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第57讲 基因工程的应用、蛋白质工程及生物技术的安全性与伦理问题
选择性必修3 生物技术与工程
第九单元 生物技术与工程
1．举例说明基因工程在农牧、食品及医药等行业的广泛应用改善了人类的生活品质。
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。
3．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更符合人类需求的蛋白质。
4．转基因产品的安全性引发社会的广泛关注。
5．世界范围内应全面禁止生物武器。
6．中国禁止生殖性克隆人。
一、基因工程在农牧业方面的应用
考点1 基因工程的应用
降解或抵抗
蛋白质
编码基因
花青素代谢相关
外源生长激素
乳汁
1．(人教版选择性必修3 P88正文)野外种植转基因抗A害虫植物的同时，还种植一定量的同种不抗虫植物，可降低抗性害虫在整个害虫种群中所占比例的增加速率。其原因是________________________
__________________________________________________________。
提示：种植一定量的同种不抗虫植物，对抗性害虫的选择作用减弱
二、基因工程在医药卫生领域的应用
1．
基因改造
特异表达的基因的启动子
显微注射
受精卵
2．(人教版选择性必修3 P90正文)利用转基因技术获得的已整合药用蛋白基因的转基因小鼠分泌的乳汁中检测不到药用蛋白，根据中心法则分析，其可能的原因是__________________________________
___________________________________________________________。
提示：药用蛋白基因没有转录或翻译
2．器官移植：在器官供体的基因组中导入_____________________，以抑制____________的表达，或设法除去抗原决定基因，再结合____技术，培育出不会引起________反应的转基因克隆器官。
调控基因表达的DNA序列
抗原决定基因
克隆
免疫排斥
三、基因工程在食品工业方面的应用
基因工程菌
牛凝乳酶的基因
基因工程菌
1．转基因抗病农作物不需要使用农药。 ( )
提示：转基因抗病农作物减少了农药的使用。
2．若仅种植转基因抗虫大豆，会使害虫种群抗性基因频率迅速提高，导致作物的抗虫效果逐渐减弱。 ( )
3．用特异启动子诱导表达iaaM(生长素合成基因)可获得无子果实。 ( )
×
√
√
4．为培育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作为受体。 ( )
提示：受体细胞也可以是植物的体细胞。
5．乳腺生物反应器是将药用蛋白基因导入动物的乳腺细胞中。 ( )
提示：应将药用蛋白基因导入动物的受精卵中。
×
×
甜蛋白是一种高甜度的特殊蛋白质，将甜蛋白基因导入番茄可提高番茄甜味，改善果实品质，获得超甜植株。下图是甜蛋白基因和Ti质粒上限制酶切割位点示意图。
(1)利用转基因技术获得超甜番茄的核心步骤是基因表达载体的构建，该过程需要选择____________________限制酶切割甜蛋白基因。
提示：XbaⅠ和HindⅢ
(2)为了保证甜蛋白基因能够在番茄细胞中表达，应将Ti质粒上的启动子替换为________________________________。
提示：番茄细胞中能表达的基因的启动子
(3)若得到的超甜番茄体细胞中导入的是2个甜蛋白基因，则让其自交，若子代表型及比例为__________________________，说明2个甜蛋白基因插入了两对同源染色体上(含有1个和2个甜蛋白基因的番茄甜味相同)。
提示：超甜番茄∶普通番茄＝15∶1
(4)若在被农杆菌感染成功的玉米细胞中检测到了甜蛋白基因，但没有检测到甜蛋白，分析其原因可能是_____________________________________________________________________________________。
提示：该基因没有转录或转录后没有翻译成功
考向 基因工程的应用
1．(链接人教版选择性必修3 P90正文)采用基因工程技术培育转基因羊作为乳腺生物反应器，使其能合成人凝血因子且只存在于乳汁中。下列有关叙述不正确的是( )
A．该过程中将目的基因导入受体细胞常用的方法是显微注射法
B．将含有人凝血因子基因的表达载体导入羊乳腺细胞中即可获得乳腺生物反应器
C．该转基因羊产生的生殖细胞中可能会含有人凝血因子基因
D．与乳腺生物反应器相比，膀胱生物反应器不受性别等限制，受体来源更广泛
√
B [基因工程中，目的基因导入动物细胞通常用显微注射法，A正确；转基因动物的受体细胞是受精卵，B错误；用基因工程技术将人凝血因子基因导入山羊受精卵，所形成的转基因羊中，人凝血因子基因存在于所有的体细胞中，在减数分裂形成生殖细胞时，同源染色体分离，故该转基因羊产生的生殖细胞中可能会含有人凝血因子基因，C正确；与乳腺生物反应器(只能选雌性)相比，膀胱生物反应器不受性别等限制，受体来源更广泛，D正确。]
2．(2024·广东卷)驹形杆菌可合成细菌纤维素(BC)并将其分泌到胞外组装成膜。作为一种性能优异的生物材料，BC膜应用广泛。研究者设计了酪氨酸酶(可催化酪氨酸形成黑色素)的光控表达载体，将其转入驹形杆菌后构建出一株能合成BC膜并可实现光控染色的工程菌株，为新型纺织原料的绿色制造及印染工艺升级提供了新思路(图一)。
回答下列问题：
(1)研究者优化了培养基的______________(答两点)等营养条件，并控制环境条件，大规模培养工程菌株后可在气液界面处获得BC菌膜(菌体和 BC膜的复合物)。
碳源、氮源
(2)研究者利用T7 噬菌体来源的RNA聚合酶(T7RNAP)及蓝光光敏蛋白标签，构建了一种可被蓝光调控的基因表达载体(光控原理见图二a，载体的部分结构见图二b)。构建载体时，选用了通用型启动子 PBAD (被工程菌 RNA 聚合酶识别)和特异型启动子PT7 (仅被T7RNAP识别)。为实现蓝光控制染色，启动子①②及③依次为____________________，理由是____________________________________________________________________________________________________________________。
PT7、PBAD、PBAD
基因2和3正常表达无活性产物，被蓝光激活后再启动基因1表达
(3)光控表达载体携带大观霉素(抗生素)抗性基因。长时间培养时在培养液中加入大观霉素，其作用为____________________________ (答两点)。
(4)根据预设的图案用蓝光照射已长出的BC菌膜并继续培养一段时间，随后将其转至染色池处理，发现只有经蓝光照射的区域被染成黑色，其原因是_____________________________________________
__________________________________________________________。
抑制杂菌、去除丢失质粒的菌株
该处细胞中T7RNAP激活，酪氨酸酶表达并合成
黑色素
(5)有企业希望生产其他颜色图案的BC膜。按照上述菌株的构建模式提出一个简单思路：______________________________________。
将酪氨酸酶替换成催化其他色素合成的酶
[解析] (1)培养基的营养物质包括水、无机盐、碳源、氮源等，研究者培养工程菌，需要优化培养基的碳源、氮源等营养条件，并控制环境条件。(2)由题图二a分析可知，蓝光照射下，T7RNAP N端-nMag与pMag-T7RNAP C端结合，导致无活性的T7RNAP变成有活性的T7RNAP，结合图一，蓝光处理后，RNA聚合酶(T7RNAP)识别启动子①使基因1转录获得相应的mRNA，再以其为模板通过翻译过程获得酪氨酸酶，酪氨酸酶从而催化染色液中酪氨酸形成黑色素，可见基因2和3正常表达无活性产物，被蓝光激活后再启动基因1表达，综合分析可知，为实现蓝光控制染色，启动子①②及③依
次为PT7、PBAD、PBAD。(3)光控表达载体携带大观霉素(抗生素)抗性基因。长时间培养时在培养液中加入大观霉素，其具有抑制杂菌、去除丢失质粒的菌株的作用。(4)由(2)分析可知，细胞中T7RNAP激活，酪氨酸酶表达并合成黑色素，故用蓝光照射已长出的BC菌膜并继续培养一段时间，随后将其转至染色池处理，发现只有经蓝光照射的区域被染成黑色。(5)由(2)分析可知，最终BC膜被染成黑色，若希望生产其他颜色图案的BC膜，则需要将酪氨酸酶替换成催化其他色素合成的酶。
一、蛋白质工程的概念
1．基础：蛋白质分子的________及其与________的关系。
2．手段：改造或合成____。
3．结果：对现有蛋白质进行改造或制造出__________。
考点2 蛋白质工程
结构规律
生物功能
基因
新的蛋白质
二、蛋白质工程的基本流程
写出流程图中字母代表的含义：
A．____，B．____，C．____，D．______，E．________。
转录
翻译
推测
多肽链
预期功能
三、蛋白质工程与基因工程的异同
1．区别
项目 蛋白质工程 基因工程
基本思路或过程 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→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质 目的基因的筛选与获取→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
项目 蛋白质工程 基因工程
实质 定向改造或生产人类所需的蛋白质 定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型和生物产品
结果 可生产___________________ 只能生产____________________
自然界没有的蛋白质
自然界已存在的蛋白质
2．联系
(1)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。
(2)基因工程中所利用的某些酶需要通过蛋白质工程进行修饰、改造。
(人教版选择性必修3 P94图3-17)对天然蛋白质进行改造，应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？原因是什么？_______________________________________________________
___________________________________________________________。
提示：通过对基因的操作来实现。基因能控制蛋白质的合成，基因能遗传给下一代
四、蛋白质工程的应用
1．医药工业方面：研发药物，如延长干扰素的保存时间；降低小鼠单克隆抗体诱发免疫反应的强度。
2．其他工业方面：改进__的性能或开发新的________。
3．农业方面：通过改造某些____________________，以提高植物光合作用效率，增加粮食的产量；通过改造微生物____________，设计优良微生物农药，防治病虫害。
酶
工业用酶
参与调控光合作用的酶
蛋白质的结构
1．蛋白质工程实施的前提是获取基因与目标蛋白质的结构数据。 ( )
2．蛋白质工程通过改变氨基酸的空间结构而制造出新的蛋白质。 ( )
提示：蛋白质工程通过改变基因的碱基排列顺序从而改变氨基酸的种类、数量、排列顺序以及蛋白质的空间结构而制造出新的蛋白质。
×
√
3．蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。 ( )
4．蛋白质工程常借助计算机建立蛋白质的三维结构模型。 ( )
√
√
研究人员通过解析Bt抗虫蛋白晶体的结构发现，第5号螺旋处的第168位氨基酸是孔道结构稳定性的关键，将该位点氨基酸替换为疏水性更强的精氨酸后，就有可能提高孔道结构的稳定性。根据这一研究结果，请写出后续利用蛋白质工程培育出抗虫能力更强的转基因棉花的基本思路。
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________。
提示：把Bt抗虫蛋白第5号螺旋处的第168位氨基酸替换成精氨酸，找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因) 或合成新的基因，再把该基因与载体构建成基因表达载体，导入受体细胞获得所需要的蛋白质
考向 蛋白质工程的原理、过程及应用
1．(链接人教版选择性必修3 P94图3-17)科学家利用蛋白质工程技术将水蛭素(一种可用于预防和治疗血栓的蛋白质)第47位的天冬酰胺替换为赖氨酸，显著提高了它的抗凝血活性，流程图如下。已知天冬酰胺对应的密码子为AAU、AAC，赖氨酸对应的密码子为AAA、GUA等。下列叙述错误的是( )
A．上图的操作流程是从预期的水蛭素功能出发的
B．在这项替换研究中目前可行的直接操作对象是基因
C．上图中大分子物质a和b的单体序列均是唯一的
D．用蛋白质工程可生产基因工程所不能生产的蛋白质
√
C [据题图分析，通过分析预期的水蛭素功能推导出蛋白质的结构，进而明确氨基酸序列，最终确定基因中碱基对的排列顺序，A正确；蛋白质的改造工程直接改变的是控制蛋白质合成的基因，B正确；由于密码子的简并，图中大分子物质a和b的单体序列不是唯一的，C错误；蛋白质工程通过改造基因从而获得原本没有的蛋白质，因此用蛋白质工程可生产基因工程所不能生产的蛋白质，D正确。]
2．(链接人教版选择性必修3 P95正文)水蛭是我国的传统中药材，主要药理成分水蛭素为水蛭蛋白中重要成分之一，具有良好的抗凝血作用。科研人员拟通过蛋白质工程改造水蛭素结构，提高其抗凝血活性。将提取的水蛭蛋白经甲、乙两种蛋白酶水解后，分析水解产物中的肽含量及其抗凝血活性，结果如图所示。下列叙述错误的是
( )
A．水蛭蛋白经两种酶处理后水解产物的抗凝血活性差异主要与其肽含量有关
B．酶甲处理使水蛭素抗凝血活性提高的可能原因是使其有活性的结构域部位暴露
C．要获得水蛭素的基因，可以从水蛭细胞中提取mRNA，经逆转录获得目的基因
D．上述实验目的是了解水蛭素蛋白中影响抗凝血活性的部分以设计蛋白质三维结构
√
A [两种酶水解水蛭蛋白后，肽含量的两条曲线比较接近，说明抗凝血的活性与其肽含量关联不大，A错误；酶甲处理后的酶解产物的抗凝血活性先上升后相对稳定，由此推测酶甲处理使水蛭素抗凝血活性提高的可能原因是使其有活性的结构域部位暴露，B正确；为了获得水蛭素基因，可以从细胞中提取水蛭素基因转录的mRNA，经逆转录获取目的基因，C正确；对水蛭素进行分子改造使用的技术是蛋白质工程，上述实验目的是了解水蛭素蛋白中影响抗凝血活性的部分以设计蛋白质三维结构，D正确。]
一、转基因成果
考点3 生物技术的安全性与伦理问题
领域 成果
微生物 方面 ①减少啤酒酵母双乙酰的生成，缩短啤酒的________
②构建高产、优质的基因工程菌来生产氨基酸
③用基因工程菌生产药物
发酵周期
领域 成果
转基因动物方面 ①培育________、____________的转基因家禽、家畜
②培育抵抗相应病毒的动物新品种
③建立了某些人类疾病的转基因动物模型
转基因植物方面 培育具有抗虫、抗病、抗除草剂和耐储藏等新性状的作物
生长迅速
营养品质优良
1．(人教版选择性必修3 P102相关信息)将来自玉米的α-淀粉酶基因与目的基因一起转入植物中，可以防止转基因花粉传播的原因是_______________________________________________________________
___________________________________________________________。
提示：由于α-淀粉酶基因可以阻断淀粉储藏使花粉失去活性，因而可以防止转基因花粉的传播
二、对转基因产品安全性的争论
伦理道德观念
三、理性看待转基因技术
1．理性看待转基因技术的前提
(1)清晰地了解转基因技术的____和____规程。
(2)看到人们的观点受到许多复杂的政治、经济和____等因素的影响。
(3)要靠____的证据和____的逻辑进行思考和辩论。
原理
操作
文化
确凿
严谨
2．我国对转基因技术的态度
(1)研究上要____，坚持自主创新。
(2)推广上要____，做到确保安全。
(3)管理上要____，坚持依法监管。
3．我国相关部门制定了一系列的政策、法规并成立相关机构
(1)维护了消费者对转基因产品的______和______。
(2)最大程度地保证了转基因技术和已经上市的转基因产品的______。
(3)为保障农业转基因生物安全提供重要的技术支撑。
大胆
慎重
严格
知情权
选择权
安全性
四、关注生殖性克隆人
1．生殖性克隆：指通过____技术产生独立生存的新个体。
2．治疗性克隆：指利用克隆技术产生特定的细胞、组织和器官，用它们来修复或替代受损的细胞、组织和器官，从而达到治疗疾病的目的。
3．我国______、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人实验。我国政府同样重视治疗性克隆所涉及的伦理问题，主张对治疗性克隆进行有效监控和严格审查。
克隆
不赞成
4．比较试管婴儿和设计试管婴儿
(1)试管婴儿和设计试管婴儿过程(如图所示)
(2)试管婴儿和设计试管婴儿的异同点
体外受精
胚胎移植
有性生殖
项目 试管婴儿 设计试管婴儿
不同点 技术手段 无须进行遗传学诊断 进行遗传学诊断
应用 主要解决不孕夫妇的生育问题 主要用于白血病、贫血症等遗传疾病的预防及治疗
相同点 二者都是____________、体外进行早期胚胎培养，再经过________________，从生殖方式上来看都为____________
2．(人教版选择性必修3 P108正文)我国科学家用4种小分子化合物诱导小鼠的成纤维细胞转变成了iPS细胞，这种诱导方法与转入转录因子诱导产生iPS细胞相比，其优点是__________________________
___________________________________________________________。
提示：避免了用特定的转录因子诱导iPS细胞可能带来的致癌风险
五、禁止生物武器
1．种类：致病菌类、______、生化毒剂类等。
2．中国政府的态度：在任何情况下______、______、不储存生物武器，并反对生物武器及其技术和设备的扩散。
病毒类
不发展
不生产
1．转基因技术已被用于减少啤酒酵母双乙酰的生成。 ( )
2．理性看待转基因技术，最重要的是，要靠确凿的证据和严谨的逻辑进行思考和辩论。 ( )
3．可以运用重组DNA技术进行生殖性克隆人研究。 ( )
提示：我国不允许任何人进行生殖性克隆人研究。
4．生物武器仅包括病毒类。 ( )
×
√
提示：生物武器包括致病菌类、病毒类和生化毒剂类等。
√
×
科学家运用基因组编辑技术在人类的早期胚胎中修正了与肥厚型心肌病发生相关的基因MYBPC3的突变，使胚胎携带正常MYBPC3基因的概率提高了20%左右。你认为该不该允许对人类胚胎进行基因组编辑的相关研究？请说明理由。
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________。
提示：不允许。因为目前该技术存在一系列安全风险和伦理问题。如可能会出现“设计婴儿”“基因脱靶”问题，导入基因与细胞内原有基因相互作用的问题，病毒基因植入问题，因此应禁止对人类胚胎进行基因组编辑的相关研究
考向1 生物技术的安全问题
1．(链接人教版选择性必修3 P103－104正文)依据《中华人民共和国生物安全法》，生物安全是指国家有效防范和应对危险生物因子及相关因素威胁，生物技术能够稳定健康发展，人民生命健康和生态系统相对处于没有危险和不受威胁的状态，生物领域具备维护国家安全和持续发展的能力。下列叙述错误的是( )
A．高致病性微生物必须在高等级生物安全实验室中开展实验活动
B．生物技术可广泛应用在人类自身基因组改造和新物种创造中
C．外来入侵物种可能增加本土食物来源却给自然生态造成破坏
D．动物饲料中的抗生素会通过食物链使人体微生物耐药性增强
√
B [高致病性微生物必须在高等级生物安全实验室中开展实验活动，防止造成致病性微生物外泄，造成污染，危害生物健康，A正确；生物技术可应用在新物种创造中，但对人类自身基因组改造到目前还存在相应的问题，难以实现，B错误；外来入侵物种可能增加本土食物来源，但如果缺乏天敌会造成自然生态破坏，C正确；长期使用抗生素，必然产生残留，而残留在动物饲料中的抗生素，会随着食物链进入人体使微生物的耐药性增强，D正确。]
考向2 生物技术的伦理问题
2．(2023·浙江1月卷)以哺乳动物为研究对象的生物技术已获得了长足的进步。对生物技术应用于人类，在安全与伦理方面有不同的观点，下列叙述正确的是( )
A．试管婴儿技术应全面禁止
B．治疗性克隆不需要监控和审查
C．生殖性克隆不存在伦理道德方面的风险
D．我国不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人实验
√
D [试管婴儿技术是为了解决不孕夫妇的生育问题，不应该被全面禁止，A错误，我国政府一再重申四不原则：不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人实验，但治疗性克隆可在有效监控和严格审查下实施，B错误，D正确；生殖性克隆人冲击了现有的一些有关婚姻、家庭和两性关系的伦理道德观念，C错误。]
体验真题 感悟高考 · 有章可循
√
1．(2024·天津卷)胰岛素的研发走过了：动物提取→化学合成→重组胰岛素→生产胰岛素类似物等历程。有关叙述错误的是( )
A．动物体内胰岛素由胰岛B细胞合成并胞吐出细胞
B．氨基酸是化学合成胰岛素的原料
C．用大肠杆菌和乳腺生物反应器生产胰岛素需相同的启动子
D．利用蛋白质工程可生产速效胰岛素等胰岛素类似物
C [胰岛素在动物体内由胰岛B细胞合成后，经过胞吐作用释放出细胞，A正确；胰岛素属于蛋白质，所以化学合成胰岛素的原料是氨基酸，B正确；用大肠杆菌和乳腺生物反应器生产胰岛素不需要使用相同的启动子，因为两者属于不同的表达系统，大肠杆菌是原核生物表达系统，而乳腺生物反应器属于真核生物表达系统，C错误；利用蛋白质工程技术可以对胰岛素进行改造，生成具有不同作用特性的胰岛素类似物，包括速效胰岛素，D正确。]
2．(2024·江西卷)γ-氨基丁酸在医药等领域有重要的应用价值。利用L-谷氨酸脱羧酶(GadB)催化L-谷氨酸脱羧是高效生产γ-氨基丁酸的重要途径之一。研究人员采用如图方法将酿酒酵母S的L-谷氨酸脱羧酶基因(gadB)导入生产菌株E．coliA。构建了以L-谷氨酸钠为底物高效生产γ-氨基丁酸的菌株E．coliB。下列叙述正确的是( )
A．上图表明，可以从酿酒酵母S中分离得到目的基因gadB
B．E．coliB发酵生产γ-氨基丁酸时，L-谷氨酸钠的作用是供能
C．E．coliA和E．coliB都能高效降解γ-氨基丁酸
D．可以用其他酶替代NcoⅠ和KpnⅠ构建重组质粒
√
D [根据题中流程图可知，研究人员利用PCR技术获取目的基因，该过程称为目的基因的“扩增”或“克隆”，是一个化学过程；而“分离”是一个物理过程，A错误。题干中说明了L-谷氨酸脱羧酶催化L-谷氨酸脱羧是高效生产γ-氨基丁酸的重要途径之一，即L-谷氨酸是高效生产γ-氨基丁酸的底物。E．coli B发酵生产γ-氨基丁酸时，L-谷氨酸钠的主要作用是作为发酵中酶促反应的底物，B错误。E．coli A是发酵生产γ-氨基丁酸的菌株，E．coli B是往E．coli A细胞中导入L-谷氨酸脱羧酶基因后构建的高效生产γ-氨基丁酸的菌株。E．coli A和E．coli B都不会高效降解γ-氨基丁酸，否则无法实现生
产，C错误。根据图中信息，质粒上含有多克隆位点，其不仅可以被Nco Ⅰ和Kpn Ⅰ酶切，还可以被其他限制性内切酶酶切。只要在质粒的多克隆位点和目的基因两侧存在除Nco Ⅰ和Kpn Ⅰ外其他相同的限制性内切酶的酶切位点，就可以用相应酶替代Nco Ⅰ和Kpn Ⅰ构建重组质粒，D正确。]
3．(2024·河北卷)新城疫病毒可引起家禽急性败血性传染病，我国科学家将该病毒相关基因改造为r2HN，使其在水稻胚乳特异表达，制备获得r2HN疫苗，并对其免疫效果进行了检测。
回答下列问题：
(1)实验所用载体的部分结构及其限制酶识别位点如图1所示。其中GtP为启动子，若使r2HN仅在水稻胚乳表达，GtP应为________________启动子。Nos为终止子，其作用为________。r2HN基因内部不含载体的限制酶识别位点。因此，可选择限制酶________和________对r2HN基因与载体进行酶切，用于表达载体的构建。
胚乳特异表达基因
终止转录
HindⅢ
EcoRⅠ
(2)利用______________方法将r2HN基因导入水稻愈伤组织。为检测r2HN表达情况，可通过PCR技术检测_______________________________，通过________________技术检测是否翻译出r2HN蛋白。
(3)获得转基因植株后，通常选择单一位点插入目的基因的植株进行研究。此类植株自交一代后，r2HN纯合体植株的占比为________。选择纯合体进行后续研究的原因是____________________________。
农杆菌转化
r2HN基因是否转录出
mRNA
抗原—抗体杂交
1/4
纯合体自交后代不发生性状分离
(4)制备r2HN疫苗后，为研究其免疫效果，对实验组鸡进行接种，对照组注射疫苗溶剂。检测两组鸡体内抗新城疫病毒抗体水平和特异应答的CD8＋T细胞(细胞毒性T细胞)水平，结果如图2所示。据此分析，获得的r2HN疫苗能够成功激活鸡的________免疫和________免疫。
体液
细胞
(5)利用水稻作为生物反应器生产r2HN疫苗的优点是_____________
_______________________________________________________________________________________________________。(答出两点即可)
生产成本低、转基因水稻易获得(或安全性高或种子蛋白易纯化或水稻自花传粉不易发生基因污染)
[解析] (1)利用水稻细胞培育能表达r2HN的水稻胚乳细胞生物反应器，胚乳特异表达基因启动子在水稻胚乳细胞中更容易被RNA聚合酶识别和结合而驱动转录。Nos为终止子，终止子可以终止转录。r2HN基因内部不含载体的限制酶识别位点。KpnⅠ破坏了启动子序列不能选用，SacⅠ位于终止子序列之外不能选用，则为了将目的基因插入载体的启动子和终止子之间，则需要用限制酶HindⅢ和EcoRⅠ对r2HN基因与载体进行酶切，用于表达载体的构建。(2)获得水稻愈伤组织后，通过农杆菌的侵染，使目的基因进入水稻细胞并完成转化。为检测r2HN表达情况，可通过PCR技术检测r2HN基
因是否转录出mRNA，可从转基因水稻中提取蛋白质，用相应的抗体进行抗原—抗体杂交检测是否翻译出r2HN蛋白。(3)获得转基因植株后，通常选择单一位点插入目的基因的植株进行研究。单一位点插入目的基因的植株，则相当于杂合体，杂合体自交，后代含有r2HN基因的纯合体为1/4。由于纯合体自交后代不发生性状分离，具有遗传的稳定性，所以选择纯合体进行后续研究。(4)据图可知，实验组的抗体水平和CD8＋T细胞水平都比对照组高，说明通过体液免疫产生了抗体，通过细胞免疫产生了细胞毒性T细胞，即r2HN疫苗能够成功激活鸡的体液免疫和细胞免疫。(5)通过水稻作为生物反应器生产r2HN疫苗具有生产成本低、转基因水稻易获得(或安全性高或种子蛋白易纯化或水稻自花传粉不易发生基因污染)。
1．(2024·湖北武汉一模)人乳铁蛋白(hLF)是乳汁中一种重要的非血红素铁结合糖蛋白，具有抑菌、抗肿瘤等多种生理功能，被认为是一种极具开发潜力的食品添加剂。某科研团队将人乳铁蛋白(hLF)基因转入山羊体内，从山羊的乳液中获得hLF，可以解决天然人乳铁蛋白资源短缺的问题，下列有关叙述错误的是( )
课时数智作业(五十七) 基因工程的应用、蛋白质工程及生物技术的安全性与伦理问题
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
9
10
11
A．可用PCR直接扩增乳铁蛋白的基因转录产物
B．重组载体中人乳铁蛋白基因的启动子是乳腺蛋白基因启动子
C．将目的基因导入山羊受精卵中一般应用的技术是显微注射法
D．检测人乳铁蛋白基因是否成功翻译常采用抗原—抗体杂交技术
√
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
9
10
11
A [不可以直接用PCR扩增mRNA，需将mRNA逆转录成cDNA再进行扩增，A错误；为保证在山羊的乳液中提取到人乳铁蛋白，需要将人乳铁蛋白基因与山羊乳腺蛋白基因的启动子等调控元件重组在一起，B正确；一般用显微注射法将目的基因导入山羊受精卵中，C正确；为检测人乳铁蛋白基因是否成功翻译成蛋白质，检测方法是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，若出现相应现象，则表明目的基因成功翻译形成蛋白质，D正确。]
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
9
10
11
2．(2024·北京石景山一模)蛛丝蛋白是一种特殊纤维蛋白，具有强度高、韧性大等特点，在人工肌腱等医学领域有着诱人的前景。某研究小组提取一种丝绒蜘蛛中的蛛丝蛋白基因，将其导入大肠杆菌生产蛛丝蛋白。下列叙述正确的是( )
A．构建蛛丝蛋白基因表达载体需要限制酶和DNA聚合酶
B．可通过显微注射的方法将蛛丝蛋白基因导入大肠杆菌
C．基因表达载体上的复制原点可调控蛛丝蛋白基因的表达
D．可通过蛋白质工程设计与改造蛛丝蛋白的结构以增强其韧性
√
题号
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7
9
10
11
D [构建蛛丝蛋白基因表达载体需要限制酶和DNA连接酶，A错误；将蛛丝蛋白基因导入大肠杆菌，一般先用Ca2+处理大肠杆菌，使细胞处于能吸收周围环境中DNA分子的状态，然后再将重组的基因表达载体导入其中，B错误；基因表达载体上的启动子可调控蛛丝蛋白基因的表达，C错误；若需对蛛丝蛋白进行设计和改造以增强其韧性，可通过蛋白质工程来实现，D正确。]
题号
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3．(2024·广东佛山期中)水中雌激素类物质(E物质)污染会导致鱼类雌性化等异常，并通过食物链影响人体健康和生态安全。斑马鱼的肌细胞、生殖细胞等均存在E物质受体，且幼体透明。科学家将绿色荧光蛋白(GFP)等基因转入斑马鱼，建立了一种快速的水体E物质监测方法。下列分析错误的是( )
题号
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题号
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A．E物质可以影响RNA聚合酶与启动子结合，驱动GFP基因的转录
B．GFP基因表达时需要消耗氨基酸、脱氧核苷酸和酶以及能量
C．在被E物质污染的水体中转基因斑马鱼的幼体会显绿色
D．转基因斑马鱼逃逸可能引起生物安全问题
题号
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√
B [启动子是RNA聚合酶识别与结合的位点，可用于驱动基因的转录，E物质可以影响RNA聚合酶与启动子结合，驱动GFP基因的转录，A正确；基因的表达包括转录和翻译过程，其中转录的产物是RNA，翻译的产物是蛋白质，故GFP基因表达时需要消耗氨基酸、核糖核苷酸以及能量，B错误；在被E物质污染的水体中，绿色荧光蛋白(GFP)表达后会使透明的斑马鱼幼体显出绿色，C正确；转基因斑马鱼逃逸可能带来生物安全问题，D正确。]
题号
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4．(2024·江西部分重点中学联考)草甘膦是一种广谱、非选择性的系统性除草剂，通过抑制植物中EPSPS酶的活性，使植物细胞内某些氨基酸不能合成，从而达到除草的目的。为提高小麦对草甘膦的耐受性，科学家将细菌的EPSPS基因转入小麦叶绿体中，得到抗草甘膦转基因小麦。下列相关叙述错误的是( )
A．将EPSPS基因导入小麦的叶绿体可避免基因污染
B．EPSPS基因在细菌和小麦中转录形成的mRNA相同
C．可通过喷洒草甘膦来检验转基因小麦是否培育成功
D．转基因小麦中EPSPS酶参与合成的氨基酸数量下降
√
题号
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D [将目的基因整合到受体细胞的叶绿体基因组中能防止基因污染，因为叶绿体基因组不会进入花粉，A正确；由于EPSPS基因相同，其在细菌和小麦中转录形成的mRNA相同，这也是基因工程得以实现的基础之一，B正确；转基因小麦如果培育成功，则会产生EPSPS酶，能抵抗草甘膦，因此可以通过喷洒草甘膦来检验转基因小麦是否培育成功，C正确；转基因小麦中导入了EPSPS基因，细胞内EPSPS酶数量增加，促进了相关氨基酸的合成，D错误。]
题号
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5．(2024·广东东莞期末)Bt 抗虫蛋白的第5号螺旋可在害虫肠上皮细胞膜上形成孔道结构，位于该螺旋疏水部分的第168位组氨酸是维持孔道结构稳定的关键。该孔道结构越稳定，Bt抗虫蛋白对害虫的毒性越大。研究人员拟对该蛋白进行改造以提高其抗虫效果，下列相关叙述正确的是( )
题号
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题号
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A．蛋白质工程的实质是在氨基酸分子水平进行设计和改造蛋白质的
B．改造 Bt 抗虫蛋白应首先从设计Bt 抗虫基因中的脱氧核苷酸序列出发
C．将第168位组氨酸替换成亲水性更强的氨基酸，可增强Bt抗虫蛋白的抗虫效果
D．蛋白质工程难度很大，主要是因为需要设计改造的蛋白质有复杂的高级结构
√
题号
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D [蛋白质工程的实质是在 DNA 分子水平上进行设计和改造蛋白质的，A错误。Bt 抗虫蛋白是蛋白质，改造 Bt 抗虫蛋白应首先从设计预期的蛋白质结构出发，B错误。由题意可知，位于该螺旋疏水部分的第168位组氨酸是维持孔道结构稳定的关键。该孔道结构越稳定，Bt抗虫蛋白对害虫的毒性越大，因此将第168位组氨酸替换成亲水性更强的氨基酸会降低Bt抗虫蛋白的抗虫效果，C错误。蛋白质工程难度很大，主要是因为需要设计改造的蛋白质有复杂的高级结构，D正确。]
题号
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6．(2024·广东广州二模)科学家将外源抗虫基因(Bt抗虫蛋白基因)转入某茄科植物细胞中，并整合到该植物的线粒体DNA上，获得了具有抗虫性状的转基因植物。下列叙述错误的是( )
A．Bt抗虫蛋白在线粒体中的成功合成与密码子的通用性有关
B．叶肉细胞内有多个线粒体，这有利于增加该转基因植物的抗虫性
C．将该转基因植物与同种非转基因植物进行正、反交，所得子代均有抗虫性
D．该技术能有效避免或减少外源基因通过花粉向其他植物的转移
√
题号
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C [相同的遗传信息在不同的生物体内表达出相同的蛋白质利用了密码子的通用性的原理，A正确；叶肉细胞中有多个线粒体，则线粒体转化获得的抗虫基因数量多，其表达量远高于核转化的水平，有利于增加外源抗虫蛋白的含量，增加抗虫性，B正确；外源抗虫基因转入线粒体，只能通过母本卵细胞遗传给后代，若转基因作物作为父本则不可遗传，C错误；植物受精卵的质基因几乎全部来自卵细胞，将外源基因转入线粒体中，可以防止外源基因通过花粉向其他植物扩散，D正确。]
题号
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7．(2024·湖南师大附中模拟)乳酸菌是乳酸的传统生产菌，但耐酸能力较差，影响产量；酿酒酵母耐酸能力较强，但不产生乳酸。研究者将乳酸菌内催化乳酸生成的乳酸脱氢酶基因(LDH)导入酿酒酵母，获得能产生乳酸的酵母工程菌株。下图为通过双酶切构建重组质粒的过程。GTG为原核生物偏好的起始密码子编码序列，ATG为真核生物偏好的起始密码子编码序列。下列说法正确的是( )
题号
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题号
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A．引物2的3′端序列应包含XbaⅠ的识别序列
B．重组质粒以能合成尿嘧啶的酵母菌株为受体
C．PCR反应时，缓冲液中一般要添加Ca2+来激活相关酶
D．引物1的5′端序列应考虑将GTG改为ATG
题号
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√
D [根据题意可知，含GTG的一端为LDH基因的起始，为保证通过双酶切以正确方向插入质粒，设计引物1的5′端序列需要包含BamHⅠ的识别序列，引物2的5′端序列应包含XbaⅠ的识别序列，A错误；结合题意可知，本过程中重组质粒以不能合成尿嘧啶的酵母菌株为受体，然后在缺乏尿嘧啶的选择培养基上，不能合成尿嘧啶的酿酒酵母菌株不能生存，导入重组质粒的酿酒酵母菌株因为获得了尿嘧啶合成酶基因而可以正常生存，从而起到筛选作用，B错误；真核细胞和细菌的DNA聚合酶都需要Mg2+激活，因此，PCR反应缓冲液中一般要添加Mg2+，C错误；设计引物1的5′端序列，应考虑将编码起始密码子的序列由原核生物偏好的GTG转变为真核生物偏好的ATG，以便目的基因在酵母细胞中更好的表达，D正确。]
题号
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8．(2024·广东深圳期中)多溴联苯醚(简称BDE-47)是一种电子垃圾分解后产生的环境污染物，会对人体神经系统、生殖系统等产生毒害。为提高好氧细菌对其的降解效率，将GB-2细菌内获取的BDE-47降解基因导入WT-G受体菌，构建成基因工程菌1、2、3，如图是对三种菌相关基因的电泳结果。下列有关叙述错误的是( )
题号
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A．为获得GB-2菌应从多溴联苯醚污染区取样
B．可通过PCR技术获取和扩增BDE-47降解基因
C．凝胶中DNA分子迁移的速率仅与DNA分子大小和构象有关
D．由图可知，工程菌2降解BDE-47的能力较强，可用于扩大培养
√
题号
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C [GB-2细菌内具有BDE-47降解基因，若要获得GB-2菌，应该到特定的环境中取样，即从多溴联苯醚污染区取样，A正确；PCR是一项根据DNA半保留复制的原理，在体外提供参与DNA复制的各种组分与反应条件，对目的基因的核苷酸序列进行大量复制的技术，所以可通过PCR技术获取和扩增BDE-47降解基因，B正确；凝胶中DNA分子迁移的速率不仅与DNA分子大小和构象有关，还与凝胶的浓度有关，C错误；由图可知，与阳性对照相比较，工程菌2含有BDE-47降解基因，因此工程菌2降解BDE-47的能力较强，可用于扩大培养，D正确。]
题号
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9．(2024·广东深圳期中)科研团队通过转基因获得了一种大肠杆菌(工程菌)，可作为监测残留在生物组织或环境中的四环素水平的“报警器”，其监测原理如下图所示，天然大肠杆菌不含有图中所示基因。已知GFP蛋白可在一定条件下发出绿色荧光。下列有关说法正确的是( )
题号
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A．培育“报警器”需要导入天然大肠杆菌的目的基因只有GFP基因
B．转基因工程菌中的GFP基因表达产物还需要内质网等细胞器的加工
C．当环境中没有四环素时，TetR基因不表达产物TetR蛋白
D．当环境中存在四环素时，TetR蛋白的抑制作用被解除，GFP蛋白表达
√
题号
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D [题干信息：天然大肠杆菌不具备题图中所示基因，要检测残留在生物组织或环境中的四环素水平的“报警器”，根据题图分析可知，必须导入天然大肠杆菌的目的基因有TetR基因和GFP基因，A错误；转基因工程菌是大肠杆菌，为原核生物，只有核糖体，无内质网等细胞器，B错误；由题图可知，四环素抑制TetR蛋白发挥抑制作用，但并不影响TetR基因的表达，可见当环境中没有四环素时，TetR基因表达产物TetR蛋白，C错误；由题图可知，TetR蛋白可以抑制启动子2发挥作用，而四环素又可以抑制该过程，当环境中存在四环素时，启动子2的抑制作用被解除，GFP蛋白表达，D正确。]
题号
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10．(14分)(2024·广东百校联考)Ⅲ型胶原蛋白是人体皮肤、筋膜、肌腱中主要的胶原蛋白。 Ⅲ型胶原蛋白不仅是许多器官必不可少的结构成分，还可通过与血小板结合而促进血小板聚集，因此在凝血中起重要作用。家蚕丝腺生物反应器是利用家蚕丝腺表达重组蛋白的转基因动物表达系统。家蚕已丧失飞翔逃逸能力，家蚕幼虫丝腺具有强大的蛋白质合成与分泌能力。科学家已成功利用家蚕丝腺生物反应器生产Ⅲ型胶原蛋白，回答以下问题：
题号
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(1)科学家将Ⅲ型胶原蛋白基因与_________________________________________等调控元件重组在一起，通过___________的方法导入家蚕的受精卵。
(2)从转基因产品的安全性角度分析，家蚕作为外源基因的受体，安全性较高，是因为___________________________________________
__________________________________________________________。
题号
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家蚕丝腺细胞中特异性表达的基
因的启动子
显微注射
家蚕已丧失飞翔逃逸能力，作为家养的动物，
对人类无害(3分)
(3)科学家曾用大肠杆菌作为工程菌生产Ⅲ型胶原蛋白，流程如图所示：
题号
1
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11
①选取的皮肤细胞为生命力旺盛的新生细胞，原因是_______________________________________________________________________。
②要将成功转入Ⅲ型胶原蛋白基因的工程菌筛选出来，所用的方法是在培养基中添加___________。
(4)对比工程菌大肠杆菌，利用家蚕丝腺生物反应器生产Ⅲ型胶原蛋白的优势在于___________________________________________________________________，因而使Ⅲ型胶原蛋白具有生物活性。
题号
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新生的皮肤细
胞Ⅲ型胶原蛋白合成旺盛
四环素
家蚕丝腺细胞中有内质网和高尔基体，能对Ⅲ型胶
原蛋白进行加工(3分)
[解析] (1)结合题意可知，科学家将Ⅲ型胶原蛋白基因与家蚕丝腺细胞中特异性表达的基因的启动子等调控元件重组在一起，通过显微注射的方法导入家蚕的受精卵，进而获得转基因家蚕。(2)从转基因产品的安全性角度分析，家蚕作为外源基因的受体，安全性较高，是因为家蚕作为家养的动物，对人类无害，且具有生活周期短、易饲养的特点。(3)①本实验中选取的皮肤细胞为生命力旺盛的新生细胞，一方面是因为Ⅲ型胶原蛋白是人体皮肤、筋膜、肌腱中主要的胶原蛋白，即Ⅲ型胶原蛋白在人体皮肤细胞中表达，另一方面皮肤
题号
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11
细胞更新快。②要将成功转入Ⅲ型胶原蛋白基因的工程菌筛选出来，需要借助标记基因进行筛选，根据图示可知，重组质粒中带有四环素抗性基因，因此，可在培养基中添加四环素进行筛选。(4)对比工程菌大肠杆菌，利用家蚕丝腺生物反应器生产Ⅲ型胶原蛋白的优势在于家蚕丝腺细胞中有内质网和高尔基体，能对Ⅲ型胶原蛋白进行加工，因而使Ⅲ型胶原蛋白具有生物活性。
题号
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11．(14分)(2024·广东东莞期中)图1表示利用基因工程制备某种病毒单克隆抗体的操作流程，过程①的mRNA序列为
5′-AUCUAUGCGCUCAUCAG…(中间省略3n个核苷酸序列)…CGCAGCAAUGAGUAGCG -3′。图2表示遗传信息传递过程中发生碱基配对的部分片段示意图。请回答下列问题：
题号
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11
题号
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11
(1)图1中，过程①所用的mRNA只能从病毒感染者的____细胞中提取。过程②需要的酶是________________________。在重组质粒中，目的基因两侧必须具有________________________的核苷酸序列，以保证目的基因在受体细胞中成功表达。过程①～⑦中遵循碱基互补配对原则的有________________，需要依赖于生物膜的结构特点而完成的是________。
题号
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11
浆
限制酶和DNA连接酶
启动子和终止子
①②④⑥(2分)
⑦
(2)科研人员发现，某次制备获得的单克隆抗体氨基酸数目比mRNA正常编码的氨基酸数少了2个。检测发现，目的基因在复制过程中有一对碱基发生了替换，该对碱基对应于mRNA的上述已知序列中，则目的基因中发生了替换的碱基对是____________(请将转录模板链碱基写在前面，已知起始密码子是AUG，终止密码子是UAA、UAG、UGA)。
题号
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11
G—C(2分)
(3)图1过程⑥中核糖体的运动方向为__________(填“从左往右”或“从右往左”)，图2所示物质彻底水解，可获得________种不同的小分子物质。
(4)筛选出单克隆抗体后，为满足生产上的需要对其进行改良，这种技术属于__________工程，该工程的起点是____________________。
题号
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从左往右
8(2分)
蛋白质
预期的蛋白质功能(2分)
[解析] (1)过程①为逆转录，需要逆转录酶。利用 mRNA 获得目的基因，必须表达产生相应的抗体的细胞，因此只能从病毒感染者的浆细胞中提取对应的 mRNA。过程①为逆转录，过程②为构建基因表达载体，过程③是将目的基因导入受体细胞，过程④为目的基因的转录，过程⑤是 mRNA 通过核孔进入细胞质，过程⑥为翻译，过程⑦是抗体的分泌，过程②需要的酶是限制酶和DNA连接酶。在重组质粒中，目的基因两侧必须具有启动子和终止子的核苷酸序列，以保证目的基因在受体细胞中成功表达。过程①～⑦中遵循碱基互补配对原则的有①②④⑥，其中⑦依赖于膜的流动性。(2)根据题干
题号
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信息，目的基因转录出的mRNA序列为5′-AUCUAUGCGCUCAUCAG…(中间省略3n个核苷酸序列)…CGCAGCAAUGAGUAGCG -3′。AUG为翻译起点，UGA 为翻译终点，因单克隆抗体比原抗体缺少2个氨基酸，说明翻译提前终止。从终止密码子反向前推，第二个密码子 CAG 突变为终止密码子UAG，mRNA中的碱基C变为U，即DNA分子中的碱基对 G—C 被替换为A—T。故目的基因中发生了替换的碱基对是G—C。(3)由图可知，多肽链的长度是左边短，右边长，故核糖体的运动方向是从左往右的。图2中的两条核苷酸链中，一条含有碱基U，另一条含有碱基T，为RNA与DNA链的碱基配对过程，故可能为转录
题号
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或逆转录，将图中物质彻底水解，可得到磷酸、核糖和脱氧核糖、A、G、C、T、U五种碱基，故可获得8种小分子物质。(4)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，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。为满足生产上的需要对筛选出单克隆抗体进行改良，这种技术属于蛋白质工程，蛋白质工程的起点是预期的蛋白质功能。
题号
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(教师用书独具)
1．(2024·安徽合肥模拟)AK、DHDPS是玉米中合成赖氨酸的两种关键酶，赖氨酸达到一定浓度就会与两种酶结合抑制它们的活性，如图所示，因此玉米中赖氨酸含量比较低。将AK中第352位苏氨酸变成异亮氨酸，DHDPS中第104位天冬酰胺变成异亮氨酸，该变化影响了其与赖氨酸的结合，使玉米叶片和种子内游离的赖氨酸分别提高5倍和2倍。下列有关分析错误的是( )
A．玉米中赖氨酸含量比较低与负反馈调节密切相关
B．要替换AK、DHDPS中的氨基酸需要通过改造相应基因来实现
C．改造后的AK和DHDPS 与底物结合能力加强，导致玉米合成赖氨酸的能力增强
D．改造后的AK和DHDPS空间结构改变，与赖氨酸结合的能力降低
√
C [由题意可知，赖氨酸与AK、DHDPS结合，抑制它们的活性从而使反应速率下降，属于负反馈调节，A正确；据题干信息“将AK中第352位苏氨酸变成异亮氨酸，DHDPS中第104位天冬酰胺变成异亮氨酸”可知，上述操作为蛋白质工程，蛋白质工程需要通过改造相应基因来实现，B正确；将AK中第352位苏氨酸变成异亮氨酸，DHDPS中第104位天冬酰胺变成异亮氨酸，会导致改造后的AK和DHDPS的空间结构改变，与赖氨酸结合的能力降低，但改造后的AK和DHDPS的活性基本不变，C错误，D正确。]
2．(2024·广东深圳一模)生物技术的安全性和伦理问题是社会关注的热点。下列相关叙述正确的是( )
A．某些转基因食品中的DNA会与人体细胞的DNA发生基因重组
B．将α-淀粉酶基因与目的基因一起转入植物，可防止转基因花粉的传播
C．生殖性克隆是利用克隆技术产生特定的细胞来修复或替代受损的细胞
D．试管婴儿必需的技术有体外受精、植入前的遗传编辑和胚胎移植等
√
B [一般转基因食品中的DNA不会与人体细胞的DNA发生基因重组，A错误；将α-淀粉酶基因与目的基因转入植物中，由于α-淀粉酶基因可以阻断淀粉储藏而使花粉失活，因此可以防止转基因花粉的传播，B正确；生殖性克隆是通过克隆技术产生独立生存的新个体，C错误；试管婴儿对植入前胚胎一般不需要进行遗传学诊断(或遗传学编辑)，而设计试管婴儿往往为了避免后代患某种遗传病，需要进行遗传学诊断，故试管婴儿必需的技术有体外受精和胚胎移植等，D错误。]
谢 谢 ！第57讲 基因工程的应用、蛋白质工程及生物技术的安全性与伦理问题
1．举例说明基因工程在农牧、食品及医药等行业的广泛应用改善了人类的生活品质。 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。 3．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更符合人类需求的蛋白质。 4．转基因产品的安全性引发社会的广泛关注。 5．世界范围内应全面禁止生物武器。 6．中国禁止生殖性克隆人。
考点1 基因工程的应用
一、基因工程在农牧业方面的应用
1．(人教版选择性必修3 P88正文)野外种植转基因抗A害虫植物的同时，还种植一定量的同种不抗虫植物，可降低抗性害虫在整个害虫种群中所占比例的增加速率。其原因是_____________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
二、基因工程在医药卫生领域的应用
1．
2．(人教版选择性必修3 P90正文)利用转基因技术获得的已整合药用蛋白基因的转基因小鼠分泌的乳汁中检测不到药用蛋白，根据中心法则分析，其可能的原因是___________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
2．器官移植：在器官供体的基因组中导入________________________，以抑制__________________的表达，或设法除去抗原决定基因，再结合__________技术，培育出不会引起__________反应的转基因克隆器官。
三、基因工程在食品工业方面的应用
1．转基因抗病农作物不需要使用农药。 ( )
2．若仅种植转基因抗虫大豆，会使害虫种群抗性基因频率迅速提高，导致作物的抗虫效果逐渐减弱。 ( )
3．用特异启动子诱导表达iaaM(生长素合成基因)可获得无子果实。 ( )
4．为培育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作为受体。 ( )
5．乳腺生物反应器是将药用蛋白基因导入动物的乳腺细胞中。 ( )
甜蛋白是一种高甜度的特殊蛋白质，将甜蛋白基因导入番茄可提高番茄甜味，改善果实品质，获得超甜植株。下图是甜蛋白基因和Ti质粒上限制酶切割位点示意图。
(1)利用转基因技术获得超甜番茄的核心步骤是基因表达载体的构建，该过程需要选择 限制酶切割甜蛋白基因。
(2)为了保证甜蛋白基因能够在番茄细胞中表达，应将Ti质粒上的启动子替换为 。
(3)若得到的超甜番茄体细胞中导入的是2个甜蛋白基因，则让其自交，若子代表型及比例为 ，说明2个甜蛋白基因插入了两对同源染色体上(含有1个和2个甜蛋白基因的番茄甜味相同)。
(4)若在被农杆菌感染成功的玉米细胞中检测到了甜蛋白基因，但没有检测到甜蛋白，分析其原因可能是 。
基因工程的应用
1．(链接人教版选择性必修3 P90正文)采用基因工程技术培育转基因羊作为乳腺生物反应器，使其能合成人凝血因子且只存在于乳汁中。下列有关叙述不正确的是( )
A．该过程中将目的基因导入受体细胞常用的方法是显微注射法
B．将含有人凝血因子基因的表达载体导入羊乳腺细胞中即可获得乳腺生物反应器
C．该转基因羊产生的生殖细胞中可能会含有人凝血因子基因
D．与乳腺生物反应器相比，膀胱生物反应器不受性别等限制，受体来源更广泛
2．(2024·广东卷)驹形杆菌可合成细菌纤维素(BC)并将其分泌到胞外组装成膜。作为一种性能优异的生物材料，BC膜应用广泛。研究者设计了酪氨酸酶(可催化酪氨酸形成黑色素)的光控表达载体，将其转入驹形杆菌后构建出一株能合成BC膜并可实现光控染色的工程菌株，为新型纺织原料的绿色制造及印染工艺升级提供了新思路(图一)。
回答下列问题：
(1)研究者优化了培养基的______________(答两点)等营养条件，并控制环境条件，大规模培养工程菌株后可在气液界面处获得BC菌膜(菌体和 BC膜的复合物)。
(2)研究者利用T7 噬菌体来源的RNA聚合酶(T7RNAP)及蓝光光敏蛋白标签，构建了一种可被蓝光调控的基因表达载体(光控原理见图二a，载体的部分结构见图二b)。构建载体时，选用了通用型启动子 PBAD(被工程菌 RNA 聚合酶识别)和特异型启动子PT7(仅被T7RNAP识别)。为实现蓝光控制染色，启动子①②及③依次为________________，理由是_________________________________
____________________________________________________________________。
(3)光控表达载体携带大观霉素(抗生素)抗性基因。长时间培养时在培养液中加入大观霉素，其作用为_____________________________________________________________________(答两点)。
(4)根据预设的图案用蓝光照射已长出的BC菌膜并继续培养一段时间，随后将其转至染色池处理，发现只有经蓝光照射的区域被染成黑色，其原因是_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________。
(5)有企业希望生产其他颜色图案的BC膜。按照上述菌株的构建模式提出一个简单思路：___________________________________________________________
_____________________________________________________________________
___________________________________________________________________。
考点2 蛋白质工程
一、蛋白质工程的概念
1．基础：蛋白质分子的____________及其与____________的关系。
2．手段：改造或合成__________。
3．结果：对现有蛋白质进行改造或制造出______________。
二、蛋白质工程的基本流程
写出流程图中字母代表的含义：
A．________，B．__________，C．____________，
D．____________，E.____________。
三、蛋白质工程与基因工程的异同
1．区别
项目 蛋白质工程 基因工程
基本思路或过程 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→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质 目的基因的筛选与获取→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
实质 定向改造或生产人类所需的蛋白质 定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型和生物产品
结果 可生产______________________ ____________________________ 只能生产__________ ___________________
2．联系
(1)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。
(2)基因工程中所利用的某些酶需要通过蛋白质工程进行修饰、改造。
(人教版选择性必修3 P94图3-17)对天然蛋白质进行改造，应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？原因是什么？
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________。
四、蛋白质工程的应用
1．医药工业方面：研发药物，如延长干扰素的保存时间；降低小鼠单克隆抗体诱发免疫反应的强度。
2．其他工业方面：改进________的性能或开发新的____________。
3．农业方面：通过改造某些______________________，以提高植物光合作用效率，增加粮食的产量；通过改造微生物________________，设计优良微生物农药，防治病虫害。
1．蛋白质工程实施的前提是获取基因与目标蛋白质的结构数据。 ( )
2．蛋白质工程通过改变氨基酸的空间结构而制造出新的蛋白质。 ( )
3．蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。 ( )
4．蛋白质工程常借助计算机建立蛋白质的三维结构模型。 ( )
研究人员通过解析Bt抗虫蛋白晶体的结构发现，第5号螺旋处的第168位氨基酸是孔道结构稳定性的关键，将该位点氨基酸替换为疏水性更强的精氨酸后，就有可能提高孔道结构的稳定性。根据这一研究结果，请写出后续利用蛋白质工程培育出抗虫能力更强的转基因棉花的基本思路。
。
蛋白质工程的原理、过程及应用
1．(链接人教版选择性必修3 P94图3-17)科学家利用蛋白质工程技术将水蛭素(一种可用于预防和治疗血栓的蛋白质)第47位的天冬酰胺替换为赖氨酸，显著提高了它的抗凝血活性，流程图如下。已知天冬酰胺对应的密码子为AAU、AAC，赖氨酸对应的密码子为AAA、GUA等。下列叙述错误的是( )
A．上图的操作流程是从预期的水蛭素功能出发的
B．在这项替换研究中目前可行的直接操作对象是基因
C．上图中大分子物质a和b的单体序列均是唯一的
D．用蛋白质工程可生产基因工程所不能生产的蛋白质
2．(链接人教版选择性必修3 P95正文)水蛭是我国的传统中药材，主要药理成分水蛭素为水蛭蛋白中重要成分之一，具有良好的抗凝血作用。科研人员拟通过蛋白质工程改造水蛭素结构，提高其抗凝血活性。将提取的水蛭蛋白经甲、乙两种蛋白酶水解后，分析水解产物中的肽含量及其抗凝血活性，结果如图所示。下列叙述错误的是( )
A．水蛭蛋白经两种酶处理后水解产物的抗凝血活性差异主要与其肽含量有关
B．酶甲处理使水蛭素抗凝血活性提高的可能原因是使其有活性的结构域部位暴露
C．要获得水蛭素的基因，可以从水蛭细胞中提取mRNA，经逆转录获得目的基因
D．上述实验目的是了解水蛭素蛋白中影响抗凝血活性的部分以设计蛋白质三维结构
考点3 生物技术的安全性与伦理问题
一、转基因成果
领域 成果
微生物方面 ①减少啤酒酵母双乙酰的生成，缩短啤酒的____________ ②构建高产、优质的基因工程菌来生产氨基酸 ③用基因工程菌生产药物
转基因动物方面 ①培育____________、____________的转基因家禽、家畜 ②培育抵抗相应病毒的动物新品种 ③建立了某些人类疾病的转基因动物模型
转基因植物方面 培育具有抗虫、抗病、抗除草剂和耐储藏等新性状的作物
1．(人教版选择性必修3 P102相关信息)将来自玉米的α-淀粉酶基因与目的基因一起转入植物中，可以防止转基因花粉传播的原因是_______________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
二、对转基因产品安全性的争论
三、理性看待转基因技术
1．理性看待转基因技术的前提
(1)清晰地了解转基因技术的__________和__________规程。
(2)看到人们的观点受到许多复杂的政治、经济和__________等因素的影响。
(3)要靠__________的证据和__________的逻辑进行思考和辩论。
2．我国对转基因技术的态度
(1)研究上要__________，坚持自主创新。
(2)推广上要__________，做到确保安全。
(3)管理上要__________，坚持依法监管。
3．我国相关部门制定了一系列的政策、法规并成立相关机构
(1)维护了消费者对转基因产品的____________和____________。
(2)最大程度地保证了转基因技术和已经上市的转基因产品的____________。
(3)为保障农业转基因生物安全提供重要的技术支撑。
四、关注生殖性克隆人
1．生殖性克隆：指通过__________技术产生独立生存的新个体。
2．治疗性克隆：指利用克隆技术产生特定的细胞、组织和器官，用它们来修复或替代受损的细胞、组织和器官，从而达到治疗疾病的目的。
3．我国____________、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人实验。我国政府同样重视治疗性克隆所涉及的伦理问题，主张对治疗性克隆进行有效监控和严格审查。
4．比较试管婴儿和设计试管婴儿
(1)试管婴儿和设计试管婴儿过程(如图所示)
(2)试管婴儿和设计试管婴儿的异同点
项目 试管婴儿 设计试管婴儿
不同点 技术手段 无须进行遗传学诊断 进行遗传学诊断
应用 主要解决不孕夫妇的生育问题 主要用于白血病、贫血症等遗传疾病的预防及治疗
相同点 二者都是____________、体外进行早期胚胎培养，再经过__________________，从生殖方式上来看都为____________
2．(人教版选择性必修3 P108正文)我国科学家用4种小分子化合物诱导小鼠的成纤维细胞转变成了iPS细胞，这种诱导方法与转入转录因子诱导产生iPS细胞相比，其优点是_____________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
五、禁止生物武器
1．种类：致病菌类、____________、生化毒剂类等。
2．中国政府的态度：在任何情况下____________、____________、不储存生物武器，并反对生物武器及其技术和设备的扩散。
1．转基因技术已被用于减少啤酒酵母双乙酰的生成。 ( )
2．理性看待转基因技术，最重要的是，要靠确凿的证据和严谨的逻辑进行思考和辩论。 ( )
3．可以运用重组DNA技术进行生殖性克隆人研究。 ( )
4．生物武器仅包括病毒类。 ( )
科学家运用基因组编辑技术在人类的早期胚胎中修正了与肥厚型心肌病发生相关的基因MYBPC3的突变，使胚胎携带正常MYBPC3基因的概率提高了20%左右。你认为该不该允许对人类胚胎进行基因组编辑的相关研究？请说明理由。
。
生物技术的安全问题
1．(链接人教版选择性必修3 P103－104正文)依据《中华人民共和国生物安全法》，生物安全是指国家有效防范和应对危险生物因子及相关因素威胁，生物技术能够稳定健康发展，人民生命健康和生态系统相对处于没有危险和不受威胁的状态，生物领域具备维护国家安全和持续发展的能力。下列叙述错误的是( )
A．高致病性微生物必须在高等级生物安全实验室中开展实验活动
B．生物技术可广泛应用在人类自身基因组改造和新物种创造中
C．外来入侵物种可能增加本土食物来源却给自然生态造成破坏
D．动物饲料中的抗生素会通过食物链使人体微生物耐药性增强
生物技术的伦理问题
2．(2023·浙江1月卷)以哺乳动物为研究对象的生物技术已获得了长足的进步。对生物技术应用于人类，在安全与伦理方面有不同的观点，下列叙述正确的是( )
A．试管婴儿技术应全面禁止
B．治疗性克隆不需要监控和审查
C．生殖性克隆不存在伦理道德方面的风险
D．我国不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人实验
1．(2024·天津卷)胰岛素的研发走过了：动物提取→化学合成→重组胰岛素→生产胰岛素类似物等历程。有关叙述错误的是( )
A．动物体内胰岛素由胰岛B细胞合成并胞吐出细胞
B．氨基酸是化学合成胰岛素的原料
C．用大肠杆菌和乳腺生物反应器生产胰岛素需相同的启动子
D．利用蛋白质工程可生产速效胰岛素等胰岛素类似物
2．(2024·江西卷)γ-氨基丁酸在医药等领域有重要的应用价值。利用L-谷氨酸脱羧酶(GadB)催化L-谷氨酸脱羧是高效生产γ-氨基丁酸的重要途径之一。研究人员采用如图方法将酿酒酵母S的L-谷氨酸脱羧酶基因(gadB)导入生产菌株E.coliA。构建了以L-谷氨酸钠为底物高效生产γ-氨基丁酸的菌株E.coliB。下列叙述正确的是( )
A．上图表明，可以从酿酒酵母S中分离得到目的基因gadB
B．E.coliB发酵生产γ-氨基丁酸时，L-谷氨酸钠的作用是供能
C．E.coliA和E.coliB都能高效降解γ-氨基丁酸
D．可以用其他酶替代NcoⅠ和KpnⅠ构建重组质粒
3．(2024·河北卷)新城疫病毒可引起家禽急性败血性传染病，我国科学家将该病毒相关基因改造为r2HN，使其在水稻胚乳特异表达，制备获得r2HN疫苗，并对其免疫效果进行了检测。
回答下列问题：
(1)实验所用载体的部分结构及其限制酶识别位点如图1所示。其中GtP为启动子，若使r2HN仅在水稻胚乳表达，GtP应为________________启动子。Nos为终止子，其作用为________。r2HN基因内部不含载体的限制酶识别位点。因此，可选择限制酶________和________对r2HN基因与载体进行酶切，用于表达载体的构建。
(2)利用______________方法将r2HN基因导入水稻愈伤组织。为检测r2HN表达情况，可通过PCR技术检测______________________________，通过________________技术检测是否翻译出r2HN蛋白。
(3)获得转基因植株后，通常选择单一位点插入目的基因的植株进行研究。此类植株自交一代后，r2HN纯合体植株的占比为________。选择纯合体进行后续研究的原因是__________________________________________________________。
(4)制备r2HN疫苗后，为研究其免疫效果，对实验组鸡进行接种，对照组注射疫苗溶剂。检测两组鸡体内抗新城疫病毒抗体水平和特异应答的CD8＋T细胞(细胞毒性T细胞)水平，结果如图2所示。据此分析，获得的r2HN疫苗能够成功激活鸡的________免疫和________免疫。
(5)利用水稻作为生物反应器生产r2HN疫苗的优点是_______________________
____________________________________________________________________。(答出两点即可)
[夯实必备知识]自主诊断
考点1
一、降解或抵抗 蛋白质编码基因 花青素代谢相关 外源生长激素 乳汁
二、1．基因改造 特异表达的基因的启动子 显微注射 受精卵 2．调控基因表达的DNA序列 抗原决定基因 克隆 免疫排斥
三、基因工程菌 牛凝乳酶的基因 基因工程菌
考点2
一、1．结构规律 生物功能 2．基因 3．新的蛋白质
二、转录 翻译 推测 多肽链 预期功能
三、1．自然界没有的蛋白质 自然界已存在的蛋白质
四、2．酶 工业用酶 3．参与调控光合作用的酶 蛋白质的结构
考点3
一、发酵周期 生长迅速 营养品质优良
二、伦理道德观念
三、1．(1)原理 操作 (2)文化 (3)确凿 严谨 2．(1)大胆 (2)慎重 (3)严格 3．(1)知情权 选择权 (2)安全性
四、1．克隆 3．不赞成 4．(2)体外受精 胚胎移植 有性生殖
五、1．病毒类 2．不发展 不生产
第57讲 基因工程的应用、蛋白质工程及生物
技术的安全性与伦理问题
考点1
教材隐性知识
1．提示：种植一定量的同种不抗虫植物，对抗性害虫的选择作用减弱
2．提示：药用蛋白基因没有转录或翻译
澄清概念
1．×提示：转基因抗病农作物减少了农药的使用。
2．√ 3．√
4．×提示：受体细胞也可以是植物的体细胞。
5．×提示：应将药用蛋白基因导入动物的受精卵中。
达成学科素养
提示：(1)XbaⅠ和HindⅢ
(2)番茄细胞中能表达的基因的启动子
(3)超甜番茄∶普通番茄＝15∶1
(4)该基因没有转录或转录后没有翻译成功
评价迁移应用
1．B [基因工程中，目的基因导入动物细胞通常用显微注射法，A正确；转基因动物的受体细胞是受精卵，B错误；用基因工程技术将人凝血因子基因导入山羊受精卵，所形成的转基因羊中，人凝血因子基因存在于所有的体细胞中，在减数分裂形成生殖细胞时，同源染色体分离，故该转基因羊产生的生殖细胞中可能会含有人凝血因子基因，C正确；与乳腺生物反应器(只能选雌性)相比，膀胱生物反应器不受性别等限制，受体来源更广泛，D正确。]
2．(1)碳源、氮源 (2)PT7、PBAD、PBAD 基因2和3正常表达无活性产物，被蓝光激活后再启动基因1表达 (3)抑制杂菌、去除丢失质粒的菌株 (4)该处细胞中T7RNAP激活，酪氨酸酶表达并合成黑色素 (5)将酪氨酸酶替换成催化其他色素合成的酶
考点2
教材隐性知识
提示：通过对基因的操作来实现。基因能控制蛋白质的合成，基因能遗传给下一代
澄清概念
1．√
2．×提示：蛋白质工程通过改变基因的碱基排列顺序从而改变氨基酸的种类、数量、排列顺序以及蛋白质的空间结构而制造出新的蛋白质。
3．√ 4．√
达成学科素养
提示：把Bt抗虫蛋白第5号螺旋处的第168位氨基酸替换成精氨酸，找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因) 或合成新的基因，再把该基因与载体构建成基因表达载体，导入受体细胞获得所需要的蛋白质
评价迁移应用
1．C [据题图分析，通过分析预期的水蛭素功能推导出蛋白质的结构，进而明确氨基酸序列，最终确定基因中碱基对的排列顺序，A正确；蛋白质的改造工程直接改变的是控制蛋白质合成的基因，B正确；由于密码子的简并，图中大分子物质a和b的单体序列不是唯一的，C错误；蛋白质工程通过改造基因从而获得原本没有的蛋白质，因此用蛋白质工程可生产基因工程所不能生产的蛋白质，D正确。]
2．A [两种酶水解水蛭蛋白后，肽含量的两条曲线比较接近，说明抗凝血的活性与其肽含量关联不大，A错误；酶甲处理后的酶解产物的抗凝血活性先上升后相对稳定，由此推测酶甲处理使水蛭素抗凝血活性提高的可能原因是使其有活性的结构域部位暴露，B正确；为了获得水蛭素基因，可以从细胞中提取水蛭素基因转录的mRNA，经逆转录获取目的基因，C正确；对水蛭素进行分子改造使用的技术是蛋白质工程，上述实验目的是了解水蛭素蛋白中影响抗凝血活性的部分以设计蛋白质三维结构，D正确。]
考点3
教材隐性知识
1．提示：由于α 淀粉酶基因可以阻断淀粉储藏使花粉失去活性，因而可以防止转基因花粉的传播
2．提示：避免了用特定的转录因子诱导iPS细胞可能带来的致癌风险
澄清概念
1．√ 2．√
3．×提示：我国不允许任何人进行生殖性克隆人研究。
4．×提示：生物武器包括致病菌类、病毒类和生化毒剂类等。
达成学科素养
提示：不允许。因为目前该技术存在一系列安全风险和伦理问题。如可能会出现“设计婴儿”“基因脱靶”问题，导入基因与细胞内原有基因相互作用的问题，病毒基因植入问题，因此应禁止对人类胚胎进行基因组编辑的相关研究
评价迁移应用
1．B [高致病性微生物必须在高等级生物安全实验室中开展实验活动，防止造成致病性微生物外泄，造成污染，危害生物健康，A正确；生物技术可应用在新物种创造中，但对人类自身基因组改造到目前还存在相应的问题，难以实现，B错误；外来入侵物种可能增加本土食物来源，但如果缺乏天敌会造成自然生态破坏，C正确；长期使用抗生素，必然产生残留，而残留在动物饲料中的抗生素，会随着食物链进入人体使微生物的耐药性增强，D正确。]
2．D [试管婴儿技术是为了解决不孕夫妇的生育问题，不应该被全面禁止，A错误，我国政府一再重申四不原则：不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人实验，但治疗性克隆可在有效监控和严格审查下实施，B错误，D正确；生殖性克隆人冲击了现有的一些有关婚姻、家庭和两性关系的伦理道德观念，C错误。]
体验真题
1．C [胰岛素在动物体内由胰岛B细胞合成后，经过胞吐作用释放出细胞，A正确；胰岛素属于蛋白质，所以化学合成胰岛素的原料是氨基酸，B正确；用大肠杆菌和乳腺生物反应器生产胰岛素不需要使用相同的启动子，因为两者属于不同的表达系统，大肠杆菌是原核生物表达系统，而乳腺生物反应器属于真核生物表达系统，C错误；利用蛋白质工程技术可以对胰岛素进行改造，生成具有不同作用特性的胰岛素类似物，包括速效胰岛素，D正确。]
2．D [根据题中流程图可知，研究人员利用PCR技术获取目的基因，该过程称为目的基因的“扩增”或“克隆”，是一个化学过程；而“分离”是一个物理过程，A错误。题干中说明了L 谷氨酸脱羧酶催化L 谷氨酸脱羧是高效生产γ 氨基丁酸的重要途径之一，即L 谷氨酸是高效生产γ 氨基丁酸的底物。E．coli B发酵生产γ 氨基丁酸时，L 谷氨酸钠的主要作用是作为发酵中酶促反应的底物，B错误。E．coli A是发酵生产γ 氨基丁酸的菌株，E．coli B是往E．coli A细胞中导入L 谷氨酸脱羧酶基因后构建的高效生产γ 氨基丁酸的菌株。E．coli A和E．coli B都不会高效降解γ 氨基丁酸，否则无法实现生产，C错误。根据图中信息，质粒上含有多克隆位点，其不仅可以被Nco Ⅰ和Kpn Ⅰ酶切，还可以被其他限制性内切酶酶切。只要在质粒的多克隆位点和目的基因两侧存在除Nco Ⅰ和Kpn Ⅰ外其他相同的限制性内切酶的酶切位点，就可以用相应酶替代Nco Ⅰ和Kpn Ⅰ构建重组质粒，D正确。]
3．(1)胚乳特异表达基因 终止转录 HindⅢ EcoRⅠ (2)农杆菌转化 r2HN基因是否转录出mRNA 抗原—抗体杂交 (3)1/4 纯合体自交后代不发生性状分离 (4)体液 细胞 (5)生产成本低、转基因水稻易获得(或安全性高或种子蛋白易纯化或水稻自花传粉不易发生基因污染)
16 / 16课时数智作业(五十七) 基因工程的应用、蛋白质工程及生物技术的安全性与伦理问题
1．(2024·湖北武汉一模)人乳铁蛋白(hLF)是乳汁中一种重要的非血红素铁结合糖蛋白，具有抑菌、抗肿瘤等多种生理功能，被认为是一种极具开发潜力的食品添加剂。某科研团队将人乳铁蛋白(hLF)基因转入山羊体内，从山羊的乳液中获得hLF，可以解决天然人乳铁蛋白资源短缺的问题，下列有关叙述错误的是( )
A．可用PCR直接扩增乳铁蛋白的基因转录产物
B．重组载体中人乳铁蛋白基因的启动子是乳腺蛋白基因启动子
C．将目的基因导入山羊受精卵中一般应用的技术是显微注射法
D．检测人乳铁蛋白基因是否成功翻译常采用抗原—抗体杂交技术
2．(2024·北京石景山一模)蛛丝蛋白是一种特殊纤维蛋白，具有强度高、韧性大等特点，在人工肌腱等医学领域有着诱人的前景。某研究小组提取一种丝绒蜘蛛中的蛛丝蛋白基因，将其导入大肠杆菌生产蛛丝蛋白。下列叙述正确的是( )
A．构建蛛丝蛋白基因表达载体需要限制酶和DNA聚合酶
B．可通过显微注射的方法将蛛丝蛋白基因导入大肠杆菌
C．基因表达载体上的复制原点可调控蛛丝蛋白基因的表达
D．可通过蛋白质工程设计与改造蛛丝蛋白的结构以增强其韧性
3．(2024·广东佛山期中)水中雌激素类物质(E物质)污染会导致鱼类雌性化等异常，并通过食物链影响人体健康和生态安全。斑马鱼的肌细胞、生殖细胞等均存在E物质受体，且幼体透明。科学家将绿色荧光蛋白(GFP)等基因转入斑马鱼，建立了一种快速的水体E物质监测方法。下列分析错误的是( )
A．E物质可以影响RNA聚合酶与启动子结合，驱动GFP基因的转录
B．GFP基因表达时需要消耗氨基酸、脱氧核苷酸和酶以及能量
C．在被E物质污染的水体中转基因斑马鱼的幼体会显绿色
D．转基因斑马鱼逃逸可能引起生物安全问题
4．(2024·江西部分重点中学联考)草甘膦是一种广谱、非选择性的系统性除草剂，通过抑制植物中EPSPS酶的活性，使植物细胞内某些氨基酸不能合成，从而达到除草的目的。为提高小麦对草甘膦的耐受性，科学家将细菌的EPSPS基因转入小麦叶绿体中，得到抗草甘膦转基因小麦。下列相关叙述错误的是( )
A．将EPSPS基因导入小麦的叶绿体可避免基因污染
B．EPSPS基因在细菌和小麦中转录形成的mRNA相同
C．可通过喷洒草甘膦来检验转基因小麦是否培育成功
D．转基因小麦中EPSPS酶参与合成的氨基酸数量下降
5．(2024·广东东莞期末)Bt 抗虫蛋白的第5号螺旋可在害虫肠上皮细胞膜上形成孔道结构，位于该螺旋疏水部分的第168位组氨酸是维持孔道结构稳定的关键。该孔道结构越稳定，Bt抗虫蛋白对害虫的毒性越大。研究人员拟对该蛋白进行改造以提高其抗虫效果，下列相关叙述正确的是( )
A．蛋白质工程的实质是在氨基酸分子水平进行设计和改造蛋白质的
B．改造 Bt 抗虫蛋白应首先从设计Bt 抗虫基因中的脱氧核苷酸序列出发
C．将第168位组氨酸替换成亲水性更强的氨基酸，可增强Bt抗虫蛋白的抗虫效果
D．蛋白质工程难度很大，主要是因为需要设计改造的蛋白质有复杂的高级结构
6．(2024·广东广州二模)科学家将外源抗虫基因(Bt抗虫蛋白基因)转入某茄科植物细胞中，并整合到该植物的线粒体DNA上，获得了具有抗虫性状的转基因植物。下列叙述错误的是( )
A．Bt抗虫蛋白在线粒体中的成功合成与密码子的通用性有关
B．叶肉细胞内有多个线粒体，这有利于增加该转基因植物的抗虫性
C．将该转基因植物与同种非转基因植物进行正、反交，所得子代均有抗虫性
D．该技术能有效避免或减少外源基因通过花粉向其他植物的转移
7．(2024·湖南师大附中模拟)乳酸菌是乳酸的传统生产菌，但耐酸能力较差，影响产量；酿酒酵母耐酸能力较强，但不产生乳酸。研究者将乳酸菌内催化乳酸生成的乳酸脱氢酶基因(LDH)导入酿酒酵母，获得能产生乳酸的酵母工程菌株。下图为通过双酶切构建重组质粒的过程。GTG为原核生物偏好的起始密码子编码序列，ATG为真核生物偏好的起始密码子编码序列。下列说法正确的是( )
A．引物2的3′端序列应包含XbaⅠ的识别序列
B．重组质粒以能合成尿嘧啶的酵母菌株为受体
C．PCR反应时，缓冲液中一般要添加Ca2+来激活相关酶
D．引物1的5′端序列应考虑将GTG改为ATG
8．(2024·广东深圳期中)多溴联苯醚(简称BDE-47)是一种电子垃圾分解后产生的环境污染物，会对人体神经系统、生殖系统等产生毒害。为提高好氧细菌对其的降解效率，将GB-2细菌内获取的BDE-47降解基因导入WT-G受体菌，构建成基因工程菌1、2、3，如图是对三种菌相关基因的电泳结果。下列有关叙述错误的是( )
A．为获得GB-2菌应从多溴联苯醚污染区取样
B．可通过PCR技术获取和扩增BDE-47降解基因
C．凝胶中DNA分子迁移的速率仅与DNA分子大小和构象有关
D．由图可知，工程菌2降解BDE-47的能力较强，可用于扩大培养
9．(2024·广东深圳期中)科研团队通过转基因获得了一种大肠杆菌(工程菌)，可作为监测残留在生物组织或环境中的四环素水平的“报警器”，其监测原理如下图所示，天然大肠杆菌不含有图中所示基因。已知GFP蛋白可在一定条件下发出绿色荧光。下列有关说法正确的是( )
A．培育“报警器”需要导入天然大肠杆菌的目的基因只有GFP基因
B．转基因工程菌中的GFP基因表达产物还需要内质网等细胞器的加工
C．当环境中没有四环素时，TetR基因不表达产物TetR蛋白
D．当环境中存在四环素时，TetR蛋白的抑制作用被解除，GFP蛋白表达
10．(14分)(2024·广东百校联考)Ⅲ型胶原蛋白是人体皮肤、筋膜、肌腱中主要的胶原蛋白。 Ⅲ型胶原蛋白不仅是许多器官必不可少的结构成分，还可通过与血小板结合而促进血小板聚集，因此在凝血中起重要作用。家蚕丝腺生物反应器是利用家蚕丝腺表达重组蛋白的转基因动物表达系统。家蚕已丧失飞翔逃逸能力，家蚕幼虫丝腺具有强大的蛋白质合成与分泌能力。科学家已成功利用家蚕丝腺生物反应器生产Ⅲ型胶原蛋白，回答以下问题：
(1)科学家将Ⅲ型胶原蛋白基因与________________________________________等调控元件重组在一起，通过___________的方法导入家蚕的受精卵。
(2)从转基因产品的安全性角度分析，家蚕作为外源基因的受体，安全性较高，是因为_________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
(3)科学家曾用大肠杆菌作为工程菌生产Ⅲ型胶原蛋白，流程如图所示：
①选取的皮肤细胞为生命力旺盛的新生细胞，原因是________________________________________________________________________。
②要将成功转入Ⅲ型胶原蛋白基因的工程菌筛选出来，所用的方法是在培养基中添加___________。
(4)对比工程菌大肠杆菌，利用家蚕丝腺生物反应器生产Ⅲ型胶原蛋白的优势在于___________________________________________________________________
____________________________________________________________________，
因而使Ⅲ型胶原蛋白具有生物活性。
11．(14分)(2024·广东东莞期中)图1表示利用基因工程制备某种病毒单克隆抗体的操作流程，过程①的mRNA序列为5′-AUCUAUGCGCUCAUCAG…(中间省略3n个核苷酸序列)…CGCAGCAAUGAGUAGCG -3′。图2表示遗传信息传递过程中发生碱基配对的部分片段示意图。请回答下列问题：
(1)图1中，过程①所用的mRNA只能从病毒感染者的________细胞中提取。过程②需要的酶是________________________。在重组质粒中，目的基因两侧必须具有________________________的核苷酸序列，以保证目的基因在受体细胞中成功表达。过程①～⑦中遵循碱基互补配对原则的有________________，需要依赖于生物膜的结构特点而完成的是________。
(2)科研人员发现，某次制备获得的单克隆抗体氨基酸数目比mRNA正常编码的氨基酸数少了2个。检测发现，目的基因在复制过程中有一对碱基发生了替换，该对碱基对应于mRNA的上述已知序列中，则目的基因中发生了替换的碱基对是_____________________(请将转录模板链碱基写在前面，已知起始密码子是AUG，终止密码子是UAA、UAG、UGA)。
(3)图1过程⑥中核糖体的运动方向为__________(填“从左往右”或“从右往左”)，图2所示物质彻底水解，可获得________种不同的小分子物质。
(4)筛选出单克隆抗体后，为满足生产上的需要对其进行改良，这种技术属于__________工程，该工程的起点是____________________。
课时数智作业(五十七)
1．A [不可以直接用PCR扩增mRNA，需将mRNA逆转录成cDNA再进行扩增，A错误；为保证在山羊的乳液中提取到人乳铁蛋白，需要将人乳铁蛋白基因与山羊乳腺蛋白基因的启动子等调控元件重组在一起，B正确；一般用显微注射法将目的基因导入山羊受精卵中，C正确；为检测人乳铁蛋白基因是否成功翻译成蛋白质，检测方法是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，若出现相应现象，则表明目的基因成功翻译形成蛋白质，D正确。]
2．D [构建蛛丝蛋白基因表达载体需要限制酶和DNA连接酶，A错误；将蛛丝蛋白基因导入大肠杆菌，一般先用Ca2+处理大肠杆菌，使细胞处于能吸收周围环境中DNA分子的状态，然后再将重组的基因表达载体导入其中，B错误；基因表达载体上的启动子可调控蛛丝蛋白基因的表达，C错误；若需对蛛丝蛋白进行设计和改造以增强其韧性，可通过蛋白质工程来实现，D正确。]
3．B [启动子是RNA聚合酶识别与结合的位点，可用于驱动基因的转录，E物质可以影响RNA聚合酶与启动子结合，驱动GFP基因的转录，A正确；基因的表达包括转录和翻译过程，其中转录的产物是RNA，翻译的产物是蛋白质，故GFP基因表达时需要消耗氨基酸、核糖核苷酸以及能量，B错误；在被E物质污染的水体中，绿色荧光蛋白(GFP)表达后会使透明的斑马鱼幼体显出绿色，C正确；转基因斑马鱼逃逸可能带来生物安全问题，D正确。]
4．D [将目的基因整合到受体细胞的叶绿体基因组中能防止基因污染，因为叶绿体基因组不会进入花粉，A正确；由于EPSPS基因相同，其在细菌和小麦中转录形成的mRNA相同，这也是基因工程得以实现的基础之一，B正确；转基因小麦如果培育成功，则会产生EPSPS酶，能抵抗草甘膦，因此可以通过喷洒草甘膦来检验转基因小麦是否培育成功，C正确；转基因小麦中导入了EPSPS基因，细胞内EPSPS酶数量增加，促进了相关氨基酸的合成，D错误。]
5．D [蛋白质工程的实质是在 DNA 分子水平上进行设计和改造蛋白质的，A错误。Bt 抗虫蛋白是蛋白质，改造 Bt 抗虫蛋白应首先从设计预期的蛋白质结构出发，B错误。由题意可知，位于该螺旋疏水部分的第168位组氨酸是维持孔道结构稳定的关键。该孔道结构越稳定，Bt抗虫蛋白对害虫的毒性越大，因此将第168位组氨酸替换成亲水性更强的氨基酸会降低Bt抗虫蛋白的抗虫效果，C错误。蛋白质工程难度很大，主要是因为需要设计改造的蛋白质有复杂的高级结构，D正确。]
6．C [相同的遗传信息在不同的生物体内表达出相同的蛋白质利用了密码子的通用性的原理，A正确；叶肉细胞中有多个线粒体，则线粒体转化获得的抗虫基因数量多，其表达量远高于核转化的水平，有利于增加外源抗虫蛋白的含量，增加抗虫性，B正确；外源抗虫基因转入线粒体，只能通过母本卵细胞遗传给后代，若转基因作物作为父本则不可遗传，C错误；植物受精卵的质基因几乎全部来自卵细胞，将外源基因转入线粒体中，可以防止外源基因通过花粉向其他植物扩散，D正确。]
7．D [根据题意可知，含GTG的一端为LDH基因的起始，为保证通过双酶切以正确方向插入质粒，设计引物1的5′端序列需要包含BamHⅠ的识别序列，引物2的5′端序列应包含XbaⅠ的识别序列，A错误；结合题意可知，本过程中重组质粒以不能合成尿嘧啶的酵母菌株为受体，然后在缺乏尿嘧啶的选择培养基上，不能合成尿嘧啶的酿酒酵母菌株不能生存，导入重组质粒的酿酒酵母菌株因为获得了尿嘧啶合成酶基因而可以正常生存，从而起到筛选作用，B错误；真核细胞和细菌的DNA聚合酶都需要Mg2+激活，因此，PCR反应缓冲液中一般要添加Mg2+，C错误；设计引物1的5′端序列，应考虑将编码起始密码子的序列由原核生物偏好的GTG转变为真核生物偏好的ATG，以便目的基因在酵母细胞中更好的表达，D正确。]
8．C [GB 2细菌内具有BDE 47降解基因，若要获得GB 2菌，应该到特定的环境中取样，即从多溴联苯醚污染区取样，A正确；PCR是一项根据DNA半保留复制的原理，在体外提供参与DNA复制的各种组分与反应条件，对目的基因的核苷酸序列进行大量复制的技术，所以可通过PCR技术获取和扩增BDE 47降解基因，B正确；凝胶中DNA分子迁移的速率不仅与DNA分子大小和构象有关，还与凝胶的浓度有关，C错误；由图可知，与阳性对照相比较，工程菌2含有BDE 47降解基因，因此工程菌2降解BDE 47的能力较强，可用于扩大培养，D正确。]
9．D [题干信息：天然大肠杆菌不具备题图中所示基因，要检测残留在生物组织或环境中的四环素水平的“报警器”，根据题图分析可知，必须导入天然大肠杆菌的目的基因有TetR基因和GFP基因，A错误；转基因工程菌是大肠杆菌，为原核生物，只有核糖体，无内质网等细胞器，B错误；由题图可知，四环素抑制TetR蛋白发挥抑制作用，但并不影响TetR基因的表达，可见当环境中没有四环素时，TetR基因表达产物TetR蛋白，C错误；由题图可知，TetR蛋白可以抑制启动子2发挥作用，而四环素又可以抑制该过程，当环境中存在四环素时，启动子2的抑制作用被解除，GFP蛋白表达，D正确。]
10．(除标注外，每空2分，共14分)(1)家蚕丝腺细胞中特异性表达的基因的启动子 显微注射 (2)家蚕已丧失飞翔逃逸能力，作为家养的动物，对人类无害(3分) (3)①新生的皮肤细胞Ⅲ型胶原蛋白合成旺盛 ②四环素 (4)家蚕丝腺细胞中有内质网和高尔基体，能对Ⅲ型胶原蛋白进行加工(3分)
11．(除标注外，每空1分，共14分)(1)浆 限制酶和DNA连接酶 启动子和终止子 ①②④⑥(2分) ⑦ (2)G—C(2分) (3)从左往右 8(2分) (4)蛋白质 预期的蛋白质功能(2分)
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