第四节基因工程简介

高三生物（第7讲）【教学内容】第三章：遗传与基因工程第三节.基因表达的调控第四节.基因工程简介【重点与难点】重点：原核生物基因表达调控的原理，基因操作的工具和基本步骤。难点：原核生物基因表达调控的原理，限制酶和运载体的作用及基因操作的基本步骤。【延伸与拓展】第三节：基因表达的调控生物体的每一个细胞中都含有本物种的一整套基因，因此，多细胞生物体的每个细胞都具有能够将它所具有的每个基因都表达出来、并且发育成一个完整的生物体的潜能，这就是细胞的全能性。但生物细胞内的一整套基因并不是同时都在表达，这是因为，在细胞内存在着对基因表达的调控机制，基因能够有序地表达。一、原核生物基因表达的调控实验现象：将大肠杆菌接种到无葡萄糖而只有乳糖培养基中，大肠杆菌就会合成并分泌出大量的“半乳糖苷酶”，这种酶可以将培养基中的乳糖分解成葡萄糖和半乳糖，从而加以利用。如果将大肠杆菌生活环境中的乳糖除去，半乳糖苷酶的合成就立即停止。结果分析：大肠杆菌这种原核生物是否能够合成半乳糖苷酶，取决于周围环境中有无乳糖。而半乳糖苷酶的合成是受特定的基因――半乳糖苷酶基因来控制的。因此，乳糖诱导了半乳糖苷酶基因的表达，从而合成了分解乳糖的半乳糖苷酶。那么，这个调控过程到底是怎样的呢？基因表达的调控机理：在大肠杆菌的DNA分子上，与乳糖代谢有关的脱氧核苷酸序列及功能如教材P53图3－12，其调控流程如下：通过大肠杆菌乳糖代谢的调控过程，可以看出其对环境的适应性，这一适应性又称应激性，是生物在长期的进化过程中形成的，由遗传物质决定的。二、真核生物基因表达的调控真核生物基因的核苷酸序列也分为调控基因和结构基因，这一点是与原核生物相似的，真核生物基因的表达过程亦与原核生物有许多点，但也有区别：原核生物的基因表达过程为：调节基因（R）转录mRNA阻抑物（蛋白质）翻译与操纵基因（O）结合与乳糖结合阻抑作用失去阻抑作用RNA聚合酶不与启动子（P）结合RNA聚合酶与启动子（P）结合启动结构基因结构基因不产生半乳糖苷酶产生半乳糖苷酶不转录、翻译转录、翻译无乳糖环境有乳糖环境分解乳糖转录翻译蛋白质mRNADNA真核生物的基因表达过程为：可以看出，两者的不同点是：原核生物转录产生的mRNA不需加工，直接翻译蛋白质，且边转录边翻译；而真核生物由DNA转录的mRNA则需经加工，形成成熟的mRNA才能翻译成蛋白质，且转录在细胞核中、翻译在细胞质中（核糖体内），因而其转录和翻译有时间与空间上的的分隔。多细胞的真核生物在个体发育过程中，基因在各个细胞中不是均等地表达，而是有特异性地表达，从而引起细胞的分化，这是由于在多种因素的影响下、在不同的细胞中关闭或开启某些基因所造成的。第四节：基因工程简介一、基因工程的基本内容1.概念：基因工程又叫做基因工程技术或DNA重组技术，就是按照人类的要求，把一种生物的个别基因复制出来，加以修饰改造，然后导入另一种生物的细胞里，定向地改造生物的遗传性状。2.基因操作的工具：基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工，即对DNA分子进行剪切和拼接其主要工具有：（1）基因剪刀：限制性内切酶，简称限制酶。这种酶主要存在于微生物中，由于每种限制酶能识别特定的核苷酸序列，因此，限制酶能在特定的切点上切割DNA分子。（2）基因针线：DNA连接酶，用它可以将两个DNA分子的互补的碱基连接起来，同时还要将两个DNA分子的“磷酸—脱氧核糖”连接起来。（3）基因运输工具：运载体，借助运载体将外源的目标基因送入受体细胞。作为运载体要符合以下三个条件：第一，能在宿主细胞中复制并稳定地保存；第二，具有多个限制酶切点，以便与外源基因连接；第三，具有标记基因，便于筛选，质粒、噬菌体及动植物病毒常被用作运载体。3.基因操作的步骤：（1）提取目的基因（2）目的基因与运载体结合用同一种限制酶去切割质粒和目的基因，加入DNA连接酶，形成重组DNA分子（3）将目的基因导入受体细胞借鉴细菌或病毒侵染细胞的方法来进行。（4）目的基因的检测和表达检测：根据受体细胞是否具有某些标记基因判断。表达：受体细胞表现出特定的性状。二、基因工程的成果与发展前景1.基因工程与医药卫生生产基因工程药品：如，将胰岛素基因导入大肠杆菌，来生产胰岛素。基因诊断与治疗：用带同位素或荧光标记的DNA做探针，利用DNA分子杂交原理检测被测标本的遗传信息，来检测病症。2.基因工程与农牧业、食品工业农业：获得高产、稳产、品质优良的农作物，如：向日葵豆培育抗逆性的作物品种，如：抗虫棉畜牧养殖业：改善动物的优良品种，如：超级绵羊食品工业：开辟食物来源，如：用大肠杆菌或酵母来生产蛋白转录剪去内含子转录部分拼接外显子转录部分翻译DNA初级转录物（mRNA）成熟mRNA蛋白质从供体细胞的DNA中分离，如鸟枪法。方法反转录法：人工合成基因据已知的氨基酸序列合成：反转录合成蛋白质单链DNAmRNA基因DNA序列mRNA氨基酸序列推测推测合成3.基因工程与环境保护环境监测：用DNA探针检测饮用水中的病毒含量净化环境：用假单孢杆菌分解石油【例题精讲】例一．在大肠杆菌的乳糖代谢中，若调节基因突变，造成阻抑物缺乏，与乳糖分解代谢有关的酶能合成吗？为什么？若启动子或操纵基因突变，结果如何？解析：本题主要考查原核生物基因表达调控的知识。当阻抑物缺乏时，无论是否有乳糖，均不会阻抑RNA聚合酶与启动子的结合，因此，结构基因可以工作，合成与乳糖分解代谢有关的酶。若启动子发生突变，无论阻抑物是否与操纵基因结合，RNA聚合酶都不能与启动子的结合，因此结构基因无法工作，不能合成与乳糖分解代谢有关的酶。若操纵基因突变，则阻抑物无法与之结合，因此，RNA聚合酶随时可以与启动子的结合，使结构基因工作，合成与乳糖分解代谢有关的酶。因此，本题的答案是：能；因阻抑物缺乏时，RNA聚合酶随时可以与启动子的结合，而使结构基因转录成mRNA，进而翻译成蛋白质，即产生乳糖分解代谢有关的酶；启动子发生突变，则不能合成与乳糖分解代谢有关的酶；若操纵基因突变，能产生与乳糖分解代谢有关的酶。例二．下列关于基因工程技术的叙述，正确的是（）A.重组DNA技术所用的工具酶是限制酶、连接酶和运载体B.所有限制酶都只能识别同一种按规定的核苷酸序列C.选用细菌作为重组质粒的受体细胞是因为细胞繁殖快D.只要目的基因进入了受体细胞就能成功实现表达解析：本题主要考查有关基因工程中有关操作工具、目的基因表达等知识基因操作的工具有限制酶、连接酶；一种限制酶只能识别一种核苷酸序列，不同的限制酶识别的核苷酸序列不同；运载体是运输工具，目的基因进入受体细胞后，只有当受体细胞表达出目标性状，才能说明成功实现基因表达；导入受体细胞中的目的基因是为了表达、生产目的基因转录和翻译的产物，因此，能够快速繁殖是作为受体细胞的重要条件。因此，本题的答案是：C。【同步练习】一、选择题1.DNA复制、转录和翻译分别形成（）A.DNA、RNA、蛋白质B.RNA、DNA、多肽C.RNA、DNA、核糖体D.RNA、DNA、蛋白质2.若基因中四种脱氧核苷酸的排列顺序发生变化，那么这种变化不可能导致（）A.遗传性状的变化B.遗传信息的变化C.遗传密码的变化D.遗传规律的变化3.如果DNA分子的链中的A＋T/C＋G=a,那么由该DNA转录而成的RNA中A＋U/C＋G的比值为（）A.aB.1/aC.1D.（1－1/a）4.下列哪项是原核生物基因表达调控的特征（）A.翻译的模板是转录后经过加工的信使RNAB.转录完毕后便进行翻译C.基因表达调控的结果是产生了细胞分化D.转录和翻译同时进行5.生物的每个细胞都含有一整套该物种的基因，对这些基因的表述正确的是（）A.整套基因同时表达B.每种基因时时开启着C.可随特定情况开启或关闭某些基因D.一旦开启就不能关闭6.在大肠杆菌体内半乳糖苷酶的合成过程中，相关基因的作用顺序是（）A.调节基因、结构基因、操纵基因B.调节基因、操纵基因、结构基因C.结构基因、调节基因、操纵基因D.调节基因、操纵基因、启动子、结构基因7.在真核生物的核糖体上，翻译合成蛋白质的模板信使RNA的来源是（）A.染色体上的DNA直接转录形成mRNAB.剪切掉内含子转录部分的mRNAC.由内含子转录部分拼接成的mRNAD.由外显子直接转录形成的mRNA8.实施基因工程的最终目的是（）A.定向提取生物体的DNA分子B.定向地对DNA分子进行人工剪切C.在生物体外对DNA分子进行改造D.定向地改造生物的遗传性状9.下列哪项不是基因工程中经常使用的用来运载目的基因的运载体A.细菌质粒B.噬菌体C.动植物病毒D.细菌核区的DNA10.将牛的生长激素基因和人的生长激素基因，用显微注射技术分别注入小鼠的受精卵中，从而获得了“超级鼠”。此项技术遵循的原理是（）A.基因突变DNA→RNA→蛋白质B.基因工程RNA→RNA→蛋白质C.细胞工程DNA→RNA→蛋白质D.基因工程DNA→RNA→蛋白质11.应用基因工程技术诊断疾病的过程中必须使用基因探针才能达到检测疾病的目的，这里的基因探针是指A.用于检测疾病的医疗器械B.用放射性同位素或荧光分子等标记的DNA分子C.合成β－球蛋白的DNAD.合成苯丙羟化酶的DNA片断12.在基因操作的基本步骤中，不进行碱基互补的步骤是A.人工合成目的基因B.目的基因与运载体结合C.将目的基因导入受体细胞D.基因的检测和表达二．非选择题13.下图是科学家根据实验提出的一个真核生物的基因调控系统模型，仔细分析后回答下列问题：（1）同原核生物大肠杆菌的基因表达机制相比较，图中的整合基因相当于原核生物的＿＿＿＿＿，其功能是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿，感受器相当于原核生物的＿＿＿＿＿＿＿＿，它的功能是＿＿＿＿＿。（2）从图中可看出：真核生物的基因调控信号来自体内的＿＿＿＿＿＿＿＿，它和膜上的受体结合后，作用感受基因，从而激活整合基因，整合基因形成的产物可解除感受器对结构基因的抑制，从而开始转录。【练习答案】1.A2.D3.A4.D5.C6.D7.B8.D9.D10.D11.B12.C13.（1）调节基因；合成活化物；操纵基因；控制结构基因的转录。（2）激素。激素—受体复合物感受基因整合基因感受器结构基因激活转录活化物mRNA