第60讲 基因工程的应用和生物技术的安全性与伦理问题
(时间:30分钟 满分:36分)
基础强化练
选择题:1~6题,每题2分。
1.(基因工程的应用|2024·梅州模拟)下列生物技术操作不会达成预期目标的是( )
[A] 将肠乳糖酶基因导入奶牛乳腺细胞,培育产低乳糖牛乳的奶牛
[B] 将胰岛素基因表达质粒转入酵母菌,筛选获得产胰岛素工程菌
[C] 将体外改造后能识别特定癌细胞的T细胞回输患者,进行癌症治疗
[D] 将花青素代谢相关基因导入植物体细胞,获得具有特定花色的植株
2.(试管婴儿与设计试管婴儿|2024·郑州期中)“试管婴儿”诞生后,继而出现了“设计试管婴儿技术”,下列与二者有关的说法正确的是( )
[A] “设计试管婴儿”和“试管婴儿”都要进行胚胎选择,但二者选择的目的不同
[B] “设计试管婴儿”的技术属于无性繁殖
[C] 二者在移植前均利用了体外受精技术、胚胎移植技术和遗传学诊断技术
[D] “设计试管婴儿”必须得到政府的审批,而“试管婴儿”则不需要
3.(转基因生物的安全性|2024·张掖一模)科学家们利用转基因技术培育出大批具有抗虫、抗病、抗除草剂和耐储藏等新性状的作物,下列有关说法错误的是( )
[A] 若转基因植物的外源基因来源于自然界,则不存在安全性问题
[B] 随着除草剂的大量应用,农田杂草对除草剂抗性逐渐增强
[C] 在抗除草剂转基因作物农田中使用除草剂仍会影响农产品的食用安全性
[D] 将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物,可提高植物的营养价值
4.(基因工程的应用|2024·北京一模)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直接导入大肠杆菌
[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
5.(蛋白质工程|2024·成都模拟)利用AI(人工智能)破解蛋白质结构和功能之谜,建立蛋白质数据库,并在此基础上进行蛋白质结构设计和优化,会给未来蛋白质工程的发展带来翻天覆地的变化。关于该技术的实施下列说法错误的是( )
[A] 用AI预测新型蛋白质的基因结构应依据中心法则原理
[B] 可以通过改造或合成基因来获得AI设计的蛋白质
[C] 根据设计的某种蛋白质的氨基酸序列推理的基因序列中包含启动子和终止子
[D] 用蛋白质的氨基酸序列推测的RNA编码序列有多种可能
6.(蛋白质工程综合|2024·北京一模)人白细胞介素2(IL2)是一种细胞因子,含有3个半胱氨酸,分别位于第58、105、125位,其中58位与105位半胱氨酸之间形成的二硫键对保持IL2活性起重要作用。用大肠杆菌生产IL2,为保证产物活性,将IL2基因中编码125位半胱氨酸的序列突变为丝氨酸序列。下列叙述错误的是( )
[A] 突变的IL2基因的序列发生了碱基的增添
[B] 天然的和基因工程生产的IL2均在核糖体上合成
[C] 突变的IL2基因的表达降低了二硫键错配的可能
[D] 大肠杆菌中IL2基因的复制和表达遵循中心法则
能力提升练
选择题:7~9题,每题4分。
7.(生物技术的安全性|2024·成都模拟)生物技术是把双刃剑,造福人类的同时也带来了安全性和伦理问题,人们必须高度重视。下列叙述错误的是( )
[A] 利用核移植技术获得胚胎,从中分离出ES细胞治疗白血病涉及伦理问题
[B] 若有国家把研制出的新型鼠痘病毒作为生物武器,将会威胁人类安全
[C] 研究转基因农作物时应采取多种方法防止转基因花粉的传播
[D] 干细胞的研究具有广阔的应用前景,应大力支持和发展,不需要监管
8.(基因工程综合|2024·重庆模拟)常见的启动子可分为三类:组成型启动子,驱动基因在所有细胞、组织和器官中持续表达;组织特异型启动子,调控基因只在某些特定的部位中表达;诱导型启动子,通常在光、盐等信号作用下,使目的基因的转录水平有所提高。下列相关叙述错误的是( )
[A] 细胞分化与组织特异型启动子的调控和组成型启动子均有关
[B] 膀胱生物反应器的构建需要将目的基因连接在诱导型启动子的下游
[C] 乳腺生物反应器的构建需要将目的基因连接在组织特异型启动子的下游
[D] 培养耐盐植物时,可将盐诱导型启动子与目的基因相连
9.(基因工程与蛋白质工程综合|2024·惠州模拟)嵌合抗原受体T细胞(CART)是癌症治疗的研究热点。其原理是将CAR基因导入T细胞获得CART细胞,进而表达出特异性更强的癌细胞抗原受体蛋白(CAR)。相比自然状态下的细胞毒性T细胞,CART细胞对肿瘤细胞的杀伤性、靶向性更强,治疗流程如图。下列叙述正确的是( )
[A] 步骤②属于生物工程中的细胞工程
[B] CART细胞的CAR能特异性识别并杀伤癌细胞
[C] 步骤④可选用动物病毒或噬菌体作为载体
[D] 步骤⑤需定期更换培养液以补充营养物质并清除代谢废物
10.(12分)(基因工程与蛋白质工程综合|2024·重庆三模)目前用于治疗人类疾病的单克隆抗体大多数是鼠源单抗,人体对鼠源单抗有一定的排斥反应。科研人员根据抗体的结构特点对鼠源单抗进行改造,思路如图甲。获得相关基因后,利用PCR技术进行融合得到目的基因,将其与乳腺细胞表达载体PBCⅠ构建形成重组DNA分子。目的基因、表达载体PBCⅠ的结构如图乙所示。请回答下列问题。
注:P1为山羊乳腺中特异表达的基因启动子,P2为四环素诱导启动子(必须在四环素存在时才能起作用);限制酶MboⅠ、XbaⅠ、ScaⅠ的识别序列均不相同。
(1)图甲所示的改造思路属于 工程的范畴,鼠源单抗的 (填“可变区”或“恒定区”)易被免疫细胞识别引发排斥反应。
(2)构建重组DNA分子时,应选择限制酶 切割目的基因与PBCⅠ载体,以便后续通过 (填“红色”“蓝色”或“紫色”)荧光检测筛选。
(3)通常将重组DNA分子导入小鼠的 (填细胞名称),在培养液中加入 以筛选目标细胞,再经过 工程获得大量转基因小鼠。
(4)通过抗原—抗体杂交技术检测转基因小鼠乳汁中的改造抗体水平,发现其含量较低,原因可能是 、抗体的组装及分泌过程受阻等。
第60讲 基因工程的应用和生物技术的安全性与伦理问题
1.A 培育转基因动物时,应将相应的基因表达载体导入受精卵中;将花青素代谢基因导入植物体细胞,再经植物组织培养可获得具有特定花色的植株。
2.A “试管婴儿”选择的是发育良好的胚胎,而“设计试管婴儿”要进行遗传学诊断,以获得性状符合人们要求的胚胎;“设计试管婴儿”利用了体外受精、胚胎移植、植入前胚胎遗传学诊断等技术,“试管婴儿”不需要进行遗传学诊断,二者都是有性生殖;“设计试管婴儿”技术必须获得政府部门的相关批准证书,以防该技术的滥用,“试管婴儿”技术也需要得到政府的审批。
3.A 即使转基因植物的外源基因来源于自然界,也可能存在安全性问题;除草剂可对农田杂草进行定向选择,随着除草剂的大量应用,抗除草剂的杂草逐渐增多,抗性也逐渐增强;转基因作物上会残留农药,引起食品安全问题;必需氨基酸是人体细胞中不能合成的、只能从外界获取的氨基酸,因此,将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物,可提高植物的营养价值。
4.D 构建蛛丝蛋白基因表达载体需要限制酶和DNA连接酶;向大肠杆菌导入外源基因时,需构建基因表达载体,以保证目的基因能稳定存在,通常用Ca2+处理大肠杆菌,使其易于吸收环境中的基因表达载体;基因表达载体上的启动子可调控蛛丝蛋白基因的表达;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。
5.C 用AI预测新型蛋白质的基因结构依据的原理是中心法则,从蛋白质结构反推出氨基酸序列,再反推出相应基因序列;对蛋白质的改造是通过改造或合成基因来完成的;启动子和终止子为非编码区,故由氨基酸序列推测的基因序列中不包含启动子和终止子;因为一种氨基酸可能对应多种密码子(即密码子具有简并性),故用蛋白质的氨基酸序列推测的RNA编码序列有多种可能。
6.A 由题意可知,为保证产物活性,将IL2基因中编码125位半胱氨酸的序列突变为丝氨酸序列,只是一个氨基酸发生了改变,应该是发生了碱基替换,而不是碱基的增添;天然的和基因工程生产的IL2的本质都是蛋白质,都是在核糖体上合成的;58位与105位半胱氨酸之间形成的二硫键对保持IL2活性起重要作用,突变的IL2基因的表达产物中第125位的半胱氨酸被替换,无法参与二硫键的形成,降低了二硫键错配的可能;正常基因和突变基因的复制和表达都遵循中心法则。
7.D 从人胚胎分离出ES细胞治疗白血病,会涉及胚胎的处理问题,进而产生伦理问题;研制出的新型鼠痘病毒,若作为生物武器,杀伤力强、传播广泛、难预防,会威胁人类安全;研究转基因农作物时应采取多种方法防止转基因花粉的传播,以防止基因污染的发生;干细胞的研究可治疗很多疾病,但也可能会向着克隆人的方向发展,带来伦理问题,因此需要严格监管。
8.B 由题意可知,组成型启动子能在所有细胞发挥作用,组织特异型启动子,在某些特定的细胞中发挥作用,所以细胞分化与组成型启动子和组织特异型启动子均有关;膀胱生物反应器和乳腺生物反应器都需要将目的基因连接在相应的组织特异型启动子的下游,保证基因在特定的细胞中表达;将盐诱导型启动子与目的基因相连,当植物处于高盐环境时,目的基因表达增加,使植物表现出耐盐性状。
9.D 分析题意,步骤②是根据靶抗原设计CAR结构,是从蛋白质的预期功能出发,属于蛋白质工程;CAR是CART细胞表面的癌细胞抗原受体,受体具有识别作用,杀伤癌细胞是T细胞的功能;噬菌体的宿主细胞是细菌,因此将CAR基因导入T细胞不能用噬菌体作为载体;步骤⑤是进行动物细胞培养,为补充营养物质并清除代谢废物,防止细胞代谢物积累对细胞自身造成危害,需定期更换培养液。
10.【答案】 (除标注外,每空2分)
(1)蛋白质 恒定区(1分)
(2)ScaⅠ和XbaⅠ 红色(1分)
(3)受精卵(1分) 四环素 胚胎(1分)
(4)山羊乳腺特异表达启动子在小鼠中作用效果不理想
【解析】 (1)改造抗体,产生了自然界中原来没有的蛋白质,属于蛋白质工程的内容;由于改造后的抗体是用人源的恒定区取代了鼠源的恒定区,推测出鼠源单抗的恒定区易引发排斥反应。(2)为了保证目的基因能够按照正确的方向转录,只能选用ScaⅠ和XbaⅠ这两个酶切割目的基因和PBCⅠ载体,而XbaⅠ会破坏蓝色荧光蛋白基因,后续只能根据红色荧光蛋白来筛选。(3)培育转基因动物通常是将重组DNA分子导入动物细胞的受精卵中;由于红色荧光蛋白所用的P2启动子为四环素诱导启动子,需要在培养液中加入四环素才能诱导标记基因的表达;受精卵经早期胚胎培养、胚胎移植等技术培育成个体,属于胚胎工程。(4)由于目的基因采用的启动子为山羊乳腺中特异表达基因的启动子,在小鼠乳腺细胞中,该启动子与RNA聚合酶的结合可能较弱,导致目的基因的表达变少。第60讲 基因工程的应用和生物技术的安全性与伦理问题
[课标要求]
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.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。
3.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。
4.举例说出日常生活中的转基因产品。
5.探讨转基因技术在应用过程中带来的影响。
6.举例说出生殖性克隆人面临的伦理问题。
7.分析说明我国为什么不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人实验。
8.举例说明历史上生物武器对人类造成了严重的威胁与伤害。
9.认同我国反对生物武器及其技术和设备的扩散。
考点一 基因工程的应用
1.基因工程在农牧业方面的应用
2.基因工程在医药卫生领域的应用
3.基因工程在食品工业方面的应用
1.判断正误
(1)(选择性必修3 P88正文)科学家利用转基因技术培育了抗玉米螟玉米,种植该玉米的农田就不需要进行防虫管理了。( )
(2)(选择性必修3 P89正文)导入了肠乳糖酶基因的奶牛可分泌出乳糖含量低的乳汁。( )
(3)(选择性必修3 P90资料卡)由大肠杆菌工程菌获得人的干扰素后可直接应用。( )
(4)(选择性必修3 P90正文)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。( )
(5)(选择性必修3 P91相关信息)用基因工程的方法,使外源基因得到高效表达的菌类一般称为基因工程菌。( )
2.规范表达
(1)(选择性必修3 P88正文拓展)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。试分析其中的原因。
(2)(选择性必修3 P90正文)培养乳腺生物反应器转基因动物时为什么要将目的基因与乳腺中特异性表达的基因的启动子重组在一起
能力1 分析基因工程的应用,考查应用能力
1.(2024·河南郑州模拟)草甘膦是一种广谱除草剂,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] 转基因小麦中的EPSPS酶的空间结构或数量发生改变
[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
2.(2024·湖北鄂东南一模模拟)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基因转入到山羊体内,从山羊的乳液中获得hLF,可以解决天然乳铁蛋白资源短缺的问题,下列有关叙述不合理的是( )
[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
乳腺生物反应器
(1)操作过程。
(2)比较乳腺生物反应器与膀胱生物反应器。
①乳腺生物反应器是利用转基因动物的乳汁生产药用蛋白,而膀胱生物反应器是利用转基因动物的尿液生产药用蛋白,二者的优点:产量高、质量好、成本低、易提取,且不会对动物造成伤害。
②乳腺生物反应器需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药用蛋白。
考点二 蛋白质工程
1.蛋白质工程的概念
2.蛋白质工程的基本原理
3.蛋白质工程的应用
(1)在医药方面。
利用蛋白质工程研发 。实例:如果将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸,在一定条件下,可以 。
(2)在工业方面。
蛋白质工程被广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。实例:枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用,因此常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。
(3)在农业方面。
科学家正在尝试改造某些参与调控光合作用的 ,以提高植物光合作用的效率,增加粮食的产量。
1.判断正误
(1)(选择性必修3 P93正文)蛋白质工程可根据人类生产和生活的需要,设计并制造出自然界不存在的新的蛋白质。( )
(2)(选择性必修3 P94正文)蛋白质工程应先设计蛋白质的结构后再预期其功能。( )
(3)(选择性必修3 P94正文)天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的,蛋白质工程与之相同。( )
(4)(选择性必修3 P95正文)蛋白质工程可以改造酶,提高酶的热稳定性。( )
2.规范表达
(选择性必修3 P94正文拓展)对天然蛋白质进行改造,你认为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
能力2 分析蛋白质工程的原理及应用,培养理解能力和获取信息能力
3.(2024·安徽合肥三模)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
蛋白质工程与基因工程的区别和联系
项目 蛋白质工程 基因工程
区 别 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或生物产品
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
结果 可生产自然界没有的蛋白质 只能生产自然界已有的蛋白质
联系 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
考点三 生物技术的安全性和伦理问题
1.转基因产品的安全性
2.关注生殖性克隆人
(1)治疗性克隆和生殖性克隆的区别。
①生殖性克隆是指通过克隆技术产生 。
②治疗性克隆是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,达到治疗疾病的目的。
(2)我国禁止生殖性克隆人。
①我国 任何生殖性克隆人实验。
②我国政府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。
(3)生殖性克隆与治疗性克隆的主要过程。
3.试管婴儿与设计试管婴儿的异同点
不 同 点 技术 手段 试管婴儿不需要进行遗传学诊断,设计试管婴儿在胚胎移植前需进行遗传学诊断。 如图,设计试管婴儿比试管婴儿多了d过程:
应用 试管婴儿主要是解决不孕夫妇的生育问题,设计试管婴儿用于白血病等疾病的治疗
相同点 都是体外受精,并进行体外早期胚胎培养,都要经过 ,都是有性生殖
4.生物武器
(1)生物武器的种类、特点及散布途径。
种类 ①致病菌类:炭疽杆菌、霍乱弧菌等。 ② 类:天花病毒、某些动物的痘病毒、通过基因工程改造的流感病毒等。 ③生化毒剂类:肉毒杆菌毒素等
特点 致病能力 ,攻击范围
散布 途径 可以直接或者通过食物、生活必需品和带菌昆虫等散布,经由呼吸道、消化道和皮肤等侵入人、畜体内,造成大规模伤亡,也能大量损害植物
(2)我国政府的态度:在任何情况下不发展、不生产、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.判断正误
(1)(选择性必修3 P101正文)通过转基因技术减少啤酒酵母双乙酰的生成,可以改良啤酒的风味和口感。( )
(2)(选择性必修3 P102相关信息)为防止转基因花粉的传播,我国科学家将α淀粉酶基因与目的基因一起转入植物中。( )
(3)(选择性必修3 P106正文)生殖性克隆和治疗性克隆的目的相同,都属于无性繁殖。( )
(4)(选择性必修3 P111正文)与常规武器相比,生物武器的致病能力强、攻击范围广。( )
2.规范表达
(1)(选择性必修3 P106正文)治疗性克隆与生殖性克隆过程中胚胎的处理方式相同吗 有什么区别
(2)(选择性必修3 P109思考·讨论拓展)试管婴儿技术与克隆技术在技术环节上的主要差异是什么
能力3 分析生物技术安全性及伦理问题,落实社会责任
4.(2024·甘肃张掖模拟)某部门根据有关规定,向26家企业发放了转基因玉米、大豆种子生产经营许可证。同时明确,这些品种实际种植区域还要符合国家生物育种产业化有关安排。下列有关叙述错误的是( )
[A] 转基因产品需要经过一系列的安全性评价,符合相应标准后才能推广种植
[B] 转基因食品可能是转基因生物本身或其加工产品
[C] 转基因农作物产品一定可以增进人类健康
[D] 转基因农作物种植区应与传统农业种植区隔离
5.(2024·重庆模拟)下列有关生物安全的叙述正确的是( )
[A] 生物武器只包含致病菌类和病毒类,其攻击范围广、传播途径多、传播时具有潜伏期
[B] 治疗性克隆不涉及伦理问题,不需要对治疗性克隆进行有效监管和严格审查
[C] 在转基因工作中科学家会采取很多方法防止基因污染,如阻断淀粉储藏使花粉失活
[D] 培养过微生物的培养基必须严格消毒后才能废弃,目的是防止微生物污染环境
考向一 从科学思维的角度,考查基因工程的应用
1.(2024·河北卷,22)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)。
考向二 从科学思维的角度,考查蛋白质工程的理解与应用
2.(2021·辽宁卷,14)腈水合酶(N0)广泛应用于环境保护和医药原料生产等领域,但不耐高温。利用蛋白质工程技术在N0的α和β亚基之间加入一段连接肽,可获得热稳定的融合型腈水合酶(N1)。下列有关叙述错误的是( )
[A] N1与N0氨基酸序列的差异是影响其热稳定性的原因之一
[B] 加入连接肽需要通过改造基因实现
[C] 获得N1的过程需要进行转录和翻译
[D] 检测N1的活性时先将N1与底物充分混合,再置于高温环境
3.(2024·黑吉辽卷,25)将天然Ti质粒改造成含有Vir基因的辅助质粒(辅助TDNA转移)和不含有Vir基因、含有TDNA的穿梭质粒,共同转入农杆菌,可提高转化效率。细菌和棉花对密码子偏好不同,为提高翻译效率,增强棉花抗病虫害能力,进行如下操作。回答下列问题。
注:F1~F3,R1~R3表示引物;TDNALB表示左边界;TDNARB表示右边界;Ori表示复制原点;KanR表示卡那霉素抗性基因;HygBR表示潮霉素B抗性基因。
(1)从苏云金杆菌提取DNA时,需加入蛋白酶,其作用是
。
提取过程中加入体积分数为95%的预冷酒精,其目的是
。
(2)本操作中获取目的基因的方法是 和 。
(3)穿梭质粒中p35s为启动子,其作用是 ,驱动目的基因转录;插入两个p35s启动子,其目的可能是
。
(4)根据图中穿梭质粒上的KanR和HygBR两个标记基因的位置,用 基因对应的抗生素初步筛选转化的棉花愈伤组织。
(5)为检测棉花植株是否导入目的基因,提取棉花植株染色体DNA作模板,进行PCR,应选用的引物是 和 。
(6)本研究采用的部分生物技术属于蛋白质工程,理由是 。
A.通过含有双质粒的农杆菌转化棉花细胞
B.将苏云金杆菌Bt基因导入棉花细胞中表达
C.将1-1 362基因序列改变为棉花细胞偏好密码子的基因序列
D.用1-1 362合成基因序列和1 363-1 848天然基因序列获得改造的抗虫蛋白
考向三 从社会责任的角度,考查生物技术的安全性与伦理问题
4.(2024·浙江1月选考,1)关于生物技术的安全与伦理问题在我国相关法规明令禁止的是( )
[A] 试管动物的培育
[B] 转基因食品的生产
[C] 治疗性克隆的研究
[D] 生物武器的发展和生产
第60讲 基因工程的应用和生物技术的安全性与伦理问题
考点一 基因工程的应用
必备知识·梳理
1.生长
2.基因 药用蛋白基因 启动子 抑制 除去
3.工程菌 牛凝乳酶的基因 基因工程菌
深挖教材
1.(1)× 转基因抗玉米螟玉米能够抵抗玉米螟,但不一定能抵抗其他害虫。
(2)√
(3)× 大肠杆菌是原核细胞,由大肠杆菌工程菌获得人的干扰素没有经过内质网和高尔基体的加工,不能直接应用。
(4)× 乳腺生物反应器是将药用蛋白基因导入哺乳动物的受精卵中,药用蛋白基因可以在转基因动物的乳腺细胞中表达。
(5)√
2.(1)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)乳腺生物反应器通过分泌的乳汁来提取相应的基因表达产物,乳腺中特异性表达的启动子可让目的基因在乳腺细胞中特异性表达。
关键能力·提升
能力1
1.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随花粉传播;转入细菌EPSPS基因的小麦具有了抗草甘膦的特点,而草甘膦能抑制植物自身EPSPS酶活性,故转基因小麦可能是通过改变EPSPS酶空间结构或增加酶数量来提高抗性的;转基因小麦如果培育成功,能耐受草甘膦,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;转基因小麦中EPSPS基因增多,细胞内EPSPS酶数量增加,促进了相关氨基酸的合成。
2.A 不可以直接用PCR扩增mRNA(基因转录产物),需将mRNA逆转录成cDNA再进行扩增;为保证在供体山羊的乳汁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;一般用显微注射法将目的基因导入山羊受精卵中;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,则表明目的基因已翻译形成蛋白质。
考点二 蛋白质工程
必备知识·梳理
1.蛋白质分子的结构规律
2.蛋白质结构 氨基酸序列 脱氧核苷酸序列
3.(1)药物 延长保存时间 (3)酶
深挖教材
1.(1)√
(2)× 蛋白质工程应先预期蛋白质的功能,依据功能推测蛋白质的结构。
(3)× 天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的,而蛋白质工程与之相反。
(4)√
2.应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造。主要原因:①蛋白质具有十分复杂的空间结构,基因的结构相对简单,容易改造;②改造后的基因可以遗传给下一代,被改造的蛋白质无法遗传。
关键能力·提升
能力2
3.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,合成的赖氨酸减少,属于负反馈调节;利用蛋白质工程对酶中氨基酸替换,需要通过改造相应基因来实现;改造后,氨基酸序列的改变会导致AK和DHDPS的空间结构改变,使它们与赖氨酸结合的能力降低,避免了赖氨酸的抑制作用,但两种酶与底物的结合能力不一定加强。
考点三 生物技术的安全性和伦理问题
必备知识·梳理
1.转基因食品的安全性 完备的相关科学知识基础 大胆 慎重 严格
2.(1)①独立生存的新个体 (2)①不赞成、不允许、不支持、不接受
3.胚胎移植
4.(1)病毒 强 广
深挖教材
1.(1)√ (2)√
(3)× 生殖性克隆的目的是得到独立生存的新个体;治疗性克隆的目的是得到特定的细胞、组织或器官,用于治疗疾病,两者目的不同。
(4)√
2.(1)不相同。治疗性克隆获得的早期胚胎主要用于获得胚胎干细胞,然后诱导胚胎干细胞分化出所需的特定的细胞、组织和器官;在生殖性克隆过程中,获得的胚胎移入母体的子宫内发育成婴儿。
(2)前者需要经过体外受精,后者需要用到细胞核移植技术。
关键能力·提升
能力3
4.C 转基因农作物可能具有高产的特点,但不一定有更高的营养价值,不一定能增进人类健康;转基因农作物可能存在基因污染,其种植区应与传统农业种植区隔离开。
5.C 生物武器包括致病菌类、病毒类和生化毒剂类;治疗性克隆涉及伦理问题,需要对治疗性克隆进行有效监管和严格审查;阻断淀粉储藏使花粉失活,可有效防止基因污染;培养过微生物的培养基必须严格灭菌后才能废弃。
研练真题·感悟高考
考向一
1.【答案】 (1)水稻胚乳中特异性表达的基因 终止转录过程
HindⅢ EcoRⅠ
(2)农杆菌转化 r2HN是否转录出了mRNA 抗原—抗体杂交
(3)1/4 遗传性状稳定
(4)体液 细胞
(5)不受性别的限制、可大量种植、成本低、安全性高
【解析】 (1)根据题意可知,若使r2HN仅在水稻胚乳表达,GtP(启动子)应为水稻胚乳中特异性表达的基因的启动子。Nos为终止子,终止子可以终止转录过程。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到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是否转录出了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,则相当于杂合子,杂合子自交,后代含有r2HN基因的纯合子为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)据题图可知,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疫苗具有不受性别的限制、可大量种植、成本低、安全性高等优点。
考向二
2.D 在N0的α和β亚基之间加入一段连接肽,可获得热稳定的融合型腈水合酶(N1),则N1与N0氨基酸序列有所不同,这可能是影响其热稳定性的原因之一;蛋白质工程的操作对象是基因,即加入连接肽需要通过改造基因实现;N1为蛋白质,蛋白质的合成需要经过转录和翻译两个过程;酶具有高效性,检测N1的活性需先将其置于高温环境,再与底物充分混合。
3.【答案】 (1)水解DNA酶,防止DNA被分解,同时水解其他蛋白质,使得DNA容易与蛋白质分离 溶解蛋白质等物质,析出不溶于酒精的DNA (2)PCR技术扩增 人工合成 (3)RNA聚合酶识别并结合的部位 利于RNA聚合酶的结合,提高目的基因的转录效率 (4)HygBR (5)F3 R2 (6)D
【解析】 (1)从苏云金杆菌提取DNA时,需加入蛋白酶,其作用是水解DNA酶等蛋白质,防止DNA被分解,也使得DNA容易与蛋白质分离。提取过程中加入体积分数为95%的预冷酒精,其目的是溶解蛋白质等物质,析出不溶于酒精的DNA。
(2)本操作中获取目的基因的方法是PCR技术扩增(天然序列部分)和人工合成。
(3)穿梭质粒中p35s为启动子,其作用是RNA聚合酶识别并结合的部位,驱动目的基因转录;插入两个p35s启动子,利于RNA聚合酶的结合,增加目的基因的转录效率。
(4)结合基因表达载体的示意图,图中穿梭质粒上有KanR和HygBR两个标记基因,但KanR位于TDNA序列外,可用HygBR基因对应的抗生素初步筛选转化的棉花愈伤组织。
(5)为检测棉花植株是否导入目的基因,提取棉花植株染色体DNA作模板,进行PCR,应选用的引物是F3和R2。
(6)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,本研究用1-1 362合成基因序列和1 363-1 848天然基因序列获得改造的抗虫蛋白,属于蛋白质工程,将1-1 362基因序列改变为棉花细胞偏好密码子的基因序列,未产生新的蛋白质,不属于蛋白质工程。
考向三
4.D 试管动物的培育属于胚胎工程,没有禁止;我国目前不反对转基因食品的生产;中国政府禁止生殖性克隆,支持治疗性克隆;生物武器致病能力强、攻击范围广,我国奉行不发展、不生产、不储存生物武器的政策,并反对扩散生物武器。(共85张PPT)
第60讲
基因工程的应用和
生物技术的安全性与伦理问题
[课标要求]
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.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。
3.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。
4.举例说出日常生活中的转基因产品。
[课标要求]
5.探讨转基因技术在应用过程中带来的影响。
6.举例说出生殖性克隆人面临的伦理问题。
7.分析说明我国为什么不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人实验。
8.举例说明历史上生物武器对人类造成了严重的威胁与伤害。
9.认同我国反对生物武器及其技术和设备的扩散。
基因工程的应用
考点一
1.基因工程在农牧业方面的应用
生长
基因
2.基因工程在医药卫生领域的应用
药用蛋白基因
启动子
抑制
除去
工程菌
3.基因工程在食品工业方面的应用
牛凝乳酶的基因
基因工程菌
深挖教材
1.判断正误
(1)(选择性必修3 P88正文)科学家利用转基因技术培育了抗玉米螟玉米,种植该玉米的农田就不需要进行防虫管理了。( )
【提示】 转基因抗玉米螟玉米能够抵抗玉米螟,但不一定能抵抗其他害虫。
×
(2)(选择性必修3 P89正文)导入了肠乳糖酶基因的奶牛可分泌出乳糖含量低的乳汁。( )
√
(3)(选择性必修3 P90资料卡)由大肠杆菌工程菌获得人的干扰素后可直接应用。( )
×
【提示】 大肠杆菌是原核细胞,由大肠杆菌工程菌获得人的干扰素没有经过内质网和高尔基体的加工,不能直接应用。
(4)(选择性必修3 P90正文)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】 乳腺生物反应器是将药用蛋白基因导入哺乳动物的受精卵中,药用蛋白基因可以在转基因动物的乳腺细胞中表达。
(5)(选择性必修3 P91相关信息)用基因工程的方法,使外源基因得到高效表达的菌类一般称为基因工程菌。( )
√
2.规范表达
(1)(选择性必修3 P88正文拓展)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。试分析其中的原因。
【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)(选择性必修3 P90正文)培养乳腺生物反应器转基因动物时为什么要将目的基因与乳腺中特异性表达的基因的启动子重组在一起
【提示】 乳腺生物反应器通过分泌的乳汁来提取相应的基因表达产物,乳腺中特异性表达的启动子可让目的基因在乳腺细胞中特异性表达。
能力1 分析基因工程的应用,考查应用能力
1.(2024·河南郑州模拟)草甘膦是一种广谱除草剂,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] 转基因小麦中的EPSPS酶的空间结构或数量发生改变
[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
D
【解析】 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随花粉传播;转入细菌EPSPS基因的小麦具有了抗草甘膦的特点,而草甘膦能抑制植物自身EPSPS酶活性,故转基因小麦可能是通过改变EPSPS酶空间结构或增加酶数量来提高抗性的;转基因小麦如果培育成功,能耐受草甘膦,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;转基因小麦中EPSPS基因增多,细胞内EPSPS酶数量增加,促进了相关氨基酸的合成。
2.(2024·湖北鄂东南一模模拟)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基因转入到山羊体内,从山羊的乳液中获得hLF,可以解决天然乳铁蛋白资源短缺的问题,下列有关叙述不合理的是( )
[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
A
【解析】 不可以直接用PCR扩增mRNA(基因转录产物),需将mRNA逆转录成cDNA再进行扩增;为保证在供体山羊的乳汁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;一般用显微注射法将目的基因导入山羊受精卵中;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,则表明目的基因已翻译形成蛋白质。
归纳总结
乳腺生物反应器
(1)操作过程。
归纳总结
(2)比较乳腺生物反应器与膀胱生物反应器。
①乳腺生物反应器是利用转基因动物的乳汁生产药用蛋白,而膀胱生物反应器是利用转基因动物的尿液生产药用蛋白,二者的优点:产量高、质量好、成本低、易提取,且不会对动物造成伤害。
②乳腺生物反应器需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药用蛋白。
考点二
蛋白质工程
1.蛋白质工程的概念
蛋白质分子的结构规律
蛋白质结构
2.蛋白质工程的基本原理
氨基酸序列
脱氧核苷酸
序列
药物
3.蛋白质工程的应用
(1)在医药方面。
利用蛋白质工程研发 。实例:如果将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸,在一定条件下,可以 。
(2)在工业方面。
蛋白质工程被广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。实例:枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用,因此常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。
(3)在农业方面。
科学家正在尝试改造某些参与调控光合作用的 ,以提高植物光合作用的效率,增加粮食的产量。
延长保存时间
酶
深挖教材
1.判断正误
(1)(选择性必修3 P93正文)蛋白质工程可根据人类生产和生活的需要,设计并制造出自然界不存在的新的蛋白质。( )
(2)(选择性必修3 P94正文)蛋白质工程应先设计蛋白质的结构后再预期其功能。( )
【提示】 蛋白质工程应先预期蛋白质的功能,依据功能推测蛋白质的结构。
√
×
(3)(选择性必修3 P94正文)天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的,蛋白质工程与之相同。( )
【提示】 天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的,而蛋白质工程与之相反。
×
(4)(选择性必修3 P95正文)蛋白质工程可以改造酶,提高酶的热稳定性。
( )
√
2.规范表达
(选择性必修3 P94正文拓展)对天然蛋白质进行改造,你认为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】 应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造。主要原因:①蛋白质具有十分复杂的空间结构,基因的结构相对简单,容易改造;②改造后的基因可以遗传给下一代,被改造的蛋白质无法遗传。
能力2 分析蛋白质工程的原理及应用,培养理解能力和获取信息能力
3.(2024·安徽合肥三模)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
【解析】 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,合成的赖氨酸减少,属于负反馈调节;利用蛋白质工程对酶中氨基酸替换,需要通过改造相应基因来实现;改造后,氨基酸序列的改变会导致AK和DHDPS的空间结构改变,使它们与赖氨酸结合的能力降低,避免了赖氨酸的抑制作用,但两种酶与底物的结合能力不一定加强。
归纳总结
蛋白质工程与基因工程的区别和联系
项目 蛋白质工程 基因工程
区 别 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或生物产品
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
结果 可生产自然界没有的蛋白质 只能生产自然界已有的蛋白质
联系 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
考点三
生物技术的安全性和伦理问题
1.转基因产品的安全性
转基因食品的安全性
完备的
大胆
慎重
严格
相关科学知识基础
独立生存的新个体
2.关注生殖性克隆人
(1)治疗性克隆和生殖性克隆的区别。
①生殖性克隆是指通过克隆技术产生 。
②治疗性克隆是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,达到治疗疾病的目的。
(2)我国禁止生殖性克隆人。
①我国 任何生殖性克隆人实验。
②我国政府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。
不赞成、不允许、不支持、不接受
(3)生殖性克隆与治疗性克隆的主要过程。
3.试管婴儿与设计试管婴儿的异同点
胚胎移植
不 同 点 技 术 手 段 试管婴儿不需要进行遗传学诊断,设计试管婴儿在胚胎移植前需进行遗传学诊断。
如图,设计试管婴儿比试管婴儿多了d过程:
应 用 试管婴儿主要是解决不孕夫妇的生育问题,设计试管婴儿用于白血病等疾病的治疗
相同点 都是体外受精,并进行体外早期胚胎培养,都要经过 ,都是有性生殖
4.生物武器
(1)生物武器的种类、特点及散布途径。
病毒
种类 ①致病菌类:炭疽杆菌、霍乱弧菌等。
② 类:天花病毒、某些动物的痘病毒、通过基因工程改造的流感病毒等。
③生化毒剂类:肉毒杆菌毒素等
特点 致病能力 ,攻击范围
散布 途径 可以直接或者通过食物、生活必需品和带菌昆虫等散布,经由呼吸道、消化道和皮肤等侵入人、畜体内,造成大规模伤亡,也能大量损害植物
(2)我国政府的态度:在任何情况下不发展、不生产、不储存生物武器,并反对生物武器及其技术和设备的扩散。
强
广
深挖教材
1.判断正误
(1)(选择性必修3 P101正文)通过转基因技术减少啤酒酵母双乙酰的生成,可以改良啤酒的风味和口感。( )
(2)(选择性必修3 P102相关信息)为防止转基因花粉的传播,我国科学家将α 淀粉酶基因与目的基因一起转入植物中。( )
√
√
(3)(选择性必修3 P106正文)生殖性克隆和治疗性克隆的目的相同,都属于无性繁殖。( )
【提示】 生殖性克隆的目的是得到独立生存的新个体;治疗性克隆的目的是得到特定的细胞、组织或器官,用于治疗疾病,两者目的不同。
×
(4)(选择性必修3 P111正文)与常规武器相比,生物武器的致病能力强、攻击范围广。( )
√
2.规范表达
(1)(选择性必修3 P106正文)治疗性克隆与生殖性克隆过程中胚胎的处理方式相同吗 有什么区别
【提示】 不相同。治疗性克隆获得的早期胚胎主要用于获得胚胎干细胞,然后诱导胚胎干细胞分化出所需的特定的细胞、组织和器官;在生殖性克隆过程中,获得的胚胎移入母体的子宫内发育成婴儿。
(2)(选择性必修3 P109思考·讨论拓展)试管婴儿技术与克隆技术在技术环节上的主要差异是什么
【提示】 前者需要经过体外受精,后者需要用到细胞核移植技术。
能力3 分析生物技术安全性及伦理问题,落实社会责任
4.(2024·甘肃张掖模拟)某部门根据有关规定,向26家企业发放了转基因玉米、大豆种子生产经营许可证。同时明确,这些品种实际种植区域还要符合国家生物育种产业化有关安排。下列有关叙述错误的是( )
[A] 转基因产品需要经过一系列的安全性评价,符合相应标准后才能推广种植
[B] 转基因食品可能是转基因生物本身或其加工产品
[C] 转基因农作物产品一定可以增进人类健康
[D] 转基因农作物种植区应与传统农业种植区隔离
C
【解析】 转基因农作物可能具有高产的特点,但不一定有更高的营养价值,不一定能增进人类健康;转基因农作物可能存在基因污染,其种植区应与传统农业种植区隔离开。
5.(2024·重庆模拟)下列有关生物安全的叙述正确的是( )
[A] 生物武器只包含致病菌类和病毒类,其攻击范围广、传播途径多、传播时具有潜伏期
[B] 治疗性克隆不涉及伦理问题,不需要对治疗性克隆进行有效监管和严格审查
[C] 在转基因工作中科学家会采取很多方法防止基因污染,如阻断淀粉储藏使花粉失活
[D] 培养过微生物的培养基必须严格消毒后才能废弃,目的是防止微生物污染环境
C
【解析】 生物武器包括致病菌类、病毒类和生化毒剂类;治疗性克隆涉及伦理问题,需要对治疗性克隆进行有效监管和严格审查;阻断淀粉储藏使花粉失活,可有效防止基因污染;培养过微生物的培养基必须严格灭菌后才能废弃。
考向一 从科学思维的角度,考查基因工程的应用
1.(2024·河北卷,22)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。
研练真题·感悟高考
(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。
水稻胚乳中特异性表达的基因
终止转录过程
HindⅢ
EcoRⅠ
【解析】 (1)根据题意可知,若使r2HN仅在水稻胚乳表达,GtP(启动子)应为水稻胚乳中特异性表达的基因的启动子。Nos为终止子,终止子可以终止转录过程。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到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)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。
农杆菌转化
【解析】 (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是否转录出了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。
抗原—抗体杂交
r2HN是否转录出了mRNA
(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 。
1/4
遗传性状稳定
【解析】 (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,则相当于杂合子,杂合子自交,后代含有r2HN基因的纯合子为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)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
【解析】 (4)据题图可知,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)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)。
不受性别的限制、可
大量种植、成本低、安全性高
【解析】 (5)通过水稻作为生物反应器生产r2HN疫苗具有不受性别的限制、可大量种植、成本低、安全性高等优点。
考向二 从科学思维的角度,考查蛋白质工程的理解与应用
2.(2021·辽宁卷,14)腈水合酶(N0)广泛应用于环境保护和医药原料生产等领
域,但不耐高温。利用蛋白质工程技术在N0的α和β亚基之间加入一段连接肽,可获得热稳定的融合型腈水合酶(N1)。下列有关叙述错误的是( )
[A] N1与N0氨基酸序列的差异是影响其热稳定性的原因之一
[B] 加入连接肽需要通过改造基因实现
[C] 获得N1的过程需要进行转录和翻译
[D] 检测N1的活性时先将N1与底物充分混合,再置于高温环境
D
【解析】 在N0的α和β亚基之间加入一段连接肽,可获得热稳定的融合型腈水合酶(N1),则N1与N0氨基酸序列有所不同,这可能是影响其热稳定性的原因之一;蛋白质工程的操作对象是基因,即加入连接肽需要通过改造基因实现;N1为蛋白质,蛋白质的合成需要经过转录和翻译两个过程;酶具有高效
性,检测N1的活性需先将其置于高温环境,再与底物充分混合。
3.(2024·黑吉辽卷,25)将天然Ti质粒改造成含有Vir基因的辅助质粒(辅助T-DNA转移)和不含有Vir基因、含有T-DNA的穿梭质粒,共同转入农杆菌,可提高转化效率。细菌和棉花对密码子偏好不同,为提高翻译效率,增强棉花抗病虫害能力,进行如下操作。回答下列问题。
注:F1～F3,R1～R3表示引物;T-DNA-LB表示左边界;T-DNA-RB表示右边界;Ori表示复制原点;KanR表示卡那霉素抗性基因;HygBR表示潮霉素B抗性基因。
(1)从苏云金杆菌提取DNA时,需加入蛋白酶,其作用是
。
提取过程中加入体积分数为95%的预冷酒精,其目的是
。
水解DNA酶,防止DNA被分解,同时水解其他蛋白质,使得DNA容易与蛋白质分离
溶解蛋白质等物质,析出不溶于酒精的DNA
【解析】 (1)从苏云金杆菌提取DNA时,需加入蛋白酶,其作用是水解DNA酶等蛋白质,防止DNA被分解,也使得DNA容易与蛋白质分离。提取过程中加入体积分数为95%的预冷酒精,其目的是溶解蛋白质等物质,析出不溶于酒精的DNA。
(2)本操作中获取目的基因的方法是 和 。
PCR技术扩增
【解析】 (2)本操作中获取目的基因的方法是PCR技术扩增(天然序列部分)和人工合成。
人工合成
(3)穿梭质粒中p35s为启动子,其作用是 ,驱动目的基因转录;插入两个p35s启动子,其目的可能是
。
RNA聚合酶识别并结合的部位
【解析】 (3)穿梭质粒中p35s为启动子,其作用是RNA聚合酶识别并结合的部位,驱动目的基因转录;插入两个p35s启动子,利于RNA聚合酶的结合,增加目的基因的转录效率。
利于RNA聚合酶的结合,提高目的基因的转录效率
(4)根据图中穿梭质粒上的KanR和HygBR两个标记基因的位置,用 基因对应的抗生素初步筛选转化的棉花愈伤组织。
HygBR
【解析】 (4)结合基因表达载体的示意图,图中穿梭质粒上有KanR和HygBR两个标记基因,但KanR位于T-DNA序列外,可用HygBR基因对应的抗生素初步筛选转化的棉花愈伤组织。
(5)为检测棉花植株是否导入目的基因,提取棉花植株染色体DNA作模板,进行PCR,应选用的引物是 和 。
F3
【解析】 (5)为检测棉花植株是否导入目的基因,提取棉花植株染色体DNA作模板,进行PCR,应选用的引物是F3和R2。
R2
(6)本研究采用的部分生物技术属于蛋白质工程,理由是 。
A.通过含有双质粒的农杆菌转化棉花细胞
B.将苏云金杆菌Bt基因导入棉花细胞中表达
C.将1-1 362基因序列改变为棉花细胞偏好密码子的基因序列
D.用1-1 362合成基因序列和1 363-1 848天然基因序列获得改造的抗虫蛋白
D
【解析】 (6)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,本研究用1-1362合成基因序列和
1 363-1 848天然基因序列获得改造的抗虫蛋白,属于蛋白质工程,将1-1 362基因序列改变为棉花细胞偏好密码子的基因序列,未产生新的蛋白质,不属于蛋白质工程。
考向三 从社会责任的角度,考查生物技术的安全性与伦理问题
4.(2024·浙江1月选考,1)关于生物技术的安全与伦理问题在我国相关法规明令禁止的是( )
[A] 试管动物的培育
[B] 转基因食品的生产
[C] 治疗性克隆的研究
[D] 生物武器的发展和生产
D
【解析】 试管动物的培育属于胚胎工程,没有禁止;我国目前不反对转基因食品的生产;中国政府禁止生殖性克隆,支持治疗性克隆;生物武器致病能力强、攻击范围广,我国奉行不发展、不生产、不储存生物武器的政策,并反对扩散生物武器。
(时间:30分钟 满分:36分)
基础强化练
选择题:1～6题,每题2分。
1.(基因工程的应用|2024·梅州模拟)下列生物技术操作不会达成预期目标的是( )
[A] 将肠乳糖酶基因导入奶牛乳腺细胞,培育产低乳糖牛乳的奶牛
[B] 将胰岛素基因表达质粒转入酵母菌,筛选获得产胰岛素工程菌
[C] 将体外改造后能识别特定癌细胞的T细胞回输患者,进行癌症治疗
[D] 将花青素代谢相关基因导入植物体细胞,获得具有特定花色的植株
A
【解析】 培育转基因动物时,应将相应的基因表达载体导入受精卵中;将花青素代谢基因导入植物体细胞,再经植物组织培养可获得具有特定花色的
植株。
2.(试管婴儿与设计试管婴儿|2024·郑州期中)“试管婴儿”诞生后,继而出现了
“设计试管婴儿技术”,下列与二者有关的说法正确的是( )
[A] “设计试管婴儿”和“试管婴儿”都要进行胚胎选择,但二者选择的目的不同
[B] “设计试管婴儿”的技术属于无性繁殖
[C] 二者在移植前均利用了体外受精技术、胚胎移植技术和遗传学诊断技术
[D] “设计试管婴儿”必须得到政府的审批,而“试管婴儿”则不需要
A
【解析】 “试管婴儿”选择的是发育良好的胚胎,而“设计试管婴儿”要进行遗传学诊断,以获得性状符合人们要求的胚胎;“设计试管婴儿”利用了体外受精、胚胎移植、植入前胚胎遗传学诊断等技术,“试管婴儿”不需要进行遗传学诊断,二者都是有性生殖;“设计试管婴儿”技术必须获得政府部门的相关批准证书,以防该技术的滥用,“试管婴儿”技术也需要得到政府的审批。
3.(转基因生物的安全性|2024·张掖一模)科学家们利用转基因技术培育出大批具有抗虫、抗病、抗除草剂和耐储藏等新性状的作物,下列有关说法错误的是( )
[A] 若转基因植物的外源基因来源于自然界,则不存在安全性问题
[B] 随着除草剂的大量应用,农田杂草对除草剂抗性逐渐增强
[C] 在抗除草剂转基因作物农田中使用除草剂仍会影响农产品的食用安全性
[D] 将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物,可提高植物的营养价值
A
【解析】 即使转基因植物的外源基因来源于自然界,也可能存在安全性问题;除草剂可对农田杂草进行定向选择,随着除草剂的大量应用,抗除草剂的杂草逐渐增多,抗性也逐渐增强;转基因作物上会残留农药,引起食品安全问题;必需氨基酸是人体细胞中不能合成的、只能从外界获取的氨基酸,因此,将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物,可提高植物的营养价值。
4.(基因工程的应用|2024·北京一模)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直接导入大肠杆菌
[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
D
【解析】 构建蛛丝蛋白基因表达载体需要限制酶和DNA连接酶;向大肠杆菌导入外源基因时,需构建基因表达载体,以保证目的基因能稳定存在,通常用Ca2+处理大肠杆菌,使其易于吸收环境中的基因表达载体;基因表达载体上的启动子可调控蛛丝蛋白基因的表达;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。
5.(蛋白质工程|2024·成都模拟)利用AI(人工智能)破解蛋白质结构和功能之谜,建立蛋白质数据库,并在此基础上进行蛋白质结构设计和优化,会给未来蛋白质工程的发展带来翻天覆地的变化。关于该技术的实施下列说法错误的是( )
[A] 用AI预测新型蛋白质的基因结构应依据中心法则原理
[B] 可以通过改造或合成基因来获得AI设计的蛋白质
[C] 根据设计的某种蛋白质的氨基酸序列推理的基因序列中包含启动子和终止子
[D] 用蛋白质的氨基酸序列推测的RNA编码序列有多种可能
C
【解析】 用AI预测新型蛋白质的基因结构依据的原理是中心法则,从蛋白质结构反推出氨基酸序列,再反推出相应基因序列;对蛋白质的改造是通过改造或合成基因来完成的;启动子和终止子为非编码区,故由氨基酸序列推测的基因序列中不包含启动子和终止子;因为一种氨基酸可能对应多种密码子(即密码子具有简并性),故用蛋白质的氨基酸序列推测的RNA编码序列有多种可能。
6.(蛋白质工程综合|2024·北京一模)人白细胞介素-2(IL-2)是一种细胞因子,含有3个半胱氨酸,分别位于第58、105、125位,其中58位与105位半胱氨酸之间形成的二硫键对保持IL-2活性起重要作用。用大肠杆菌生产IL-2,为保证产物活性,将IL-2基因中编码125位半胱氨酸的序列突变为丝氨酸序列。下列叙述错误的是( )
[A] 突变的IL-2基因的序列发生了碱基的增添
[B] 天然的和基因工程生产的IL-2均在核糖体上合成
[C] 突变的IL-2基因的表达降低了二硫键错配的可能
[D] 大肠杆菌中IL-2基因的复制和表达遵循中心法则
A
【解析】 由题意可知,为保证产物活性,将IL-2基因中编码125位半胱氨酸的序列突变为丝氨酸序列,只是一个氨基酸发生了改变,应该是发生了碱基替
换,而不是碱基的增添;天然的和基因工程生产的IL-2的本质都是蛋白质,都是在核糖体上合成的;58位与105位半胱氨酸之间形成的二硫键对保持IL-2活性起重要作用,突变的IL-2基因的表达产物中第125位的半胱氨酸被替换,无法参与二硫键的形成,降低了二硫键错配的可能;正常基因和突变基因的复制和表达都遵循中心法则。
选择题:7～9题,每题4分。
7.(生物技术的安全性|2024·成都模拟)生物技术是把双刃剑,造福人类的同时也带来了安全性和伦理问题,人们必须高度重视。下列叙述错误的是( )
[A] 利用核移植技术获得胚胎,从中分离出ES细胞治疗白血病涉及伦理问题
[B] 若有国家把研制出的新型鼠痘病毒作为生物武器,将会威胁人类安全
[C] 研究转基因农作物时应采取多种方法防止转基因花粉的传播
[D] 干细胞的研究具有广阔的应用前景,应大力支持和发展,不需要监管
D
能力提升练
【解析】 从人胚胎分离出ES细胞治疗白血病,会涉及胚胎的处理问题,进而产生伦理问题;研制出的新型鼠痘病毒,若作为生物武器,杀伤力强、传播广泛、难预防,会威胁人类安全;研究转基因农作物时应采取多种方法防止转基因花粉的传播,以防止基因污染的发生;干细胞的研究可治疗很多疾病,但也可能会向着克隆人的方向发展,带来伦理问题,因此需要严格监管。
8.(基因工程综合|2024·重庆模拟)常见的启动子可分为三类:组成型启动子,驱动基因在所有细胞、组织和器官中持续表达;组织特异型启动子,调控基因只在某些特定的部位中表达;诱导型启动子,通常在光、盐等信号作用下,使目的基因的转录水平有所提高。下列相关叙述错误的是( )
[A] 细胞分化与组织特异型启动子的调控和组成型启动子均有关
[B] 膀胱生物反应器的构建需要将目的基因连接在诱导型启动子的下游
[C] 乳腺生物反应器的构建需要将目的基因连接在组织特异型启动子的下游
[D] 培养耐盐植物时,可将盐诱导型启动子与目的基因相连
B
【解析】 由题意可知,组成型启动子能在所有细胞发挥作用,组织特异型启动子,在某些特定的细胞中发挥作用,所以细胞分化与组成型启动子和组织特异型启动子均有关;膀胱生物反应器和乳腺生物反应器都需要将目的基因连接在相应的组织特异型启动子的下游,保证基因在特定的细胞中表达;将盐诱导型启动子与目的基因相连,当植物处于高盐环境时,目的基因表达增加,使植物表现出耐盐性状。
9.(基因工程与蛋白质工程综合|2024·惠州模拟)嵌合抗原受体T细胞(CAR-T)是癌症治疗的研究热点。其原理是将CAR基因导入T细胞获得CAR-T细胞,进而表达出特异性更强的癌细胞抗原受体蛋白(CAR)。相比自然状态下的细胞毒性T细胞,CAR-T细胞对肿瘤细胞的杀伤性、靶向性更强,治疗流程如图。下列叙述正确的是( )
[A] 步骤②属于生物工程中的细胞工程
[B] CAR-T细胞的CAR能特异性识别并杀伤癌细胞
[C] 步骤④可选用动物病毒或噬菌体作为载体
[D] 步骤⑤需定期更换培养液以补充营养物质并清除代谢废物
D
【解析】 分析题意,步骤②是根据靶抗原设计CAR结构,是从蛋白质的预期功能出发,属于蛋白质工程;CAR是CAR-T细胞表面的癌细胞抗原受体,受体具有识别作用,杀伤癌细胞是T细胞的功能;噬菌体的宿主细胞是细菌,因此将CAR基因导入T细胞不能用噬菌体作为载体;步骤⑤是进行动物细胞培
养,为补充营养物质并清除代谢废物,防止细胞代谢物积累对细胞自身造成危害,需定期更换培养液。
10.(12分)(基因工程与蛋白质工程综合|2024·重庆三模)目前用于治疗人类疾病的单克隆抗体大多数是鼠源单抗,人体对鼠源单抗有一定的排斥反应。科研人员根据抗体的结构特点对鼠源单抗进行改造,思路如图甲。获得相关基因后,利用PCR技术进行融合得到目的基因,将其与乳腺细胞表达载体PBCⅠ构建形成重组DNA分子。目的基因、表达载体PBCⅠ的结构如图乙所示。请回答下列问题。
注:P1为山羊乳腺中特异表达的基因启动子,P2为四环素诱导启动子(必须在四环素存在时才能起作用);限制酶MboⅠ、XbaⅠ、ScaⅠ的识别序列均不相同。
(1)图甲所示的改造思路属于 工程的范畴,鼠源单抗的 (填“可变区”或“恒定区”)易被免疫细胞识别引发排斥反应。
蛋白质
恒定区
【解析】 (1)改造抗体,产生了自然界中原来没有的蛋白质,属于蛋白质工程的内容;由于改造后的抗体是用人源的恒定区取代了鼠源的恒定区,推测出鼠源单抗的恒定区易引发排斥反应。
(2)构建重组DNA分子时,应选择限制酶 切割目的基因与PBCⅠ载体,以便后续通过 (填“红色”“蓝色”或“紫色”)荧光检测筛选。
ScaⅠ和XbaⅠ
【解析】 (2)为了保证目的基因能够按照正确的方向转录,只能选用ScaⅠ和XbaⅠ这两个酶切割目的基因和PBCⅠ载体,而XbaⅠ会破坏蓝色荧光蛋白基因,后续只能根据红色荧光蛋白来筛选。
红色
(3)通常将重组DNA分子导入小鼠的 (填细胞名称),在培养液中加入
以筛选目标细胞,再经过 工程获得大量转基因小鼠。
受精卵
【解析】 (3)培育转基因动物通常是将重组DNA分子导入动物细胞的受精卵中;由于红色荧光蛋白所用的P2启动子为四环素诱导启动子,需要在培养液中加入四环素才能诱导标记基因的表达;受精卵经早期胚胎培养、胚胎移植等技术培育成个体,属于胚胎工程。
四环素
胚胎
(4)通过抗原—抗体杂交技术检测转基因小鼠乳汁中的改造抗体水平,发现其含量较低,原因可能是 、抗体的组装及分泌过程受阻等。
山羊乳腺特异表达启动子在小鼠中作用效果不理想
【解析】 (4)由于目的基因采用的启动子为山羊乳腺中特异表达基因的启动子,在小鼠乳腺细胞中,该启动子与RNA聚合酶的结合可能较弱,导致目的基因的表达变少。
