第2节 基因工程及其应用
学 习 目 标
核 心 素 养
1．说出基因工程的概念。
2．说出基因工程的基本工具。(重点)
3．阐述基因工程的基本操作。(重、难点)
4．举例说明基因工程的应用。
1．理解遗传物质的研究为基因工程提供了理论基础。
2．通过联想制作拼接画的过程，理解基因工程的操作工具。
3．采用绘图方法逐步理解基因工程的基本操作。
一、基因工程的基本操作工具
1．基因工程的概念
2．基因工程的操作工具
(1)“剪刀”和“针线”
项目
名称
作用
“剪刀”
限制酶
识别特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子
“针线”
DNA连接酶
连接脱氧核糖和磷酸之间的缺口
(2)运载体
①作用：将外源基因送入受体细胞。
②种类
二、基因工程的操作及应用
1．基本操作步骤
2．应用及安全性
(1)应用
应用
内容
作物育种
目的
培育出具有各种抗逆性的作物新品种
实例
抗虫的转基因抗虫棉
意义
减少了农药用量，而且还减少了农药对环境的污染
药物研制
实例
生产人的胰岛素
过程
胰岛素基因与大肠杆菌的DNA分子重组，并在大肠杆菌内成功表达
环境保护
实例
利用转基因细菌降解有毒有害的化合物，吸收环境中的重金属，分解泄漏的石油，处理工业废水等
(2)安全性
判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)
1．基因工程能够定向地改造生物的性状。 ( )
2．基因工程导入了新的基因，其原理是基因突变。 ( )
3．一种限制酶可以识别多种核苷酸序列。 ( )
4．含有目的基因的运载体是否进入受体细胞需要检测。 ( )
5．基因工程中的运载体只有质粒。 ( )
6．转基因生物和转基因食品都是不安全的。 ( )
提示：1．√
2．× 基因工程导入的基因是自然界原来就存在的基因，原理是基因重组。
3．× 一种限制酶只能识别特定的核苷酸序列。
4．√
5．× 基因工程中常见的运载体有质粒、噬菌体和动植物病毒。
6．× 对于转基因生物和转基因食品的安全性问题不能片面地一概而论。
基因工程的基本操作工具
1．基因的“剪刀”——限制性核酸内切酶(简称限制酶)
(1)存在：主要存在于微生物中。
(2)作用：断裂两个核苷酸之间的磷酸二酯键。
(3)特点：具有特异性，即一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的位点切割DNA分子。
(4)作用结果：一般产生黏性末端。
2．基因的“针线”——DNA连接酶
(1)催化对象：两个具有相同末端的DNA片段。
(2)催化位置：脱氧核糖与磷酸之间的缺口。
(3)催化结果：形成重组DNA。
(4)限制酶与DNA连接酶的比较
比较
项目
作用
应用
限制酶
使特定部位的磷酸二酯键断裂
用于提取目的基因和切割载体
DNA
连接酶
在DNA片段之间重新形成磷酸二酯键
用于重组DNA分子(重组质粒)构建
两者的关系可表示为：
(5)DNA连接酶与DNA聚合酶的比较
项目
比较
DNA连接酶
DNA聚合酶
作用对象
DNA片段
将游离的脱氧核苷酸连接到脱氧核苷酸链上
作用条件
不需要模板
需要模板
作用部位
连接相邻脱氧核苷酸的磷酸和脱氧核糖
形成化学键
磷酸二酯键
3.运载体
(1)质粒
①存在：许多细菌及酵母菌等生物细胞中。
②本质：拟核或细胞核外的环状DNA分子。
③特点：能够自主复制。
(2)运载体应具备的条件
①能在宿主细胞内稳定保存并大量复制——保证目的基因能在细胞分裂过程中复制并传递给子细胞。
②有一至多个限制酶切点——运载体能够接入多种目的基因所必备的条件。
③有标记基因——检测目的基因是否导入受体细胞中的重要判断依据。
1．下列有关基因工程和酶的相关叙述，正确的是( )
A．同种限制酶既可以切割目的基因又可以切割质粒，因此不具备专一性
B．运载体的化学本质与载体蛋白相同
C．限制酶不能切割烟草花叶病毒的核酸
D．DNA连接酶可催化游离的脱氧核苷酸连接成脱氧核苷酸链
C [一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子，具备专一性，A错误；运载体的化学本质是DNA，与载体蛋白不同，B错误；限制酶能切割DNA，不能切割烟草花叶病毒的核酸RNA，C正确；DNA连接酶可催化不同的DNA片段连接在一起，不能催化游离的脱氧核苷酸连接成脱氧核苷酸链，D错误。]
2．限制性核酸内切酶是一种核酸切割酶，可辨识并切割DNA分子上特定的核苷酸序列，如图依次为4种限制酶BamHⅠ，EcoRⅠ，HindⅢ以及BglⅡ的辨识序列，箭头表示每一种限制酶的特定切割部位，其中哪两种限制酶所切割出来的DNA片段末端可以互补黏合？( )
BamHⅠ EcoRⅠ HindⅢ BglⅡ
↓ ↓ ↓ ↓
GGATCC GAATTC AAGCTT AGATCT
CCTAGG CTTAAG TTCGAA TCTAGA
↑ ↑ ↑ ↑
A．BamHⅠ和EcoRⅠ B．BamHⅠ和HindⅢ
C．EcoRⅠ和HindⅢ D．BamHⅠ和BglⅡ
D [BamHⅠ和EcoRⅠ切割形成的黏性末端不互补配对，因此不能互补黏合，A错误；BamHⅠ和HindⅢ切割形成的黏性末端不互补配对，因此不能互补黏合，B错误；EcoRⅠ和HindⅢ切割形成的黏性末端不互补配对，因此不能互补黏合，C错误；BamHⅠ和BglⅡ切割形成的黏性末端可以互补配对，因此能互补黏合，D正确。]
基因工程的操作及应用
[问题探究]
下图是利用基因工程技术生产人胰岛素的操作过程示意图，请据图回答。
1．能否利用人的皮肤细胞进行过程①？过程②特别需要的酶是哪一种？
提示：不能，皮肤细胞中胰岛素基因不表达；过程②是逆转录，需要逆转录酶。
2．如何将A和B连接成C？操作后的产物只有C吗？
提示：用同一种限制酶切割A和B，再加入DNA连接酶，才能形成C。操作后的产物除了C，还可能有A与A结合、B与B结合的产物。
3．人的胰岛素基因能够在大肠杆菌细胞中表达的基础是什么？
提示：所有生物共用一套遗传密码。
4．该方法和诱变育种相比，有什么优点？
提示：可以定向改造生物的遗传性状。
[归纳总结]
1．基因工程操作的基本步骤
知识拓展：
(1)在基因工程操作过程中，将目的基因导入受体细胞的过程不涉及碱基互补配对。
(2)受体细胞常选用微生物的原因：微生物繁殖快、代谢快、目的产物多。
(3)培育转基因动物时，常采用显微注射法将目的基因导入受精卵，原因是受精卵的全能性高。
(4)培育转基因植物时，受体细胞可用受精卵和其他高度分化的细胞，因为高度分化的植物细胞仍具有全能性。可用植物组织培养技术将其培育成个体。
2．基因工程成功的基础
3．基因工程的应用
4．转基因育种与杂交育种、诱变育种的比较
(1)杂交育种能使位于不同个体上的多个优良性状集中于一个个体上，但育种周期长；诱变育种可以提高变异频率，大幅度改良某些性状，但有利变异个体不多，需要大量供试材料。
(2)与杂交育种、诱变育种相比，转基因育种能克服传统育种方法的缺点，具有目的性强、育种周期短、能克服远缘杂交不亲和的障碍等优点。
1．用基因工程技术可使大肠杆菌合成人的蛋白质。下列叙述不正确的是( )
A．常用相同的限制酶切割目的基因和质粒
B．DNA连接酶和RNA聚合酶是构建重组质粒必需的工具酶
C．质粒作为运载体应具有标记基因
D．人和大肠杆菌在合成相关蛋白质时，转录和翻译的场所不同
B [为得到相同的黏性末端，常用相同的限制酶切割目的基因和质粒，A正确。DNA连接酶是构建重组质粒必需的酶，而RNA聚合酶则用于DNA的转录过程，B错误。质粒作为运载体，应具有标记基因，以便重组后进行重组DNA的鉴定和选择，C正确。人是真核生物，大肠杆菌是原核生物，真核细胞的转录场所主要在细胞核，而原核细胞没有成形的细胞核，D正确。]
2．某种转基因玉米能高效合成一种多肽类的蛋白酶抑制剂，积累于茎叶中，让取食它的害虫的消化酶受抑制，使其无法消化食物而死亡。下列就该玉米对人类安全性的评论中，不符合生物学原理的是( )
A．不安全。这种玉米的果实(种子)中也可能含有蛋白酶抑制剂，使人食用后因无法消化食物而患病
B．不安全。该玉米的蛋白酶抑制剂基因可通过食物链进入人体细胞内，使人体无法消化食物而患病
C．安全。因为人与害虫消化酶的结构存在差异，玉米的蛋白酶抑制剂对人体很可能无影响
D．安全。人类通常食用煮熟的玉米食品，玉米的蛋白酶抑制剂已被高温破坏，不会影响人的消化
B [基因是有遗传效应的DNA片段，属于大分子有机物，外源基因进入动物和人体的消化道后会被消化成小分子物质，不能直接进入动物和人体细胞内，更谈不上通过食物链富集并在细胞内表达。]
[课堂小结]
知 识 网 络 构 建
核 心 语 句 归 纳
1．基因工程的优点是可定向改造生物的遗传性状。
2．限制性核酸内切酶具有特异性，能识别特定的核苷酸序列，并在特定位点上切割DNA分子。
3．DNA连接酶的作用是将两个DNA片段连接起来。
4．质粒是最常用的运载体，是小型环状DNA分子。除此之外，噬菌体、动植物病毒也可充当运载体。
5．基因工程的四个步骤：提取目的基因、目的基因与运载体结合、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定。
1．下列有关基因工程的叙述，正确的是( )
A．DNA重组技术所用的工具酶是限制酶、DNA连接酶和运载体
B．所有的限制酶都只能识别同一种特定的核苷酸序列
C．选用细菌作为重组质粒的受体细胞是因为细菌繁殖快
D．目的基因只要进入受体细胞就能实现表达
C [基因工程操作中的工具酶是限制酶、DNA连接酶，运载体是基因的运载工具，而不是工具酶。每种限制酶都只能识别特定的核苷酸序列，而并非同一种核苷酸序列。目的基因进入受体细胞后，只有受体细胞表现出特定的性状，才说明目的基因成功表达，基因工程的目的是让目的基因完成表达。]
2．下图为DNA分子在不同酶的作用下所发生的变化，图中依次表示限制性核酸内切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶、解旋酶作用的正确顺序是( )
A．①②③④ B．①②④③
C．①④②③ D．①④③②
C [限制性核酸内切酶用于切割DNA片段；而与之作用相反的是DNA连接酶，用于连接DNA片段；DNA聚合酶用于DNA的复制过程，它需要模板；解旋酶会使DNA双链解旋而分开，它作用于碱基对之间的氢键。]
3．下列不属于利用基因工程技术制取药物的是( )
A．从大肠杆菌体内获取白细胞介素
B．从酵母菌体内获得干扰素
C．从青霉菌体内获取青霉素
D．从大肠杆菌体内获取胰岛素
C [基因工程是使外源基因在受体细胞中表达目的基因产品的技术，A、B、D均为外源基因的表达，而青霉菌产生青霉素是一种正常基因的正常表达，故青霉菌产生的青霉素不属于基因工程药物。]
4．下列关于基因工程安全性的说法中不正确的是( )
A．转基因作物的基因可通过花粉扩散到它的近亲作物上，可能出现对农业不利的“超级植物”
B．杂草、害虫从它的近亲获得抗性基因，可能破坏生态系统的稳定性
C．转基因食品的成分中含新的蛋白质时，这些异种蛋白有可能引起人食物过敏
D．转基因必须在人为控制下才能完成，自然条件下基因污染是不增殖和不扩散的
D [基因工程引起的基因污染，是可以增殖和扩散的。]
5．1979年，科学家将鼠体内的能够产生胰岛素的基因与大肠杆菌的DNA分子重组，并且在大肠杆菌中发现了胰岛素的前体物质胰岛素原。如下图所示，请根据下图回答：
(1)图中2、5、3、7表示通过从供体细胞的DNA中直接分离基因，获得________的过程。
(2)图中3代表________，在它的作用下将目的基因和质粒切割获得相同的黏性末端。
(3)经[9]________的作用可将7、6“缝合”形成[8]重组DNA分子。8往往含有________基因，以便将来检测。
(4)图中10表示将重组DNA分子导入________的过程。
(5)如在大肠杆菌细胞内发现了胰岛素原，说明成功导入了________，并使之完成了表达过程。
[解析] (1)图中的2、5、3、7过程是为了获取目的基因。(2)获取目的基因需要用限制酶对DNA进行切割。(3)将目的基因和运载体质粒连接起来构成重组质粒的过程中需要DNA连接酶。8中含有标记基因，便于初步筛选。(4)重组质粒需要导入受体中，在该工程中是导入了大肠杆菌体内，常用氯化钙处理得到感受态的大肠杆菌，图中10代表了该过程。(5)如果在大肠杆菌细胞内发现了胰岛素原，说明成功导入了目的基因，并且成功表达。
[答案] (1)目的基因 (2)限制酶 (3)DNA连接酶 标记 (4)受体细胞 (5)目的基因
教材课后习题 (教师用书独具)
一、基础题
1．提示：基因工程操作通常包括以下四步：
①提取目的基因(外源基因)；
②目的基因与运载体结合，形成重组DNA分子；
③将目的基因(重组DNA分子)导入受体细胞；
④目的基因的检测与鉴定。
2．提示：
↓
ATCTCGAGACTGATTGGCCTTAAGCTCGAGAT
GACCATGGCCAGGCTCGAGCTGATGA
互补链：
↓
TAGAGCTCTGACTAACCGGAATTCGAGCTCTA
CTGGTACCGGTCCGAGCTCGACTACT
3．提示：常用的运载体有质粒、噬菌体、农杆菌、动植物病毒等。
二、拓展题
1．提示：这是因为在基因水平上，人和细菌的遗传机制是一致的。细菌和人的遗传物质都是DNA，都使用同一套遗传密码，都遵循中心法则。因此，通过基因重组，细菌能够合成人体的某些蛋白质。
2．提示：例如，可以向客户说明农场具备相应的安全检测设施和措施，已经领取了农业转基因生物安全证书，产品中所含有的成分都是自然界天然存在的物质，产品经过试用表明对人体无害等。
3．提示：例如，“转基因土豆——肝炎患者的希望”“转基因牛奶喝了聪明”等。
课件54张PPT。第6章 从杂交育种到基因工程第2节 基因工程及其应用磷酸脱氧核糖受体细胞 噬菌体 细菌自主复制环状DNA分子动植物病毒农药用量抗逆性转基因抗虫棉转基因细菌胰岛素表达基因工程的基本操作工具 基因工程的操作及应用 点击右图进入…Thank you for watching !课时分层作业(十八)
(建议用时：25分钟)
[合格基础练]
1．下列关于基因工程的叙述，正确的是( )
A．基因工程经常以抗菌素抗性基因作为目的基因
B．细菌质粒是基因工程常用的运载体
C．通常用一种限制性核酸内切酶处理含目的基因的DNA，用另一种处理运载体DNA
D．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为受体
B [细菌质粒是基因工程常用的运载体。基因工程的目的基因是人们所需要的特定基因，可以是抗菌素抗性基因，也可以是其他基因，如抗除草剂基因、胰岛素基因等，故A错误；C选项应当用同一种限制性核酸内切酶处理含目的基因的DNA和运载体DNA，以便于目的基因与运载体的连接；D选项也可以把抗除草剂基因导入其他细胞，再通过植物组织培养发育为完整的抗除草剂植物。]
2．下列有关基因工程中限制酶的描述，错误的是( )
A．一种限制酶只能识别一种特定的脱氧核苷酸序列
B．限制酶的活性受温度影响
C．限制酶能识别和切割RNA
D．限制酶可从原核生物中提取
C [一种限制酶只能识别一种特定的脱氧核苷酸序列，A正确；限制酶的活性受温度影响，B正确；限制酶能识别和切割DNA，C错误；限制酶可从原核生物中提取，D正确。]
3．下列哪组是基因工程技术中常用的运载体( )
A．大肠杆菌、噬菌体 B．蓝藻、质粒
C．动物病毒、噬菌体 D．线粒体、质粒
C [运载体是将外源基因送入受体细胞的专门运输工具，目前常用的运载体有质粒、噬菌体和动植物病毒。]
4．限制酶BamH Ⅰ和限制酶EcoR Ⅰ的识别序列及切割位点分别是GATCC—↓—G和AATTC—↓—G。如图甲表示含目的基因的DNA片段，四个选项中的图表示四种质粒，其中箭头所指部位为酶的识别位点，质粒的阴影部分表示标记基因。适于作为图甲所示目的基因的运载体的质粒是( )
B [据题干和图解分析，适于作为目的基因的运载体的质粒要有插入目的基因的位点，同时又有标记基因，且质粒和含目的基因的DNA片段要能被同一种限制酶切割，所以B正确。]
5．有关基因工程的成果及应用的说法，正确的是( )
A．用基因工程方法培养的抗虫植物也能抗病毒
B．基因工程在畜牧业上应用的主要目的是培养体型巨大、品质优良的动物
C．目前任何一种药物都可以运用基因工程来生产
D．基因工程在农业上的应用主要是培育高产、稳产、品质优良和具有抗逆性的农作物
D [用基因工程方法培育出的抗虫植物只能杀死害虫，不能抗病毒；基因工程在畜牧业上的应用不仅是培养体型巨大、品质优良的动物，更重要的是利用某些特定外源基因在哺乳动物体内的表达获得人类所需要的各类物质；目前基因工程只是实现了一部分药物的生产。]
6．下列关于基因工程及其产品的说法中，不正确的是( )
A．基因工程的一项关键技术是构建基因表达载体
B．基因工程的优势是可定向地改造生物的遗传性状
C．消费者对转基因产品应该有选择权
D．基因工程中产生的可遗传变异属于染色体变异
D [基因表达载体的构建是实施基因工程的第二步，也是基因工程的核心，A正确；基因工程将目的基因导入受体细胞，可定向地改造生物的遗传性状，B正确；转基因产品的安全性问题一直是个热点话题，消费者应该有知情权和选择权，C正确；基因工程中产生的可遗传变异属于基因重组，D错误。]
[等级过关练]
7．基因工程中，需使用特定的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GATCC—↓—G，限制酶Ⅱ的识别序列和切点是—↓GATC—。据图判断，下列操作正确的是( )
A．目的基因和质粒均用限制酶Ⅱ切割
B．目的基因和质粒均用限制酶Ⅰ切割
C．质粒用限制酶Ⅱ切割，目的基因用限制酶Ⅰ切割
D．质粒用限制酶Ⅰ切割，目的基因用限制酶Ⅱ切割
D [依据题干信息，注意所给的两种限制酶所识别的两个核苷酸序列，其产生的黏性末端是相同的，又由于限制酶Ⅱ所识别的核苷酸序列，有一部分与限制酶Ⅰ所识别的一致，因此目的基因用限制酶Ⅱ切割；而质粒用限制酶Ⅰ切割，可保证质粒上保留一个标记基因(Gene Ⅰ)。]
8．不同种植物之间存在竞争，如某些植物能分泌一些化学物质用于抑制别种植物在其周围生长。最近，科学家试图往大麦等农作物中转入控制合成这些化学物质的基因，以达成抑制杂草生长的目的。下列说法正确的是( )
A．将该基因转入大麦中，一定会抑制杂草生长
B．所用的工具酶是限制酶、DNA连接酶和运载体
C．通常用一种限制性核酸内切酶处理含目的基因的DNA，用另一种限制性核酸内切酶处理运载体
D．种植该种转基因大麦可以增加粮食产量，减少农药的使用
D [目的基因导入受体细胞后不一定会表达，需要进行检测和鉴定，A错误；运载体不是工具酶，B错误；在基因工程中常用同一种限制性核酸内切酶来处理含目的基因的DNA和运载体，C错误；转基因大麦可以抑制杂草生长，减少了除草剂的使用，同时减弱了与杂草的竞争，增加了产量，D正确。]
