者中生产的胰岛素在功能和________序列上是相同的。
综合拓展
12．回答下列有关基因工程的问题：
(1)基因工程中使用的限制酶，其特点是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
下图四种质粒含有E1和E2两种限制酶的识别，Apr表示抗青霉素的抗性基因，Tcr表示抗四环素的抗性基因。
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(2)将两端用E1切开的Tcr基因与用E1切开的质粒X－1混合连接，连接后获得的质粒类型有________________。(可多选)
A．X－1 B．X－2 C．X－3 D．X－4
(3)若将上图所示X－1、X－2、X－ ( http: / / www.21cnjy.com )3、X－4四种质粒导入大肠杆菌，然后分别涂布在含有青霉素或四环素的两种培养基上。在这两种培养基上均不能生长的大肠杆菌细胞类型有________________、________________。
(4)如果X－1用E1酶切，产生8 ( http: / / www.21cnjy.com )50对碱基和3 550对碱基两种片段：那么质粒X－2(Tcr基因的长度为1 200对碱基)用E2酶切后的片段长度为________对碱基。
(5)若将外源的Tcr基因两端用E2切开 ( http: / / www.21cnjy.com )，再与用E2切开的X－1混合链接，并导入大肠杆菌细胞，结果显示，含X－4的细胞数与含X－1的细胞数之比为1∶3，增大DNA连接酶用量能否提高上述比值？________。原因是
________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________。
第2课时　基因工程的原理和技术
答案
知识清单
一、1.目的基因　宿主细胞　2.工具酶　目的基因　载体　宿主细胞
二、1.(1)需要的基因　(2 ( http: / / www.21cnjy.com ))①化学方法　聚合酶链式反应　②基因文库　2.相同　粘性末端　DNA连接酶　重组DNA分子　3.(1)大肠杆菌　酵母菌　(2)大肠杆菌　氯化钙　通透性　4.(1)重组DNA分子　(2)四环素抗性基因　四环素　目的基因　扩增　5.宿主细胞　功能物质
对点训练
1．D　[目的基因应该是从供体细胞中提 ( http: / / www.21cnjy.com )取，导入受体细胞中，而不能从受体细胞中提取，所以③不是获取目的基因的方法；利用DNA转录出来的是RNA，但目的基因是DNA，所以不能用DNA转录来获取目的基因，⑤不正确。]
思路导引　思考获取目的基因的方法→对照选项逐一排查判断→得出正确答案。
知识链接　获得目的基因的方法
(1)从基因文库中获得
(2)人工合成目的基因
①已知核苷酸序列的较小基因，直接利用DNA合成仪，用化学方法合成，不需要模板。
②反转录法：利用已知的mRNA为模板，反转录获取目的基因。
(3)利用PCR技术扩增目的基因
①原理：利用DNA双链复制的原理，在体外将基因的核苷酸序列不断地加以复制，使其数量成指数方式增加。
②过程：如图所示
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a．从上图中可以看出利用设计的特异性引物对基因文库进行PCR扩增，提取出了相应的目的基因，而不是对基因文库进行简单、全面地复制。
b．由于DNA聚合酶不能从头合成DNA，只能从3′端延伸DNA链，故目的基因的扩增需要引物。引物是一小段单链DNA或RNA。加入引物后，DNA聚合酶能从引物的3′端开始延伸DNA链。
2．B　[PCR技术的条件有：模板(即已知 ( http: / / www.21cnjy.com )序列的DNA片段)、原料(即四种脱氧核苷酸)、酶(耐高温的DNA聚合酶)和ATP，至于引物，是根据模板合成的一小段单链DNA或RNA。]
思路导引　了解PCR为体外复制DNA片段的核酸技术→对比与DNA体内复制的异同→确定PCR技术所需的条件。
归纳提升　PCR技术扩增目的基因与DNA复制的比较
PCR技术 DNA复制
相同点 原理 碱基互补配对
原料 四种脱氧核苷酸
条件 模板、ATP、酶
不同点 解旋方式 DNA在高温下变性解旋 解旋酶催化
场所 体外复制 主要在细胞核内
酶 热稳定的DNA聚合酶(Taq酶) 细胞内含有的DNA聚合酶
结果 在短时间内形成大量的DNA片段 形成整个DNA分子
3.B　[用同一种限制酶切取目的基因和质粒，才能使目的基因和质粒产生相同的粘性末端，然后再用DNA连接酶将目的基因和质粒连接起来。]
思路导引　构建重组质粒一个是需要“切”，一个是需要“接”。要顺利的“接”必须要有相同的粘性末端方可。
知识链接　重组DNA分子的构建
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(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，一个重组DNA分子的组成至少应该包括：启动子、终止子、目的基因、标记基因。
4．C　[大肠杆菌成功表达出 ( http: / / www.21cnjy.com )腺苷酸脱氨酶，说明这些大肠杆菌都至少含有一个重组质粒，A项正确；作为载体的条件为至少含有一个或多个酶切位点，所以作为载体的质粒至少含有一个限制性核酸内切酶识别位点，B项正确；作为重组DNA分子应包括目的基因、启动子、终止子、标记基因四部分，但并不是每个酶切位点都至少插入一个ada，C项错误；由于这些目的基因成功表达，所以每个ada至少表达一个腺苷酸脱氨酶分子，D项正确。]
思路导引　本题考查基因工程的应用，意在考查考生对知识的理解能力、综合运用能力。
知识拓展　(1)受体细胞不同导入的方法不同
生物种类 植物细胞 动物细胞 微生物细胞
常用方法 农杆菌转化法 显微注射法 Ca2＋处理法
受体细胞 受精卵或体细胞 受精卵 原核细胞
转化过程 重组DNA分子→农杆菌→导入植物细胞→整合到受体细胞的DNA→表达 重组DNA分子提纯→取卵(受精卵)→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的动物 Ca2＋处理细胞→感受态细胞→重组DNA分子与感受态细胞混合→感受态细胞吸收DNA分子
特别提醒　目前导入植物细胞的方法还有花粉管通道法和基因枪法。
(2)目的基因导入受体细胞的结果
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上图中发生②与发生①相比，②会使目的基 ( http: / / www.21cnjy.com )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，子细胞不一定含有目的基因。
5．A　[基因工程的一般过程：①用限制 ( http: / / www.21cnjy.com )性核酸内切酶切割含目的基因的DNA分子(除草剂基因)和载体(质粒)；②用DNA连接酶连接切割好的目的基因和载体；③重组DNA分子导入受体细胞，因为是植物可以说是原生质体；④用相应的试剂和病原体筛选转基因细胞；⑤用植物组织培养技术筛选抗体除草剂的转基因烟草(表达)。]
思路导引　思考：限制酶识别的是DNA，还是RNA？基因工程的操作过程怎样？
知识链接　筛选含有目的基因的受体细胞
(1)原理：质粒上有抗生素的抗性基因。
(2)方法：利用选择培养基筛选。
(3)举例
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6．(1)平　相同　(2)RNA聚合酶识 ( http: / / www.21cnjy.com )别和结合的位点，有了它才能驱动基因转录出mRNA，最终获得所需要的蛋白质　Ca2＋　DNA分子杂交技术　人胰岛素
(3)T－DNA　染色体的DNA
解析　(1)限制酶能识别特定的DNA序列，并 ( http: / / www.21cnjy.com )在特定位点上切割DNA，形成粘性末端或平末端；要使目的基因和质粒直接进行连接，应使用同一种限制酶进行切割，使二者产生相同的粘性末端。(2)启动子为DNA序列，其具有RNA聚合酶结合位点，能启动转录，合成RNA；将重组DNA分子导入大肠杆菌时，常用Ca2＋处理；检测目的基因时，常用分子杂交技术检测目的基因或相应的mRNA，或采用抗原—抗体杂交技术鉴定相应的蛋白质。(3)用农杆菌转化法将目的基因导入植物细胞时，首先将目的基因导入农杆菌Ti质粒的T－DNA中，再利用农杆菌侵染植物细胞，通过DNA重组将目的基因插入植物细胞的染色体的DNA上。
知识链接　基因工程的图解举例
(1)抗虫棉的培育过程
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(2)利用基因工程技术生产凝乳酶的过程
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课后作业
1．B　[重组DNA必须具有标记基因，其目的就是为了鉴别受体细胞中是否含有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出来。]
2．D　[PCR利用的是DNA双链复 ( http: / / www.21cnjy.com )制原理，即将双链DNA之间的氢键打开，变成单链DNA，作为聚合反应的模板链。反转录法则是以目的基因转录成的信使RNA为模板，在反转录酶的作用下，先反转录形成互补的单链DNA，再合成双链DNA。①④则不需要模板。]
3．C　[基因操作“五步曲”包括：目的基因的获得，重组DNA的形成，重组DNA导入受体细胞，筛选含有目的基因的受体细胞和目的基因的表达。]
4．C　[A项中的载体不是酶；B项中的受体细胞常用受精卵，但有时也可用植物体细胞；D项中，目的基因进入受体细胞并不一定能成功表达。]
5．B　[基因工程中限制性核酸内切酶和 ( http: / / www.21cnjy.com )DNA连接酶是构建重组质粒必需的工具酶。质粒作为载体必须具有标记基因，导入的目的基因不一定能成功表达，还要进行修饰或者其他处理。]
6．D　[基因的表达是指基因使遗传信息以一定的方式反映到蛋白质的分子结构上这一过程，即必须获得相应的蛋白质才能说明基因完成了表达。只有D得到了蛋白质。]
7．B　[若质粒上插入的位置在c点，那么 ( http: / / www.21cnjy.com )抗四环素基因和抗青霉素基因都没有被破坏，导入该重组质粒的细菌在含青霉素的培养基和在含四环素的培养基上均能生长。]
8．D　[采用反转录的方法得到目的 ( http: / / www.21cnjy.com )基因的过程是以目的基因转录成的信使RNA为模板，反转录成互补的单链DNA，然后在酶的作用下合成双链DNA，从而获得所需要的目的基因。由于信使RNA中没有与内含子相对应的部分，所以采用反转录的方法得到的目的基因不存在内含子。基因非编码区对于基因的表达具有调控作用。植物细胞的全能性很容易得到表达，所以转基因植物培育过程中的受体细胞可以是植物的体细胞。限制酶具有专一性，只有用同一种限制酶处理才能获得相同的粘性末端，才能够形成重组DNA分子。]
9．A　[由图示可知a为反转录法获得 ( http: / / www.21cnjy.com )目的基因，用到反转录酶；b为直接从生物体获得目的基因，用到限制酶；c为用PCR技术扩增获取目的基因，用到Taq酶，且三种方法均在生物体外进行，故A正确。因水稻为真核生物，所以②中含内含子，但方法a获得的目的基因内无内含子序列，所以B、C错误。方法a遵循中心法则，D错误。]
10．B　[①过程是反转录，利用反转录 ( http: / / www.21cnjy.com )酶合成DNA片段，所需要的原料含有A、T、G、C；②是目的基因与质粒DNA重组阶段，需要限制酶切断质粒DNA，再用DNA连接酶将目的基因与质粒连接在一起；③如果受体细胞是细菌，则不应该用致病菌，而炭疽杆菌是致病菌；④过程是基因的表达过程，原料中含有A、U、G、C。]
11．(1)从基因文库提取　酶切获取(从染色体DNA分离/从生物细胞分离)
(2)限制性核酸内切酶(限制酶)　DNA连接酶
(3)质粒　小型环状(双链环状、环状)
(4)低　筛选　(5)氨基酸
解析　(1)获取目的基因的方 ( http: / / www.21cnjy.com )法可以归纳为两种：一是从供体生物中提取或从基因文库中提取；二是人工合成。(2)基因工程中的工具酶有切割DNA分子的限制性核酸内切酶和连接DNA分子的DNA连接酶。(3)载体一般常用质粒、噬菌体和动植物病毒，其中质粒最为常用，是很小的环状DNA分子。(4)重组DNA分子导入受体细胞频率较低，所以要利用表达载体上的标记基因进行筛选。(5)由于所有生物共用一套密码子，所以基因工程中表达的蛋白质与自然状态蛋白质的氨基酸序列是相同的。
12．(1)特异性地识别和 ( http: / / www.21cnjy.com )切割DNA　(2)ABC　(3)无质粒细胞　含X－3的细胞　(4)4 750　(5)不能　DNA连接酶对DNA片段没有选择性；两段DNA末端相同
解析　(1)限制酶的功能及特点是：特异性地 ( http: / / www.21cnjy.com )识别核苷酸序列并在特定位点将磷酸二酯键断开；(2)用E1酶切得的Tcr基因，X－1质粒的粘性末端均相同，所以混合后会出现X－1、X－2、X－3三种不同的连接方式；(3)质粒X－3上无抗生素抗性基因，所以导入该质粒的大肠杆菌及无质粒导入的大肠杆菌场合被抗生素杀死。
(4)质粒X－1被E1酶切割后产生的一长一短 ( http: / / www.21cnjy.com )两种片段，即图中，Apr片段为850对碱基，剩余部分为3 550对碱基。E2酶切X－2只产一种片段，其长度为3 550对碱基＋Tcr的1 200对碱基＝4 750对碱基。
(5)由于E2酶切割质粒X－1与切割Tcr基因产生的粘性末端相同，且DNA连接酶的连接作用无选择性，所以增大DNA连接酶的用量，不会改变连接比值。