第一章 基因工程
章末整合(一)
①____________；
②____________；
③____________；
④____________；
⑤____________；
⑥____________；
⑦____________；
⑧____________。
答案 ①限制性核酸内切②载体 ③目的基因 ④基因表达载体 ⑤受体⑥检测和鉴定 ⑦药物 ⑧治疗
方法一 巧辨基因工程的几种酶
典例1 下图为DNA分子的某一片段，其中①②③分别表示某种酶的作用部位，则相应的酶依次是( )
A．DNA连接酶、限制酶、解旋酶
B．限制酶、解旋酶、DNA连接酶
C．解旋酶、限制酶、DNA连接酶
D．限制酶、DNA连接酶、解旋酶
答案 C
解析 使碱基对间的氢键断裂的是解旋酶；限制酶将特定部位的相邻两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键断开；连接DNA片段间磷酸二酯键的是DNA连接酶。
方法链接
在基因操作过程中，除了限制酶以外，还要用一系列的酶类，才能完成全过程。这些酶都有各自特殊的催化功能。下面比较中学教材中介绍的与基因工程有关的几种酶。
1．DNA连接酶与DNA聚合酶
(1)DNA连接酶：游离的DNA片段在DNA连接酶的作用下，在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键，即将DNA双链上的两个缺口同时连接，不需要模板，形成完整的DNA分子。
(2)DNA聚合酶：以一条DNA链为模板，在DNA聚合酶的作用下，将单个脱氧核苷酸加到已有的核酸片段的3′末端的羟基上形成磷酸二酯键，从而形成与模板链互补的DNA单链。
2．限制性核酸内切酶与DNA连接酶
(1)区别
项目
作用
应用
限制性核酸内切酶
使特定部位的磷酸二酯键断裂
用于提取目的基因，切割载体
DNA连接酶
在DNA片段之间重新形成磷酸二酯键
用于基因表达载体的构建
(2)关系表达图解
3．逆转录酶
又称RNA指导的DNA聚合酶，是以RNA为模板合成DNA的酶。逆转录酶催化的反应叫逆转录。在这个过程中，遗传信息流动的方向是从RNA到DNA，正好与转录过程相反，故称逆转录。
4．解旋酶
在DNA的复制过程中，需要解旋酶的作用。解旋酶是一类解开氢键的酶，由水解ATP来供给能量。
由于DNA分子的两条脱氧核苷酸长链之间对应的脱氧核苷酸分子碱基间的氢键是分子间的作用力，故其断裂与重新形成与限制性核酸内切酶、DNA连接酶无关。
迁移训练
1．下列关于DNA连接酶的作用的叙述，正确的是( )
A．将单个核苷酸加到某DNA片段末端，形成磷酸二酯键
B．将断开的两个DNA片段的骨架连接起来，重新形成磷酸二酯键
C．连接两条DNA链上碱基之间的氢键
D．只能将双链DNA片段互补的黏性末端连接起来
答案 B
解析 选项A是DNA聚合酶的作用；DNA连接酶能将双链DNA片段末端连接起来，重新形成磷酸二酯键；D项只涉及了E·coliDNA连接酶的作用。
方法二 巧记基因工程的基本操作程序
典例2 如图是将人的生长激素基因导入细菌B细胞内制造“工程菌”的示意图。已知细菌B细胞内不含质粒A，也不含质粒A上的基因。判断下列说法正确的是( )
A．将重组质粒导入细菌B常用的方法是显微注射法
B．将完成导入过程后的细菌涂布在含有氨苄青霉素的培养基上，能生长的只是导入了重组质粒的细菌
C．将完成导入过程后的细菌涂布在含有氨苄青霉素的培养基上，能生长的就是导入了质粒A的细菌
D．目的基因成功表达的标志是受体细胞能在含有氨苄青霉素的培养基上生长
答案 C
方法链接
迁移训练
2．下列关于基因工程的叙述，错误的是( )
A．目的基因和受体细胞均可来自动、植物或微生物
B．限制性核酸内切酶和DNA连接酶是两类常用的工具酶
C．人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性
D．载体上的抗性基因有利于筛选含重组DNA的细胞和促进目的基因的表达
答案 D
解析 基因工程中目的基因来源于自然界中的含有目的性状的一切生物，可以是动物、植物，也可以是真菌、细菌，还可以是人等；在基因工程中获取目的基因以及将目的基因和载体结合构成基因表达载体必须使用同一种限制酶进行切割，以获得相同的黏性末端，再在DNA连接酶的作用下，将目的基因和载体连接，构成基因表达载体，但是由于大肠杆菌是原核生物，没有内质网、高尔基体等细胞器的加工，合成的胰岛素原不具有胰岛素的功能，即没有生物活性；标记基因有利于重组DNA在细胞内表达的鉴定和筛选，但对于目的基因的表达没有促进作用。
方法三 巧辨基因工程中几组易混的概念
典例3 下列关于部分基因文库和基因组文库的说法中，不正确的是( )
A．部分基因文库中只含有某种生物的部分基因，基因组文库中含有某种生物的全部基因
B．如果某种生物的部分基因文库中的某个基因与该生物的基因组文库中的某个基因控制的性状相同，则这两个基因的结构也完全相同
C．部分基因文库中的基因都没有启动子
D．一种生物的部分基因文库可以有许多种，但基因组文库只有一种
答案 B
解析 部分基因文库中的DNA来源于mRNA的逆转录过程，所以该DNA(或基因)与该生物体内的原DNA在结构上是有区别的，如不含有启动子、内含子等。故选B。
方法链接
1．基因文库、基因组文库、部分基因文库
(1)从定义上区分
①基因文库：将含有某种生物不同基因的许多DNA片段，导入受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因，称为基因文库。基因文库是指储存有某种生物基因的菌群的总称。
②基因组文库：如果基因文库中含有一种生物的所有基因，这种基因文库叫做基因组文库。
③部分基因文库：指含有一种生物的一部分基因的基因文库，如cDNA文库。
(2)从范围上区别：基因文库包含基因组文库和部分基因文库。基因组文库有某一种生物的全部基因，它的范围要大于部分基因文库。
2．启动子、终止子、起始密码子、终止密码子
(1)从定义上区分
①启动子：位于编码区上游紧靠转录起点的位置。它的主要功能是引导RNA聚合酶与基因的正确部位结合。只有在启动子存在时，RNA聚合酶才能准确地从转录起点开始，沿着编码区正常地进行转录。
②终止子：位于编码区下游紧靠转录终点的位置。它的特殊的碱基排列顺序能够阻碍RNA聚合酶的移动，并使其从DNA模板链上脱离下来。
③密码子：指信使RNA上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基。信使RNA上四种碱基的组合方式有64种，其中，决定氨基酸的密码子有61种，3种是终止密码子。
④终止密码子：是信使RNA上能够终止蛋白质合成的密码子。
⑤起始密码子：位于信使RNA上，是蛋白质合成开始的信号，有两种：AUG、GUG。
(2)从本质上区别
启动子和终止子都是DNA分子中具有调控作用的脱氧核苷酸序列，而起始密码子和终止密码子都位于信使RNA上，分别是翻译的起始位置和终止位置，终止密码子不能决定任何一种氨基酸。
对于相似或相关概念，通过比较分析的方法找出区别与联系，会加深对这些知识的理解与掌握。
迁移训练
3．科学家在培育抗虫棉时，经过了许多复杂的过程和不懈的努力，才获得成功。起初把苏云金芽孢杆菌的抗虫基因插入载体质粒中，再导入棉花的受精卵中，结果抗虫基因在棉花体内没有表达。然后在插入抗虫基因的质粒中插入启动子(抗虫基因首端)，导入棉花受精卵，长成的棉花植株还是没有抗虫能力。科学家又在有启动子、抗虫基因的质粒中插入终止子(抗虫基因末端)，导入棉花受精卵，结果长成的植株有了抗虫能力。那么作为目的基因的载体应具备的结构是( )
A．目的基因、启动子
B．目的基因、终止子
C．目的基因、启动子、终止子
D．目的基因、启动子、终止子、标记基因
答案 D
解析 一个基因表达载体的组成，除了目的基因外，还必须有启动子、终止子以及标记基因等。有了启动子，RNA聚合酶与启动子结合才能驱动基因转录出mRNA。终止子在目的基因的尾端，作用是终止转录。标记基因是为了鉴别受体细胞中是否有目的基因。
方法四 转基因生物的安全性问题
典例4 器官移植是治疗人类某些疾病的有效方法，如肾衰竭的病人可以通过肾脏移植进行治疗，肝癌可以移植肝脏等，请回答有关器官移植的一些问题：
(1)目前器官移植的最大障碍有两个方面：一是移植免疫；二是器官来源。移植免疫主要是细胞膜上的________________________能够被病人的____________系统识别而加以排斥。
(2)国外科学家已经研究用动物的器官作为器官移植的来源，发现猪的内脏器官与人的内脏器官大小、形态等均差不多，研究的重点是改造猪细胞。
①猪细胞膜的基本结构和人细胞膜是相同的，但其上面的__________________和人细胞膜有很大差别。
②改造猪细胞膜主要通过____________________技术进行，具体操作步骤是：第一步：获得目的基因，该目的基因应当是____________________________，所采用的方法有_________。
第二步：将目的基因与____________________结合，最常用的是_______________________。
第三步：将目的基因导入受体细胞，对于猪来说，应导入其____________细胞。在这项技术中，必须使用的工具酶是__________________________。
(3)由于伦理、生态和免疫方面的原因，这项研究被终止了，请你从生态和免疫的角度，谈谈为什么终止这项很有意义的研究工作(提示：人体中有很多与人共生的微生物)。
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案 (1)组织相容性抗原或人类白细胞抗原(HLA) 免疫 (2)①糖蛋白(或蛋白质) ②基因工程 人细胞膜蛋白质合成基因 从基因文库获取、人工合成法 载体 动物病毒(答质粒不可) 受精卵 限制酶和DNA连接酶 (3)人体中有许多与人类共生的微生物，这些微生物与人体可以组成一个群落，这些微生物对人体不但没有危害，而且对人体的健康具有重要作用；猪体内也有很多与猪共生的微生物。由于自然状态下，人体内与猪体内的环境不同，因此与人共生和与猪共生的微生物就不一样，有可能与猪共生的微生物进入人体后，因人体对这些微生物没有免疫力，造成人生病，甚至会产生灾难性的后果，这种后果目前难以预测。所以在没有研究清楚以前不能将猪器官移植到人身上
解析 对于器官移植来说，最重要的是解决免疫问题，发生免疫反应主要是由细胞膜上的有关蛋白质造成的；从理论上讲可以通过基因工程改造相应的蛋白质；提取目的基因后要让目的基因和载体结合，载体可以用质粒、病毒等，但对于动物来说要用动物病毒，对细菌来说可以用质粒等；然后是把目的基因导入受体细胞，在这里受体细胞应该是受精卵；所用的酶是限制酶和DNA连接酶。人体与猪对不同生物或病原体的免疫能力不同，为了避免无法预料的后果，所以停止了实验。
方法链接
对于转基因生物，公众在食物安全、生物安全和环境安全三个方面产生了争论。食物安全主要是指公众担心转基因生物会产生毒蛋白或新的过敏原；生物安全是指担心转基因生物可能会影响到生物多样性；环境安全是指转基因生物可能对环境造成新的污染和破坏。
迁移训练
4．转基因植物可能引起营养成分发生改变的根据是( )
A．部分DNA发生了重组
B．某一基因可以控制合成不同的蛋白质
C．重组DNA控制一种蛋白质的合成
D．有些基因足以使植物体内某些代谢途径发生变化，这可能会导致转基因农作物营养成分的改变
答案 D
解析 转基因作物转入的某些基因足以使植物体内某些代谢途径发生变化，这可能导致其营养成分的改变。
第1课时 基因工程的发展历程和工具
[学习目标] 1.说出基因工程诞生的理论与实践依据、发展阶段和基因工程的含义及主要实验成果。2.举例说出限制性核酸内切酶的作用、特点。3.举例说出DNA连接酶的作用。4.简述质粒的含义、特性及其在基因工程中的作用
一、基因工程的发展历程
1．基因工程是在生物化学、分子生物学和微生物学等学科的基础上发展起来的，正是这些学科的基础理论和相关技术的发展催生了基因工程。阅读教材，填写下表：
年份
科学家
主要成就
1953
沃森和克里克
建立了DNA分子双螺旋结构模型
1957
科恩伯格及其合作者
在大肠杆菌中发现了DNA聚合酶
1958
梅塞尔森和斯塔尔
发现了DNA半保留复制的机理
克里克
提出了描述遗传信息流向的中心法则
1961～
1966
尼伦伯格和霍拉纳等
成功破译全部64种遗传密码
1967
罗思和赫林斯基
发现具有自我复制能力的质粒
其他科学家
在大肠杆菌细胞中发现了DNA连接酶
1970
特明和巴尔的摩
各自在RNA病毒中发现了逆转录酶
史密斯等
分离到第一种特异性很强的限制性核酸内切酶
1977
桑格
测定噬菌体φX174的基因组序列
2.我国拥有自主知识产权的转基因抗虫棉，就是通过精心设计，用“分子工具”构建成的。培育抗虫棉首先要在体外对含有抗虫基因的DNA分子进行“剪切”和“拼接”，然后导入棉花体细胞内，并使重组DNA在细胞中表达(如图)。
由上述资料填写下表，理解基因工程的概念。
操作对象
基因(DNA)
操作环境
生物体外
操作水平
DNA分子水平
技术手段
DNA重组和转基因等技术
目的
创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品
3.分析DNA的平面结构，回答问题：
(1)配对的碱基之间是如何连接的？什么条件会使该类化学键发生断裂？
答案 碱基配对时，A与T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。可用解旋酶断裂，也可高温断裂。
(2) 磷酸与脱氧核糖是如何连接的？该化学键的名称是什么？
答案 每个脱氧核糖上连接着2个磷酸，分别在3号、5号碳原子上。磷酸与脱氧核糖之间的化学键为磷酸二酯键。
二、基因工程的工具酶
1．“分子手术刀”——限制性核酸内切酶(限制酶)
(1)限制酶主要来源于什么生物？大约有多少种？
答案 主要是从近300种微生物中分离纯化出来的。迄今从微生物中分离出了约4000种限制酶。
(2)限制酶的功能特点是什么？其作用部位是什么化学键？
答案 特异性很高，能够识别DNA分子上特定的脱氧核苷酸序列，其作用部位是每条链中特定部位的两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键。
(3)限制酶所识别的序列有何特点？
答案 大多数限制酶的识别序列由6个核苷酸组成，也有一些限制酶的识别序列由4、5或8个核苷酸组成。识别序列中一般具有回文序列。
(4)按照限制酶切割方式的不同，可分为错位切和平切两种。前者切割后两个末端均会留下黏性末端，后者则形成平口末端。如图所示：
2．“分子针线”——DNA连接酶
(1)DNA连接酶的作用是什么？
答案 将双链DNA片段之间的磷酸二酯键连接起来。
(2)试比较解旋酶、限制酶、DNA连接酶和DNA聚合酶作用的异同。
答案 解旋酶使DNA的氢键断开；限制酶使DNA的磷酸二酯键断开形成黏性末端或平口末端；DNA连接酶使DNA片段之间重新形成磷酸二酯键；DNA聚合酶则催化单个的脱氧核苷酸间形成磷酸二酯键聚合成DNA的一条链。如图所示：限制酶、DNA连接酶和DNA聚合酶作用于a(磷酸二酯键)，解旋酶作用于b(氢键)。
三、“分子搬运工”——载体
1．常用的载体有哪些？最常用的载体是什么？
答案 质粒、λ噬菌体的衍生物、动植物病毒等。其中最常用的载体是质粒。
2．什么是质粒？质粒属于细胞器吗？
答案 质粒来源于许多细菌和酵母菌等生物，是一种裸露的、结构简单、独立于细菌拟核DNA之外，并具有自我复制能力的环状DNA分子。质粒不属于细胞器，原核细胞只有核糖体一种细胞器。
3．结合课本内容及图示质粒结构，分析质粒作为载体应具备哪些条件？
答案 (1)含有复制原点且能保证在受体细胞中进行独立复制的复制区；(2)独特的标记基因；(3)具有目的基因插入位点。
4．质粒上存在的标记基因有何用途？
答案 重组质粒上携带的标记基因进入受体细胞后，可通过标记基因进行鉴定和选择。如被含抗生素抗性基因的重组质粒侵入的大肠杆菌，可产生对抗生素的抗性，能够在含有抗生素的培养基上产生菌落，而没有侵入该质粒的大肠杆菌不能存活。
一、DNA分子的“剪切”和“拼接”
如图为DNA分子的切割和连接过程，据图回答下列问题。
(1)EcoRⅠ是一种______________________酶，其识别序列是__________________，切割位点是______________与____________________之间的____________键。切割结果产生的DNA末端片段形式为________________。
(2)不同来源的DNA片段结合，在这里需要的酶是____________连接酶，此酶的作用是在__________________和________________之间形成__________键而起缝合作用的。还有一种连接平口末端的连接酶是__________。
答案 (1)限制性核酸内切 GAATTC 鸟嘌呤脱氧核苷酸 腺嘌呤脱氧核苷酸 磷酸二酯 黏性末端
(2)E·coliDNA 鸟嘌呤脱氧核苷酸 腺嘌呤脱氧核苷酸 磷酸二酯 T4DNA连接酶
解析 限制酶能识别特定的脱氧核苷酸序列(碱基序列)，并使两个特定核苷酸之间的磷酸二酯键断裂，DNA连接酶的作用是将不同来源的DNA片段连接起来。
二、“分子搬运工”——载体
在基因工程中，需要使用限制酶切割目的基因和质粒，便于重组和筛选。已知限制酶Ⅰ的识别序列和切点是—G↓GATCC—，限制酶Ⅱ的识别序列和切点是—↓GATC—。
(1)上述质粒用限制酶________切割，目的基因用限制酶________切割。
(2)将切下的目的基因片段插入质粒的切口处，还要加入适量的________。
(3)请指出质粒上至少要有一个标记基因的理由：__________________________。
(4)不同生物的基因可以拼接的结构基础是_________________________________。
(5)酶切产物用DNA连接酶连接后，其中由两个DNA片段之间连接形成的产物有___________________、___________________、_______________三种。
答案 (1)Ⅰ Ⅱ (2)DNA连接酶 (3)检测重组质粒(或目的基因)是否导入受体细胞
(4)DNA结构基本相同(其他合理答案亦可)
(5)目的基因—载体连接物 载体—载体连接物 目的基因—目的基因连接物
1．下图表示一项重要的生物技术，对图中物质a、b、c、d的描述，正确的是( )
A．通常情况下，a与d需要用同一种限制酶进行切割
B．b能识别特定的核苷酸序列，并将A与T之间的氢键切开
C．c连接双链间的A和T，使黏性末端处碱基互补配对
D．b代表的是限制性核酸内切酶，c代表的是RNA聚合酶
答案 A
解析 b是限制性核酸内切酶，能识别特定的脱氧核苷酸序列并使DNA分子的每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开，而不是使氢键断开；c是DNA连接酶，能连接两个DNA片段。
2．关于限制酶识别序列和切开部位的特点，叙述错误的是( )
A．所识别的序列都可以找到一条中轴线
B．中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的
C．只识别和切割特定的脱氧核苷酸序列
D．在任何部位都能将DNA切开
答案 D
解析 一种限制酶只能识别一种特定的脱氧核苷酸序列，并且能在特定的位点上切割DNA分子。
3．质粒之所以能做基因工程的载体，是由于它( )
A．含蛋白质，从而能完成生命活动
B．能够自我复制，且能保持连续性
C．含RNA，能够指导蛋白质的合成
D．具有环状结构，能够携带目的基因
答案 B
解析 质粒存在于细菌和酵母菌等微生物中，是一种很小的环状DNA分子，其上有标记基因，便于检测。质粒在受体细胞中，能随受体细胞DNA的复制而复制，进行目的基因的扩增和表达。
4．下列关于DNA连接酶的叙述，不正确的是( )
A．可催化相同黏性末端的DNA片段之间的连接
B．可催化相同平口末端的DNA片段之间的连接
C．可催化两个黏性末端互补碱基氢键的形成
D．可催化DNA分子两条链的脱氧核糖与磷酸之间磷酸二酯键的形成
答案 C
解析 氢键是分子间作用力，其断裂和形成与DNA连接酶无关。
5．下列哪项不是基因工程中经常使用的载体( )
A．细菌质粒B．λ噬菌体的衍生物
C．动植物病毒D．细菌拟核区的DNA
答案 D
解析 细菌拟核区的DNA分子不具备载体的基本条件，不能用作基因工程的载体。
基础再现
1．实施基因工程的最终目的是( )
A．提取生物体的DNA分子
B．对DNA分子进行人工剪切
C．在生物体外对DNA分子进行改造
D．创造符合人们需要的新生物类型和生物产品
答案 D
解析 A、B、C三项均为基因工程操作的具体内容，但不是基因工程的目的。实施基因工程的最终目的是通过基因操作定向改造生物的遗传物质，创造符合人们需要的新的生物类型和生物产品。
2．下列关于限制酶的叙述中，错误的是( )
A．它能在特定位点切割DNA分子
B．同一种限制酶切割不同的DNA分子产生的黏性末端能够很好地进行碱基配对
C．它能任意切割DNA，从而产生大量DNA片段
D．每一种限制酶只能识别特定的脱氧核苷酸序列
答案 C
解析 限制酶是基因工程的重要工具之一。每种限制酶只能识别特定的脱氧核苷酸序列，并在特定的位点上切割DNA分子。同一种限制酶切割不同的DNA分子产生的黏性末端能进行碱基互补配对。
3．下列有关限制酶的说法，正确的是( )
A．限制酶主要是从真核生物中分离出来的
B．限制酶的识别序列只能由6个核苷酸组成
C．限制酶能识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列，并使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开
D．限制酶切割产生的DNA片段末端都为黏性末端
答案 C
解析 限制酶主要存在于微生物中。少数限制酶的识别序列由4、5或8个核苷酸组成。一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并且能在特定的位点上切割DNA分子，切开后形成黏性末端或平口末端。
4．如图，两个核酸片段在适宜条件下，经X酶的催化作用，发生下述变化，则此酶是( )
A．DNA连接酶B．RNA聚合酶
C．DNA聚合酶D．限制酶
答案 A
解析 DNA连接酶可以将双链DNA片段互补的黏性末端连接起来。
5．作为基因工程中的“分子搬运工”——载体，应具备的条件是( )
①必须有一个至多个限制酶的切割位点，以便目的基因可以插入到载体上 ②必须具备自我复制的能力，或整合到受体染色体DNA上随染色体DNA的复制而同步复制 ③必须带有标记基因，以便进行重组后的筛选 ④必须是安全的，不会对受体细胞有害，或不能进入到除受体细胞外的其他生物细胞中去 ⑤大小应合适，太大则不易操作
A．①②③④B．①②③⑤
C．①②④⑤D．①②③④⑤
答案 D
解析 基因操作中要使载体携带目的基因，其上必须有一个至多个限制酶的切割位点，以便目的基因可以插入到载体上；载体必须具备自我复制的能力，或整合到受体染色体DNA上随染色体DNA的复制而同步复制；必须带有标记基因，以便进行重组后的筛选；必须是安全的；大小应合适，太大则不易操作。
能力提升
6．下列对基因工程的理解，正确的是( )
①它是一种按照人们的意愿，定向改造生物遗传特性的工程 ②对基因进行人为改造 ③是体外进行的人为的基因重组 ④在实验室内，利用相关的酶和原料合成DNA ⑤主要技术为体外DNA重组技术和转基因技术
⑥在DNA分子水平进行操作 ⑦一旦成功，便可遗传
A．①②③④⑤⑥B．①③④⑤⑥⑦
C．①②③⑤⑥⑦D．①③⑤⑥⑦
答案 D
解析 基因工程可以对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生出人类所需要的基因产物的技术，而不是对基因进行人为改造。
7．基因工程在操作过程中需要限制酶、DNA连接酶、载体三种工具。以下有关基本工具的叙述，正确的是( )
A．所有限制酶的识别序列均由6个核苷酸组成
B．所有DNA连接酶均能连接黏性末端和平口末端
C．真正被用作载体的质粒都是天然质粒
D．原核生物内的限制酶可切割入侵的DNA分子而保护自身
答案 D
解析 大多数限制酶的识别序列由6个核苷酸组成，也有少数限制酶的识别序列由4、5或8个核苷酸组成；DNA连接酶包括E·coli DNA连接酶和T4DNA连接酶，前者只能将双链DNA片段互补的黏性末端连接起来；在基因工程操作中，真正被用作载体的质粒，都是在天然质粒的基础上进行过人工改造的。
8．现有一长度为1000碱基对(bp)的DNA分子，用限制性核酸内切酶EcoRⅠ单独酶切后得到的DNA分子仍是1000bp，用KpnⅠ单独酶切得到400bp和600bp两种长度的DNA分子，用EcoRⅠ、KpnⅠ同时酶切后得到200bp和600bp两种长度的DNA分子。该DNA分子的酶切图谱正确的是( )
答案 D
解析 由题干条件可知用EcoRⅠ酶切后，并不能将DNA分为两段，故可判断为环状DNA，再根据“用EcoRⅠ、KpnⅠ同时酶切后得到200 bp和600 bp两种长度的DNA分子”，可得到答案D。
9．下列黏性末端是由同一种限制酶切割而成的是( )
①TCGGACTTAA
②ACTGTCCA
③AATTCG
④AGCTTCAG
A．①②B．①③C．①④D．②③
答案 B
解析 只有①和③两个黏性末端的碱基是互补的，可以说明一般情况下是由同一种限制酶切割而成的。
10．下列有关细菌质粒的叙述中，正确的是( )
A．质粒是存在于细菌细胞中的一种颗粒状的细胞器
B．质粒是细菌细胞中能自我复制的小型环状DNA分子
C．质粒只有在侵入宿主细胞后在宿主细胞内复制
D．细菌质粒的复制过程一定是在宿主细胞外独立进行的
答案 B
解析 质粒是细菌细胞质中能自我复制的小型环状DNA分子，可以在细菌细胞内或宿主细胞内复制。
11．通过DNA重组技术使原有基因得以改造的动物称为转基因动物。运用这一技术可以使羊奶中含有人体蛋白质，下图表示了这一技术的基本过程，在该工程中所用的基因“剪刀”能识别的序列和切点是—G↓GATCC—，请回答下列问题：
(1)从羊染色体中“剪下”羊蛋白质基因的酶是______________。人体蛋白质基因“插入”后连接在羊体细胞染色体中时需要的酶是________________。
(2)请画出质粒被切割形成黏性末端的过程图。
(3)人体蛋白质基因之所以能“插入”到羊的染色体内，原因是____，“插入”时用的工具是________，其种类有________________________。
答案 (1)限制酶 DNA连接酶
(2)
(3)基因的组成、碱基配对方式和空间结构是相同的 载体 质粒、动植物病毒、λ噬菌体的衍生物等
解析 基因工程所用的工具酶是限制酶和DNA连接酶，不同生物的基因之所以能整合在一起，是因为基因的组成、碱基配对方式和空间结构是相同的。将目的基因导入受体细胞，离不开载体的协助，基因工程中常用的载体除质粒外，还有动植物病毒、λ噬菌体的衍生物等。
12．下图表示两种限制性核酸内切酶识别DNA分子特定序列，并在特定位点对DNA进行切割的示意图，请回答以下问题：
甲：
5′—T—C—G—A—A—T—T—C—
3′—A—G—C—T—T—A—A—G—
—T—C—G— —A—A—T—T—C—
—A—G—C—T—T—A—A— —G—
乙：
5′—G—T—T—A—A—C—
3′—C—A—A—T—T—G—
—G—T—T— —A—A—C—
—C—A—A— —T—T—G—
(1)图中甲和乙代表__________________________________________。
(2)EcoRⅠ、HpaⅠ代表___________________________________________。
(3)图中甲和乙经过相应操作均形成两个片段，切口的类型分别为________________、__________________。
(4)由图解可以看出，限制酶的作用特点是_________________________________。
答案 (1)有特殊脱氧核苷酸序列的DNA片段 (2)两种不同的限制酶 (3)黏性末端 平口末端 (4)每种限制酶都能识别特定的脱氧核苷酸序列并从特定的位点将DNA分子切开
解析 从图解可以看出，甲和乙代表的是不同的DNA片段，在相应的限制酶(EcoRⅠ、HpaⅠ)的作用下，在特定的位点被剪切成两部分。前者是在识别序列的中心轴线两侧分别切开，形成的末端是黏性末端；后者是在识别序列的中心轴线处切开，则产生平口末端。EcoRⅠ能将甲片段以图中方式剪切成两部分，但不能将乙片段剪切成两部分，说明每种限制酶的识别序列和切点具有高度的专一性。
个性拓展
13．根据模拟制作重组DNA分子的活动，甲DNA分子、乙DNA分子被EcoRⅠ酶(识别序列为GAATTC，并在G与A之间切开)酶切后，即可获得所需要的目的基因和质粒，回答以下问题：
(1)绿色硬纸板(甲DNA分子)的碱基序列为：
……ATAGCATGCTATCCATGAATTCGGCATAC……
……TATCGTACGATAGGTACTTAAGCCGTATG……
红色硬纸板(乙DNA分子)的碱基序列为：
……TCCTAGAATTCTCGGTATGAATTCCATAC……
……AGGATCTTAAGAGCCATACTTAAGGTATG……
其中，________DNA分子含有“目的基因”，__________DNA分子是“质粒”。
(2)用“剪刀”进行切割。酶切割位点在______(“a处”还是“b处”)，请用“‖”在甲、乙两DNA分子上标出EcoRⅠ酶的酶切位点。
(3)你模拟插入的DNA片段能称得上一个基因吗？____________________。
答案 (1)乙 甲 (2)a处
绿色硬纸板(甲DNA分子)的碱基序列为：
……ATAGCATGCTATCCATG‖AATTCGGCATAC……
……TATCGTACGATAGGTACTTAA‖GCCGTATG……
红色硬纸板(乙DNA分子)的碱基序列为：
……TCCTAG‖AATTCTCGGTATG‖AATTCCATAC……
……AGGATCTTAA‖GAGCCATACTTAA‖GGTATG……
(3)不能
第2课时 基因工程的实施过程
[学习目标] 1.简述基因工程的原理。2.简述获取目的基因的方法。3.简述构建基因表达载体的过程。4.简述将目的基因导入受体细胞的过程。5.简述目的基因的检测与鉴定。
一、基因工程的基本技术操作
基因工程涉及哪些技术操作？
答案 主要包括：获取目的基因、构建基因表达载体、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测和鉴定等步骤。
二、获取目的基因
阅读教材内容，回答相关问题：
1．什么是目的基因？
答案 主要是指编码蛋白质的基因，也可以是一些具有调控作用的因子。
2．获取目的基因的常用方法有哪些？
答案 (1)从基因文库中获取；(2)利用PCR技术扩增目的基因；(3)化学方法直接人工合成等。
3．什么是基因文库？如何构建基因文库？
答案 先用酶切等方法将某种生物细胞的整个基因组DNA切割成大小合适的片段，再分别与载体连接起来，导入受体菌的群体并储存起来，这样每个受体菌可能分别含有该种生物的不同基因，这个群体被称为基因文库。
4．基因文库包括基因组文库和部分基因文库两种，二者有何不同？
答案 基因组文库包含了某种生物全部的基因，部分基因文库只包含了某种生物的部分基因。
5．如何从基因文库中获取某种目的基因呢？
答案 只要根据基因的核苷酸序列、基因的功能、基因在染色体上的位置、基因的转录产物mRNA、基因的表达产物蛋白质等信息，就可以直接从基因文库中获取目的基因。
6．什么是PCR技术？其原理是什么？
答案 PCR是多聚酶链式反应的缩写。这项技术是在体外通过酶促反应有选择地大量扩增目的基因或DNA序列的技术。原理是DNA分子半保留复制。
7．分析下面DNA的复制过程示意图，并填空。
DNA复制是一个边解旋边复制的过程，以解开的每一段母链为模板，在DNA聚合酶等酶的作用下，利用细胞内游离的四种脱氧核苷酸为原料，按照碱基互补配对原则，各自合成与母链互补的一段子链，复制结束后，一个DNA分子就形成了两个完全相同的DNA分子。
8．结合上述过程，总结利用PCR技术进行DNA复制需要哪些条件？
答案 引物、模板DNA、四种脱氧核苷酸和热稳定DNA聚合酶(TaqDNA聚合酶)，及严格控制的温度条件等。
9．分析下图PCR技术示意图，并填空。
(1)变性：加热至94℃，使DNA中的氢键断裂，双链解开。
(2)退火(复性)：冷却至55℃，引物与单链相应互补序列结合。
(3)延伸：加热至72℃，在DNA聚合酶的作用下，沿模板延伸子链，最终合成2条DNA分子。
10．若PCR过程中，扩增循环的次数是n，则目的基因的量将被扩增2n倍。
11．对于比较小的目的基因，在弄清脱氧核苷酸序列后，通过DNA合成仪直接人工合成。
三、构建基因表达载体
阅读教材，回答相关问题：
1．基因工程的核心是什么？
答案 基因工程的核心是构建基因表达载体。
2．由基因表达载体模式图可以看出，基因表达载体除含有目的基因外，还必须有启动子、终止子、标记基因、复制原点等。目的基因插在启动子和终止子之间。
基因表达载体模式图
3．请尝试分析各结构的作用。
答案 (1)启动子：位于目的基因上游的一段核苷酸序列，是RNA聚合酶识别、结合的部位。它驱动基因的转录活动，并引发相应的mRNA合成。
(2)终止子是一段特殊的DNA片段，是载体上终止目的基因转录的核苷酸序列。
(3)标记基因的作用是为了鉴别受体细胞中是否含有目的基因，以便筛选出含有目的基因的细胞。常用的标记基因主要是抗性基因、某些生化表型基因。
4．对切割质粒和目的基因的酶有何要求？
答案 用同一种限制酶切割含目的基因的DNA分子和质粒，这样形成的黏性末端相同。
5．终止子与终止密码子有何不同？
答案 终止子是DNA分子上决定转录停止的一段特殊结构的DNA片段；终止密码子是指mRNA分子上决定翻译停止的三个相邻碱基。
四、导入目的基因
1．阅读教材，比较各类目的基因导入受体细胞的方法，并填写下表。
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
体细胞
受精卵
原核细胞
转化过程
将目的基因插入Ti质粒的T-DNA上→农杆菌→导入植物细胞→融合到受体细胞染色体的DNA上→表达
将含有目的基因的表达载体提纯→取受精卵→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→重组表达载体与感受态细胞混合→感受态细胞吸收DNA分子
2.农杆菌转化法主要适用于哪些生物？
答案 主要适用于双子叶植物和裸子植物。
五、检测和鉴定目的基因
阅读教材相关内容，回答问题。
1．基因的功能是什么？
答案 基因通过复制把遗传信息传递给下一代，并通过转录和翻译，控制蛋白质的合成，从而控制生物的个体性状表现。
2．目的基因在受体细胞内能够维持稳定和表达其遗传特性，需要逐步进行检测。分析下面示意图，回答问题。
(1)上图采用DNA分子杂交法，目的是要检测什么？
答案 检测转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因。
(2)什么是基因探针？
答案 一段用放射性同位素标记，且与目的基因或特定的靶分子序列互补的核酸序列。如果出现杂交带，就表明目的基因已插入染色体DNA中或已经转录出了mRNA。
(3)如果要检测目的基因是否转录出了mRNA分子，还应该从RNA水平检测重组体，此时与基因探针杂交的是什么物质？
答案 从待测转基因生物细胞中提取的mRNA分子。
(4)检测目的基因是否翻译成蛋白质：采用抗原—抗体杂交法。具体做法又如何？
答案 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，若有杂交带出现，表明目的基因已形成蛋白质产品。
3．细胞中合成相应蛋白质，生物体却不一定呈现特定的性状。
观察图示，判断抗虫棉的接种实验属于个体水平鉴定，通过做抗虫(或抗病)的接种实验，以确定是否具有抗性及抗性的程度。
一、利用PCR技术扩增目的基因
样品DNA经PCR技术扩增，可以获取大量DNA分子克隆。在试管中进行DNA的人工复制(如图)。可以在很短的时间内，将DNA扩增几百万倍甚至几十亿倍，使实验室所需的遗传物质不再受限于活动的生物体。据图回答下列问题：
(1)PCR技术的原理是____________________，图中A过程表示________。
(2)某样品DNA中共含3000个碱基对，碱基数量满足：(A＋T)∶(G＋C)＝1/2，现欲得到100个与样品相同的DNA，至少需要向试管中加入______个腺嘌呤脱氧核苷酸。
(3)A过程也称为DNA的变性，此过程在温度高达90～95℃时才能完成，说明DNA分子具有__________性。利用PCR技术获取目的基因的前提是______________________________。
(4)由图中信息分析可知，催化C过程的酶是____________，它与正常细胞里的酶的区别是________________。
答案 (1)DNA分子半保留复制 DNA解旋
(2)99000
(3)稳定 要有一段已知的目的基因核苷酸序列
(4)热稳定DNA聚合酶(或TaqDNA聚合酶) 能耐高温
解析 PCR技术是利用DNA双链半保留复制的原理，将基因的核苷酸序列不断地加以复制，使其数量呈指数形式增加。其前提是要有一段已知的目的基因核苷酸序列，以便根据这一序列合成引物。扩增的过程是目的基因DNA受热变性后解链为单链，引物与单链相应互补序列结合，然后在耐高温的DNA聚合酶的作用下进行延伸，如此重复循环结合，使目的基因呈指数形式扩增。
二、农杆菌转化法的应用
为扩大可耕地面积，增加粮食产量，沿海滩涂盐碱地的开发利用备受关注。我国科学家应用耐盐碱基因培育出了耐盐碱水稻新品系。请据图回答下列问题：
(1)获取真核生物的基因通常采用人工合成法，通过图示中①方法合成的耐盐碱基因中是不含________________________的，如果要将耐盐碱基因和质粒重组，应该在基因两侧的A和B位置除了接上以上两个结构外还需分别加入____________________限制酶识别序列，这样设计的优点有利于质粒和目的基因定向连接。
(2)在步骤⑤⑥过程中都需用__________处理两类细菌。
(3)图示中构建基因表达载体完成后为什么没有直接导入农杆菌，而是先将其导入大肠杆菌？
________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(4)一般情况下农杆菌不能感染的植物是________植物。利用农杆菌自然条件下感染植物的特点，能实现____________________。具体原理是在农杆菌的Ti质粒上存在T-DNA片段，它具有可转移至受体细胞并整合到受体细胞______________上的特点，因此只要将携带外源基因的DNA片段插入到____________(部位)即可。
(5)根据T-DNA这一转移特点，推测该DNA片段上可能含有控制____________________ (酶)合成的基因。
(6)结合农杆菌转化过程，分析该过程中进行了哪些拼接和导入？
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(7)结合目的基因导入细菌和植物的过程，分析目的基因在受体细胞内的存在形式一般有哪几种？
答案 (1)启动子和终止子 EcoRⅠ、SmaⅠ (2)Ca2＋
(3)目的是获取大量重组质粒(让目的基因扩增)。常采用大肠杆菌等原核生物作为受体细胞，因为原核生物繁殖快，多为单细胞，遗传物质相对较少，有利于目的基因的复制与表达 (4)单子叶 将目的基因导入植物细胞染色体的DNA T-DNA片段(内部) (5)DNA连接酶、限制酶 (6)农杆菌转化法中有两次拼接和两次导入。第一次拼接是将目的基因拼接到Ti质粒上T-DNA的中间部位，第二次拼接非人工操作，指被插入目的基因的T-DNA拼接到受体细胞的染色体DNA上；第一次导入是将含目的基因的Ti质粒重新导入农杆菌，第二次导入非人工操作，是指含目的基因的T-DNA进入受体细胞
(7)目的基因在受体细胞内的存在形式一般有以下两种：
三、检测和鉴定目的基因
1．基因探针：以DNA分子中目的基因的一条单链为探针，用放射性同位素或荧光分子等进行标记，根据碱基互补配对原则，与被检测DNA分子进行碱基互补配对，看是否形成杂交带。
2．DNA分子杂交法：用标记的基因探针与转基因生物基因组中的DNA进行碱基互补配对。
3．分子杂交技术：用标记的基因探针与转基因生物细胞中提取的mRNA进行碱基互补配对。
4．抗原—抗体杂交法：利用目的基因合成的蛋白质导入动物体内，制备单一抗体，与转基因生物细胞中提取的蛋白质能进行特异性地识别并结合。
1．下列关于基因文库的说法，错误的是( )
A．可分为基因组文库和部分基因文库
B．可以从基因文库中获取基因工程所需的目的基因
C．基因组文库的基因在不同物种之间均可进行基因交流
D．同种生物的部分基因文库基因数量较基因组文库基因数量少
答案 C
解析 基因组文库只有部分基因能够在不同物种之间进行基因交流。
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逆转录法 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
答案 D
解析 PCR技术利用的是DNA双链复制原理，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。逆转录法则是以目的基因转录成的信使RNA为模板，在逆转录酶的作用下，先逆转录形成互补的单链DNA，再合成双链的DNA。①④均不需要模板。
3．在基因工程技术中，需要用到CaCl2处理的环节是( )
A．目的基因的提取和导入
B．目的基因与载体结合
C．将目的基因导入受体细胞
D．目的基因的检测与表达
答案 C
解析 将目的基因导入原核生物受体细胞时，首先用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，然后在一定条件下促进感受态细胞吸收DNA分子，完成转化。
4．基因工程中因受体细胞不同，目的基因导入的方法也不同，下列叙述不正确的是( )
A．将目的基因导入棉花细胞内常用花粉管通道法
B．将目的基因导入老鼠细胞内常用显微注射法
C．将目的基因导入大肠杆菌内常用感受态细胞转化法
D．将目的基因导入小麦细胞内常用农杆菌转化法
答案 D
解析 小麦是单子叶植物，其受伤后不能分泌酚类物质，农杆菌对它没有感染能力。
5．目的基因导入受体细胞后，是否可以稳定维持和表达其遗传特性，只有通过鉴定和检测才能知道。下列属于目的基因检测和鉴定的是( )
①检测受体细胞是否有目的基因 ②检测受体细胞是否有致病基因 ③检测目的基因是否转录出mRNA ④检测目的基因是否翻译成蛋白质
A．①②③ B．②③④
C．①③④ D．①②④
答案 C
解析 目的基因的检测包括：检测转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因，方法是用DNA探针与基因组DNA杂交；检测目的基因是否转录出了mRNA，方法是分子杂交技术；最后检测目的基因是否翻译出了蛋白质，方法是进行抗原—抗体杂交。
基础再现
1．水母发光蛋白由236个氨基酸构成，其中Asp、Gly、Ser构成发光环，现已将这种蛋白质的基因作为生物转基因的标记，在转基因技术中，这种蛋白质的作用是( )
A．促使目的基因导入宿主细胞中
B．促使目的基因在宿主细胞中复制
C．使目的基因容易被检测出来
D．使目的基因容易成功表达
答案 C
2．如图为用于基因工程的一个质粒示意图。用EcoRⅠ限制酶切割目的基因和该质粒，再用DNA连接酶连接形成重组质粒，然后导入大肠杆菌，最后将大肠杆菌放在四种培养基中培养：a—无抗生素的培养基，b—含四环素的培养基，c—含氨苄青霉素的培养基，d—含四环素和氨苄青霉素的培养基。含重组质粒的大肠杆菌能生长的是( )
A．a B．a和c
C．a和b D．b和c
答案 B
3．在胰岛素的基因与质粒形成重组DNA分子的过程中，下列哪组是所需要的( )
①同一种限制酶切割两者 ②不需同一种限制酶切割两者 ③加入适量的DNA连接酶 ④不需加DNA连接酶
A．①③ B．①④
C．②④ D．②③
答案 A
解析 目的基因与载体重组需要两者具有完全相同的黏性末端，而一般只有用同一种限制酶切割目的基因和质粒才能切出相同的黏性末端，目的基因插入质粒实现重组，必须在DNA连接酶作用下才能完成。
4．人们将苏云金芽孢杆菌中的抗虫基因导入棉花细胞中培育成为抗虫棉，这个过程中所利用的主要原理是( )
A．基因突变 B．基因重组
C．基因工程 D．染色体变异
答案 B
解析 将苏云金芽孢杆菌的抗虫基因导入棉花细胞中，通过DNA复制、转录、翻译合成特定的蛋白质，表现出特定的性状。此题易错选C。基因工程是一种技术手段，而不是生物学原理，抗虫棉的培育利用的是基因工程这一技术手段使基因发生重组。
5．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。下列选项中能说明目的基因完成了在受体细胞中的表达的是( )
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其mRNA
C．山羊乳腺细胞中检测到人生长激素DNA序列
D．酵母菌细胞中提取到人干扰素蛋白
答案 D
解析 基因表达的产物是蛋白质，因此，只有在受体细胞中检测或提取到了相应蛋白质才能证明目的基因在受体细胞中完成了表达。A、C项只能说明完成了目的基因的导入，B项只能说明完成了目的基因的导入和目的基因的转录过程。
能力提升
6．在基因工程技术中，下列方法与目的基因获得无关的是( )
A．辐射诱变法 B．从部分基因文库中获取
C．逆转录法 D．人工合成法
答案 A
7．在基因表达载体的构建中，下列说法不正确的是( )
①一个基因表达载体的组成包括目的基因、启动子、终止子 ②有了启动子才能驱动基因转录出mRNA ③终止子的作用是使转录在所需要的地方停止 ④所有基因表达载体的构建是完全相同的
A．②③ B．①④
C．①② D．③④
答案 B
解析 一个基因表达载体的组成，除了目的基因外，还必须有启动子、终止子以及标记基因等。由于目的基因的不同，所构建的基因表达载体也是不同的。其中，启动子是与RNA聚合酶识别、结合的位点，控制着转录的开始；而终止子控制着转录的结束。
8．如图表示利用农杆菌转化法获得某种转基因植物的部分操作步骤。以下说法错误的是( )
A．利用含有四环素的培养基可将含Ⅱ的细菌筛选出来
B．Ⅲ是农杆菌，通过步骤③将目的基因导入植株
C．⑥可与多个核糖体结合，并可以同时翻译出多种蛋白质
D．①过程的完成需要限制酶和DNA连接酶的参与
答案 C
解析 ⑥是一个mRNA分子，可与多个核糖体结合形成多聚核糖体，由于翻译的模板是同一个mRNA分子，故翻译出的是同一种蛋白质。
9．用某人的胰岛素基因制成的DNA探针，能与之形成杂交分子的是( )
①该人胰岛A细胞中的DNA ②该人胰岛B细胞中的mRNA ③该人胰岛A细胞中的mRNA ④该人肝细胞中的DNA
A．①③④ B．①②③
C．①②④ D．②
答案 C
解析 人的胰岛素基因存在于人的所有体细胞中，因此该人胰岛A细胞和肝细胞中均含有胰岛素基因，可与用胰岛素基因制成的DNA探针形成杂交分子。该人胰岛B细胞中的mRNA有一部分是由胰岛素基因转录形成的，也能与用胰岛素基因制成的DNA探针形成杂交分子。
10．农杆菌中含有一个大型的Ti质粒(如右图所示)，在侵染植物细胞的过程中，其中的T-DNA片段转入植物的基因组。若想用基因工程并通过农杆菌向某种植物中导入抗旱基因，以下分析不合理的是( )
A．若用Ti质粒作为抗旱基因的载体，目的基因的插入位置应该在T-DNA片段内，且要保证复制起始点和用于转移T-DNA的基因片段不被破坏
B．将重组Ti质粒导入农杆菌中时，可以用Ca2＋处理细菌
C．转基因抗旱植物培育是否成功的最简单检测方法是看该植物是否具有抗旱性状
D．若能够在植物细胞中检测到抗旱目的基因，则说明该基因工程项目获得成功
答案 D
解析 若用Ti质粒作为抗旱基因的载体，目的基因的插入位置应该在T-DNA片段内，且要保证复制起始点、终止点和用于转移T-DNA的基因片段不被破坏，否则不会成功；将重组Ti质粒导入农杆菌中时，可以用Ca2＋处理细菌，便于完成转化；转基因抗旱植物培育是否成功的最简单检测方法是看该植物是否具有抗旱性状；能够在植物细胞中检测到抗旱目的基因，并能成功表达出抗旱性状，才说明基因工程项目获得成功。
11．阅读下列材料，回答下列问题：
材料 研究表明，玉米的光合效率明显高于水稻的光合效率，这与玉米细胞中的高光效基因有关。
(1)为获得大量的玉米高光效基因，一般采用________技术扩增，该技术的前提是要知道该目的基因的一段脱氧核苷酸序列，以便利用该序列合成________。
(2)将含有高光效基因的DNA(用G表示)与质粒表达载体进行酶切，酶切产物用DNA连接酶进行连接后，其中由两个DNA片段之间连接形成的产物有________、________、________三种。
答案 (1)PCR(多聚酶链式反应) 引物 (2)G－G(连接物) G－质粒(连接物) 质粒－质粒(连接物)
解析 在基因工程中，利用PCR技术扩增目的基因是获取目的基因的主要方法之一。用DNA连接酶连接目的基因与载体，由两个DNA片段之间可连接形成G－G连接物、G－质粒连接物、质粒－质粒连接物三种。
12．酵母菌的维生素、蛋白质含量高，可用于生产食品和药品等。科学家将大麦细胞的LTP1基因导入啤酒酵母菌中，获得的啤酒酵母菌可产生LTP1蛋白，并酿出泡沫丰富的啤酒。基本操作过程如图所示，请据图回答下列问题：
(1)该技术定向改变了酵母菌的性状，这种可遗传的变异属于________________。
(2)从大麦细胞中可直接分离获得LTP1基因，还可采用__________方法获得目的基因。本操作中为了将LTP1基因导入酵母菌细胞内，所用的载体是____________。
(3)要使载体与LTP1基因连接，首先应使用__________进行切割。假如载体被切割后，得到的分子末端序列为AATTCG，则能与该载体连接的LTP1基因分子末端是____________。
A．GCTTAA B．TAATTCC
C．CTTTAG D．AAATCT
(4)切割完成后，采用__________________酶将载体与LTP1基因连接，连接后得到的DNA分子称为________________。
(5)此操作中可以分别用含有青霉素、四环素的两种选择培养基进行筛选，则有C进入的酵母菌在选择培养基上的生长情况是____________________________________________________
________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(6)除了看啤酒泡沫丰富与否外，还可用什么方法检测LTP1基因在啤酒酵母菌中是否表达？______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________。
答案 (1)基因重组 (2)人工合成 质粒 (3)限制酶
A (4)DNA连接 重组DNA(重组质粒) (5)能在含有青霉素的培养基上存活，但不能在含有四环素的培养基上存活 (6)检验转基因啤酒酵母菌能否产生LTP1蛋白
解析 基因工程从变异角度分析应属于基因重组，获取目的基因可采用直接从物种中分离或人工合成等方法，常用的载体是质粒。
个性拓展
13．我国曾经发生过因“非典型性肺炎”而致人死亡的病例，经研究发现，该病是由SARS病毒(一种RNA病毒)感染所引起的疾病。SARS病毒表面的S蛋白是主要的病毒抗原，在SARS病人康复后的血清中有抗S蛋白的特异性抗体。某研究小组为了研制预防SARS病毒的疫苗，开展了前期研究工作，其简要的操作流程如图：
(1)实验步骤①所代表的反应过程是______________。
(2)步骤②构建重组表达载体A和重组表达载体B必须使用限制性核酸内切酶和________酶，后者的作用是将用限制性核酸内切酶切割的__________________和________________连接起来。
(3)如果省略步骤②而将大量扩增的S蛋白基因直接导入大肠杆菌，一般情况下，不能得到表达的S蛋白，其原因是S蛋白基因在大肠杆菌中不能________________，也不能__________________________。
(4)为了检验步骤④所表达的S蛋白是否与病毒S蛋白有相同的免疫反应特性，可用______________________与____________________进行抗原—抗体特异性反应实验，从而得出结论。
(5)步骤④和⑥的结果相比，原核细胞表达的S蛋白与真核细胞表达的S蛋白的氨基酸序列______________(填“相同”或“不同”)，根本原因是______________________________。
答案 (1)逆转录 (2)DNA连接 载体 S蛋白基因
(3)复制 合成S蛋白基因的mRNA (4)大肠杆菌中表达的S蛋白 SARS康复病人血清 (5)相同 表达蛋白质所用的基因相同
解析 在解答本题的过程中，应注意分析图中标注过程的含义。①通过逆转录法获得目的基因；②基因表达载体的构建；③将目的基因导入大肠杆菌(受体细胞)；④目的基因在大肠杆菌体内表达；⑤将目的基因导入动物细胞(受体细胞)；⑥目的基因在动物体内表达。在完成此类习题时，应注意将图中所获得的信息与其他信息结合起来分析，可以大大减少错误。
第3课时 基因工程的应用
[学习目标] 1.举例说出基因工程的应用及取得的丰硕成果。2.关注基因工程的进展。3.认同基因工程的应用促进生产力的提高。
一、动、植物基因工程的成果
1．植物基因工程已经获得了迅猛发展
基因工程在培育农牧业新品种方面有着广泛的成果和发展前景，阅读教材相关内容回答下列问题：
(1)植物基因工程技术在农业中的应用主要有哪些？
答案 主要用于提高农作物的抗除草剂、抗虫、抗病、抗干旱和抗盐碱等方面，还用于改善农作物的品质和利用植物生产药物等方面。
(2)能引起植物生病的微生物有哪些？
答案 主要有病毒、细菌和真菌。
(3)农业害虫的主要防治措施是什么？有何缺点？
答案 对农业害虫的防治，大多是依靠化学农药。大量使用化学农药不仅造成严重的环境污染，损害了人类健康，而且大大增加了生产成本。
(4)分析比较抗虫、抗病转基因植物和其他转基因植物，填写表格。
比较项目
外源基因类型及举例
成果举例
抗虫转基因植物
Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因
抗虫水稻、棉、玉米、大豆等，其中，抗虫棉的发展特别迅速
抗病转基因植物
①抗病毒基因：病毒外壳蛋白基因、病毒的复制酶基因；②抗真菌基因：几丁质酶基因、抗毒素合成基因
抗病毒烟草、抗病毒小麦、抗病毒番茄、抗病毒甜椒
抗逆转基因植物
调节细胞渗透压基因、抗冻蛋白基因、抗除草剂基因
抗盐碱和抗干旱的烟草、抗寒番茄、抗除草剂的大豆、玉米
2.动物基因工程显示出诱人的应用前景
动物基因工程在提高动物生长速度、改善畜产品品质、利用转基因动物生产药物、利用转基因动物作器官移植供体等很多方面显示了广阔的应用前景，阅读教材相关内容，填写表格。
比较项目
外源基因类型及举例
成果举例
提高动物的生长速度
外源生长激素基因
转基因绵羊、转基因鲤鱼
改善畜产品的品质
乳糖酶基因
乳汁中含乳糖较少的转基因牛
用转基因动物生产药物
药用蛋白基因＋乳腺蛋白基因的启动子
转基因动物具有乳腺生物反应器
用转基因动物作器官移植供体
抑制抗原决定基因表达的某种调节因子或除去供体的抗原决定基因
无免疫排斥反应的转基因猪
3.运用基因工程改良动植物品种，与传统育种相比，有何优点？
答案 最突出的优点是能打破常规育种难以突破的物种界限。
二、基因工程和人类健康关系密切
1．基因工程药物
(1)真、原核细胞在细胞器方面的主要区别是什么？
答案 原核细胞只有核糖体一种细胞器，而真核细胞含有内质网、高尔基体、线粒体等多种细胞器。
(2)真核细胞的基因导入原核细胞后，合成的蛋白质有什么不同？
答案 由于缺少内质网、高尔基体等细胞器，合成的蛋白质不存在生物活性。
(3)比较生物反应器与工程菌的实际应用，填写下表。
比较项目
动物乳腺反应器
大肠杆菌生产系
基因结构
与人类基因结构相同，使克隆基因相对简单
与人类基因结构有差异
基因产物
与天然蛋白质完全相同
合成的蛋白质可能不存在生物活性
产物提取
存在于乳汁中，易于提取
从细胞中提取分离，相对复杂
生产设备
①农业生产；②提纯设备；③成本低
①工业生产；②精良的生产设备；③成本高
成果
抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素等
人胰岛素、细胞因子、抗体、疫苗、激素等
2.基因诊断
(1)什么是基因诊断？
答案 又称为DNA诊断，是采用基因检测的方法来判断患者是否出现了基因异常或携带病原体等。
(2)如何利用基因诊断技术检测疾病？
答案 用放射性同位素(如32P)或荧光分子标记的DNA分子做探针，利用DNA分子杂交法，鉴定被检测标本上的遗传信息，达到检测疾病的目的。
(3)利用基因诊断检测疾病有何特点？
答案 准确性高，不受细胞类型和发病年龄的限制，可用于一切遗传病的诊断。
3．基因治疗
(1)什么是基因治疗？
答案 利用正常基因置换或弥补缺陷基因的治疗方法。
(2)简述基因治疗的基本步骤。
答案 目的基因的转移→目的基因的表达→安全措施的实施。
(3)目前，利用基因治疗的方法治疗肿瘤是科学研究中的最大特点。
一、转基因植物的培育
科学家将鱼抗冻蛋白基因转入番茄，使番茄细胞的耐寒能力大大提高，可以在相对寒冷的环境中生长。质粒上有PstⅠ、SmaⅠ、HindⅢ、AluⅠ等四种限制酶切割位点，下图是转基因抗冻番茄培育过程的示意图(ampr为抗氨苄青霉素基因)，其中①～④是转基因抗冻番茄培育过程中的相关步骤，Ⅰ、Ⅱ表示相关结构或细胞。请据图回答下列问题：
(1)在构建基因表达载体时，可用一种或者多种限制酶进行切割。为了避免目的基因和载体在酶切后产生的末端发生任意连接，在此实例中，应该选用________________限制酶，分别对__________________________进行切割，切割后产生的DNA片段分别为________种。
(2)培养基中的氨苄青霉素会抑制番茄愈伤组织细胞的生长，要利用该培养基筛选已导入鱼抗冻蛋白基因的番茄细胞，应使基因表达载体中含有__________________，作为标记基因。
(3)研究人员通常采用农杆菌转化法将鱼抗冻蛋白基因导入番茄细胞内。通常采用________________技术，在分子水平检测目的基因是否翻译形成了相应的蛋白质。
答案 (1)PstⅠ、SmaⅠ 鱼抗冻蛋白基因的DNA、质粒 4、2 (2)抗氨苄青霉素基因(或ampr) (3)抗原—抗体杂交
解析 (1)根据题中示意图可知目的基因和质粒都含有PstⅠ和SmaⅠ酶切位点，可以用PstⅠ和SmaⅠ两种限制酶分别切割目的基因和质粒，目的基因上有3个切点，将形成4个DNA片段，质粒上有2个切点，由于质粒为环状DNA，经限制酶切割后形成2个DNA片段。(2)对基因表达载体进行筛选时需要借助质粒上的标记基因即抗氨苄青霉素基因。(3)将目的基因导入植物受体细胞时可利用农杆菌转化法或基因枪法，在翻译水平检测是否形成相应蛋白质时，需利用抗原—抗体杂交技术。
二、生物反应器的研发
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一定进展。最近，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。请回答下列问题：
(1)将人的生长激素基因导入小鼠受体细胞，常用的方法是________________。
(2)进行基因转移时，通常要将外源基因转入__________中，原因是_____________________
_______________________________________________________________________________。
(3)通常采用________________技术检测外源基因是否插入了小鼠的基因组。
(4)在研制膀胱生物反应器时，应使外源基因在小鼠的________________细胞中特异性表达。
(5)相比乳腺生物反应器，膀胱生物反应器有何优点？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案 (1)显微注射法 (2)受精卵(或早期胚胎) 受精卵(或早期胚胎细胞)具有全能性，可使外源基因在相应组织细胞中表达 (3)DNA分子杂交(核酸探针) (4)膀胱上皮 (5)从乳腺生物反应器中提取蛋白质，受体细胞所在个体必须是雌性，从尿液中提取目的基因的产物则不受此限制
解析 在基因工程中，若受体细胞是动物细胞，常采用显微注射法导入目的基因。若要使小鼠膀胱上皮细胞合成人的生长激素，在进行基因转移时，当作受体细胞的通常是受精卵，其原因是受精卵具有全能性，可使外源基因在相应组织细胞中得到表达。检测目的基因是否插入到受体细胞的基因组，通常采用的是DNA分子杂交法。
三、基因诊断和基因治疗
结合ADA基因缺陷症基因治疗流程，分析相关图解，填空并回答问题。
1．在基因治疗过程中，逆转录病毒相当于基因操作工具中的载体(或基因的运输工具)。此基因工程中的目的基因和受体细胞分别是什么？
答案 目的基因是腺苷酸脱氨酶(ADA)基因，目的基因的受体细胞是T淋巴细胞。
2．基因治疗是利用基因工程产品治疗人类疾病吗？
答案 基因治疗只是将正常的基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的，并没有利用基因工程生产的药物。
3．基因治疗是对有缺陷的细胞进行修复吗？
答案 不是。细胞中的缺陷基因并未修复，而是和正常基因同时存在。
4．基因治疗把健康的外源基因导入患者的哪些细胞中？
答案 基因治疗并非把健康的外源基因导入患者的所有细胞中，而只是导入某些功能细胞中，且是体细胞。
5．基因治疗可归纳为下图：
6．对基因诊断与基因治疗的方法进行比较，并填写下表：
项目
方法
备注
基因诊断
制作相应探针，利用DNA分子杂交原理，快速、准确检测人类某种疾病
临床应用阶段
基因治疗
把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，可分为体外基因治疗和体内基因治疗两种方法
仅处于初期的临床试验阶段，仍有许多问题和困难制约该技术的发展
1．下列转基因植物与所选用的目的基因对应错误的是( )
A．抗虫棉——Bt毒蛋白基因
B．抗病毒转基因烟草——几丁质酶基因
C．抗盐碱和抗旱植物——调节细胞渗透压的基因
D．耐寒的番茄——抗冻基因
答案 B
解析 抗病毒转基因植物所采用的基因，常使用病毒外壳蛋白基因和病毒的复制酶基因，几丁质酶基因及抗毒素合成基因一般用作抗真菌转基因植物的目的基因，故B错。
2．人的糖蛋白必须经过内质网和高尔基体加工合成。通过转基因技术，可以使人的糖蛋白基因得以表达的受体细胞是( )
A．大肠杆菌 B．酵母菌
C．T4噬菌体 D．质粒DNA
答案 B
3．科学家已能运用基因工程技术，让羊合成并由乳腺分泌抗体，下列相关叙述中，正确的是( )
①该技术将导致定向变异 ②DNA连接酶把目的基因与载体黏性末端的碱基对连接起来 ③蛋白质中的氨基酸序列可为合成目的基因提供资料 ④受精卵是理想的受体
A．①②③④ B．①③④
C．②③④ D．①②④
答案 B
解析 基因工程可将控制特定性状的外源基因导入受体细胞，从而定向改造生物的性状，而且操作过程不受亲缘关系远近的制约，即克服远缘杂交不亲和的障碍。在基因工程操作程序中，所用的DNA连接酶连接的不是目的基因与载体黏性末端的碱基对，而是目的基因与载体的DNA两条链的骨架，即核苷酸与磷酸的连接，也就是说，DNA连接酶只能催化断开的DNA双链重新形成磷酸二酯键。由蛋白质中的氨基酸序列可推知相应的mRNA中的核苷酸序列，进而可推测相应基因中核苷酸排列顺序，从而可以用化学合成方法人工合成目的基因。转基因羊的乳腺细胞及全身所有的组织细胞均来自受精卵的有丝分裂，遗传物质都与受精卵完全相同，而受精卵体积较大，操作较容易，也能保障发育成的个体的所有细胞都含有外源基因。
4．近年来，基因工程的发展非常迅速，科学家可以用DNA探针和外源基因导入的方法进行遗传病的诊断和治疗，下列做法不正确的是( )
A．用DNA探针检测镰刀型细胞贫血症
B．用DNA探针检测病毒性肝炎
C．用导入外源基因的方法治疗半乳糖血症
D．用基因替换的方法治疗21三体综合征
答案 D
解析 基因工程是基因水平上的现代生物技术，21三体综合征是染色体异常遗传病，是患者第21号染色体比正常人多了一条，无法从基因水平上治疗。
5．《人类基因治疗》报道，在美国佛罗里达大学基因治疗中心接受基因治疗的三名遗传性失明患者都重新获得了一定的视力，并且没有严重的副作用。基因治疗是指( )
A．把健康外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的
B．对有缺陷的细胞进行修复，从而使其恢复正常，达到治疗疾病的目的
C．运用人工诱变方法，使有基因缺陷的细胞发生基因突变，从而恢复正常
D．运用基因工程技术，把有缺陷的基因切除，达到治疗疾病的目的
答案 A
解析 基因治疗只是将正常的基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的，而细胞中的缺陷基因并未修复，和正常基因同时存在，基因治疗也不是切除病变基因或诱发其突变，因而B、C、D的说法都不符合基因治疗的概念。
基础再现
1．我国转基因技术发展态势良好，农业部依法批准发放了转植酸酶基因玉米、转基因抗虫水稻的生产应用安全证书。下列关于转基因玉米和转基因水稻的叙述，不正确的是( )
A．转植酸酶基因玉米的外源基因是植酸酶基因
B．转基因抗虫水稻减少了化学农药的使用，减轻了环境污染
C．转基因抗虫水稻是否具有抗虫性，可通过饲养卷叶螟进行检测
D．转基因抗虫水稻的外源基因是几丁质酶基因
答案 D
解析 转植酸酶基因玉米的外源基因是植酸酶基因，转基因抗虫水稻的外源基因是Bt毒蛋白基因，而几丁质酶基因是抗真菌转基因植物常用的基因；转基因抗虫水稻减少了农药的使用，减轻了环境污染，同时降低了农业生产的成本；检测目的基因是否表达最简便的方法是个体水平的检测。
2．运用现代生物技术的育种方法，将抗菜青虫的Bt毒蛋白基因转移到优质油菜里，培育出抗虫的转基因油菜品种。根据以上信息，下列叙述正确的是( )
A．Bt毒蛋白基因的化学成分是蛋白质
B．Bt毒蛋白基因中会有菜青虫的遗传物质
C．转基因抗虫油菜能产生杀虫蛋白是由于具有Bt毒蛋白基因
D．转基因抗虫油菜产生的杀虫蛋白是无机物
答案 C
解析 转基因油菜抗虫性状的出现，是由于通过转基因技术导入的外源Bt毒蛋白基因在油菜体内表达的缘故。Bt毒蛋白基因为双链的DNA片段，来自原核生物，其中不含有菜青虫的遗传物质。Bt毒蛋白基因表达产生的蛋白质是高分子有机化合物。
3．上海医学遗传研究所成功培育出第一头携带人白蛋白的转基因牛，他们还研究出一种可大大提高基因表达水平的新方法，使转基因动物乳汁中的药物蛋白含量提高30多倍。“转基因动物”是指( )
A．提供基因的动物
B．基因组中增加外源基因的动物
C．能产生白蛋白的动物
D．能表达基因信息的动物
答案 B
解析 转基因生物是指利用基因工程技术导入外源基因培育出的能够将新性状稳定地遗传给后代的基因工程生物。转基因动物是指基因中增加了外源基因的动物，如题中的转基因牛携带有外源的人白蛋白基因。
4．转基因技术可以改良动物品种，生产人类需要的药用蛋白。下列符合生产药用蛋白的是( )
A．养殖转生长激素基因鲑鱼
B．养殖抗口蹄疫病毒转基因兔
C．养殖转乳糖酶基因牛
D．从牛乳汁中获得人血清蛋白
答案 D
解析 基因工程可以利用某些特定的外源基因在哺乳动物体内表达，从这些动物的乳腺细胞中获得人类所需要的各类物质，如激素、白蛋白等。
5．要检测目的基因是否成功地插入到了受体DNA中，需要用基因探针，基因探针是指( )
A．用于检测疾病的医疗器械
B．用放射性同位素或荧光分子等标记的DNA分子
C．合成β－珠蛋白的DNA
D．合成苯丙羟化酶的DNA片段
答案 B
能力提升
6．腺苷酸脱氨酶(ADA)基因缺陷症是一种免疫缺陷疾病，对患者采用基因治疗的方法是：取出患者的T淋巴细胞，进行体外培养时转入正常ADA基因，再将这些T淋巴细胞注入患者体内，使其免疫功能增强，能正常生活。下列有关叙述正确的是( )
A．正常ADA基因替换了患者的缺陷基因
B．正常ADA基因通过控制ADA的合成来影响免疫功能
C．T淋巴细胞需在体外培养成细胞系后再注射入患者体内
D．腺苷酸脱氨酶(ADA)基因缺陷症属于获得性免疫缺陷病
答案 B
解析 基因治疗是将正常的基因导入有基因缺陷的细胞中，正常的ADA基因可以控制合成正常的ADA来影响免疫功能；细胞系阶段的细胞一般都发生了基因突变，故不能培养到细胞系，只是将增殖得到的细胞(株)注射到患者体内；ADA基因缺陷症是先天性免疫缺陷病。
7．下列有关动物基因工程的说法，错误的是( )
A．将外源生长激素基因导入动物体内可提高动物生长速度
B．将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组中，使获得的转基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大减低
C．利用基因工程技术，得到的乳腺生物反应器可以解决很多重要的药品的生产问题
D．用转基因动物作为器官移植的供体时，导入的是调节因子，而不是目的基因，因此无法抑制抗原的合成
答案 D
解析 用转基因动物作为器官移植的供体时，可将器官供体基因组导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因，再结合克隆技术，培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆器官。
8．下列关于基因工程应用的叙述，正确的是( )
A．基因治疗就是把缺陷基因诱变成正常基因
B．基因诊断的基本原理是DNA分子杂交
C．一种基因探针能检测水体中的各种病毒
D．利用基因工程生产乙肝疫苗时，目的基因存在于人体B淋巴细胞的DNA中
答案 B
解析 基因治疗是把正常基因导入有基因缺陷的细胞中；基因诊断是让正常人的DNA与病人基因组中分离出的DNA进行杂交来诊断疾病；一种基因探针只能检测水体中的一种病毒；利用基因工程生产乙肝疫苗时的目的基因是乙肝病毒的核酸。
9．科学家培养的转基因奶牛乳腺细胞能够合成并分泌抗胰蛋白酶，这是动物乳房作为生物反应器研究的重大进展。下列与合成并分泌抗胰蛋白酶无关的是( )
A．核糖体上遗传信息的翻译
B．与细胞中的中心体有联系
C．内质网膜与高尔基体膜相联系
D．奶牛基因与抗胰蛋白酶基因重组
答案 B
解析 中心体与细胞的有丝分裂有关，与抗胰蛋白酶的合成与分泌无关；抗胰蛋白酶的化学成分是蛋白质，在核糖体上合成，然后经过内质网、高尔基体的加工、包装和运输，才成为具有特异功能的抗胰蛋白酶；转基因奶牛体内的抗胰蛋白酶基因是通过基因工程导入并表达的，其原理是基因重组。
10．基因治疗是人类疾病治疗的一种崭新手段，下列有关叙述不正确的是( )
A．基因治疗是治疗人类遗传病的最有效的手段
B．基因治疗是一种利用基因工程产品治疗人类疾病的方法
C．以正常基因替换致病基因属于基因治疗的一种方法
D．基因治疗的靶细胞可以是体细胞和生殖细胞
答案 B
解析 基因治疗是指将人的正常基因或有治疗作用的基因通过一定方式导入人体靶细胞以纠正基因的缺陷或者发挥治疗作用，从而达到治疗疾病目的的生物医学新技术。
11．利用基因工程生产蛋白质类药物，经历了三个发展阶段。第一阶段：将人的基因转入细菌细胞；第二阶段：将人的基因转入小鼠等动物的细胞。前两个阶段都是进行细胞培养，提取药物。第三阶段：将人的基因转入高等动物体内，饲养这些动物，从乳汁、尿液等中提取药物。
(1)将人的基因转入异种生物的细胞或个体内，能够产生药物蛋白的原理是基因能控制__________________________(用遗传信息图示表示)过程。
(2)为了获得更多的目的基因，可以用______________技术使目的基因在生物体外大量扩增。
(3)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。
(4)利用转基因牛、羊乳汁提取药物工艺简单，甚至可以直接饮用治病。如果将药物蛋白基因转移到动物如牛、羊的膀胱上皮细胞中，利用转基因牛、羊尿液生产提取药物比乳汁提取药物的更大优越性在于：处于不同发育时期的________________________(填性别)动物可产生药物。
答案 (1)DNA→RNA→蛋白质(性状) (2)PCR(多聚酶链式反应) (3)低 筛选 (4)雌性、雄性
解析 基因工程成功的标志是合成相应的蛋白质，表达出相应的性状；在实验室中可以通过PCR技术对目的基因进行扩增；目前条件下，基因工程的成功率还是比较低的，所以要进行逐步地筛选；在选择基因表达生物时，要注意方便与可行性。
12．干扰素是治疗癌症的药物，成分是一种糖蛋白，它必须从血液中提取，每升人血中只能提取0.05μg，所以价格昂贵。现在美国加利福尼亚的基因公司用如图所示的方式生产干扰素，试分析回答下列问题：
(1)从人的淋巴细胞中取出______________________，使它同质粒相结合，然后移植到酵母菌体内，让酵母菌__________________。
(2)酵母菌能用__________________方式繁殖，速度很快，能大量生产__________________，不但提高了产量，也降低了成本。
(3)有人尝试将干扰素基因与大肠杆菌的质粒重组，转入大肠杆菌体内后，形成“工程菌”，此种操作能制备到干扰素吗？__________________，请说明理由：______________________
________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(4)中国青年科学家陈炬成功地把人的干扰素基因移植到烟草的DNA分子上，使烟草获得了抗病毒的能力，试分析：
①人的基因之所以能移接到植物体内，其物质基础是______________________________。
②烟草有了抗病能力，这表明烟草体内产生了________________。这个事实说明，人和植物共用一套________________，蛋白质合成方式____________________。
答案 (1)干扰素基因 合成干扰素 (2)出芽生殖 干扰素 (3)不能 大肠杆菌是原核生物，无内质网、高尔基体等细胞器，无法合成糖蛋白 (4)①DNA结构基本相同 ②干扰素 遗传密码 基本相同
解析 (1)通过基因工程构建“工程菌”的方法是：从淋巴细胞中取出干扰素基因，与质粒结合形成重组质粒，并通过相应的检测与鉴定得到相应的酵母菌，然后通过培养该酵母菌，使之合成大量干扰素。(2)酵母菌能进行出芽生殖，迅速繁殖菌体，同时也能大量产生干扰素。(3)由于大肠杆菌是原核生物，无内质网、高尔基体等细胞器，无法合成糖蛋白，因此通常不用来制备干扰素。(4)基因工程的理论基础：由于不同生物的DNA结构基本相同，不同生物能进行基因的移接；同时由于所有生物共用一套遗传密码，因此蛋白质合成方式基本相同，烟草体内可以产生干扰素。
个性拓展
13．如图所示为人体正常红细胞和镰刀型细胞贫血症患者红细胞形态及镰刀型细胞贫血症的基因治疗过程，请回答以下问题：
(1)______________图细胞为镰刀型细胞贫血症的红细胞，这种病是由于______________________造成的。
(2)写出以下结构或物质的名称：
A．________________________________________________________________________；
D．________________________________________________________________________。
(3)写出以下过程的操作内容：
①________________________________________________________________________；
②用携带正常基因的载体(病毒)侵染造血干细胞；
③________________________________________________________________________；
④________________________________________________________________________。
(4)该方法属于________(填“体内”或“体外”)基因治疗，其特点是_______________
___________________________________________________________________________。
答案 (1)乙 基因突变 (2)合成血红蛋白的正常基因(目的基因) 造血干细胞 (3)将正常基因导入到载体中 将载体(携带正常基因)导入到造血干细胞染色体上 经过改造的造血干细胞输入到患者骨髓中产生正常的血细胞 (4)体外 操作复杂但效果较为可靠
解析 (1)由于基因突变使红细胞在形态上呈镰刀状而易破碎，如图乙。(2)在基因治疗过程中，A为目的基因，可以与载体结合后导入受体细胞中，D作为受体细胞应为具有持续分裂能力的造血干细胞。(3)基因治疗过程应有四个步骤；其中③为将基因表达载体导入受体细胞D的染色体上，④为将具有正常功能的造血干细胞转移至体内，由此可知，此过程为体外基因治疗过程。
第4课时 转基因生物的安全性问题和生物武器的危害性
[学习目标] 1.关注转基因生物的安全性问题。2.举例说出生物武器对人类的威胁。3.讨论生物技术中的伦理问题。
一、转基因生物的安全性
1．我们应该以怎样的态度对待转基因生物？
答案 (1)我们应该科学地认识、评估和利用转基因生物及其产品。
(2)保障公众在购买相关产品时应享有知情权。
(3)国家应建立相应的评估及预警机制，更加理性地利用转基因生物。
2．关于转基因生物的安全性问题的争论有哪些？
答案 (1)转基因植物的食用安全问题：转基因植物合成的某些新蛋白质，引起个别人过敏。
(2)转基因植物对生态系统的影响
①转基因植物的扩散对生物多样性有无影响。
②导入的目的基因是否会扩散漂移到其他物种体内而导致自然界的混乱。
③若大面积种植转基因植物，其残体分解物、根部分泌物等是否会对生态与环境造成大规模的负面效应。
(3)转基因动物的安全性
①转基因动物对人体健康的影响。
②转基因动物对生态系统的影响等。
二、生物武器的危害性
1．生物武器的种类
生物武器的种类
举例
危害
控制方法
致病菌
炭疽杆菌
能引发炭疽病，可能致命
疫苗和抗生素可防治
鼠疫耶尔森氏杆菌
能引起黑死病，死亡率达90%
疫苗和抗生素可防治
生化毒剂
肉毒杆菌
产生的毒素毒性强，能导致中毒而死亡
抗毒素有时能阻止病情发展
病毒
埃博拉病毒
极易传染，致死率很高
至今尚无治疗方法
基因重的
致病微生物
插入内酰胺酶基因的炭疽杆菌
降解青霉素，使青霉素失去杀菌作用
具有特异性识别基因的HIV
可以杀伤某一特定的种族
2.生物武器具有哪些特点？
答案 (1)具有强大的感染力和致病力。
(2)转基因生物武器很难对付。
三、基因工程与生物武器研制的关系
1．利用转基因技术，在一些不致病的微生物体内插入致病基因，或在一些致病的细菌或病毒中插入能对抗普通疫苗或药物的基因，就会培育出新的致病微生物或新的抗药性增强的致病微生物。这些微生物可能被制造成容易储存、便于携带、毒性更强的生物武器。
2．人类基因组计划的完成也为生物武器的研制创造了条件。例如，对不同种群的基因组成特性的阐明，就有可能被用于研制针对某一特定种群的生物武器。
一、对转基因生物安全性的争论及理性看待转基因技术
阅读以下材料，回答问题：
材料 自1984年第一例转基因鱼在我国诞生以来，转基因鱼研究取得很大进步。如转入外源生长激素(GH)基因的鱼生长速度快，饵料转化率高，但鱼类易于逃逸、扩散，因此转基因鱼的生态安全性问题是很值得研究的问题，需研究转基因鱼对生态系统的压力及外源基因的扩散问题。最近，我国科学家只是将三倍体的转基因鱼投入自然系统。
(1)转基因鱼成功的物质基础是_____________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(2)已知人的GH是一个含有191个氨基酸的蛋白质，若将人的GH基因转移到鱼体内，则转基因鱼增加的脱氧核苷酸数至少是________个。
(3)转基因鱼通过较高的能量转化效率取得较高的特定生长率，以至生长高于非转基因鱼，蛋白质转换效率也显著高于非转基因鱼。其可能的原因是_________________________________
________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(4)鱼类易于逃逸、扩散，因此转基因鱼的生态安全性问题是很值得研究的问题，试分析引起生态安全性问题的原因___________________________________________________________
________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(5)多倍体鱼类对控制过度繁殖是有效的，培育成功的三倍体“湘云鲫”，其形成过程是________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
试从保障生态安全性问题分析只投放三倍体鱼的原因_________________________________
_______________________________________________________________________________。
答案 (1)遗传物质都是DNA (2)1146 (3)转基因鱼体内合成了大量生长激素，生长激素能促进蛋白质合成
(4)转基因鱼与同种野生鱼杂交，使野生鱼带有转基因，具有生长优势，使其捕食对象大量减少，与其他物种竞争，引起生态危机 (5)转基因的二倍体个体加倍为四倍体转基因个体，然后二倍体与四倍体杂交形成三倍体个体 三倍体鱼不能繁殖后代，可以人工控制养殖数量和范围，避免发生杂交、竞争，引起生态危机
解析 (1)转基因技术就是通过基因拼接，把目的基因拼接到载体上，实质上是DNA之间的连接。(2)GH是含有191个氨基酸的蛋白质，由于蛋白质、控制蛋白质合成的mRNA上的碱基数目及控制蛋白质合成的DNA上的碱基数目，三者的比值为1∶3∶6，所以转基因鱼增加的脱氧核苷酸数至少是1146个。(3)该转基因鱼转入的是生长激素基因，生长激素能促进生长，主要是促进蛋白质的合成和骨的生长。(4)转基因鱼由于具有易于逃逸、扩散的特点，当这种鱼扩散到其他环境时，与其他种类的鱼杂交，被转入的基因就有可能转移到其他的鱼体内，造成基因污染；同时，由于该种转基因鱼性情凶猛，使其捕食对象大量减少，与其他物种竞争时，优势明显，所以可能引起生态危机。(5)三倍体鱼由于不能产生正常的生殖细胞，无法繁殖后代，因此不会造成生态危机。
二、生物武器的危害性
在汉武帝时代汉匈战争后期，由于汉军攻势猛烈，“匈奴闻汉军来，使巫埋羊牛，于汉军所出诸道及水源上，以阻(诅)汉军”。汉武帝时代的名将霍去病，远征匈奴归国后，年仅二十四岁就暴病而亡了。结合材料，阅读教材，回答下面的问题：
1．你认为这位年轻将领一向体魄壮健，骠勇过人，远征归来后，突患暴病而亡的原因最可能是什么？
答案 感染某种病原菌，患病死亡。从题目信息分析，匈奴以埋牛羊于道路及水源阻止汉军，所用牛羊应为患病而死的牛羊，而死亡牛羊携带着致病微生物，可导致汉军士兵患病以削弱战斗力。
2．生物武器的作用途径主要有哪四个方面？
答案 (1)吸入。生物战剂污染空气，可以通过呼吸道吸入人体，感染致病。
(2)误食。食用被生物战剂污染的水、食物而得病(如霍乱、痢疾等疾病)。
(3)皮肤接触。生物战剂(如炭疽杆菌等)或带菌物品上的病毒可直接或间接经皮肤、黏膜、伤口进入人体。
(4)昆虫叮咬。人被带有生物战剂的昆虫叮咬后，会使血液感染而致病。
3．生物武器具有局限性的原因是什么？
答案 受自然条件影响大。生物武器主要指病原微生物，所以它们的生存、繁殖、死亡易受环境条件影响，如适宜温度在37 ℃左右；大多数需要适宜的湿度条件；还受地形、风向等多种条件影响。生物武器的使用不易控制，使用不当可危害本方安全。
三、有关生物武器题型的考查
2008年初，美国出现一种新型致病病毒，感染者初期症状像患普通感冒，但在一些人身上很快发展成肺炎，严重时甚至致人死亡。它还具有较强的传染性，在美国的确认人数已达1000多人，科学家已确认这是一种腺病毒变体，正在寻找对抗它的药物和疫苗。这种新病毒对人类的潜在威胁仍是未知数。
(1)美国科研人员若想分析该病毒的核酸属于哪一种类型(RNA或DNA)，应该______________
_______________________________________________________________________________。
(2)要想获得研究用的该病毒，能否利用普通培养基培养？为什么？
________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(3)若该病毒被不法分子用于制造生物武器，在战争中，为预防敌人使用，参战部队应如何采取有效措施？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案 (1)分析碱基类型，确定碱基比率
(2)否。因为病毒是专营寄生生活的，必须利用活体培养基培养
(3)加快研制相应疫苗，并对参战部队战士进行接种
解析 (1)区分DNA与RNA依据碱基种类及碱基比率，DNA含有特有碱基T，RNA含有特有碱基U，且双链DNA分子中A＝T，G＝C。RNA一般是单链，嘌呤与嘧啶碱基比率一般不相等。(2)病毒是营寄生生活的，不能利用普通培养基培养，只能利用活体培养基培养。(3)预防生物武器的最有效措施是接种疫苗，由于该病毒没有疫苗，所以要加快对该病毒的分析研究，尽快生产相应疫苗，并对参战部队战士进行接种。
1．下列关于转基因生物安全性的叙述中，错误的是( )
A．我国已经对转基因食品和转基因农产品强制实施了产品标识制度
B．国际上大多数国家都在转基因食品标签上警示性注明可能的危害
C．开展风险评估、预警跟踪和风险管理是保障转基因生物安全的前提
D．目前对转基因生物安全性的争论主要集中在食用安全性和环境安全性上
答案 B
解析 对转基因食品只是要求标注“转基因**”等字样，并没有在转基因食品标签上警示性注明可能的危害，B错误。
2．抗逆转基因作物的培育与推广给社会带来的巨大社会效益是( )
①在一定程度上使作物摆脱了土壤和气候条件的限制
②减少了化学农药对环境的污染和人畜的危害
③减少了化肥的制造和使用量，有利于环境保护
④使得作物在不良环境下更好地生长，提高产量
A．①②③ B．①②④
C．①③④ D．②③④
答案 B
解析 抗逆转基因作物是指通过基因工程技术使农作物具有抗逆能力(如抗除草剂、抗虫、抗病毒、抗干旱、抗盐碱等)，因此抗逆转基因作物的培育和推广在一定程度上可以使农作物摆脱土壤和气候条件的限制，使得作物在不良环境中更好地生长，提高产量，同时还可以减少农药的使用量，减轻对环境的污染和对人畜的危害。但是抗逆作物不能固氮，不会使土壤中无机盐的含量增加，因此不可能减少化肥的制造量和使用量。
3．接种过疫苗的人，在遇到同样的生物战剂(用于战争的病原微生物或毒素)时，仍然要再次接种疫苗，原因是( )
A．这些人已丧失免疫力
B．这些人体内没形成记忆细胞
C．原来的接种不成功
D．这些病原微生物突变快，变异性强
答案 D
解析 生物武器是一些致病微生物，由于这些微生物受到各种因素的影响，极易发生变异，导致已免疫的人需要再次接种疫苗，否则，容易被感染患病。
4．肉毒杆菌会产生肉毒杆菌毒素，只要有0.01mg的肉毒杆菌毒素就可使人致死。肉毒杆菌毒素分子的作用机理是( )
A．抑制呼吸中枢，使人因缺氧而窒息而死
B．阻断血红蛋白与氧气结合，使人因缺氧引起肌肉麻痹
C．阻滞神经末梢释放乙酰胆碱从而引起肌肉麻痹
D．抑制线粒体进行有氧呼吸，心肌细胞无力收缩，阻碍血液循环
答案 C
解析 乙酰胆碱是一种兴奋性递质，通过释放可引起下一个神经元的兴奋。而肉毒杆菌毒素可阻止乙酰胆碱的释放，这样下一神经元不能兴奋从而引起肌肉麻痹。
5．生物武器的危害有传染性强的特点，针对这一特点，下列哪项不是防治生物武器的有效措施( )
A．提前接种和个人的防护
B．发现病人，立即报告，及时隔离
C．注意切断传播途径
D．只注意环境消毒，不注意动植物灭菌
答案 D
解析 防护生物武器，既要注意环境消毒，又要注意动植物灭菌，因为动植物也可以成为传染源。
基础再现
1．下列不属于转基因食品的优点的是( )
A．解决粮食短缺问题
B．减少农药的使用量，避免环境污染
C．增加食品营养，提高食品附加值
D．可产生人体的抗原性物质
答案 D
2．生物武器是指在战争中使人、畜致病，毁伤农作物的微生物及其毒素。通常包括致病菌、立克次氏体、衣原体、病毒和毒素等六大类。根据它们的类型，预测下列不是生物武器危害性特点的是( )
A．传染性强 B．传染范围广
C．传播途径多 D．传播不受气候影响
答案 D
解析 由于生物武器主要使用致病微生物，它们的生存、繁殖、死亡，主要受气温和湿度的影响，其次，风、水、烈日、雨、雪、大风等都能影响生物武器的危害作用。
3．生物武器的传播途径主要包括( )
①直接传播 ②食物传播 ③生活必需品传播④施用者人体传播
A．①② B．②③
C．①②③ D．①②③④
答案 C
解析 生物战剂可以通过多种途径使人感染发病，如经口食入、经呼吸道吸入、昆虫叮咬、皮肤接触等，因此生物武器的传播途径主要包括直接传播、食物传播和生活必需品传播。
4．下列有关转基因生物引发的安全性问题的叙述，错误的是( )
A．转基因生物引发的安全性问题包括食物安全、生物安全、环境安全
B．转基因生物引发安全性问题的原因之一是外源基因插入宿主基因组的部位往往是随机的
C．转基因生物的安全性指转移的基因对接受基因的生物是否安全
D．转基因生物有可能引发安全性问题，但不能一概而论
答案 C
解析 转基因生物的安全性包括食物安全、生物安全、环境安全，并不是指对转基因生物自身是否安全。
5．面对转基因技术的利弊，正确的做法是( )
A．趋利避害，不能因噎废食
B．不加区分，全盘接受
C．应停止有关的实验
D．坚决抵制转基因生物
答案 A
解析 理性看待问题的本质是既看到有利的方面又不回避不利的方面。转基因技术有利有弊，我们对待它应趋利避害，不能因噎废食。
能力提升
6．下列哪项是对待生物技术的理性态度( )
A．转基因技术是按照人们的意愿对生物的设计，不存在负面影响
B．转基因农作物对于解决粮食、能源等问题起了积极作用，也存在一定风险
C．克隆技术如果被一些人利用将给社会造成灾难，应禁止任何克隆研究
D．转基因技术如果被恐怖分子利用将可能导致人类灭绝，应停止转基因研究
答案 B
解析 转基因技术是按照人们的意愿对生物的设计，但由于技术方面的原因和人为因素的存在，仍有产生负面作用的可能；科学从来都是一把双刃剑，任何科学进步都存在有益和有害两个方面，是造福人类还是危害人类，关键在于人类如何对待和应用它，而不能因为暂时不合情理就因噎废食。
7．转基因生物的安全性引起人们争论的技术原因是( )
①转移基因的功能往往未知 ②转移基因的结构往往未知 ③外源基因插入宿主基因组的部位往往是随机的 ④外源基因往往是异种生物的基因
A．①②B．②③C．③④D．①③
答案 C
解析 由于科学水平的限制，目前科学家对基因的结构、基因间的相互作用以及基因的调控机制了解有限；转移的基因虽然功能已知，但不少是异种生物的基因；外源基因插入宿主基因组的部位往往是随机的。因此，在转基因生物中，有时候会出现意想不到的后果，引起人们在食物安全、生物安全和环境安全三个方面的激烈争论。
8．利用基因重组技术制造的全新致病菌比一般生物武器的危害性大，其原因是( )
①人类从来没有接触过这种致病菌 ②无药可医
③具有某种易感基因的民族容易感染，而施放国的人却不易感染
A．①B．②C．②③D．①②
答案 D
解析 利用基因重组技术制造的全新致病菌比一般生物武器的危害性大，是由于人类从来没有接触过这种致病菌，可以让大批受感染者突然发病，而又无药可医。
9．下列这些行为，我们应该支持的是( )
A．对流感病毒基因进行改造，以使具有某种易感基因的民族感染这种病毒，而施放国的人却不易感染
B．在任何情况下不发展、不生产、不储存生物武器，反对生物武器及其技术和设备的扩散
C．用重组技术制造全新的致病菌
D．将蜡状杆菌改造成像炭疽杆菌那样的致病菌
答案 B
解析 A、C、D项都是可能产生对人类造成很大伤害的致病菌，所以我们要坚决反对。
10．下列哪项基因工程对人类有益无害( )
A．将抗病毒的干扰素基因转移到大肠杆菌中批量生产干扰素
B．将蜡状杆菌改造成像炭疽杆菌那样的致病菌
C．将某种生物毒素的基因与流感病毒基因拼接
D．将流感病毒基因进行改造，可引起某种动物染病
答案 A
解析 干扰素是一种抗病毒的特效药物，用基因工程的方法生产干扰素已为人类战胜疾病作出了巨大贡献。其他选项都是基因工程的滥用，对世界和平、人类健康有极大威胁。
11．来源于豇豆的胰蛋白酶抑制剂基因(CpTI基因)具有广谱的抗虫特性。但直接把该基因转入农作物后，发现转基因植株中合成的CpTI蛋白质的积累量并没有达到强烈抑制害虫的程度。于是，科研工作者在体外对CpTI基因进行了修饰，在其两端分别融合了“信号肽”序列和“内质网滞留信号”序列，在它们的共同作用下，CpTI蛋白质在转基因植株中的积累量得到了明显提高。修饰和表达过程如图所示：
(1)在此项基因工程中，供体细胞是_________________________________________________；
CpTI基因是人们所需要的特定基因，称为___________________________________________。
(2)在体外对CpTI基因进行修饰时，首先用__________________处理，形成黏性末端。
(3)“信号肽”序列及“内质网滞留信号”序列的化学本质是________________。
(4)检测修饰后的CpTI基因是否表达的最好方法是____________________________________
_______________________________________________________________________________。
(5)当前，转基因大豆、转基因棉花等转基因农作物已经进入了我们的生活，请从生物学角度谈谈转基因农作物可能带来的利与弊(各举一条例子)。
①利：__________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
②弊：__________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
答案 (1)豇豆细胞 目的基因 (2)限制酶 (3)DNA(脱氧核酸) (4)让害虫食用农作物叶片 (5)①可以让人类获得具有优良品质的农作物，如蛋白质含量更高、抗逆性更强的作物；打破传统育种界限，如植物表达微生物的抗虫性状等 ②转基因农作物也可能变异成为对人类或环境有害的物种，如抗逆性极强的“超级杂草”会严重破坏生物多样性；转入的基因可能会导致某种尚不为人知的对人体健康有害的性状的产生；造成基因污染；影响食品安全等(其他合理答案也可)
解析 提供CpTI基因的供体细胞是豇豆细胞，该基因为目的基因。在修饰时，首先用限制酶切割，形成黏性末端。从题干知“信号肽”序列和“内质网滞留信号”序列能与CpTI基因结合，说明它们都是DNA。高科技是把双刃剑，故分析基因工程作物的利弊时可从两个方面阐述。
12．阅读下列材料，回答问题。
生物武器是指利用病原微生物、毒素等作为战争武器，危害性极大。
材料一 联合国组织的一个专家小组的研究报告指出，虽然许多国家签订了生物武器公约，但对这方面的研制工作并未停止，因此，对生物武器防治方法的研究也应得到加强。
材料二 将生物战剂做成干粉或液体喷洒到空气中，形成有害的气雾云团，叫做“生物战剂气溶胶”。它的颗粒很小，肉眼很难看见，渗透力强，杀伤范围广，一些通常通过食物或昆虫传播的病原体也可以通过气溶胶由呼吸道感染。所以，使人致死的剂量较其他感染途径小。
(1)有可能成为“生物战剂气溶胶”病原体的微生物，应属于哪些类群？_______________
________________________________(请列举两例)。
(2)人体抵抗病原体的第一道防线是______________；最有效的防线是___________________。
(3)在战争中，为预防敌方使用生物武器，你认为参战部队采取的最有效措施是___________
_______________________________________________________________________________。
请简述这一措施的原理：__________________________________________________________
________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
答案 (1)细菌、病毒、衣原体、立克次氏体等(答出两项即可)
(2)皮肤、呼吸道黏膜等 特异性免疫
(3)接种常见病原体的疫苗 使参战人员体内产生相应的抗体和记忆细胞，当病原体侵入时，会迅速产生强烈的免疫反应
解析 作为生物武器的微生物主要有细菌、病毒、衣原体、立克次氏体等，这些病原微生物借助于其他辅助装置，在作战区散播，首先穿过皮肤、消化道和呼吸道黏膜，进入内环境，使作战人员失去战斗力。为预防敌方的生物武器，可采取接种疫苗、穿隔离衣等措施，其中最有效的措施为接种相应疫苗，其原理为特异性免疫使体内产生相应的记忆细胞和抗体，消灭生物武器中的病原微生物。
个性拓展
13．一个学习小组的同学在对当地栽培的农作物种类进行调查时，发现有的地方种植了转基因抗除草剂玉米，这种玉米在喷洒除草剂的环境中生长良好，杂草被除草剂杀死，玉米还能正常生长，这种转基因玉米除直接食用外，还被加工成食品摆在超市的货架上。请回答下列问题：
(1)一部分同学认为，这种转基因玉米不会对当地的生物多样性构成威胁。如果你同意这种观点，请列举出三条理由：
①________________________________________________________________________；
②________________________________________________________________________；
③________________________________________________________________________。
(2)用转基因玉米加工的食品被摆在超市货架上，生产厂商根据我国的有关规定，对产品进行转基因生物标注，这样做是为了保护____________________。在有关标识中，应标注“____________________”或“____________________”。如果该产品中已不再含有或检测不出转基因成分，应标注为“本产品为____________加工制成，但本品中__________________________________”。
答案 (1)①玉米与其他植物之间存在生殖隔离 ②玉米花粉的传播距离有限 ③玉米花粉的存活时间有限(或其他理由) (2)消费者的知情权 转基因玉米加工品 加工原料为转基因玉米 转基因玉米 已不再含有转基因成分
解析 (1)转基因生物不会对当地生物多样性构成威胁，有以下理由：转基因生物虽然具有某些新的性状，但其生命力没有人们想像的那么强，扩散到种植区以外时，会很快死亡；转基因生物的种植需要一定的水、肥等条件，以及配套的种植技术；转基因生物与其他自然生物之间存在生殖隔离，难以进行自然杂交；许多植物花粉的传播距离有限，存活时间有限，具有受精能力的时间更短。(2)2002年，我国农业部颁布了《农业转基因生物标识管理办法》，要求对转基因生物产品及其加工品加贴标注，以方便消费者自主选择，保护消费者的知情权。对不同产品标注内容不同。
第5课时 蛋白质工程
[学习目标] 1.简述蛋白质工程的概念和基本原理。2.举例说出蛋白质工程的基本过程。3.举例说出蛋白质工程的应用和发展。
一、蛋白质工程概述
1．基因工程的基本操作程序主要包括哪几个步骤？
答案 包括四个步骤：获取目的基因、构建基因表达载体、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测和鉴定。
2．获取目的基因的常用方法有哪些？
答案 (1)从基因文库中获取；(2)利用PCR技术扩增目的基因；(3)人工合成法。
3．请写出中心法则，并判断蛋白质工程中获取目的基因的方法。
答案 (1)中心法则如下：
(2)获取目的基因的方法是人工合成法。
4．基因工程合成的蛋白质有哪些不足？
答案 在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。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。
5．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？
答案 应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造，主要原因如下：
(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，但被改造过的蛋白质分子也是无法遗传的。
(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。
6．根据蛋白质被改造部位的多少，可将蛋白质改造分为大改、中改和小改三种，试区别这三种改造的异同。
答案 大改是指根据氨基酸的性质和特点，设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质。中改是指改变蛋白质分子中某一个多肽链片段或一个特定的结构。小改是指通过基因工程中的定点诱变技术，有目的地改造蛋白质分子中某活性部位的一个或几个氨基酸残基。
7．如何利用PCR技术进行基因定点诱变？
答案 一般先通过PCR技术扩增获得定点突变的基因，再通过基因工程的方法，将突变基因导入受体细胞，经过转录和翻译就可合成所需的蛋白质。
8．对空间结构不清楚的蛋白质的改造，可采用非定点诱变技术来进行改造。
9．由以上知识总结蛋白质工程的概念。
答案 蛋白质工程是指通过物理化学与生物化学等技术了解蛋白质的结构与功能，并借助计算机辅助设计、基因定点诱变和重组DNA技术改造基因，以定向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的蛋白质的技术。
二、蛋白质工程的应用
1．蛋白质结构为什么具有多样性？
答案 蛋白质结构的多样性是由构成蛋白质的氨基酸种类、数目、排列顺序和空间结构来决定的，其结构多样性的根本原因则是控制蛋白质合成的基因具有多样性。
2．利用蛋白质工程可以将酶中的天冬酰胺和谷氨酰胺转变为其他氨基酸，有效提高酶的热稳定性。此外，在蛋白质分子中引入二硫键也可以显著提高蛋白质的热稳定性。
3．在生物工程制药领域，可通过蛋白质工程人工合成或改造抗体，使之对某些肿瘤细胞具有特异的识别能力和杀伤力。
4．目前，蛋白质工程成功的例子不多，原因是什么？
答案 结构决定功能，蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，这种高级结构十分复杂。而且目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还很不够。
一、蛋白质工程的流程
下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：
(1)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容：
①______________；②____________；③____________；④____________；⑤____________。
(2)代表蛋白质工程操作思路的过程是__________；代表中心法则内容的是________(填写数字)。
(3)蛋白质工程的前提条件是了解蛋白质的__________的关系，其关键技术是_____________。
(4)蛋白质工程的目的是________________________________________，通过_________实现。
(5)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是__________________的。
(6)在蛋白质工程中构建基因表达载体与基因工程完全相同吗？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(7)蛋白质工程与基因工程的结果有何不同？它们之间有什么关系？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案 (1)转录 翻译 折叠 分子设计 DNA合成 (2)④⑤ ①②③ (3)结构和功能 基因工程 (4)对蛋白质的结构进行分子设计 基因合成或改造 (5)相反 (6)不一定完全相同。蛋白质工程中的目的基因是人工合成的，不含有非编码区以及内含子的脱氧核苷酸序列。在构建基因表达载体时，需要添加启动子、终止子等必要部分 (7)蛋白质工程生产出自然界从来没有过的蛋白质，而基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质。蛋白质工程就是通过基因重组技术改变或设计合成具有特定生物功能的蛋白质；基因工程技术是蛋白质工程技术的基础，因此蛋白质工程也叫第二代基因工程
解析 天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的，而蛋白质工程的基本途径与之相反，即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(基因)。解答此题需要理解中心法则和蛋白质结构的知识。
二、蛋白质工程的应用
科学家通过对抗体和胰岛素的改造，使其效果更良好，结合下列材料，完成后面问题：
材料一 鼠—人嵌合抗体形成过程
材料二 如图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程。
(1)分析材料一，并填空。
①改造鼠源杂交瘤抗体，生产鼠—人嵌合抗体，属于________(生物工程)的范畴。
②图示过程是根据预期的________________，设计__________________，最终必须对________进行操作，此操作中改变的是________。
③经改造的鼠—人嵌合抗体，与鼠源杂交瘤抗体相比较，突出的优点是__________________(从免疫角度考虑)。
④上述过程中对科学家来说难度最大的是________。
(2)分析材料二，并填空。
①构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键，图中构建新的胰岛素模型的主要依据是______
_______________________________________________________________________________。
②通过人工合成DNA形成的新基因应与______结合后转移到__________________中才能得到准确表达。
③若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素，需用到的生物工程有______________、____________和发酵工程。
④图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是____________________________
________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
答案 (1)①蛋白质工程 ②嵌合抗体功能 嵌合抗体结构 基因 碱基对 ③对人体的不良反应减少 ④设计嵌合抗体的空间结构 (2)①蛋白质的预期功能 ②载体 大肠杆菌等受体细胞 ③蛋白质工程 基因工程 ④根据新的胰岛素模型中氨基酸的序列，推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，然后利用DNA合成仪来合成出新的胰岛素基因
1．某种微生物合成的蛋白酶与人体消化液中的蛋白酶的结构和功能很相似，只是热稳定性较差，进入人体后容易失效。现要将此酶开发成一种片剂，临床治疗消化不良，最佳方案是( )
A．将此酶中的少数氨基酸替换，以改善其功能
B．将此酶与人蛋白酶进行拼接，形成新的蛋白酶
C．重新设计与创造一种全新的蛋白酶
D．减少此酶在片剂中的含量
答案 A
解析 要想使蛋白酶热稳定性有所提高，就要改变蛋白质的结构，此类问题一般是对蛋白质中的个别氨基酸进行替换。
2．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．改造基因易于操作且改造后能够遗传
C．人类对大多数蛋白质高级结构知之甚少
D．蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，操作难度大
答案 B
解析 蛋白质工程是通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。蛋白质工程的直接操作对象是基因，并且改造后能够遗传；若直接改造蛋白质，其性状不能遗传。
3．蛋白质工程的基本流程是( )
①蛋白质分子结构设计 ②DNA合成 ③预期蛋白质功能 ④据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列
A．①→②→③→④ B．④→②→①→③
C．③→①→④→② D．③→④→①→②
答案 C
4．科学家为提高玉米中赖氨酸含量，计划将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的氨基酸由天冬氨酸变成异亮氨酸，就可以使玉米叶片和种子中的游离赖氨酸含量分别提高5倍和2倍。下列对蛋白质的改造，操作正确的是( )
A．直接通过分子水平改造蛋白质
B．直接改造相应的mRNA
C．对相应的基因进行操作
D．重新合成新的基因
答案 C
解析 蛋白质工程的目的是对蛋白质进行改造，从而使蛋白质功能可以满足人们需求。而蛋白质功能与其高级结构密切相关，蛋白质高级结构又非常复杂，所以直接对蛋白质改造非常困难，而蛋白质是由基因控制合成的，对基因进行操作就容易得多。另外，改造后的基因可以遗传，如对蛋白质直接改造，即使成功也不能遗传。
5．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，蛋白质工程合成的可以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)的操作
D．基因工程完全不同于蛋白质工程
答案 B
解析 蛋白质工程是在基因工程基础上，延伸出来的第二代基因工程，是从分子水平对蛋白质进行改造设计，直接对相应的基因进行修饰加工甚至人工进行基因合成，从而对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活需求，而基因工程只是将外源基因导入另一生物体内，并使之表达，体现人类所需的性状，或者获取所需的产品，因此，基因工程在原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。
基础再现
1．添加在洗衣粉中的某种酶在低温下活性较低，影响了洗衣粉的洗涤效果。如果让你用生物工程的方法改变此酶的特性，首先考虑的是( )
A．基因工程 B．蛋白质工程
C．诱变 D．细胞工程
答案 B
解析 蛋白质工程可以改造酶的结构，通过改造蛋白质分子中某些活性部位的一个或几个氨基酸残基，有目的地提高酶适应低温的能力，进而提高洗衣粉在低温时的洗涤效果。
2．下列关于蛋白质工程的说法，正确的是( )
A．蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作
B．蛋白质工程能生产出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子
C．对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的
D．蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是相同的
答案 B
解析 蛋白质工程是在分子水平上对基因直接进行操作，即通过直接改造基因实现的；蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程相反，其是中心法则的逆推。
3．在设计合成自然界中不存在的蛋白质时，首先应该设计( )
A．基因结构 B．mRNA结构
C．氨基酸序列 D．蛋白质结构
答案 D
解析 蛋白质工程的操作程序：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。由此可知，首先设计的应该是蛋白质的结构。
4．猪的胰岛素用于降低人体血糖浓度效果不明显，原因是猪的胰岛素分子中有一个氨基酸与人的不同。为了使猪的胰岛素可用于临床治疗人的糖尿病，用蛋白质工程对蛋白质分子进行设计的最佳方案是( )
A．对猪的胰岛素进行一个不同氨基酸的替换
B．将猪的胰岛素和人的胰岛素进行拼接，组成新的胰岛素
C．将猪的胰岛素和人的胰岛素混合在一起治疗人的糖尿病
D．根据人的胰岛素设计制造一种新的胰岛素
答案 A
解析 由于猪的胰岛素分子中只有一个氨基酸与人的胰岛素不同，所以可通过蛋白质工程中蛋白质的分子设计，只需替换这一个不同的氨基酸即可。虽然根据人胰岛素分子的结构设计一种全新的胰岛素也可以用于临床治疗，但在分子设计和胰岛素的生产方面都存在着很多困难，所以不是最佳方案。
5．当前医学上，蛋白质工程药物正逐步取代第一代基因工程多肽蛋白质类替代治疗剂。基因工程药物与蛋白质工程药物的区别是( )
A．都与天然产物完全相同
B．都与天然产物不相同
C．基因工程药物与天然产物完全相同，蛋白质工程药物与天然产物不相同
D．基因工程药物与天然产物不相同，蛋白质工程药物与天然产物完全相同
答案 C
解析 基因工程合成的是自然界已存在的蛋白质，与相应天然产物完全相同；蛋白质工程可以合成自然界不存在的蛋白质，与天然产物不完全相同。
能力提升
6．以下蛋白质工程中，目前已成功的是( )
A．对胰岛素进行改造，生产速效型药品
B．蛋白质工程应用于微电子方面
C．生产体外耐储存的干扰素
D．用蛋白质工程生产血红蛋白
答案 A
解析 A项已经实现，B、C、D三项目前尚未实现，只是蛋白质工程的发展前景，有待于进一步研究和设计。
7．下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是( )
A．蛋白质工程操作的实质是改造基因
B．蛋白质工程在设计蛋白质结构时的依据是现有基因的脱氧核苷酸序列
C．蛋白质工程的基础是基因工程
D．蛋白质工程遵循的原理包括中心法则
答案 B
解析 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。它的目标是依据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计，最终用人工合成的方法合成相应的基因，而改造的基因须按照中心法则才能合成人类需要的蛋白质。
8．下列关于蛋白质工程的说法，错误的是( )
A．蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类需要
B．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
C．蛋白质工程能生产自然界中不曾存在的新型蛋白质分子
D．蛋白质工程与基因工程密不可分，又称为第二代基因工程
答案 B
解析 由于基因决定蛋白质，因此，要对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过改造基因的结构来完成，这种操作既简单，又能够遗传；而不是直接对蛋白质分子进行操作。
9．下列关于蛋白质工程应用的叙述，不正确的是( )
A．蛋白质工程可以改造酶的结构，提高酶的热稳定性
B．通过蛋白质工程可以改变蛋白质的活性
C．利用蛋白质工程可以从大肠杆菌细胞中得到人的胰岛素
D．蛋白质工程可以对胰岛素进行改造和修饰，合成速效型胰岛素制剂
答案 C
解析 从大肠杆菌中得到人的胰岛素利用的是基因工程技术。
10．下列关于基因工程和蛋白质工程的说法，正确的是( )
A．都是分子水平上的操作
B．基因工程就是改造基因的分子结构
C．蛋白质工程就是改造蛋白质的分子结构
D．基因工程能创造出自然界根本不存在的基因，蛋白质工程能创造出自然界根本不存在的蛋白质
答案 A
解析 基因工程的操作对象是基因，属于分子水平上的操作；蛋白质工程的操作对象是DNA和蛋白质分子，二者都属于分子水平上的操作。
11．完成下列一组填空。
(1)蛋白质工程是指通过物理化学与生物化学等技术了解______________________，并借助计算机辅助设计、____________和______________改造基因，以定向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的蛋白质的技术。
(2)基因工程是遵循中心法则的，即________→__________→______________→折叠产生有一定功能的蛋白质，它主要是生产自然界中____________(填“存在”或“不存在”)的蛋白质。
(3)蛋白质工程操作程序的基本思路是：____________→______________→____________→______________，它可以创造自然界中________(填“存在”或“不存在”)的蛋白质。
(4)假如预期到某种酶的功能，要设计相应的基因。
上述图示中，①是________________，②是_________________________________________。
答案 (1)蛋白质的结构与功能 基因定点诱变 重组DNA技术 (2)DNA mRNA 多肽链 存在 (3)预期蛋白质功能 设计预期的蛋白质结构 设计对应的氨基酸序列 找到相对应的脱氧核苷酸序列 不存在
(4)分子设计 氨基酸序列
解析 天然蛋白质的合成，遵循中心法则进行：基因→mRNA→形成具有一定氨基酸序列的多肽链→产生具高级结构的蛋白质→行使生物功能，而蛋白质工程正好与之相反。
12．2008年诺贝尔化学奖授予了三位在研究绿色荧光蛋白(GFP)方面作出突出贡献的科学家。绿色荧光蛋白能在蓝光或紫外光的激发下发出荧光，这样借助GFP发出的荧光就可以跟踪蛋白质在细胞内部的移动情况，帮助推断蛋白质的功能。GFP基因可作为目的基因用于培育绿色荧光小鼠，下图表示培育绿色荧光小鼠的基本流程：
请根据上述材料回答下列问题：
(1)用于培育绿色荧光小鼠的基因表达载体的组成必须有启动子、标记基因、____________和______________。图中过程②常用的方法是________________。
(2)GFP基因与目的基因一起构建到载体上不影响目的基因的表达，也不影响由目的基因控制合成的蛋白质的结构与功能，且对细胞无毒性作用，因此GFP基因可以作为基因表达载体上的__________________。
(3)目前科学家们通过________工程制造出了蓝色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等，该工程是直接改造GFP分子，还是改造GFP基因？______________________________。
答案 (1)GFP基因 终止子 显微注射法 (2)标记基因 (3)蛋白质 改造GFP基因(绿色荧光蛋白基因)
个性拓展
13．近期《肝脏学》杂志发表了一篇文章称科学家经研究发现：乙肝病毒HBX蛋白质能调控宿主细胞内许多基因的转录，广泛影响宿主细胞的各种生命活动，包括调节细胞凋亡、抑制细胞DNA的修复、干扰细胞有丝分裂和细胞周期进程等，因此可利用该蛋白质治疗乙肝。下图表示利用乳腺反应器生产乙肝病毒HBX蛋白的流程示意图。请回答问题：
(1)已知HBX蛋白基因的核苷酸序列，则①可采用______________________获得目的基因，并利用__________技术进行扩增。
(2)为获得更高活性的HBX蛋白质，需要对蛋白质结构进行设计改造，但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原因是____________________________________。
(3)图中④载体是____________，⑥为早期胚胎移植到受体，在该步骤操作前对胚胎进行了检查和筛选，发现有些胚胎因为外源基因的插入而死亡，请你分析外源基因插入导致胚胎死亡的原因是：_____________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
答案 (1)人工合成法 PCR (2)改造基因易于操作且改造后能够遗传 (3)动物病毒 外源基因的插入导致胚胎正常发育所需的基因不能表达
解析 已知基因的核苷酸序列，可采用人工合成法进行合成从而获得目的基因，然后利用PCR技术进行扩增；直接改造蛋白质不能遗传，而改造基因则可以遗传，因此改造蛋白质需要通过改造基因来实现；培育转基因动物利用的载体是动物病毒；外源基因插入到羊的染色体DNA中，则可能会影响到其他基因的表达，如果插入后影响了使羊胚胎发育所需要的基因的表达，就会导致胚胎死亡。
