2021高考生物一轮复习 选修3 现代生物科技专题 第1讲 基因工程教学案 新人教版

-1-第1讲基因工程1.基因工程的诞生(Ⅰ)2.基因工程的原理及技术(含PCR技术)(Ⅱ)3.基因工程的应用(Ⅱ)4.蛋白质工程(Ⅰ)1.基因的结构与功能。(生命观念)2.基因工程的操作流程图及蛋白质的流程图等。(科学思维)3.基因工程的应用和蛋白质工程。(科学探究)4.正确看待转基因生物与环境安全问题。(社会责任)基因工程的基本工具及基本程序1．基因工程的概念(1)概念：按照人们的愿望，进行严格的设计，并通过体外DNA重组和转基因等技术，赋予生物以新的遗传特性，从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。(2)优点①与杂交育种相比：克服了远缘杂交不亲和的障碍。②与诱变育种相比：定向改造生物的遗传性状。2．基因工程的基本工具(1)限制性核酸内切酶(简称限制酶)。①来源：主要来自原核生物。②特点：具有专一性，表现在两个方面：识别——双链DNA分子的某种特定核苷酸序列。-2-切割——特定核苷酸序列中的特定位点。③作用：断裂特定的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。④结果：产生黏性末端或平末端。(2)DNA连接酶种类E·coli_DNA连接酶T4DNA连接酶来源大肠杆菌T4噬菌体特点缝合黏性末端缝合黏性末端和平末端作用缝合双链DNA片段，恢复两个核苷酸之间的磷酸二酯键(3)载体①种类：质粒、λ噬菌体的衍生物、动植物病毒等。②质粒的特点能自我复制有一个至多个限制酶的切割位点有特殊的标记基因③运载体的作用：携带外源DNA片段进入受体细胞。3．基因工程的基本程序(1)目的基因的获取①从基因文库中获取②人工合成利用mRNA反转录合成通过DNA合成仪用化学方法人工合成③利用PCR技术扩增(2)基因表达载体的构建——基因工程的核心①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)将目的基因导入受体细胞-3-①转化含义：目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内遗传和表达的过程。②转化方法生物类型植物动物微生物受体细胞体细胞受精卵大肠杆菌或酵母菌等常用方法农杆菌转化法、基因枪法、花粉管通道法显微注射法感受态细胞法(4)目的基因的检测与鉴定方法检测或鉴定目的水平DNA分子杂交技术检测目的基因的有无个体水平分子杂交技术目的基因是否转录抗原—抗体杂交目的基因是否翻译抗虫或抗病接种实验是否具有抗虫抗病特性分子水平4.PCR技术(1)原理：DNA双链复制。(2)条件模板：DNA母链酶：Taq酶引物：分别与单链相应序列相结合原料：分别为dCTP、dATP、dGTP、dTTP。(4)结果：上述三步反应完成后，一个DNA分子就变成了两个DNA分子，随着重复次数的增多，DNA分子就以2n的形式增加。PCR的反应过程都是在PCR扩增仪中完成的。1．基因工程技术使用限制酶需注意的四个问题(1)获取目的基因和切割载体时，经常使用同一种限制酶(也可使用能切出相同末端的不同限制酶)，目的是产生相同的黏性末端或平末端。(2)获取一个目的基因需限制酶切割两次，共产生4个黏性末端或平末端。(3)限制酶切割位点的选择，必须保证标记基因的完整性，以便于检测。(4)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-4-和质粒。2．载体上标记基因的作用载体上的标记基因一般是一些抗生素的抗性基因。目的基因要转入的受体细胞没有抵抗相关抗生素的能力。当含有抗生素抗性基因的载体进入受体细胞后，抗性基因在受体细胞内表达，使受体细胞能够抵抗相应抗生素，所以在受体细胞的培养体系中加入该种抗生素就可以只保留转入载体的受体细胞，原理如图所示：3．基因工程操作的四个易错点(1)目的基因的插入位点不是随意的，基因表达需要启动子与终止子的调控，所以目的基因应插入启动子与终止子之间的部位。(2)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。(3)农杆菌转化法原理：农杆菌易感染双子叶或裸子植物的细胞，并将其Ti质粒上的T­DNA转移并整合到受体细胞染色体DNA上。(4)启动子≠起始密码子，终止子≠终止密码子启动子和终止子位于DNA片段上，分别控制转录过程的启动和终止；起始密码子和终止密码子位于mRNA上，分别控制翻译过程的启动和终止。1．非洲爪蟾核糖体蛋白基因可以与质粒重组，并且在大肠杆菌细胞中表达，其遗传学基础是什么？提示：非洲爪蟾核糖体蛋白基因与质粒均具有相同的组成单位和双螺旋结构，且不同生物的密码子相同。2．用箭头及简要的文字简述基因组文库和部分基因文库构建过程。提示：基因组文库的构建过程：某种生物全部DNA――――→限制酶许多DNA片段――――――→分别与载体连接导入受体菌群体。-5-部分基因文库的构建过程为：某种生物发育的某个时期的mRNA――→反转录cDNA――――→与载体连接导入受体菌群体。考查基因工程的工具1．(2019·沈阳市东北育才学校高三模拟)青蒿素是最有效的抗疟疾药物，但野生黄花蒿青蒿素产量低，为缓解青蒿素供应不足的状况，科学家将tms基因和tmr基因导入黄花蒿的愈伤组织从而获得了黄花蒿的冠瘿组织，改造过程用到的部分结构如图。(1)科学家将目的基因导入黄花蒿愈伤组织细胞的常用方法是______________________________________。(2)图中结构P、T是基因成功转录的保证，其中结构P的作用__________________。为了鉴别受体细胞中是否含有目的基因，并将含有目的基因的细胞筛选出来，图中还缺少的结构是__________。(3)在获得转基因的冠瘿组织过程中，____________________是核心步骤，在具体操作中常常使用两种能产生不同黏性末端的限制酶对目的基因和运载体的两端分别进行切割，这样做的好处是__________________________。(4)T­DNA的作用是可以使______________________，并插入到植物细胞中染色体的DNA上，要检测目的基因是否插入到冠瘿组织细胞的染色体DNA上，可采用________技术。(5)与愈伤组织相比，冠瘿组织的生长速度更快，原因可能是_________________________。[解析](1)目的基因导入植物细胞的方法有农杆菌转化法、基因枪法、花粉管通道法，而导入植物细胞最常用农杆菌转化法，因此，科学家将目的基因导入黄花蒿愈伤组织细胞的常用方法是农杆菌转化法。(2)图中结构P、T与基因的转录有关，即基因成功转录的保证，T为终止子，则P为启动子，它的作用是RNA聚合酶识别和结合的部位。为了鉴别受体细胞中是否含有目的基因，并将含有目的基因的细胞筛选出来，图中还缺少的结构是标记基因。(3)在获得转基因的冠瘿组织过程中，基因表达载体的构建是核心步骤，在具体操作中常常使用两种能产生不同黏性末端的限制酶对目的基因和运载体的两端分别进行切割，这样做-6-的好处是可以避免目的基因和运载体的自身连接成环和反向连接。(4)T­DNA的作用是可以使目的基因进入植物细胞，并插入到植物细胞中染色体的DNA上，要检测目的基因是否插入到冠瘿组织细胞的染色体DNA上，可采用DNA分子杂交技术。(5)冠瘿组织的生长与细胞的分裂和伸长等有关，由此推知冠瘿组织的生长速度更快，原因可能是tms和tmr基因编码产物控制合成了生长素和细胞分裂素，促进其生长。[答案](1)农杆菌转化法(2)RNA聚合酶识别和结合的部位标记基因(3)基因表达载体的构建(或构建基因表达载体)可以避免目的基因和运载体的自身连接成环和反向连接(4)目的基因进入植物细胞DNA分子杂交(5)tms和tmr基因编码产物控制合成了生长素和细胞分裂素，促进了冠瘿组织的生长基因工程的操作程序2．(2019·晋冀鲁豫高三联考)真核生物基因中通常含内含子，而原核生物基因中没有，原核生物没有真核生物所具有的切除内含子对应的RNA序列的机制。研究发现绿色木霉合成并分泌的环氧化水解酶可降解黄曲霉素B1。现有含绿色木霉的菌液，为获得环氧化水解酶，研究小组进行以下两种尝试：(1)方法一①从含有绿色木霉的菌液中提取细胞的mRNA，在________酶的催化下，合成cDNA。②以cDNA为模板，通过________技术大量扩增，获得目的基因。③构建目的基因表达载体，导入大肠杆菌的体内。④目的基因在大肠杆菌体内正常转录，但是翻译产生的环氧化水解酶没有生物活性，需做进一步的处理加工，原因在于________。(2)方法二①提取绿色木霉的全部DNA，选用适当的________酶处理后，会获得一些小的DNA片段。②选择一些合适的载体与获取的DNA片段构建基因表达载体。与从cDNA文库中获取目的基因构建表达载体所用载体相比，该载体组成不需要添加__________________成分。③载体和这些DNA片段连接起来，导入受体菌的群体中储存。④从这些受体菌的群体中筛选出含有目的基因的受体菌，分离出目的基因，将该目的基因和载体结合，通过________法导入大肠杆菌体内。⑤该目的基因在大肠杆菌的体内正常转录，但其不能进行翻译，原因在于________________________________________。[解析](1)以mRNA合成cDNA的过程为逆转录。以已知的cDNA为模板扩增目的基因的过程称为PCR技术。绿色木霉为真核生物，合成并分泌的环氧化水解酶为分泌蛋白，而大肠杆菌为原核生物，细胞内无内质网和高尔基体，因此在其体内翻译产生的环氧化水解酶没有生物活性。(2)由提取绿色木霉的全部DNA获取一些小的DNA片段需要用限制酶进行处理。从cDNA-7-文库中获取目的基因中无启动子和终止子。将该目的基因导入大肠杆菌的方法为转化法。从基因组文库里分离出的该目的基因在大肠杆菌的体内正常转录，但其不能进行翻译，原因在于目的基因中存在内含子。[答案](1)①逆转录②PCR④环氧化水解酶是分泌蛋白，需要内质网和高尔基体加工(2)①限制②启动子、终止子④转化⑤目的基因中存在内含子3．(2019·郴州市高三二模)甘蔗黄叶综合症是一种由甘蔗黄叶病毒所引起的禾本科植物病毒，科学家通过甘蔗黄叶病毒外壳蛋白基因(简称CP蛋白基因)转化植物来获得抗病转基因新品种。(1)首先从甘蔗黄叶综合症的病叶中提取RNA，此过程中为了防止RNA被分解，需加入________抑制剂，以提取的RNA为模板通过________获得cDNA。(2)对获取的cDNA进行PCR扩增，在此反应体系中，除了模板DNA、dNTP外，还需加入________，获得大量的cDNA需要在4℃的低温下保存备用，原因是________________________________。(3)将cDNA和质粒用同一种限制酶切割，产生相同的平末端，再用________将二者进行连接(填“E·coliDNA连接酶”或“T4DNA连接酶”)。在培养基上接种培养大肠杆菌作为受体细胞，同时加入一定量的CaCl2低温冷却液，目的是制备________细胞，其具有的特殊功能是____________________________。(4)为检测大肠杆菌是否产生CP蛋白，需要将病毒颗粒注射入兔子体内，并从血清中分离获得________作为检测剂。[解析](1)RNA酶可将RNA水解，因此为了防止RNA被分解，需加入RNA酶抑制剂；以RNA为模板获得cDNA的过程称为逆转录。(2)采用PCR技术扩增目的基因时的条件有模板DNA、dNTP、引物、Taq酶(热稳定DNA聚合酶)；获得大量的cDNA需要在4℃的低温下保存备用，原因是高温条件下，易使DNA分子中的氢键断裂，双螺旋结构打开而发生变性。(3)DNA连接酶包括E·coliDNA连接酶、T4DNA连接酶，这二者都能连接黏性末端，此外T4DNA连接酶还可以连接平末端。用CaCl2处理微生物细胞可使其成为感受态细胞，其具有的特殊功能是能吸收周围环境中的DNA分子。(4)为检测大肠杆菌是否产生CP蛋白，需要将病毒颗粒注射入兔子体内，并从血清中分离获得CP蛋