(共88张PPT)
第3节 基因工程的应用
必备知识·素养奠基
一、基因工程在农牧业方面的应用
1.发展:
(1)农牧业:1996-2017年,全世界转基因作物的种植面积增加了一百多倍,_____
是世界上转基因作物种植面积最大的国家。2017年,我国转基因作物种植面积
居世界第___位。
(2)动物:第一种用于食用的转基因动物——_______________在美国获得批准上
市。
美国
八
转基因大西洋鲑
2.实例:
连一连:基于基因工程在改良动植物品种、提高作物和畜产品的产量等方面的应用,将下列转基因生物和选用的目的基因连线
二、基因工程在医药卫生领域的应用
1.生产药物:
(1)常见的药物:细胞因子、_____、疫苗和激素等。我国生产的重组_________、
血小板生成素、促红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子
等基因工程药物均已投放市场。
(2)批量生产药物:_____________反应器。
①目的基因:_________基因。
②启动子:_______________________的启动子。
③受体细胞:_______。
抗体
人干扰素
乳腺(房)生物
药用蛋白
乳腺中特异性表达的基因
受精卵
2.移植器官:在器官供体的基因组中导入某种调节因子,以抑制_____________
的表达,或设法除去_________基因,培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克
隆猪器官。
抗原决定基因
抗原决定
【激疑】培养乳腺生物反应器转基因动物时为什么要选用乳腺中特异性表达的基因的启动子?
提示:乳腺生物反应器通过分泌的乳汁提取相应的基因表达的产品,乳腺中特异性表达的启动子可让目的基因在乳腺细胞中表达。
三、基因工程在食品工业方面的应用
1.氨基酸:利用转基因生物合成阿斯巴甜的原料——_________和_________。
2.酶:利用转基因生物生产奶酪的_____酶;利用转基因生物加工转化糖浆的
_____酶;利用转基因生物加工烘烤食品、制造生物能源的___酶等。
3.维生素。
天冬氨酸
苯丙氨酸
凝乳
淀粉
脂
关键能力·素养形成
知识点 基因工程的应用
1.三种转基因生物的培育过程:
(1)转基因植物生产过程图解(以抗虫棉生产过程为例):
(2)转基因动物生产过程图解(以转基因牛生产过程为例):
(3)转基因微生物生产过程图解(以可生产干扰素的酵母菌的培育过程为例):
2.乳腺生物反应器:
(1)操作过程:
(2)乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别:
比较内容
乳腺生物反应器
工程菌
含义
指让外源基因在哺乳动物的乳腺中特异性表达,利用动物的乳腺组织生产药物蛋白
指用基因工程的方法,使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系
受体基因结构与人类基因结构差异
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
受体细胞
动物受精卵
微生物细胞
比较内容
乳腺生物反应器
工程菌
目的基因
导入方式
显微注射法
感受态细胞法
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
生产设备
畜牧业生产、提取
设备
工业生产,设备精良
【特别提醒】目的基因的来源
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。
【素养案例】
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、生长激素等重要药品。大致过程如图所示。下列有关说法错误的是
( )
A.通过③形成的重组质粒具有人的药用蛋白基因、乳腺中特异表达的基因的启动子、终止子和标记基因等
B.④通常采用农杆菌转化法
C.在转基因母牛的乳腺细胞中人的药用蛋白基因才会得以表达,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
【解题导引】解答本题思维流程如下:
【解析】选B。要让药用蛋白基因在乳腺细胞内表达并分泌含药物的乳汁,重组质粒上还必须具有乳腺中特异表达的基因的启动子等调控组件,A项正确;转基因动物通常利用的受体细胞是受精卵,采用显微注射技术,B项错误;只有母牛到达泌乳期,乳腺细胞才会表达相应的药用蛋白基因,乳汁中含有药物,C正确;从乳汁里提取药物,优点突出,使动物本身成为“批量生产药物的工厂”,D项正确。
【素养·探究——母题追问】
(1)科学思维——演绎与推理
培育转基因牛,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。
(2)科学思维——批判性思维
某同学认为过程①②获得的精子和卵母细胞可以直接受精获得受精卵,你认为他的说法对吗?说明你的理由。
提示:不正确,精子需要获能,卵母细胞需要发育到MⅡ才能具有受精的能力。
【素养·迁移】
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率
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,由于导入的是调节因子,而不是目的基因,因此无法抑制抗原的合成
【解析】选D。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。
【补偿训练】
在实验室里用四环素培育转基因的雄性蚊子,这些蚊子与雌性蚊子交配的后代也需要四环素才能生存,但在环境中不可能找到,于是会慢慢死去。该技术有望减少登革热等疾病的发生。下列关于该技术的说法正确的是
( )
A.转基因技术能定向改变蚊子的基因,属于基因突变
B.该转基因蚊子属于新的物种
C.需要四环素才能生存这一特性是基因和环境共同作用的结果
D.该技术的其中一个环节是构建基因表达载体,需要用到限制酶和DNA聚合酶
【解析】选C。转基因技术能定向改变蚊子的基因,属于基因重组,A项错误;该转基因蚊子具有新的基因,但仍能与雌性蚊子交配产生后代,没有出现生殖隔离,所以不属于新的物种,B项错误;由于产生的后代需要四环素才能生存,说明这一特性是基因和环境共同作用的结果,C项正确;该技术的其中一个环节是构建基因表达载体,需要用到限制酶和DNA连接酶,D项错误。
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
【概念·诊断】
1.基因工程20世纪70年代兴起后,得到飞速的发展,在农牧业、医药卫生和食品工业等方面展示了广阔的前景,下列有关描述正确的是________。?
①转基因抗虫棉能抗病毒、细菌、真菌
②利用乳腺生物反应器能够获得一些重要的医药产品,如人的血清白蛋白、生长激素等
③科学家利用基因工程技术除去抗原决定基因培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆器官
④应用工程菌生产乙肝疫苗,在制造该工程菌时,应向酵母菌中导入乙肝病毒的表面抗原基因
⑤“转基因植物”是指植物体细胞中出现了新基因的植物
【解析】选②③④。转基因抗虫棉具有抗虫的特性,但不具有抗病毒、细菌和真菌的特性,①错误;利用乳腺生物反应器能够获得一些重要的医药产品,如人的血清白蛋白、生长激素等,②正确;科学家利用基因工程技术除去抗原决定基因或者导入抑制因子抑制抗原决定基因的表达,培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆器官,③正确;应用工程菌生产乙肝疫苗,在制造该工程菌时,应向酵母菌中导入乙肝病毒的表面抗原基因,使工程菌能够合成乙肝病毒的表面
抗原,④正确;“转基因植物”是指利用基因工程获得的植物体,植物体出现新基因不一定是转基因植物,如基因突变产生新基因的植物不是转基因植物,⑤错误。
2.动物基因工程前景广阔,最令人兴奋的是利用基因工程技术使哺乳动物成为乳腺生物反应器,以生产所需要的药品,如转基因动物生产人的生长激素。科学家培养转基因动物成为乳腺生物反应器时
( )
A.仅仅利用了基因工程技术
B.不需要乳腺中特异表达的基因的启动子
C.利用农杆菌转化法将人的生长激素基因导入受精卵中
D.需要进入泌乳期才能成为“批量生产药物的工厂”
【解析】选D。科学家培养转基因动物时除涉及基因工程外,还涉及其他现代生物技术;生产生长激素时需要将人的生长激素基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起,通过显微注射技术导入哺乳动物的受精卵中,然后将受精卵送入母体内使其生长发育成转基因动物。因为药物是伴随乳汁产生的,所以要进入泌乳期才能批量生产。
3.下列有关目的基因的操作能够改善畜产品品质的是
( )
A.将草鱼的生长激素基因导入鲤鱼体内
B.将肠乳糖酶的基因导入奶牛的基因组
C.将人血清白蛋白的基因改造后在山羊的乳腺中表达
D.将Bt毒蛋白基因整合到烟草或棉花的基因组并实现表达
【解析】选B。将草鱼的生长激素基因导入鲤鱼体内是提高鲤鱼的生长速率;导入肠乳糖酶基因的奶牛的牛奶中乳糖含量少,改善了牛奶的品质;将人血清白蛋白的基因改造后在山羊的乳腺中表达是乳腺生物反应器的应用;Bt毒蛋白基因是抗虫基因,能够提高植物的抗性。
4.2020年5月22日国际医学权威期刊《柳叶刀》上发表了新冠病毒疫苗1期临床试验的成果。该试验是由陈薇院士等人领衔的团队开展的研究,试验中使用的疫苗是一种腺病毒载体重组新冠病毒疫苗(基因重组疫苗),该疫苗接种108名健康的成年志愿者后,在志愿者体内均产生了特定的免疫应答。下列叙述正确的是
( )
A.该疫苗的制备不需要用到DNA连接酶
B.志愿者接受重组新冠病毒疫苗的接种后,体内产生被动免疫
C.主要通过检测志愿者体内新冠病毒的含量来评价试验的有效性
D.相对于普通人来说,对腺病毒已具有免疫力的个体使用该疫苗的效果要差
【解析】选D。重组基因疫苗需要将腺病毒的基因和新冠病毒的基因进行连接,所以需要DNA连接酶,A错误;疫苗刺激机体产生特异性免疫属于主动免疫,B错误;接种疫苗后,主要通过检测志愿者体内新冠病毒的抗体来评价试验的有效性,C错误;由于重组病毒含有腺病毒的抗原,所以对腺病毒已具有免疫力的个体使用该疫苗的效果比普通人要差,D正确。
5.(2020·浙江7月选考)下列关于基因工程的叙述,正确的是
( )
A.若受体大肠杆菌含有构建重组质粒时用到的限制性核酸内切酶,则一定有利于该重组质粒进入受体并保持结构稳定
B.抗除草剂基因转入某抗盐植物获得2个稳定遗传转基因品系,抗性鉴定为抗除草剂抗盐和抗除草剂不抗盐。表明一定是抗盐性的改变与抗除草剂基因的转入无关
C.抗除草剂基因转入某植物获得转基因植株,其DNA检测均含目的基因,抗性鉴定为抗除草剂和不抗除草剂。表明一定是前者表达了抗性蛋白而后者只表达抗性基因RNA
D.已知不同分子量DNA可分开成不同条带,相同分子量的为一条带。用某种限制性核酸内切酶完全酶切环状质粒后,出现3条带。表明该质粒上一定至少有3个被该酶切开的位置
【解析】选D。本题主要考查基因工程的内容。若受体大肠杆菌含有构建重组质粒时用到的限制性核酸内切酶,则该酶会对进入受体的重组质粒进行切割,不利于其保持结构稳定,A项错误;抗除草剂基因转入抗盐植物,获得了抗除草剂抗盐品系和抗除草剂不抗盐品系,不抗盐品系的产生可能是转入的抗除草剂基因插入抗盐基因内,影响其表达造成的,B项错误;转基因植物中均含抗除草剂基因,但存在抗除草剂和不抗除草剂两种植株,前者表达了抗性蛋白,后者抗除草剂基因可能未转录出mRNA,或转录出的mRNA未能翻译成蛋白质,C项错误;某种限制性核酸内切酶完全酶切环状质粒后,出现3条带,即3种不同分子量DNA,因此环状质粒上至少有3个酶切位点,D项正确。
【思维·跃迁】
6.科学家将鱼抗冻蛋白基因转入番茄,使番茄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四种限制性内切核酸酶切割位点,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,甲、乙表示相关结构或细胞。请据图作答:
(1)在构建重组DNA时,可用一种或多种限制性内切核酸酶进行切割,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,在此实验中应该选用限制性内切核酸酶______________分别对鱼抗冻蛋白基因和质粒进行切割,切割后产生的DNA片段分别为____________、__________种。?
(2)基因工程中核心步骤是__________(填序号),该步骤的目的是________
______________________________________。为了使目的基因正常表达,其首端必须有启动子,它是______________识别和结合的部位。若限制酶切出了平末端,要选择______________(填“E.coli
DNA连接酶”或“T4DNA连接酶”)进行连接。?
(3)图中将鱼抗冻蛋白基因导入番茄细胞的方法称为______________。它是利用载体Ti质粒中含有__________________,可以将目的基因整合到宿主细胞的染色体上。?
【解析】(1)据图分析,鱼的抗冻蛋白基因(目的基因)上具有三种限制酶切割位点,PstⅠ酶的切割位点位于目的基因的两侧,SmaⅠ酶的切割位点位于目的基因的左侧,而
AluⅠ酶的切割位点位于目的基因的中央,因此不宜选用
AluⅠ酶;质粒上有
PstⅠ、SmaⅠ、HindⅢ、AluⅠ四种限制酶切割位点,因此应该选择
PstⅠ、SmaⅠ
分别切割目的基因和质粒,切割后目的基因所在的
DNA
产生
4
种DNA
片段,质粒产生
2
种
DNA
片段。
(2)图中①～④分别表示:基因表达载体的构建、目的基因导入受体细胞、脱分化、再分化。基因工程的核心步骤是基因表达载体的构建,即图中的①步骤,目的是使目的基因稳定存在并能遗传下去,使目的基因能表达及发挥作用;基因表达载体中的启动子是
RNA聚合酶识别和结合的位点;T4
DNA
连接酶可以连接平末端。
(3)将目的基因导入番茄细胞等植物细胞常用农杆菌转化法,利用载体
Ti
质粒中含有
T-DNA,可以将目的基因整合到宿主细胞的染色体上。
答案:(1)PstⅠ、SmaⅠ 4
2
(2)① 使目的基因稳定存在并能遗传下去,使目的基因能表达及发挥作用 RNA
聚合酶 T4
DNA连接酶
(3)农杆菌转化法 T-DNA
【拓展·探究】
7.冠状病毒是一类具有包膜的RNA病毒,某些冠状病毒如新型冠状病毒(SARS-CoV-2)会感染人类并引起呼吸综合征。应对传染性强的病毒感染,需要灵敏的检测试剂盒及免疫效果持久的疫苗。最新的疫苗开发技术是核酸疫苗(包括DNA疫苗和RNA疫苗),其制作流程如图所示。
(1)新型冠状病毒流行期间,建议市民外出一定要戴口罩,其目的是________。(多选)?
A.控制传染源
B.切断传播途径
C.防止病原体扩散
D.发挥非特异性免疫作用
(2)如图新型冠状病毒标出的四种结构中,最先激活免疫系统的是____________。(用图中的字母做答)?
(3)在DNA疫苗制备过程中,通常需要使用限制酶切割DNA分子。在如图所示的限制酶识别序列中,限制酶作用的化学键是[
]____________。?
(4)写出图中能表示制备DNA疫苗过程的编号__________。?
(5)DNA或RNA疫苗接种到人体后,其表达产物均会刺激机体产生免疫反应。据图和所学知识,描述两者在人体内表达过程的差异______________。?
【解析】(1)传染病的流行必须具备三个基本环节:传染源、传播途径和易感人群。在这三个环节中,缺少其中的任何一个环节,新的传染都不会发生。在新型冠状病毒流行期间,建议市民外出一定要戴口罩的目的是切断传播途径和防止病原体扩散,即B、C正确。(2)如图新型冠状病毒标出的四种结构a、b、c、d分别表示表面蛋白质、脂质包膜、衣壳、RNA,其中最先激活免疫系统的是a。(3)
限制酶能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列,并且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裂。据此可知:在如图所示的限制酶识别序列中,限制酶作用的化学键是[e]磷酸二酯键。(4)图中能表示制备DNA疫苗过程的编号是[①]提取病毒的RNA→[②]逆转录→[③]构建基因表达载体→[④]将构建的基因表达载体导入受体细胞(大肠杆菌)→[⑥]利用工程菌生产DNA疫苗。(5)DNA疫苗接种到人体后,经历转录和翻译表达出病毒的抗原结构,而RNA疫苗接种到人体后,直接翻译出病毒的抗原结构。
答案:(1)B、C (2)a (3)[e]磷酸二酯键
(4)①②③④⑥
(5)DNA疫苗接种到人体后,经历转录和翻译表达出病毒的抗原结构,而RNA疫苗接种到人体后,直接翻译出病毒的抗原结构
课时素养评价
十四 基因工程的应用
【基础达标】
(20分钟·70分)
一、选择题(共6小题,每小题5分,共30分)
1.能够使植物体表达动物蛋白的育种方法是
( )
A.单倍体育种
B.杂交育种
C.基因工程育种
D.多倍体育种
【解析】选C。要让动物蛋白在植物体内表达,必须将控制动物蛋白合成的相关基因导入植物细胞中并让其表达,因此需要通过基因工程技术才能实现。
2.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用蛋白含量提高了30多倍。下列有关叙述正确的是
( )
A.“转基因动物”是指体细胞中出现了新基因的动物
B.“提高基因的表达水平”是指设法使牛的乳腺细胞中含有更多的人白蛋白基因
C.只在转基因牛乳汁中才能获取人白蛋白,是因为人白蛋白基因只在牛乳腺细胞中是纯合的
D.转基因牛的肌肉细胞中也有人白蛋白基因,但不发生转录、翻译,故不能合成人白蛋白
【解析】选D。转基因动物是指细胞中被转入了外源基因的动物,并非出现新基因,故A错误;“提高基因的表达水平”是指增强白蛋白基因的表达,白蛋白基因数目没有增多,故B错误;“转基因动物”一般用到的受体细胞是受精卵,发育个体的几乎所有细胞中都有相同的外源基因,故C错误;转基因牛的白蛋白基因也是选择性表达的,在肌肉细胞中不能表达,故D正确。
3.下列有关植物基因工程的成果的叙述正确的是
( )
A.转基因抗虫棉改善了作物的品质
B.将毒素蛋白基因直接导入水稻的受精卵,可以得到抗虫水稻
C.转入调节细胞渗透压的基因,有利于植物抗盐碱、抗干旱
D.植物细胞中没有质粒,所以不能利用质粒作为植物基因工程的载体
【解析】选C。转基因抗虫棉使作物获得了抗虫特性,但没有改善作物的品质,A错误;将目的基因导入受体细胞前需要先构建基因表达载体,B错误;转入调节细胞渗透压的基因,有利于植物抗盐碱、抗干旱,C正确;可以利用质粒作为植物基因工程的载体,D错误。
4.转基因食品已大量进入我们的日常生活,如转基因西红柿、转基因草莓等,涉及的问题甚至关系到国家之间的贸易竞争。下列关于转基因大豆的叙述不正确的是
( )
A.培育过程中可能用到抗病、抗虫等抗性基因
B.目的基因的受体细胞可以是大豆受精卵,也可以是体细胞
C.转基因大豆的种植过程中减少了农药等的使用量,生产成本更低
D.固氮菌的固氮基因也是必需的目的基因之一
【解析】选D。植物基因工程技术主要用于提高农作物的抗逆能力(如抗除草剂、抗虫、抗病等),因此在转基因大豆的培育过程中,有可能用到了抗虫、抗病等抗性基因提高大豆的抗病虫能力,选项A正确;由于大豆细胞具有全能性,因此无论是受精卵还是体细胞都可以作为受体细胞,使目的基因导入后随之遗传,选项B正确;转基因大豆由于抗逆能力提高,自身具有抗虫特性,因此可以减少杀虫农药的使用量,降低生产成本,选项C正确;转基因大豆相比普通大豆而言,其品质得到明显改良,可能转入了抗虫、抗病等基因提高了抗逆性。转入固氮基因对于改善大豆的品质没有明显作用,因此无须将固氮基因作为目的基因,选项D错误。
5.科学家在河南华溪蟹中找到了金属硫蛋白基因,并以质粒为载体,采用转基因方法培育出了硫吸收能力极强的转基因烟草。下列有关该烟草培育的说法正确的是
( )
A.金属硫蛋白基因需插入质粒上,才能转移到受体细胞中
B.需用特定的限制酶切割烟草的核酸
C.同种限制酶既可以切割含目的基因的DNA片段,又可以切割质粒,因此不具有专一性
D.转基因烟草与原烟草相比基因组成发生了变化,导致两者出现生殖隔离
【解析】选A。金属硫蛋白基因需插入质粒上,才能转移到受体细胞中,A正确;在基因工程中,需用特定的限制酶切割目的基因和运载体,而不是切割烟草的核酸,B错误;限制酶具有专一性,能识别特定的脱氧核苷酸序列,C错误;转基因烟草与原烟草之间一般不会出现生殖隔离,D错误。
6.目前人类利用基因工程的方法成功培育出转基因抗虫棉,以下说法正确的是( )
A.苏云金芽孢杆菌的毒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,即可通过传粉、受精,使抗虫性状遗传下去
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.转基因抗虫棉即使经过多代种植,棉铃虫也不会产生抗性,这样可以有效消灭棉铃虫
【解析】选C。苏云金芽孢杆菌的毒蛋白基因与质粒结合后,需要将重组质粒先导入农杆菌,运用农杆菌转化法将目的基因导入棉花的叶肉细胞中再表达,选项A错误;抗虫基因导入棉花叶肉细胞后,只有将叶肉细胞通过植物组织培养才可将该基因传给后代,由于生殖细胞中无抗虫基因,凭借传粉、受精的有性生殖方法无法将其抗虫性状遗传给后代,选项B错误;标记基因的作用是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,选项C正确;转基因抗虫棉经过多代种植后,棉铃虫可能会产生抗性,使抗虫效果有所下降,选项D错误。
二、非选择题(共2小题,共40分)
7.(20分)新冠病毒是RNA病毒,对其进行检测的方法有两种:核酸检测和抗原—抗体杂交检测。如图表示新冠病毒核酸检测的部分流程。
(1)以病毒的RNA为模板通过①____________________过程合成cDNA,再对cDNA进行PCR扩增,整个过程为RT-PCR。?
(2)进行
RT-PCR需要加入的酶是________________和________________。?
(3)一次病毒核酸检测历时需16小时,为了快速检测可采用抗原—抗体杂交,这一技术的关键是要生产出能与新冠病毒结合的特异性抗体。首先向小鼠体内注射________________,从小鼠的________________(器官)中获取已免疫的B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合,经过多次______________获得能产生特定抗体的杂交瘤细胞,培养后分离提纯,从而获得大量抗体。该抗体的优点有:________
______________________,请举出两例这种抗体在现实中的两大具体应用:______________________________。?
【解析】(1)以RNA为模板合成DNA的过程为逆转录或反转录,故题图中以病毒的RNA为模板合成cDNA的过程为①逆转录,再对cDNA进行PCR扩增,这项技术称为RT-PCR。
(2)RT-PCR是扩增DNA的过程,因为加入的模板是RNA,故需要加入的酶是逆转录酶和Taq酶。
(3)若采用抗原—抗体杂交技术进行病毒检测,需要制备能与新冠病毒结合的特异性抗体,单克隆抗体具有特异性强、灵敏度高且能够大量制备的优势,故设计的思路是设法获得能产生该特异性抗体的杂交瘤细胞,步骤如下:①向小鼠体内注射新冠病毒的抗原蛋白(或灭活的新冠病毒),目的是要获得能产生特异性抗体的效应B细胞;②从免疫小鼠的脾脏中提取B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合,经多次筛选获得能产生特异性抗体的杂交瘤细胞;③将杂交瘤细胞在体外条件下做大规模培养或注射到小鼠腹腔内增殖,从培养液或小鼠腹水中可以提取大量的单克隆抗体。该抗体具有特异性强、灵敏度高、并可大量制备等优点。单克隆抗体可以作为诊断试剂、用于治疗疾病和运载药物等实际应用。
答案:(1)逆转录(反转录)
(2)逆转录酶 Taq酶(热稳定性强的DNA聚合酶)
(3)新冠病毒的抗原蛋白(或灭活的新冠病毒) 脾脏(免疫器官) 筛选 特异性强、灵敏度高、并可大量制备 作为诊断试剂、用于治疗疾病和运载药物
8.(20分)在某些深海鱼中发现的抗冻蛋白基因afp对提高农作物的抗寒能力有较好的应用价值。如图所示是获得转基因莴苣的技术流程,请据图回答下列问题:
(1)获取目的基因的主要途径包括从自然界已有的物种中分离和________。?
(2)①过程需要的酶有__________、__________。?
(3)如果受体细胞C1是土壤农杆菌,则将目的基因导入它的__________上,使目的基因进入受体细胞C2,并将其插入受体细胞C2中__________上,使目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达,形成转基因莴苣,经②过程获得的转基因莴苣中的目的基因是否表达,在分子水平上可用__________法进行检测,如果出现杂交带,说明目的基因已经表达蛋白质产品,转基因莴苣培育成功。?
(4)基因工程的应用除了以上之外还有很多,如用转基因动物作器官移植的供体,其主要优点是避免__________反应。?
【解题关键】解答本题需关注以下两点:
(1)图示信息:过程①表示基因表达载体的构建;“受体细胞C1”表示土壤农杆菌细胞;“受体细胞C2”表示植物细胞。
(2)关键信息:将目的基因导入植物受体细胞最常用的方法是土壤农杆菌转化法。
【解析】(1)目的基因的获取可采取直接分离的方法,也可以采用人工方法合成,人工合成目的基因的常用方法有反转录法和化学合成法。
(2)提取目的基因需限制酶,将目的基因与载体结合需DNA连接酶,故①过程需要的酶有限制酶和DNA连接酶。
(3)将目的基因导入植物受体细胞最常用的方法是农杆菌转化法,将目的基因导入它的Ti质粒的T-DNA上,使目的基因进入受体细胞C2,并将其插入受体细胞C2中染色体DNA上,使目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达,形成转基因莴苣。检测目的基因是否翻译成蛋白质,方法是从转基因生物中提取蛋白质,用相应的抗体进行抗原—抗体杂交。
(4)基因工程的应用还有很多,如用转基因动物作器官移植的供体,其主要优点是避免免疫排斥反应。
答案:(1)(用反转录等方法进行)人工合成
(2)限制酶 DNA连接酶
(3)Ti质粒的T-DNA 染色体DNA
抗原—抗体杂交
(4)免疫排斥
【能力提升】(10分钟·30分)
1.(6分)科学家将正常的腺苷脱氨酶(ADA)基因转入缺乏该基因的患者血液的T细胞中,重组T细胞大量增殖后回输到体内,用于治疗严重的复合免疫缺陷症(SCID),过程如下图所示。下列说法错误的是
( )
A.图中的病毒可作为携带ADA基因进入T细胞的载体
B.T细胞1是受体细胞,回输前可能需要对T细胞2严格筛选
C.需要在无菌、无毒的环境下培养T细胞1和T细胞2
D.此治疗方法较为可靠,患者的T细胞均能合成ADA
【解析】选D。由图示过程可以看出,以病毒为载体,携带人的正常ADA基因进入T细胞1,A正确;从图示过程可以判断T细胞1是受体细胞,T细胞2为重组细胞,因基因表达受很多条件影响,回输前必需对T细胞2进行筛选,筛选出ADA基因能正常表达的T细胞2,B正确;由动物细胞培养的条件可知,在动物细胞体外培养时,首先要保证被培养的细胞处于无菌、无毒的环境,C正确;患者体内的T细胞,有的是来自自身细胞的分化,有的是来自回输的,只有回输的T细胞才能合成ADA,D错误。
2.(6分)(不定项)乙烯生物合成酶基因可以控制乙烯的合成,科学家将该基因的反义基因导入番茄细胞内,培育转基因延熟番茄,延长其储藏期。反义基因的作用机制如图所示,下列说法正确的是
( )
A.有意义mRNA和反义mRNA是通过相应基因转录而来的
B.乙烯生物合成酶基因的模板链的序列与反义基因的是互补的
C.乙烯是乙烯生物合成酶基因的表达产物,可促进果实成熟
D.因为不存在核糖体,所以无乙烯生物合成酶生成
【解析】选A、B。由图示可以看出,有意义mRNA和反义mRNA是通过相应基因转录而来的,A正确;由图示原理,反义mRNA能够与乙烯生物合成酶基因转录出来的有意义mRNA进行杂交形成双链,并且有意义mRNA和反义mRNA是通过相应基因转录而来的,所以,可以推测乙烯生物合成酶基因的模板链的序列与反义基因的模板链是互补的,B正确;乙烯生物合成酶基因的表达产物是酶,可以控制乙烯的合成,乙烯不是其表达产物,C错误;翻译过程是以mRNA为模板合成蛋白质的过程,图示两种mRNA杂交在一起进而阻断了乙烯生物合成酶基因的有意义mRNA的翻译过程,D错误。
【实验·探究】
3.(18分)(2020·山东等级考)水稻胚乳中含直链淀粉和支链淀粉,直链淀粉所占比例越小糯性越强。科研人员将能表达出基因编辑系统的DNA序列转入水稻,实现了对直链淀粉合成酶基因(Wx基因)启动子序列的定点编辑,从而获得了3个突变品系。
(1)将能表达出基因编辑系统的DNA序列插入Ti质粒构建重组载体时,所需的酶是__________,重组载体进入水稻细胞并在细胞内维持稳定和表达的过程称为__________。?
(2)根据启动子的作用推测,Wx基因启动子序列的改变影响了____________,从而改变了Wx基因的转录水平。与野生型水稻相比,3个突变品系中Wx基因控制合成的直链淀粉合成酶的氨基酸序列__________(填“发生”或“不发生”)改变,原因是
______________________。?
(3)为检测启动子变化对Wx基因表达的影响,科研人员需要检测Wx基因转录产生的mRNA(Wx
mRNA)的量。检测时分别提取各品系胚乳中的总RNA,经__________过程获得总cDNA。通过PCR技术可在总cDNA中专一性的扩增出Wx基因的cDNA,原因是________________________________________。?
(4)各品系Wx
mRNA量的检测结果如图所示,据图推测糯性最强的品系为______________,原因是________________________________。?
【解析】本题主要考查基因工程的知识。
(1)将目的基因和质粒构建成重组载体时,需要使用的酶是限制性核酸内切酶和
DNA连接酶,将重组载体导入受体细胞内并维持稳定表达的过程称为转化。(2)
启动子是RNA聚合酶识别并结合的位点,Wx启动子序列的改变会影响RNA聚合酶
与启动子识别和结合,从而影响基因的转录过程。根据题意可知,该基因工程中
编辑的是启动子序列,而启动子序列不参与编码直链淀粉的氨基酸,因此3种突
变品系中Wx基因控制合成的直链淀粉的氨基酸序列不发生改变。(3)以细胞中
的RNA为原料合成cDNA的过程需经逆转录过程,PCR技术能扩增DNA分子中特定
片段的目的基因,原因是引物是根据Wx基因的一段已知序列设计合成的,而PCR技术扩增的是处于两种引物之间的DNA序列。(4)根据图示可知,品系3的Wx
mRNA最少,控制合成的直链淀粉合成酶最少,直链淀粉合成量最少,糯性最强。
答案:(1)限制性核酸内切酶和DNA连接酶
转化
(2)RNA聚合酶与启动子识别和结合 不发生
编码直链淀粉合成酶的碱基序列中不含启动子
(3)逆转录 引物是根据Wx基因的一段已知序列设计合成的
(4)品系3
品系3的Wx
mRNA最少,控制合成的直链淀粉合成酶最少,直链淀粉合成量最少,糯性最强
【补偿训练】
我国科学家屠呦呦因青蒿素的研究荣获2015年诺贝尔生理学或医学奖。青蒿素是目前世界上最有效的治疗疟疾药物,为青蒿植株的次级代谢产物,其化学本质是一种萜类化合物,其生物合成途径如图1所示。正常青蒿植株的青蒿素产量很低,难以满足临床需求,科学家为了提高青蒿素产量,将棉花中的FPP合成酶基因导入了青蒿植株并让其成功表达,获得了高产青蒿植株,过程如图2所示。
(1)研究人员从棉花基因文库中获取FPP合成酶基因后,可以采用____________技术对该目的基因进行大量扩增,该技术除了需要提供模板和游离的脱氧核苷酸外,还需要提供__________________、____________________等条件。
(2)图2中的①为____________________,形成过程中需要________________等;棉花FPP合成酶基因能够和质粒连接成①的主要原因是________________。(3)若②不能在含有抗生素Kan的培养基上生存,则原因是______________。
(4)由题意可知,除了通过提高FPP的含量来提高青蒿素的产量外,还可以通过哪些途径来提高青蒿素的产量?(试举一例)__________________。
【解析】(1)PCR技术可在体外快速扩增目的基因,PCR的条件:模板(目的基因)、原料(四种脱氧核苷酸)、引物、热稳定DNA聚合酶。(2)图2中的①为构建的基因表达载体(重组质粒),形成过程中需要限制酶切割目的基因和载体,再用DNA连接酶连接。由于切割棉花FPP合成酶基因和质粒后,具有相同的黏性末端,两者能够连接成①基因表达载体。(3)重组质粒中含有标记基因,若②不能在含抗生素Kan的培养基上生长,说明重组质粒未导入农杆菌。(4)据图分析可知,FPP在ADS基因表达的情况下,生成青蒿素,或者抑制SQS基因的表达,降低FPP生成其他萜类化合物的量,因此要提高青蒿素的产量,可以通过抑制SQS基因的表达(或增强ADS基因的表达)这些途径。
答案:(1)PCR 引物 热稳定DNA聚合酶
(2)基因表达载体(重组质粒) 限制酶和DNA连接酶 切割后具有相同的黏性末端
(3)重组质粒没有导入农杆菌
(4)抑制SQS基因的表达(或增强ADS基因的表达)?第3节 基因工程的应用
必备知识·素养奠基
一、基因工程在农牧业方面的应用
1.发展:
(1)农牧业:1996-2017年,全世界转基因作物的种植面积增加了一百多倍,美国是世界上转基因作物种植面积最大的国家。2017年,我国转基因作物种植面积居世界第八位。
(2)动物:第一种用于食用的转基因动物——转基因大西洋鲑在美国获得批准上市。
2.实例:
连一连:基于基因工程在改良动植物品种、提高作物和畜产品的产量等方面的应用,将下列转基因生物和选用的目的基因连线
二、基因工程在医药卫生领域的应用
1.生产药物:
(1)常见的药物:细胞因子、抗体、疫苗和激素等。我国生
产的重组人干扰素、血小板生成素、促红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子等基因工程药物均已投放市场。
(2)批量生产药物:乳腺(房)生物反应器。
①目的基因:药用蛋白基因。
②启动子:乳腺中特异性表达的基因的启动子。
③受体细胞:受精卵。
2.移植器官: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,或设法除去抗原决定基因,培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。
培养乳腺生物反应器转基因动物时为什么要选用乳腺中特异性表达的基因的启动子?
提示:乳腺生物反应器通过分泌的乳汁提取相应的基因表达的产品,乳腺中特异性表达的启动子可让目的基因在乳腺细胞中表达。
三、基因工程在食品工业方面的应用
1.氨基酸:利用转基因生物合成阿斯巴甜的原料——天冬氨酸和苯丙氨酸。
2.酶:利用转基因生物生产奶酪的凝乳酶;利用转基因生物加工转化糖浆的淀粉酶;利用转基因生物加工烘烤食品、制造生物能源的脂酶等。
3.维生素。
关键能力·素养形成
知识点 基因工程的应用
1.三种转基因生物的培育过程:
(1)转基因植物生产过程图解(以抗虫棉生产过程为例):
(2)转基因动物生产过程图解(以转基因牛生产过程为例):
(3)转基因微生物生产过程图解(以可生产干扰素的酵母菌的培育过程为例):
2.乳腺生物反应器:
(1)操作过程:
获取目的基因(如人血清白蛋白基因、人生长激素基因等)
构建基因表达载体(目的基因与乳腺中特异表达的基因
的启动子等调控组件重组)
导入哺乳动物受精卵(显微注射技术)
进行早期胚胎培养后送入母体
发育成转基因动物
利用分泌的乳汁生
产所需的药品
(2)乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别:
比较内容
乳腺生物反应器
工程菌
含义
指让外源基因在哺乳动物的乳腺中特异性表达,利用动物的乳腺组织生产药物蛋白
指用基因工程的方法,使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系
受体基因结构与人类基因结构差异
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
受体细胞
动物受精卵
微生物细胞
目的基因导入方式
显微注射法
感受态细胞法
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
生产设备
畜牧业生产、提取设备
工业生产,设备精良
【特别提醒】目的基因的来源
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。
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、生长激素等重要药品。大致过程如图所示。下列有关说法错误的是
( )
A.通过③形成的重组质粒具有人的药用蛋白基因、乳腺中特异表达的基因的启动子、终止子和标记基因等
B.④通常采用农杆菌转化法
C.在转基因母牛的乳腺细胞中人的药用蛋白基因才会得以表达,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
【解题导引】解答本题思维流程如下:
【解析】选B。要让药用蛋白基因在乳腺细胞内表达并分泌含药物的乳汁,重组质粒上还必须具有乳腺中特异表达的基因的启动子等调控组件,A项正确;转基因动物通常利用的受体细胞是受精卵,采用显微注射技术,B项错误;只有母牛到达泌乳期,乳腺细胞才会表达相应的药用蛋白基因,乳汁中含有药物,C正确;从乳汁里提取药物,优点突出,使动物本身成为“批量生产药物的工厂”,D项正确。
【素养·探究——母题追问】
(1)科学思维——演绎与推理
培育转基因牛,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。
(2)科学思维——批判性思维
某同学认为过程①②获得的精子和卵母细胞可以直接受精获得受精卵,你认为他的说法对吗?说明你的理由。
提示:不正确,精子需要获能,卵母细胞需要发育到MⅡ才能具有受精的能力。
【素养·迁移】
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率
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,由于导入的是调节因子,而不是目的基因,因此无法抑制抗原的合成
【解析】选D。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。
【补偿训练】
在实验室里用四环素培育转基因的雄性蚊子,这些蚊子与雌性蚊子交配的后代也需要四环素才能生存,但在环境中不可能找到,于是会慢慢死去。该技术有望减少登革热等疾病的发生。下列关于该技术的说法正确的是
( )
A.转基因技术能定向改变蚊子的基因,属于基因突变
B.该转基因蚊子属于新的物种
C.需要四环素才能生存这一特性是基因和环境共同作用的结果
D.该技术的其中一个环节是构建基因表达载体,需要用到限制酶和DNA聚合酶
【解析】选C。转基因技术能定向改变蚊子的基因,属于基因重组,A项错误;该转基因蚊子具有新的基因,但仍能与雌性蚊子交配产生后代,没有出现生殖隔离,所以不属于新的物种,B项错误;由于产生的后代需要四环素才能生存,说明这一特性是基因和环境共同作用的结果,C项正确;该技术的其中一个环节是构建基因表达载体,需要用到限制酶和DNA连接酶,D项错误。
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
【概念·诊断】
1.基因工程20世纪70年代兴起后,得到飞速的发展,在农牧业、医药卫生和食品工业等方面展示了广阔的前景,下列有关描述正确的是________。?
①转基因抗虫棉能抗病毒、细菌、真菌
②利用乳腺生物反应器能够获得一些重要的医药产品,如人的血清白蛋白、生长激素等
③科学家利用基因工程技术除去抗原决定基因培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆器官
④应用工程菌生产乙肝疫苗,在制造该工程菌时,应向酵母菌中导入乙肝病毒的表面抗原基因
⑤“转基因植物”是指植物体细胞中出现了新基因的植物
【解析】选②③④。转基因抗虫棉具有抗虫的特性,但不具有抗病毒、细菌和真菌的特性,①错误;利用乳腺生物反应器能够获得一些重要的医药产品,如人的血清白蛋白、生长激素等,②正确;科学家利用基因工程技术除去抗原决定基因或者导入抑制因子抑制抗原决定基因的表达,培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆器官,③正确;应用工程菌生产乙肝疫苗,在制造该工程菌时,应向酵母菌中导入乙肝病毒的表面抗原基因,使工程菌能够合成乙肝病毒的表面抗原,④正确;“转基因植物”是指利用基因工程获得的植物体,植物体出现新基因不一定是转基因植物,如基因突变产生新基因的植物不是转基因植物,⑤错误。
2.动物基因工程前景广阔,最令人兴奋的是利用基因工程技术使哺乳动物成为乳腺生物反应器,以生产所需要的药品,如转基因动物生产人的生长激素。科学家培养转基因动物成为乳腺生物反应器时
( )
A.仅仅利用了基因工程技术
B.不需要乳腺中特异表达的基因的启动子
C.利用农杆菌转化法将人的生长激素基因导入受精卵中
D.需要进入泌乳期才能成为“批量生产药物的工厂”
【解析】选D。科学家培养转基因动物时除涉及基因工程外,还涉及其他现代生物技术;生产生长激素时需要将人的生长激素基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起,通过显微注射技术导入哺乳动物的受精卵中,然后将受精卵送入母体内使其生长发育成转基因动物。因为药物是伴随乳汁产生的,所以要进入泌乳期才能批量生产。
3.下列有关目的基因的操作能够改善畜产品品质的是
( )
A.将草鱼的生长激素基因导入鲤鱼体内
B.将肠乳糖酶的基因导入奶牛的基因组
C.将人血清白蛋白的基因改造后在山羊的乳腺中表达
D.将Bt毒蛋白基因整合到烟草或棉花的基因组并实现表达
【解析】选B。将草鱼的生长激素基因导入鲤鱼体内是提高鲤鱼的生长速率;导入肠乳糖酶基因的奶牛的牛奶中乳糖含量少,改善了牛奶的品质;将人血清白蛋白的基因改造后在山羊的乳腺中表达是乳腺生物反应器的应用;Bt毒蛋白基因是抗虫基因,能够提高植物的抗性。
4.2020年5月22日国际医学权威期刊《柳叶刀》上发表了新冠病毒疫苗1期临床试验的成果。该试验是由陈薇院士等人领衔的团队开展的研究,试验中使用的疫苗是一种腺病毒载体重组新冠病毒疫苗(基因重组疫苗),该疫苗接种108名健康的成年志愿者后,在志愿者体内均产生了特定的免疫应答。下列叙述正确的是
( )
A.该疫苗的制备不需要用到DNA连接酶
B.志愿者接受重组新冠病毒疫苗的接种后,体内产生被动免疫
C.主要通过检测志愿者体内新冠病毒的含量来评价试验的有效性
D.相对于普通人来说,对腺病毒已具有免疫力的个体使用该疫苗的效果要差
【解析】选D。重组基因疫苗需要将腺病毒的基因和新冠病毒的基因进行连接,所以需要DNA连接酶,A错误;疫苗刺激机体产生特异性免疫属于主动免疫,B错误;接种疫苗后,主要通过检测志愿者体内新冠病毒的抗体来评价试验的有效性,C错误;由于重组病毒含有腺病毒的抗原,所以对腺病毒已具有免疫力的个体使用该疫苗的效果比普通人要差,D正确。
5.(2020·浙江7月选考)下列关于基因工程的叙述,正确的是
( )
A.若受体大肠杆菌含有构建重组质粒时用到的限制性核酸内切酶,则一定有利于该重组质粒进入受体并保持结构稳定
B.抗除草剂基因转入某抗盐植物获得2个稳定遗传转基因品系,抗性鉴定为抗除草剂抗盐和抗除草剂不抗盐。表明一定是抗盐性的改变与抗除草剂基因的转入无关
C.抗除草剂基因转入某植物获得转基因植株,其DNA检测均含目的基因,抗性鉴定为抗除草剂和不抗除草剂。表明一定是前者表达了抗性蛋白而后者只表达抗性基因RNA
D.已知不同分子量DNA可分开成不同条带,相同分子量的为一条带。用某种限制性核酸内切酶完全酶切环状质粒后,出现3条带。表明该质粒上一定至少有3个被该酶切开的位置
【解析】选D。本题主要考查基因工程的内容。若受体大肠杆菌含有构建重组质粒时用到的限制性核酸内切酶,则该酶会对进入受体的重组质粒进行切割,不利于其保持结构稳定,A项错误;抗除草剂基因转入抗盐植物,获得了抗除草剂抗盐品系和抗除草剂不抗盐品系,不抗盐品系的产生可能是转入的抗除草剂基因插入抗盐基因内,影响其表达造成的,B项错误;转基因植物中均含抗除草剂基因,但存在抗除草剂和不抗除草剂两种植株,前者表达了抗性蛋白,后者抗除草剂基因可能未转录出mRNA,或转录出的mRNA未能翻译成蛋白质,C项错误;某种限制性核酸内切酶完全酶切环状质粒后,出现3条带,即3种不同分子量DNA,因此环状质粒上至少有3个酶切位点,D项正确。
【思维·跃迁】
6.科学家将鱼抗冻蛋白基因转入番茄,使番茄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四种限制性内切核酸酶切割位点,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,甲、乙表示相关结构或细胞。请据图作答:
(1)在构建重组DNA时,可用一种或多种限制性内切核酸酶进行切割,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,在此实验中应该选用限制性内切核酸酶______________分别对鱼抗冻蛋白基因和质粒进行切割,切割后产生的DNA片段分别为____________、__________种。?
(2)基因工程中核心步骤是__________(填序号),该步骤的目的是____________
______________________________________。为了使目的基因正常表达,其首端必须有启动子,它是______________识别和结合的部位。若限制酶切出了平末端,要选择______________(填“E.coli
DNA连接酶”或“T4DNA连接酶”)进行连接。?
(3)图中将鱼抗冻蛋白基因导入番茄细胞的方法称为______________。它是利用载体Ti质粒中含有__________________,可以将目的基因整合到宿主细胞的染色体上。?
【解析】(1)据图分析,鱼的抗冻蛋白基因(目的基因)上具有三种限制酶切割位点,PstⅠ酶的切割位点位于目的基因的两侧,SmaⅠ酶的切割位点位于目的基因的左侧,而
AluⅠ酶的切割位点位于目的基因的中央,因此不宜选用
AluⅠ酶;质粒上有
PstⅠ、SmaⅠ、HindⅢ、AluⅠ四种限制酶切割位点,因此应该选择
PstⅠ、SmaⅠ
分别切割目的基因和质粒,切割后目的基因所在的
DNA
产生
4
种DNA
片段,质粒产生
2
种
DNA
片段。
(2)图中①～④分别表示:基因表达载体的构建、目的基因导入受体细胞、脱分化、再分化。基因工程的核心步骤是基因表达载体的构建,即图中的①步骤,目的是使目的基因稳定存在并能遗传下去,使目的基因能表达及发挥作用;基因表达载体中的启动子是
RNA聚合酶识别和结合的位点;T4
DNA
连接酶可以连接平末端。
(3)将目的基因导入番茄细胞等植物细胞常用农杆菌转化法,利用载体
Ti
质粒中含有
T-DNA,可以将目的基因整合到宿主细胞的染色体上。
答案:(1)PstⅠ、SmaⅠ 4
2
(2)① 使目的基因稳定存在并能遗传下去,使目的基因能表达及发挥作用 RNA
聚合酶 T4
DNA连接酶
(3)农杆菌转化法 T-DNA
【拓展·探究】
7.冠状病毒是一类具有包膜的RNA病毒,某些冠状病毒如新型冠状病毒(SARS-CoV-2)会感染人类并引起呼吸综合征。应对传染性强的病毒感染,需要灵敏的检测试剂盒及免疫效果持久的疫苗。最新的疫苗开发技术是核酸疫苗(包括DNA疫苗和RNA疫苗),其制作流程如图所示。
(1)新型冠状病毒流行期间,建议市民外出一定要戴口罩,其目的是________。(多选)?
A.控制传染源
B.切断传播途径
C.防止病原体扩散
D.发挥非特异性免疫作用
(2)如图新型冠状病毒标出的四种结构中,最先激活免疫系统的是________
____________。(用图中的字母做答)?
(3)在DNA疫苗制备过程中,通常需要使用限制酶切割DNA分子。在如图所示的限制酶识别序列中,限制酶作用的化学键是[
]____________。?
(4)写出图中能表示制备DNA疫苗过程的编号__________。?
(5)DNA或RNA疫苗接种到人体后,其表达产物均会刺激机体产生免疫反应。据图和所学知识,描述两者在人体内表达过程的差异______________。?
【解析】(1)传染病的流行必须具备三个基本环节:传染源、传播途径和易感人群。在这三个环节中,缺少其中的任何一个环节,新的传染都不会发生。在新型冠状病毒流行期间,建议市民外出一定要戴口罩的目的是切断传播途径和防止病原体扩散,即B、C正确。(2)如图新型冠状病毒标出的四种结构a、b、c、d分别表示表面蛋白质、脂质包膜、衣壳、RNA,其中最先激活免疫系统的是a。(3)限制酶能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列,并且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裂。据此可知:在如图所示的限制酶识别序列中,限制酶作用的化学键是[e]磷酸二酯键。(4)图中能表示制备DNA疫苗过程的编号是[①]提取病毒的RNA→[②]逆转录→[③]构建基因表达载体→[④]将构建的基因表达载体导入受体细胞(大肠杆菌)→[⑥]利用工程菌生产DNA疫苗。(5)DNA疫苗接种到人体后,经历转录和翻译表达出病毒的抗原结构,而RNA疫苗接种到人体后,直接翻译出病毒的抗原结构。
答案:(1)B、C (2)a (3)[e]磷酸二酯键
(4)①②③④⑥
(5)DNA疫苗接种到人体后,经历转录和翻译表达出病毒的抗原结构,而RNA疫苗接种到人体后,直接翻译出病毒的抗原结构
十四 基因工程的应用
(20分钟·70分)
一、选择题(共6小题,每小题5分,共30分)
1.能够使植物体表达动物蛋白的育种方法是
( )
A.单倍体育种
B.杂交育种
C.基因工程育种
D.多倍体育种
【解析】选C。要让动物蛋白在植物体内表达,必须将控制动物蛋白合成的相关基因导入植物细胞中并让其表达,因此需要通过基因工程技术才能实现。
2.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用蛋白含量提高了30多倍。下列有关叙述正确的是
( )
A.“转基因动物”是指体细胞中出现了新基因的动物
B.“提高基因的表达水平”是指设法使牛的乳腺细胞中含有更多的人白蛋白基因
C.只在转基因牛乳汁中才能获取人白蛋白,是因为人白蛋白基因只在牛乳腺细胞中是纯合的
D.转基因牛的肌肉细胞中也有人白蛋白基因,但不发生转录、翻译,故不能合成人白蛋白
【解析】选D。转基因动物是指细胞中被转入了外源基因的动物,并非出现新基因,故A错误;“提高基因的表达水平”是指增强白蛋白基因的表达,白蛋白基因数目没有增多,故B错误;“转基因动物”一般用到的受体细胞是受精卵,发育个体的几乎所有细胞中都有相同的外源基因,故C错误;转基因牛的白蛋白基因也是选择性表达的,在肌肉细胞中不能表达,故D正确。
3.下列有关植物基因工程的成果的叙述正确的是
( )
A.转基因抗虫棉改善了作物的品质
B.将毒素蛋白基因直接导入水稻的受精卵,可以得到抗虫水稻
C.转入调节细胞渗透压的基因,有利于植物抗盐碱、抗干旱
D.植物细胞中没有质粒,所以不能利用质粒作为植物基因工程的载体
【解析】选C。转基因抗虫棉使作物获得了抗虫特性,但没有改善作物的品质,A错误;将目的基因导入受体细胞前需要先构建基因表达载体,B错误;转入调节细胞渗透压的基因,有利于植物抗盐碱、抗干旱,C正确;可以利用质粒作为植物基因工程的载体,D错误。
4.转基因食品已大量进入我们的日常生活,如转基因西红柿、转基因草莓等,涉及的问题甚至关系到国家之间的贸易竞争。下列关于转基因大豆的叙述不正确的是
( )
A.培育过程中可能用到抗病、抗虫等抗性基因
B.目的基因的受体细胞可以是大豆受精卵,也可以是体细胞
C.转基因大豆的种植过程中减少了农药等的使用量,生产成本更低
D.固氮菌的固氮基因也是必需的目的基因之一
【解析】选D。植物基因工程技术主要用于提高农作物的抗逆能力(如抗除草剂、抗虫、抗病等),因此在转基因大豆的培育过程中,有可能用到了抗虫、抗病等抗性基因提高大豆的抗病虫能力,选项A正确;由于大豆细胞具有全能性,因此无论是受精卵还是体细胞都可以作为受体细胞,使目的基因导入后随之遗传,选项B正确;转基因大豆由于抗逆能力提高,自身具有抗虫特性,因此可以减少杀虫农药的使用量,降低生产成本,选项C正确;转基因大豆相比普通大豆而言,其品质得到明显改良,可能转入了抗虫、抗病等基因提高了抗逆性。转入固氮基因对于改善大豆的品质没有明显作用,因此无须将固氮基因作为目的基因,选项D错误。
5.科学家在河南华溪蟹中找到了金属硫蛋白基因,并以质粒为载体,采用转基因方法培育出了硫吸收能力极强的转基因烟草。下列有关该烟草培育的说法正确的是
( )
A.金属硫蛋白基因需插入质粒上,才能转移到受体细胞中
B.需用特定的限制酶切割烟草的核酸
C.同种限制酶既可以切割含目的基因的DNA片段,又可以切割质粒,因此不具有专一性
D.转基因烟草与原烟草相比基因组成发生了变化,导致两者出现生殖隔离
【解析】选A。金属硫蛋白基因需插入质粒上,才能转移到受体细胞中,A正确;在基因工程中,需用特定的限制酶切割目的基因和运载体,而不是切割烟草的核酸,B错误;限制酶具有专一性,能识别特定的脱氧核苷酸序列,C错误;转基因烟草与原烟草之间一般不会出现生殖隔离,D错误。
6.目前人类利用基因工程的方法成功培育出转基因抗虫棉,以下说法正确的是
( )
A.苏云金芽孢杆菌的毒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,即可通过传粉、受精,使抗虫性状遗传下去
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.转基因抗虫棉即使经过多代种植,棉铃虫也不会产生抗性,这样可以有效消灭棉铃虫
【解析】选C。苏云金芽孢杆菌的毒蛋白基因与质粒结合后,需要将重组质粒先导入农杆菌,运用农杆菌转化法将目的基因导入棉花的叶肉细胞中再表达,选项A错误;抗虫基因导入棉花叶肉细胞后,只有将叶肉细胞通过植物组织培养才可将该基因传给后代,由于生殖细胞中无抗虫基因,凭借传粉、受精的有性生殖方法无法将其抗虫性状遗传给后代,选项B错误;标记基因的作用是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,选项C正确;转基因抗虫棉经过多代种植后,棉铃虫可能会产生抗性,使抗虫效果有所下降,选项D错误。
二、非选择题(共2小题,共40分)
7.(20分)新冠病毒是RNA病毒,对其进行检测的方法有两种:核酸检测和抗原—抗体杂交检测。如图表示新冠病毒核酸检测的部分流程。
(1)以病毒的RNA为模板通过①____________________过程合成cDNA,再对cDNA进行PCR扩增,整个过程为RT-PCR。?
(2)进行
RT-PCR需要加入的酶是________________和________________。?
(3)一次病毒核酸检测历时需16小时,为了快速检测可采用抗原—抗体杂交,这一技术的关键是要生产出能与新冠病毒结合的特异性抗体。首先向小鼠体内注射________________,从小鼠的________________(器官)中获取已免疫的B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合,经过多次______________获得能产生特定抗体的杂交瘤细胞,培养后分离提纯,从而获得大量抗体。该抗体的优点有:_______
_______________________,请举出两例这种抗体在现实中的两大具体应用:______________________________。?
【解析】(1)以RNA为模板合成DNA的过程为逆转录或反转录,故题图中以病毒的RNA为模板合成cDNA的过程为①逆转录,再对cDNA进行PCR扩增,这项技术称为RT-PCR。
(2)RT-PCR是扩增DNA的过程,因为加入的模板是RNA,故需要加入的酶是逆转录酶和Taq酶。
(3)若采用抗原—抗体杂交技术进行病毒检测,需要制备能与新冠病毒结合的特异性抗体,单克隆抗体具有特异性强、灵敏度高且能够大量制备的优势,故设计的思路是设法获得能产生该特异性抗体的杂交瘤细胞,步骤如下:①向小鼠体内注射新冠病毒的抗原蛋白(或灭活的新冠病毒),目的是要获得能产生特异性抗体的效应B细胞;②从免疫小鼠的脾脏中提取B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合,经多次筛选获得能产生特异性抗体的杂交瘤细胞;③将杂交瘤细胞在体外条件下做大规模培养或注射到小鼠腹腔内增殖,从培养液或小鼠腹水中可以提取大量的单克隆抗体。该抗体具有特异性强、灵敏度高、并可大量制备等优点。单克隆抗体可以作为诊断试剂、用于治疗疾病和运载药物等实际应用。
答案:(1)逆转录(反转录)
(2)逆转录酶 Taq酶(热稳定性强的DNA聚合酶)
(3)新冠病毒的抗原蛋白(或灭活的新冠病毒) 脾脏(免疫器官) 筛选 特异性强、灵敏度高、并可大量制备 作为诊断试剂、用于治疗疾病和运载药物
8.(20分)在某些深海鱼中发现的抗冻蛋白基因afp对提高农作物的抗寒能力有较好的应用价值。如图所示是获得转基因莴苣的技术流程,请据图回答下列问题:
(1)获取目的基因的主要途径包括从自然界已有的物种中分离和________
________________。?
(2)①过程需要的酶有__________、__________。?
(3)如果受体细胞C1是土壤农杆菌,则将目的基因导入它的__________上,使目的基因进入受体细胞C2,并将其插入受体细胞C2中__________上,使目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达,形成转基因莴苣,经②过程获得的转基因莴苣中的目的基因是否表达,在分子水平上可用__________法进行检测,如果出现杂交带,说明目的基因已经表达蛋白质产品,转基因莴苣培育成功。?
(4)基因工程的应用除了以上之外还有很多,如用转基因动物作器官移植的供体,其主要优点是避免__________反应。?
【解题关键】解答本题需关注以下两点:
(1)图示信息:过程①表示基因表达载体的构建;“受体细胞C1”表示土壤农杆菌细胞;“受体细胞C2”表示植物细胞。
(2)关键信息:将目的基因导入植物受体细胞最常用的方法是土壤农杆菌转化法。
【解析】(1)目的基因的获取可采取直接分离的方法,也可以采用人工方法合成,人工合成目的基因的常用方法有反转录法和化学合成法。
(2)提取目的基因需限制酶,将目的基因与载体结合需DNA连接酶,故①过程需要的酶有限制酶和DNA连接酶。
(3)将目的基因导入植物受体细胞最常用的方法是农杆菌转化法,将目的基因导入它的Ti质粒的T-DNA上,使目的基因进入受体细胞C2,并将其插入受体细胞C2中染色体DNA上,使目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达,形成转基因莴苣。检测目的基因是否翻译成蛋白质,方法是从转基因生物中提取蛋白质,用相应的抗体进行抗原—抗体杂交。
(4)基因工程的应用还有很多,如用转基因动物作器官移植的供体,其主要优点是避免免疫排斥反应。
答案:(1)(用反转录等方法进行)人工合成
(2)限制酶 DNA连接酶
(3)Ti质粒的T-DNA 染色体DNA
抗原—抗体杂交
(4)免疫排斥
(10分钟·30分)
1.(6分)科学家将正常的腺苷脱氨酶(ADA)基因转入缺乏该基因的患者血液的T细胞中,重组T细胞大量增殖后回输到体内,用于治疗严重的复合免疫缺陷症(SCID),过程如下图所示。下列说法错误的是
( )
A.图中的病毒可作为携带ADA基因进入T细胞的载体
B.T细胞1是受体细胞,回输前可能需要对T细胞2严格筛选
C.需要在无菌、无毒的环境下培养T细胞1和T细胞2
D.此治疗方法较为可靠,患者的T细胞均能合成ADA
【解析】选D。由图示过程可以看出,以病毒为载体,携带人的正常ADA基因进入T细胞1,A正确;从图示过程可以判断T细胞1是受体细胞,T细胞2为重组细胞,因基因表达受很多条件影响,回输前必需对T细胞2进行筛选,筛选出ADA基因能正常表达的T细胞2,B正确;由动物细胞培养的条件可知,在动物细胞体外培养时,首先要保证被培养的细胞处于无菌、无毒的环境,C正确;患者体内的T细胞,有的是来自自身细胞的分化,有的是来自回输的,只有回输的T细胞才能合成ADA,D错误。
2.(6分)(不定项)乙烯生物合成酶基因可以控制乙烯的合成,科学家将该基因的反义基因导入番茄细胞内,培育转基因延熟番茄,延长其储藏期。反义基因的作用机制如图所示,下列说法正确的是
( )
A.有意义mRNA和反义mRNA是通过相应基因转录而来的
B.乙烯生物合成酶基因的模板链的序列与反义基因的是互补的
C.乙烯是乙烯生物合成酶基因的表达产物,可促进果实成熟
D.因为不存在核糖体,所以无乙烯生物合成酶生成
【解析】选A、B。由图示可以看出,有意义mRNA和反义mRNA是通过相应基因转录而来的,A正确;由图示原理,反义mRNA能够与乙烯生物合成酶基因转录出来的有意义mRNA进行杂交形成双链,并且有意义mRNA和反义mRNA是通过相应基因转录而来的,所以,可以推测乙烯生物合成酶基因的模板链的序列与反义基因的模板链是互补的,B正确;乙烯生物合成酶基因的表达产物是酶,可以控制乙烯的合成,乙烯不是其表达产物,C错误;翻译过程是以mRNA为模板合成蛋白质的过程,图示两种mRNA杂交在一起进而阻断了乙烯生物合成酶基因的有意义mRNA的翻译过程,D错误。
【实验·探究】
3.(18分)(2020·山东等级考)水稻胚乳中含直链淀粉和支链淀粉,直链淀粉所占比例越小糯性越强。科研人员将能表达出基因编辑系统的DNA序列转入水稻,实现了对直链淀粉合成酶基因(Wx基因)启动子序列的定点编辑,从而获得了3个突变品系。
(1)将能表达出基因编辑系统的DNA序列插入Ti质粒构建重组载体时,所需的酶是__________,重组载体进入水稻细胞并在细胞内维持稳定和表达的过程称为__________。?
(2)根据启动子的作用推测,Wx基因启动子序列的改变影响了____________,从而改变了Wx基因的转录水平。与野生型水稻相比,3个突变品系中Wx基因控制合成的直链淀粉合成酶的氨基酸序列__________(填“发生”或“不发生”)改变,原因是
______________________。?
(3)为检测启动子变化对Wx基因表达的影响,科研人员需要检测Wx基因转录产生的mRNA(Wx
mRNA)的量。检测时分别提取各品系胚乳中的总RNA,经__________过程获得总cDNA。通过PCR技术可在总cDNA中专一性的扩增出Wx基因的cDNA,原因是________________________________________。?
(4)各品系Wx
mRNA量的检测结果如图所示,据图推测糯性最强的品系为______________,原因是________________________________________。?
【解析】本题主要考查基因工程的知识。
(1)将目的基因和质粒构建成重组载体时,需要使用的酶是限制性核酸内切酶和DNA连接酶,将重组载体导入受体细胞内并维持稳定表达的过程称为转化。(2)启动子是RNA聚合酶识别并结合的位点,Wx启动子序列的改变会影响RNA聚合酶与启动子识别和结合,从而影响基因的转录过程。根据题意可知,该基因工程中编辑的是启动子序列,而启动子序列不参与编码直链淀粉的氨基酸,因此3种突变品系中Wx基因控制合成的直链淀粉的氨基酸序列不发生改变。(3)以细胞中的RNA为原料合成cDNA的过程需经逆转录过程,PCR技术能扩增DNA分子中特定片段的目的基因,原因是引物是根据Wx基因的一段已知序列设计合成的,而PCR技术扩增的是处于两种引物之间的DNA序列。(4)根据图示可知,品系3的Wx
mRNA最少,控制合成的直链淀粉合成酶最少,直链淀粉合成量最少,糯性最强。
答案:(1)限制性核酸内切酶和DNA连接酶
转化
(2)RNA聚合酶与启动子识别和结合 不发生
编码直链淀粉合成酶的碱基序列中不含启动子
(3)逆转录 引物是根据Wx基因的一段已知序列设计合成的
(4)品系3
品系3的Wx
mRNA最少,控制合成的直链淀粉合成酶最少,直链淀粉合成量最少,糯性最强
【补偿训练】
我国科学家屠呦呦因青蒿素的研究荣获2015年诺贝尔生理学或医学奖。青蒿素是目前世界上最有效的治疗疟疾药物,为青蒿植株的次级代谢产物,其化学本质是一种萜类化合物,其生物合成途径如图1所示。正常青蒿植株的青蒿素产量很低,难以满足临床需求,科学家为了提高青蒿素产量,将棉花中的FPP合成酶基因导入了青蒿植株并让其成功表达,获得了高产青蒿植株,过程如图2所示。
(1)研究人员从棉花基因文库中获取FPP合成酶基因后,可以采用____________技术对该目的基因进行大量扩增,该技术除了需要提供模板和游离的脱氧核苷酸外,还需要提供__________________、____________________等条件。
(2)图2中的①为____________________,形成过程中需要________________等;棉花FPP合成酶基因能够和质粒连接成①的主要原因是__________________
________________________。(3)若②不能在含有抗生素Kan的培养基上生存,则原因是______________________。
(4)由题意可知,除了通过提高FPP的含量来提高青蒿素的产量外,还可以通过哪些途径来提高青蒿素的产量?(试举一例)__________________。
【解析】(1)PCR技术可在体外快速扩增目的基因,PCR的条件:模板(目的基因)、原料(四种脱氧核苷酸)、引物、热稳定DNA聚合酶。(2)图2中的①为构建的基因表达载体(重组质粒),形成过程中需要限制酶切割目的基因和载体,再用DNA连接酶连接。由于切割棉花FPP合成酶基因和质粒后,具有相同的黏性末端,两者能够连接成①基因表达载体。(3)重组质粒中含有标记基因,若②不能在含抗生素Kan的培养基上生长,说明重组质粒未导入农杆菌。(4)据图分析可知,FPP在ADS基因表达的情况下,生成青蒿素,或者抑制SQS基因的表达,降低FPP生成其他萜类化合物的量,因此要提高青蒿素的产量,可以通过抑制SQS基因的表达(或增强ADS基因的表达)这些途径。
答案:(1)PCR 引物 热稳定DNA聚合酶
(2)基因表达载体(重组质粒) 限制酶和DNA连接酶 切割后具有相同的黏性末端
(3)重组质粒没有导入农杆菌
(4)抑制SQS基因的表达(或增强ADS基因的表达)?
