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第十五单元现代生物科技专题第1讲基因工程一、选择题(每小题6分,共18分)1.(2015·江苏联考)下列关于蛋白质工程说法不正确的是(C)A.蛋白质工程能将人抗体某些区段替代小鼠单克隆抗体的区段,降低小鼠单克隆抗体免疫原性B.蛋白质工程可对酶的催化活性、底物专一性、抗氧化性、热变性等加以改变C.理论上通过对关键氨基酸的置换与增删是进行蛋白质工程的唯一方法D.蛋白质工程的崛起主要是工业生产和基础理论研究的需要【解析】蛋白质工程是指以蛋白质的结构规律及其与生物功能的关系作为基础,通过基因修饰或基因合成,对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质,C项错误。2.(2016·宿州质检)天然的玫瑰没有蓝色花,这是由于缺少控制蓝色色素合成的基因,而开蓝色花的矮牵牛中存在序列已知控制蓝色色素合成的基因B。现用基因工程技术培育蓝玫瑰,下列操作正确的是(A)A.提取矮牵牛蓝色花的mRNA,经逆转录获得互补的DNA,再扩增基因BB.利用限制性核酸内切酶从开蓝色花矮牵牛的基因文库中获取基因BC.利用DNA聚合酶将基因B与质粒连接后导入玫瑰细胞D.将基因B直接导入大肠杆菌,然后感染并转入玫瑰细胞【解析】本题考查基因工程应用的有关内容。获取目的基因的方法有从基因文库中获取、利用PCR技术扩增和人工合成,本题中可以采用逆转录获取目的基因并采用PCR技术扩增,A项正确;基因文库的序列含有内含子,虽然都是植物,但不一定有相同的转录后加工系统,而且含有内含子的序列往往较长,不利于完成后面的克隆表达实验操作,B项错误;通常用T4DNA连接酶将基因B与质粒连接,C项错误;应利用农杆菌转化法将基因B转入玫瑰细胞,D项错误。3.(2015·北京高考)在应用农杆菌侵染植物叶片获得转基因植株的常规实验步骤中,不需要的是(C)A.用携带目的基因的农杆菌侵染植物细胞B.用选择培养基筛选导入目的基因的细胞C.用聚乙二醇诱导转基因细胞的原生质体融合D.用适当比例的生长素和细胞分裂素诱导愈伤组织生芽【解析】本题考查基因工程和植物细胞工程的有关知识。利用农杆菌转化法获得转基因植株,需用携带目的基因的农杆菌侵染植物细胞;基因表达载体中含有标记基因,导入目的基因的细胞中既含有标记基因也含有目的基因,因此可用选择培养基进行筛选;培育转基因植物一般不涉及植物体细胞杂交,C项符合题意;利用适当比例的生长素和细胞分裂素可诱导愈伤组织再分化产生丛芽。二、非选择题(共82分)4.(12分)(2015·长春质量监测)2,4-D作为除草剂在农田中大量使用,研究认为它是某种淋巴癌的致病因子。为降低2,4-D的危害,科研人员通过基因工程技术构建了能高效降解2,4-D的基因工程菌。请回答下列相关问题:(1)在农业生产上常会使用高浓度2,4-D进行麦田除草,在杀死杂草的同时却不会对小麦生长造成损害,原因是不同植物对2,4-D敏感程度不同。(2)从被2,4-D污染的土壤中得到能降解2,4-D的细菌,从该菌提取RNA,构建cDNA(部分基因)文库,进一步获得目的基因。(3)PCR技术扩增目的基因的过程是:目的基因DNA受热变性后解链为单链,引物与单链相应互补序列结合,然后在热稳定DNA聚合(或Taq)酶作用下进行延伸,如此重复循环多次,使目的基因的量呈指数形式扩增。(4)一个基因表达载体的组成中要有标记基因,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。欲知基因工程成功与否,需要进行分子水平的检测,有时还需进行个体生物学(个体)水平的鉴定。【解析】(1)2,4-D是生长素类似物,利用不同植物对其敏感程度不同,可用其除麦田杂草。(2)从工程菌中提取RNA构建的基因文库是部分基因文库(cDNA文库)。(3)PCR技术中需用到热稳定性DNA聚合酶(Taq酶),多次循环呈指数(2n)增长。(4)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。欲知基因工程成功与否,需要进行分子水平检测,有时还需进行个体生物学水平鉴定。5.(10分)(2015·龙岩质检)大豆花叶病毒(RNA病毒)是世界性大豆病害,是造成大豆减产的重要原因。某科研小组制备了大豆花叶病毒的空衣壳蛋白(CP蛋白),生产过程大致如下。请回答问题:(1)图中的①是指RNA。(2)过程Ⅱ中应用的酶是热稳定DNA聚合酶(或Taq酶)。此过程中,先要在大豆花叶病毒的基因文库查找CP蛋白基因(控制CP蛋白合成的RNA片段)的核苷酸序列,以便合成特异性引物。(3)在上述生产流程中,Ⅲ(填序号)是基因工程生产CP衣壳蛋白的核心步骤。为检测样液中是否含有有效成分,在Ⅶ中可使用CP蛋白的抗体进行检测。【解析】本题考查了基因工程的相关知识。(1)题图中Ⅰ表示采用逆转录法合成cDNA,而逆转录的模板是RNA,因此①是RNA。(2)PCR是在较高温度环境中进行操作的,因此过程Ⅱ中应用的酶是热稳定DNA聚合酶(Taq酶);利用PCR技术获取目的基因的前提条件是要有一段已知目的基因的核苷酸序列,以便合成一对引物,因此PCR操作过程中,首先要在大豆花叶病毒的基因文库中查找CP蛋白基因(控制CP蛋白合成的RNA片段)核苷酶序列。(3)基因表达载体的构建(Ⅲ)是基因工程的核心步骤;检测目的基因是否成功表达可采用抗体—抗原杂交技术,因此为检测样液中是否含有有效成分,在Ⅵ中可使用CP蛋白的抗体进行检测。6.(15分)(2016·枣庄模拟)请回答有关下图的问题:(1)图甲中①~⑤所示的生物工程为蛋白质工程。该工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础,通过基因修饰或基因合成,对现有蛋白质进行改造或制造出一种新的蛋白质,以满足人类的生产和生活的需求。(2)图甲中序号④所示过程叫做逆转录,该过程遵循的碱基互补配对原则,不同于翻译过程的是A—T(填模板碱基)。(3)若预期蛋白质欲通过乳腺生物反应器生产,则构建基因表达载体时,图乙中序号[1]代表的是乳腺蛋白基因的启动子;且在图甲中⑨过程之前,要对精子进行筛选,保留含性染色体X的精子。【解析】(1)蛋白质工程是指以蛋白质分子的空间结构规律及其与生物功能的关系作为基础,通过基因修饰或基因合成,对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质,以满足人类的生产和生活需要。题图甲中①~⑤所表示的生物工程为蛋白质工程。(2)题图甲中④表示逆转录过程,该过程遵循的碱基互补原则为U—A、A—T、C—G、G—C,而翻译过程中遵循的碱基互补原则为U—A、A—U、C—G、G—C,逆转录过程的碱基互补配对不同于翻译过程的是A—T。(3)制备乳腺生物反应器过程中,在构建基因表达载体时,需在目的基因前加上乳腺蛋白基因的启动子,题图乙中序号[1]代表的是启动子;因为只有雌性个体才能分泌乳汁,所以在题图甲中⑨过程之前,要对精子进行筛选,保留含性染色体X的精子。7.(15分)为探究SHH基因与角化囊肿发生的相关性,科研人员利用SHH基因的非模板链转录合成RNA作为探针,进行分子杂交实验,以检测SHH基因在角化囊肿中的表达情况。其基本流程如图所示(Amp表示氨苄青霉素抗性基因;LacZ基因被SHH基因插入后不表达)。请回答:(1)基因工程成功实施的理论基础有不同的DNA分子具有相同的双螺旋结构;自然界中所有生物共用一套遗传密码子。(2)重组载体中SHH基因转录合成RNA探针时,需要(填“需要”或“不需要”)启动子。(3)步骤②中,用Ca2+处理大肠杆菌,使之成为感受态细胞,然后导入重组载体。实验中,用添加氨苄青霉素的培养基培养大肠杆菌,未导入质粒的细菌将会死亡,原因是这些细菌不含有Amp(或氨苄青霉素抗性或抗性)基因。(4)能表达LacZ基因的大肠杆菌在含有IPTG和X-gal的培养基上会形成蓝色菌落,易于识别。根据上述原理可以初步判断白色(填“蓝色”或“白色”)菌落中的大肠杆菌为重组菌。(5)将制备的探针加入角化囊肿切片中,探针将与SHH基因转录的mRNA形成杂交带,进而判断SHH基因的转录情况,此过程用到的相关检测方法(技术)是分子杂交技术。【解析】(1)基因工程的理论基础:不同的DNA分子具有相同的双螺旋结构,所以不同生物的DNA才可以连接起来;自然界中所有生物共用一套遗传密码子,所以一种生物的基因能在另一种生物体内表达。(2)转录的进行需启动子的驱动。(3)大肠杆菌细胞用Ca2+处理后成为能吸收周围环境中DNA分子的感受态细胞;要在添加氨苄青霉素的培养基上生存,一定要含有抗氨苄青霉素基因,没有抗氨苄青霉素基因将会死亡。(4)能表达LacZ基因的大肠杆菌在含有IPTG和X-gal的培养基上会形成蓝色菌落,而重组菌中LacZ基因被SHH基因插入后不表达,在含有IPTG和X-gal的培养基上会形成白色菌落。(5)判断SHH基因是否转录出mRNA,可采用分子杂交技术。8.(15分)如图为含铁量较高的转基因水稻培育过程示意图。请分析回答:注:MS培养基为植物组织培养所用培养基。(1)铁结合蛋白基因来自菜豆,若利用菜豆细胞内形成的mRNA通过逆转录过程形成cDNA,将这些cDNA用限制酶处理后储存在受体菌群体内,这些受体菌群被称为菜豆的cDNA文库(或部分基因文库)。除了通过上述方法可以获取铁结合蛋白基因外,还可以通过化学合成的方法获取铁结合蛋白基因,其前提条件是该基因的脱氧核苷酸序列已知。(2)构建重组Ti质粒时,通常要用同种限制性核酸内切酶分别切割含目的基因的DNA片段和质粒,该酶作用的部位为磷酸二酯键(填化学键名)。将重组Ti质粒转入农杆菌时,可以用Ca2+处理农杆菌,使重组Ti质粒易于导入。完整的重组Ti质粒除图示结构外,还应包括启动子、终止子等。(3)将含有重组Ti质粒的农杆菌与水稻愈伤组织共同培养时,通过培养基2的筛选培养,可以获得含有重组质粒(有潮霉素抗性)的愈伤组织,该筛选过程是通过在培养基2中加入潮霉素实现的。培养基3与培养基2的区别是生长素和细胞分裂素的浓度比例。检测培育转基因水稻的目的是否达到,需要检测转基因水稻(成熟)种子中铁含量。【解析】(1)部分基因文库只包含某种生物的部分基因,如cDNA文库,因此题述菜豆菌群被称为部分基因文库(cDNA文库)。除了通过题述方法可以获取铁结合蛋白基因外,还可以通过化学合成的方法获取铁结合蛋白基因,其前提条件是该基因的脱氧核苷酸序列已知。(2)限制酶的作用部位为磷酸二酯键。构建重组质粒的过程中,通常要用同一种限制酶分别切割质粒和含目的基因的DNA片段,使它们产生相同的黏性末端,然后再用DNA连接酶连接成重组质粒。将重组Ti质粒转入农杆菌时,可以用CaCl2溶液处理农杆菌,使农杆菌处于感受态,便于重组Ti质粒导入。基因表达载体包括启动子、终止子、目的基因和标记基因。(3)质粒上的标记基因为潮霉素抗性基因,因此通过培养基2的筛选培养,可以获得含有重组质粒的愈伤组织。愈伤组织再分化形成植株过程中需要加入生长素和细胞分裂素,生长素比例高时可促进根的分化,细胞分裂素比例高时可促进芽的分化,因此培养基3与培养基2的区别是生长素和细胞分裂素的浓度比例不同。该基因工程的目的基因为铁结合蛋白基因,因此检测培育转基因水稻的目的是否达到,需要检测转基因水稻种子中铁含量。9.(15分)如图是培育表达人乳铁蛋白的乳腺生物反应器的技术路线。请回答:图注:ampR:氨苄青霉素抗性基因;tetR:四环素抗性基因;限制酶:BamHⅠ、HindⅢ、SmaⅠ、EcoRⅠ、MspⅠ。(1)天然质粒往往需经过改造才能作为基因工程中的运载体,经改造后的质粒同时具备的条件有①②③④(填序号)。①标记基因②多个限制酶切割位点③对受体细胞无害④启动子⑤起始密码子(2)若对图1中质粒进行改造,插入的SmaⅠ酶切位点越多,质粒的热稳定性将会提高。(3)用图2中的人乳铁蛋白目的基因和图1所示的质粒构建重组质粒时,选用的限制酶是BamHⅠ/HindⅢ(填“EcoRⅠ”、“BamHⅠ/HindⅢ”或“SmaⅠ/HindⅢ”)。不能选择其他限制酶的理由分别是若选EcoRⅠ,则会破坏质粒的复制原点;若选SmaⅠ/HindⅢ,则构建的重组质粒没有标记基因或复制原点。(4)