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第1节 重组DNA技术的基本工具
学习目标
1.概述基因工程是在微生物学、生物化学和分子生物学等学科的基础上发展而来的。
2.结合课本插图,掌握限制酶及DNA连接酶的作用。识记重组DNA技术中,载体需要具备的条件。
3.模拟制作重组DNA模型。
4.实验探究DNA的粗提取与鉴定。
一、基因工程的概念和发展
1.基因工程的概念
基因工程又叫作重组DNA技术。基因工程是按照人们的愿望,通过转基因等技术,赋予生物新的遗传特性,创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。
2.基因工程的发展
时间
理论基础和相关技术的发展
1944
艾弗里等人通过肺炎链球菌转化实验,不仅证明了遗传物质是DNA,还证明了DNA可以在同种生物的不同个体之间转移
1953
沃森和克里克建立了DNA双螺旋结构模型并提出了遗传物质自我复制的假说
1958
梅塞尔森和斯塔尔证明了DNA的半保留复制。克里克提出中心法则
1961
尼伦伯格和马太破译了第一个编码氨基酸的密码子
1967
科学家发现,在细菌拟核DNA之外的质粒有自我复制能力,并可以在细菌细胞间转移
时间
理论基础和相关技术的发展
1970
科学家发现了第一个限制性内切核酸酶(简称限制酶)。之后多种限制酶、DNA连接酶和逆转录酶被相继发现
1972
伯格构建了第一个体外重组DNA分子
1973
基因工程正式问世
1977
桑格等发明DNA序列分析的方法。DNA合成仪的问世为体外合成DNA提供了方便
1982
第一个基因工程药物——重组人胰岛素被批准上市
1983
科学家采用农杆菌转化法培养出第一例转基因烟草,此后,基因工程进入迅速发展阶段
1985
穆里斯等人发明PCR,为获取目的基因提供了有效手段
预习反馈
1.判断正误。
(1)通过基因工程产生的变异是不定向的。(
×
)
分析该变异类型按人们的意愿进行,是定向的。
(2)通过基因工程改造成的生物为新物种。(
×
)
分析通过基因工程改造成的生物,产生了新的性状,该生物与原来的生物之间不存在生殖隔离,不属于新物种。
(3)基因工程育种与杂交育种相比的优点是打破了生殖隔离。(
√
)
2.基因工程是一种新兴的生物技术,实施该工程的最终目的是( )
A.定向提取生物体的DNA分子
B.定向对DNA分子进行人工“剪切”
C.在生物体外对DNA分子进行改造
D.定向改造生物的遗传性状
答案D
解析基因工程也称重组DNA技术,它是按照人类的意愿,将某种基因有计划地转移到另一种生物中去的新技术,故实施基因工程的最终目的是定向改造生物的遗传性状。
二、重组DNA技术的基本工具
1.限制性内切核酸酶——“分子手术刀”
(1)来源:主要来自原核生物。
(2)作用特点:具有专一性。
①识别双链DNA分子的特定核苷酸序列。
②使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开。
(3)结果:切割产生的DNA片段,并在末端产生黏性末端或平末端。
2.DNA连接酶——“分子缝合针”
(1)种类
(2)作用:在两个DNA
片段之间形成磷酸二酯键。
(3)结果:将DNA片段拼接成新的DNA分子。
种 类
来源
特 点
E.coli
DNA连接酶
大肠杆菌
只能“缝合”具有互补黏性末端的双链DNA片段
T4
DNA
连接酶
T4噬
菌体
既可以“缝合”双链DNA片段互补的黏性末端,又可以“缝合”双链DNA片段的平末端
3.基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”
(1)种类:质粒、噬菌体、动植物病毒等。
(2)常用载体——质粒
①本质:质粒是一种裸露的、结构简单、独立于真核细胞细胞核或原核细胞拟核DNA之外,并具有自我复制能力的环状双链DNA分子。
②质粒作为载体所具备的条件
a.能自我复制:能够在受体细胞中进行自我复制,或整合到受体DNA上,随受体DNA同步复制。
b.有限制酶切割位点:有一个至多个限制酶切割位点,供
外源DNA片段(基因)插入其中。
c.具有标记基因:具有特殊的标记基因,便于重组DNA分子的筛选。
4.重组DNA分子的模拟操作
(1)材料用具:剪刀代表EcoRⅠ(限制酶),透明胶条代表DNA连接酶。
(2)操作过程
①分别从两张纸上的两段DNA链上找出
序列,并选G—A之间作切口进行“切割”。
②将来自不同DNA链的两个DNA片段的切口互补拼接,用透明胶条将切口粘起来,形成重组DNA分子。
(3)操作结果:若操作正确,连接的两切口处黏性末端应能互补配对;否则,说明操作有误。
预习反馈
1.判断正误。
(1)重组DNA技术所需要的工具酶有限制酶、DNA连接酶和载体。(
×
)
(2)不同限制酶切割后一定形成不同的黏性末端。(
×
)
(3)限制酶和DNA连接酶的作用部位一致,但作用相反。(
√
)
(4)T4
DNA连接酶既能连接黏性末端,又能连接平末端。(
√
)
(5)DNA连接酶能连接互补的黏性末端或平末端,故该酶没有专一性。(
×
)
2.下列关于重组DNA技术的基本工具的说法,正确的是( )
A.DNA连接酶只能连接双链DNA片段互补的黏性末端
B.微生物中的限制酶对自身DNA无损害作用
C.限制酶切割DNA后一定能产生黏性末端
D.质粒是基因工程中唯一的载体
答案B
解析常用的DNA连接酶分为两类:E.coli
DNA连接酶和T4
DNA连接酶。前者只能将双链DNA片段互补的黏性末端连接起来,而后者既可以连接双链DNA片段互补的黏性末端,也可以连接双链DNA片段的平末端。微生物中的限制酶通常能限制异源DNA的侵入并使之失活,即能将外源DNA切断,从而保护自身的遗传特性。经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式,即黏性末端和平末端。质粒是常用的载体,除此之外,重组DNA技术中用到的载体还有噬菌体和动植物病毒等。
三、DNA的粗提取与鉴定
1.实验原理
(1)提取原理
①DNA不溶于酒精,某些蛋白质溶于酒精。
②DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同。
(2)鉴定原理:
DNA+二苯胺试剂
蓝色。
2.实验流程
(1)实验材料的选取。选用DNA含量相对较高的生物材料,如新鲜洋葱。
(2)破碎细胞,获取含DNA的滤液。称取约30
g洋葱切碎,然后放入研钵中,倒入10
mL研磨液,充分研磨,纱布过滤后收集研磨液,在4
℃冰箱中放置几分钟,获取上清液。也可以直接将研磨液倒入离心管中,1
500
r/min离心5
min,再取上清液。
(3)去除滤液中的杂质。在上清液中加入体积相等的、预冷的
酒精溶液(体积分数为95%),静置2~3
min,溶液中出现的白色丝状物就是粗提取的DNA。用玻璃棒沿一个方向搅拌,卷取丝状物,用滤纸吸去上面的水分;或者将溶液倒入塑料离心管中,10
000
r/min离心5
min,取沉淀物晾干)。
(4)DNA的鉴定。将丝状物或沉淀物溶解于5
mL物质的量浓度为
2
mol/L的NaCl溶液中,再加入4
mL的二苯胺试剂,将试管置于沸水中加热5
min,冷却后观察溶液的颜色,注意要同时设置对照实验。?
预习反馈
1.判断正误。
(1)用兔的成熟红细胞可提取DNA。(
×
)
分析哺乳动物成熟的红细胞无细胞核。可选用鸡血细胞作提取DNA的材料。
(2)进行DNA粗提取和鉴定实验时,加入酒精溶液后用力进行快速、充分的搅拌。(
×
)
分析加入酒精用玻璃棒搅拌时,动作要轻缓,以免加剧DNA分子的断裂。
(3)在溶有DNA的
NaCl溶液中,加入二苯胺试剂即呈蓝色。(
×
)
分析在溶有DNA的
NaCl溶液中,加入二苯胺试剂,沸水浴加热5
min,冷却后观察溶液的颜色,呈现蓝色。
2.下列关于“DNA的粗提取与鉴定”实验叙述,错误的是( )
A.酵母和菜花均可作为提取DNA的材料
B.DNA既溶于2
mol/L
NaCl溶液也溶于蒸馏水
C.向鸡血细胞液中加蒸馏水搅拌,可见玻璃棒上有白色絮状物
D.DNA溶液加入二苯胺试剂,沸水浴加热,冷却后变蓝
答案C
解析原则上含DNA的生物材料都可用来提取DNA,只是选用DNA含量高的生物组织,成功的可能性更大;DNA在2
mol/L
NaCl溶液和蒸馏水中溶解度都较大;向鸡血细胞液中加蒸馏水搅拌,鸡血细胞会吸水破裂,但在蒸馏水中不会析出DNA;DNA溶液加入二苯胺试剂后需沸水浴加热,待冷却后溶液变蓝。
探究点一
探究点二
基因工程的诞生和发展
情境导引
转基因单价抗虫棉培育过程是将一种细菌来源的、可专门破坏棉铃虫消化道的Bt杀虫蛋白的基因经过改造,转到了棉花中,使棉花细胞中存在这种杀虫蛋白质。这种杀虫蛋白质专门破坏棉铃虫等鳞翅目害虫的消化系统,导致这些害虫死亡,而对人畜无害。抗虫棉的研究开发是中国发展农业转基因技术,打破跨国公司垄断,抢占国际生物技术制高点的成功事例。抗虫棉的应用使棉铃虫得到了有效控制,使杀虫剂用量降低了70%~80%,有效保护了农业生态环境,减少了农民喷药中毒事故,为棉花生产和农业的可持续发展做出了巨大贡献。
探究点一
探究点二
请讨论回答下列问题。
1.转基因抗虫棉是通过基因工程技术培育的,请完善下表,以准确把握基因工程的概念。
别 名
重组DNA技术
操作环境
生物体外
操作对象
?
操作水平
DNA分子水平
原 理
?
结 果
创造出人类需要的新的生物类型和生物产品, 生物性状?
答案基因 基因重组 定向改变
探究点一
探究点二
2.不同生物的DNA分子能拼接起来的原因是什么?
提示(1)不同生物的DNA分子的基本组成单位都是4种脱氧核苷酸;(2)不同生物的双链DNA分子的空间结构都是规则的双螺旋结构;(3)不同生物的DNA碱基对均遵循严格的“碱基互补配对原则”。
3.外源基因能够在受体内表达,并使受体表现出相应的性状,为什么?
提示(1)基因是控制生物体性状的结构和功能的基本单位,具有相对独立性;(2)遗传信息的传递都遵循中心法则;(3)生物界共用一套遗传密码。
探究点一
探究点二
归纳提升
1.基因工程突破了生殖隔离,实现了不同种生物间的基因重组,可以定向改变生物性状。
2.不同生物基因能拼接在一起的理论基础是DNA分子都是由4种脱氧核苷酸构成的规则的双螺旋结构。
3.外源DNA导入受体细胞能成功表达的理论基础是密码子的通用性。
易错提醒(1)有性生殖中的基因重组是随机的,并且只能在同一物种间进行。(2)基因工程可以定向地改变生物的性状,可以在不同物种间进行基因重组。
探究点一
探究点二
典例剖析
下列对基因工程的说法,错误的是( )
A.基因工程是在分子水平上进行设计和施工
B.基因工程属于染色体变异
C.基因工程可以导入不同种生物的基因
D.基因工程可定向改变生物性状
答案B
解析基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工,A项正确;基因工程属于突破物种界限的基因重组,B项错误;基因工程可以导入不同种生物的基因,C项正确;基因工程可按照人们的意愿,定向改变生物性状,D项正确。
探究点一
探究点二
活学活练
1.以下有关基因工程的叙述,正确的是( )
A.基因工程是细胞水平上的生物工程
B.基因工程的产物对人类都是有益的
C.基因工程育种的优点之一是目的性强
D.基因工程产生的变异属于人工诱变
答案C
解析基因工程是分子水平上的生物工程,其产生的变异属于基因重组,而不属于人工诱变;基因工程虽是按照人的意愿改造生物,目的性强,但并不是所有的基因产物对人类都有益。
探究点一
探究点二
2.以下事实与基因工程的诞生无关的是( )
①肺炎双球菌的转化实验 ②中心法则的确立 ③克隆羊“多利”的诞生 ④精子获能机理的揭示 ⑤遗传密码的破译 ⑥质粒、限制酶、连接酶及逆转录酶的发现 ⑦DNA合成仪的问世 ⑧体外重组DNA分子构建的成功 ⑨重组DNA进入受体细胞并成功表达
A.①⑥
B.③⑥
C.③④
D.④⑤
探究点一
探究点二
答案C
解析肺炎双球菌的转化实验证明了一个生物的遗传物质可在同种的另一个生物的细胞中发挥作用,证明了转基因技术的可能性,①有关;中心法则的确立使人们认识了遗传信息的表达过程,奠定了基因工程的理论基础,②有关;克隆羊“多利”的诞生、精子获能机理的揭示都属于细胞水平的研究成果,与基因工程的诞生无关,③④无关;遗传密码的破译使人们认识到核酸与蛋白质中的氨基酸的对应关系,这也是基因工程诞生的理论基础,⑤有关;质粒、限制酶、连接酶及逆转录酶的发现、DNA合成仪的问世为基因工程诞生提供了技术支持,⑥⑦有关;体外重组DNA分子构建的成功、重组DNA进入受体细胞并成功表达标志着基因工程的诞生,⑧⑨有关。
探究点一
探究点二
重组DNA技术的基本工具
情境导引
基因工程又叫作重组DNA技术,DNA的双螺旋的直径只有2
nm,对如此微小的分子进行操作,是一项非常精细的工作,需要专门的“分子工具”。
请讨论回答下列问题。
1.重组DNA技术所需要的基本工具是什么?
提示限制性内切核酸酶——“分子手术刀”、DNA连接酶——“分子缝合针”和基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”。
探究点一
探究点二
2.回答关于限制性内切核酸酶的问题。
(1)请举例说明限制性内切核酸酶的“限制性”表现在什么地方。这体现了酶的哪种特性?
提示表现在两方面:①限制性内切核酸酶只能识别双链DNA分子上某种特定的脱氧核苷酸序列;②限制性内切核酸酶只能在识别序列上特定的两个脱氧核苷酸之间进行切割。如EcoR
Ⅰ只能识别GAATTC序列,且只切割G—A之间的磷酸二酯键。这体现了酶具有专一性。
探究点一
探究点二
(2)限制性内切核酸酶的切割位置及结果有哪些种类?请举例说明。
提示①切割位置:识别序列的中轴线两侧
②切割位置:识别序列的中轴线处
探究点一
探究点二
(3)在切割含目的基因的DNA分子时,限制性内切核酸酶要切割几个磷酸二酯键?为什么?
提示4个。DNA分子为双链,且目的基因两端均含有限制性内切核酸酶的识别位点。
探究点一
探究点二
3.回答关于DNA连接酶的问题。
(1)DNA连接酶和限制酶的作用和作用部位是否相同?
提示DNA连接酶和限制酶作用部位相同,都是特定部位的磷酸二酯键(下图①所示位置)。但二者作用正好相反,前者是“缝合”,后者是“切割”。如下图所示。
探究点一
探究点二
(2)DNA连接酶的识别有无特异性?能否催化连接不同限制酶切割形成的黏性末端?
提示DNA连接酶无识别的特异性,对于互补的黏性末端以及平末端(T4
DNA连接酶可连接)都能连接,连接的是磷酸二酯键。不同限制酶切割形成的黏性末端只要互补,DNA连接酶就可催化二者连接。
探究点一
探究点二
4.回答关于基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”的问题。
(1)具备什么条件才能充当“分子运输车”?
提示①能够在宿主细胞中复制并稳定地保存。
②具多种限制酶切割位点,以便与外源基因连接。
③具有特殊标记基因,便于重组DNA分子筛选。
④载体是安全的,不能对受体细胞有害。
⑤载体DNA分子大小应合适,以便提取和在体外进行操作。
(2)什么叫质粒?天然质粒能直接用于基因工程中吗?
提示
一种裸露的、结构简单、独立于细菌拟核之外,并具有自我复制能力的很小的双链环状DNA分子,主要存在于细菌和酵母菌体内。因为质粒上一般没有特殊的标记基因,不能直接用于基因工程中。
探究点一
探究点二
归纳提升
1.与DNA分子相关的四种酶的比较
比较项目
限制酶
DNA连接酶
DNA聚合酶
解旋酶
作用底物
DNA分子
DNA分子
脱氧核苷酸
DNA分子
作用部位
磷酸二酯键
磷酸二酯键
磷酸二酯键
氢键
作用
特点
切割目的基因及质粒载体,识别特定核苷酸序列,使特定部位的磷酸二酯键断开
将双链DNA片段“缝合”起来,恢复磷酸二酯键
将单个脱氧核苷酸添加到脱氧核苷酸链上
将DNA两条链之间的氢键打开
作用
结果
形成黏性末端或平末端
形成重组DNA分子
形成新的DNA分子
形成单链DNA分子
应用
基因工程
DNA复制
探究点一
探究点二
2.标记基因用于重组DNA分子筛选的原理
(1)载体上的标记基因一般是一些抗生素的抗性基因。未转入目的基因的受体细胞没有抵抗相应抗生素的能力。
(2)含有某抗生素抗性基因的重组质粒导入受体细胞,抗性基因在受体细胞内表达,该受体细胞获得抗性。
(3)在含该抗生素的培养基上,不能生长的是没有抗性的细胞,能生长的具有抗性的受体细胞。
探究点一
探究点二
探究点一
探究点二
易错提醒
(1)不同DNA分子用同一种限制酶切割产生的黏性末端相同,同一个DNA分子用不同的限制酶切割,产生的黏性末端一般不相同,即同一种限制酶一定能切出相同的黏性末端,相同的黏性末端不一定来自同一种限制酶的切割。
(2)如果不同限制酶切割形成的黏性末端互补,则可以重新配对,由DNA连接酶连接。
探究点一
探究点二
典例剖析
1.(多选)下列有关限制酶和DNA连接酶的叙述,正确的是( )
A.用限制酶剪切获得一个目的基因时得到两个切口,有4个磷酸二酯键被断开
B.限制酶识别序列越短,则该序列在DNA中出现的概率就越大
C.序列—CATG↓—和—G↓GATCC—被限制酶切出的黏性末端碱基数不同
D.T4
DNA连接酶和E.coli
DNA连接酶都能催化平末端和黏性末端的连接
探究点一
探究点二
答案AB
解析用限制酶剪切获得一个目的基因时得到两个切口,有4个磷酸二酯键被断开,A项正确;限制酶识别序列越短,则该序列在DNA中出现的概率就越大,B项正确;序列—CATG↓—和—G↓GATCC—被限制酶切出的黏性末端碱基数相同,都是4个,C项错误;T4
DNA连接酶和E.coli
DNA连接酶都能催化黏性末端的连接,其中只有T4
DNA连接酶可以连接平末端,D项错误。
探究点一
探究点二
2.质粒是基因工程中最常用的目的基因运载工具。下列有关叙述正确的是( )
A.质粒是只存在于细菌细胞质中能自主复制的小型环状双链DNA分子
B.在质粒上总能找到一个或多个限制酶切割位点
C.携带目的基因的重组质粒只有整合到宿主细胞的染色体DNA上才会随后者的复制而复制
D.质粒上的抗性基因常作为标记基因,便于重组DNA的鉴定和选择
探究点一
探究点二
答案D
解析质粒不只分布于原核生物中,在真核生物(如酵母菌)细胞内也有分布,A项错误;并不是每个质粒上都有限制酶的切割位点,B项错误;重组质粒进入受体细胞后,有的是在细胞内自我复制,有的是整合到宿主细胞染色体DNA上随染色体DNA复制,C项错误;质粒上的抗性基因常作为标记基因,便于重组DNA的鉴定和选择,D项正确。
探究点一
探究点二
活学活练
1.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核糖核苷酸序列
B.限制酶的活性受温度、pH的影响,总有一个最合适的条件
C.限制酶能破坏DNA上相邻脱氧核苷酸之间的化学键
D.限制酶不只存在于原核生物中,其合成场所是核糖体
探究点一
探究点二
答案A
解析基因工程中的限制酶只能识别双链DNA分子的某种特定的脱氧核苷酸序列,不能识别RNA分子的核糖核苷酸序列,A项错误;同其他的酶一样,限制酶的活性同样受温度和pH的影响,而且在最适条件时,酶活性最高,B项正确;限制酶催化的是特定部位的相邻脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键的断裂,C项正确;限制酶主要是从原核生物中分离纯化出来的,也有来自真核细胞的,其本质是蛋白质,在核糖体上合成,D项正确。
探究点一
探究点二
2.下列有关下图所示的黏性末端的说法,错误的是( )
A.甲、乙、丙黏性末端分别是由不同的限制酶切割产生的
B.甲、乙具有相同的黏性末端,可形成重组DNA分子,但甲与丙的黏性末端不互补
C.DNA连接酶的作用位点是b处
D.切割产生甲的限制酶不能识别由甲、乙黏性末端互补结合形成的核苷酸序列
探究点一
探究点二
答案C
解析据图可知,切割形成甲、乙、丙黏性末端的限制酶的识别序列与切割位点分别是—GAATTC—(在G与A之间切割)、—CAATTG—(在C与A之间切割)、—CTTAAG—(在C与T之间切割),即甲、乙、丙是由不同的限制酶切割产生的,A项正确。甲、乙的黏性末端互补,所以甲、乙可以形成重组DNA分子;甲、丙的黏性末端不互补,所以甲、丙无法形成重组DNA分子,B项正确。DNA连接酶可以恢复被限制酶切开的磷酸二酯键,而b处是氢键,C项错误。甲、乙黏性末端互补形成的核苷酸序列为
,该序列中没有切割产生甲的限制酶的识别序列及酶切位点,所以切割产生甲的限制酶不能识别由甲、乙黏性末端互补形成的核苷酸序列,D项正确。
探究点一
探究点二
3.下面是四种不同质粒的示意图,其中ori为复制必需的序列,amp为氨苄青霉素抗性基因,tet为四环素抗性基因,箭头表示一种限制性核酸内切酶的酶切位点。若要得到一个能在四环素培养基上生长而不能在氨苄青霉素培养基上生长的含重组DNA的细胞,应选用的质粒是( )
探究点一
探究点二
答案C
解析根据题意,选用的质粒上应有复制必需序列和四环素抗性基因,且不含氨苄青霉素抗性基因。A项破坏了复制必需的序列,B项氨苄青霉素抗性基因和四环素抗性基因都完好,C项氨苄青霉素抗性基因被破坏,四环素抗性基因完好,D项氨苄青霉素抗性基因完好,四环素抗性基因被破坏。综上所述C项符合题意。
探究点一
探究点二
4.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的识别序列和切割位点是—G↓GATCC—,限制酶Ⅱ的识别序列和切割位点是—↓GATC—。根据下图判断下列操作正确的是( )
探究点一
探究点二
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
答案D
解析解答此题要明确目的基因要切下,质粒要切开且至少保留一个标记基因。限制酶Ⅱ的识别序列和切点是—↓GATC—,单独使用时可以把目的基因切下,质粒中GeneⅠ和GeneⅡ也被破坏;限制酶Ⅰ的识别序列和切点是—G↓GATCC—,只能把目的基因左侧切开,破坏质粒GeneⅡ,所以目的基因用限制酶Ⅱ切割,质粒用限制酶Ⅰ切割。第4节 蛋白质工程的原理和应用
课后篇巩固提升
基础巩固
1.(2020·辽宁营口二中高二期末)下列有关基因工程与蛋白质工程的叙述,正确的是( )
A.蛋白质工程与基因工程的目的都是获得人类需要的蛋白质,所以二者没有区别
B.基因工程是蛋白质工程的关键技术
C.通过蛋白质工程改造后的蛋白质仍然是天然的蛋白质
D.蛋白质工程是在蛋白质分子水平上直接改造蛋白质的
答案B
解析基因工程原则上只能生产自然界中已有的蛋白质,而蛋白质工程可以生产自然界中没有的新的蛋白质,两者存在区别,A项错误;蛋白质工程本质上是通过基因修饰或基因合成来完成对蛋白质分子的改造,是在基因工程的基础上发展出的第二代基因工程,B项正确;蛋白质工程改造后的蛋白质可能是自然界中没有的新的蛋白质,C项错误;蛋白质工程本质上是改造基因,不是直接改造蛋白质分子,D项错误。
2.(2020·山东省实验中学高二期中)凝乳酶是奶酪生产中的关键酶。通过蛋白质工程生产高效凝乳酶,不需要的步骤是( )
A.蛋白质的结构设计
B.蛋白质的结构和功能分析
C.凝乳酶基因的定向改造
D.将定向改造的凝乳酶导入受体细胞
答案D
解析蛋白质的结构设计属于蛋白质工程的步骤,A项正确;蛋白质的结构和功能分析属于蛋白质工程的步骤,B项正确;蛋白质工程通过改造或合成基因来实现对蛋白质的改造,C项正确;需要将定向改造的凝乳酶基因导入受体细胞,而不是将定向改造的凝乳酶导入受体细胞,D项错误。
3.(2020·山东济南外国语学校高二期中)下图为蛋白质工程的流程图,下列说法正确的是( )
A.利用蛋白质工程制造出的蛋白质都是自然界本来就有的
B.蛋白质工程是一项完全摆脱基因工程技术的全新的生物工程技术
C.过程a、b分别是转录、翻译
D.蛋白质工程不可能构建出一种新的基因
答案C
解析基因工程原则上只能生产自然界已经存在的蛋白质,蛋白质工程可以生产自然界中不存在的蛋白质,A项错误;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,B项错误;据图可知,过程a、b分别是转录、翻译,C项正确;蛋白质工程中可根据预期蛋白质的结构构建出一种全新的基因,D项错误。
4.(2020·陕西西安中学高二期末)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位的苏氨酸变为异亮氨酸,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为异亮氨酸。为此,下列操作正确的是( )
A.直接改造上述两种蛋白质的空间结构
B.对指导上述两种酶合成的mRNA进行改造
C.利用诱变育种技术促使上述两种酶的基因突变
D.利用基因工程技术,对控制上述两种酶的基因进行改造
答案D
解析蛋白质的功能与其高级结构密切相关,而蛋白质的高级结构又非常复杂,所以直接对蛋白质改造非常困难,且即使改造成功也不能遗传,A项错误;直接改造相应的mRNA,不一定能够表达产生所需要的蛋白质,且即使成功也不能遗传,B项错误;由于基因突变具有不定向性和低频性,所以使用诱变育种的方法不易获得符合要求的基因,C项错误;基因工程可定向改造生物的遗传性状,所以可利用基因工程技术,对控制这两种酶的基因进行改造,D项正确。
5.(2020·江苏扬州中学高二期末)蛋白质工程就是通过对蛋白质化学、蛋白质晶体学和蛋白质动力学的研究,获得有关蛋白质理化特性和分子特性的信息,在此基础上对编码蛋白质的基因进行有目的的设计和改造,通过基因工程技术获得可以表达目标蛋白质的转基因生物。中华鲟是一种濒危野生动物。研究者试图通过蛋白质工程改造中华鲟体内的某些蛋白质,使其更加适应现在的水域环境。下列有关说法不正确的是( )
A.蛋白质工程可定向改变蛋白质分子的结构
B.改造蛋白质可通过改变基因结构实现
C.改造后的中华鲟和现有中华鲟仍是同一物种
D.改造后的中华鲟的后代不具有改造的蛋白质
答案D
解析蛋白质工程能按照人们的意愿定向改造蛋白质分子的结构,使之更加符合人类的需要,A项正确;蛋白质工程的实质是通过改造或合成基因实现对蛋白质的改造,B项正确;改造后的中华鲟和现有中华鲟之间没有产生生殖隔离,仍然属于同一物种,C项正确;蛋白质工程操作的直接对象是基因,可以遗传给后代,因此改造后的中华鲟的后代可能具有改造的蛋白质,D项错误。
6.(2020·山东山师大附中高二期中)赖氨酸是人体必需氨基酸,具有促进人体发育、增强免疫的功能,并能起到提高中枢神经组织功能的作用。某农科所的科技人员欲将玉米种子的某种蛋白酶改造成“M酶”,从而大大提高玉米种子中赖氨酸的含量,以培育出高赖氨酸的玉米新品种。请回答下列问题。
(1)科技人员先从“提升玉米种子中赖氨酸的含量”这一功能出发,设计预期的“M酶”的 ,再推测出相对应的目的基因的 序列,最终合成出“M酶”基因。?
(2)科技人员获得“M酶”基因后,常利用PCR技术在体外将其大量扩增,此过程需要一种特殊的酶是 ,原料是 。?
(3)“M酶”基因只有插入 ,才能确保“M酶”基因在玉米细胞中得以稳定遗传。?
(4)依据植物细胞具有 的原理,可将含有“M酶”基因的玉米细胞培育成转“M酶”基因的玉米植株。为了确保育种成功,科技人员需要测定玉米种子中 的含量。?
答案(1)结构 脱氧核苷酸 (2)耐高温的DNA聚合酶 4种脱氧核苷酸 (3)玉米细胞中染色体的DNA上 (4)全能性 赖氨酸
解析(1)根据题干信息可知,某农科所科技人员欲将玉米某种蛋白酶改造成“M酶”,则应该利用蛋白质工程,先根据预期构建出“M酶”(蛋白质)的结构,再推测出相对应目的基因的脱氧核苷酸序列,最终合成出“M酶”基因。(2)基因工程中,获取的目的基因一般利用PCR技术进行扩增,过程中需要耐高温的DNA聚合酶的催化,原料是4种脱氧核苷酸。(3)要想确保“M酶”基因在玉米细胞中得以稳定遗传,必须将“M酶”基因插入玉米细胞的染色体DNA中。(4)利用植物组织培养技术,依据植物细胞的全能性原理,可将含有“M酶”基因的玉米细胞培育成转“M酶”基因的玉米植株。科技人员需要测定玉米种子中赖氨酸含量,从个体水平加以鉴定,以确保育种成功。
7.(2020·四川双流棠湖中学高二期末)如图为蛋白质工程操作的基本思路,请据图回答下列问题。
(1)蛋白质工程操作思路的特有过程是 ,代表中心法则内容的过程是 。(填图中序号)?
(2)写出图中数字代表的生物学过程的名称或内容。
① ;② ;③ 。?
(3)从图中可以看出蛋白质工程的基本思路与中心法则方向 。?
(4)功能是由其结构决定的,直接决定蛋白质多样性的因素有 ,从根本上说,蛋白质的结构是由 决定的。?
(5)根据蛋白质的氨基酸序列推测的mRNA的碱基序列是否唯一? ,为什么? 。?
(6)将氨基酸合成为多肽链的场所是 。真核细胞中将多肽链转变为具有一定空间结构的蛋白质的场所是 。?
(7)蛋白质工程中的目的基因一般通过 获得。?
答案(1)④⑤ ①② (2)转录 翻译 折叠 (3)相反 (4)氨基酸的种类、数目、排列顺序和蛋白质的空间结构 基因(DNA) (5)否 一种氨基酸可能具有多种密码子 (6)核糖体 内质网 (7)人工合成
解析图中①②③分别表示转录、翻译、折叠,①②过程与中心法则方向一致。④⑤过程与中心法则方向相反,属于蛋白质工程基本思路。蛋白质结构的多样性由组成蛋白质的氨基酸的种类、数目、排列顺序和蛋白质的空间结构共同决定;从根本上说,蛋白质的结构是由基因(DNA)决定的。一种氨基酸可能具有多种密码子,根据蛋白质的氨基酸序列推测的mRNA的碱基序列可能有多种。蛋白质的合成场所为核糖体,在内质网中将多肽链折叠成具有一定空间结构的蛋白质。蛋白质工程的目的基因的碱基序列已知,可以通过DNA合成仪进行人工合成。
8.已知生物体内有一种蛋白质(P),该蛋白质是一种转运蛋白,由305个氨基酸组成。如果将P分子中第158位的丝氨酸变成亮氨酸,第240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸,改变后的蛋白质(P1)不但保留P的功能,而且具有了酶的催化活性。回答下列问题。
(1)从上述资料可知,若要改变蛋白质的功能,可以考虑对蛋白质的 进行改造。?
(2)以P基因序列为基础,获得P1基因的途径有修饰 基因或合成 基因。所获得的基因在表达时是遵循中心法则的,中心法则的全部内容包括(以图表示) 。?
(3)蛋白质工程也被称为第二代基因工程,其基本途径是从预期蛋白质功能出发,通过 和 ,进而确定相对应的脱氧核苷酸序列,据此获得目的基因,再经表达、纯化获得目标蛋白质,之后还需要对该蛋白质的生物 进行鉴定。?
答案(1)氨基酸序列(或结构)(其他合理答案也可) (2)P P1
(3)设计蛋白质的结构 推测相应氨基酸序列 功能
解析(1)从题中所述资料可知,将P分子中第158位的丝氨酸变成亮氨酸,第240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸后,该蛋白质的功能发生了改变,此过程是通过对蛋白质的氨基酸的序列进行改造,进而改变了蛋白质的结构,从而改变了蛋白质的功能。(2)在蛋白质工程中,目的基因可以以P基因序列为基础,对生物体内原有P基因进行修饰,也可以通过人工合成法合成新的P1基因。中心法则的内容如下图所示:
(3)蛋白质工程的基本途径是:预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测相应的氨基酸序列→确定相应脱氧核苷酸序列→目的基因→表达出蛋白质,经过该过程得到的蛋白质,需要对该蛋白质的生物功能进行鉴定,以保证其发挥正常作用。
能力提升
9.(2020·河北衡水中学高二期末)科研人员将葡萄糖异构酶的第138位的甘氨酸替换为脯氨酸,使葡萄糖异构酶的热稳定性提高,最适反应温度提高10~12
℃。下列有关对葡萄糖异构酶进行改造的叙述,错误的是
( )
A.该技术为蛋白质工程,又称为第二代基因工程
B.直接在蛋白质分子水平上对葡萄糖异构酶进行改造
C.改造前可以先预期功能,再对蛋白质进行分子设计
D.改造时需对葡萄糖异构酶基因的碱基对进行替换
答案B
解析该技术通过对葡萄糖异构酶的基因修饰,定向改造葡萄糖异构酶,属于蛋白质工程,又称为第二代基因工程,A项正确;该技术是通过对葡萄糖异构酶基因的修饰来改造蛋白质,不是直接在蛋白质分子水平上进行改造,B项错误;蛋白质工程的基本步骤是从预期蛋白质功能出发→设计预期蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列,进而获得目的基因,通过基因工程表达目标蛋白质,C项正确;改造后的葡萄糖异构酶上氨基酸发生了替换,因此改造时要对葡萄糖异构酶基因的相应碱基对进行替换,D项正确。
10.(2020·山东青岛二中高二期末)某团队用化学法人工合成了脑啡肽
N端五肽(能与细胞膜上某种受体特异性结合)的编码区,使其与人干扰素基因连接,在大肠杆菌中成功表达出一种融合蛋白,该融合蛋白抑制肿瘤细胞生长的活性显著高于单纯的干扰素。下列叙述错误的是( )
A.该过程中利用了基因重组技术
B.该过程并没有创造出新的蛋白质
C.要实现蛋白质的拼接,需先进行基因的拼接
D.脑啡肽
N端五肽使干扰素作用更具有靶向性
答案B
解析由题干知,把人工合成的脑啡肽N端五肽的编码区和人干扰素基因进行DNA拼接,该过程利用了基因重组技术,A项正确;该过程创造出了融合蛋白,是自然界不存在的蛋白质,属于新的蛋白质,B项错误;要实现蛋白质的拼接,需先进行基因的拼接,通过基因的表达产生蛋白质,C项正确;脑啡肽N端五肽能与细胞膜上某种受体特异性结合,从而使干扰素作用更具有靶向性,D项正确。
11.(多选)(2020·浙江杭州学军中学高二期末)下列关于蛋白质工程及其应用的说法,错误的是( )
A.蛋白质工程能定向改造蛋白质分子结构,使之更加符合人类需要
B.蛋白质工程的实质是通过改变氨基酸的结构改变蛋白质的功能
C.当前限制蛋白质工程发展的关键因素是基因工程技术还不成熟
D.蛋白质工程技术中的操作对象是蛋白质或控制蛋白质合成的基因
答案BCD
解析蛋白质工程能通过基因修饰或基因合成,定向对现有蛋白质分子的结构进行改造,使之更加符合人类需要,A项正确;蛋白质工程的实质是通过改变基因的结构达到改变蛋白质功能的目的,B项错误;当前限制蛋白质工程发展的关键因素是对蛋白质的高级结构了解不够,C项错误;蛋白质工程技术中的操作对象是控制蛋白质合成的基因,D项错误。
12.(多选)(2020·江苏南京实验中学高二期末)蛋白质工程是指根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、生产的过程。下面是蛋白质工程的基本途径,据图分析下列叙述正确的是( )
ABCD生产相应蛋白
A.过程A所需原料是脱氧核苷酸,过程B所需原料是氨基酸
B.参与C过程的细胞器有核糖体、内质网、高尔基体、线粒体等
C.D过程主要依据每种氨基酸都有其对应的密码子
D.通过蛋白质工程可以获得人类需要的蛋白质
答案CD
解析识图分析可知,过程A是预期蛋白质的功能,过程B是设计预期蛋白质的结构,因此A、B过程均不需要原料,A项错误;图中C过程只是推测应有的氨基酸序列,因此不需要核糖体、内质网、高尔基体、线粒体等参与,B项错误;D过程是推测相应基因中脱氧核苷酸序列,然后改造或合成目的基因,根据氨基酸与mRNA中密码子的对应关系,先推测出mRNA中的碱基序列,再根据碱基互补配对的原则推测出相应基因中的核苷酸序列,C项正确;蛋白质工程的目的就是通过对基因的改造或者合成新的基因,从而获得人类需要的蛋白质,D项正确。
13.枯草杆菌产生的蛋白酶具有催化分解蛋白质的特性,但极易被氧化而失效。1985年,美国的埃斯特尔将枯草杆菌蛋白酶分子中的少数氨基酸替换后,虽然其水解活性有所下降,但抗氧化的能力大大提高。用这种水解酶作为洗涤剂的添加剂,可以有效地去除血渍、奶渍等蛋白质污渍。请回答下列问题。
(1)改造枯草杆菌蛋白酶的生物技术是 。?
(2)改造后的枯草杆菌中的控制合成蛋白酶的基因与原来相比, 发生变化。?
(3)利用生物技术改造蛋白质,提高了蛋白质的稳定性,埃斯特尔所做的工作是对已知蛋白质进行 。?
(4)若要获得新型蛋白质,需用到的生物工程有蛋白质工程、 和发酵工程。?
答案(1)蛋白质工程 (2)碱基对(或脱氧核苷酸序列) (3)少数氨基酸的替换 (4)基因工程
解析(1)题中改造枯草杆菌蛋白酶的生物技术是蛋白质工程。(2)将枯草杆菌蛋白酶分子中的少数氨基酸替换,改造后的枯草杆菌中的控制合成蛋白酶的基因与原来相比,碱基对或脱氧核苷酸序列发生变化。(3)利用生物技术改造蛋白质,提高了蛋白质的稳定性,埃斯特尔所做的工作是对已知蛋白质进行少数氨基酸的替换。(4)若要获得新型蛋白质,需用到的生物工程有蛋白质工程、基因工程和发酵工程。
14.科学家通过利用PCR定点突变技术改造Rubisco酶基因,提髙了光合作用过程中Rubisco酶对CO2的亲和力,从而显著提高了植物的光合作用速率。请回答下列问题。
(1)PCR过程所依据的原理是 ,该过程需要加入的酶是 。利用PCR技术扩增目的基因的前提是要有目的基因的一段已知核苷酸序列,以便根据这一序列合成 。?
(2)该技术不直接改造Rubisco酶,而通过对Rubisco酶基因进行改造,从而实现对Rubisco酶的改造,其原因是 。和传统基因工程技术相比较,PCR定点突变技术在应用方面最突出的优点是 ,PCR定点突变技术属于 (填“基因工程”“细胞工程”或“蛋白质工程”)的范畴。?
(3)可利用定点突变的DNA构建基因表达载体,常用 将基因表达载体导入植物细胞,将该细胞经植物组织培养技术培育成幼苗,从细胞水平分析所依据的原理是 。?
答案(1)DNA半保留复制 耐高温的DNA聚合酶(或Taq酶) 引物 (2)蛋白质空间结构较为复杂,对其直接改造难以操作 培育的转基因生物能生产出自然界不存在的蛋白质 蛋白质工程 (3)农杆菌转化法 植物细胞的全能性
解析(1)PCR技术是DNA扩增的技术,所以其原理是DNA半保留复制,但该过程需要耐高温的DNA聚合酶(或Taq酶)的催化。利用PCR技术扩增目的基因的前提是要有目的基因的一段已知核苷酸序列,以便根据这一序列合成引物。(2)由于蛋白质空间结构较为复杂,对其直接改造难以操作,所以该技术不直接改造Rubisco酶,而通过对Rubisco酶的基因进行改造,从而实现对Rubisco酶的改造。和传统基因工程技术相比,定点突变技术在应用方面最突出的优点是培育的转基因生物能生产出自然界不存在的蛋白质,PCR定点突变技术属于蛋白质工程的范畴。(3)将基因表达载体导入植物细胞常用农杆菌转化法;植物组织培养技术的原理是植物细胞的全能性。(共69张PPT)
第2节 基因工程的基本操作程序
学习目标
1.概述基因工程的基本操作程序。
2.说明利用PCR技术扩增目的基因的基本过程。
3.理解基因表达载体的结构和各部分的作用及基因表达载体的构建。
4.举例说明获取目的基因的途径,目的基因导入受体细胞的方法、检测与鉴定目的基因的方法。
一、基因工程的基本操作程序
1.目的基因的筛选与获取。
2.基因表达载体的构建。
3.将目的基因导入受体细胞。
4.目的基因的检测与鉴定。
二、目的基因的筛选与获取
1.目的基因:用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因。主要是指编码蛋白质的基因,如与生物抗逆性、优良品质、生物制药、毒物降解和工业用酶等相关的基因。
2.筛选合适的目的基因
(1)从相关的已知结构和功能清晰的基因中进行筛选。
(2)应用测序技术、序列数据库、序列比对工具等认知更多的基因结构和功能,以便找到合适的目的基因。
3.获取目的基因的途径
(1)人工合成目的基因;
(2)构建基因文库获取目的基因;
(3)PCR获取目的基因。
4.利用PCR获取和扩增目的基因
(1)PCR的目的:在体外对目的基因的核酸序列进行大量复制。
(2)PCR原理:DNA半保留复制。
(3)PCR条件:一定的缓冲溶液、DNA模板、分别与两条模板链结合的2种引物、4种脱氧核苷酸和耐高温的DNA聚合酶。
(4)每次循环的过程:变性→复性→延伸。
①变性:加热至90
℃以上时,双链DNA解聚为单链。
②复性:冷却至50
℃左右时,两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合。
③延伸:加热至72
℃左右时,4种脱氧核苷酸在耐高温的
DNA聚合酶的作用下,根据碱基互补配对原则合成新的DNA链。
(5)特点:上一轮循环的产物作为下一轮反应的模板,每一次循环后,目的基因的量可以增加一倍,即成指数形式扩增(约为2n,n为扩增循环的次数)。
(6)鉴定:常用琼脂糖凝胶电泳来鉴定PCR的产物。
①DNA分子具有可解离的基团,在一定的pH下,这些基团可以带上正电荷或负电荷。在电场的作用下,这些带电分子会向着与它所带电荷相反的电极移动,这个过程就是电泳。
②在琼脂糖凝胶电泳时,DNA分子的迁移速率与凝胶的浓度、DNA分子的大小和构象等有关。
③凝胶中的DNA分子通过染色,可以在波长为300
nm的紫外灯下被检测出来。
预习反馈
1.判断正误。
(1)PCR反应中温度的周期性改变是为了DNA聚合酶催化不同的反应。(
×
)
(2)用PCR方法扩增目的基因时不必知道基因的全部序列。(
√
)
(3)PCR体系中一定要添加从受体细胞中提取的DNA聚合酶。(
×
)
2.下列有关PCR技术的说法,错误的是( )
A.PCR是一项在生物体外复制特定的DNA片段的核酸合成技术
B.PCR技术的原理是DNA半保留复制
C.利用PCR技术获取目的基因的前提是要有一段已知的目的基因的核苷酸序列
D.PCR扩增中需要解旋酶解开双链DNA
答案D
解析PCR是一项在生物体外复制特定的DNA片段的核酸合成技术,其原理是DNA半保留复制,A项和B项正确;利用PCR技术获取目的基因的前提是要有一段已知的目的基因的核苷酸序列,以便根据这一序列合成引物,C项正确;PCR扩增中双链DNA受热变性后解聚为单链,不需要解旋酶解开双链DNA,D项错误。
三、基因表达载体的构建
1.基因表达载体构建的目的
使目的基因在受体细胞中稳定存在,并且可以遗传给下一代,同时,使目的基因能够表达和发挥作用。
2.基因表达载体的组成
3.基因表达载体的构建过程
一般用同种或能产生相同末端的限制酶分别切割载体和目的基因,再用DNA连接酶把两者连接,形成一个重组DNA分子(如下图)。
预习反馈
1.判断正误。
(1)表达载体的复制和目的基因的表达均启动于复制原点。(
×
)
(2)外源DNA必须位于重组质粒的启动子上游或终止子的下游才能进行表达。(
×
)
(3)
基因表达载体中需要含有起始密码、终止密码、目的基因、标记基因。(
×
)
(4)借助抗生素抗性基因可将含目的基因的受体细胞筛选出来。(
√
)
2.下列有关人胰岛素基因表达载体的叙述,正确的是( )
A.表达载体中的胰岛素基因可通过人肝细胞中的mRNA反转录获得
B.表达载体的复制开始于启动子
C.胰岛素基因必须插入启动子与终止子之间
D.启动子和终止密码子均在胰岛素基因的转录中起作用
答案C
解析由于人肝细胞中胰岛素基因不能表达,所以无法利用肝细胞中的mRNA反转录获得胰岛素基因,A项错误;表达载体的复制启动于复制原点,B项错误;胰岛素基因必须插入启动子与终止子之间,C项正确;启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位,是转录的起点,而终止密码子位于mRNA上,在翻译中起作用,D项错误。
四、将目的基因导入受体细胞
1.导入植物细胞
(1)农杆菌转化法。
利用农杆菌细胞中Ti质粒上的T-DNA(可转移DNA)能够转移并整合到侵染细胞的染色体DNA上的特点,将目的基因插入
Ti质粒的T-DNA中,通过农杆菌的转化作用,可以使目的基因进入植物细胞。
(2)花粉管通道法。
①用微量注射器将含目的基因的DNA溶液直接注入子房中。
②在植物受粉后的一段时间内,剪去柱头,将DNA溶液滴加在花柱切面上,使目的基因借助花粉管通道进入囊胚。
2.导入动物细胞(受精卵)
显微注射技术。
3.导入微生物细胞
用Ca2+处理细胞,使受体细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态,再将重组的基因表达载体导入其中。
预习反馈
1.判断正误。
(1)目的基因导入植物细胞一般采用农杆菌转化法。(
√
)
(2)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。(
×
)
(3)常用卵细胞作为培育转基因动物的受体细胞。(
×
)
2.(多选)下图为科学家通过基因工程培育抗虫棉时,从苏云金芽孢杆菌中提取抗虫基因“放入”棉花细胞中与棉花的DNA分子“结合起来”而发挥作用的过程示意图。以下相关说法正确的是( )
A.图中Ⅰ是质粒,步骤①需要用到限制酶和DNA聚合酶
B.图中Ⅱ是含目的基因的重组质粒,步骤②是将重组质粒导入棉花细胞
C.图中Ⅲ是农杆菌,通过步骤③将目的基因导入植物细胞
D.剔除培育成功的抗虫棉体内的四环素抗性基因不会影响抗虫基因的表达
答案CD
解析Ⅰ为质粒,步骤①为基因表达载体的构建,需要用到限制酶和DNA连接酶,A项错误;图中步骤②是将重组质粒导入农杆菌细胞,B项错误;图中步骤③是将目的基因导入植物细胞,C项正确;基因的表达具有一定的独立性,剔除抗虫棉体内的四环素抗性基因不影响抗虫基因的表达,D项正确。
五、目的基因的检测与鉴定
1.分子水平的检测
(1)检测目的基因是否插入受体细胞的DNA中。
(2)检测目的基因是否转录出了mRNA。
(3)检测目的基因是否翻译出相应蛋白质,通常用抗体进行
抗原—抗体杂交。
2.个体生物学水平的鉴定
(1)通过采摘抗虫棉的叶片饲喂棉铃虫来确定Bt基因是否赋予了棉花抗虫特性以及抗性的程度。
(2)通过相应病原微生物感染生物来确定相应抗病基因是否赋予了受体生物抗病特性以及抗性的程度。
预习反馈
1.判断正误。
(1)转基因抗虫棉植株抗虫效果的鉴定必须通过分子检测。(
×
)
(2)抗虫基因即使成功地插入植物细胞染色体上也未必能正常表达。(
√
)
(3)检测目的基因是否插入受体细胞的DNA中,可用抗原—抗体杂交技术。(
×
)
2.下列判断抗虫基因是否成功转入棉花基因组的方法中,不属于分子检测的是( )
A.通过观察害虫吃棉叶是否死亡
B.检测棉花基因组DNA与DNA探针能否形成杂交带
C.检测棉花细胞中mRNA与DNA探针能否形成杂交带
D.检测棉花细胞中的蛋白质能否与特定抗体形成杂交带
答案A
解析A项属于个体水平的鉴定,不是分子检测。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
目的基因的筛选与获取
情境导引
巴西等拉美国家深受致倦库蚊的危害。致倦库蚊可携带多种病毒和寄生虫,能够传播脑炎、丝虫等传染病,而这些传染病常年在拉美国家肆虐。为了抑制疾病的传播,科学家培育出了一种转基因雄性致倦库蚊。科学家在雄性致倦库蚊体内植入一种特殊基因,当具有该基因的雄蚊与野生雌蚊交配时,这种基因可以进入雌蚊的基因组,并使雌蚊死亡,从而达到减少该种蚊子的数量,抑制疾病传播的目的。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
请讨论回答下列问题。
1.该项研究的目的基因是什么?其作用是什么?
提示植入雄性致倦库蚊体内的一种特殊基因是该项研究的目的基因。该基因可以进入雌蚊的基因组,并使雌蚊死亡,从而减少该种蚊子的数量,抑制疾病传播。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
2.根据PCR获取和扩增目的基因的反应条件,完善表格。
条 件
作 用
在一定的缓冲液中进行
提供相对稳定的 环境?
?
合成DNA子链的原料
DNA母链
?
?
催化合成DNA子链
?
与DNA母链相应互补序列结合
答案pH 4种脱氧核苷酸 提供DNA复制的模板 耐高温的DNA聚合酶 引物
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
3.PCR反应的过程
答案变性 解旋 复性 碱基互补配对 延伸 5'端向3'端延伸
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
归纳提升
1.PCR技术与细胞内DNA复制的比较
比较项目
细胞内DNA复制
PCR技术
区别
解旋方式
解旋酶催化
DNA在高温下变性解旋
场所
主要在细胞核内
PCR扩增仪(PCR仪)
酶
解旋酶、DNA聚合酶
耐高温的DNA聚合酶
温度
细胞内温和条件
控制温度,在不同温度下进行
结果
合成整个DNA分子
扩增特定的DNA片段或基因
联系
(1)模板:均需要脱氧核苷酸单链作为模板
(2)原料:均为4种脱氧核苷酸
(3)酶:均需DNA聚合酶
(4)引物:都需要引物,使DNA聚合酶从引物开始进行互补链的合成
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
2.PCR反应中应注意的问题
(1)PCR设计的引物序列长度一般介于20~30个核苷酸,若引物序列太长会使扩增效率降低,而引物太短又容易导致异常DNA的产生。
(2)PCR技术通过高温加热使双链DNA解旋,该过程不需要解旋酶的参与。双链DNA在高温下解链的现象称为DNA的变性,在降温时,双链可以重新形成,所以DNA的热变性是可逆的。
(3)PCR扩增时,复性温度的设定是成败的关键。复性温度的设定主要与引物的长度和碱基组成中G—C比例呈正相关。如果复性温度太高,引物无法与模版链结合,无法进行DNA复制,PCR反应得不到任何扩增产物。
(4)DNA聚合酶从引物的3'端开始拼接单个的脱氧核苷酸进行PCR扩增。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
3.目的基因获取方法的选择
(1)PCR扩增。必须有目的基因上一段已知序列,以便设计引物。
(2)人工合成。目的基因片段小,序列已知。
(3)基因文库中获取。目的基因序列未知。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
典例剖析
(多选)以下为逆转录过程和PCR扩增过程示意图。据图分析,下列说法正确的是( )
A.催化①过程的酶是逆转录酶
B.④过程发生的变化是引物与单链DNA结合
C.催化②⑤过程的酶都是DNA聚合酶
D.如果RNA单链中A与U之和占该链碱基含量的40%,则一个双链DNA中,A与U之和也占该DNA碱基含量的40%
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
答案ABC
解析由题意可知,①②③④⑤分别表示的过程是逆转录、DNA的复制、DNA解链、引物结合到互补DNA链、DNA子链的合成,B项正确;①过程由逆转录酶催化完成,A项正确;催化②⑤过程的酶都是DNA聚合酶,C项正确;在DNA分子中有T无U,D项错误。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
活学活练
1.下列关于
PCR
技术的叙述,错误的是( )
A.PCR
即聚合酶链式反应,利用其可获取大量目的基因
B.PCR
的原理是
DNA半保留复制,可以在仪器中自动完成
C.PCR
技术扩增目的基因时要知道目的基因的部分序列
D.PCR
技术扩增目的基因时必须用解旋酶解开双链
DNA
答案D
解析PCR
即聚合酶链式反应,利用其可获取大量目的基因,A项正确;PCR
的原理是
DNA
半保留复制,可以在仪器(PCR仪)中自动完成,B项正确;PCR
技术扩增目的基因时要知道目的基因的部分序列,以便设计引物,C项正确;PCR
技术扩增目的基因时用高温解开双链
DNA,D项错误。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
2.PCR技术是体外酶促合成特异DNA片段的一种方法,利用该方法可以使目的基因迅速扩增,其简要过程如图所示。下列关于PCR技术的叙述,错误的是( )
A.PCR和体内DNA复制都需要模板、能量
B.由PCR的反应过程可知,与氢键相比,磷酸二酯键对高温的稳定性更强
C.PCR和体内DNA复制都要消耗4种脱氧核苷酸和2种引物
D.PCR反应中新合成的DNA又可以作为下一轮反应的模板
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
答案C
解析PCR技术是一种体外迅速扩增DNA片段的技术,以极少量DNA为模板,复制出大量DNA,与体内DNA复制一样,都需要模板和能量,A项正确;由PCR的反应过程可知,高温使双链DNA解链,破坏的是碱基间的氢键,而没有破坏磷酸二酯键,则磷酸二酯键对高温的稳定性更强,B项正确;PCR和体内DNA复制都要消耗4种脱氧核苷酸,PCR是先解旋后复制特定DNA序列,需2种引物,而细胞内DNA复制是边解旋边复制,则需多种引物,C项错误;PCR反应中新合成的DNA又可以作为下一轮反应的模板,继续合成子代DNA片段,D项正确。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
基因表达载体的构建
情境导引
游离的DNA进入细胞内,一般会直接被分解,就算可以进行转录、翻译成蛋白质,游离DNA也无法跟着细胞分裂进行复制,导致子代细胞中不再含有该游离DNA。若游离的DNA整合至细胞的染色体DNA上,或以一种形式在细胞内独立稳定存在,能自我复制,则该游离DNA上的基因会随细胞分裂传递给子细胞或子代。
请讨论回答下列问题。
1.通过PCR技术获取足够量的目的基因后,能够直接导入受体细胞吗?为什么?
提示不能。若将目的基因直接导入受体细胞,目的基因可能被受体细胞分解或无法随细胞分裂进行复制,不能稳定遗传和表达。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
2.基因表达载体的基本组成有哪几部分?
提示目的基因、启动子、终止子、标记基因等。
3.标记基因的作用是什么?常用什么基因来作标记基因?
提示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,从而将含有目的基因的细胞筛选出来。常用抗性基因作为标记基因。
4.培育转基因生物的核心工作是什么?构建基因表达载体的目的是什么?
提示培育转基因生物的核心工作是基因表达载体的构建。构建基因表达载体的目的:(1)使目的基因在受体细胞中稳定存在,并且可以遗传给下一代;(2)使目的基因能够在受体细胞中表达和发挥作用。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
归纳提升
1.构建基因表达载体时限制酶的选择技巧
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
根据目的基
因两端的限
制酶切割位
点确定限制
酶的种类
①应选择切割位点位于目的基因两端的限制酶,如图甲可选择PstⅠ;②不能选择切割位点位于目的基因内部的限制酶,如图甲不能选择SmaⅠ;③为避免目的基因和质粒的自身环化和随意连接,也可使用不同的限制酶切割目的基因和质粒,如图甲也可选择用Pst
Ⅰ和EcoR
Ⅰ两种限制酶(但要确保质粒上也有这两种酶的切割位点)
根据质粒的
特点确定限
制酶的种类
①所选限制酶要与切割目的基因的限制酶一致,以确保产生相同的黏性末端;②质粒作为载体必须具备标记基因等,所以所选择的限制酶尽量不要破坏这些结构,如图乙中限制酶SmaⅠ会破坏标记基因;③如果所选酶的切割位点不止一个,则切割重组后可能丢失某些片段,若丢失的片段含复制起点区,则切割重组后的片段进入受体细胞后不能进行复制
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
2.启动子、终止子与起始密码子、终止密码子的区别
项目
启动子
终止子
起始密码子
终止密码子
本质
有特殊序列结构的DNA片段
有特殊序列结构的DNA片段
mRNA上三个相邻碱基
mRNA上三个相邻碱基
位置
基因上游
基因下游
mRNA首端
mRNA尾端
作用
RNA聚合酶识别和结合的部位,驱动基因转录
终止转录
翻译的起始点
终止翻译
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
易错提醒
基因表达载体易错点剖析
(1)基因工程中的基因表达载体不等同于载体。基因表达载体与载体相比增加了目的基因。
(2)目的基因插入位点不是随意的。目的基因应插入启动子和终止子之间的部位,若目的基因插入启动子部位,目的基因将无法表达。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
典例剖析
如图是利用基因工程技术培育转基因植物,进而生产可食用疫苗的部分过程示意图,其中PstⅠ、SmaⅠ、EcoRⅠ、ApaⅠ为四种限制性内切核酸酶。下列说法错误的是( )
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
A.图示过程是基因工程的核心步骤
B.表达载体构建时需要用到限制酶SmaⅠ
C.抗卡那霉素基因的存在有利于将含有抗原基因的细胞筛选出来
D.除图示组成外,表达载体中还应该含有启动子和终止子等结构
答案B
解析图示过程为基因表达载体的构建过程,是基因工程中的核心步骤,A项正确;构建表达载体过程中需要将目的基因完整切割下来,此时要用到限制酶PstⅠ、EcoRⅠ,B项错误;抗卡那霉素基因是标记基因,目的是便于鉴定和筛选含有目的基因的细胞,C项正确;基因表达载体应包括启动子、目的基因、终止子和标记基因等结构,D项正确。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
活学活练
1.下列有关抗虫基因表达载体的叙述,正确的是( )
A.切割含抗虫基因的DNA片段和载体必须用同一种限制酶
B.抗虫基因表达载体中要有启动子和终止密码子
C.抗虫基因表达载体必须具备标记基因,其作用是筛选含有目的基因的受体细胞
D.抗虫基因的表达启动于复制原点
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
答案C
解析切割含抗虫基因的DNA片段和载体可以用不同的限制酶,只要切割出的切口末端相同即可,A项错误;抗虫基因表达载体必须具备启动子和终止子,终止密码子位于mRNA上,B项错误;基因表达载体必须具备标记基因,其作用是用于检测目的基因是否导入到受体细胞中,从而将含有目的基因的受体细胞筛选出来,C项正确;抗虫基因的表达开始于启动子,D项错误。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
2.图甲、乙中的箭头表示限制性内切核酸酶的酶切位点,ampr表示氨苄青霉素抗性基因,neo表示新霉素抗性基因。下列叙述正确的是( )
A.图甲中的质粒用BamH
Ⅰ切割后,含有4个游离的磷酸基团
B.在构建重组质粒时,可用Pst
Ⅰ和BamH
Ⅰ切割质粒和外源DNA
C.用Pst
Ⅰ和Hind
Ⅲ切割质粒和外源DNA,可以保证重组DNA序列的唯一性
D.导入目的基因的大肠杆菌可在含氨苄青霉素的培养基中生长
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
答案C
解析图甲中的质粒用BamHⅠ切割后,获得一个DNA片段,其只含有2个游离的磷酸基团,A项错误;在构建重组质粒时,不能使用BamHⅠ切割外源DNA,因为用BamHⅠ会破坏目的基因的结构,但可以用PstⅠ和Hind
Ⅲ切割质粒和外源DNA,B项错误;用PstⅠ和Hind
Ⅲ切割质粒,切开的质粒由于两切口处黏性末端不同,不会自身连接,用这两种限制酶切割外源DNA,可得到目的基因的完整序列,且切口处黏性末端只能与切开的质粒的互补的黏性末端连接,保证了重组DNA序列的唯一性,C项正确;由于用PstⅠ切割质粒后,其中的氨苄青霉素抗性基因已被破坏,所以导入目的基因的大肠杆菌不能在含氨苄青霉素的培养基中生长,D项错误。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
将目的基因导入受体细胞
情境导引
下图表示培育转基因抗病毒番茄的过程示意图。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
请回答下列问题。
1.简述农杆菌转化法将目的基因导入植物细胞的过程。
提示将目的基因插入农杆菌Ti质粒上的T-DNA中,通过农杆菌对植物细胞的侵染作用,Ti质粒上的T-DNA转移至被侵染的植物细胞,并将其整合到该细胞的染色体DNA上。
2.将目的基因导入植物细胞最常用的是哪种方法?简便经济的方法是哪种?我国科学家独创的方法是哪种?
提示农杆菌转化法最常用。除此之外还有花粉管通道法,这是一种更为简便经济的方法,也是我国科学家独创的方法。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
3.将目的基因导入动物细胞通常采用的方法是什么?选取的受体细胞是什么细胞?
提示显微注射法。受精卵。
4.简述将目的基因导入大肠杆菌的基本过程。
提示用Ca2+处理大肠杆菌细胞,使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态,这种细胞称为感受态细胞。基因表达载体溶于缓冲液中与感受态细胞混合,在一定的温度下促进感受态细胞吸收基因表达载体。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
归纳提升
1.受体细胞的选择
(1)对于植物来说,受体细胞可以是受精卵或体细胞,因为植物细胞具有全能性。
(2)对于动物来说,受体细胞一般是受精卵,因为受精卵的全能性高,而高度分化的动物体细胞的全能性受到抑制。
(3)大肠杆菌和酵母菌在基因工程中都可以作为受体细胞,但又有所不同。大肠杆菌为原核细胞,而酵母菌为真核细胞(具有多种细胞器),所以在生产需要加工和分泌的蛋白质时,酵母菌比大肠杆菌有优势。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
2.目的基因在受体细胞中的位置不同会引起遗传上的差别
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
(1)图中a细胞减数分裂时,细胞质是不均分的,子细胞不一定含有目的基因。
(2)图中b在进行细胞减数分裂时,细胞核中的DNA经复制后平均分配到两个子细胞中,保证了亲子代遗传性状的稳定性,细胞中目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达。
易错提醒
在将目的基因导入受体细胞之前,都必须进行基因表达载体的构建,也就是说导入受体细胞的必须是重组DNA分子,而不是直接导入目的基因。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
典例剖析
(多选)下图表示培育转基因抗病毒农作物的过程示意图。下列叙述正确的是( )
A.过程a需要限制酶和DNA连接酶的参与
B.过程b需要用CaCl2处理,以提高农作物细胞细胞壁的通透性
C.抗病毒基因一旦整合到农作物细胞的染色体上,就能正常表达
D.转基因抗病毒农作物是否培育成功可通过接种特定病毒进行鉴定
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
答案AD
解析题图中过程a为构建基因表达载体,需要用到限制酶和DNA连接酶,A项正确;CaCl2处理只是提高农杆菌细胞(原核细胞)细胞壁的通透性,B项错误;抗植物病毒基因整合到农作物细胞的染色体上,不一定能表达,C项错误;转基因抗病毒农作物是否培育成功可通过接种特定病毒,观察农作物是否被感染来进行鉴定,D项正确。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
活学活练
受体细胞不同,将目的基因导入受体细胞的方法也不相同,下列受体细胞与导入方法匹配错误的是( )
选项
受体细胞
导入方法
A
棉花细胞
花粉管通道法
B
大肠杆菌
农杆菌转化法
C
羊受精卵
显微注射法
D
水稻细胞
农杆菌转化法
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
答案B
解析花粉管通道法是一种十分简便、经济的方法,我国的转基因抗虫棉培育过程用到此种方法,A项正确;将目的基因导入微生物细胞用Ca2+处理法,这种方法能使大肠杆菌细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态,B项错误;显微注射技术是将目的基因导入动物细胞(如羊受精卵)的最常用、最有效的方法,C项正确;可用农杆菌转化法将目的基因导入水稻细胞,D项正确。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
目的基因的检测与鉴定
下图为抗虫棉的接种实验,结合图示(左图为转基因抗虫棉使虫体发育不正常)探究以下问题。
1.分子水平的鉴定包括哪些内容?
提示目的基因的检测与鉴定在分子水平包括:目的基因是否插入受体DNA,目的基因是否转录出mRNA和目的基因是否翻译出蛋白质三个层次。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
2.
观察下图,完善目的基因是否导入受体细胞,目的基因是否转录出mRNA的鉴定方法和原理。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
(1)由图可知, 的基本原理是具有一定同源性的两条DNA单链,在一定条件下(适宜的温度等)按照 原则形成双链。杂交过程是高度特异性的,杂交的双方是 和用放射性同位素标记的 (又称基因探针)。若转基因生物的染色体DNA中有能与探针 的特异DNA片段,用于示踪的放射性同位素标记将指示其所在的位置,表明目的基因已插入到转基因生物 中。?
(2)同理,利用DNA和mRNA之间分子杂交技术,检测目的基因是否 。?
答案(1)DNA分子杂交法 碱基互补配对 待测的DNA 已知DNA片段 互补 染色体的DNA (2)转录出mRNA
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
3.如何检测目的基因是否翻译成了蛋白质?
提示提取转基因生物的蛋白质,以相应的抗体进行抗原—抗体杂交,若出现杂交带说明目的基因表达出相应蛋白质。也可进行个体生物学水平的鉴定。
4.对于转基因抗虫或抗病植株,在个体生物学水平的鉴定包括哪些内容?
提示一个抗虫或抗病的目的基因导入植物细胞后,是否赋予了植物抗虫或抗病特性,在个体生物学水平上需要做抗虫或抗病的接种实验,以确定是否具有抗性以及抗性的程度。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
归纳提升
1.目的基因的检测与鉴定
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
2.不同分子检测原理的异同
(1)检测目的基因是否插入受体DNA中、目的基因是否转录时,用的探针都是放射性同位素等标记的含有目的基因的DNA片段。检测原理都是碱基互补配对原则,只是被检测的物质不同,一个是转基因生物的基因组DNA,一个是转基因生物细胞内的mRNA。
(2)进行翻译水平的检测,通常以目的基因表达产物(蛋白质)作抗原,制备相应抗体,检测转基因生物的蛋白质,利用抗原与抗体特异性结合的原理。
(3)不论是复制水平、转录水平还是翻译水平的检测,都是在体外进行的。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
易错提醒
基因工程操作过程中碱基互补配对现象
基因工程操作过程中只有第三步“将目的基因导入受体细胞”没有碱基互补配对现象;第一步筛选与获取目的基因,用人工合成、PCR获取或基因文库获取,三种常用方法都涉及碱基互补配对;第二步基因表达载体的构建中DNA连接酶连接目的基因与质粒载体,第四步利用分子杂交的方法检测(DNA、mRNA),也都存在碱基互补配对现象。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
典例剖析
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,只有通过鉴定与检测才能知道。下列属于目的基因检测和鉴定的是( )
①检测受体细胞中是否有目的基因 ②检测受体细胞中是否有致病基因 ③检测目的基因是否转录出了mRNA ④检测目的基因是否翻译成蛋白质
A.①②③
B.②③④
C.①③④
D.①②④
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
答案C
解析对转基因中目的基因的分子水平的检测包括三个方面:①检测转基因生物的DNA上是否插入了目的基因,方法是采用DNA分子杂交技术;②检测目的基因是否转录出了相应的
mRNA,方法也是使用基因探针与之杂交;③检测目的基因是否翻译成了相应的蛋白质,常用的方法是抗原—抗体杂交。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
活学活练
1.利用外源基因在受体细胞中表达,可生产人类所需的产品。下列选项中能说明目的基因在导入受体细胞后完成表达的是( )
A.棉花细胞中检测到载体上的标记基因
B.山羊乳腺细胞中检测到人生长激素基因
C.大肠杆菌中检测到人胰岛素基因的mRNA
D.酵母菌细胞中提取到人的干扰素
答案D
解析A、B两项只说明目的基因已导入受体细胞中,C项说明目的基因在受体细胞中转录出了mRNA。D项含有人的干扰素基因的酵母菌合成了人的干扰素,说明目的基因完成表达。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
2.科学家将大麦细胞中的LTP1基因植入啤酒酵母菌中,获得的啤酒酵母菌可产生相应蛋白质,并酿出泡沫丰富的啤酒,其基本的操作过程如下图所示。请据图回答下列问题。
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
(1)图中所示技术定向改变了酵母菌的性状,所利用的原理是 。?
(2)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)图中a、b过程使用到的酶分别是 。?
(4)将LTP1基因导入酵母菌细胞并成功表达,这里“成功表达”的含义是 。?
探究点一
探究点二
探究点三
探究点四
答案(1)基因重组 (2)质粒 (3)限制性内切核酸酶、DNA连接酶 (4)啤酒酵母菌可产生相应蛋白质
解析(1)基因工程实现了不同种生物基因的重新组合,依据的原理是基因重组。(2)大肠杆菌细胞中的质粒是小型环状DNA分子,适于作为载体。分析题图可知,将目的基因导入酵母菌细胞使用的载体是质粒。(3)a过程中,用限制性内切核酸酶对含目的基因的DNA片段进行切割;b过程构建重组质粒,需用DNA连接酶连接目的基因和载体。(4)将LTP1基因导入酵母菌细胞并成功表达,这里“成功表达”的含义是LTP1基因在酵母菌细胞中通过转录和翻译合成了相应蛋白质。第3节 基因工程的应用
课后篇巩固提升
基础巩固
1.(2020·河北邢台一中高二期末)科学家已能运用基因工程技术,让羊的乳腺合成并分泌人体的某些抗体,以下叙述不正确的是( )
A.该技术可导致定向变异
B.表达载体中需要加入乳腺蛋白基因的特异性启动子
C.目的基因是抗原合成基因
D.受精卵是理想的受体细胞
答案C
解析由题意分析可知该技术为基因工程技术,将目的基因导入受体细胞,可以定向改变生物性状,故A项正确;运用基因工程技术,让羊的乳腺生产抗体,则表达载体中目的基因上游要加入羊乳腺蛋白基因的启动子,故B项正确;目的基因是人体内控制某些抗体合成的基因,故C项错误;受精卵常作为动物基因工程的受体细胞,故D项正确。
2.(2020·陕西咸阳实验中学高二期中)下列关于培育转基因抗虫棉的叙述,正确的是( )
A.DNA连接酶能把Bt抗虫蛋白基因与噬菌体相连接
B.Bt抗虫蛋白基因可借助花粉管通道进入受体细胞
C.Bt
抗虫蛋白对害虫和人都有不同程度的毒害作用
D.需制备好相应抗原来检测
Bt
抗虫蛋白
答案B
解析培育转基因植物常用农杆菌转化法,可用DNA连接酶将编码Bt
抗虫蛋白的基因与农杆菌的Ti质粒相连接,构建基因表达载体,A项错误;在植物细胞基因工程中,可利用农杆菌转化法将目的基因导入受体细胞,也可以利用花粉管通道法将目的基因导入受精卵中,B项正确;Bt
抗虫蛋白对哺乳动物无毒害作用,C项错误;要检测目的基因是否成功翻译,可用抗原—抗体杂交技术进行检测,目的基因翻译的蛋白质作为抗原,故需制备好相应抗体来检测Bt
抗虫蛋白,D项错误。
3.(2020·山东夏津第一中学高二期中)近年来基因工程的发展非常迅猛,下列不属于基因工程应用的是( )
A.克隆猴“中中”和“华华”
B.利用乳腺生物反应器生产药物
C.制造一种能分解石油的“超级细菌”
D.制造一种能产生干扰素的工程菌
答案A
解析克隆猴“中中”和“华华”应用了动物细胞核移植技术,A项符合题意;利用乳腺生物反应器生产药物,这属于动物基因工程的应用,B项不符合题意;制造一种能分解石油的“超级细菌”,这属于基因工程的应用,C项不符合题意;制造一种能产生干扰素的工程菌,这属于基因工程的应用,D项不符合题意。
4.(2020·陕西西安中学高二期中)下图为利用生物技术获得生物新品种的过程,有关说法错误的是( )
A.A→B过程中用到的原料有4种,加入的引物有2种
B.A→B过程利用了DNA半保留复制原理,需要使用耐高温的DNA聚合酶
C.B→C为转基因绵羊的培育过程,常选用的受体细胞是卵母细胞
D.B→D为转基因植物的培育过程,其中④过程常用的方法是农杆菌转化法
答案C
解析分析题图可以看出,图中A→B过程为利用PCR技术扩增目的基因,原料是四种脱氧核苷酸,需要两种引物,A项正确;PCR技术的原理是DNA半保留复制,需要耐高温的DNA聚合酶,B项正确;B→C为转基因绵羊的培育过程,培育转基因动物时,常用受精卵作为受体细胞,C项错误;培育转基因植物时,常用农杆菌转化法将目的基因导入受体细胞,D项正确。
5.(2020·江西南昌二中高二期中)科学家培养出一种转基因小鼠,其膀胱上皮细胞可以合成人的生长激素并分泌到尿液中。下列说法正确的是( )
A.将人的生长激素基因导入小鼠受体细胞,可以用花粉管通道法
B.人的生长激素基因只存在于在小鼠的膀胱上皮细胞中
C.进行基因转移时,要将目的基因转入小鼠受精卵中
D.采用抗原—抗体杂交技术检测目的基因是否插入了小鼠的基因组
答案C
解析花粉管通道法用于将目的基因导入植物细胞,A项错误;培育转基因动物时,因为受精卵的全能性最高,所以进行基因转移时通常将目的基因转入受精卵中,小鼠的体细胞是由同一个受精卵分裂和分化来的,核遗传物质相同,故人的生长激素基因存在于小鼠所有体细胞中,B项错误,C项正确;检测目的基因是否插入了小鼠的基因组通常采用DNA分子杂交法,D项错误。
6.(2020·山东济宁一中高二月考)据报道,我国海水稻试种成功,并获得喜人的收成。如果能够在更多的盐碱地里种植海水稻,将会养活更多的人。回答下列问题。
(1)人们可以利用基因工程技术培育转基因海水稻,将耐盐基因导入高产水稻细胞内培育耐盐水稻。将耐盐基因导入水稻细胞之前必须先构建 ,要大量获得耐盐基因可采用 技术扩增该基因。?
(2)将目的基因(耐盐基因)导入水稻细胞常用的方法是 ;检测耐盐基因是否在水稻细胞内表达相应蛋白质,通常采用 技术;要进一步鉴定水稻植株是否具有耐盐特性,可采用的方法是 。?
(3)据了解,海水稻的产量还比较低。目前,以袁隆平院士为首的科研团队正在进行高产攻关,利用杂种优势提高产量。杂交育种和基因工程依据的遗传学原理都是 ,但二者的操作水平不同,基因工程技术相对于杂交育种的突出优点是 。?
答案(1)基因表达载体 PCR (2)农杆菌转化法 抗原—抗体杂交 将该转基因水稻种植在用海水灌溉的土壤中,观察其生长状况 (3)基因重组 能克服远缘杂交不亲和障碍,可按照人们的意愿定向改变生物性状
解析(1)为了使目的基因在受体细胞中稳定存在并发挥作用,将耐盐基因导入水稻细胞之前必须先构建基因表达载体;PCR技术是基因体外扩增的有效途径。(2)将目的基因(耐盐基因)导入植物细胞常用的方法是农杆菌转化法;检测目的基因是否在受体细胞内表达相应蛋白质,通常采用抗原—抗体杂交技术;要进一步鉴定水稻植株是否具有耐盐特性,可将水稻种在海水灌溉的土壤中或盐碱地中,观察其生长状况。(3)杂交育种和基因工程育种依据的遗传学原理都是基因重组;杂交育种的局限性是不能跨越种的障碍,对性状的改造也是在原有性状之上重新组合。基因工程技术相对于杂交育种的突出优点是能克服远缘杂交不亲和障碍,可按照人们的意愿定向改变生物性状。
7.科学家尝试使用Cre/LoxP位点特异性重组系统,在确定目的基因导入成功后,删除转基因烟草细胞内的抗除草剂基因。其技术过程如图1所示(图中的代表基因前的启动子),据图回答下列问题。
图1
(1)LoxP是一种仅由34个碱基对构成的小型DNA片段,由两个含13个碱基对的反向重复序列和中间间隔的8个碱基对序列共同组成,自身不会表达,插入质粒后也不影响原有基因的表达,其碱基序列如图2所示。
图2
Cre酶能特异性地识别此序列并在箭头处切开LoxP,其功能类似于基因工程中的 酶。?
(2)将重组质粒导入植物细胞最常用的方法是 。作为标记基因,抗除草剂基因可用于检测目的基因是否导入成功的原因是 。?
(3)确定目的基因导入成功后,抗除草剂基因就没有用了。经Cre酶处理后,质粒中的两个LoxP序列分别被切开后,可得到图1中右侧的这两个DNA分子。由于 ,因此抗除草剂基因不再表达。?
答案(1)限制 (2)农杆菌转化法 抗除草剂基因和目的基因在同一个质粒上 (3)抗除草剂基因前没有了启动子
解析(1)基因工程中的限制酶能特异性地识别DNA上脱氧核苷酸序列并在特定位点处切开,Cre酶的功能与之类似。(2)将重组质粒导入植物细胞最常用的方法是农杆菌转化法。抗除草剂基因和目的基因在同一个质粒上,可以用抗除草剂基因作为标记基因来检测目的基因是否导入成功。(3)由图示可知,经Cre酶处理后,抗除草剂基因前没有了启动子,因此不能表达。
能力提升
8.(2020·江西南昌二中高二月考)上海医学遗传研究所成功培育出第一头携带人白蛋白基因的转基因牛,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。这标志着我国转基因研究向产业化的目标又迈进了一大步。下列有关的叙述中,正确的是( )
A.所谓“提高基因表达水平”是指设法使牛的乳腺细胞中含有更多的人白蛋白基因
B.转基因动物是指体细胞中出现了新基因的动物
C.人们只在转基因牛的乳汁中获取人白蛋白,原因是只有转基因牛的乳腺细胞中含有人白蛋白基因
D.运用基因工程技术让牛合成人白蛋白,该技术将导致牛发生定向变异
答案D
解析“提高基因表达水平”是指设法使牛的乳腺细胞中的人白蛋白基因合成出更多的人白蛋白,A项错误;动物体细胞中出现新基因可能是发生了基因突变,培育转基因动物时,一般以受精卵作为受体细胞,培育出的转基因动物的体细胞都含有目的基因,B项错误;转基因牛的细胞中都含有人白蛋白基因,人们只在转基因牛的乳汁中才能获取人白蛋白,原因是人白蛋白基因只在转基因牛的乳腺细胞中表达,C项错误;基因工程可定向改造生物的性状,D项正确。
9.(2020·河北石家庄一中高二期中)下列有关基因工程的应用的叙述,错误的是( )
A.利用基因工程可改良作物的品质,提高其营养价值
B.通过乳腺生物反应器可生产抗凝血酶等重要的医药产品
C.将正常基因导入受体细胞,以对21三体综合征进行治疗
D.制备工程菌以实现对胰岛素、血清白蛋白的大规模生产
答案C
解析利用基因工程可以改良作物的品质,提高其营养价值,A项正确;将抗凝血酶基因与乳腺蛋白基因的启动子联系在一起,可以制备生产抗凝血酶的乳腺生物反应器,B项正确;21三体综合征属于染色体数目变异,本身不存在致病基因,不能使用基因治疗来治病,C项错误;可用基因工程技术将胰岛素基因或血清白蛋白基因导入微生物,以制备工程菌,大量生产目的蛋白,D项正确。
10.(多选)(2020·江苏启东中学高二期末,改编)我国科学家将含有人凝血因子基因的DNA片段导入到羊的受精卵中,由该受精卵发育而成的羊,分泌的乳汁中含有人的凝血因子,可用于治疗血友病。下列叙述正确的是( )
A.这项研究说明人和羊共用一套遗传密码
B.该羊的乳腺细胞中含有人的凝血因子基因
C.该羊分泌的乳汁中含有人的凝血因子基因
D.该羊的后代也可能含有人的凝血因子基因
答案ABD
解析自然界中的所有生物共用同一套遗传密码,这是人的凝血因子基因能在羊的乳腺细胞中表达的基础,A项正确;该羊分泌的乳汁中含有人的凝血因子,说明该羊的乳腺细胞中含有人的凝血因子基因,但该羊的乳汁中不含有人的凝血因子基因,B项正确,C项错误;由于将人凝血因子基因的DNA片段注射到羊的受精卵中,培育的转基因羊的性腺细胞含有该基因,通过减数分裂产生的卵细胞可能含有该基因,其后代也可能含有人的凝血因子基因,D项正确。
11.(多选)(2020·山东省实验中学高二期中,改编)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,使获得的转基因牛分泌的乳汁中乳糖含量大大降低
C.科学家将药用蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起,通过显微注射等方法,导入哺乳动物的体细胞中
D.培育转基因克隆猪器官,采用的方法是在器官供体基因组中导入某种调节因子,以促进抗原决定基因的表达
答案CD
解析外源生长激素基因在转基因动物体内表达可促进该动物生长,A项正确;将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组,肠乳糖酶基因表达产物是乳糖酶,可分解乳糖,使乳汁中的乳糖含量降低,B项正确;将目的基因导入动物细胞采用最多的方法是显微注射法,若用转基因动物生产药物,科学家通常将药物蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起,导入哺乳动物的受精卵中,C项错误;利用基因工程方法对转基因动物的器官进行改造,采用的方法是在器官供体的基因组中导入某种调节因子,以抑制抗原决定基因的表达,再结合克隆技术,培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆动物器官,D项错误。
12.基因工程是在生物化学和分子生物学基础上建立和发展起来的,并有赖于微生物学理论和技术的发展运用,基因工程基本操作流程如图所示,请据图分析回答下列问题。
(1)图中A是 ,最常用的是 ;在基因工程中,需要在限制酶和 酶的作用下才能完成DNA重组过程。?
(2)在上述基因工程的操作过程中,遵循碱基互补配对原则的步骤有 (用图中序号表示)。?
(3)从分子水平分析,进行基因工程的主要理论依据是不同生物的DNA分子结构基本相同,且生物共用一套 。?
(4)研究发现,番茄体内的蛋白酶抑制剂对害虫的消化酶有抑制作用,导致害虫无法消化食物而被杀死,人们成功地将番茄的蛋白酶抑制剂基因导入玉米体内,玉米获得了与番茄相似的抗虫性状,玉米这种变异的来源是 。?
(5)科学家在某种植物中找到了抗枯萎病的基因,并用基因工程的方法将该基因导入金茶花叶片细胞的染色体DNA上,经培养长成的植株具备了抗病性,这说明 。?
答案(1)载体 质粒 DNA连接 (2)①②④ (3)遗传密码 (4)基因重组 (5)目的基因(或抗枯萎病的基因)在金茶花细胞中成功表达(合理即可)
解析(1)在基因工程中,目的基因与载体结合形成重组DNA,载体常用质粒;基因工程的工具酶是限制酶和DNA连接酶。(2)碱基互补配对发生在DNA分子之间、RNA分子之间及DNA分子和RNA分子之间,①获取目的基因、②目的基因与载体的连接及③目的基因扩增和筛选过程中均会发生碱基互补配对。(3)从分子水平上分析,基因工程的理论依据是不同生物的DNA分子结构基本相同,且生物共用一套遗传密码。(4)基因工程能使生物发生定向变异,其原理是基因重组。(5)根据题意,已培养出转基因抗枯萎病金茶花植株,说明转基因生物中目的基因已成功表达。
13.(2020·四川巴蜀中学高二期中)干扰素是动物或人体细胞受病毒感染后产生的一类糖蛋白,具有抗病毒、抑制肿瘤及免疫调节等多种生物活性。请分析回答下列问题。
(1)干扰素的产生受细胞内基因的控制,通常处于抑制状态。在病毒刺激下,干扰素基因经 、
翻译形成干扰素前体,进一步加工后形成成熟的干扰素,通过 方式分泌到细胞外。?
(2)某些干扰素可作用于病毒的宿主细胞膜上的相应受体,激活该细胞细胞核中基因表达产生多种抗病毒蛋白,其中有些蛋白可通过激活RNA酶使病毒的mRNA ,有些则可与 (细胞器)结合,通过抑制病毒多肽链的合成发挥抗病毒作用。?
(3)某些干扰素可抑制肿瘤细胞DNA的合成,通过减慢细胞 分裂过程抑制肿瘤。还有些干扰素可提高吞噬细胞将抗原呈递给 细胞的能力,从而在免疫调节中发挥作用。?
(4)获取干扰素的传统方法是从人的白细胞中提取,但产量很低。科学家构建基因表达载体时,利用 酶,将干扰素基因与 等调控组件连接在一起,采用 法将重组DNA导入牛的 (细胞)中,经胚胎早期培养一段时间后移植入母体内发育成熟,即可获得能产生干扰素的转基因牛,在该牛的乳汁中获得大量的干扰素。?
答案(1)转录 胞吐
(2)水解 核糖体
(3)有丝 T淋巴
(4)DNA连接 牛乳腺蛋白基因的启动子 显微注射 受精卵
解析(1)基因通过转录和翻译过程控制蛋白质合成,分泌蛋白通过胞吐形式排出细胞。(2)RNA酶能水解RNA,使RNA失去活性。蛋白质在核糖体合成,一些干扰素通过与核糖体结合,抑制病毒多肽链的合成,进而发挥抗病毒作用。(3)某些干扰素可抑制肿瘤细胞DNA的合成,抑制肿瘤细胞有丝分裂过程。针对肿瘤细胞免疫为细胞免疫,有些干扰素可提高吞噬细胞将抗原呈递给T淋巴细胞的能力,促使T淋巴细胞增殖分化为效应T细胞。(4)转基因动物培育过程中,用显微注射法将重组DNA分子(基因表达载体)导入动物受精卵中。第2节 基因工程的基本操作程序
课后篇巩固提升
基础巩固
1.(2020·辽宁营口二中高二期末)利用PCR技术从某种生物的基因组DNA中获取目的基因。有关这一过程下列说法错误的是( )
A.有目的基因的DNA片段作为模板
B.目的基因的一段核苷酸序列已知,以便根据这一序列合成两种引物
C.有足够的脱氧核苷酸作为原料
D.加入足够数量的DNA连接酶进行指数式扩增
答案D
解析用PCR技术扩增目的基因,应以含目的基因的DNA片段作为模板,A项正确;PCR技术的前提条件是目的基因的一段核苷酸序列已知以便合成一对引物,B项正确;DNA复制需要有足够的脱氧核苷酸作为原料,C项正确;PCR技术需要耐高温的DNA聚合酶,不需要加入DNA连接酶,D项错误。
2.下列对基因工程中基因表达载体的叙述,错误的是( )
A.基因表达载体上的标记基因不一定是抗生素抗性基因
B.基因表达载体的构建是基因工程的核心
C.基因表达载体中一定不含有起始密码子和终止密码子
D.基因表达载体的构建需要使用限制性内切核酸酶和DNA聚合酶等特殊工具
答案D
解析基因表达载体上的标记基因可以是抗性基因或荧光蛋白基因等。基因表达载体一般包含启动子、目的基因、标记基因、终止子等结构,起始密码子和终止密码子位于mRNA上。构建基因表达载体时,需要使用限制性内切核酸酶和DNA连接酶,不需要DNA聚合酶。
3.在基因表达载体的构建中,下列说法中不正确的是( )
①一个表达载体的组成只需目的基因、启动子、终止子 ②表达载体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相应地方停止 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有目的基因、启动子、终止子和标记基因等。由于受体细胞的种类不同,目的基因导入受体细胞的方法不同,基因表达载体的构建不可能完全相同。
4.土壤农杆菌侵染植物细胞时,其Ti质粒上的T-DNA片段可转入植物的基因组中。以Ti质粒作载体,利用农杆菌转化法培育转基因植物,下列相关叙述正确的是
( )
A.目的基因应插入T-DNA片段外,以防止破坏T-DNA
B.用Ca2+处理农杆菌,以利于其侵染植物细胞
C.Ti质粒是一种环状DNA分子,属于农杆菌的拟核DNA
D.T-DNA可介导外源DNA整合到植物细胞的染色体上
答案D
解析农杆菌的Ti质粒上的T-DNA可转移至受体细胞,并且整合到受体细胞染色体的DNA上,根据农杆菌的这一特点,目的基因应插入T-DNA片段中,以便通过农杆菌的转化作用,把目的基因整合到植物细胞染色体的DNA上,A项错误,D项正确;Ca2+处理农杆菌,有利于基因表达载体导入农杆菌,B项错误;Ti质粒是一种环状DNA分子,独立于农杆菌拟核DNA之外,C项错误。
5.(2020·山东泰安一中高二期末)将鱼的抗冻蛋白基因导入番茄,有效地提高了番茄的耐寒能力。能最终鉴定转基因番茄培育是否成功的方法是( )
A.在试验田中观察番茄的耐寒能力
B.检测番茄的体细胞中是否存在鱼的抗冻蛋白
C.检测鱼的抗冻蛋白基因是否转录出了mRNA
D.检测番茄体细胞中是否有鱼的抗冻蛋白基因
答案A
解析在试验田中观察番茄的耐寒能力是在个体水平上的鉴定,也是最终鉴定转基因番茄培育是否成功的方法,A项正确;检测番茄的体细胞中是否存在鱼的抗冻蛋白,是检测目的基因是否翻译,B项错误;检测鱼的抗冻蛋白基因是否转录出了mRNA,是检测目的基因是否转录,C项错误;检测番茄体细胞中是否有鱼的抗冻蛋白基因,是检测目的基因是否导入受体细胞,D项错误。
6.肺细胞中的let7基因表达减弱,癌基因RAS表达增强,会引发肺癌。研究人员利用基因工程技术将let7基因导入肺癌细胞实现表达,发现肺癌细胞的增殖受到抑制。该基因工程技术基本流程如图1。
图1
图2
请回答下列问题。
(1)进行过程①时,需用 酶切开载体。载体应有RNA聚合酶识别和结合的部位,以驱动let7基因转录,该部位称为 。?
(2)研究发现,let7基因能影响癌基因RAS的表达,其影响机理如图2。据图分析,可从细胞中提取 进行分子杂交,以直接检测let7基因是否转录。肺癌细胞增殖受到抑制,可能是由于细胞中 (填“RAS
mRNA”或“RAS蛋白”)含量减少。?
答案(1)限制(或限制性内切核酸) 启动子 (2)RNA RAS蛋白
解析(1)过程①表示基因表达载体的构建,在该过程中需要用限制酶对载体进行切割;启动子是一段特殊的DNA序列,是RNA聚合酶识别和结合的位点,RNA聚合酶结合到该位点,可驱动基因转录。(2)判断目的基因是否在受体细胞中转录,可用分子杂交技术来检测,从细胞中提取mRNA和用含放射性同位素标记或者荧光标记的目的基因单链DNA片段进行杂交。由图2知,当let7基因转录出来的miRNA与癌基因RAS转录出的mRNA结合时,会抑制RAS蛋白的翻译过程,减少RAS蛋白的产生,故肺癌细胞增殖受到抑制的原因可能是细胞内RAS蛋白含量减少。
7.有关科学家将苏云金芽孢杆菌的Bt抗虫蛋白基因转入到普通棉花细胞内,并成功地实现了表达,从而培育出了能抗棉铃虫的棉花植株——抗虫棉。其过程大致如下图所示。
(1)基因工程的操作程序主要包括四个步骤,其核心步骤是 。?
(2)获取Bt抗虫蛋白基因的方法一般有 等。?
(3)Ti质粒是农杆菌中的一种质粒,其上有T-DNA,把目的基因插入Ti质粒的T-DNA中是利用了T-DNA 的特点。?
(4)将目的基因导入受体细胞的方法很多,在本题中涉及的方法是 。?
答案(1)基因表达载体的构建 (2)从基因文库中提取、PCR扩增、人工合成
(3)可转移到受体细胞并整合到受体细胞染色体DNA分子上
(4)农杆菌转化法
解析(1)基因工程的基本操作程序主要包括四个步骤: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,其核心步骤是基因表达载体的构建。(2)Bt抗虫蛋白基因属于目的基因,获取目的基因的方法一般有:从基因文库中提取、利用PCR技术扩增、人工合成等。(3)农杆菌中的Ti质粒上的T-DNA可转移至受体细胞,并整合到受体细胞染色体DNA分子上。在培育转基因植物时,利用Ti质粒上的T-DNA的这一特点,可将目的基因转移到受体细胞染色体DNA上。(4)由图可知,在该题中将目的基因导入受体细胞,采用的方法是农杆菌转化法。
8.如图是获得转基因抗虫棉的技术流程示意图。
请回答下列问题。
(1)A→B过程利用的技术称为 ,该过程需要热稳定的 酶才能完成。?
(2)图中将目的基因导入棉花细胞需要经过③过程,该过程为构建 ,其目的是使目的基因在受体细胞中稳定存在且可以遗传给下一代,并能表达。?
(3)上述流程示意图中,将目的基因导入棉花细胞所采用的方法是 法,该方法一般 (填“适宜”或“不适宜”)用于将目的基因导入单子叶植物。?
(4)欲确定抗虫基因在G体内是否表达,在 水平上检测需要做抗虫接种实验。如果抗虫基因导入成功,且与某条染色体的DNA整合起来,该转基因抗虫棉可视为杂合子,将该转基因抗虫棉自交,预计子一代中抗虫植株占 。?
答案(1)PCR DNA聚合(Taq) (2)基因表达载体(重组DNA) (3)农杆菌转化 不适宜 (4)个体 3/4
解析PCR技术需要用到热稳定的DNA聚合酶(Taq酶)。图中③过程为构建基因表达载体过程,将目的基因导入棉花细胞所采用的方法是农杆菌转化法,农杆菌在自然条件下对大多数单子叶植物没有侵染能力。欲确定抗虫基因在转基因植株体内是否表达,在个体水平上检测时应做抗虫接种实验。由于抗虫基因只整合到一条染色体DNA上,则该抗虫棉产生的配子只有一半含有抗虫基因,雌雄配子随机结合,后代抗虫植株占3/4。
能力提升
9.(2020·上海师大附中高二期中)应用基因工程技术诊断疾病的过程中需要使用基因探针。这里的基因探针是指( )
A.能够指导合成免疫球蛋白的DNA分子
B.细胞工程生产的单克隆抗体
C.用放射性同位素或荧光分子等标记的蛋白质分子
D.用放射性同位素或荧光分子等标记的DNA分子
答案D
解析基因探针是用放射性同位素或荧光分子等标记的DNA单链;基因探针与患者基因进行DNA分子杂交,若出现碱基互补配对的杂交带,即可从浩瀚的基因组中把致病基因显示出来,D项正确。
10.(2020·河北高二期末)利用苏云金芽孢杆菌的抗虫基因培育的抗虫棉,培育是否成功,最好检测
( )
A.是否有抗生素产生
B.是否有目的基因表达
C.是否有抗虫的性状出现
D.是否能分离到目的基因
答案C
解析鉴定转基因生物具有了相应性状,说明转基因生物培育成功。一般对转基因抗虫棉接种棉铃虫,观察棉铃虫存活情况,来鉴定转基因抗虫棉是否具有抗虫特性,综上所述,C项正确。
11.(多选)(2020·山东历城二中高二期末,改编)利用基因工程技术生产羧酸酯酶(CarE)制剂的流程如下图所示,下列叙述正确的是( )
A.过程①需要进行碱基互补配对
B.图中质粒的化学本质是DNA
C.过程③需要用CaCl2溶液处理大肠杆菌
D.过程④只需进行DNA检测即可确定是否成功获得了“工程菌”
答案ABC
解析①表示逆转录过程,需要进行碱基的互补配对,A项正确;质粒是环状DNA分子,B项正确;③表示把目的基因导入受体细胞,需要用钙离子处理大肠杆菌,使大肠杆菌细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态,C项正确;④表示目的基因的检测和鉴定,除需要DNA检测外,还需要进行基因是否表达的检测(检测mRNA、蛋白质)及个体水平的检测等,D项错误。
12.(2020·陕西西安中学高二期末)腺病毒为双链DNA病毒,具有很高的致病性。我国科学家对腺病毒载体重组新冠病毒疫苗的研发进展顺利,该疫苗以改造过的复制缺陷型腺病毒为载体,搭载上新冠病毒的S基因,进入受试者体内,使人体产生对S蛋白的免疫记忆。回答下列问题。
(1)新冠病毒为RNA病毒,获得新冠病毒的S基因的过程一般为提取病毒RNA,通过 过程获取相应DNA,构建cDNA文库,利用 技术扩增得到S基因。?
(2)基因工程的核心,即实施基因工程的第二步是 ;若选用两种限制酶对新冠病毒的S基因进行切割,目的是 ;基因工程中常用的DNA连接酶有两种,分别是 和 ,后者既能连接平末端又能连接黏性末端。?
(3)疫苗制备中选取复制缺陷型腺病毒作为载体可以防止 ,进而提高疫苗的安全性。?
(4)艾弗里等人的肺炎链球菌转化实验为证明DNA是遗传物质做出了重要贡献,也可以说是基因工程的先导,如果说他们的工作为基因工程理论的建立提供了启示,那么这一启示是 。?
答案(1)逆转录 PCR (2)基因表达载体的构建 防止S基因与载体错误连接(或防止S基因自身环化、防止S基因与载体反向连接) E.coli
DNA连接酶 T4
DNA连接酶 (3)病毒在人体内进行增殖 (4)DNA可以在同种生物的不同个体间转移
解析(1)新冠病毒为RNA病毒,获得新冠病毒的S基因的过程一般为提取病毒RNA,在逆转录酶的作用下,通过逆转录过程获取相应DNA,构建cDNA,再经过PCR技术扩增得到S基因。(2)基因工程的核心是基因表达载体的构建;若选用两种限制酶对新冠病毒的S基因进行切割,目的是防止S基因与载体错误连接;基因工程中常用的DNA连接酶有两种,分别是E.coli
DNA连接酶、T4
DNA连接酶。(3)疫苗制备中选取复制缺陷型腺病毒作为载体可以防止病毒在人体内进行增殖,进而提高疫苗的安全性。(4)肺炎链球菌转化实验中,S型菌的DNA进入R型菌中并表达,说明DNA可以在同种生物的不同个体间转移,为基因工程理论的建立提供了启示。
13.(2020·江苏启东中学高二期末)荧光蛋白(GFP)在紫外光下会发出绿色荧光,某科研团队将GFP基因插入质粒P中构建了重组质粒载体P0,用于基因工程中基因表达载体(P1)的筛选和鉴定。部分过程如下图所示,下表为部分限制酶的识别序列及切割位点。请回答下列问题。
(1)过程①中,用EcoRⅤ切割目的基因获得 末端。?
(2)过程②是利用 技术,多次循环扩增DNA片段;根据P0上的限制酶切割位点,需要在目的基因两端重设限制酶切割位点,则在扩增目的基因时,设计的引物5'端序列必须是 ,以获得相应的黏性末端,便于P1的构建和筛选。?
(3)过程③中,P0需用限制酶 切割,才能与目的基因在 酶的作用下形成P1。?
(4)为了筛选出含有P1的菌落,需采用添加 的培养基进行培养,在紫外光激发下 (选填“发出”或“不发出”)绿色荧光的菌落,即为含有P1的菌落。?
答案(1)平 (2)PCR GATC (3)BamHⅠ DNA连接 (4)四环素 不发出
解析(1)根据表中EcoRⅤ的识别序列及切割位点可知,该酶切割目的基因获得平末端。(2)体外扩增目的基因可采用PCR技术;由P0上的限制酶切割位点分析可知,若用限制酶Sau3AⅠ切割会同时破坏GFP基因和四环素抗性基因,而用限制酶BamHⅠ切割只会破坏GFP基因,因此过程③中,P0需用限制酶BamHⅠ切割,由于Sau3AⅠ和BamHⅠ切割形成的黏性末端相同,都是5'-GATC-3',由此可知,该过程设计的引物5'端序列必须是GATC,以获得相应的黏性末端,便于P1的构建和筛选。(3)P0用BamHⅠ切割与目的基因在DNA连接酶的作用下形成
P1。(4)用限制酶BamHⅠ切割P0会破坏GFP基因,但没有破坏四环素抗性基因,因此为了筛选出含有P1的菌落,需采用添加四环素的培养基进行培养,在紫外光激发下不发出绿色荧光的菌落,即为含有P1的菌落。(共2张PPT)
本章整合
DNA是遗传物质
DNA双螺旋结构和中心法则的确定
遗传密码破译
三个理论基础
限制性内切核酸酶
基因工程(重组DNA技术)一个概念
三种工具DNA连接酶
·运载基因进入受体细胞的载体
基因工程
目的基因的筛选与获取
基因表达载体的构建
农牧业方面
将目的基因导人受体细胞[四个操作步骤y
多种应用医药卫生领域
目的基因的检测与鉴定
·食品工业方面
蛋白质工程
崛起的缘由
基本原理
进展和前景(共25张PPT)
第4节 蛋白质工程的原理和应用
学习目标
1.了解蛋白质工程的概念及蛋白质工程崛起的缘由。
2.简述蛋白质工程的基本原理和过程,培养运用逆向思维分析和解决问题的能力。
3.举例说明蛋白质工程实际的应用。
一、蛋白质工程崛起的缘由
1.蛋白质工程的概念
(1)基础:蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。
(2)手段:改造或合成基因。
(3)目的: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。
2.蛋白质工程的崛起
(1)理论和技术条件:分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。
(2)缘由
①基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。
②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。
二、蛋白质工程的基本原理及应用
1.蛋白质工程的目标
根据人们对蛋白质功能的特定需求,对蛋白质的结构进行设计改造。
2.基本思路
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。
3.蛋白质工程的应用
(1)通过改造胰岛素基因,使胰岛素上B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与B29位的赖氨酸交换位置,从而有效抑制胰岛素聚合,由此研发出速效胰岛素类似物产品。
(2)延长干扰素体外保存时间。将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸,在-70
℃的条件下,干扰素可以保存半年。
(3)改进酶的性能或开发新的工业用酶,提高酶的使用价值。
预习反馈
1.判断正误。
(1)蛋白质工程的基础是基因工程。(
√
)
(2)蛋白质工程制造的是天然蛋白质。(
×
)
(3)蛋白质工程中对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的。(
×
)
(4)蛋白质工程不能改变蛋白质的活性。(
×
)
(5)由于蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化,空间结构千差万别,蛋白质工程操作难度很大。(
√
)
(6)蛋白质工程需要使用限制性内切核酸酶和DNA连接酶。(
√
)
2.下列有关蛋白质工程与基因工程的叙述,正确的是( )
A.基因工程原则上能生产任何蛋白质
B.蛋白质工程能对现有的蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质
C.蛋白质工程可以不通过转录和翻译来实现
D.蛋白质工程是在基因工程的基础上,延伸出来的第三代基因工程
答案B
解析基因工程原则上只能生产自然界已有的蛋白质;蛋白质工程通过改造或合成基因,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,是延伸出来的第二代基因工程;蛋白质工程需要转录和翻译过程。
3.(多选)下列关于蛋白质工程的叙述,不正确的是( )
A.通过对基因结构的定点突变实现对玉米赖氨酸合成的关键酶结构的改变,属于蛋白质工程
B.将人的胰岛素基因导入大肠杆菌细胞内,使大肠杆菌生产人的胰岛素,属于蛋白质工程
C.对蛋白质进行分子设计必须从蛋白质的功能特点入手
D.蛋白质工程具有广阔的发展前景,且技术难度不大,目前成功的例子很多
答案BD
解析通过对基因结构的改变实现对玉米赖氨酸合成关键酶的改造属于蛋白质工程,A项正确;将人的胰岛素基因导入大肠杆菌体内,使其生产大量胰岛素,属于基因工程,B项错误;对蛋白质进行分子设计必须从蛋白质的功能特点入手,设计预期的蛋白质结构,C项正确;蛋白质工程具有广阔的发展前景,但其难度较大,D项错误。
探究点
蛋白质工程的原理和应用
情境导引
1.干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将人的干扰素基因导入大肠杆菌中并进行表达,产生的干扰素的抗病毒活性为106
U/mg,只相当于天然产品的十分之一,虽然在大肠杆菌中合成的干扰素量很多,但多数是以无活性的二聚体形式存在。为什么会这样?如何改变这种状况?研究发现,干扰素蛋白质中有3个半胱氨酸(第17位、31位和141位),推测可能是有一个或几个半胱氨酸形成了不正确的二硫键。研究人员将第17位的半胱氨酸,通过基因定点突变改变成丝氨酸,结果使大肠杆菌中生产的干扰素的抗病毒活性提高到108
U/mg,并且比天然干扰素的贮存稳定性高很多。
探究点
请讨论回答下列问题。
(1)基因工程在满足人类需要上有哪些“缺点”?
提示基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质,这些蛋白质不一定完全符合人类生产和生活的需要。
(2)改造蛋白质是直接改造蛋白质还是改造控制其合成的基因?为什么?
提示改造基因。原因:①任何一种天然蛋白质都是由基因编码的,改造了相应基因即对相应蛋白质进行了改造,而且改造的性状可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造,即使改造成功,被改造的性状还是无法遗传。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。
探究点
(3)为什么说蛋白质工程是第二代基因工程?
提示蛋白质工程离不开基因工程,基因经改造或合成后,要通过基因工程生产人类需要的蛋白质。
探究点
2.下图是真核生物中遗传信息的流动方向。
请讨论蛋白质工程操作程序的基本思路与天然蛋白质的合成过程有什么不同。
提示天然蛋白质的合成过程是沿中心法则进行的。而蛋白质工程的思路与之相反。
蛋白质工程的基本思路:预期蛋白质的功能→设计蛋白质应有的高级结构→推测蛋白质应有的氨基酸序列→找到应有的脱氧核苷酸序列→获得需要的蛋白质。
探究点
3.科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造,生产出效果更好的鼠—人嵌合抗体,用于癌症治疗。如图表示形成鼠—人嵌合抗体的过程,据图分析回答相关问题。
探究点
(1)图示过程是根据预期的 ,设计 ,最终必须对 进行操作,此操作中直接改变的是 。?
(2)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。?
答案(1)嵌合抗体功能 嵌合抗体的结构 基因 碱基对 (2)蛋白质工程
探究点
归纳提升
1.蛋白质工程流程图
探究点
2.蛋白质工程与基因工程的区别与联系
比较项目
蛋白质工程
基因工程
区
别
起点
预期的蛋白质功能
目的基因
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→找到相对应的脱氧核苷酸序列→获得需要的蛋白质
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→目的基因的检测与鉴定
目标
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
结果
生产非天然的蛋白质
生产自然界已有的蛋白质
联系
①都在生物体外对基因进行操作;②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
探究点
方法技巧“二看法”判断基因工程和蛋白质工程
探究点
典例剖析
猪胰岛素用于降低人体血糖浓度的效果并不明显,原因是猪胰岛素分子中有一个氨基酸与人的不同。为了使猪胰岛素能够用于临床治疗糖尿病,利用蛋白质工程对猪胰岛素分子设计的最佳方案是( )
A.对猪胰岛素进行一个不同氨基酸的替换
B.将猪胰岛素和人胰岛素进行拼接组成新的胰岛素
C.将猪和人的胰岛素混合在一起治疗糖尿病
D.根据人的胰岛素设计制造一种全新的胰岛素
探究点
答案A
解析由于猪胰岛素分子中只有一个氨基酸与人的胰岛素不同,所以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设计一种全新的胰岛素也可以用于临床治疗,但是在分子设计和胰岛素的生产方面都存在很多的困难,所以并不是最佳方案。
探究点
活学活练
1.蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时,以下方案合理的是( )
①进行少数氨基酸的替换
②对不同来源的蛋白质的拼接
③从预期蛋白质的功能出发去推测氨基酸排列顺序
④直接改变蛋白质的空间结构
A.①②
B.①②③
C.②③④
D.①②④
探究点
答案B
解析蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时,可以设计自然界中不存在的全新蛋白质;可以在蛋白质分子中替换一个肽段或一个特定的结构域;也可以替换蛋白质分子中的几个氨基酸残基。由于蛋白质分子通常都较大,而直接改变蛋白质的空间结构不易操作,因此蛋白质工程是在基因的水平上进行操作的,综上所述,B项符合题意。
探究点
2.糖尿病是近年来高发的“富贵病”,常见类型有遗传型糖尿病和Ⅱ型糖尿病。遗传型糖尿病的主要病因之一是胰岛受损。科研机构作出如下设计:取糖尿病患者的细胞,将人的正常胰岛素基因导入其中,然后进行细胞培养,诱导产生胰岛组织,重新植入患者的胰岛,使胰岛恢复功能。Ⅱ型糖尿病需要注射胰岛素治疗。目前临床使用的胰岛素制剂注射120
min后才出现高峰。科研人员通过一定的工程技术手段,将胰岛素B链的第28位和第29位氨基酸更换,获得了速效胰岛素,速效胰岛素已通过临床试验。
探究点
(1)对遗传型糖尿病进行基因治疗的方案中,胰岛素基因称为 ,实验室中要先对该基因利用 技术进行扩增。将该基因导入患者细胞所用的方法是 。?
(2)科研人员利用蛋白质工程合成速效胰岛素,该技术的实验流程如下图。
其中,A是 ,B是 。?
探究点
(3)与基因工程相比,蛋白质工程是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 或 基因,对现有蛋白质进行 ,或制造一种新的蛋白质,以满足人类的生产生活需要。?
探究点
答案(1)目的基因 PCR 显微注射法 (2)预期蛋白质的功能 相应的氨基酸序列 (3)改造 合成 改造
解析(1)根据题意,在进行基因治疗时,胰岛素基因是目的基因,在体外条件下可利用PCR技术对其进行扩增,在基因工程中将目的基因导入动物细胞的常用方法是显微注射法。
(3)与基因工程相比,蛋白质工程是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,以满足人类的生产生活需要。(共38张PPT)
第3节 基因工程的应用
学习目标
1.举例说明基因工程在农牧业、医药卫生及食品工业的应用。
2.举例说出日常生活中的转基因产品,理性看待基因工程给我们的生产和生活带来的影响。
一、基因工程在农牧业方面的应用
1.转基因抗虫植物
(1)方法:从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因,将其导入作物中。
(2)成果:转基因抗虫棉花、玉米、水稻等。
(3)意义:减少化学杀虫剂的使用,降低生产成本,减少环境污染。
2.转基因抗病植物
(1)方法:将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中。
(2)成果:转基因抗病毒甜椒、番木瓜等。
(3)意义:能获得用常规育种方法很难培育出的抗病的新品种。
3.转基因抗除草剂植物
(1)方法:将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物中。
(2)成果:转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。
(3)意义:在喷施除草剂时,田间杂草会被杀死而作物不受损伤。
4.基因工程在农牧业方面的作用
作 用
目的基因
成果举例
改良植物的品质
必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因
转基因玉米(赖氨酸含量高)
与植物花青素代谢相关的基因
转基因矮牵牛
提高动物的生长速率
外源生长激素基因
转基因鲤鱼
改善畜产品的品质
肠乳糖酶基因
转基团牛分泌的乳汁中乳糖含量大大降低
预习反馈
1.判断正误。
(1)转基因抗虫棉的Bt抗虫蛋白基因能抗病毒、细菌、真菌。(
×
)
(2)“转基因植物”是指植物体细胞中出现了新基因的植物。(
×
)
(3)基因工程中,要培育转基因植物和动物,选用的受体细胞都是受精卵。(
×
)
2.科学家将萤火虫的荧光素基因转入烟草植物细胞并获得高水平的表达。长成的烟草植株通体光亮,堪称自然界的奇迹。这一研究成果表明( )
①萤火虫与烟草的DNA结构基本相同
②萤火虫与烟草共用一套遗传密码
③烟草体内合成了荧光素
④萤火虫和烟草合成蛋白质的方式基本相同
A.①③
B.②③
C.①④
D.①②③④
答案D
解析萤火虫与烟草的遗传物质都是双链DNA,这是完成基因重组的基础,①正确;自然界的所有生物几乎都共用一套遗传密码,②正确;萤火虫的荧光素基因导入烟草细胞使得该转基因植株通体光亮,可见荧光素基因在该植株中成功表达,即烟草体内合成了荧光素,③正确;萤火虫与烟草细胞合成蛋白质的方式基本相同,都是以mRNA为模板,在核糖体上,经氨基酸脱水缩合形成蛋白质,④正确。
二、基因工程在医药卫生领域方面的应用
1.基因工程药物类型:细胞因子、抗体、疫苗和激素等。
2.利用转基因微生物生产药物。对大肠杆菌或酵母菌进行基因改造,生产(重组)人干扰素。
3.利用转基因动物生产药物。培育乳腺生物反应器(或乳房生物反应器),通过转基因动物分泌乳汁来生产药物。
前景:还可能利用基因工程技术培育无免疫排斥反应的动物器官,用于人类器官移植。
三、基因工程在食品工业方面的应用
1.利用基因工程菌生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。
(1)利用基因工程大规模生产天冬氨酸和苯丙氨酸。
(2)利用基因工程通过工业发酵批量生产凝乳酶、淀粉酶、脂酶等。
2.基因工程技术获得的工业用酶的优点:纯度高、生产成本低、生产效率高。
预习反馈
1.判断正误。
(1)利用转基因微生物可生产人的胰岛素等某些激素。(
√
)
(2)基因工程药物生产效率高、针对性强、成本低、价格便宜。(
√
)
(3)动物和微生物可以生产基因工程药物,植物不能。(
×
)
2.科学家运用基因工程技术,将人凝血因子基因导入山羊的DNA中,培育出羊乳腺生物反应器,使羊乳汁中含有人凝血因子。以下有关叙述正确的是( )
A.可用显微注射技术将含有人凝血因子基因的重组DNA分子导入羊的受精卵
B.在该转基因羊中,人凝血因子存在于乳腺细胞,而不存在于其他细胞
C.人凝血因子基因开始转录后,DNA聚合酶以DNA分子的一条链为模板合成mRNA
D.科学家将人凝血因子基因与山羊乳腺蛋白基因重组在一起,从而使人凝血因子基因只在山羊乳腺细胞中特异表达
答案A
解析将目的基因导入受精卵中,获得的转基因羊的体细胞中都含有目的基因,A项正确,B项错误;转录过程是由RNA聚合酶参与催化的,DNA聚合酶催化DNA复制过程,C项错误;将山羊乳腺蛋白基因的启动子与人凝血因子基因重组在一起,从而使人凝血因子基因只在山羊乳腺细胞中特异表达,D项错误。
探究点一
探究点二
基因工程在农牧业方面的应用
情境导引
随着科学技术的发展,化学农药的产量和品种逐年增加,但害虫的抗药性也不断增强,对农作物危害仍然很严重。农科院开展“转基因抗虫棉”的科技攻关研究,成功地将某种细菌产生抗虫蛋白的抗虫基因导入棉花细胞中,得到的棉花新品种对棉铃虫的毒杀效果高达80%以上。
全球转基因作物的种植面积从1996年的170万公顷发展到2017年的1.898亿公顷,20年间增加了100多倍。
探究点一
探究点二
请讨论回答下列问题。
1.植物基因工程主要用于哪些方面?
提示提高农作物的抗逆能力,改良农作物的品质,利用植物生产药物等。
2.大量使用农药的负面作用有哪些?
提示大量使用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。
探究点一
探究点二
3.植物的抗逆性包括哪些内容?请举例说明在基因工程中的应用。
提示抗除草剂、抗虫、抗病、抗干旱、抗盐碱等。盐碱和干旱对作物的危害与细胞内渗透压调节有关,可利用基因工程将可以调节细胞渗透压的基因导入农作物,培育转基因抗盐碱和抗干旱的农作物,来提高农作物的抗盐碱和抗干旱能力;利用基因工程技术将抗除草剂基因导入农作物,培育转基因抗除草剂作物,可在喷洒除草剂时,杀死杂草,而农作物不受伤害。
探究点一
探究点二
归纳提升
转基因植物培育过程
易错提醒
转基因作物中的目的基因
目的基因都是来自其他生物的能表现出优良性状的外源基因,并不都是来自细菌、病毒等微生物,如抗冻蛋白基因来自鱼类。
探究点一
探究点二
典例剖析
目前人类利用基因工程的方法成功培育出转基因抗虫棉,下列说法正确的是( )
A.苏云金芽孢杆菌的Bt抗虫蛋白基因与质粒结合后直接进入棉花的叶肉细胞表达
B.抗虫基因导入棉花叶肉细胞后,可通过传粉、受精的方法,使抗虫性状稳定遗传下去
C.标记基因的作用是鉴别受体细胞中是否含有目的基因
D.连续种植转基因抗虫棉不会改变棉铃虫的抗性
探究点一
探究点二
答案C
解析重组质粒形成后需要通过农杆菌转化法等方法导入棉花的叶肉细胞;如果抗虫基因导入棉花叶肉细胞的细胞质中,转基因棉花的花粉中不含该基因,如果导入细胞核基因中,该转基因植株相当于杂合子,后代会发生性状分离;抗虫棉的选择作用使具有抗性突变的棉铃虫生存下来,经过长时间积累,棉铃虫的抗性会增强。
探究点一
探究点二
活学活练
1.北极比目鱼中有抗冻基因,该基因编码的抗冻蛋白具有11个氨基酸的重复序列,该序列重复次数越多,抗冻能力越强。下图是获取转基因抗冻番茄植株的过程示意图,下列有关叙述正确的是( )
探究点一
探究点二
A.过程①是获取抗冻基因的过程,用到的酶只有限制酶
B.在重组质粒上,抗冻基因首端和末端一定具有启动子和终止子,启动和终止翻译的进程
C.过程②用到的质粒是农杆菌的Ti质粒,将重组质粒转入农杆菌的目的是筛选重组质粒
D.根据抗冻基因制作的DNA探针,可以用来检测转基因抗冻番茄植株中目的基因的存在
探究点一
探究点二
答案D
解析据题图可知,该转基因技术操作中,获取目的基因的方法是利用抗冻基因(目的基因)的mRNA逆转录合成cDNA,进而获取目的基因,需要的酶有逆转录酶和限制酶等,A项错误;目的基因首端和末端的启动子和终止子均是DNA片段,分别启动和终止转录的进程,B项错误;重组质粒转入农杆菌的目的是通过农杆菌转化法将目的基因导入番茄细胞中,C项错误;检测目的基因是否导入受体细胞,通常是用目的基因制作DNA探针进行检测,D项正确。
探究点一
探究点二
2.我国有大量的盐碱地,科学家利用耐盐碱植物中的耐盐基因,培育出了耐盐水稻新品系。下图是培育过程简图,请回答下列的问题。
探究点一
探究点二
(1)目的基因的获取需要 酶,阶段Ⅰ的核心是 。?
(2)为保证耐盐基因的正常转录,b上耐盐基因的两端应含有 。?
(3)对耐盐基因转录和表达产物的检测应分别提取转基因水稻的 、 进行检测。?
(4)由耐盐水稻细胞培育成了耐盐水稻植株,说明植物细胞具有 。?
探究点一
探究点二
答案(1)限制性内切核酸 构建耐盐基因表达载体
(2)启动子、终止子 (3)mRNA 蛋白质 (4)全能性
解析(1)目的基因的获取需要限制性内切核酸酶,基因工程的核心步骤是基因表达载体的构建。(2)为保证耐盐基因的正常表达,需要专门的调控序列启动子和终止子。(3)对耐盐基因转录产物的检测和翻译产物的检测应分别提取转基因水稻的mRNA和蛋白质。(4)由植物细胞发育成完整植株,则体现了植物细胞具有全能性。
探究点一
探究点二
基因工程在医药卫生领域的应用
干扰素是治疗癌症的重要药物,每300
L人血中只能提取1
mg,所以从血液中提取的干扰素价格昂贵。美国加利福尼亚的某生物制药公司用如下方法生产干扰素(如下图所示)。
探究点一
探究点二
请讨论回答下列问题。
1.什么是干扰素?有何作用?用什么方法可大量生产干扰素?
提示干扰素是动物或人体细胞受到病毒侵染后产生的一种糖蛋白。干扰素几乎能抵抗所有病毒引起的感染,它是一种抗病毒的特效药。用基因工程的方法利用大肠杆菌及酵母菌细胞大量生产干扰素。
2.什么叫工程菌?利用工程菌可生产哪些药物?
提示用基因工程的方法,使外源基因得到高效率表达的菌类细胞株系一般称为工程菌。工程菌生产的药物有细胞因子、抗体、疫苗、激素等。
探究点一
探究点二
3.基因工程药物与传统意义上的药物相比,有何优点?
提示基因工程药物生产效率高、针对性强、成本低、价格便宜。
4.培育转基因动物,为什么不选用体细胞而选用受精卵作为受体细胞?
提示动物已分化的体细胞全能性受到限制,而受精卵分化程度低,全能性容易表达。
5.异体器官移植会产生什么反应?主要由哪种特异性免疫引起?现在科学家有何设想来改变这种现状?
提示免疫排斥。细胞免疫。科学家试图利用基因工程方法对猪的器官进行改造,采用的方法是在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,培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。
探究点一
探究点二
归纳提升
1.转基因动物的培育过程(以转基因牛培育过程为例)
2.转基因微生物的培育过程(以可生产干扰素的酵母菌的培育过程为例)
探究点一
探究点二
3.乳腺生物反应器培育过程
探究点一
探究点二
4.乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别(在生产人的药物蛋白方面)
比较内容
乳腺生物反应器
工 程 菌
基因
结构
动物基因结构与人类的基因结构基本相同
细菌和酵母菌的基因结构与人类有较大差异
基因
表达
合成的药物蛋白与天然蛋白质相同
细菌合成的药物蛋白可能没有活性
生产
条件
不需严格灭菌;温度等外界条件对其影响不大
需严格灭菌;严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件
药物
提取
从动物乳汁中提取
从微生物细胞或其培养液中提取
探究点一
探究点二
易错提醒
基因工程应用的四个易混点
(1)动物基因工程的目的主要是改良畜产品的品质或者是用转基因动物生产药物。
(2)高产青霉菌是诱变产生的,不属于基因工程菌。
(3)乳腺生物反应器的操作过程中,构建基因表达载体时,目的基因首端要连接乳腺蛋白基因的启动子等调控组件,否则目的基因在乳腺上皮细胞中不能转录。将构建好的基因表达载体导入受精卵,而不是乳腺上皮细胞,这样由受精卵发育成的个体体细胞均含有目的基因(如药用蛋白基因),但该基因只在乳腺上皮细胞中表达。
(4)与乳腺生物反应器相比,膀胱生物反应器的优点是从转基因动物一出生就可以收集产物,不用考虑动物的性别和是否正处于生殖期。膀胱生物反应器最显著的优势在于从尿液中提取蛋白质比从乳汁中提取更简便、高效。
探究点一
探究点二
典例剖析
(多选)动物乳腺生物反应器是一项利用转基因动物的乳腺进行大规模生产可用于治疗人类疾病或保健的活性蛋白质的现代生物技术成果。目前科学家已在牛和羊等动物的乳腺生物反应器中表达出了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素等重要医药产品。大致过程如下图所示。
探究点一
探究点二
下列有关说法错误的是( )
A.通过③形成的重组质粒只具有人的药用蛋白基因、终止子和标记基因
B.④通常采用
处理法
C.在转基因雌牛的乳腺细胞中人的药用蛋白基因得以表达,因此可以从乳汁中提取药物
D.该技术生产药物的优点是产量高、质量好、易提取
探究点一
探究点二
答案AB
解析要让人的药用蛋白基因在乳腺细胞内表达并得到含药用蛋白的乳汁,重组质粒上还必须具有牛的乳腺蛋白基因的启动子等调控组件,A项错误;培育转基因动物时通常利用的受体细胞是受精卵,采用显微注射技术将重组质粒导入受精卵,B项错误;转基因雌牛的乳腺细胞中人的药用蛋白基因得以表达,因此转基因雌牛分泌的乳汁中含有该药用蛋白,C项正确;该技术生产药物的优点是产量高、质量好、易提取,D项正确。
探究点一
探究点二
活学活练
1.下面有关基因工程的叙述,正确的是( )
A.利用基因工程技术可分别从大肠杆菌和青霉菌体内获取基因工程药品胰岛素和青霉素
B.用大肠杆菌作受体细胞时,可用NaCl处理大肠杆菌
C.启动子也称为起始密码子,终止子也称为终止密码子
D.由大肠杆菌工程菌获得的人的干扰素不能直接利用
探究点一
探究点二
答案D
解析青霉菌产生青霉素是一种自身基因的正常表达,故从青霉菌体内获得的青霉素不属于基因工程药品,A项错误;用大肠杆菌作受体细胞时,可用CaCl2处理大肠杆菌,B项错误;启动子和终止子都是一段特殊的DNA序列,负责调控基因的转录,而起始密码子和终止密码子都存在于mRNA上,分别决定翻译的起始和终止,C项错误;大肠杆菌是原核生物,无内质网和高尔基体,由大肠杆菌工程菌生产的干扰素不具备天然活性,需经过人工加工处理后才能利用,D项正确。
探究点一
探究点二
2.应用基因工程技术可以获得人们需要的生物新品种或新产品。请根据下列材料回答问题。
材料一 蜘蛛丝(丝蛋白)被称为“生物钢”,有着超强的抗张度,可制成防弹背心、降落伞绳等。蜘蛛丝还可被制成人造韧带和人造肌腱。科学家研究出集中生产蜘蛛丝的方法——培育转基因蜘蛛羊。
材料二 注射疫苗往往会在儿童和部分成年人身上引起痛苦。将疫苗藏身水果、蔬菜中,人们在食用这些转基因植物的同时也获得免疫力,因而无需免疫接种,这一新概念将引起疫苗研究的一场革命。
探究点一
探究点二
探究点一
探究点二
(1)图中,过程①⑤所需要的工具酶有限制酶、DNA连接酶,构建的蜘蛛丝蛋白基因表达载体一般包括目的基因、标记基因、启动子、终止子等结构。
(2)过程②将重组质粒导入山羊受体细胞时,采用最多也最有效的方法是显微注射法。通过①~④过程培育的蜘蛛羊可以作为乳腺生物反应器,从乳汁中提取所需要的蜘蛛丝蛋白。
(3)通过⑤⑥⑦培育转基因莴苣,相比诱变育种和杂交育种方法,具有目的性强,能克服远缘杂交不亲和的障碍(能有效地打破物种间的生殖隔离界限)等突出优点。第3章基因工程
第1节 重组DNA技术的基本工具
课后篇巩固提升
基础巩固
1.
玉米的PEPC(磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶)固定CO2的能力较水稻的强60倍。我国科学家正致力于将玉米的PEPC基因导入水稻中,以提高水稻产量。下列有关该应用技术的叙述,错误的是( )
A.该技术是在DNA水平上进行设计和施工的
B.该技术的操作环境是生物体内
C.该技术的原理是基因重组
D.该技术的优点是定向培育人类需要的生物类型
答案B
解析由题意可知,该技术为基因工程,其操作是在生物体外进行的。
2.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
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个、8个或其他数量的核苷酸组成;DNA连接酶主要包括E.coli
DNA连接酶和T4
DNA连接酶两类,前者只能将双链DNA片段互补的黏性末端连接起来;通常天然质粒经过人工改造后,才可作为基因工程的载体。
3.(2020·福建莆田一中高二期中)伯格首先在体外进行了
DNA
改造的研究,成功地构建了第一个体外重组
DNA
分子。下列相关叙述正确的是( )
A.DNA
连接酶、DNA
聚合酶、RNA
聚合酶和逆转录酶都能催化形成磷酸二酯键
B.不同的
DNA
分子必须用同一种限制酶切割,才能产生相同的黏性末端
C.当限制酶在它识别序列的中心轴线两侧将
DNA
的两条链分别切开时,产生的是平末端
D.限制酶和
DNA
连接酶的作用部位不同
答案A
解析DNA连接酶、DNA聚合酶、RNA聚合酶和逆转录酶都能催化形成磷酸二酯键,A项正确;不同的限制酶切割后也可能会产生相同的黏性末端,B项错误;当限制酶在它识别序列的中心轴两侧将DNA的两条链分别切开时,产生的是黏性末端,C项错误;限制酶和DNA连接酶作用的部位都是磷酸二酯键,限制酶能断开磷酸二酯键,而DNA连接酶能催化形成磷酸二酯键,D项错误。
4.(2020·江苏南京师大附中高二期中)下图表示限制酶切割某DNA的过程,从图中可知,该限制酶能识别的碱基序列及切割位点是( )
A.5'-CTTAAG-3',切点在C和T之间
B.5'-CTTAAG-3',切点在G和A之间
C.5'-GAATTC-3',切点在G和A之间
D.5'-CTTAAC-3',切点在C和T之间
答案C
解析依图可知,该限制酶切割的位点为G与A之间,由黏性末端可知该限制酶所能识别的序列为5'-GAATTC-3',综上所述,C项正确。
5.质粒是基因工程中最常用的载体,其主要特点是
( )
①能自主复制 ②不能自主复制 ③结构简单 ④是蛋白质 ⑤是环状RNA ⑥是环状DNA ⑦能“友好”地“借居”
A.①③⑤⑦
B.①④⑥
C.①③⑥⑦
D.②③⑥⑦
答案C
解析质粒存在于细菌和酵母菌等微生物中,是一种结构简单、独立于拟核或细胞核之外的环状DNA分子。质粒作为载体在受体细胞中能“友好”地“借居”,并能在细胞中进行自我复制。
6.关于DNA粗提取和鉴定实验中,下列叙述错误的是
( )
A.哺乳动物的红细胞不宜选作DNA提取材料
B.DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色
C.改变NaCl溶液的浓度只能使DNA溶解而不能使其析出
D.要用冷酒精沉淀DNA,甚至可将酒精与DNA溶液的混合液放入冰箱中冷却,以增加DNA提取量
答案C
解析哺乳动物的红细胞没有细胞核,因此不能作为DNA提取材料,A项正确;DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色,B项正确;DNA在不同浓度的NaCl溶液中的溶解度不同,因此可改变NaCl溶液浓度,使DNA溶解或析出,C项错误;乙醇的优点是可以任意比和水相混溶,DNA不溶于酒精且DNA在冷却的酒精中析出得更充分,D项正确。
7.(2020·安徽徽州一中高二期末,改编)基因工程的出现使人类有可能按照自己的意愿定向地改变生物,这种改变甚至可以打破生殖隔离。请回答下列与基因工程发展有关的问题。
(1)基因工程相关基础理论的突破为基因工程的发展奠定了基础。
①艾弗里等人通过细菌转化实验证明了 ,同时也说明了 可以从一个生物个体转移到另一个生物个体。?
②沃森和克里克阐明了 ,开创了分子生物学时代。?
③中心法则的确立和 的破译为基因工程提供了理论依据。?
(2)与基因工程相关的酶及载体的发现使基因工程的实施成为可能。
① 的发现为DNA的切割、连接创造了条件。?
②细菌中拟核DNA之外的 有自我复制能力,并可以在细菌细胞间转移,这一发现为目的基因的转移找到了运载工具。?
答案(1)DNA是生物的遗传物质 DNA DNA的双螺旋结构 遗传密码 (2)限制酶、DNA连接酶 质粒
解析(1)①艾弗里等人通过肺炎链球菌的体外转化实验不仅证明了DNA是遗传物质,还证明了DNA可以在同种生物的不同个体之间转移。②沃森和克里克阐明了DNA双螺旋结构模型。③中心法则的确立和遗传密码的破译为基因工程提供了理论依据。(2)①DNA的切割、连接需要限制酶和DNA连接酶的作用。②目的基因进入受体细胞需要载体,常用的载体是质粒。细菌拟核DNA之外的质粒是有自我复制能力的环状DNA。
8.根据基因工程的有关知识,回答下列问题。
(1)限制酶切割DNA分子后产生的片段,其末端类型有 和 。?
(2)质粒载体用限制酶X(识别的序列由6个核苷酸组成)切割后产生的片段如下:
AATTC……G
G……CTTAA
该酶识别的序列为 ,切割的部位是 。?
(3)为使切割后的载体与目的基因相连,含有目的基因的DNA除可用限制酶X切割外,还可用限制酶Y切割,两种酶共同的特点是 。?
(4)按其来源不同,基因工程中所使用的DNA连接酶有两类,即 DNA连接酶和 DNA连接酶,其中后者只能连接一种末端。?
(5)基因工程中除质粒外, 和 也可作为载体。?
答案(1)黏性末端 平末端 (2)5'-GAATTC-3'
G和A之间的磷酸二酯键 (3)两种限制酶切割后形成的黏性末端相同 (4)T4 E.coli
(5)噬菌体 动植物病毒
解析(1)限制酶切割DNA分子后可产生两种类型的末端,即平末端和黏性末端。(2)将图中片段两端的黏性末端对接后可以看出限制酶X识别的序列为6个核苷酸组成的5'-GAATTC-3',切割的位点为G和A之间的磷酸二酯键。(3)为使切割后的载体与目的基因相连,含有目的基因的DNA可以用限制酶X切割,也可以用另一种限制酶Y切割,说明这两种限制酶切割产生的黏性末端相同。(4)基因工程常用的DNA连接酶,按来源可分为E.coli
DNA连接酶和T4
DNA连接酶,其中只能连接黏性末端的是E.coli
DNA连接酶。(5)基因工程的载体有质粒、噬菌体和动植物病毒等。
能力提升
9.(2020·河北沧州一中高二月考)限制酶和DNA连接酶是基因工程的工具酶,以下说法正确的是( )
A.DNA连接酶能将单个核苷酸加到已有的核苷酸片段上形成磷酸二酯键
B.限制酶只能切割双链DNA片段,不能切割烟草花叶病毒的核酸
C.E.coli
DNA连接酶既能连接黏性末端,也能连接平末端
D.限制酶主要从原核生物中分离纯化而来,所以原核生物中的限制酶也能剪切自身的DNA
答案B
解析DNA连接酶连接的是两个DNA片段,A项错误;限制酶只能切割DNA分子,烟草花叶病毒的核酸是RNA,不能切割,B项正确;E.coli
DNA连接酶只能连接黏性末端,不能连接平末端,C项错误;限制酶主要是从原核生物中分离纯化出来的,但是原核生物中的限制酶不会剪切自身的DNA,D项错误。
10.(2020·江西进贤一中高二月考)图1为某种质粒简图,图2表示某外源DNA上的目的基因,小箭头所指分别为限制性内切核酸酶EcoRⅠ、BamHⅠ、HindⅢ的酶切位点。下列有关叙述错误的是( )
A.在基因工程中若只用一种限制酶完成对质粒和外源DNA的切割,则可选EcoRⅠ
B.如果将一个外源DNA分子和一个质粒分别用EcoRⅠ酶切后,再用DNA连接酶连接,形成一个含有目的基因的重组DNA,此重组DNA中EcoRⅠ酶切割位点有1个
C.为了防止质粒和含目的基因的外源DNA片段自身环化,酶切时可使用BamHⅠ和HindⅢ两种限制酶同时处理质粒和目的基因
D.一个图1所示的质粒分子经EcoRⅠ切割后,含有2个游离的磷酸基团
答案B
解析由图1、2可知,目的基因两侧都有,且质粒也有的是EcoRⅠ的酶切位点,所以在基因工程中若只用一种限制酶完成对质粒和外源DNA的切割,可选EcoRⅠ,A项正确;如果将一个外源DNA分子和一个质粒分别用EcoRⅠ酶切后,再用DNA连接酶连接,形成一个含有目的基因的重组DNA,此重组DNA中EcoRⅠ酶切割位点有2个,B项错误;为了防止质粒和含目的基因的外源DNA片段自身环化,酶切时可使用BamHⅠ和Hind
Ⅲ两种限制酶同时处理质粒和目的基因,C项正确;一个图1所示的质粒分子经EcoRⅠ切割后,产生两个黏性末端,含有2个游离的磷酸基团,D项正确。
11.(2020·安徽合肥一六八中学高二月考)下表为常用的限制酶及其识别序列和切割位点,由此推断的以下说法中,正确的是( )
限制酶
名称
识别序列和
切割位点
限制酶
名称
识别序列和
切割位点
BamH
Ⅰ
5'-G↓GATCC-3'
KpnⅠ
5'-GGTAC↓C-3'
EcoRⅠ
5'-G↓AATTC-3'
Sau3AⅠ
5'GATC-3'
HindⅡ
5'-GTY↓RAC-3'
SmaⅠ
5'-CCC↓GGG-3'
(注
Y=C或T,R=A或G)
A.一种限制酶可能识别2种核苷酸序列
B.限制酶切割后一定形成黏性末端
C.不同的限制酶切割DNA分子形成的黏性末端一定不同
D.限制酶的切割位点在识别序列内部
答案A
解析Sau3AⅠ能识别5'-GATC-3',也能识别5'-GGATCC-3',A项正确。限制酶切割后可能形成黏性末端,如BamHⅠ、EcoRⅠ、KpnⅠ、Sau3AⅠ;限制酶切割后也可能形成平末端,如HindⅡ、SmaⅠ,B项错误。不同限制酶切割后可形成相同的黏性末端,如BamHⅠ和Sau3AⅠ,C项错误。限制酶的切割位点可能在序列内部,如BamHⅠ、EcoRⅠ、KpnⅠ、HindⅡ、SmaⅠ;限制酶的切割位点也可能在序列外部,如Sau3AⅠ,D项错误。
12.(多选)(2020·福建莆田一中高二期中,改编)某线性DNA分子含有5
000个碱基对(bp),先用限制酶a切割,再把得到的产物用限制酶b切割,得到的DNA片段大小如下表。两种限制酶的识别序列和切割位点如下图所示。下列有关说法不正确的是( )
酶a切割产物(bp)
之后酶b切割产物(bp)
2
100;1
400;
1
000;500
1
900;200;800;600;1
000;
500
A.在该DNA分子中,酶a与酶b的识别序列分别有3个和2个
B.酶a与酶b切出的黏性末端不能相互连接
C.酶a与酶b切断的化学键不相同
D.用这两种酶和DNA连接酶对该DNA分子进行反复切割、连接操作,若干循环后,序列会明显增多
答案BC
解析由题中的信息可知,酶a有三个切口,表明酶a识别序列有3个,酶b有两个切口,表明酶b识别序列有2个,A项正确;酶a与酶b切出的黏性末端相同,能相互连接,B项错误;酶a与酶b切断的化学键均为磷酸二酯键,C项错误;酶a切割和酶b切割的末端用DNA酶连接可能形成序列,但酶a和酶b都不能识别切割该序列,所以用酶a与酶b、DNA连接酶反复切割与连接,该序列增多,D项正确。
13.(多选)(2020·江苏启东中学高三期中,改编)下列关于DNA粗提取与鉴定的叙述,错误的是( )
A.用同样方法从等体积猪血和鸡血中提取的DNA量相近
B.DNA析出过程中,用玻璃棒沿同一方向轻轻搅拌
C.预冷的乙醇可用来溶解DNA
D.用二苯胺试剂鉴定DNA需要进行水浴加热
答案AC
解析猪属于哺乳动物,其红细胞没有细胞核及各种细胞器,提取不到DNA,而鸡属于鸟类,其红细胞内含有细胞核与各种细胞器,DNA含量较多,A项错误;在除去相关蛋白后,DNA是非常容易断裂的,如果太过剧烈地搅拌,DNA链可能会被破坏,因此轻柔搅拌的目的是获得较完整的DNA分子,B项正确;在冷的95%酒精溶液中DNA的溶解度低,DNA的沉淀量大,C项错误;将析出的DNA溶解在2
mol/L的NaCl溶液中,加入二苯胺试剂后需要水浴加热才会呈现蓝色,D项正确。
14.(2020·山东济宁一中高二期中)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。运用这一技术使羊奶中含有人体蛋白质,下图表示这一技术的基本过程。在该工程中所用的基因“分子手术刀”能识别的序列和切割位点是5'-G↓GATCC-3',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)请在图中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,是因为 。?
答案(1)限制酶 DNA连接酶
(2)
(3)人的遗传物质(基因)与羊的遗传物质都为DNA,其物质组成和空间结构相同
