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基因工程及其应用主讲：黄冈中学生物高级教师童金元一、基因工程的原理基因工程又叫做基因拼接技术或DNA重组技术。通俗的说，就是按照人们的意愿，把一种生物的某种基因提取出来，加以修饰改造，然后放到另一种生物的细胞里，定向地改造生物的性状。原理：基因重组。操作水平：DNA分子水平。操作环境：生物体外。结果：定向地改造生物的性状，获得人类所需要的产品（品种）。1、基因的剪刀——限制性核酸内切酶（限制酶）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。例如：大肠杆菌（E.coli）的一种限制酶能识别GAATTC序列，并在G和A之间切开。什么叫黏性末端？被限制酶切开的DNA两条单链的切口，带有几个伸出的核苷酸，他们之间正好互补配对，这样的切口叫黏性末端。2、基因的针线——DNA连接酶DNA连接酶可把黏性末端之间的缝隙“缝合”起来，这样一个重组的DNA分子才能形成。3、基因的运输工具——运载体要让一个从甲生物细胞内取出来的基因（如抗虫基因），送入受体细胞（如棉细胞），还需要有运输工具，这就是运载体。常用的运载体：质粒、噬菌体和动植物病毒。大肠杆菌的质粒：最常用的质粒是大肠杆菌的质粒，其中常含有抗药基因，如四环素的标记基因。质粒的存在与否对宿主细胞生存没有决定性作用，但复制只能在宿主细胞内进行。4、基因工程基本步骤（1）获取目的基因基因工程的第一步，是取得人们所需要的特定基因，也就是目的基因如抗虫基因，抗病基因、种子的贮存蛋白基因，以及人的胰岛素基因、干扰素基因等都是目的基因。（2）目的基因与运载体结合用与提取目的基因相同的限制酶切割质粒使之出现一个切口，将目的基因插入切口处，让目的基因的黏性末端与切口上的黏性末端互补配对后，在连接酶的作用下连接形成重组DNA分子。（3）将目的基因导入受体细胞（4）目的基因的表达和检测处理的受体细胞中真正摄入了目的基因的很少，必须将它从中检测出来。将每个受体细胞单独培养，检测是否有目的基因的表达产物。淘汰无表达产物的，保留有表达产物的进一步培养、研究。二、基因工程的应用1、基因工程与作物育种1993年，中国农业科学院的科学家成功地培育出了抗棉铃虫的转基因抗虫棉，抗虫的基因来自苏云金杆菌。苏云金杆菌形成的伴胞晶体是一种毒性很强的蛋白质晶体，能使棉铃虫等鳞翅目害虫瘫痪致死。科学家将编码这个蛋白质的基因导入作物，使作物自身具有抵御虫害的能力。2、基因工程与药物研制许多药品的生产是从生物组织中提取的。受材料来源限制产量有限，其价格往往十分昂贵。微生物生长迅速，容易控制，适于大规模工业化生产。若将生物合成相应药物成分的基因导入微生物细胞内，让它们产生相应的药物，不但能解决产量问题，还能大大降低生产成本。胰岛素从猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素，使其价格降低了30%-50%！三、转基因生物和转基因食品的安全性当人类拥有了只有大自然才拥有的改造生物、创造生物的能力时，也感到了不安与困惑。人类是否有权按照自已的意愿操纵地球上的生命？人类创造的转基因生物、转基因食品是否会危害整个生物圈，包括人类自身？讨论：转基因食品安全吗？课堂训练例1、要使目的基因与对应的载体重组，所需的两种酶是（）①限制酶②连接酶③解旋酶④还原酶A．①②B．③④C．①④D．②③答案：A例2、采用基因工程的方法培育抗虫棉，下列导入目的基因的作法正确的是（）①将毒素蛋白注射到棉受精卵中②将编码毒素蛋白的DNA序列，注射到棉受精卵中③将编码毒素蛋白的DNA序列，与质粒重组，导入细菌，用该细菌感染棉的体细胞，并进行组织培养④将编码毒素蛋白的DNA序列，与细菌质粒重组，注射到棉的子房并进入受精卵中A．①②B．②③C．③④D．④①答案：C-返回-同步测试一、单项选择题1、基因工程是在DNA分子水平上进行设计施工的，在基因操作的基本步骤中，不进行碱基互补配对的步骤是（C）A．人工合成基因B．目的基因与运载体结合C．将目的基因导入受体细胞D．目的基因的检测和表达2、下列属于利用基因工程技术培育的新品种的是（B）A．耐寒的小黑麦B．抗棉铃虫的转基因抗虫棉C．太空椒D．试管牛3、基因工程中常作为基因的运载体的一组结构是（C）A．质粒、线粒体、噬菌体B．染色体、叶绿体、线粒体C．质粒、噬菌体、动植物病毒D．细菌、噬菌体、动植物病毒4、以下说法正确的是（C）A．所有的限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列B．质粒是基因工程中唯一运载体C．运载体必须具备的条件之一是：具有多个限制酶切点，以便与外源基因连接D．抗虫棉是通过杂交育种方法获取的5、DNA连接酶的重要功能是（C）A．DNA复制时母链与子链之间形成氢键B．黏性末端碱基之间形成氢键C．两条DNA末端之间的缝隙连接起来D．ABC都不正确6、在基因工程中用来修饰改造生物基因的工具是（A）A．限制酶和连接酶B．限制酶和水解酶C．限制酶和运载体D．连接酶和运载体7、1976年，美国科学家首次将人的生长抑制素释放因子的基因转入大肠杆菌，并获得表达。这是人类第一次获得的转基因生物。此文中的“表达”是指该基因在大肠杆菌内（C）A．能进行自我复制B．能进行转录C．能控制合成人的生长抑制素释放因子D．能合成人的生长激素8、基因工程中科学家常用细菌、酵母菌等微生物作为受体细胞，原因是（B）A．结构简单、操作方便B．繁殖速度快C．遗传物质含量少、简单D．性状稳定、变异少9、基因工程的设计施工是在什么水平上进行的（C）A．细胞B．细胞器C．分子D．原子10、苏云金芽孢杆菌的抗虫基因之所以能在棉花的叶肉细胞中准确地表达出来主要是因为（D）A．目的基因能在植物体细胞核中进行复制B．不同生物具有相同的一套遗传信息C．目的基因与棉花DNA的基本结构相同D．不同生物共用一套遗传密码显示提示提示：1、将目的基因导入受体细胞主要借鉴细菌、病毒侵染细胞的途径，不存在碱基互补配对的步骤。3、基因工程中常作为基因的运载体有质粒、噬菌体和动植物病毒等。4、限制酶具有特异性，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；基因工程中常作为基因的运载体有质粒、噬菌体和动植物病毒等；运载体所具备的条件有能够在宿主细胞内稳定保存并大量复制；具备多个限制酶切点，以便与外源基因连接；具有某些标记基因以便筛选；抗虫棉是通过基因工程育种方法获取的。5、DNA连接酶将不同DNA分子的两个相同的黏性末端连接起来，作用部位是磷酸二酯键。6、DNA连接酶将不同DNA分子的两个相同的黏性末端连接起来，作用部位是磷酸二酯键；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。7、基因工程中目的基因的表达是指目的基因能转录、翻译出相应的蛋白质。8、细菌、酵母菌等微生物相对表面积大，物质交换速度大，新陈代谢旺盛，繁殖速度快。9、基因工程是在DNA分子水平上的设计施工。10、本题考查目的基因的转录和翻译。在生物界不同生物共用一套遗传密码。二、简答题11、下图是将人的生长激素基因导入细菌B细胞内制造“工程菌”示意图，所用载体为质粒A。已知细菌B细胞内不含质粒A，也不含质粒A上的基因，质粒A导入细菌B后，其上的基因能得到表达。（1）图中质粒A与目的基因结合产生重组质粒的过程通常是在体外完成的，此过程必须用到的工具酶为__________。（2）在导入完成后得到的细菌，实际上有的根本没有导入质粒，所以在基因工程的操作步骤中必须要有__________这一步骤。（3）若将重组质粒导入细菌后，目的基因在“工程菌”中表达成功的标志是什么？____________________。显示答案11、（1）限制酶和DNA连接酶（2）目的基因的检测与表达（3）“工程菌”能合成生长激素解析：本题考查基因工程的操作知识。基因工程中需利用限制酶获取目的基因、剪切运载体，利用DNA连接酶制备重组质粒；目的基因随运载体进入受体细胞后还需进行检测其表达情况。12、棉铃虫是一种严重危害棉花的害虫。我国科学工作者发现一种生活在棉铃虫消化道内的苏云金杆菌能分泌一种毒蛋白使棉铃虫致死，而这种毒蛋白对人畜无害。通过基因工程方法，我国已将蛋白基因转入棉花植株并成功表达。由于棉铃虫吃了这种转基因棉花的植株后就会造成死亡，所以该棉花新品种在1998年推广后，已取得了很好的经济效益。请根据上述材料回答下列问题：（1）毒蛋白对人畜无害，但能使棉铃虫致死，从蛋白质特性来看，蛋白质具有__________性。（2）利用苏云金芽孢杆菌防治棉铃虫属于生物防治，它突出的优点是____________。（3）转基因棉花的抗虫变异来源，属于可遗传变异类型中的____________________。（4）从苏云金芽孢杆菌中切割抗虫基因所用的工具是__________，此工具主要存在于__________中，其特点____________________。显示答案12、（1）特异性（2）减少了农药用量，减少了环境污染（3）基因重组（4）限制酶微生物一种限制酶只能识别特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割-END-课外拓展质粒质粒习惯上用来专指细菌、酵母菌和放线菌等生物中染色体（或拟核）以外的DNA分子，它们在细菌中以独立于染色体或拟核之外的方式存在。即使细菌细胞不含质粒，也可以正常地生活。质粒的存在通常不会对寄主细胞产生不利影响，有时还会为寄主细胞提供新的遗传特性。例如，有些质粒携带帮助自身从一个细胞转入另一个细胞的信息；有些质粒含有对某种抗生素具有抗性的基因；还有一些携带的是参与或控制一些不同寻常的代谢途径的基因，即降解质粒。质粒的大小不定，小的不到1kb，大的超过500kb。每个质粒都包括与DNA复制起始有关的一段序列，使质粒DNA能够在宿主细胞中复制。每个细胞中的质粒数主要决定于质粒本身的复制特性。按照复制性质，可以把质粒分为两类：一类是严紧型质粒，当细胞染色体复制一次时，质粒也复制一次，每个细胞内有1～2个质粒；另一类是松弛型质粒，当染色体复制停止后仍然能继续复制，每个细胞内一般有20个左右的质粒。在基因工程中，常用人工构建的质粒作为载体。人工构建的质粒可以集多种有用的特征于一体，如含多种单一酶切位点、抗生素耐药性等。常用的人工质粒运载体有pBR322、pSC101等。作为载体的质粒通常需要具有以下特点：第一，能够在细菌细胞内自主复制，并以多拷贝形式存在，以便于实验操作；第二，要有一个或多个选择标记，用于转化细菌的筛选。在基因工程操作中，用肉眼无法看到载有目的基因的载体是否真正进入细胞，这时，标记基因就为鉴别和筛选提供了标记。所谓的选择标记指的就是抗生素抗性基因，如抗四环素或抗氨苄青霉素基因。只要在培养基中加入四环素或氨苄青霉素就能够筛选已转化的细胞。当质粒存在于细菌细胞时，细菌便获得了抗生素抗性，用来区别未转化的细胞；第三，质粒的相对分子质量要小，以便于操作；最后，需要有适于外源DNA片段插入的限制性内切酶识别位点。-END-高考解析例1、下列关于基因工程的叙述，错误的是（）A．目的基因和受体细胞均可来自动、植物或微生物B．限制性核酸内切酶和DNA连接酶是两类常用的工具酶C．人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性D．载体上的抗性基因有利于筛选含重组DNA的细胞和促进目的基因的表达答案：D。解析：目的基因和受体细胞均可来自动、植物或微生物；基因工程中常用的工具酶有限制性核酸内切酶和DNA连接酶；大肠杆菌为原核生物，不含有内质网和高尔基体等细胞器，不能对蛋白质进行加工，其合成的胰岛素原无生物活性。运载体中的抗性基因为标记基因，其作用是有利于筛选含重组DNA的细胞，不能促进目的基因的表达。例2、人类在认识自身的道路上不断前行。人类基因组计划绘制出有“生命之书”之称的人类基因组图谱，揭开了人体基因的奥秘。下列说法正确的是（）①可以利用人类基因组图谱帮助治疗疾病②人类基因组图谱可以消除社会歧视现象③人类基因组图谱精确测定了人类基因碱基对序列④人类基